燃气轮机燃烧室喷嘴结构及其工作方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机燃烧室喷嘴结构及其工作方法。

背景技术

燃气轮机用于地面发电时常以天然气为燃料，燃烧时释放大量二氧化碳，显著增加碳排放，在如今环保政策及节能减排的制约下，寻找一种清洁燃料替代传统碳氢燃料是未来必经之路。目前，已有燃机电厂使用天然气、氢气掺混燃烧，达到了降低碳排放的效果，未来燃烧器将逐步提高掺氢比例，减碳效果将更加显著。

为了确保燃烧稳定及燃机安全，应使天然气/氢气掺混均匀，现有的天然气掺氢燃烧的燃气轮机，需在燃气轮机本体外建设混氢装置，即天然气/氢气掺混装置，天然气和氢气掺混均匀后再通入燃气轮机燃烧室的喷嘴中；而且，当掺氢比例确定时，燃机运行过程中掺氢比例便无法更改，无法实时调节，燃机只能以当前的掺氢比例持续运行，直至停机。

因此，现有的燃气轮机天然气/氢气掺混燃烧的灵活性较低，不利于燃机正常运行。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中现有的燃气轮机天然气/氢气掺混燃烧的灵活性较低的缺陷，从而提供一种能够提高天然气/氢气掺混燃烧的灵活性的燃气轮机燃烧室喷嘴结构及其工作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构，包括：

同轴设置的第一筒壁、第二筒壁、第三筒壁、第四筒壁和第五筒壁；

其中，所述第二筒壁的外侧周壁与所述第三筒壁的内侧周壁之间沿径向间隔形成氢气流路；所述第三筒壁的外侧周壁与所述第四筒壁的内侧周壁之间沿径向间隔形成二级天然气流路；所述第四筒壁的外侧周壁与所述第五筒壁的内侧周壁之间沿径向间隔形成二级空气流路；

一级台阶，设置于所述二级天然气流路和所述二级空气流路的末端；二级台阶，设置于所述氢气流路的末端；所述一级台阶沿轴向靠近下游的一侧与所述第四筒壁的外侧周壁、所述二级台阶沿轴向靠近下游的一侧与所述第二筒壁的外侧周壁和所述第五筒壁的内侧周壁共同围合形成预混区；

所述一级台阶上开设有天然气高速射流孔和第二条形空气供给孔，所述天然气高速射流孔适于将所述二级天然气流路与所述预混区相连通，所述第二条形空气供给孔适于将所述二级空气流路与所述预混区相连通；所述二级台阶上开设有氢气高速射流孔，所述氢气高速射流孔适于将所述氢气流路与所述预混区相连通。

可选的，所述第五筒壁包括整流壁面，所述整流壁面包括第一收缩段和第二收缩段，所述第一收缩段位于所述一级台阶的下游区域，所述第二收缩段位于所述二级台阶的下游区域；

所述第一收缩段的半径为r2，r2满足r2＜r1，其中，r1为所述一级台阶的半径；所述第二收缩段的半径为r4，r4满足r4＜r3，其中，r3为所述二级台阶的半径，r3＜r1。

可选的，所述一级台阶上还开设有天然气掺混孔，所述天然气掺混孔位于所述天然气高速射流孔沿径向远离所述第三筒壁的一侧；所述天然气掺混孔的一端与所述二级天然气流路相连通，另一端与所述预混区相连通；

所述二级台阶上还开设有氢气掺混孔，所述氢气掺混孔位于所述氢气高速射流孔沿径向远离所述第二筒壁的一侧；所述氢气掺混孔的一端与所述氢气流路相连通，另一端与所述预混区相连通。

可选的，所述天然气掺混孔和/或所述氢气掺混孔的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角为α，α满足15°≤α≤60°。

可选的，所述第二筒壁上开设有第一空气孔，所述第一空气孔的分布覆盖所述二级台阶沿轴向靠近下游的预混区；

所述第五筒壁上开设有第二空气孔，所述第二空气孔的分布覆盖所述一级台阶沿轴向靠近下游的预混区。

可选的，所述第一空气孔和/或所述第二空气孔的内径为d，d满足0.2mm≤d≤1.0mm。

可选的，所述天然气高速射流孔和所述氢气高速射流孔的中心轴线均与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线相平行；

