CN115839506B - 一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明为一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，包括两级分层旋流燃烧室头部和火焰筒；在燃气轮机燃烧室中采用同轴分级、分区燃烧组织方法，采用多个燃烧单元通过阵列的方式布置在燃烧室头部，有助于提高燃烧室出口温度的均匀性。单个燃烧单元采用两级旋流、部分预混燃烧的组织方式，在靠近燃烧器出口的位置，富氢燃料与空气进行短暂而强烈地混合。值班级通过接近扩散的燃烧方式形成持续的点火源，稳定贫燃的主燃级火焰，形成的回流区能够促进已燃气与未燃气的掺混传热。工况的过渡可由燃料分配器自动控制，燃烧室在变工况过程中可以通过各级燃料逐级加入或退出的方式实现工况的平稳过渡。本发明可实现富氢燃料稳定、清洁、高效地燃烧。

Description

一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室

技术领域

本发明属于氢燃料技术领域，涉及使用富氢燃料燃烧的燃气轮机分级低污染燃烧室，特别涉及一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室。

背景技术

作为向纯氢燃气轮机发展的过渡，燃用富氢燃料的燃气轮机在发电领域的优势逐渐凸显。向常规气态化石燃料中添加氢气，可以提高其燃烧速率，扩展稳定稀燃极限，但低比例的掺氢降低二氧化碳排放效果并不明显，随着掺氢比增加，可以显著降低二氧化碳排放，同时，当燃料中氢气的含量发生变化时，燃料的火焰传播速度以及点火延迟时间等特性会显著改变，容易产生自燃、热声振荡和回火等现象。当前绝大部分燃气轮机基于贫燃预混的工作方式，随着掺氢比增加，极易产生回火，无法根据富氢燃料中不同的含氢比例快速做出变化以实现富氢燃料稳定、高效、清洁的燃烧，只能燃用固定含氢比例富氢燃料的燃烧室难以满足市场需求。随着可再生能源的综合利用以及节能减排的深度发展，能够灵活使用不同含氢比例、清洁高效的燃气轮机对能源利用意义重大。目前，领域内大多为基于传统燃气轮机燃烧室的掺氢适应性研究，缺乏成熟的专门用于燃用富氢燃料低排放燃烧室。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，主要解决现有燃烧室只能燃用固定含氢比例富氢燃料，无法根据富氢燃料中不同的含氢比例乃至不同工况需求自适应调节实现富氢燃料稳定、高效、清洁燃烧的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，包括两级分层旋流燃烧室头部和火焰筒；

所述两级分层旋流燃烧室头部布置于所述火焰筒中，所述火焰筒上位于所述两级分层旋流燃烧室头部的前方设置有空气进口，所述前方，指沿富氢燃料流向的上游；

所述两级分层旋流燃烧室头部包括燃烧室头部安装盘和若干个分层旋流燃烧单元；所述燃烧室头部安装盘与燃烧室轴向垂直，所述分层旋流燃烧单元安装于所述燃烧室头部安装盘；

每个所述分层旋流燃烧单元由同心布置的内值班级和外主燃级组成，所述内值班级包括值班级喷嘴和在所述值班级喷嘴外沿其周向布置的值班级轴向旋流器；所述外主燃级包括主燃级燃料腔和在所述主燃级燃料腔出口端面设置的主燃级径向旋流器；所述主燃级燃料腔环绕所述值班级轴向旋流器布置；所述主燃级燃料腔与所述主燃级径向旋流器通过轴向的环缝连通；

所述主燃级燃料腔接主燃级富氢燃料，所述主燃级富氢燃料进入所述主燃级燃料腔后，经由所述环缝与流经所述主燃级径向旋流器叶间的空气形成横向射流掺混；

所述值班级喷嘴接值班级富氢燃料，所述值班级富氢燃料经由所述值班级喷嘴喷出后，与流经所述值班级轴向旋流器叶片间的空气进行短暂混合。

在一个实施例中，所述值班级喷嘴的头部开设若干个垂直于气流方向的小孔，富氢燃料通过所述小孔喷射出，多孔喷射形成的多股燃料射流与空气进行短暂且强烈地混合，形成均匀混合气。

