CN104154567A - 一种旋转爆震燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明一种旋转爆震燃烧室，其除在燃烧室头部环形等间距布置若干燃料喷嘴外，还在燃烧室外壳的轴向和周向均匀设置了多个燃料喷嘴，将环形爆震燃烧室分成多个小空间，每个喷嘴负责每一小空间的燃料供给，可提高燃料填充效率，增加燃烧室燃料填充空间，提升燃烧室燃烧热强度；燃烧室燃料填充空间的增加可延长旋转爆震燃烧波的轴向距离，使旋转爆震波贯穿于整个燃烧室，同时可防止旋转爆震波在传播过程中因缺少燃料支持而退化消失；在旋转爆震燃烧室环形腔体内设置有周向布置的螺旋形障碍物，可缩短燃烧室启动过程中缓燃向爆震燃烧转变的距离，增强旋转爆震波的强度，提高燃烧室燃烧过程的整体自增压能力，同时可增强旋转爆震波传播过程中的稳定性。

Description

一种旋转爆震燃烧室

【技术领域】

本发明涉及一种燃气轮机的燃烧室，尤其涉及一种旋转爆震燃烧室，其用于燃气轮机发电和动力设备。

【背景技术】

缓燃和爆震燃烧是燃料能量释放的两种主要燃烧方式。缓燃燃烧是通过热传导、热扩散及热辐射作用将热量传入未燃混合物，逐层加热、逐层燃烧，进而实现缓燃波的传播。缓燃波的传播速度较低，一般约为几米到十几米每秒。爆震燃烧是通过冲击波对可爆震混合物逐层强烈冲击压缩作用使其发生高速化学反应来实现的，可以认为爆震燃烧波是耦合了化学反应的强激波。爆震波都以超音速传播，一般在10³m/s量级。缓燃燃烧是目前工业生产中广泛采用的燃烧方式，但爆震燃烧具有许多缓燃燃烧无可比拟的优势，如自增压、火焰传播速度快、燃烧效率高、污染物排放低等。

旋转爆震燃烧室是一种利用爆震燃烧方式的环形燃烧室，燃料由燃烧室头部的多个喷嘴共同供给。燃烧室工作时在靠近燃烧室头部的一段轴向距离环形腔体内形成一个或多个周向旋转的爆震燃烧波，而在燃烧室尾部爆震波退化为一系列弱压缩波。由于爆震燃烧传播速度都在10³m/s量级，而燃烧室尺寸都在m级，故燃料填充时间都在10^-3s级。在如此短的时间内，燃料喷嘴一般只能填充完一段轴向尺寸很短的环形腔体，因此爆震燃烧波仅能在头部形成，而在燃烧室尾部爆震波由于失去燃料支持而退化为一系列弱压缩波。若燃料供给存在压力脉动，则在燃烧室头部的部分空间可能出现还未来得及填充燃料而爆震波已再次传至的情况，这将导致爆震燃烧波因缺少燃料而熄灭消失。

综上分析，目前旋转爆震燃烧室主要存在如下问题：1)旋转爆震燃烧波仅存在于燃烧室头部；2)燃料填充空间有限，易受供给系统压力脉动的影响；3)旋转爆震燃烧波易退化消失。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有旋转爆震燃烧室所存在的爆震波仅形成于燃烧室头部、燃料填充空间不足、爆震波易退化消失等问题，提供了一种旋转爆震燃烧室。其结构简单，燃料能量释放速率快，燃烧效率高；在燃烧室头部和燃烧室外壳上均匀布置了多个喷嘴，提升了燃料填充速度，可确保燃烧室燃料填充完全，使旋转爆震燃烧波能贯穿于整个环形燃烧室，增加了燃烧室的整体增压比和能量释放密度；在燃烧室环形腔体内加装了螺旋形障碍物，可缩短缓燃波向爆震波转变的距离，同时可强化和稳定旋转爆震燃烧波，防止旋转爆震波在传播过程中退化消失。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种旋转爆震燃烧室，包括由外至内依次设置的爆震燃烧室和燃料预热室，其中，爆震燃烧室为燃烧室外壳与燃烧室内壳之间形成的环形腔体，且其为左端封闭右端敞开结构，燃料预热室为燃烧室内壳与燃料预热室内壳之间形成的环形腔体，且其左右两端均为封闭结构；在爆震燃烧室的左端面以及燃烧室外壳的周向上均匀设置有若干燃料喷嘴，且在燃烧室外壳的周向上均匀设置有六组火花塞，爆震燃烧室左端燃料喷嘴的出口与爆震前传压力波衰减结构相连；若干螺旋形障碍物平行设置于爆震燃烧室内，若干燃料入口管路均匀设置于燃料预热室的右端面上，若干燃料出口管路均匀设置于燃料预热室的左端面上。

