一种燃烧室

1.本发明涉及燃烧技术领域，尤其涉及一种燃烧室。

背景技术：

2.燃气轮机是当今能源动力领域的重要装备之一，传统燃气轮机主要以天然气为燃料，但在低碳排放目标牵引下，未来低碳清洁能源生态系统中，使用以氢气为主，混合其他气体燃料如一氧化碳、短链烷烃等的灵活燃料是燃气轮机实现低碳甚至零碳发电的主要途径。但由于氢燃料等灵活燃料化学性质活泼，传统天然气低排放燃烧室直接使用氢燃料自燃回火振荡问题突出，需要采用新的燃烧技术。
3.现有燃烧室存在不适用于氢气等灵活燃烧的燃烧，燃料适应性较差的问题。

技术实现要素：

4.本发明提供一种燃烧室，用以解决现有燃烧室存在不适用于氢气等灵活燃烧的燃烧，燃料适应性较差的问题。
5.本发明提供一种燃烧室，包括：火焰筒组件，所述火焰筒组件的第一端设有喷嘴结构，所述喷嘴结构包括与所述火焰筒组件连接的安装盖板和设置在所述安装盖板上的至少一个喷嘴单元，所述喷嘴单元包括多个喷嘴通道，所述火焰筒组件上还设有轴向喷嘴，所述轴向喷嘴相对所述喷嘴结构间隔设于下游部位。
6.根据本发明提供的燃烧室，所述火焰筒组件包括火焰筒本体和设在所述火焰筒本体外围的火焰筒导流衬套，所述火焰筒本体和所述火焰筒导流衬套之间具有第一间隙；
7.所述火焰筒组件的第二端连接有过渡段组件，所述过渡段组件包括与所述火焰筒本体的第二端连接的过渡段本体以及设在所述过渡段本体外围的过渡段导流衬套，所述过渡段本体和所述过渡段导流衬套之间具有第二间隙，所述第二间隙和所述第一间隙连通；所述过渡段导流衬套上设有冷却孔，所述冷却孔用于通入介质进行冷却。
8.根据本发明提供的燃烧室，所述火焰筒本体的外壁上设有强化换热结构。
9.根据本发明提供的燃烧室，还包括管路系统，所述管路系统包括端盖和连接管，所述连接管的一端与所述端盖连接，所述连接管的另一端与所述喷嘴通道连接，所述连接管的外围设有转接段，所述转接段的一端与所述端盖连接，所述转接段的另一端与所述火焰筒组件的第一端连接，所述转接段的内部空间与所述第一间隙连通；
10.所述喷嘴通道上设有多个第一进气口，多个所述第一进气口用于引入多种反应组分，所述冷却孔通入的介质为其中一种反应组分，所述喷嘴通道的内部空间通过其中一个所述第一进气口与所述转接段的内部空间连通，其他所述第一进气口与所述连接管一一对应连接。
11.根据本发明提供的燃烧室，所述火焰筒组件和所述过渡段组件的外围设有燃压缸，所述第二间隙通过所述冷却孔与所述燃压缸内部连通；
12.所述轴向喷嘴上设有多个第二进气口，多个所述第二进气口用于引入多种反应组
分，所述冷却孔通入的介质为其中一种反应组分，所述轴向喷嘴的内部空间通过其中一个所述第二进气口与所述燃压缸内部空间连通，其他所述第二进气口对应连接有进气管。
13.根据本发明提供的燃烧室，所述安装盖板上设有多个所述喷嘴单元时，相邻两个所述喷嘴单元之间设有声学隔板；
14.和/或，多个所述喷嘴单元在轴向上平齐或间隔设置。
15.根据本发明提供的燃烧室，所述喷嘴单元上的多个所述喷嘴通道按照裴波那契数列-费马螺旋排布。
16.根据本发明提供的燃烧室，多个所述第一进气口在所述喷嘴通道的轴向上间隔设置，且位于下游部位的所述第一进气口用于引入密度较大的反应组分。
17.根据本发明提供的燃烧室，所述轴向喷嘴包括中空的喷嘴本体，多个所述第二进气口在所述喷嘴本体的轴向上间隔设置，且位于下游部位的所述第二进气口用于引入密度较大的反应组分。
18.根据本发明提供的燃烧室，至少一个所述第二进气口设在所述喷嘴本体的侧壁上，所述喷嘴本体的内部在与该所述第二进气口对应处设有多个辐条，所述辐条沿所述喷嘴本体的径向设置，所述辐条为中空结构，且多个所述辐条均与该所述第二进气口连通，所述辐条上设有反应组分出口。
19.本发明提供的一种燃烧室，设置喷嘴结构包括多个尺寸较小的喷嘴通道可缩小燃料和氧化剂混合尺度，实现燃料微混燃烧以降低排放，同时喷嘴通道高速射流具有很强抗回火能力和灵活燃料适应性，另外，设置轴向喷嘴采用轴向分级燃烧技术，可通过调节燃料工质分配比例，从而降低排放，同时能够拓宽燃烧室高效工作负荷范围，同时具有一定灵活燃料适应能力。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明提供的燃烧室的整体结构示意图；
22.图2是本发明提供的强化换热结构的示意图之一；
23.图3是本发明提供的强化换热结构的示意图之二；
24.图4是本发明提供的燃烧室头部结构示意图；
25.图5是本发明提供的安装盖板上喷嘴单元的分布示意图之一；
26.图6是本发明提供的安装盖板上喷嘴单元的分布示意图之二；
27.图7是本发明提供的安装盖板上喷嘴单元的分布示意图之三；