在一个实施例中，所述值班级轴向旋流器包含若干具备弧度的叶片，使流经其流道的来流产生径向和周向速度分量，促进燃烧器出口滞止点的形成；

所述主燃级径向旋流器包含与径向形成一定角度安装的若干直叶片，使流经其流道的空气产生径向和周向速度分量，在下游产生轴向逆压梯度，形成回流区。

在一个实施例中，所述主燃级燃料腔的主体为腔体结构，其尾端与主燃级燃料分配导管相连，在其头部开设所述环缝，流进腔体的富氢燃料，经所述环缝喷射出成。

在一个实施例中，所述内值班级和外主燃级之间以台阶套筒隔开，所述台阶套筒从所述燃烧室的前方向后方呈聚拢形态，并将所述内值班级包覆在内。

在一个实施例中，所述分层旋流燃烧单元由一个中心分层旋流燃烧单元和多个环绕所述中心分层旋流燃烧单元均匀分布的***分层旋流燃烧单元组成。

在一个实施例中，所述燃烧室还包括富氢燃料导管；

所述富氢燃料导管包括自内向外同轴分布的中心值班级富氢燃料导管、中心主燃级富氢燃料导管、***值班级富氢燃料导管和***主燃级富氢燃料导管；

所述中心值班级富氢燃料导管与中心分层旋流燃烧单元的值班级喷嘴相连，所述中心主燃级富氢燃料导管与中心分层旋流燃烧单元的主燃级燃料腔相连；

所述***值班级富氢燃料导管在后端连接若干***值班级富氢燃料分管，每个***值班级富氢燃料分管与一个***分层旋流燃烧单元的值班级喷嘴相连；

所述***主燃级富氢燃料导管在后端连接若干***主燃级富氢燃料分管，每个***主燃级富氢燃料分管与一个***分层旋流燃烧单元的主燃级燃料腔相连。

在一个实施例中，所述***主燃级富氢燃料导管中布设有外层整流板；所述***值班级富氢燃料导管中布设有内层整流板。

在一个实施例中，所述燃烧室还包括多孔板，所述多孔板与燃烧室轴向垂直布置于所述火焰筒中，且位于所述空气进口和所述两级分层旋流燃烧室头部之间，所述多孔板上设置有中心孔和围绕所述中心孔均布的若干圆孔；所述富氢燃料导管从所述中心孔穿过。

在一个实施例中，所述火焰筒在所述两级分层旋流燃烧室头部后方的部分，由若干级联的双层套筒组成，每一级所述双层套筒的前端封闭，后端开放，且外层筒壁上开有冷却孔，前一级双层套筒的外层筒壁与后一级双层套筒的内层筒壁相连，各级双层套筒中，至少有一级为从前向后截面积减小的形状，至少在最后一级设置有与筒内连通的掺混孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明涉及到的一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，富氢燃料与流经径向旋流器的空气在靠近主燃级出口的位置进行短暂而迅速地混合，以达到部分预混燃烧，没有预混腔的存在，避免了回火和自燃的风险。

2.本发明涉及到的一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，预燃级采用近扩散的燃烧方式，在燃烧器出口处形成稳定的点火源，旋流效应形成的中心回流区增强了已燃气与未燃气的掺混传热，能够提高燃烧的稳定性。

3.本发明涉及到的一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室由两级燃料分配器调节燃料量，可根据需求调节主燃级燃料流量以适应不同工况需求，拓宽了燃烧室的工作范围，有效降低污染物的排放，同时兼顾燃烧效率。

4.本发明涉及到的一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，主燃级的径向旋流器保证了靠近燃烧器出口位置处富氢燃料与空气迅速而强烈地混合，提高了燃烧效率，降低燃烧室平均温度。