所述天然气高速射流孔和所述氢气高速射流孔均为收缩孔，所述天然气高速射流孔和所述氢气高速射流孔的径向截面面积均沿射流方向逐渐减小；

所述天然气高速射流孔和/或所述氢气高速射流孔的收缩比为γ，γ满足γ＜3。

可选的，所述第一筒壁的外侧周壁与所述第二筒壁的内侧周壁之间沿径向间隔形成一级空气流路；

所述一级空气流路末端的出口处设置有旋流器，所述旋流器适于使气体产生旋流；

所述一级空气流路沿轴向靠近所述旋流器的一端设置有稳流部，所述稳流部上开设有第一条形空气供给孔，所述第一条形空气供给孔适于稳定空气流动。

可选的，所述第一筒壁的内侧周壁围合形成一级天然气流路；

所述第一筒壁的末端设置有封堵部，所述封堵部上开设有天然气射流孔，所述天然气射流孔的喷射口位于所述旋流器的相邻两片叶片之间。

本发明提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构的工作方法，应用于如上述所述的燃气轮机燃烧室喷嘴结构，所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的工作方法包括：

由天然气供给源向一级天然气流路供给扩散天然气，使得扩散天然气经由天然气射流孔射至旋流器的叶片通道间，同时由压气机向一级空气流路供给扩散空气，使得扩散空气经由第一条形空气供给孔稳流后射至旋流器的叶片通道间，并与扩散天然气快速掺混后传至火焰筒内由点火器引燃，形成扩散燃烧火焰，即值班火焰，并在旋流器的作用下形成稳定回流区，充当稳定点火源；

由压气机向二级空气流路供给预混空气，由天然气供给源向二级天然气流路供给预混天然气，使得预混空气经由第二条形空气供给孔稳流后在一级台阶的下游区域产生回流区，即台阶涡，同时使得预混天然气由天然气掺混孔及天然气高速射流孔传出，并与台阶涡内的空气快速掺混并向下游流动，当预混空气与预混天然气流动至二级台阶时会在紧邻二级台阶的下游区域产生台阶涡；

由氢气供给源向氢气流路供给氢气，使得氢气由氢气掺混孔及氢气高速射流孔传至二级台阶附近的台阶涡中，并与天然气及空气的预混气快速掺混，形成天然气、氢气及空气的预混气，并向喷嘴下游传播，直至传出至火焰筒，由值班火焰引燃燃烧。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构，通过设置一级台阶和二级台阶以分别形成第一突扩结构和第二突扩结构，从而使得气体流经时在所述一级台阶和所述二级台阶的附近产生回流区，也即台阶涡，台阶涡内湍流度较高，天然气、氢气从台阶处传出后便在台阶涡内不断与空气掺混，由于其内部湍流度较高，加之气体回流，可使三者快速掺混均匀并向下游传播至火焰筒内燃烧；通过设置天然气高速射流孔和氢气高速射流孔，从而提高天然气及氢气的穿透性，加之射流速度高，基于伯努利效应可吸引周围气体向射流束聚拢，有利于快速掺混均匀。本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构通过上述设置，无需在燃气轮机本体外建设混氢装置，就能够实现天然气与氢气以及空气的快速均匀掺混，而且燃机运行过程中掺氢比例能够实时调节，从而提高燃气轮机天然气/氢气掺混燃烧的灵活性，此外，天然气掺烧氢气可显著降低碳排放。

2.本发明提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构，所述天然气掺混孔和/或所述氢气掺混孔的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角α满足15°≤α≤60°，从而既能够提高气体的掺混效率，又能够保证气体较高的流动性。

