CN103836647A - 一种文丘里管流道壁面结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种文丘里管流道壁面结构，用以增强双轴向旋流器燃烧室的火焰稳定性。本发明将常规文丘里管内、外流道壁面处理为条纹结构，条纹形态沿壁面为螺旋状，沿流道壁面均匀布置，条纹与文丘里管流道中心轴线的夹角根据流道上游的旋流叶片安装角确定，条纹截面尺寸根据文丘里管出口处近壁面边界层厚度确定，条纹结构起始于文丘里管内流道喉口截面或喉口截面下游一定距离的流道壁面上以及外流道入口或入口下游一定距离的流道壁面上，终止于文丘里管出口。本发明可以抑制气流在文丘里管边界层内垂直于流向方向的湍流脉动幅度及频率，由此相应减弱文丘里管出口下游火焰根部的脉动幅度及频率，达到增强旋流火焰稳定性，拓宽双轴向旋流器燃烧室稳定工作边界的目的。

Description

一种文丘里管流道壁面结构

技术领域

本发明涉及燃烧稳定性控制领域，是一种增强气态旋流火焰稳定性的装置，具体来说是一种增强双轴向旋流器燃烧室火焰稳定性的文丘里管流道壁面结构。

背景技术

燃气轮机燃烧室的一项主要需求是必须在较宽广的工作范围内保持稳定的燃烧，尤其对于航空燃气轮机来讲，有时必须工作在很低的温度和压力下，或者总体油气比在燃料的可燃极限以外。一般而言，燃烧室的稳定工作范围受到燃烧效率、出口温度、总压损失以及熄火边界四个方面的限制。熄火边界是燃烧室稳定工作范围的下边界，是燃气轮机的最小稳定工作状态。低工作状态下的贫油熄火是航空燃气轮机运行过程中十分重要的一点，这是因为燃气轮机在降工况时是减燃料流量，转子由于惯性，减速较慢，进而空气流量也就降低较慢，这时燃烧室就会出现贫燃工况，如果此时燃烧室稳定性不好，燃/空比落在稳定工作范围之外，就会出现熄火事故，即所谓的“空中熄火”，属重大事故。

另一方面，随着近些年来人们环保意识的日益增强，工业燃气轮机的污染排放问题及相关控制技术越来越受到关注。降低污染排放的核心是控制温度及温度的均匀度，目前主流的燃气轮机低污染燃烧室均是以此为根据达到低污染目地的。为了降低燃烧温度，低污染燃烧室主燃区的平均油气比目前已经降的极低，接近燃料的贫燃边界。因此，如何保证低污染燃烧室在保持低NOx排放的同时并且稳定地工作是目前该类型燃烧室设计中比较棘手的问题。

针对上述问题，燃烧工程师有必要在现有燃烧室普遍采用的旋流稳焰结构的基础上提出进一步提高燃烧稳定性的控制措施，最大限度的拓宽燃烧室的稳定工作边界，提高燃气轮机整机的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种文丘里管流道壁面结构，用以增强双轴向旋流器燃烧室火焰稳定性，该壁面结构呈现条纹化的特点。通过该结构可以有效减弱旋流火焰根部的湍流脉动，增强旋流火焰的稳定性，拓宽双轴向旋流器燃烧室的稳定工作边界。

为实现上述技术目的，本发明的文丘里管流道壁面结构通过以下技术方案实现：

一种文丘里管流道壁面结构，用以增强双轴向旋流器燃烧室的火焰稳定性，所述燃烧室采用气态燃料；所述双轴向旋流器包括第一、二级轴向旋流器，每级轴向旋流器中均设置有旋流叶片，第一、二级旋流叶片的旋转方向相同，所述第一级轴向旋流器装有气态燃料喷嘴，所述文丘里管安装于所述第一、二级轴向旋流器之间；其特征在于，所述文丘里管包括内流道壁面和外流道壁面，其中所述内流道壁面位于第一级轴向旋流器下游，所述外流道壁面位于第二级轴向旋流器下游；所述内、外流道壁面上均设置有条纹结构，所述条纹结构包括多个条纹，条纹形态沿壁面为螺旋状，沿流道壁面均匀布置，条纹旋转方向与流道上游旋流叶片旋转方向相同，内流道壁面上的条纹结构起始于所述文丘里管内流道喉口截面或喉口截面下游一定距离的内流道壁面上，外流道壁面上的条纹结构起始于外流道入口或入口下游一定距离的外流道壁面上，内、外流道壁面上的条纹结构均终止于文丘里管出口；所述条纹结构在垂直于文丘里管流道中心线方向上的截面形状为矩形波；所述文丘里管内、外流道流动工质均为气体，且均为亚声速流动；所述流动工质在文丘里管内、外流道壁面上形成边界层。