本发明进一步改进在于：在爆震燃烧室的环形腔体内沿顺时针方向依次均匀设置有Ⅰ号起爆隔板、Ⅱ号起爆隔板、Ⅲ号起爆隔板、Ⅳ号起爆隔板、Ⅴ号起爆隔板以及Ⅵ号起爆隔板，其分别与沿顺时针方向依次均匀设置在燃料预热室内的Ⅰ号起爆隔板室、Ⅱ号起爆隔板室、Ⅲ号起爆隔板室、Ⅳ号起爆隔板室、Ⅴ号起爆隔板室以及Ⅵ号起爆隔板室相对应，且每个起爆隔板在其对应的爆隔板室内能够伸缩。

本发明进一步改进在于：爆震前传压力波衰减结构为一半圆弧形旋转对称壳体结构，其通过爆震燃烧室左端的燃料喷嘴固定在爆震燃烧室的封闭端。

本发明进一步改进在于：螺旋形障碍物以周向旋转方式安装在爆震燃烧室的环形腔体内。

本发明进一步改进在于：燃料喷嘴包括喷嘴主体和与其右端相连的预混室，喷嘴主体的左端为封闭结构，喷嘴主体的左端面上设置有燃料管路和空气管路，且燃料管路和空气管路的出口端均位于预混室内，预混室上均匀开设有若干燃料喷射孔。

本发明进一步改进在于：燃料管路和空气管路的前段均为直流通道，而后端均为螺旋形通道。

本发明进一步改进在于：预混室上开设有若干燃料喷射孔的一端为半球形壳体结构。

相对于现有技术，本发明一种旋转爆震燃烧室，除在燃烧室头部环形等间距布置若干燃料喷嘴外，还在燃烧室外壳的轴向和周向均匀设置了多个燃料喷嘴，将环形爆震燃烧室分成多个小空间，每个喷嘴负责每一小空间的燃料供给，可提高燃料填充效率，增加燃烧室燃料填充空间，提升燃烧室燃烧热强度；燃烧室燃料填充空间的增加可延长旋转爆震燃烧波的轴向距离，使旋转爆震波贯穿于整个燃烧室，同时可防止旋转爆震波在传播过程中因缺少燃料支持而退化消失；在旋转爆震燃烧室环形腔体内设置有周向布置的螺旋形障碍物，可缩短燃烧室启动过程中缓燃向爆震燃烧转变的距离，增强旋转爆震波的强度，提高燃烧室燃烧过程的整体自增压能力，同时可增强旋转爆震波传播过程中的稳定性。