28.图8是本发明提供的喷嘴单元轴向位置示意图；
29.图9是本发明提供的燃烧室负荷调节示意图；
30.图10是本发明提供的燃烧室火焰结构示意图；
31.图11是本发明提供的喷嘴单元中喷嘴通道的尺寸示意图；
32.图12是本发明提供的喷嘴单元的极坐标示意图；
33.图13是本发明提供的安装盖板上设有一个喷嘴单元时的火焰分级示意图；
34.图14是本发明提供的喷嘴通道的结构示意图；
35.图15是本发明提供的喷嘴通道的截面示意图；
36.图16是本发明提供的轴向喷嘴的结构示意图；
37.图17是本发明提供的轴向喷嘴的截面示意图。
38.附图标记：
39.11和14：连接法兰；12和13：第一进气管；21：端盖；22：转接段；23：连接管；24：燃压缸；25：进气扩压器；31：喷嘴单元；311：喷嘴通道；311a：值班区域；311b：一级区域；311c：二级区域；311d：三级区域；3111、3112和3113：第一进气口；3114：旋流器；32：声学隔板；33：安装盖板；41：火焰筒导流衬套；42：火焰筒本体；43：强化换热结构；431：肋条状强化换热结构；432：点阵状强化换热结构；44：过渡段导流衬套；45：冷却孔；46：过渡段本体；51：轴向喷嘴；511：喷嘴本体；5111和5112：第二进气口；512：辐条；513：反应组分出口；514：中心轴；52和53：第二进气管。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.下面结合图1-图17描述本发明的燃烧室。
42.参考图1，本实施例提供一种燃烧室，该燃烧室包括：火焰筒组件，所述火焰筒组件的第一端设有喷嘴结构，所述喷嘴结构包括与所述火焰筒组件连接的安装盖板33和设置在所述安装盖板33上的至少一个喷嘴单元31，所述喷嘴单元31包括多个喷嘴通道311，所述火焰筒组件上还设有轴向喷嘴51，所述轴向喷嘴51相对所述喷嘴结构间隔设于下游部位。
43.本实施例中在火焰筒组件的头部设置喷嘴结构，在火焰筒组件的下游部位设置轴向喷嘴51，即沿火焰流动方向设置喷嘴结构和轴向喷嘴51两级喷嘴，可实现轴向分级燃烧。轴向喷嘴51位于下游部位即轴向喷嘴51相对喷嘴结构位于下游部位，火焰是从喷嘴结构处流向轴向喷嘴51处的。进一步地，喷嘴结构具体由多个喷嘴通道311组成，喷嘴通道311为微混通道，即在喷嘴结构处可实现微混燃烧。
44.本实施例提供的燃烧室，设置喷嘴结构包括多个尺寸较小的喷嘴通道311可缩小燃料和氧化剂混合尺度，实现燃料微混燃烧以降低排放，同时喷嘴通道311高速射流具有很强抗回火能力和灵活燃料适应性，另外，设置轴向喷嘴51采用轴向分级燃烧技术，可通过调节燃料工质分配比例，从而降低排放，同时能够拓宽燃烧室高效工作负荷范围，同时具有一定灵活燃料适应能力。
45.本实施例提供的燃烧室采用微混耦合轴向分级技术可实现氢气等灵活燃料高效、安全、低排放燃烧以及宽工作负荷范围和负荷快速调节，具有较好的燃料适应性。
46.进一步地，沿火焰筒组件的周向可均匀设置多个轴向喷嘴51。
47.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，所述火焰筒组件包括火焰筒本体42和设在所述火焰筒本体42外围的火焰筒导流衬套41，所述火焰筒本体42和所述火焰筒导流
衬套41之间具有第一间隙；所述火焰筒组件的第二端连接有过渡段组件，所述过渡段组件包括与所述火焰筒本体42的第二端连接的过渡段本体46以及设在所述过渡段本体46外围的过渡段导流衬套44，所述过渡段本体46和所述过渡段导流衬套44之间具有第二间隙，所述第二间隙和所述第一间隙连通；所述过渡段导流衬套44上设有冷却孔45，所述冷却孔45用于通入介质进行冷却。
48.本实施例中在过渡段导流衬套44上开设冷却孔45，介质从冷却孔45进入过渡段导流衬套44和过渡段本体46之间的第二间隙中对过渡段本体46进行冷却，然后介质从第二间隙流向第一间隙中，对火焰筒本体42进行冷却。本实施例采用冷却介质在过渡段本体46和火焰筒本体42的外侧进行对流换热的冷却方式，可避免在火焰筒本体42上直接开冷却孔45导致冷气对火焰筒本体42内近壁区的反应焠熄，进而降低co等的排放。
49.在上述实施例的基础上，进一步地，所述火焰筒本体42的外壁上设有强化换热结构43。强化换热结构43用于强化冷却介质在火焰筒本体42外侧的对流换热，可加强对火焰筒本体42的冷却效果。
50.具体地，参考图2，强化换热结构43可为肋条状强化换热结构431，即可在火焰筒本体42的外壁上设置肋条状凸起，以加强冷却介质在第一间隙的对流换热；肋条状凸起的截面形状包括但不限于矩形、三角形或梯形等。参见图3，强化换热结构43还可为点阵状强化换热结构432，即还可在火焰筒本体42的外壁上设置点阵状凸起，以加强冷却介质在第一间隙的对流换热；点阵状凸起的形状包括但不限于圆柱或椭圆柱等。