附图说明

图1为本发明的富氢燃料低排放分层旋流燃烧室示意图。

图2为本发明的两级分层旋流燃烧室头部示意图。

图3为图2中A-A向视图。

图4为本发明单个分层旋流燃烧单元示意图(立体图)。

图5为本发明单个分层旋流燃烧单元示意图(侧视图)。

图6为图5中A-A向视图。

图7为图6中B区域放大视图。

图8为本发明值班级喷嘴结构示意图(出口端视图)。

图9为本发明值班级喷嘴结构示意图(侧视图)。

图10为图9中D-D向视图。

图11为本发明主燃级燃料腔结构示意图。

图12为图11中D-D向视图。

图13为图12中E区域放大视图。

图14为本发明富氢燃料导管示意图。

图15为图14中B-B向视图。

图16为本发明多孔板示意图。

图17为本发明点火器示意图。

图18为本发明火焰筒示意图。

图19为图18中B-B向视图。

图20为图19中C区域放大视图。

图21为本发明机匣示意图(头端视图)。

图22为本发明机匣示意图(正视图)。

图23为图22中B-B向视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本专利进行更加详细地描述，以下说明将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

本发明为一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，采用了同轴分级、分区的燃烧组织方法，使得燃气轮机可根据不同工况需求自适应调节，以达到稳定、高效、清洁燃用富氢燃料。

具体来说，本发明将燃烧室中的燃烧分为预燃级、主燃级两级燃烧，实现分级、分区燃烧。如图1～图23所示，其主要包括两级分层旋流燃烧室头部1和火焰筒5。其中所述火焰筒5上位于所述两级分层旋流燃烧室头部1的前方设置有空气进口5-2，在本发明中，定义沿富氢燃料流向的上游为前方，下游为后方。本发明的“前”、“后”由此定义。

两级分层旋流燃烧室头部1布置于所述火焰筒5中，所述两级分层旋流燃烧室头部1包括燃烧室头部安装盘1-1和若干个分层旋流燃烧单元，各分层旋流燃烧单元优选采用阵列方式布置。例如在图2所示结构中，分层旋流燃烧单元共有7个。其中燃烧室头部安装盘1-1与燃烧室的轴向垂直，各分层旋流燃烧单元安装于所述燃烧室头部安装盘1-1。

每个所述分层旋流燃烧单元由内值班级和外主燃级组成，二者优选同心布置，如图2和图3所示。所述内值班级包括值班级喷嘴1-4和值班级轴向旋流器1-5，值班级轴向旋流器1-5在所述值班级喷嘴1-4的外沿其周向布置。外主燃级包括主燃级燃料腔1-6和主燃级径向旋流器1-2，主燃级径向旋流器1-2设置在所述主燃级燃料腔1-6出口端面，如图4、图5、图6和图7所示。

所述主燃级燃料腔1-6环绕所述值班级轴向旋流器1-5布置，并且述主燃级燃料腔1-6与所述主燃级径向旋流器1-2通过轴向的环缝1-7连通，如图4、图5、图6和图7所示。

在本发明中，主燃级燃料腔1-6接主燃级富氢燃料，所述主燃级富氢燃料进入所述主燃级燃料腔1-6后，经由所述环缝1-7与流经所述主燃级径向旋流器1-2叶间的空气形成横向射流掺混；值班级喷嘴1-4接值班级富氢燃料，所述值班级富氢燃料经由所述值班级喷嘴1-4喷出后，与流经所述值班级轴向旋流器1-5叶片间的空气进行短暂混合。

根据以上结构，本发明的分层旋流燃烧单元采用阵列布置，有助于提高燃烧室出口温度的均匀性。单个分层旋流燃烧单元采用两级旋流、部分预混燃烧的方式组织燃烧，在靠近燃烧器出口的位置，富氢燃料与空气进行短暂而强烈地混合。由于没有预混腔体的存在，因此消除了回火和自燃的风险，以适应不同氢含量的富氢燃料，实现不同氢含量富氢燃料的稳定、高效、清洁燃烧。同时，单个分层旋流燃烧单元采用同轴轴向分级的燃烧组织方式，通过近扩散方式燃烧的值班级火焰形成持续的点火源，稳定贫燃的主燃级火焰，燃烧形成的回流区能够促进已燃气和未燃气的掺混传热，稳定贫燃的主燃级火焰，增强了燃烧的稳定性，从而使整个燃烧室工作在贫燃的状态下，降低污染物排放。

