一种低NOx氢燃烧室及燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种低NOx氢燃烧室及燃气轮机。

背景技术

燃气轮机的燃烧室是将燃料和空气混合并在其中燃烧，产生高温高压气体来驱动轮转部件的部件。燃烧室的设计和性能对于燃气轮机的效率、功率输出和排放水平都有重要影响。燃气轮机的燃烧室通常由燃烧室本体、燃烧器、燃料喷嘴、燃烧空气供应管路、点火器等部件组成。燃烧室本体是一个密闭的容器，内部装有燃烧器和燃料喷嘴。燃烧器是将燃料和空气混合并点燃的部件，其结构和形式有多种，如盘式、环式、喷雾式等。燃料喷嘴则是将燃料喷入燃烧器的部件，其数量、位置和布局等参数也会对燃烧室的性能产生影响。

在燃气轮机的运行过程中，燃料和空气经过燃料喷嘴和燃烧器混合后点燃，产生高温高压的燃气，燃气在燃烧室内进行膨胀和加速，然后通过轮转部件转换成动能，从而驱动发电机或其他设备。同时，燃气轮机燃烧室的设计也需要考虑到减少排放和提高燃烧效率的问题。

目前，燃气轮机的主要燃料是煤油和天然气等化石燃料，这些燃料的燃烧会产生大量的碳排放。随着未来零碳发电的需求增加，许多燃气轮机制造商正在进行氢燃料燃烧室技术的探索。然而，传统燃气轮机使用氢气作为燃料的主要缺点是氢气的高燃烧温度和快速火焰传播速度会导致氮氧化物(NOx)的排放量大幅度上升。这是因为氢气的燃烧速度比传统燃料快，容易在燃烧室内形成高温高压的燃烧区域，进而导致NOx排放增加。此外，传统燃气轮机的设计和控制系统通常不适用于氢气燃料，需要对燃烧室和控制系统进行改进和调整，增加了成本和技术难度。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种低NOx氢燃烧室及燃气轮机，以达到降低有害物质NOx的排放与碳排放，提高燃烧效率的目的。

本申请实施例提供以下技术方案：一种低NOx氢燃烧室，包括：

燃烧室外环和燃烧室内环，所述燃烧室内环同轴套接在所述燃烧室外环的内腔，所述燃烧室外环的环壁和所述燃烧室内环的环壁之间形成用于进行旋转爆震燃烧的主流道环腔；

所述主流道环腔在燃气流动方向上依次包括前段腔、中段腔和后段腔，所述前段腔内周向设置喷注环，所述喷注环的内腔中设有用于收集氢气的氢气环腔，所述喷注环的喷口侧周向设置多个氢气喷嘴，用于将所述氢气环腔中的氢气燃料从所述氢气喷嘴处喷出；所述主流道环腔的上游设有空气主入口，用于引入空气，使空气和氢气燃料在所述中段腔内混合点燃后进行旋转爆震燃烧。

根据本申请一种实施例，所述中段腔对应的所述燃烧室外环外壁上周向封闭式设置外环氢冷壳，所述外环氢冷壳与所述燃烧室外环的环壁之间形成外环冷却通道，所述外环冷却通道内通入液氢，用于对所述主流道环腔降温冷却。

根据本申请一种实施例，所述外环冷却通道处对应的所述燃烧室外环的环壁上设置多个外环径向孔，使所述外环冷却通道内的液氢通过所述外环径向孔进入所述中段腔，在所述中段腔的所述燃烧室外环的内壁面上形成冷却气膜。

根据本申请一种实施例，所述中段腔对应的所述燃烧室内环的内壁上周向封闭式设置内环氢冷壳，所述内环氢冷壳与所述燃烧室内环的环壁之间形成内环冷却通道，所述内环冷却通道内通入液氢，用于对所述主流道环腔降温冷却。