3.本发明提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构，通过在所述第二筒壁上开设第一空气孔，使得所述第一空气孔密集分布覆盖于所述二级台阶沿轴向靠近下游的预混区；并通过在所述第五筒壁上开设第二空气孔，使得所述第二空气孔密集分布覆盖于所述一级台阶沿轴向靠近下游的预混区，从而通过所述第一空气孔和所述第二空气孔射流形成气膜，防止可燃混气与壁面直接接触，从而提高混气边界层的流动速度，使其大于火焰传播速度，防止边界层回火，同时又可冷却壁面，延长其使用寿命。

4.本发明提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构，所述天然气高速射流孔为收缩孔，其径向截面面积均沿射流方向逐渐减小，所述天然气高速射流孔的收缩比γ满足γ＜3，有利于提升天然气射流速度及穿透强度，一方面可强化掺混效果，另一方面能够提升混气的整体平均流速，防止中心流回火；所述氢气高速射流孔为收缩孔，其径向截面面积均沿射流方向逐渐减小，所述氢气高速射流孔的收缩比γ满足γ＜3，有利于提升氢气射流速度及穿透强度，一方面可强化掺混效果，另一方面能够提升混气的整体平均流速，防止中心流回火。

5.本发明提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构的工作方法，通过设置台阶产生台阶涡，可使天然气/氢气及空气快速掺混均匀，因此可将天然气、氢气单独供给至燃机燃烧室，在喷嘴中边流动边掺混，而非掺混均匀后再将混气输送至燃烧室。此方法能够使燃机在运行过程中单独调节天然气流量及氢气流量，使燃机在燃料流量的动态变化中依然保持稳定运行，从而提高燃机燃烧的灵活性，确保燃机安全、稳定燃烧；而且燃机燃烧天然气、氢气的混合物可降低碳排放，且随着掺氢比例的增加，环保效果越发显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构的剖面结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构的第一收缩段和第二收缩段的尺寸图；

图4为本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构的等轴侧结构示意图；

图5为本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构的正视结构示意图；

图6为图5中B-B截面的剖面图；

图7为图5中C-C截面的剖面图；

图8为图6中D处的放大图；

图9为图5的右视图；

图10为本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构产生台阶涡的工作原理示意图。

附图标记说明：

10、第一筒壁；100、一级天然气流路；11、封堵部；110、天然气射流孔；

20、第二筒壁；200、一级空气流路；201、第一空气孔；21、旋流器；22、稳流部；220、第一条形空气供给孔；

30、第三筒壁；300、氢气流路；

40、第四筒壁；400、二级天然气流路；

50、第五筒壁；500、二级空气流路；501、第二空气孔；51、整流壁面；511、第一收缩段；512、第二收缩段；

60、一级台阶；600、预混区；601、天然气高速射流孔；602、天然气掺混孔；603、第二条形空气供给孔；

70、二级台阶；701、氢气高速射流孔；702、氢气掺混孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

结合图1-图10所示，本实施例所提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构，包括：

同轴设置的第一筒壁10、第二筒壁20、第三筒壁30、第四筒壁40和第五筒壁50；

其中，所述第二筒壁20的外侧周壁与所述第三筒壁30的内侧周壁之间沿径向间隔形成氢气流路300；所述第三筒壁30的外侧周壁与所述第四筒壁40的内侧周壁之间沿径向间隔形成二级天然气流路400；所述第四筒壁40的外侧周壁与所述第五筒壁50的内侧周壁之间沿径向间隔形成二级空气流路500；

一级台阶60，设置于所述二级天然气流路400和所述二级空气流路500的末端；二级台阶70，设置于所述氢气流路300的末端；所述一级台阶60沿轴向靠近下游的一侧与所述第四筒壁40的外侧周壁、所述二级台阶70沿轴向靠近下游的一侧与所述第二筒壁20的外侧周壁和所述第五筒壁50的内侧周壁共同围合形成预混区600；

所述一级台阶60上开设有天然气高速射流孔601和第二条形空气供给孔603，所述天然气高速射流孔601适于将所述二级天然气流路400与所述预混区600相连通，所述第二条形空气供给孔603适于将所述二级空气流路500与所述预混区600相连通；所述二级台阶70上开设有氢气高速射流孔701，所述氢气高速射流孔701适于将所述氢气流路300与所述预混区600相连通。

