CN220728289U - 一种燃烧室的头部装置及燃烧室 - Google Patents

Abstract

本申请涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种燃烧室的头部装置及燃烧室。该头部装置包括火焰筒、第一燃料管、第二燃料管和集气腔，其中，火焰筒设有进口和出口，进口和出口之间为火焰室；第一燃料管的轴线与火焰筒的轴线重合，第一燃料管的出料端伸入火焰筒内，出料端的侧壁设有周向均布的多个第一燃料孔；第二燃料管与第一燃料管平行设置且出料端伸入火焰筒内；集气腔为环绕第一燃料管的环形腔室，集气腔与第二燃料管的出料端连通，集气腔的外周面设有周向均布的多个第二燃料孔；其中，以集气腔的背离第二燃料管的端面为外端面，外端面与火焰筒的轴线方向之间的夹角α为锐角，沿火焰筒的径向，外端面自靠近第一燃料管的端部朝向火焰室的方向延伸。

Description

一种燃烧室的头部装置及燃烧室

技术领域

本申请涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种燃烧室的头部装置及燃烧室。

背景技术

燃烧污染排放对人类的健康和环境造成越来越严重的危害受到大量关注，并且有关控制污染排放的法律法规和相关政策也日益严格，很多国家对于燃气轮机的NO_x污染排放问题提出了限制要求。近期提出的碳中和碳达峰国策对现有设备减碳排放提出了新的要求，例如能否使用含氢的无碳燃料也成为燃气轮机的先进性指标之一。含氢燃料性质活泼，相比传统的碳烃燃料具有更高的火焰温度，更快的火焰传播速度和更短的着火延迟时间，导致产生回火和高排放的问题。

现有大部分燃气燃烧室针对天然气设计，具体采用双级旋流器产生低速回流区稳定火焰的方式，燃用高活性燃料(含氢气30-40vol％)时并不适用，例如回火、火焰温度高造成设备损坏，而且，现有的双级旋流器的火焰体积较大，在燃用含氢燃料时，会产大体积的高温火焰，造成NO_x排放量增加。因此，现有的燃气燃烧室通常需要进行大幅度改造以适应燃料变动。

实用新型内容

本申请公开了一种燃烧室的头部装置及燃烧室以解决现有燃烧室燃用高活性燃料时存在回火和高排放的问题。

为达到上述目的，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种燃烧室的头部装置，该燃烧室的头部装置包括火焰筒、第一燃料管、第二燃料管和集气腔，其中，火焰筒设有进口和出口，进口和出口之间为火焰室；第一燃料管的轴线与火焰筒的轴线重合，第一燃料管的出料端伸入火焰筒内，出料端的侧壁设有周向均布的多个第一燃料孔；第二燃料管与第一燃料管平行设置，第二燃料管的出料端伸入火焰筒内；集气腔为环绕第一燃料管的环形腔室，集气腔与第二燃料管的出料端连通，集气腔的外周面设有周向均布的多个第二燃料孔；其中，以集气腔的背离第二燃料管的端面为外端面，外端面与火焰筒的轴线方向之间的夹角α为锐角，沿火焰筒的径向，外端面自靠近第一燃料管的端部朝向火焰室的方向延伸；第一燃料孔的轴线方向与火焰筒的径面之间的夹角β₁为锐角，且第一燃料孔的轴线方向朝向火焰室；第二燃料孔的轴线方向与火焰筒的径面之间的夹角β₂为锐角，且第二燃料孔的轴线方向朝向火焰室。

进一步地，夹角α为60°≤α＜90°，夹角β₁为0＜β₁≤40°，夹角β₂为0＜β₂≤40°。

进一步地，任意两个相邻的第一燃料孔之间的周向距离为L1，第一燃料孔的直径为D1，其中，L1≥10D1。

进一步地，任意两个相邻的第二燃料孔之间的周向距离为L2，第二燃料孔的直径为D2，其中，L2≥10D2。

进一步地，第一燃料孔的直径为D1为0.6mm≤D1≤1mm；第二燃料孔的直径为D2为0.6mm≤D2≤1mm。

进一步地，第二燃料管的数量至少为两个，一个第二燃料管与一个集气腔连通。

进一步地，以外端面的靠近第一燃料管的一端为第一端部，以外端面的远离第一燃料管的一端为第二端部；沿火焰筒的轴线方向，第一燃料管的靠近出口的端面超出第一端部，且第二端部超出第一燃料管的靠近出口的端面。

