一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室

本发明属于燃气轮机燃烧室，具体涉及一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室。

背景技术：

1、氢气是一种合适的不含碳和其他杂质的燃料，它也是宇宙中最丰富的元素，若结合可再生能源进行生产，其代表了未来航空工业以及低排放发电中可能的替代燃料。此外，它是一种低温燃料，具有作为散热器的潜力，这对于涡轮-电力分布式推进系统是有意义的。由于氢气的物理性质和燃烧特性与传统燃料存在较大的差异，成熟的燃烧系统无法直接应用于氢燃料的低排放燃烧，预混燃烧存在极大的回火和自燃风险，扩散燃烧具有较高的燃烧稳定性但伴随着高nox排放。微混燃烧技术通过缩小燃料与空气的混合尺度提高燃料空气混合均匀性，减小火焰长度和宽度，缩短反应物在高温区停留时间，进而实现低nox排放。微混燃烧技术的原理，可以理解为使用大量的微型喷嘴来替换传统的大直径喷嘴，利用氢气的高反应速率，将反应区分离成大量微火焰而不是几个大火焰，有效控制火焰外形。

2、近年来，氢燃料由于在消除co、co2、碳烟和uhc排放方面的潜在好处，特别是具有较宽的科研极限，允许非常稀薄的燃烧，而受到了重视。各研究机构基于微混燃烧技术开发了不同的微混燃烧室，可以分为预混和扩散两种类型。但这些燃烧室存在如下几方面的问题：

3、1.预混型氢燃料微混燃烧室的基本原理大都是在毫米级的微混管内产生混合气，在管口附近组织燃烧，燃料空气混合效果一般较好，但不可避免地存在回火和自燃的风险，而回火对于燃烧室的稳定燃烧来说是致命的；

4、2.扩散型微混燃烧室虽具有防止回火和自燃的内在安全性，但目前的燃烧室结构相对复杂，集成到燃烧室中的方式有限，不同直径处的燃烧室微混单元因为要满足集成要求尺寸会不一样，不便于制造和维护，经济性较差，不同直径处的微混火焰会有差异，温度分布不均匀，燃料空气的混合质量有待改善以进一步降低污染物排放。

技术实现思路

1、为了实现氢燃料稳定高效低污染燃烧的微混燃烧室，本发明提供了一种结构简单、成本低廉、无回火和自燃风险的低排放氢燃料微混燃烧室，该技术方案不仅能够在保证微混燃烧室使用氢燃料时的稳定运行，而且有效的降低了燃烧室的污染排放。同时，针对预混燃烧存在回火、自燃的问题提出了在燃料罐上开设燃料喷孔和空气挡板上开设空气孔来组织扩散燃烧的方式。对于改善混合质量，提出了在主空气孔周围开设辅助射流空气孔减速增湍的方式。对于集成到燃烧室空间上，提出了采用可以密铺的空气挡板形状的方式。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，包括火焰筒机匣和火焰筒头部，所述火焰筒机匣内同轴安装有火焰筒，火焰筒外壁与火焰筒机匣之间形成空气通道，燃料总管依次贯穿火焰筒机匣及火焰筒头部，燃料总管与各个燃料管路连通，向各个燃料管路供应燃料，在所述火焰筒机匣与燃料管路之间安装有套装在燃料总管上的多孔板，所述火焰筒头部由若干微混单元拼接而成，所述微混单元包括燃料罐，所述燃料罐安装于空气挡板的中心孔处，燃料罐与燃料管路连接。

4、所述燃料罐为一端开口一端闭口的圆柱形结构，开口端与燃料管路连通，在靠近所述闭口端的管壁周向开设有多个用于喷射燃料的燃料喷孔，燃料罐具有结构简单，便于制造与维护的优点。

5、所述微混单元的空气挡板的形状为正方形、正三角形或正六边形，采用密铺的方式将微混单元集成到燃烧室空间中，这种集成方式既可以有效地利用燃烧室空间，又可以保证每个微混单元大小相同，形成的涡系结构相同，进而涡控制的微混火焰的大小与位置尽可能相同，从而使温度分布更均匀。

6、所述燃料喷孔的数目、孔径及布置方式依据燃烧室条件以及空气挡板形状进行调整，当空气挡板的形状为正方形时，开设四个燃料喷孔；当空气挡板的形状为正三角形时，开设三个燃料喷孔；当空气挡板的形状为正六边形时，开设六个燃料喷孔；每一个燃料喷孔形成一个较小的扩散火焰，一方面通过缩小火焰尺寸和增强燃料空气混合强度降低nox排放，另一方面通过利用扩散燃烧方式有效抑制预混燃烧存在的回火与自燃问题；在靠近火焰筒筒壁的微混单元内，靠近相邻的微混单元的一侧开设燃料喷孔，靠近火焰筒筒壁的一侧不开设燃料喷孔。

7、各微混单元之间的主空气孔相对应设置，且微混单元大小一致，微混单元内涡系结构相同，空气孔边缘流出的空气在燃料罐下游燃料喷孔之间的区域形成涡，一部分涡在燃料罐下游高温区吸收热量后直接排出，另一部分涡回流到空气挡板背部与冷空气掺混后再排出，微混火焰被涡系锚定在相同位置。