需要说明的是，本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构沿轴向依次分为进气段、预混段和扩散段，其中，所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的预混段整体呈收缩状。其中，一级天然气流路100、一级空气流路200、氢气流路300、二级天然气流路400和二级空气流路500位于所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的进气段；一级台阶60、整流壁面51、二级台阶70、第一空气孔201、第二空气孔501、天然气高速射流孔601、天然气掺混孔602、第二条形空气供给孔603、氢气高速射流孔701和氢气掺混孔702位于所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的预混段；第一条形空气供给孔220、旋流器21和天然气射流孔110位于所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的扩散段。

需要说明的是，请参见图1和图4所示，所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构包括同轴设置的第一筒壁10、第二筒壁20、第三筒壁30、第四筒壁40和第五筒壁50，所述第一筒壁10、所述第二筒壁20、所述第三筒壁30、所述第四筒壁40和所述第五筒壁50中的任意相邻两个之间沿径向间隔设置。请参见图1所示，其中，所述第二筒壁20的外侧周壁与所述第三筒壁30的内侧周壁之间沿径向间隔形成氢气流路300，所述第三筒壁30的外侧周壁与所述第四筒壁40的内侧周壁之间沿径向间隔形成二级天然气流路400，所述第四筒壁40的外侧周壁与所述第五筒壁50的内侧周壁之间沿径向间隔形成二级空气流路500。

需要说明的是，请参见图1和图2所示，所述一级台阶60设置于所述二级天然气流路400和所述二级空气流路500的末端；所述一级台阶60的径向一侧与所述第五筒壁50的内侧周壁相连接，另一侧与所述第三筒壁30的外侧周壁相连接，所述一级台阶60的轴向一侧与所述第四筒壁40的末端相连接；所述一级台阶60与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线成90度夹角，以形成第一突扩结构，从而使得空气传出后流经所述第一突扩结构，并在紧邻所述一级台阶60的下游区域产生回流区，即台阶涡，所述台阶涡内湍流度较高，且里面的气体存在逆向速度，进而有助于空气和天然气的掺混，提高气体的掺混效率。所述二级台阶70设置于所述氢气流路300的末端；所述二级台阶70的径向一侧与所述第二筒壁20的外侧周壁相连接，另一侧与所述第三筒壁30的末端相连接；所述二级台阶70与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线成90度夹角，以形成第二突扩结构，从而使得空气及天然气流经所述第二突扩结构，并在紧邻所述二级台阶70的下游区域产生回流区，即台阶涡，所述台阶涡内湍流度较高，且里面的气体存在逆向速度，进而有助于空气、天然气和氢气的掺混，进一步提高气体的掺混效率。所述一级台阶60沿轴向靠近下游的一侧与所述第四筒壁40的外侧周壁、所述二级台阶70沿轴向靠近下游的一侧与所述第二筒壁20的外侧周壁和所述第五筒壁50的内侧周壁共同围合形成预混区600，所述预混区600内适于天然气、空气及氢气的掺混。

可选的，所述第二条形空气供给孔603的个数为八个，八个所述第二条形空气供给孔603沿周向均匀设置于所述一级台阶60上，有利于提高空气射流的均匀性，从而提高空气与天然气的掺混均匀性和掺混效率。

需要说明的是，仍参见图1和图2所示，所述一级台阶60上通过开设天然气高速射流孔601，使得所述天然气高速射流孔601一端与所述二级天然气流路400相连通，另一端与所述预混区600相连通，从而提升天然气的射流速度及穿透强度，一方面可强化天然气与空气的掺混效果，另一方面能够提升混气的整体平均流速，防止中心流回火；所述二级台阶70上通过开设氢气高速射流孔701，使得所述氢气高速射流孔701的一端与所述氢气流路300相连通，另一端与所述预混区600相连通，从而提升氢气的射流速度及穿透强度，一方面可强化天然气、空气和氢气掺混效果，另一方面能够提升混气的整体平均流速，防止中心流回火。