因此，本发明在预燃级采用了近扩散的燃烧方式，能够在燃烧器出口形成稳定的持续点火源，主燃级燃料在靠近燃烧器出口的位置与通过主燃级径向旋流器1-2的主燃级空气进行快速而剧烈的混合，以部分预混的方式进行低当量比燃烧，形成整燃烧室整体工作在贫燃的状态，实现不同含氢比例富氢燃料稳定、高效、清洁燃烧。显然，这种方案具有燃料灵活度高、工况范围宽、工况过渡平缓、出口温度场均匀性好、燃烧稳定性好、低排放等优点，适用燃用不同含氢比例富氢燃料的燃气轮机，在燃气轮机发电领域的优势十分明显。

在本发明的实施例中，分层旋流燃烧单元由内向外分别为值班级喷嘴1-4、值班级轴向旋流器1-5、台阶套筒1-3、主燃级径向旋流器1-2和主燃级燃料腔1-6。燃烧室头部安装盘1-1包含两个点火器安装孔1-8，用于安装固定点火器4。主燃级燃料腔1-6和值班级喷嘴1-4的一端留有中空的通道用于与富氢燃料导管2相连。

如图8、图9和图10所示，值班级喷嘴1-4的头部开设6个垂直于气流方向的小孔1-4-1，富氢燃料能够通过该小孔1-4-1喷射出，多孔喷射形成的多股燃料射流能够与空气进行短暂且强烈地混合，形成较为均匀的混合气。

在本实施例中，富氢燃料经小孔1-4-1喷出，与流经值班级轴向旋流器1-5的空气进行短暂地混合，流经主燃级径向旋流器1-2的空气与环缝1-7中喷出的富氢燃料形成横向射流掺混，混合气在燃烧室内被点火器4点燃后在燃烧室头部下游进行燃烧。

在本发明的实施例中，值班级轴向旋流器1-5包含了若干具备一定弧度的叶片，其作用在于能够使流经其流道的来流产生径向和周向速度分量，促进燃烧器出口滞止点的形成，有助于稳定火焰。主燃级径向旋流器1-2包含与径向形成一定角度安装的若干直叶片，其作用在于能够使流经其流道的空气产生径向和周向速度分量，在下游产生轴向逆压梯度，形成回流区，促进燃烧。预燃级采用近扩散的燃烧方式，在燃烧器出口形成稳定的持续点火源，用于稳定主燃级火焰，使整个燃烧室整体工作在更加贫燃的状态，可有效降低污染物排放。

如图11、图12和图13所示，在本发明的实施例中，主燃级燃料腔1-6的主体为腔体结构，其尾端与主燃级燃料分配导管2-7相连，在其头部开设狭窄环状的缝隙，即所述环缝1-7，流进腔体的富氢燃料，经环缝1-7喷射出成，由于环缝流道截面积骤减，富氢燃料在环缝流道中流动加速，轴向动量增加，形成富氢燃料射流，增与空气间的混合，促进高效燃烧并降低污染物生成。

在本发明的实施例中，内值班级和外主燃级之间以台阶套筒1-3隔开，所述台阶套筒1-3从所述燃烧室的前方向后方呈聚拢形态，并将所述内值班级包覆在内。

在本发明的实施例中，分层旋流燃烧单元由一个中心分层旋流燃烧单元和多个环绕中心分层旋流燃烧单元均匀分布的***分层旋流燃烧单元组成，如图2所示，其中示出了一个中心分层旋流燃烧单元和六个***分层旋流燃烧单元。