51.在其他实施例中，强化换热结构43也可为其他形式，例如还可为在火焰筒外壁上的沟槽等结构，具体设置形式不做限定，以能加强冷却介质在第一间隙的对流换热为目的。
52.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1和图4，一种燃烧室还包括管路系统，所述管路系统包括端盖21和连接管23，所述连接管23的一端与所述端盖21连接，所述连接管23的另一端与所述喷嘴通道311连接，所述连接管23的外围设有转接段22，所述转接段22的一端与所述端盖21连接，所述转接段22的另一端与所述火焰筒组件的第一端连接，所述转接段22的内部空间与所述第一间隙连通。管路系统用于向喷嘴结构中引入反应组分。
53.具体地，在火焰筒组件的头部，通过端盖21和转接段22与火焰筒组件围合形成安装空间，喷嘴结构设置在该安装空间内，通过安装盖板33与火焰筒组件连接固定，连接管23设置在该安装空间内与喷嘴通道311连接，用于向喷嘴通道311内引入反应组分。
54.进一步地，所述喷嘴通道311上设有多个第一进气口，多个所述第一进气口用于引入多种反应组分，所述冷却孔通入的介质为其中一种反应组分，所述喷嘴通道311的内部空间通过其中一个所述第一进气口与所述转接段22的内部空间连通，其他所述第一进气口与所述连接管23一一对应连接。
55.即本实施例中设置转接段22的内部空间与第一间隙连通，设置喷嘴通道311上的一个第一进气口位于转接段22的内部空间中，可将一种反应组分作为冷却用的介质从冷却孔45通入，依次流经第二间隙和第一间隙后进入转接段22的内部空间，然后通过喷嘴通道311上的第一进气口进入喷嘴通道311内部。喷嘴通道311上的其他第一进气口可通过连接管23一一引入其他反应组分。多种反应组分对应通过第一进气口引入喷嘴通道311内部，在喷嘴通道311内部进行混合后喷入火焰筒本体42内部进行燃烧。
56.具体地，反应组分通常包括燃料和氧化剂，还有些燃烧过程不仅需要燃料、氧化
剂，还需要一些环境介质，环境介质用于形成适于燃烧的环境。例如，以氢气为主的灵活燃料由于燃烧过于迅速，容易导致局部高温区，因此添加环境介质进行稀释，环境介质可采用空气但不限于空气，也可使用水蒸气或惰性气体等稀释剂，燃料氧化剂可按需单独供应，因此，有些燃烧过程需要三种反应组分。在其他实施例中，三种反应组分不限于是燃料、氧化剂和稀释剂；还可为燃料、氧化剂和催化剂等，具体组分种类不做限定。
57.在燃烧过程包括两种反应组分即燃料和氧化剂时，可将其中一种反应组分通过冷却孔45流经第二间隙和第一间隙后流入喷嘴通道311内部，另一种反应组分通过连接管23引入喷嘴通道311中。在燃烧过程包括三种或者更多种反应组分时，可将其中一种反应组分通过冷却孔45流经第二间隙和第一间隙后流入喷嘴通道311内部，其他多种反应组分通过各自对应的连接管23引入喷嘴通道311中。
58.本实施例中采用一种反应组分作为冷却介质从冷却孔45引入，不仅可利用反应组分实现对火焰筒本体42和过渡段本体46的冷却，还可实现反应组分在不同部位的引入，避免反应组分的提前混合，从而降低提前着火风险，有利于提高燃烧安全性。
59.在其他实施例中，冷却孔通入的介质还可为其他工质，即可为燃烧过程反应组分之外的其他工质，反应组分可均通过连接管23引入喷嘴通道311中。冷却介质的具体种类不做限定。
60.进一步地，参考图1，端盖21背离所述连接管23的一端连接有第一进气管，第一进气管与连接管23一一对应设置。第一进气管用于引入反应组分。
61.具体地，本实施例中可设置第一进气管12和第一进气管13，用于引入两种反应组分，第一进气管12和第一进气管13分别连接有对应的连接管23，通过连接管23将反应组分引入喷嘴通道311中。第一进气管的一端可设置连接法兰11，另一端可设置连接法兰14，可通过连接法兰14与端盖21连接。
62.在上述实施例的基础上，进一步地，所述火焰筒组件和所述过渡段组件的外围设有燃压缸24，所述第二间隙通过所述冷却孔45与所述燃压缸24内部连通；即火焰筒组件和过渡段组件设置在燃压缸24的内部空间中。冷却介质可通过燃压缸24引入，然后通过冷却孔45进入第二间隙中。具体地，参考图1，燃压缸24可设有进气扩压器25，进气扩压器25为冷却介质进口。
63.进一步地，所述轴向喷嘴51上设有多个第二进气口，多个所述第二进气口用于引入多种反应组分，所述冷却孔通入的介质为其中一种反应组分，所述轴向喷嘴51的内部空间通过其中一个所述第二进气口与所述燃压缸24内部空间连通，其他所述第二进气口对应连接有进气管。