本实施例中，通过设置一级台阶60和二级台阶70以分别形成第一突扩结构和第二突扩结构，从而使得气体流经时在所述一级台阶60和所述二级台阶70的附近产生回流区，也即台阶涡，台阶涡内湍流度较高，天然气、氢气从台阶处传出后便在台阶涡内不断与空气掺混，由于其内部湍流度较高，加之气体回流，可使三者快速掺混均匀并向下游传播至火焰筒内燃烧；通过设置天然气高速射流孔601和氢气高速射流孔701，从而提高天然气及氢气的穿透性，加之射流速度高，基于伯努利效应可吸引周围气体向射流束聚拢，有利于快速掺混均匀。本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构通过上述设置，无需在燃气轮机本体外建设混氢装置，就能够实现天然气与氢气以及空气的快速均匀掺混，而且燃机运行过程中掺氢比例能够实时调节，从而提高燃气轮机天然气/氢气掺混燃烧的灵活性，此外，天然气掺烧氢气可显著降低碳排放。

具体地，所述第五筒壁50包括整流壁面51，所述整流壁面51包括第一收缩段511和第二收缩段512，所述第一收缩段511位于所述一级台阶60的下游区域，所述第二收缩段512位于所述二级台阶70的下游区域；

所述第一收缩段511的半径为r2，r2满足r2＜r1，其中，r1为所述一级台阶60的半径；所述第二收缩段512的半径为r4，r4满足r4＜r3，其中，r3为所述二级台阶70的半径，r3＜r1。

具体地，所述一级台阶60上还开设有天然气掺混孔602，所述天然气掺混孔602位于所述天然气高速射流孔601沿径向远离所述第三筒壁30的一侧；所述天然气掺混孔602的一端与所述二级天然气流路400相连通，另一端与所述预混区600相连通；

所述二级台阶70上还开设有氢气掺混孔702，所述氢气掺混孔702位于所述氢气高速射流孔701沿径向远离所述第二筒壁20的一侧；所述氢气掺混孔702的一端与所述氢气流路300相连通，另一端与所述预混区600相连通。

需要说明的是，请参见图3所示，所述整流壁面51沿气流流向呈收缩状设置于所述第五筒壁50上，所述整流壁面51包括第一收缩段511和第二收缩段512。所述第一收缩段511位于所述一级台阶60的下游区域，所述第一收缩段511的半径r2小于所述一级台阶60的半径r1，当预混空气从所述第二条形空气供给孔603传出后迅速扩散，部分预混空气流动至所述一级台阶60附近产生台阶涡，其余部分则向喷嘴下游流动，当流动至所述第一收缩段511对应的整流壁面时与其发生碰撞，使该部分预混空气产生更加显著的沿喷嘴径向向内的分速度，而天然气掺混孔602传出的天然气有着沿喷嘴径向向外的分速度，两者径向速度相反，但轴向速度相同，有利于空气及天然气的快速掺混；否则若所述第一收缩段511的半径r2大于所述一级台阶60的半径r1，则由所述第二条形空气供给孔603传出的预混空气不会与所述第一收缩段511对应的整流壁面发生碰撞，或即使存在碰撞，该部分预混空气也不会产生显著的沿喷嘴径向向内的分速度。同理，所述第二收缩段512位于所述二级台阶70的下游区域，所述第二收缩段512的半径r4小于所述二级台阶70的半径r3，在空气与天然气的混气向喷嘴末端运动过程中，部分所述混气流动至所述二级台阶70附近产生台阶涡，其余部分则向喷嘴下游流动，当流动至所述第二收缩段512对应的整流壁面时与其发生碰撞，使该部分所述混气产生更加显著的沿喷嘴径向向内的分速度，而氢气掺混孔702传出的氢气有着沿喷嘴径向向外的分速度，两者径向速度相反，但轴向速度相同，有利于空气和天然气与氢气的快速掺混。

