燃烧室头部、燃烧室、燃气轮机

技术领域

本发明涉及航空燃气轮机的技术领域，具体涉及燃烧室头部、燃烧室、燃气轮机。

背景技术

氢燃料燃烧后仅产生水蒸汽，相比于传统的化石燃料，它能够实现真正二氧化碳的零排放。然而氢燃料燃烧时火焰温度比航空煤油的火焰温度更高，在空气中燃烧容易产生更多的NOx排放。传统航空燃气轮机燃烧室的温度将超过2000℃，当量比接近1，导致NOx的生成处于较高水平。而燃氢的航空发动机，其燃烧室温度更高，造成的NOx排放污染更大。

理想的控制NOx排放的方式是采用预混燃烧，但是氢燃料为气体，火焰传播速度更快，易发生自燃回火，需要采用非预混燃烧，但是采用非预混燃烧又容易导致局部热斑，造成NOx排放增加。

相比于航空煤油，氢燃料的贫油熄火当量比较低，同时氢燃料的燃烧热更高，其燃烧室的主燃区可以工作在更低当量比的区域。但化学当量比较低的情况下，火焰本身释热率波动增加，容易与燃烧室热声特性耦合，诱发燃烧不稳定性，并产生较大的压力值，这对发动机的强度和寿命提出了很大的挑战。而氢燃料燃烧，绝热火焰温度增加，层流火焰速度加大，点火延迟时间急剧降低，火焰燃烧振荡水平严重加剧，对燃烧室影响巨大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的缺陷，提供一种燃烧室头部、燃烧室、燃气轮机。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种燃烧室头部，包括本体，所述本体上设置有：多个微型燃烧孔，所述微型燃烧孔的气流通道贯穿所述本体，所述微型燃烧孔的气流通道上游为收缩段，下游呈扩张段；输送管道，所述输送管道用于向所述微型燃烧孔供应氢燃料；多个喷口，所述喷口与所述微型燃烧孔一一对应，所述喷口靠近其对应的所述微型燃烧孔出口并连通所述输送管道与所述微型燃烧孔。

在本方案中，燃烧室的本体上设置多个微型燃烧孔实现微孔贫燃，能够增大燃料与空气接触面积，降低NOX的排放，并且微型燃烧孔的气流通道采用先收缩后扩张的形状，利用流体流动特性，利用上游的收缩段对来流进行加速从而减少回火危险，利用下游的扩张段可保证火焰面外扩，留给回流区足够空间，即通过具有上游收缩段和下游扩张段的流道结构有效防止回火。

较佳地，所述喷口的法向方向与所述微型燃烧孔中气流的流动方向呈90°。

在本方案中，喷口的法向方向与所述微型燃烧孔中气流的流动方向呈90°设置，使喷口喷射的氢燃料以横向喷射的方式进入微型燃烧孔，与微型燃烧孔气流通道中的空气进行快速掺混燃烧，消除局部过热点，降低燃气温度，从而能够抑制Nox的排放。

较佳地，所述微型燃烧孔沿所述本体的周向上设置有多圈，多圈所述微型燃烧孔在所述本体上呈多层分布。

在本方案中，通过在所述本体上布置多圈燃烧孔，并且多圈所述微型燃烧孔成多层设置，可以将燃烧区的火焰拆分成大量的小火焰，增大燃料与空气的接触面积。

较佳地，所述输送管道为若干个，并且每个所述输送管道设置在相邻两层所述微型燃烧孔之间，用于向其两侧的微型燃烧孔供应氢燃料。

在本方案中，将微型燃烧孔分布在所述输送管道两侧，通过输送管道向其两侧的微型燃烧孔提供氢燃料，两侧的微型燃烧孔共用一条输送管道，简化结构。

较佳地，所述本体上还设置有燃料总管，多个所述输送管道以并联设置的方式与所述燃料总管连通，用于向若干个所述输送管道分配氢燃料。

在本方案中，多个输送管道并联设置，并与燃料总管连通，实现分层供应氢燃料，可以在不同层上调配不同的当量比，从而更灵活的避开一些引发燃烧振荡的固有频率。

较佳地，所述本体上还设置有冷却气狭缝和冷却孔，所述冷却孔连通所述冷却气狭缝，所述冷却孔的出口位于相邻两层所述微型燃烧孔间之间，冷却气通过所述冷却气狭缝进入燃烧室头部并通过冷却孔流入燃烧区；和/或，相邻两层所述微型燃烧孔交错布置。