优选地，所述条纹与文丘里管流道中心线的夹角α为：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(1.5S_n\frac{1-{\left(\frac{r}{R}\right)}^2}{1-{\left(\frac{r}{R}\right)}^3}\right)---\left(1\right)$

其中，S_n为文丘里管内、外流道上游旋流器的旋流数，r和R分别为旋流器的内、外半径。

优选地，所述矩形波波峰高度（或波谷深度）h为：

$h={10}^{-2}l\frac{4.64}{\sqrt{\frac{u_{\∞}l}{v}}}---\left(2\right)$

其中，l为文丘里管内、外壁面的轴向长度，u_∞为旋流器出口速度，v空气运动粘度。

优选地，所述文丘里管出口处条纹截面矩形波波长λ为：

λ=ah    (3)

a为经验系数，推荐值为1.2-2。

优选地，所述文丘里管出口处条纹截面矩形波波谷宽度w为：

w=kh    (4)

k为经验系数，推荐值为0.8-1。

当空气从一、二级旋流通道流出后，会以一定的切向速度进入文丘里管。由于在文丘里管壁面沿气流流向布置的条纹结构会抑制边界层内气流在垂直于流向方向上的湍流脉动，进而相应减弱下游旋流火焰根部的脉动，从而达到增强火焰稳定性，拓宽燃烧室稳定工作边界的目的。

本发明的文丘里管流道壁面结构相比于现有技术具有显著的技术效果：能够有效抑制双轴向旋流火焰根部的脉动幅度及频率，增强旋流火焰的稳定性，拓宽双轴向旋流器燃烧室的熄火边界，使燃气轮机能在更加宽广的范围内工作不熄火，增强燃气轮机整机的可靠性。

附图说明

图1为某型燃气轮机燃烧室双级旋流装置示意图，图中的文丘里管4为常规文丘里管；

图2为本发明的文丘里管与常规文丘里管的对比示意图，(A)为常规文丘里管，(B)为本发明的具有条纹结构流道壁面的文丘里管；

图3为本发明的具有条纹结构流道壁面的文丘里管的截面示意图，其中（A）为文丘里管的正视图，（B）为A-A向剖面图；

图4为装有本发明的具有条纹结构流道壁面文丘里管的双级轴向旋流器及某型燃烧室的三维模型，(A)为双级轴向旋流器侧面剖视图，(B)为双级轴向旋流器45度斜视图，(C)为双级轴向旋流器正视图，(B)为装有具有条纹结构流道壁面文丘里管的某型燃烧室。

图5为分别装有本发明的具有条纹结构流道壁面文丘里管和常规文丘里管的某型燃烧室熄火过程温度场的数值仿真结果，(A)为装有常规文丘里管燃烧室熄火过程温度场的数值仿真结果，(B)为装有本发明具有条纹结构流道壁面文丘里管燃烧室熄火过程温度场的数值仿真结果。

图中符号说明如下：

1、燃料喷嘴；2、第一级轴向旋流器；3、第二级轴向旋流器；4、文丘里管；5、套筒；6、挡油盘；7、燃烧室头部面板；8、文丘里管内流道壁面；9、文丘里管外流道壁面；101、内流道壁面条纹；102、外流道壁面条纹。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1为某型燃气轮机燃烧室双级旋流装置示意图，其中的文丘里管4为常规文丘里管。两级旋流器2、3均为轴向旋流器，气流旋转方向相同，为右手方向；第一级轴向旋流器2装有气态燃料喷嘴1，文丘里管4安装于第一、二级轴向旋流器2、3之间。第一级轴向旋流器2的旋流数S_n=1.09，内径r_i=8mm，外径R_i=12.5mm；第二级轴向旋流器3的旋流数S_n=1.25，内径r_o=13.5mm，外径R_o=15mm；两级旋流器旋流叶片个数各为12个，叶片厚度δ=1.2mm；文丘里管4的喉道直径d=16mm，喉道上游曲率半径r₁=10mm，喉道下游曲率半径r₂=5mm。

图2为本发明的具有条纹结构流道壁面的文丘里管与常规文丘里管的对比示意图，其中图2（A）为常规文丘里管，图2（B）为具有条纹结构流道壁面的文丘里管。常规文丘里管，如图2（A）所示，其内、外流道壁面8、9上无条纹结构。本发明的文丘里管，如图2（B）所示：具有条纹结构流道壁面的文丘里管内流道壁面条纹101起始于流道喉口位置，终止于文丘里管出口位置；外流道壁面条纹102起始于外流道入口位置下游3mm处，终止于文丘里管出口位置；内、外流道条纹101、102沿壁面均匀布置，条纹旋转方向与上游旋流叶片方向一致，为右手方向；内流道壁面条纹101与文丘里管流道中心线的夹角α根据式（1）计算为α=52.60°，外流道壁面条纹102与文丘里管流道中心线的夹角α根据式（1）计算为α=52.74°