需要说明的是，请参见图1所示，由于氢气扩散速度更快，所需预混距离更短，因此在本实施例中，所述氢气流路300的轴向长度大于所述二级天然气流路400的轴向长度，即氢气的预混长度小于天然气的预混长度。

可选的，对所述整流壁面51的内外侧的弯曲处均进行倒圆角处理，以降低气体流动损失。

具体地，所述天然气掺混孔602和/或所述氢气掺混孔702的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角为α，α满足15°≤α≤60°。

需要说明的是，请参见图2所示，所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线指的是图1-图3中引线“L”所指的轴线，其中图2中所示的两个夹角处的所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线L可根据平行原理得到，在此不再赘述；所述天然气掺混孔602的中心轴线指的是图2中引线“P”所指的轴线，所述氢气掺混孔702的中心轴线指的是图2中引线“Q”所指的轴线，所述天然气掺混孔602和/或所述氢气掺混孔702的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角指的是图2中的夹角“α”。所述夹角α不能过小，否则容易导致所述天然气掺混孔602和/或所述氢气掺混孔702的射流沿径向的分速度过小，而沿轴向分速度过大，不利于掺混，且射流穿透性较低，同样也不利于掺混，因此，所述夹角α需满足α≥15°；所述夹角α也不能过大，否则容易导致所述天然气掺混孔602和/或所述氢气掺混孔702的射流沿径向的分速度过大，而沿轴向分速度过小，较大的径向流速会使另一与之掺混的流体减速，不利于流动，同样也不利于掺混，因此，所述夹角α需满足α≤60°；所述天然气掺混孔602和/或所述氢气掺混孔702的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角α满足15°≤α≤60°，从而既能够提高气体的掺混效率，又能够保证气体较高的流动性。

可选的，所述天然气掺混孔602的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角α取值为α＝30°，从而将天然气斜射入空气流中，有利于掺混均匀；所述氢气掺混孔702的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角α取值为α＝30°，从而将氢气斜射入天然气及空气的混气中，有利于掺混均匀。

具体地，所述第二筒壁20上开设有第一空气孔201，所述第一空气孔201的分布覆盖所述二级台阶70沿轴向靠近下游的预混区600；

所述第五筒壁50上开设有第二空气孔501，所述第二空气孔501的分布覆盖所述一级台阶60沿轴向靠近下游的预混区600。

需要说明的是，请参见图1所示，所述第二筒壁20和所述第五筒壁50为天然气、氢气及空气预混流动时接触的壁面，通过在所述第二筒壁20上开设第一空气孔201，使得所述第一空气孔201密集分布覆盖于所述二级台阶70沿轴向靠近下游的预混区600；并通过在所述第五筒壁50上开设第二空气孔501，使得所述第二空气孔501密集分布覆盖于所述一级台阶60沿轴向靠近下游的预混区600，从而通过所述第一空气孔201和所述第二空气孔501射流形成气膜，防止可燃混气与壁面直接接触，从而提高混气边界层的流动速度，使其大于火焰传播速度，防止边界层回火，同时又可冷却壁面，延长其使用寿命。同时，由于所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的预混段整体呈收缩状，且天然气高速射流孔601和氢气高速射流孔701均为收缩孔，能够显著提高混气的平均流动速度，使其大于火焰传播速度，防止中心流回火。

具体地，所述第一空气孔201和/或所述第二空气孔501的内径为d，d满足0.2mm≤d≤1.0mm。

需要说明的是，所述第一空气孔201和/或所述第二空气孔501的内径为d(图中未示出)，所述内径d不能过小，否则容易导致空气流通面积会过小，限制了空气流量，因此，所述内径d需满足d≥0.2mm；所述内径d也不能过大，否则容易导致空气射流速度减小，穿透力减弱，不利于掺混，因此，所述内径d需满足d≤1.0mm；综上所述，所述第一空气孔201和/或所述第二空气孔501的内径d通过满足0.2mm≤d≤1.0mm，从而既能够保证空气射流速度处于较快水平，增强射流的穿透力及混气平均流速，又能够确保充足的空气流量，进而提高掺混效率。