64.即本实施例中在火焰筒组件上设置轴向喷嘴51，轴向喷嘴51位于燃压缸24的内部空间中，设置轴向喷嘴51上的一个第二进气口位于燃压缸24的内部空间中，可将一种反应组分作为冷却用介质从燃压缸24通入，燃压缸24内的反应组分可通过轴向喷嘴51上的第二进气口进入轴向喷嘴51内部。轴向喷嘴51上的其他第二进气口可通过第二进气管一一引入其他反应组分。多种反应组分对应通过第二进气口引入轴向喷嘴51内部，在轴向喷嘴51内部进行混合后喷入火焰筒本体42内部进行燃烧。
65.具体地，参考图1，本实施例中可设置第二进气管52和第二进气管53，用于向轴向喷嘴51中引入两种反应组分，第二进气管52和第二进气管53可延伸至端盖21处，并穿出端
盖21，以便于与供气管路连接。
66.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图4，所述安装盖板33上设有多个所述喷嘴单元31时，相邻两个所述喷嘴单元31之间设有声学隔板32；图4所示为各喷嘴单元31之间均安装声学隔板32，用来抑制可能发生的热声振荡。
67.和/或，多个所述喷嘴单元31在轴向上平齐或间隔设置。
68.参考图5、图6和图7，在安装盖板33上，喷嘴单元31可按需求布置，喷嘴单元31个数不限，分布形式包括但不限于多层周向分布。参考图8各喷嘴单元31轴向分布位置可灵活调整，不限于齐平分布。具体地，来流方向即为轴向，反应组分是沿喷嘴通道311轴向流入火焰筒本体42内部。图8中a图所示为各喷嘴单元31在轴向上平齐的分布示图；图8中b图和c图为各喷嘴单元31在轴向上间隔设置的分布示图，b图中位于中间的喷嘴单元31与其他喷嘴单元31在轴向上间隔距离为δl。各喷嘴单元31在轴向上的具体分布间距不做限定。
69.进一步地，轴向喷嘴51可沿火焰筒组件周向均匀分布，轴向喷嘴51个数可为1-10个。定义轴向喷嘴51在火焰筒组件上轴向位置系数为：轴向喷嘴51与火焰筒组件第一端的轴向距离除以火焰筒组件的总长度，则轴向喷嘴51的位置系数为0.3-0.9。
70.进一步地，在安装盖板33上设置多个喷嘴单元31时，多个喷嘴单元31可分级启动。如图9所示，可根据燃烧负荷分为m1、m2、m3、m4四级工况，图中画剖面线的喷嘴单元31即为不同工况下开启的喷嘴单元31示意；在启动点火等小工况下，只开启中心喷嘴单元31燃料阀门，随着工况增大，逐级供应各喷嘴单元31燃料，工况继续增大，开启轴向分级，从而在宽负荷范围下实现高效低排放燃烧目的，同时具有快速负荷调节能力。燃烧室满负荷运行时火焰结构如图10所示，头部为紧凑的微混火焰，下游为轴向射流火焰。
71.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图11，所述喷嘴单元31上的多个所述喷嘴通道311按照裴波那契数列-费马螺旋排布。对于每一个喷嘴单元31，均包括多个喷嘴通道311，本实施例提出每个喷嘴单元31中的多个喷嘴通道311按照斐波那契数列-费马螺旋排布。即喷嘴单元31中的多个喷嘴通道311是呈螺旋排布的，且螺旋排布规律具体是按照斐波那契数列-费马螺旋排布。该螺旋排布与自然中向日葵的排布类似，使得喷嘴通道311是螺旋分布的，通过该排布不仅可提高喷嘴通道311之间在喷嘴单元31周向上的均匀性，还有利于提高喷嘴通道311在喷嘴单元31径向上的均匀性，从而提高喷嘴通道311在喷嘴单元31上整体分布的均匀性，如图11和图12所示。
72.本实施例提供的燃烧室喷嘴结构，设置多个喷嘴通道311按照斐波那契数列-费马螺旋排布，有利于喷嘴通道311在喷嘴单元31周向和径向上均保持均匀分布，从而提高喷嘴通道311在喷嘴单元31上的整体分布均匀性，有利于提高燃料在空间上分布的均匀性，避免出现局部高温区，可以有效提升火焰的稳定性和燃烧性能，保证燃烧效果。同时，由于该喷嘴通道311良好的均匀性，燃烧室中可以仅使用一个尺寸较大的喷嘴单元31以代替现有的多个较小喷嘴单元31，进而在燃烧室尺寸较大时，燃烧性能更优。
73.在上述实施例的基础上，进一步地，所述斐波那契数列-费马螺旋排布具体为：
[0074][0075]
[0076]
其中，参考图11，r为第n个所述喷嘴通道311的中心与所述喷嘴单元31的中心之间的间距，可通过上述公式获得。c为尺寸系数；与燃烧室的大小相关，可根据燃烧室的大小设置；具体地，c可为喷嘴通道311直径的0.6-2倍。n为自然数，可从1开始，然后取2、3、4依次往后，可获取n个喷嘴通道311的位置信息。α为第n个所述喷嘴通道311和第n+1个所述喷嘴通道311关于所述喷嘴单元31的中心的旋转角度；0《α《360