本实施例中，通过独立控制各分层旋流燃烧单元的值班级和主燃级燃料供给，例如，燃气轮机在气动以及低工况工作时，只给中心分层旋流燃烧单元供给燃料，燃料从中心分层旋流燃烧单元的值班级喷嘴和主燃级燃料腔的环缝中喷出，与流经旋流器的空气进行短暂而强烈地混合后在燃烧器下游燃烧，随着工况的升高逐步增加中心分层旋流燃烧单元燃料量，直至工况升高至某工况点后，同时给所有分层旋流燃烧单元供给燃料，此时所有的分层旋流燃烧单元同时参与燃烧，以此实现燃烧室在不同工况下的分级分区组织燃烧，充分发挥分层旋流燃烧室在全工况工作范围内的低排放优势，在变工况过程中也能平稳过渡。

在本发明的实施例中，所述燃烧室还包括富氢燃料导管2；参考图14和图15，所述富氢燃料导管2包括自内向外同轴分布的中心值班级富氢燃料导管2-6、中心主燃级富氢燃料导管2-5、***值班级富氢燃料导管2-2和***主燃级富氢燃料导管2-1。所述中心值班级富氢燃料导管2-6与中心分层旋流燃烧单元的值班级喷嘴1-4相连，所述中心主燃级富氢燃料导管2-5与中心分层旋流燃烧单元的主燃级燃料腔1-6相连；所述***值班级富氢燃料导管2-2在后端连接若干***值班级富氢燃料分管2-8，每个***值班级富氢燃料分管2-8与一个***分层旋流燃烧单元的值班级喷嘴1-4相连；所述***主燃级富氢燃料导管2-1在后端连接若干***主燃级富氢燃料分管2-7，每个***主燃级富氢燃料分管2-7与一个***分层旋流燃烧单元的主燃级燃料腔1-6相连。

本实施例中，将富氢燃料导管2整体分为了四层，由内向外分别为中心值班级富氢燃料导管2-6、中心主燃级富氢燃料导管2-5、***值班级富氢燃料导管2-2和***主燃级富氢燃料导管2-1。采取值班级与主燃级燃料分别供应，中心分层旋流燃烧单元与***分层旋流燃烧单元燃料分别供应，可适应不同工况低排放稳定燃烧需求。根据该结构，工况的过渡可由燃料分配器自动控制，燃烧室在变工况过程中可以通过各级燃料逐级加入或退出的方式实现工况的平稳过渡。具体地，燃气轮机在启动以及低工况工作时，只供给中心分层旋流燃烧单元燃料，随着工况的升高逐步增加中心分层旋流燃烧单元燃料量，直至工况升高至某工况点后，同时给中心分层旋流燃烧单元和***分层旋流燃烧单元供给燃料，此时中心分层旋流燃烧单元和***分层旋流燃烧单元同时参与燃烧，以此实现燃烧室在不同工况下的分级组织燃烧，使工况过渡更加平稳，有利于燃烧室出口温度分布更加均匀。

在本发明的实施例中，所述***主燃级富氢燃料导管2-1中布设有外层整流板2-3；所述***值班级富氢燃料导管2-2中布设有内层整流板2-4。

本实施例中，***值班级富氢燃料分管2-8、***值班级富氢燃料导管2-2、内层整流板2-4组成外层值班级富氢燃料供应***，与***分层旋流燃烧单元的值班级喷嘴1-4相连。***主燃级富氢燃料分管2-7、***主燃级富氢燃料导管2-1、外层整流板2-3组成外层主燃级富氢燃料供应***，与***分层旋流燃烧单元的主燃级燃料腔1-6相连。外层整流板2-3和内层整流板2-4起到了固定支撑燃料管路和对气态燃料起整流的作用，不同区域、不同级燃料可通过控制富氢燃料导管中富氢燃料的流量分配来实现调控。

在本发明的实施例中，所述燃烧室还包括多孔板3，参考图16，多孔板3与燃烧室轴向垂直布置于所述火焰筒5中，且位于所述空气进口5-2和所述两级分层旋流燃烧室头部1之间，所述多孔板3上设置有中心孔3-2和围绕所述中心孔3-2均布的若干圆孔3-1；所述富氢燃料导管2从所述中心孔3-2穿过，即多孔板布置在富氢燃料导管2和火焰筒5之间。