【附图说明】

图1是本发明一种旋转爆震燃烧室的结构示意图；

图2是图1所示的旋转爆震燃烧室的A-A向剖视图；

图3是图1所示的旋转爆震燃烧室的等轴测图；

图4是本发明燃料喷嘴的结构示意图；

图5是本发明爆震燃烧室燃烧模式一启动示意图；

图6是本发明爆震燃烧室燃烧模式二启动示意图；

图7是本发明爆震燃烧室燃烧模式三启动示意图。

其中：1、Ⅰ号起爆隔板室；2、Ⅰ号起爆隔板；3、火花塞；4、Ⅱ号起爆隔板；5、Ⅱ号起爆隔板室；6、Ⅲ号起爆隔板室；7、Ⅲ号起爆隔板；8、Ⅳ号起爆隔板室；9、Ⅳ号起爆隔板；10、Ⅴ号起爆隔板室；11、Ⅴ号起爆隔板；12、Ⅵ号起爆隔板；13、Ⅵ号起爆隔板室；14、燃料出口管路；15、燃料喷嘴；16、燃烧室外壳；17、燃烧室内壳；18、燃料入口管路；19、燃料预热室内壳；20、爆震燃烧室；21、螺旋形障碍物；22、爆震前传压力波衰减结构；23、燃料预热室；24、燃料管路；25、喷嘴主体；26、预混室；27、燃料喷射孔；28、空气管路。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1至图3，本发明一种旋转爆震燃烧室，包括由外至内依次设置的爆震燃烧室20和燃料预热室23，其中，爆震燃烧室20为燃烧室外壳16与燃烧室内壳17之间形成的环形腔体，且其为左端封闭右端敞开结构，燃料预热室23为燃烧室内壳17与燃料预热室内壳19之间形成的环形腔体，且其左右两端均为封闭结构；在爆震燃烧室20的左端面以及燃烧室外壳16的周向上均匀设置有若干燃料喷嘴15，且在燃烧室外壳16的周向上均匀设置有六组火花塞3，爆震燃烧室20左端燃料喷嘴15的出口与爆震前传压力波衰减结构22相连；若干螺旋形障碍物21平行设置于爆震燃烧室20内，若干燃料入口管路18均匀设置于燃料预热室23的右端面上，若干燃料出口管路14均匀设置于燃料预热室23的左端面上，冷态燃料从燃烧室尾部的燃料入口管路18进入燃料预热室23，由于爆震燃烧室20的头部温度高于尾部，故燃料在流经燃料预热室23时温度逐渐升高，并最终从燃料出口管路14流出。燃料预热室23除具有对燃烧室燃料加热的作用外，还可对爆震燃烧室20进行实时冷却。

参见图1和图5至图7，在爆震燃烧室20的环形腔体内沿顺时针方向依次均匀设置有Ⅰ号起爆隔板2、Ⅱ号起爆隔板4、Ⅲ号起爆隔板7、Ⅳ号起爆隔板9、Ⅴ号起爆隔板11以及Ⅵ号起爆隔板12，其分别与沿顺时针方向依次均匀设置在燃料预热室23内的Ⅰ号起爆隔板室1、Ⅱ号起爆隔板室5、Ⅲ号起爆隔板室6、Ⅳ号起爆隔板室8、Ⅴ号起爆隔板室10以及Ⅵ号起爆隔板室13相对应，且每个起爆隔板在其对应的爆隔板室内能够伸缩。其中，每个起爆隔板均为长方形，起爆隔板主要用于燃烧室启动，作为缓燃燃烧向爆震燃烧转变的封闭固面边界，待旋转爆震波形成后，起爆隔板由作动机构置入起爆隔板室。

进一步地，爆震前传压力波衰减结构22为一半圆弧形旋转对称壳体结构，其通过爆震燃烧室20左端的燃料喷嘴15固定在爆震燃烧室20的封闭端。当爆震燃烧室20内点火形成高速旋转的爆震波后，爆震波除往燃烧室尾部传播外，还会往爆震燃烧室20头部传播，前传至燃料喷嘴15，影响燃料的供给。爆震前传压力衰减结构22可使前传压力波首先在半圆弧形开口端和弧面上形成反射激波，反射激波和爆震前传压力波相互作用，可逐渐减弱爆震前传压力波的强度，进而降低爆震前传压力波对燃料供给系统的影响。

进一步地，螺旋形障碍物21以周向旋转方式安装在爆震燃烧室20的环形腔体内，其可增加可燃混合气体的湍流度，提高已燃燃气与未燃气体间的能量传递，增加燃料热释放率，因而可缩短燃烧室启动过程中缓燃燃烧向爆震燃烧转变的距离，同时可强化爆震燃烧波的强度，提高爆震波的稳定性。