°
，改变该角度值可以获得不同的排布方式，在不同的燃烧室中可以酌情使用。
[0077]
参考图12，可以通过极坐标的方式确定每个喷嘴通道311中心的位置；具体地，以喷嘴单元31的中心即圆心为零点构建极坐标系，其中r为极坐标半径；θ为极坐标角度。则第n个喷嘴通道311中心即圆心可以表示为，r等于r，θ等于n*α除以π的余数。从可依次获得第一个至第n个喷嘴通道311的坐标位置。
[0078]
在上述实施例的基础上，进一步地，斐波那契数列-费马螺旋排布中的α为50
°‑
300
°
。该角度范围内的斐波那契数列-费马螺旋排布均匀性较高，不同的角度取值可获得不同的排布，具体角度值可根据实际应用情况具体设计，不做限定。
[0079]
例如，斐波那契数列-费马螺旋排布中的α可为69
°
、85.4
°
、137.5
°
、179
°
、222.5
°
或274.6
°
。本实施例具体提供六种不同的α取值举例，该六种α取值下的斐波那契数列-费马螺旋排布在周向和径向的均匀性较高，可使得喷嘴通道311整体分布的均匀性较高，以获得较好的燃烧效果。
[0080]
可选地，斐波那契数列-费马螺旋排布中的α可为69
°
、85.4
°
、137.5
°
、222.5
°
或274.6
°
，分布均匀性较好。图11和图12所示为α取137.5
°
的示意图。在其他实施例中，斐波那契数列-费马螺旋排布中的α也可取其他值，可根据具体燃烧室设计以及燃烧工况灵活选择，具体不做限定。
[0081]
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图11，所述喷嘴通道311的直径d为：2-14mm。喷嘴通道311的直径d可根据燃烧室工况选取，该尺寸范围的喷嘴通道311能实现反应组分的较好混合，且单个喷嘴通道311尺寸较小，可缩小燃料和空气混合尺度实现微混燃烧。在其他实施例中，喷嘴通道311的尺寸也可为其他，具体不做限定。
[0082]
进一步地，参考图13，安装盖板33上设有一个喷嘴单元31时，喷嘴单元31位于中心区域的喷嘴通道311设为值班区域311a，值班区域311a外围的喷嘴通道311沿周向依次包括多组分级区域，任一组所述分级区域包括沿周向依次设置的多个不同级区域；
[0083]
值班区域311a用于在所有燃烧工况下开启；多个不同级区域用于根据燃烧工况选择性开启。多个不同级区域具体用于根据燃烧负荷的增大增加开启的级数。
[0084]
本实施例提供的喷嘴单元31中多个喷嘴通道311按照斐波那契数列-费马螺旋排布，可提高喷嘴通道311在周向以及径向上的分布均匀性，减小各个通道间的干涉，有助于提高喷射燃料的空间均匀性，避免局部高温区的产生。同时，由于该喷嘴单元31良好的均匀性，燃烧室中可以仅使用一个尺寸较大的喷嘴单元31以代替现有的多个较小微混喷嘴单元31，相应的，会带来燃料调控方式的改变。
[0085]
具体地，将位于喷嘴单元31中心部位的若干个喷嘴通道311划分为值班区域311a，值班区域311a用于在所有工况下均开启；值班区域311a可为圆形。将值班区域311a外围的喷嘴通道311分为了沿周向依次相接的多个组；每个组中包括多个不同级的区域，即每个组中分为了多个区域，且多个区域的级别相互间不同，多个不同级的区域沿周向依次相接设
置。
[0086]
例如，参考图13，本实施例中以4级为例：最内圈为值班区域311a，即值班火焰，在所有工况下均工作；剩余喷嘴通道311按照所在螺线分成一级区域311b即1级火焰区、二级区域311c即2级火焰区和三级区域311d即3级火焰区。根据负荷大小依次供气，满负荷时所有喷嘴通道311均工作；在中等负荷下值班火焰区和1、2级火焰区的喷嘴通道311工作。这样可以保证在所有工况下燃料喷出后都能尽可能均匀地分布，且1、2、3级火焰区均与值班火焰区相连，使燃烧室可以快速改变工作负荷。
[0087]
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图14，多个所述第一进气口在所述喷嘴通道311的轴向上间隔设置，且位于下游部位的所述第一进气口用于引入密度较大的反应组分。即多个第一进气口在喷嘴通道311的不同部位引入不同的反应组分。位于下游部位的第一进气口引入的反应组分相比位于上游部位的第一进气口引入的反应组分密度较大。
[0088]