根据本申请一种实施例，所述内环冷却通道处对应的所述燃烧室内环的环壁上设置多个内环径向孔，使所述内环冷却通道内的液氢通过所述内环径向孔进入所述中段腔，在所述中段腔的所述燃烧室内环的外壁面上形成冷却气膜。

根据本申请一种实施例，所述后段腔对应的所述燃烧室外环和所述燃烧室内环上分别开设补燃空气入口，用于引入空气后在所述后段腔继续进行混合燃烧，将所述中段腔内旋转爆震燃烧后剩余的氢气燃尽。

根据本申请一种实施例，所述后段腔对应的所述燃烧室外环上还开设掺混冷却空气入口，在燃气流动方向上，所述掺混冷却空气入口位于所述补燃空气入口的后方，用于引入空气，使空气与燃烧产生的烟气掺混后再排出所述主流道环腔。

根据本申请一种实施例，所述掺混冷却空气入口和所述补燃空气入口的数量均为多个，且分别周向均布在所述后段腔。

根据本申请一种实施例，所述喷注环与两侧的所述燃烧室外环和所述燃烧室内环之间分别形成喉道，使从所述空气主入口进入的空气经过所述喉道的节流后进入所述主流道环腔中。

本发明实施例还提供一种燃气轮机，包括压气机、如权利要求1至9任一项所述的低NOx氢燃烧室，以及涡轮；

所述压气机与所述涡轮同轴联接，所述压气机的进气口通入空气，所述压气机的出气口连接至所述的低NOx氢燃烧室，所述的低NOx氢燃烧室的烟气出口连接至所述涡轮，使燃烧产生的烟气推动所述涡轮做功。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例的燃烧室采用氢燃料燃烧，降低了碳排放，在燃烧室结构设计上，通过采用爆震燃烧技术，能够保证氢燃料在燃气轮机燃烧室内快速燃烧，减少热力型NOx的生成，同时提高燃烧效率，从而降低氢燃料燃气轮机的氮氧化物的排放，以满足排放指标，并且降低了氢燃料燃气轮机的设备投入成本和后续维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明实施例的结构示意图；

图中，1-空气主入口，2-氢气燃料入口，3-氢气环腔，4-氢气喷嘴，5-外环气氢出口，6-外环液氢入口，7-补燃空气入口，8-掺混冷却空气入口，9-内环液氢入口，10-内环气氢出口，11-内环冷却气膜，12-外环冷却气膜，13-径向孔，14-内环前段，15-内环中段，16-内环氢冷壳，17-内环冷却通道，18-内环后段，19-喷注环，20-外环前段，21-喉道，22-外环中段，23-外环氢冷壳，24-外环冷却通道，25-外环后段。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。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。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种低NOx氢燃烧室，包括：燃烧室外环和燃烧室内环，所述燃烧室内环同轴套接在所述燃烧室外环的内腔，所述燃烧室外环的环壁和所述燃烧室内环的环壁之间形成用于进行旋转爆震燃烧的主流道环腔；所述主流道环腔在燃气流动方向上依次包括前段腔、中段腔和后段腔，所述前段腔包括外环前段20和内环前段14，所述中段腔包括外环中段22和内环中段15，所述后段腔包括外环后段25和内环后段18。所述前段腔内周向设置喷注环19，所述喷注环19的内腔中设有用于收集氢气的氢气环腔3，所述喷注环19的喷口侧周向设置多个氢气喷嘴4，用于将所述氢气环腔3中的氢气燃料从所述氢气喷嘴4处喷出；所述主流道环腔的上游设有空气主入口1，用于引入空气，使空气和氢气燃料在所述中段腔内混合点燃后进行旋转爆震燃烧。

旋转爆震燃烧(rotating detonation combustion)是一种燃烧技术，它通过旋转的爆震波来实现燃烧。爆震波是一种激波，它可以在爆震反应中传播，使得反应物和氧气在接触之后能够快速反应。旋转爆震燃烧是一种相对较新的技术，它目前被用于汽车、航空和航天领域，主要用于提高燃烧效率和减少污染。