参见图4，燃料喷嘴15包括喷嘴主体25和与其右端相连的预混室26，喷嘴主体25的左端为封闭结构，喷嘴主体25的左端面上设置有燃料管路24和空气管路28，且燃料管路24和空气管路28的出口端均位于预混室26内，预混室26上均匀开设有若干燃料喷射孔27。其中，燃料管路24和空气管路28的前段均为直流通道，而后端均为螺旋形通道。燃料和空气经螺旋形通道后将以高速旋转的螺旋形方式进入预混室26，这可延长燃料和空气的掺混距离，同时在离心力作用下，处于中心的燃料将逐渐往外扩散，可保证燃料与空气掺混均匀。预混室26上开设有若干喷射孔27的一端为半球形壳体结构。这种半球形收敛结构可将燃料和空气的静压转化为动压，提高掺混气体的流速，可确保可燃混合物经燃料喷射孔27后具有较强的穿透力。

燃料喷嘴15除以环形等间距方式设置在爆震燃烧室20左端面外，还在燃烧室外壳16上周向等间距设置有多个燃料喷嘴，这可将环形爆震燃烧室20划分成多个小的空间，每个燃料喷嘴仅负责每一小空间的燃料供给，可提高燃料填充效率，增大燃料填充空间，可防止旋转爆震波因缺少燃料而退化消失。

实施例：

参见图1和图2，本发明一种旋转爆震燃烧室，包括爆震燃烧室20、燃料预热室23、燃料喷嘴15、螺旋形障碍物21、爆震前传压力波衰减结构22、燃料入口管路18、燃料出口管路14和火花塞3。本实施例中爆震燃烧室20和燃料预热室23同轴布置；爆震燃烧室外径1400mm，内径1200mm，长1100mm；燃料预热室外径1190mm，内径890mm，长1100mm。爆震前传压力波衰减结构22设置在爆震燃烧室20的头部，通过燃料喷嘴15与爆震燃烧室20固定连接，爆震前传压力波衰减结构22为半圆弧形壳体，半径40mm。螺旋形障碍物21为方形整圆螺旋弹簧结构，沿周向螺旋布置在爆震燃烧室20的环形腔体内，弹簧直径8mm，节距100mm。爆震燃烧室20头部的燃料喷嘴15以环形等间距方式布置一圈，燃烧室外壳16上的燃料喷嘴15呈轴向和周向均匀布置；燃料喷嘴中空气管路28直径6mm，螺旋部分中径46mm，节距50mm；燃料管路24直径4mm，螺旋部分中径25mm，节距50mm。燃料入口管路18环形等间距布置在燃料预热室23的右端，直径16mm；燃料出口管路14环形等间距布置在燃料预热室23的左端，直径16mm。

本实施例旋转爆震燃烧室有四种工作模式。

工作模式一：

参见图2和图5，燃烧室启动时，Ⅱ号起爆隔板4通过作动机构从Ⅱ号起爆隔板室5置入爆震燃烧室20内，燃料由燃料入口管路18流入燃料预热室23，再经燃料出口管路14流入燃烧室头部及燃烧室外壳上的多个燃料喷嘴15，与氧化空气在燃料喷嘴预混室26内充分混合后经燃料喷射孔27高速喷入环形爆震燃烧室20；由Ⅱ号起爆隔板4左侧的火花塞点火，在Ⅱ号起爆隔板4左侧形成燃烧波，燃烧波沿燃烧室周向发展并逐渐转变为爆震波，爆震波以逆时针方向在环形爆震燃烧室内高速旋转传播，待爆震波第一次即将通过Ⅱ号起爆隔板4时，由作动机构将Ⅱ号起爆隔板4送回Ⅱ号起爆隔板室5内，防止爆震波被起爆隔板阻止。在爆震波旋转传播过程中，由于爆震波峰面处的压力较高，大于可燃混合物的喷注总压，使得爆震峰面处没有新的燃料喷入，但爆震波过后的一段环形腔体内由于排气过程的进行，压力已降到燃料喷注总压以下，新鲜的可燃混合物开始再次喷入到环形爆震室，完成爆震波下一循环的燃料补给，这样在爆震燃烧室20内形成一个沿逆时针方向高速旋转的稳定爆震燃烧波，高温高压燃气最终从爆震燃烧室20的尾部排出。