进一步地，沿火焰筒的轴线方向，第一端部和第二端部之间的距离为L3，第二燃料孔的直径为D2，其中，5D2≤L3≤30D2。

进一步地，还包括第一点火器和第二点火器，第一点火器用于点燃第一燃料孔喷出的燃气；第二点火器用于点燃第二燃料孔喷出的燃气。

第二方面，本申请提供一种燃烧室，该燃烧室包括第一方面的燃烧室的头部装置。

本申请提供的燃烧室的头部装置，其中，燃料通过第一燃料孔和第二燃料孔进入火焰腔内，即通过至少两条路径通入燃料，以提升变负荷工况的调节能力，可以通过控制不同路径的燃料阀门，从而调控燃料流量以得到更合理的运行曲线，获得更好的出口温度均匀性，NO排放、CO排放、及燃烧稳定性的综合性能。

第一燃料管的出料端的侧壁周向均布多个第一燃料孔，集气腔的外周面周向均布多个第二燃料孔，喷出的燃料与空气混合后形成体积较小的火焰，且第一燃料孔位于第一燃料管的末端，第二燃料孔位于集气腔的外周面，自第一燃料孔和第二燃料孔喷出的燃料与空气混合之后，火焰不能进入第一燃料管或者第二燃料管内，从而抑制回火现象。此外，通过控制第一燃料孔和第二燃料孔的延伸方向，调控燃料的射流深度、以及和空气的射流动量比，从而调控火焰的位置和形状，同时，调控集气腔的外端面的延伸方向，以使气流的流速改变并在外端面的朝向火焰室的一侧形成回流区，自燃料孔喷出的燃料与空气混合之后的混合气体在回流区的作用下，在相邻的两个回流区之间的剪切层位置形成稳定的小体积的火焰，有助于降低NO_x排放。

附图说明

图1为本申请一种实施例的燃烧室的头部装置的剖面图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本申请一种实施例的燃烧室的头部装置的局部剖面图；

图4为本申请一种实施例的集气腔的相邻的两个第二燃料孔之间的间距示意图；

图5为本申请一种实施例的燃烧室的头部装置的火焰与回流区的位置示意图；

图6为本申请一种实施例的燃烧室横截面的流场流线图；

图7为本申请一种实施例的燃烧室横截面的等温线分布图；

图8为本申请一种实施例的燃烧室燃烧横截面的温度云图。

附图标号：100-火焰筒；110-安装板；120-第一段；130-第二段；140-第三段；150-第四段；200-第一燃料管；300-第二燃料管；400-集气腔；410-外端面；411-第一端部；412-第二端部；500-空气通道；510-第一通道；520-第二通道；530-第三通道；600-第一点火器；610-点火电极；620-绝缘体；630-安装部；700-第二点火器；800-头部法兰；900-机匣组件；910-机匣法兰；920-机匣本体；

01-进口；02-出口；03-第一燃料孔；04-第二燃料孔；05-第一进气孔；06-第二进气孔；07-第三进气孔；08-回流区；09-火焰。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请一种实施例的燃烧室的头部装置的剖面图，图2为图1中A处的局部放大图，图3为本申请一种实施例的燃烧室的头部装置的局部剖面图，一并参照图1至图3，本申请实施例中提供了一种燃烧室的头部装置，该燃烧室的头部装置包括火焰筒100、第一燃料管200、第二燃料管300和集气腔400，其中，火焰筒100设有进口01和出口02，进口01和出口02之间为火焰室；以气体的来路方向为前方，即火焰筒100的进口01一端为前端，火焰筒100的出口02一端为后端；第一燃料管200的轴线与火焰筒100的轴线重合，第一燃料管200的出料端伸入火焰筒100内，出料端的侧壁的设有周向均布的多个第一燃料孔03；第二燃料管300与第一燃料管200平行设置，第二燃料管300的出料端伸入火焰筒100内；集气腔400为环绕第一燃料管200的环形腔室，集气腔400与第二燃料管300的出料端连通，集气腔400的外周面设有周向均布的多个第二燃料孔04；其中，集气腔400优选为圆环回转体腔室。燃气自第二燃料孔04喷出后可以均匀地分散在火焰筒100内。