在本方案中，冷却气狭缝和冷却孔，冷却气通过所述冷却气狭缝进入燃烧室头部并通过冷却孔流入燃烧区，冷却气不仅对燃烧室头部进行降温，而且冷却孔位于相邻两层所述微型燃烧孔间之间，冷却气还能起到分隔每个小火焰的作用，有效防止火焰串联；相邻两层所述微型燃烧孔交错布置，能够进一步降低或防止相邻两层微型燃烧孔的火焰根部串联。

较佳地，所述微型燃烧孔气流的下游设置有凸台。

在本方案中，在微型燃烧孔气流的下游设置凸台，通过凸台可以在下游形成更大的回流区，可以较好地稳定火焰。

较佳地，所述微型燃烧孔的出口截面为拱门型。

在本方案中，微型燃烧孔出口截面设置为拱门型，有利于冷却燃烧室头部的冷却气通过径向分布的环形冷却气狭缝进入。

本发明还提供了一种燃烧室，包括火焰筒，其还包括前述的燃烧室头部，所述燃烧室头部位于火焰筒的端部。

本发明还提供了一种燃气轮机，其包括前述的燃烧室。

本发明的积极进步效果在于：燃烧室的本体上设置多个微型燃烧孔实现微孔贫燃，能够增大燃料与空气接触面积，降低NOX的排放，并且微型燃烧孔的气流通道采用先收缩后扩张的形状，利用流体流动特性，利用上游的收缩段对来流进行加速从而减少回火危险，利用下游的扩张段可保证火焰面外扩，留给回流区足够空间，即通过具有上游收缩段和下游扩张段的流道结构有效防止回火。

附图说明

图1为本发明一实施例燃烧室的剖面图。

图2为本发明一实施例燃烧室头部的局部视图。

图3为本发明一实施例燃烧室头部局部剖视图。

图4为图3中A处局部放大视图。

图5为本发明一实施例燃烧室头部的又一局部剖视图。

附图标记说明

燃烧室头部 1

本体 2

微型燃烧孔 3

输送管道 4

喷口 5

燃料总管 6

冷却气狭缝 7

冷却孔 8

凸台 9

燃烧室 10

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本发明提供了燃烧室头部、燃烧室、燃气轮机。如图2-5所示，燃烧室头部包括本体2，本体2上设置有多个微型燃烧孔3、输送管道4、多个喷口5，微型燃烧孔3的气流通道贯穿本体2，微型燃烧孔3的气流通道上游为收缩段，下游呈扩张段；输送管道4用于向微型燃烧孔3供应氢燃料；多个喷口5，喷口5与微型燃烧孔3一一对应，喷口5靠近其对应的微型燃烧孔3出口并连通输送管道4与微型燃烧孔3。通过在燃烧室10的本体2上设置多个微型燃烧孔3实现微孔贫燃，能够增大燃料与空气接触面积，降低NOX的排放，并且微型燃烧孔3的气流通道采用先收缩后扩张的形状，利用流体流动特性，利用上游的收缩段对来流进行加速从而减少回火危险，利用下游的扩张段可保证火焰面外扩，留给回流区足够空间，即通过具有上游收缩段和下游扩张段的流道结构能够有效防止回火。