具体地，所述天然气高速射流孔601和所述氢气高速射流孔701的中心轴线均与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线相平行；

所述天然气高速射流孔601和所述氢气高速射流孔701均为收缩孔，所述天然气高速射流孔601和所述氢气高速射流孔701的径向截面面积均沿射流方向逐渐减小；

所述天然气高速射流孔601和/或所述氢气高速射流孔701的收缩比为γ，γ满足γ＜3。

需要说明的是，请参见图2所示，所述天然气高速射流孔601的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线相平行，所述天然气高速射流孔601为收缩孔，其径向截面面积均沿射流方向逐渐减小，所述天然气高速射流孔601的收缩比γ满足γ＜3，有利于提升天然气射流速度及穿透强度，一方面可强化掺混效果，另一方面能够提升混气的整体平均流速，防止中心流回火；同理，所述氢气高速射流孔701的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线相平行，所述氢气高速射流孔701为收缩孔，其径向截面面积均沿射流方向逐渐减小，所述氢气高速射流孔701的收缩比γ满足γ＜3，有利于提升氢气射流速度及穿透强度，一方面可强化掺混效果，另一方面能够提升混气的整体平均流速，防止中心流回火。

值得说明的是，相较于目前在役的燃气轮机燃烧室喷嘴，本发明中预混段没有旋流部件，整体结构更加紧凑、简洁，显著降低了生产、加工成本，并且更有助于维修、更换。

具体地，所述第一筒壁10的外侧周壁与所述第二筒壁20的内侧周壁之间沿径向间隔形成一级空气流路200；

所述一级空气流路200末端的出口处设置有旋流器21，所述旋流器21适于使气体产生旋流；

所述一级空气流路200沿轴向靠近所述旋流器21的一端设置有稳流部22，所述稳流部22上开设有第一条形空气供给孔220，所述第一条形空气供给孔220适于稳定空气流动。

需要说明的是，请参见图1所示，在所述一级空气流路200的末端端面进行倒角处理，有利于新鲜预混气向所述旋流器21下游形成的回流区流动，便于被值班火焰引燃燃烧。

可选的，第一条形空气供给孔220的数量为四个，四个所述第一条形空气供给孔220在所述稳流部22上环周均匀设置，从而稳定空气流动。

具体地，所述第一筒壁10的内侧周壁围合形成一级天然气流路100；

所述第一筒壁10的末端设置有封堵部11，所述封堵部11上开设有天然气射流孔110，所述天然气射流孔110的喷射口位于所述旋流器21的相邻两片叶片之间。

实施例二

与实施例一不同的是，本实施例中，通过使得氢气流路300的轴向长度与二级天然气流路400的轴向长度相等，即只设置一级台阶，形成单个突扩结构，从而形成一个台阶涡，整流壁面也只对应一个收缩段，可在不影响掺混效果的基础上简化喷嘴结构，使喷嘴结构更加紧凑。

实施例三

本实施例所提供的燃气轮机燃烧室喷嘴结构的工作方法，应用于如上述所述的燃气轮机燃烧室喷嘴结构，所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的工作方法包括：

由天然气供给源向一级天然气流路100供给扩散天然气，使得扩散天然气经由天然气射流孔110射至旋流器21的叶片通道间，同时由压气机向一级空气流路200供给扩散空气，使得扩散空气经由第一条形空气供给孔220稳流后射至旋流器21的叶片通道间，并与扩散天然气快速掺混后传至火焰筒内由点火器引燃，形成扩散燃烧火焰，即值班火焰，并在旋流器21的作用下形成稳定回流区，充当稳定点火源；

由压气机向二级空气流路500供给预混空气，由天然气供给源向二级天然气流路400供给预混天然气，使得预混空气经由第二条形空气供给孔603稳流后在一级台阶60的下游区域产生回流区，即台阶涡，同时使得预混天然气由天然气掺混孔602及天然气高速射流孔601传出，并与台阶涡内的空气快速掺混并向下游流动，当预混空气与预混天然气流动至二级台阶70时会在紧邻二级台阶70的下游区域产生台阶涡；