其中，集气腔与第二燃料管可以一体成型，也可以是分体结构，通过连接件连接，便于拆卸。

参照图2，其中，以集气腔400的背离第二燃料管300的端面为外端面410，外端面410朝向火焰室，以集气腔400的朝向第二燃料管300的端面为内端面，内端面与第二燃料管300连通，外端面410与火焰筒100的轴线方向之间的夹角α为锐角，沿火焰筒100的径向，外端面410自靠近第一燃料管200的端部朝向火焰室的方向延伸，以控制在外端面410的后方形成回流区的大小，从而控制火焰的位置。具体的，夹角α的度数根据火焰速度进行设置，示例性的，当燃料内氢气比例不同时，火焰的传播速度发生变化，通过调夹角α的度数来调控回流区的大小，从而调控火焰的根部位置。优选的，夹角α为60°≤α＜90°。

继续参照图2，第一燃料孔03的轴线方向与火焰筒100的径面之间的夹角β₁为锐角，且第一燃料孔03的轴线方向朝向火焰室，以调节燃料的射流深度，从而调节空气与燃料的射流动量比，进而调节火焰的位置、长度和形态。优选的，夹角β₂为0＜β₁≤40°。

第二燃料孔04的轴线方向与火焰筒100的径面之间的夹角β₂为锐角，且第二燃料孔04的轴线方向朝向火焰室，以调节燃料的射流深度，从而调节空气与燃料的射流动量比，进而调节火焰的位置、长度和形态。优选的，夹角β₂为0＜β₂≤40°。

可以理解的是，夹角β₁和夹角β₂可以相同，也可以不同。二者的大小根据燃料的种类进行设计。

继续参照图1和图2，以集气腔400的背离第一燃料管200的壁面为外周面，以集气腔400的朝向第一燃料管200的壁面为内周面，集气腔400的外周面的末端向靠近第一燃料管200的方向延伸，以形成一斜面段，第二燃料孔04设于上述斜面段，该斜面段有助于自第二燃料孔04喷出的燃气能够更顺利的喷射至火焰筒100内，且减少对其他部件的损伤。因为第二燃料孔04的轴线方向垂直于斜面段的壁面，因此，该斜面段与火焰筒100轴线方向的夹角等于第二燃料孔04的轴线方向与火焰筒100的径面之间的夹角β₂。其中，第二燃料孔04仅设于集气腔400的外周面，内周面不设置燃料孔，以避免相邻的火焰之间距离太近，汇聚成体积较大的火焰。

在本申请的一些实施例中，任意两个相邻的第一燃料孔03之间的周向距离为L1，第一燃料孔03的直径为D1，其中，L1≥10D1，以使相邻的第一燃料孔03之间的周向距离较远，每个第一燃料孔03喷出的燃料形成的火焰不会与相邻的第一燃料孔03喷出的燃料形成的火焰汇集，避免形成更大的火焰，而是保持小体积火焰。

图4为本申请一种实施例的集气腔400的相邻的两个第二燃料孔04之间的间距示意图，参照图4，任意两个相邻的第二燃料孔04之间的周向距离为L2，第二燃料孔04的直径为D2，其中，L2≥10D2，以使相邻的第二燃料孔04之间的周向距离较远，每个第二燃料孔04喷出的燃料形成的火焰不会与相邻的第二燃料孔04喷出的燃料形成的火焰汇集，避免形成更大的火焰，而是保持小体积火焰。