本实施例中，通过多孔板3，主要对从空气进口5-2流入内圆形空气通道的空气起到整流作用。

在本发明的实施例中，参考图17，点火器4的线缆布置在点火器中心通道4-1内，点火器头部4-2固定两级分层旋流燃烧室头部安装盘1-1的点火器固定孔1-8内。燃气轮机启动时，点火器4为燃烧室提供稳定的点火源。

在本发明的实施例中，如图18、图19和图20，所述火焰筒5在所述两级分层旋流燃烧室头部1后方的部分，由若干级联的双层套筒组成，每一级所述双层套筒的前端封闭，后端开放，且外层筒壁上开有冷却孔5-4，前一级双层套筒的外层筒壁与后一级双层套筒的内层筒壁相连，各级双层套筒中，至少有一级为从前向后截面积减小的形状，至少在最后一级设置有与筒内连通的掺混孔5-5

在本发明的实施例中，所述火焰筒5外设置有机匣6，由此，燃烧室包括了两级分层旋流燃烧室头部1、富氢燃料导管2、多孔板3、点火器4、火焰筒5、机匣6共六个部分。

如图20、图21、图22和图23，机匣6主要由端盖6-7和筒体6-1构成，二者通过螺栓6-5连接，端盖6-7上的中心孔6-6与富氢燃料导管2一端相连，对富氢燃料导管2起到支撑和固定作用，端盖6-7上的点火器固定孔6-8与点火器4一端相连，对点火器4起到支撑和固定作用，端盖6-7上的凹槽6-4与火焰筒前端5-1相连，支撑杆6-2与火焰筒5上的支撑孔相连，对火焰筒5起到支撑和固定作用，筒体6-1尾端有均匀分布的机匣圆孔6-3，用于将燃烧室固定在燃气轮机上。

本实施例中，机匣6的分别与富氢燃料导管2和火焰筒5相连接，机匣6与火焰筒5配合形成了外环形空气通道和内圆形空气通道，来自压气机的压缩空气由外环形空气通道入口流入，通过火焰筒壁面上的圆形孔、冷却孔和掺混孔进入内圆形空气通道，燃烧后的高温燃气由内圆形空气通道出口流出。

此时，富氢燃料导管2的一端固定在进口端机匣端盖上，另一端与两级分层旋流燃烧室头部相连。火焰筒5则由支撑杆固定在机匣上，可以使空气通过火焰筒上的圆形孔5-2、冷却孔5-4、掺混孔5-2进入到燃烧腔。流经圆形孔的空气主要参与燃烧反应，流经冷却孔的空气主要用以冷却火焰筒壁面，防止火焰筒壁面因温度过高而损坏，流经掺混孔的空气与来流燃气进行掺混，以改善燃烧室出口温度场的均匀性。

此时，火焰筒5火焰筒前端5-1与机匣6前端的端盖6-7凹槽6-4相连，火焰筒内部的支撑孔5-3与机匣6上的支撑杆6-2相连，流经圆形孔5-2后经过多孔板3上均匀分布的圆孔3-1后流经分层旋流燃烧室头部参与燃烧反应，冷却空气经火焰筒5上均匀布置的冷却孔5-4流入后通过尾部环缝流出，对火焰筒5壁面起到冲击冷却作用，防止壁面温度过高而损坏，流经掺混孔5-5与高温燃气进行掺混，起到调节燃烧室出口温度分布的作用，改善燃烧室出口温度场的均匀性。