由氢气供给源向氢气流路300供给氢气，使得氢气由氢气掺混孔702及氢气高速射流孔701传至二级台阶70附近的台阶涡中，并与天然气及空气的预混气快速掺混，形成天然气、氢气及空气的预混气，并向喷嘴下游传播，直至传出至火焰筒，由值班火焰引燃燃烧。

需要说明的是，本发明中值班燃烧，即扩散燃烧所用燃料为天然气，而非氢气或天然气/氢气的混气，原因是扩散燃烧与预混燃烧不同，无法调节火焰面温度，若燃料中带有氢气，火焰面温度会显著升高，容易导致热力型氮氧化物的排放显著增加，因此，使用纯天然气时，火焰面温度可保持较低水平，能够有效控制热力型氮氧化物的生成。

以下对本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构的工作方法进行统一说明：

所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构在工作时，扩散天然气经由天然气射流孔110射至旋流器21的叶片通道间，同时扩散空气经由第一条形空气供给孔220稳流后射至旋流器21的叶片通道间，并与扩散天然气快速掺混后传至火焰筒内由点火器引燃，形成扩散燃烧火焰，即值班火焰，并在旋流器21的作用下形成稳定回流区，充当稳定点火源。与此同时，预混空气经由第二条形空气供给孔603稳流后射出，由于一级台阶60的存在，使空气传出后流经突扩结构，会在紧邻一级台阶60的下游区域产生回流区，即台阶涡，请参见图10所示，台阶涡内湍流度较高，且里面的气体存在逆向速度；同时，预混天然气由天然气掺混孔602及天然气高速射流孔601传出，与台阶涡内的空气快速掺混并向下游流动，台阶涡内的高湍流度及逆向速度有助于气体掺混，由于天然气掺混孔602的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角为α，从而将天然气斜射入空气流中，有利于掺混均匀，天然气高速射流孔601的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线平行，且天然气高速射流孔601为收缩孔，有利于提升天然气射流速度及穿透强度，一方面可强化掺混效果，另一方面能够提升混气的整体平均流速，防止中心流回火。空气及天然气在整流壁面51内继续向喷嘴下游流动，当流动至二级台阶70时，与上述类似，会在紧邻二级台阶70的下游区域产生台阶涡，同时，氢气由氢气掺混孔702及氢气高速射流孔701传出至二级台阶70附近的台阶涡中，与天然气及空气的预混气快速掺混，形成天然气、氢气及空气的预混气，并向喷嘴下游传播，直至传出到火焰筒，由值班火焰引燃燃烧；其中，氢气掺混孔702的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线之间的夹角为α，可将氢气斜射入天然气及空气的混气中，有利于掺混均匀，氢气高速射流孔701的中心轴线与所述燃气轮机燃烧室喷嘴结构的中心轴线平行，且氢气高速射流孔701为收缩孔，有利于提升氢气的射流速度及穿透强度，一方面可强化掺混效果，另一方面能够提升混气的整体平均流速，防止中心流回火。

需要说明的是，改进前的燃机采用的天然气掺氢燃烧方案，需在天然气、氢气输送至燃烧室前完成掺混工作，并且一旦确定了掺氢比例，燃机在运行过程中无法更改，只能保持当前掺氢量运行，否则当掺氢量由于某种原因发生变化而天然气流量不变时，容易导致燃机燃烧不稳定，甚至跳机。本发明燃气轮机燃烧室喷嘴结构的工作方法通过设置台阶产生台阶涡，可使天然气/氢气及空气快速掺混均匀，因此可将天然气、氢气单独供给至燃机燃烧室，在喷嘴中边流动边掺混，而非掺混均匀后再将混气输送至燃烧室。此方法能够使燃机在运行过程中单独调节天然气流量及氢气流量，使燃机在燃料流量的动态变化中依然保持稳定运行，从而提高燃机燃烧的灵活性，确保燃机安全、稳定燃烧；而且燃机燃烧天然气、氢气的混合物可降低碳排放，且随着掺氢比例的增加，环保效果越发显著。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。