在本申请的一些实施例中，第一燃料孔03的直径为D1为0.6mm≤D1≤1mm；第二燃料孔04的直径为D2为0.6mm≤D2≤1mm。孔径过小会造成燃料射流深度增大，火焰体积增加；反之，孔径过大会造成火焰离第一燃料管的壁面或者集气腔的外端面过近，总之过大或过小都会造成壁面或者外端面的温度过高、排放增加等情况，第一燃料孔和第二燃料孔的直径根据燃料组分和性质确定。

为了减少自第一燃料孔03喷出的燃气对第二燃料管300的冲击，同时使燃气喷射至第二燃料管300后方的区域，第一燃料孔03设于第一燃料管200的出料端，第一燃料孔03的直径为D1，第一燃料孔03出口的圆心与第一燃料管200的末端端部之间的直线距离S1＝4D1-5D1。

为了减少自第二燃料孔04喷出的燃气对火焰筒100侧壁的冲击，同时使燃气向火焰筒100出口02方向喷射，第二燃料孔04设于集气腔400的末端，第二燃料孔04的直径为D2，第二燃料孔04出口的圆心与集气腔400的末端的端部之间的直线距离S2＝4D2-5D2。

在本申请的一些实施例中，第一燃料管200的靠近火焰筒100出口02的端面设有TBC热障涂层，以增加其耐温能力，延长其使用寿命。

在本申请的一些实施例中，第二燃料管的数量至少为两个，一个第二燃料管与一个集气腔连通，可以理解的是，沿火焰筒的周向设置的多个第二燃料管可以与一个集气腔连通。本申请中设置两个及以上的第二燃料管可以实现多条路径引入燃料，在部分负荷时，可以选择只开启第一燃料管或者部分第二燃料管，当满负荷时，可以开启全部燃料管，以充分供给燃气。通过调控不同路径的燃料流量可以增加燃烧调整灵活性和机组性能。

继续参照图1，该燃烧室的头部装置还包括头部法兰800和机匣组件900，火焰筒100设于机匣组件900内，机匣组件900包括机匣本体920和与机匣本体920连接的机匣法兰910，机匣本体920与头部法兰800通过机匣法兰910连接，机匣本体920套设于火焰筒100，且二者之间设有间隙，火焰筒100与头部法兰800通过安装板110连接，且安装板110的远离火焰筒100的端部设于头部法兰800和机匣法兰910之间，以实现对火焰筒100的固定。第一燃料管200和第二燃料管300均穿设头部法兰800并延伸至火焰筒100内部。

其中，沿火焰筒100的进口01指向出口02的方向，火焰筒100包括依次连接的第一段120、第二段130、第三段140和第四段150，开口设于第一段120靠近头部法兰800的端部，出口02设于第四段150远离头部法兰800的端部，第一段120的内径小于第二段130的平均内径，沿进口01指向出口02的方向，第二段130的内径逐渐增大至内径等于第三段140的内径，第四段150的内径逐渐减小至小于第一段120的内径，并形成出口02段。安装板110的远离头部法兰800的端部与第三段140的靠近第二段130的端部连接，且安装板110、头部法兰800和火焰筒100之间围设形成一进气腔。

可选的，第三段140的靠近第二段130的部分的侧壁周向均布有多个第一进气孔05，第三段140的靠近第四段150的端部周向均布有多个第二进气孔06，且第二进气孔06的直径大于第一进气孔05，第一进气孔05的数量多于第二进气孔06。自机匣本体920和火焰筒100之间的间隙进入的空气，可以通过第一进气孔05和第二进气孔06进入火焰筒100内分别作为壁面冷却气和掺混空气使用，此外，安装板110设有周向均布的第三进气孔07，空气可以通过第三进气孔07进入进气腔内。然后，空气经过火焰筒100的侧壁、第一燃料管200、第二燃料管300之间的空气通道500进入火焰筒100内部，其中，第一燃料管200的外壁与第二燃料管300之间围设形成第一通道510，任意两个相邻的第二燃料管300的侧壁之间围设形成第二通道520，靠近火焰筒100的侧壁的第二燃料管300的外壁与火焰筒100的第一段120的内壁围设形成第三通道530。沿进口01进入的空气从第一通道510、第二通道520、第三通道530进入火焰室，为第一燃料孔03和第二燃料孔04喷射的燃料燃烧提供氧化剂。