本发明实施例的氢燃烧室，采用氢气作为燃料燃烧，克服了传统燃气轮机采用煤油和天然气等化石燃料作为主要燃料，而导致燃烧过程产生大量碳排放的缺陷，实现了零碳排放的目的。为了实现低NOx生成的氢燃烧过程，本发明实施例采用旋转爆震燃烧室结构，以降低燃烧过程中热力型NOx的生成。热力型NOx的生成是一种缓慢的反应过程，是由燃烧空气中的N

另一方面，本实施例在燃烧室的前段腔中设置喷注环19，采用喷注的方式向燃烧室内加入氢燃料，燃料和空气可以更好的混合形成预混空气，有利于下游连续旋转爆震的稳定。

由于旋转爆震燃烧的燃烧温度很高，因此需解决爆震燃烧的冷却问题，以使燃机发动机的温度保持在合适的范围内。在本发明一个实施例中，所述中段腔对应的所述燃烧室外环外壁上周向封闭式设置外环氢冷壳23，所述外环氢冷壳23与所述燃烧室外环的环壁之间形成外环冷却通道24，所述外环冷却通道24内通入液氢，用于对所述主流道环腔降温冷却。

具体结构中，上述外环氢冷壳23上分别开设外环液氢入口6和外环气氢出口5；通过该外环液氢入口6向外环冷却通道24内通入液氢，对主流道环腔进行冷却降温，冷却后，液氢吸热气化，变成气氢，由所述的外环气氢出口5排出。由所述外环气氢出口5排出的气氢可以通过开设在燃烧室外环上的氢气燃料入口2引入喷注环19的氢气环腔3中，用于所述主流道环腔内的旋转爆震燃烧。氢燃料在用作冷却剂的同时，回收热量后用于燃烧，降低了燃烧功率，提高了燃烧效率。

在本实施例的进一步优选方案中，所述外环冷却通道24处对应的所述燃烧室外环的环壁上设置多个外环的径向孔13，使所述外环冷却通道24内的液氢通过该径向孔13进入所述中段腔，在所述中段腔的所述燃烧室外环的内壁面上形成外环冷却气膜12。所述外环冷却通道24内的部分液氢通过径向孔13进入中段腔内，在所述燃烧室外环的内壁面上形成冷却气膜，可以进一步起到冷却隔热的作用，并且，腔室内壁的冷却气膜可以适度降低燃烧温度，克服氢燃料具有高燃烧温度的缺陷，也能够有效的降低燃烧过程中热力型NOx的生成，实现降低有害物质NOx排放的目的。

在本发明实施例中，所述中段腔对应的所述燃烧室内环的内壁上周向封闭式设置内环氢冷壳16，所述内环氢冷壳16与所述燃烧室内环的环壁之间形成内环冷却通道17，所述内环冷却通道17内通入液氢，用于对所述主流道环腔降温冷却。具体结构中，上述内环氢冷壳16上分别开设内环液氢入口9和内环气氢出口10；通过该内环液氢入口9向内环冷却通道17内通入液氢，对主流道环腔进行冷却降温，冷却后，液氢吸热气化，变成气氢，由所述的内环气氢出口10排出。由所述内环气氢出口10排出的气氢可以通过开设在燃烧室外环上的氢气燃料入口2引入喷注环19的氢气环腔3中，用于所述主流道环腔内的旋转爆震燃烧。氢燃料在用作冷却剂的同时，回收热量后用于燃烧，降低了燃烧功率，提高了燃烧效率。

本实施例在外环冷却通道24的基础上进一步设置内环冷却通道17，在主流道环腔的内圈和外圈同时进行冷却，大幅提高了降温冷却效果，保证了爆震燃烧室稳定的工作性能。在本实施例的进一步优选方案中，所述内环冷却通道17处对应的所述燃烧室内环的环壁上设置多个内环的径向孔13，使所述内环冷却通道17内的部分液氢通过该径向孔13进入所述中段腔，在所述中段腔的所述燃烧室内环的外壁面上形成内环冷却气膜11。所述中段腔的内外壁面上均形成冷却气膜，提高冷却效果并且有效降低氢燃料的燃烧温度，实现低NOx排放。