本发明的工作原理为：

经压气机压缩后的压缩空气7经火焰筒5与机匣6间的环形通道进入燃烧腔，一部分压缩空气经火焰筒5上的掺混孔5-5、冷却孔5-4进入燃烧室，起到冷却壁面和调节燃烧室出口温度分布的作用。另一部分压缩空气通过火焰筒5上圆形孔5-2后，经多孔板3上均匀分布的圆孔3-1进行整流后一部分流经两级分层旋流燃烧室头部1上由主燃级径向旋流器1-2和台阶套筒1-3组成的主燃级空气流道与流经富氢燃料分配导管2经主燃级燃料腔1-6上环缝1-7喷射出的燃料在靠近燃烧器出口的位置进行横向射流掺混；另一部分经多孔板3上均匀分布的圆孔3-1进行整流后的空气流经两级分层旋流燃烧室头部1上由值班级轴向旋流器1-5和台阶套筒1-3组成的值班级空气流道与流经富氢燃料分配导管2经值班级喷嘴1-4喷出的燃料进行短暂地混合。形成的可燃混合气经过点火器4点燃后在两级分层旋流燃烧室头部下游进行燃烧，流经火焰筒5壁面上均匀分布冷却孔5-4的冷却空气对火焰筒壁面进行冲击冷却后经尾部环缝流出，可防止壁面因温度过高而损坏，流经火焰筒5上掺混孔5-6的空气对来流燃气起到掺混作用，以改善燃烧室出口温度场的均匀性，最后高温燃气8通过火焰筒5的出口排出。

燃烧室头部采用六个***分层旋流燃烧单元围绕一个中心分层旋流燃烧单元构成的由七个分层旋流燃烧单元组成的阵列型燃烧器布置，与其搭配的燃料分配导管采用中心分层旋流燃烧单元与外层分层旋流燃烧独立供给燃料的策略，燃气轮机在启动以及低工况工作时，只供给中心分层旋流燃烧单元燃料，随着工况的升高逐步增加中心分层旋流燃烧单元燃料量，直至工况升高至某工况点后，同时给中心分层旋流燃烧单元和六个***分层旋流燃烧单元供给燃料，此时中心分层旋流燃烧单元和六个***分层旋流燃烧单元同时参与燃烧，以此实现燃烧室在不同工况下的分级组织燃烧，使工况过渡更加平稳，分区的燃烧组织方式有利于燃烧室出口温度分布更加均匀。单个燃烧单元采用分级分区部分预混的燃烧方式，可有效消除富氢燃料中氢含量不同带来回火的风险，通过少量燃料通入值班级喷嘴以近扩散的燃烧方式组织的值班级火焰稳定相对更贫燃的主燃级火焰，使燃烧室整体工作在相对贫燃的状态，充分发挥本发明在全工况运行范围内的低排放优势。

以上对本发明进行了详细描述，需要理解的是，本发明不局限于上述特定实施方式和参数，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，包括两级分层旋流燃烧室头部(1)和火焰筒(5)；

所述两级分层旋流燃烧室头部(1)布置于所述火焰筒(5)中，所述火焰筒(5)上位于所述两级分层旋流燃烧室头部(1)的前方设置有空气进口(5-2)，所述前方，指沿富氢燃料流向的上游；

所述两级分层旋流燃烧室头部(1)包括燃烧室头部安装盘(1-1)和若干个分层旋流燃烧单元；所述燃烧室头部安装盘(1-1)与燃烧室轴向垂直，所述分层旋流燃烧单元安装于所述燃烧室头部安装盘(1-1)；

每个所述分层旋流燃烧单元由同心布置的内值班级和外主燃级组成，所述内值班级包括值班级喷嘴(1-4)和在所述值班级喷嘴(1-4)外沿其周向布置的值班级轴向旋流器(1-5)；所述外主燃级包括主燃级燃料腔(1-6)和在所述主燃级燃料腔(1-6)出口端面设置的主燃级径向旋流器(1-2)；所述主燃级燃料腔(1-6)环绕所述值班级轴向旋流器(1-5)布置；所述主燃级燃料腔(1-6)与所述主燃级径向旋流器(1-2)通过轴向的环缝(1-7)连通；所述主燃级燃料腔(1-6)的主体为腔体结构，其尾端与***主燃级富氢燃料分管(2-7)相连，在其头部开设所述环缝(1-7)，流进腔体的富氢燃料，经所述环缝(1-7)喷射出；