8、所述燃料喷孔的孔径与空气挡板的尺寸成正比，燃料喷孔的孔径为0.4～2mm。

9、所述空气挡板的中心处加工有用于安装燃料罐的中心孔，在空气挡板上加工有与中心孔连通的主空气孔，主空气孔沿中心孔的周向设置，且主空气孔与燃料喷孔一一对应设置构成主流中射流的流体力学现象加强燃料空气混合，在主空气孔周围开有向主流空气斜射流的辅助射流空气孔，降低主流空气速度，增强空气湍流强度，增加燃料进入主流的相对射流深度，增强主体扩散，强化湍流扩散，进一步改善燃料空气的混合。

10、本发明的技术效果为：

11、(1)相比于现有的预混型微混燃烧室，该燃烧室将相同尺寸微混管内产生的预混型微混火焰分割成数个相对小的扩散型微混火焰，有效控制了火焰外形，降低了反应物在热火焰区域停留时间，减小了混合尺度的同时增强了混合强度，可以在预混型微混燃烧室低排放的基础上保持甚至进一步降低污染物的排放，最重要的是没有回火和自燃的风险。

12、(2)相比于现有的扩散型微混燃烧室，该燃烧室独特的“杯”型燃料罐结构结构简单、便于制造与维护，用于组织燃烧的微混单元整体上十分简易，具有较好的经济性；主空气孔、辅助射流空气孔和燃料喷孔的相互作用，具有较好的燃料空气混合性能；微混单元结构多样，集成到实际燃烧室中的方式众多，密铺的集成方式不会改变微混单元的大小，具有较好的集成能力。

技术特征：

1.一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，包括火焰筒机匣和火焰筒头部，所述火焰筒机匣内同轴安装有火焰筒，火焰筒外壁与火焰筒机匣之间形成空气通道，燃料总管依次贯穿火焰筒机匣及火焰筒头部，燃料总管与各个燃料管路连通，向各个燃料管路供应燃料，在所述火焰筒机匣与燃料管路之间安装有套装在燃料总管上的多孔板，其特征在于：所述火焰筒头部由若干微混单元拼接而成，所述微混单元包括燃料罐，所述燃料罐安装于空气挡板的中心孔处，燃料罐与燃料管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，其特征在于：所述燃料罐为一端开口一端闭口的圆柱形结构，开口端与燃料管路连通，在靠近所述闭口端的管壁周向开设有多个用于喷射燃料的燃料喷孔。

3.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，其特征在于：所述微混单元的空气挡板的形状为正方形、正三角形或正六边形。

4.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，其特征在于：所述燃料喷孔的数目、孔径及布置方式依据燃烧室条件以及空气挡板形状进行调整，当空气挡板的形状为正方形时，开设四个燃料喷孔；当空气挡板的形状为正三角形时，开设三个燃料喷孔；当空气挡板的形状为正六边形时，开设六个燃料喷孔；在靠近火焰筒筒壁的微混单元内，靠近相邻的微混单元的一侧开设燃料喷孔，靠近火焰筒筒壁的一侧不开设燃料喷孔。

5.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，其特征在于：各微混单元之间的主空气孔相对应设置，且微混单元大小一致，微混单元内涡系结构相同，空气孔边缘流出的空气在燃料罐下游燃料喷孔之间的区域形成涡，一部分涡在燃料罐下游高温区吸收热量后直接排出，另一部分涡回流到空气挡板背部与冷空气掺混后再排出，微混火焰被涡系锚定在相同位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，其特征在于：所述燃料喷孔的孔径与空气挡板的尺寸成正比，燃料喷孔的孔径为0.4～2mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，其特征在于：所述空气挡板的中心处加工有用于安装燃料罐的中心孔，在空气挡板上加工有与中心孔连通的主空气孔，主空气孔沿中心孔的周向设置，且主空气孔与燃料喷孔一一对应设置构成主流中射流的流体力学现象加强燃料空气混合，在主空气孔周围开有向主流空气斜射流的辅助射流空气孔。

技术总结
一种用于燃气轮机的低排放氢燃料微混燃烧室，属于燃气轮机燃烧室技术领域，包括火焰筒机匣，火焰筒机匣内安装有火焰筒，火焰筒外壁与火焰筒机匣之间形成空气通道，燃料总管贯穿火焰筒机匣及火焰筒头部，燃料总管与各个燃料管路连通，向各个燃料管路供应燃料，在火焰筒机匣与燃料管路之间安装有套装在燃料总管上的多孔板，火焰筒头部由若干微混单元拼接而成，微混单元包括燃料罐，燃料罐安装于空气挡板的中心孔处，燃料罐与燃料管路连接。该燃烧室将相同尺寸微混管内产生的预混型微混火焰分割成数个相对小的扩散型微混火焰，有效控制了火焰外形，降低了反应物在热火焰区域停留时间，减小了混合尺度的同时增强了混合强度，没有回火和自燃的风险。

技术研发人员：刘爱虢,张云杰,吴开辟,吴小取,李恒文
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12