本实施例中喷嘴通道311为中空结构，用于流通多个反应组分，喷嘴通道311内反应组分的流向是从上游部位流向下游部位。密度较大的反应组分在下游部位引入，使得在喷嘴通道311中，密度较大的反应组分喷入流动的其他反应组分中进行掺混。本实施例将密度较大的反应组分设置在下游喷入进行掺混，密度较大的反应组分射流穿透能力较强，相比将密度较小的组分扩展掺混至密度较大的组分中，本实施例利用密度较大的反应组分扩散掺混能够提高反应组分的混合均匀度，提高掺混效果，从而有利于在后续的燃烧过程中减少局部高温区，抑制燃烧振荡，改善燃烧效果。
[0089]
且本实施例中将反应组分间隔喷入，还避免了反应组分提前掺混带来的自燃回火风险，保障燃烧安全性。该喷嘴结构既适用于天然气等传统燃料，还适用于氢气等灵活燃料，燃料适应性较强，安全性较高。
[0090]
进一步地，本实施例中喷嘴通道311上设有三个第一进气口；其中一个第一进气口3111设在喷嘴通道311的端面上，另一个第一进气口3113设在喷嘴通道311靠近上游部位的侧壁上，还有一个第一进气口3112设在喷嘴通道311靠近下游部位的侧壁上；其中位于下游部位的第一进气口3112引入的反应组分密度最大。
[0091]
本实施例中在有三种反应组分时，将密度相对较小的两种反应组分在上游部位引入，在上游进行初步混合，然后流向下游。将密度相对较大的反应组分从下游引入扩散至混合气中，最终三种反应组分混合后从下游喷出。本实施例先进行两种反应组分的掺混，然后再掺混进第三种反应组分，将三种反应组分分步掺混，可实现反应组分有序的掺混，提高燃烧安全性，有利于保证掺混效果；且利用密度较大的反应组分在下游进行扩散掺混，有利于提高掺混均匀度。
[0092]
进一步地，参考图15，喷嘴通道311位于下游部位的一端内径d1为3-20mm。
[0093]
进一步地，喷嘴通道311内部在第一端和第二端之间设有混流结构。具体地，混流结构可为旋流器3114。旋流器3114设在第一进气口3113和第一进气口3112之间。从而在上游部位的两种反应组分混合后会流经旋流器3114进行进一步的混合，以保证混合均匀性。
[0094]
进一步地，所述旋流器3114的旋流数为0.1-0.4。进一步地，在喷嘴通道311的第一端和第二端之间也可设置其他混流结构，例如混流肋片等结构，以能加强第一组分和第三组分之间的混合为目的，具体不做限定。
[0095]
在上述实施例的基础上，进一步地，所述轴向喷嘴51包括中空的喷嘴本体511，多
个所述第二进气口在所述喷嘴本体511的轴向上间隔设置，且位于下游部位的所述第二进气口用于引入密度较大的反应组分。即轴向喷嘴51上第二进气口的设置与喷嘴通道311上第一进气口的设置类似。多个第二进气口在喷嘴本体511的不同部位引入不同的反应组分。位于下游部位的第二进气口引入的反应组分相比位于上游部位的第二进气口引入的反应组分密度较大。
[0096]
本实施例中喷嘴本体511为中空结构，用于流通多个反应组分，喷嘴本体511内反应组分的流向是从上游部位流向下游部位。密度较大的反应组分在下游部位引入，使得在喷嘴本体511中，密度较大的反应组分喷入流动的其他反应组分中进行掺混。本实施例将密度较大的反应组分设置在下游喷入进行掺混，密度较大的反应组分射流穿透能力较强，相比将密度较小的组分扩展掺混至密度较大的组分中，本实施例利用密度较大的反应组分扩散掺混能够提高反应组分的混合均匀度，提高掺混效果，从而有利于在后续的燃烧过程中减少局部高温区，抑制燃烧振荡，改善燃烧效果。
[0097]
且本实施例中将反应组分间隔喷入，还避免了反应组分提前掺混带来的自燃回火风险，保障燃烧安全性。该喷嘴结构既适用于天然气等传统燃料，还适用于氢气等灵活燃料，燃料适应性较强，安全性较高。
[0098]
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图16和图17，至少一个所述第二进气口设在所述喷嘴本体511的侧壁上，所述喷嘴本体511的内部在与该所述第二进气口对应处设有多个辐条512，所述辐条512沿所述喷嘴本体511的径向设置，所述辐条512为中空结构，且多个所述辐条512均与该所述第二进气口连通，所述辐条512上设有反应组分出口513。
[0099]
即第二进气口可设置在喷嘴本体511的端面上，从喷嘴本体511的端面直接引入反应组分；第二进气口还可设置在喷嘴本体511的侧壁上，从喷嘴本体511的侧壁上引入反应组分。可设置至少一个第二进气口设在喷嘴本体511的侧壁上，此时，由于喷嘴本体511的内径较大，为保证从该第二进气口引入的反应组分的均匀扩散掺混，可在喷嘴本体511内部设置辐条512结构，将反应组分通过喷嘴本体511侧壁上的第二进气口引入辐条512中，然后通过辐条512上的反应组分出口513引入喷嘴本体511内部。
[0100]