继续参照图2，以集气腔400的背离第二燃料管300的端面为外端面410，以外端面410的靠近第二燃料管300的一端为第一端部411，以外端面410的远离第二燃料管300的一端为第二端部412；以外端面410的靠近第一燃料管200的一端为第一端部411，以外端面410的远离第一燃料管200的一端为第二端部412；沿火焰筒100的轴线方向，第一燃料管200的靠近出口02的端面超出第一端部411，且第二端部412超出第一燃料管200的靠近出口02的端面，同时，因为外端面410为斜面，第一燃料孔03设于第一燃料管200的末端，因此，自第一燃料孔03喷出的燃料可以喷射至外端面410后方的区域，减少对第二燃料管300的冲击。

其中，沿火焰筒100的轴线方向，第一端部411和第二端部412之间的距离为L3，第二燃料孔04的直径为D2，5D2≤L3≤30D2。

图5为本申请一种实施例的燃烧室的头部装置的火焰与回流区的位置示意图，参照图5，以火焰筒100进口01方向为前方，以火焰筒100出口02方向为后方，以朝向第一燃料管200的一侧为内侧，以远离第一燃料管200的一侧为外侧。其中，第二燃料管300的数量为两个，集气腔400的外端面410为斜面，外端面410的后方形成回流区08；第一燃料管200的出料端的后方形成回流区08，火焰筒100的第二段130的内壁的后方形成回流区08。

当5D2≤L3≤30D2时，即外端面410与轴线方向之间的夹角α为60°≤α＜90°时，自第二燃料孔04喷射的燃气Q2与空气Q1混合后形成混合气Q3，混合气Q3的流动方向为朝向后方且偏向外侧，首先，混合气Q3受到外侧回流区08的限制沿方向D向内侧偏转，然后受到内测回流区08的限制，因此，在两个回流区08的综合作用下，火焰09根部被固定在靠近位于内侧的集气腔400的位置，即火焰09形成于两个回流区08之间的剪切层位置。当L3＝0时，即外端面410平行于火焰筒100的径向方向，此时火焰09会发生扩张或者火焰贴近外端面410，而不是悬浮在两个回流区08之间，从而导致高温区体积变大，集气腔或者第一燃料管的外面端烧坏，NO_x排放增多。

图6为本申请一种实施例的燃烧室横截面的流场流线图，图7为本申请一种实施例的燃烧室横截面的等温线分布图，图8为本申请一种实施例的燃烧室燃烧横截面的温度云图，一并参照图6至图8，气体自空气通道500进入火焰筒100内，并在回流区的作用下形成小体积的火焰，图8中等温线较为密集的区域为火焰，可以看出温度梯度大的位置是火焰边缘，本申请中的燃烧室头部装置可以减少火焰对集气腔400外端面410的损伤。

继续参照图1和图3，本申请实施例中的燃烧室的头部装置还包括第一点火器600和第二点火器700，第一点火器600包括固定于头部法兰800的安装部630、与安装部630连接的绝缘体620、以及设于绝缘体620的远离安装部630的点火电极610，绝缘体620自安装部630向靠近第一燃料管200的方向延伸，点火电极610正对第一燃料孔03，以点燃第一燃料孔03喷出的燃气。其中，点火电极610可为金属电极，绝缘体620可为陶瓷绝缘材料。第二点火器700垂直于机匣本体920的侧壁，且穿设机械本体的侧壁后伸入火焰筒100内，以第二点火器700用于点燃第二燃料孔04喷出的燃气。可以理解的是，双点火器的设计可以显著提升点火成功的概率。

基于同样的构思，本申请实施例还提供一种燃烧室，该燃烧室包括本申请各种可能的实施例中的燃烧室的头部装置。

因为包括本申请实施例中的燃烧室头部装置，本申请中的燃烧室具有如下优点：

1)通过至少两条路径通入燃料，以提升变负荷工况的调节能力，可以通过控制不同路径的燃料阀门，从而调控燃料流量以得到更合理的运行曲线，获得更好的出口温度均匀性及燃烧稳定性；