本实施例中，燃烧室头部为环形，其由如图2所示的多个扇环状的本体2整合而成，当然在其他实施例中燃烧室头部也可由整环一体成型。

如图5所示，喷口5的法向方向与微型燃烧孔3中气流的流动方向呈90°。将喷口5的法向方向与微型燃烧孔3中气流的流动方向呈90°设置，使喷口5喷射的氢燃料以横向喷射的方式进入微型燃烧孔3，与微型燃烧孔3气流通道中的空气进行快速掺混燃烧，消除局部过热点，降低燃气温度，从而能够抑制Nox的排放。

在本实施例中，喷口5的法向方向与微型燃烧孔3中气流的流动方向呈90°设置，当然在其他实施例中也可邻近90°设置，实现使喷口喷射的氢燃料以横向喷射的方式进入微型燃烧孔即可，如喷口5的法向方向与微型燃烧孔3中气流的流动方向所呈角度可为80°～90°之间。

如图2-4所示，微型燃烧孔3沿本体2的周向上设置有多圈，多圈微型燃烧孔3在本体2上呈多层分布。通过在本体2上布置多圈燃烧孔，并且多圈微型燃烧孔3成多层设置，可以将燃烧区的火焰拆分成大量的小火焰，增大燃料与空气的接触面积。

如图2-3所示，输送管道4为若干个，并且每个输送管道4设置在相邻两层微型燃烧孔3之间，用于向其两侧的微型燃烧孔3供应氢燃料。将微型燃烧孔3分布在输送管道4两侧，通过输送管道4向其两侧的微型燃烧孔3提供氢燃料，两侧的微型燃烧孔3共用一条输送管道4，简化结构。

如图2所示，本体2上还设置有燃料总管6，多个输送管道4以并联设置的方式与燃料总管6连通，用于向若干个输送管道4分配氢燃料。将多个输送管道4并联设置，并与燃料总管6连通，实现分层供应氢燃料，可以在不同层上调配不同的当量比，从而更灵活的避开一些引发燃烧振荡的固有频率，本实施例中并联设置是指多个输送管道并排连通在燃料总管上，燃料总管分别向多个输送管道供应氢燃料。

本实施例中，燃料总管6设置有多个，并分布在扇环状的本体2上，当然在其他实施例中也可设置一个燃料总管6，通过燃料总管6向多层输送管道上输送氢燃料，实现分层供应氢燃料。

如图2、图5所示，本体2上还设置有冷却气狭缝7和冷却孔8，冷却孔8连通冷却气狭缝7，冷却孔8的出口位于相邻两层微型燃烧孔3之间，冷却气通过冷却气狭缝7进入燃烧室头部1并通过冷却孔8流入燃烧区。

通过在本体2上设置冷却气狭缝7和冷却孔8，并将冷却孔8连通至冷却气狭缝7，从而使冷却气通过冷却气狭缝7进入燃烧室头部1并通过冷却孔8流入燃烧区，冷却气不仅能够对燃烧室头部1进行降温，而且冷却孔8位于相邻两层微型燃烧孔3间之间，冷却气还能起到分隔每个小火焰的作用，有效防止火焰串联。

如图2-4所示，相邻两层微型燃烧孔3交错布置。将相邻两层微型燃烧孔3交错布置，能够降低或防止相邻两层微型燃烧孔3的火焰根部串联。

如图5所示，微型燃烧孔3气流的下游设置有凸台9。通过在微型燃烧孔3气流的下游设置凸台9，可以在下游形成更大的回流区，可以较好地稳定火焰。

如图4所示，微型燃烧孔3的出口截面为拱门型，有利于冷却头部的冷却气通过径向分布的环形冷却气狭缝7进入，优选地微型燃烧孔3的出口截面的水力直径范围为1.5mm-3mm。

如图1所示，本发明还提供了一种燃烧室10，包括火焰筒，其还包括前述的燃烧室头部1，所述燃烧室头部位于火焰筒的端部。

本发明还提供了一种燃气轮机，其包括前述的燃烧室10。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。