进一步地，参考图17，本实施例中喷嘴本体511上设有三个第二进气口；其中一个第二进气口设在喷嘴本体511的端面上，另一个第二进气口5112设在喷嘴本体511靠近上游部位的侧壁上，还有一个第二进气口5111设在喷嘴本体511靠近下游部位的侧壁上；在喷嘴本体511内部与第二进气口5111对应处以及与第二进气口5112对应处分别设有辐条512，辐条512上设有反应处分出口。其中位于下游部位的第二进气口5111引入的反应组分密度最大。
[0101]
本实施例中在有三种反应组分时，将密度相对较小的两种反应组分在上游部位引入，在上游进行初步混合，然后流向下游。将密度相对较大的反应组分从下游引入扩散至混合气中，最终三种反应组分混合后从下游喷出。本实施例先进行两种反应组分的掺混，然后再掺混进第三种反应组分，将三种反应组分分步掺混，可实现反应组分有序的掺混，提高燃烧安全性，有利于保证掺混效果；且利用密度较大的反应组分在下游进行扩散掺混，有利于提高掺混均匀度。
[0102]
进一步地，每个辐条512上可设置多个反应组分出口513。喷嘴本体511的内径d2为20-80mm。多个辐条512的第一端汇集连接在喷嘴本体511中间部位的中心轴514，辐条512的
第二端连接于喷嘴本体511的侧壁。在喷嘴本体511的侧壁内部可设置与多个辐条512分别连通的通道，可为环形通道，通道与第二进气口连接，以向多个辐条512中通入反应组分。
[0103]
在上述实施例的基础上，进一步地，基于传统天然气燃烧室无法实现以氢燃料为主的灵活燃料安全高效燃烧的现状，考虑到微混燃烧技术能够实现氢燃料燃烧，但由于其没有回流区结构，其低负荷稳定性差，同时由于火焰更紧凑，容易产生高频燃烧振荡，高效工作负荷范围不够宽。本实施例提供一种头部微混与轴向分级耦合的灵活燃料低排放燃烧室，其既可以燃烧天然气等常规燃料、也可实现氢燃料为主的灵活燃料安全高效低排放燃烧，同时具有更宽的高效工作负荷范围和快速负荷调节能力。
[0104]
本实施例提供的一种头部微混耦合轴向分级的灵活燃料低排放燃烧室，由连接管路系统、燃压缸系统、头部燃烧器、火焰筒组件、轴向分级燃烧器组成。
[0105]
参考图1和图4，，连接管路系统包括连接法兰11、第一进气管12、第一进气管13、连接法兰14；燃压缸系统包括端盖21、转接段22、连接管23、燃压缸24、进气扩压器25；头部燃烧器包括喷嘴单元31、声学隔板32、安装盖板33；火焰筒组件包括火焰筒导流衬套41、火焰筒本体42、强化换热结构43、过渡段导流衬套44、冷却孔45、过渡段本体46；轴向分级燃烧器包括轴向喷嘴51、轴向分级燃料管即第二进气管52、轴向分级氧化剂管即第二进气管53。
[0106]
来流工质可为水蒸气等稀释剂，经进气扩压器25进入燃压缸24内，大部分工质从过渡段冲击冷却孔45对过渡段46进行冲击冷却，后流经火焰筒强化换热结构43对火焰筒本体42进行强化对流冷却，再进入头部微混喷嘴；少部分工质从轴向喷嘴51进入火焰筒本体42。
[0107]
头部及轴向分级燃料均从端盖21进入，头部灵活燃料与氧化剂可分别经第一进气管12和第一进气管13，连接管23，进入头部微混燃烧喷嘴，轴向喷嘴51所需燃料及氧化剂分别经轴向分级燃料管、轴向分级氧化剂管进入。
[0108]
在其他实施例中，若来流工质为空气，即空气作为稀释剂，此时空气也作为氧化剂，不需要额外氧化剂，空气从燃压缸进入喷嘴通道和轴向喷嘴51中，喷嘴通道可连接一个第一进气管，轴向喷嘴51可连接一个第二进气管，以引入燃料。
[0109]
如图2和图3所示，火焰筒壁面设置有强化换热结构43，可为环状条带分布的肋片，其截面形状包括但不限于矩形肋、三角形肋、梯形肋等，也可为点阵分布的绕流柱结构，包括但不限于圆柱、椭圆柱等。通过强化对流换热，避免火焰筒直接开冷却孔导致冷气对火焰筒内近壁区的反应焠熄，进而降低co等的排放。
[0110]
本实施例提供的分级低排放燃烧室，分级策略为头部微混耦合轴向分级，随着工况增大依次开启各级，具有宽负荷高效工作范围和快速调节能力；可用灵活燃料包括天然气、氢、烷烃等组分；工质可采用空气但不限于空气，也可使用水蒸气等稀释剂，燃料氧化剂可按需单独供应；头部微混喷嘴个数和分布均可按需布置，各喷嘴轴向位置可灵活调整，微混喷嘴之间设置一定高度声学隔板抑制燃烧振荡；轴向分级喷嘴在火焰筒外围周向分布1-10个，轴向分级喷嘴的轴向位置系数为0.3-0.9；采用冲击+强化对流换热冷却结构，火焰筒壁面不开冷却孔，避免冷气引起反应淬熄。强化换热结构可采用肋条及绕流柱等多种形式。肋条不限于矩形三角形梯形，绕流柱不限于圆柱、椭圆柱。
[0111]