2)通过集气腔的外端面的结构设计，在其后方形成回流区，相邻的两个回流区之间的剪切层位置形成稳定的小体积的火焰，有助于降低NO_x排放；

3)任意两个相邻的第一燃料孔之间的间距、以及任意两个相邻的第二燃料孔之间的间距均保持特定尺寸，以实现微燃混合燃烧方式，避免相邻的小体积火焰汇合形成大体积火焰，从而降低NO_x排放，且第一燃料孔设于第一燃料管的末端、第二燃料孔设于第二燃料管的末端，能够避免回火。

显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃烧室的头部装置，其特征在于，包括：

火焰筒，设有进口和出口，所述进口和所述出口之间为火焰室；

第一燃料管，所述第一燃料管的轴线与所述火焰筒的轴线重合，所述第一燃料管的出料端伸入所述火焰筒内，所述出料端的侧壁设有周向均布的多个第一燃料孔；

第二燃料管，所述第二燃料管与所述第一燃料管平行设置，所述第二燃料管的出料端伸入所述火焰筒内；

集气腔，所述集气腔为环绕所述第一燃料管的环形腔室，所述集气腔与所述第二燃料管的出料端连通，所述集气腔的外周面设有周向均布的多个第二燃料孔；

其中，以所述集气腔的背离所述第二燃料管的端面为外端面，所述外端面与所述火焰筒的轴线方向之间的夹角α为锐角，沿所述火焰筒的径向，所述外端面自靠近所述第一燃料管的端部朝向所述火焰室的方向延伸；

所述第一燃料孔的轴线方向与所述火焰筒的径面之间的夹角β₁为锐角，且第一燃料孔的轴线方向朝向所述火焰室；

所述第二燃料孔的轴线方向与所述火焰筒的径面之间的夹角β₂为锐角，且第二燃料孔的轴线方向朝向所述火焰室。

2.根据权利要求1所述的燃烧室的头部装置，其特征在于，所述夹角α为60°≤α＜90°，所述夹角β₁为0＜β₁≤40°，所述夹角β₂为0＜β₂≤40°。

3.根据权利要求1所述的燃烧室的头部装置，其特征在于，任意两个相邻的所述第一燃料孔之间的周向距离为L1，所述第一燃料孔的直径为D1，其中，L1≥10D1。

4.根据权利要求1所述的燃烧室的头部装置，其特征在于，任意两个相邻的所述第二燃料孔之间的周向距离为L2，所述第二燃料孔的直径为D2，其中，L2≥10D2。

5.根据权利要求3或4所述的燃烧室的头部装置，其特征在于，所述第一燃料孔的直径为D1为0.6mm≤D1≤1mm；所述第二燃料孔的直径为D2为0.6mm≤D2≤1mm。

6.根据权利要求5所述的燃烧室的头部装置，其特征在于，所述第二燃料管的数量至少为两个，一个所述第二燃料管与一个所述集气腔连通。

7.根据权利要求5所述的燃烧室的头部装置，其特征在于，以所述外端面的靠近所述第一燃料管的一端为第一端部，以所述外端面的远离所述第一燃料管的一端为第二端部；

沿所述火焰筒的轴线方向，所述第一燃料管的靠近所述出口的端面超出所述第一端部，且所述第二端部超出所述第一燃料管的靠近所述出口的端面。

8.根据权利要求7所述的燃烧室的头部装置，其特征在于，沿所述火焰筒的轴线方向，所述第一端部和所述第二端部之间的距离为L3，所述第二燃料孔的直径为D2，其中，5D2≤L3≤30D2。

9.根据权利要求7所述的燃烧室的头部装置，其特征在于，还包括第一点火器和第二点火器，所述第一点火器用于点燃所述第一燃料孔喷出的燃气；所述第二点火器用于点燃所述第二燃料孔喷出的燃气。

10.一种燃烧室，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的燃烧室的头部装置。