所述主燃级燃料腔(1-6)接主燃级富氢燃料，所述主燃级富氢燃料进入所述主燃级燃料腔(1-6)后，经由所述环缝(1-7)与流经所述主燃级径向旋流器(1-2)叶间的空气形成横向射流掺混；

所述值班级喷嘴(1-4)接值班级富氢燃料，所述值班级富氢燃料经由所述值班级喷嘴(1-4)喷出后，与流经所述值班级轴向旋流器(1-5)叶片间的空气进行短暂混合。

2.根据权利要求1所述富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，所述值班级喷嘴(1-4)的头部开设若干个垂直于气流方向的小孔(1-4-1)，富氢燃料通过所述小孔(1-4-1)喷射出，多孔喷射形成的多股燃料射流与空气进行短暂且强烈地混合，形成均匀混合气。

3.根据权利要求1所述富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，所述值班级轴向旋流器(1-5)包含若干具备弧度的叶片，使流经其流道的来流产生径向和周向速度分量，促进燃烧器出口滞止点的形成；

所述主燃级径向旋流器包含与径向形成一定角度安装的若干直叶片，使流经其流道的空气产生径向和周向速度分量，在下游产生轴向逆压梯度，形成回流区。

4.根据权利要求1所述富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，所述内值班级和外主燃级之间以台阶套筒(1-3)隔开，所述台阶套筒(1-3)从所述燃烧室的前方向后方呈聚拢形态，并将所述内值班级包覆在内。

5.根据权利要求1所述富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，所述分层旋流燃烧单元由一个中心分层旋流燃烧单元和多个环绕所述中心分层旋流燃烧单元均匀分布的***分层旋流燃烧单元组成。

6.根据权利要求5所述富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，所述燃烧室还包括富氢燃料导管(2)；

所述富氢燃料导管(2)包括自内向外同轴分布的中心值班级富氢燃料导管(2-6)、中心主燃级富氢燃料导管(2-5)、***值班级富氢燃料导管(2-2)和***主燃级富氢燃料导管(2-1)；

所述中心值班级富氢燃料导管(2-6)与中心分层旋流燃烧单元的值班级喷嘴(1-4)相连，所述中心主燃级富氢燃料导管(2-5)与中心分层旋流燃烧单元的主燃级燃料腔(1-6)相连；

所述***值班级富氢燃料导管(2-2)在后端连接若干***值班级富氢燃料分管(2-8)，每个***值班级富氢燃料分管(2-8)与一个***分层旋流燃烧单元的值班级喷嘴(1-4)相连；

所述***主燃级富氢燃料导管(2-1)在后端连接若干***主燃级富氢燃料分管(2-7)，每个***主燃级富氢燃料分管(2-7)与一个***分层旋流燃烧单元的主燃级燃料腔(1-6)相连。

7.根据权利要求6所述富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，所述***主燃级富氢燃料导管(2-1)中布设有外层整流板(2-3)；所述***值班级富氢燃料导管(2-2)中布设有内层整流板(2-4)。

8.根据权利要求6或7所述富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，所述燃烧室还包括多孔板(3)，所述多孔板(3)与燃烧室轴向垂直布置于所述火焰筒(5)中，且位于所述空气进口(5-2)和所述两级分层旋流燃烧室头部(1)之间，所述多孔板(3)上设置有中心孔(3-2)和围绕所述中心孔(3-2)均布的若干圆孔(3-1)；所述富氢燃料导管(2)从所述中心孔(3-2)穿过。

9.根据权利要求1所述富氢燃料低排放分层旋流燃烧室，其特征在于，所述火焰筒(5)在所述两级分层旋流燃烧室头部(1)后方的部分，由若干级联的双层套筒组成，每一级所述双层套筒的前端封闭，后端开放，且外层筒壁上开有冷却孔(5-4)，前一级双层套筒的外层筒壁与后一级双层套筒的内层筒壁相连，各级双层套筒中，至少有一级为从前向后截面积减小的形状，至少在最后一级设置有与筒内连通的掺混孔(5-5)。