本实施例采用头部微混耦合轴向分级的燃烧组织方式，具有很强的燃料适应能力，既适用于天然气等传统燃料，也能够实现以氢燃料为主的灵活燃料高效燃烧，实现低碳
甚至零碳排放；能够有效抑制自燃回火及燃烧振荡，保障燃烧安全，同时相比单一微混燃烧技术，具有更宽的高效工作负荷范围和负荷快速调节能力。
[0112]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种燃烧室，其特征在于，包括：火焰筒组件，所述火焰筒组件的第一端设有喷嘴结构，所述喷嘴结构包括与所述火焰筒组件连接的安装盖板和设置在所述安装盖板上的至少一个喷嘴单元，所述喷嘴单元包括多个喷嘴通道，所述火焰筒组件上还设有轴向喷嘴，所述轴向喷嘴相对所述喷嘴结构间隔设于下游部位。2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述火焰筒组件包括火焰筒本体和设在所述火焰筒本体外围的火焰筒导流衬套，所述火焰筒本体和所述火焰筒导流衬套之间具有第一间隙；所述火焰筒组件的第二端连接有过渡段组件，所述过渡段组件包括与所述火焰筒本体的第二端连接的过渡段本体以及设在所述过渡段本体外围的过渡段导流衬套，所述过渡段本体和所述过渡段导流衬套之间具有第二间隙，所述第二间隙和所述第一间隙连通；所述过渡段导流衬套上设有冷却孔，所述冷却孔用于通入介质进行冷却。3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述火焰筒本体的外壁上设有强化换热结构。4.根据权利要求2或3所述的燃烧室，其特征在于，还包括管路系统，所述管路系统包括端盖和连接管，所述连接管的一端与所述端盖连接，所述连接管的另一端与所述喷嘴通道连接，所述连接管的外围设有转接段，所述转接段的一端与所述端盖连接，所述转接段的另一端与所述火焰筒组件的第一端连接，所述转接段的内部空间与所述第一间隙连通；所述喷嘴通道上设有多个第一进气口，多个所述第一进气口用于引入多种反应组分，所述冷却孔通入的介质为其中一种反应组分，所述喷嘴通道的内部空间通过其中一个所述第一进气口与所述转接段的内部空间连通，其他所述第一进气口与所述连接管一一对应连接。5.根据权利要求2或3所述的燃烧室，其特征在于，所述火焰筒组件和所述过渡段组件的外围设有燃压缸，所述第二间隙通过所述冷却孔与所述燃压缸内部连通；所述轴向喷嘴上设有多个第二进气口，多个所述第二进气口用于引入多种反应组分，所述冷却孔通入的介质为其中一种反应组分，所述轴向喷嘴的内部空间通过其中一个所述第二进气口与所述燃压缸内部空间连通，其他所述第二进气口对应连接有进气管。6.根据权利要求1-3中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述安装盖板上设有多个所述喷嘴单元时，相邻两个所述喷嘴单元之间设有声学隔板；和/或，多个所述喷嘴单元在轴向上平齐或间隔设置。7.根据权利要求1-3中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述喷嘴单元上的多个所述喷嘴通道按照裴波那契数列-费马螺旋排布。8.根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，多个所述第一进气口在所述喷嘴通道的轴向上间隔设置，且位于下游部位的所述第一进气口用于引入密度较大的反应组分。9.根据权利要求5所述的燃烧室，其特征在于，所述轴向喷嘴包括中空的喷嘴本体，多个所述第二进气口在所述喷嘴本体的轴向上间隔设置，且位于下游部位的所述第二进气口用于引入密度较大的反应组分。10.根据权利要求9所述的燃烧室，其特征在于，至少一个所述第二进气口设在所述喷嘴本体的侧壁上，所述喷嘴本体的内部在与该所述第二进气口对应处设有多个辐条，所述辐条沿所述喷嘴本体的径向设置，所述辐条为中空结构，且多个所述辐条均与该所述第二
进气口连通，所述辐条上设有反应组分出口。

技术总结

本发明涉及燃烧技术领域，公开了一种燃烧室，包括：火焰筒组件，火焰筒组件的第一端设有喷嘴结构，喷嘴结构包括与火焰筒组件连接的安装盖板和设置在安装盖板上的至少一个喷嘴单元，喷嘴单元包括多个喷嘴通道，火焰筒组件上还设有轴向喷嘴，轴向喷嘴相对喷嘴结构间隔设于下游部位。本发明提供的一种燃烧室，设置喷嘴结构包括多个尺寸较小的喷嘴通道可缩小燃料和氧化剂混合尺度，实现燃料微混燃烧以降低排放，同时喷嘴通道高速射流具有很强抗回火能力和灵活燃料适应性，另外，设置轴向喷嘴采用轴向分级燃烧技术，可通过调节燃料工质分配比例，从而降低排放，同时能够拓宽燃烧室高效工作负荷范围，同时具有一定灵活燃料适应能力。同时具有一定灵活燃料适应能力。同时具有一定灵活燃料适应能力。