本发明实施例中，上述径向孔13可以是由金属材料加工形成，或是采用多孔材料制成。多孔材料可以是现有的耐高温的多孔金属、多孔陶瓷等。

在本发明实施例中，所述后段腔对应的所述燃烧室外环和所述燃烧室内环上分别开设补燃空气入口7，用于引入空气后在所述后段腔继续进行混合燃烧，将所述中段腔内旋转爆震燃烧后剩余的氢气燃尽。

在所述主流道环腔的中段腔，旋转爆震燃烧的燃烧温度大于2300K，通过氢气喷嘴4喷入过量的氢气，燃烧的当量比大于1，此时由于氢气是过量的，在中段腔出口的时候，有部分剩余的氢气，需要在后段腔补燃，将氢气烧干净。因此，本实施例中，在后段腔中引入补燃空气，补燃空气与中段腔未燃净的氢进一步燃烧，提高燃烧效率。

在本发明实施例中，所述后段腔对应的所述燃烧室外环上还开设掺混冷却空气入口8，在燃气流动方向上，所述掺混冷却空气入口8位于所述补燃空气入口7的后方，用于引入空气，使空气与燃烧产生的烟气掺混后再排出所述主流道环腔。通过上述的掺混冷却空气入口8引入空气，掺混主要是为了降低燃烧室出口温度，在中段腔的氢气进行连续旋转爆震燃烧后，再加进一步的补燃燃烧，燃烧室主流道环腔出口温度还是很高，一般在2000K以上，涡轮无法在此高温度下工作，燃烧烟气直接排出会影响涡轮性能，因此引入空气对高温烟气进行降温，掺混空气混合后，降低燃烧室的出口温度，烟气温度降低到1200～1700K以下再进入涡轮，保证涡轮的正常工作。

上述实施例中，所述掺混冷却空气入口8和所述补燃空气入口7的数量均为多个，且分别周向均布在所述后段腔，保证引入空气的均匀性。

在本发明实施例中，所述喷注环19与两侧的所述燃烧室外环和所述燃烧室内环之间分别形成喉道21，使从所述空气主入口1进入的空气经过所述喉道21的节流后进入所述主流道环腔中。喷注环19与两侧的燃烧室外环和燃烧室内环之间形成的通道收缩结构构成喉道21，喉道21的结构设置可使得空气均匀的进入主流道环腔中，并且，空气在喉道21处节流后，实现超音速流，使下游旋转爆震燃烧时产生的爆震波不会反传至上游压气机处，从而保证压气机的正常工作。

本发明实施例还提供一种燃气轮机，包括压气机、如上述的低NOx氢燃烧室，以及涡轮；所述压气机与所述涡轮同轴联接，所述压气机的进气口通入空气，所述压气机的出气口连接至所述的低NOx氢燃烧室，所述的低NOx氢燃烧室的烟气出口连接至所述涡轮，使燃烧产生的烟气推动所述涡轮做功。

在燃气轮机的运行过程中，低NOx氢燃烧室内的氢燃料和空气经过燃料喷嘴和燃烧器混合后点燃，产生高温高压的燃气，燃气在燃烧室内进行膨胀和加速，然后通过轮转部件转换成动能，从而驱动发电机或其他设备。

本发明实施例的低NOx氢燃烧室及包括该燃烧室的燃气轮机，采用液氢作为燃料，降低碳排放，提高燃烧效率，燃烧室的三段式设计，能够保证氢燃料在燃气轮机燃烧室内充分燃烧，并且可以大幅减少氮氧化物的生成，从而降低氢燃料燃气轮机的氮氧化物的排放，以满足排放指标，并且降低了氢燃料燃气轮机的设备投入成本和后续维护成本。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。