图3为本发明所述的具有条纹结构流道壁面的文丘里管横截面示意图。所述条纹结构的截面形状为矩形波。如图1所述的双级轴向旋流器，在设计工况下，一级旋流空气平均速度为120m/s，文丘里管内流道壁面8的轴向长度为11mm，空气运动粘度15.89×10⁶m²/s，根据计算式（2）计算出内流道壁面条纹101的截面矩形波波峰高度h为1.77mm。根据计算式（3）计算出内流道出口处条纹101的截面矩形波波长λ为1.77mm（a=1）。根据计算式（4）计算出内流道出口处条纹101的截面矩形波波谷宽度w为1.416mm（k=0.8）。在设计工况下，二级旋流空气平均速度为100m/s，文丘里管外流道壁面9的轴向长度为8mm，空气运动粘度15.89×10⁶m²/s，根据计算式（2）计算出外流道壁面条纹102的截面矩形波波峰高度h为1.65mm。根据计算式（3）计算出外流道出口处条纹102的截面矩形波波长λ为1.65mm（a=1）。根据计算式（4）计算出外流道出口处条纹截面矩形波波谷宽度w为1.32mm（k=0.8）。

图4为装有具有条纹结构流道壁面文丘里管的双级轴向旋流器及某型燃烧室三维模型，图5为分别装有具有条纹结构流道壁面文丘里管和常规文丘里管的某型燃烧室熄火过程温度场的数值仿真结果。图5表明装有常规文丘里管燃烧室的熄火油气比为0.005，而装有具有条纹结构流道壁面文丘里管的燃烧室的熄火油气比为0.004，燃烧室稳定工作边界明显拓宽（拓宽幅度达20%）。由于具有条纹结构流道壁面的文丘里管使得文丘里管出口剪切层内气流的最大湍流尺度显著减小，有效减弱下游旋流火焰根部的湍流脉动尺度，进而明显增强旋流火焰的稳定性。因此，本发明所述的具有条纹结构流道壁面的文丘里管可以有效地拓宽双轴向旋流器燃烧室的稳定工作边界。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种文丘里管流道壁面结构，用以增强双轴向旋流器燃烧室的火焰稳定性，所述燃烧室采用气态燃料；所述双轴向旋流器包括第一、二级轴向旋流器，每级轴向旋流器中均设置有旋流叶片，第一、二级旋流叶片的旋转方向相同，所述第一级轴向旋流器装有气态燃料喷嘴，所述文丘里管安装于所述第一、二级轴向旋流器之间；其特征在于，所述文丘里管包括内流道壁面和外流道壁面，其中所述内流道壁面位于第一级轴向旋流器下游，所述外流道壁面位于第二级轴向旋流器下游；所述内、外流道壁面上均设置有条纹结构，所述条纹结构包括多个条纹，条纹形态沿壁面为螺旋状，沿流道壁面均匀布置，条纹旋转方向与流道上游旋流叶片旋转方向相同，内流道壁面上的条纹结构起始于所述文丘里管内流道喉口截面或喉口截面下游一定距离的内流道壁面上，外流道壁面上的条纹结构起始于外流道入口或入口下游一定距离的外流道壁面上，内、外流道壁面上的条纹结构均终止于文丘里管出口；所述条纹结构在垂直于文丘里管流道中心线方向上的截面形状为矩形波；所述文丘里管内、外流道流动工质均为气体，且均为亚声速流动；所述流动工质在文丘里管内、外流道壁面上形成边界层。

2.如权利要求1所述的文丘里管流道壁面结构，其特征是：各所述条纹与文丘里管流道中心线的夹角α为：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(1.5S_n\frac{1-{\left(\frac{r}{R}\right)}^2}{1-{\left(\frac{r}{R}\right)}^3}\right)$

其中，S_n为文丘里管内、外流道上游旋流器的旋流数，r和R分别为旋流器的内、外半径。

3.如权利要求1、2所述的文丘里管流道壁面结构，其特征是：所述矩形波波峰高度（或波谷深度）h为：

$h={10}^{-2}l\frac{4.64}{\sqrt{\frac{u_{\∞}l}{v}}}$

其中，l为文丘里管内、外流道壁面的轴向长度，u_∞为所述双轴向旋流器出口平均速度，v空气运动粘度。

4.如权利要求1至3所述的文丘里管流道壁面结构，其特征是：文丘里管出口处条纹截面矩形波波长λ为：

λ=ah

a为经验系数，推荐值为1.2-2。

5.如权利要求1至4所述的壁面条纹结构，其特征是：文丘里管出口处条纹截面矩形波波谷宽度w为：

w=kh

k为经验系数，推荐值为0.8-1。

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