工作模式二：

参见图2和图6，燃烧室启动时，Ⅱ号起爆隔板4和Ⅴ号起爆隔板11通过作动机构分别从Ⅱ号起爆隔板室5和Ⅴ号起爆隔板室10置入爆震燃烧室20内，由Ⅱ号起爆隔板4和Ⅴ号起爆隔板11左侧的火花塞点火，在Ⅱ号起爆隔板4和Ⅴ号起爆隔板11左侧形成两道燃烧波，然后沿逆时针方向传播并逐渐发展为两道爆震波，待爆震波第一次将通过Ⅱ号起爆隔板4和Ⅴ号起爆隔板11时，通过作动机构提前将Ⅱ号起爆隔板4和Ⅴ号起爆隔板11送回Ⅱ号起爆隔板室5和Ⅴ号起爆隔板室10，最终在爆震燃烧室20环形腔体内形成两道沿逆时针方向高速旋转的爆震燃烧波。

工作模式三：

参见图2和图7，燃烧室启动时，Ⅱ号、Ⅳ号和Ⅵ号起爆隔板通过作动机构分别从Ⅱ号、Ⅳ号和Ⅵ号起爆隔板室置入爆震燃烧室20内，由Ⅱ号、Ⅳ号和Ⅵ号起爆隔板左侧的火花塞点火，在Ⅱ号、Ⅳ号和Ⅵ号起爆隔板左侧形成三道燃烧波，然后沿逆时针方向传播并逐渐发展为三道爆震波，待爆震波第一次将通过Ⅱ号、Ⅳ号和Ⅵ号起爆隔板时，通过作动机构提前将Ⅱ号、Ⅳ号和Ⅵ号起爆隔板分别送回Ⅱ号、Ⅳ号和Ⅵ号起爆隔板室，最终在爆震燃烧室20环形腔体内形成三道沿逆时针方向高速旋转的爆震燃烧波。

工作模式四：

参见图1和图2，燃烧室启动时，Ⅰ号～Ⅵ号起爆隔板通过作动机构全部被置入爆震燃烧室20内，由Ⅰ号～Ⅵ号起爆隔板左侧的火花塞点火，在Ⅰ号～Ⅵ号起爆隔板左侧形成六道燃烧波，然后沿逆时针方向传播并逐渐发展为六道爆震波，待爆震波第一次将通过Ⅰ号～Ⅵ号起爆隔板时，通过作动机构提前将Ⅰ号～Ⅵ号起爆隔板全部送回Ⅰ号～Ⅵ号起爆隔板室，最终在爆震燃烧室20环形腔体内形成六道沿逆时针方向高速旋转的稳定爆震燃烧波。

Claims (7)

1.一种旋转爆震燃烧室，其特征在于：包括由外至内依次设置的爆震燃烧室(20)和燃料预热室(23)，其中，爆震燃烧室(20)为燃烧室外壳(16)与燃烧室内壳(17)之间形成的环形腔体，且其为左端封闭右端敞开结构，燃料预热室(23)为燃烧室内壳(17)与燃料预热室内壳(19)之间形成的环形腔体，且其左右两端均为封闭结构；在爆震燃烧室(20)的左端面以及燃烧室外壳(16)的周向上均匀设置有若干燃料喷嘴(15)，且在燃烧室外壳(16)的周向上均匀设置有六组火花塞(3)，爆震燃烧室(20)左端燃料喷嘴(15)的出口与爆震前传压力波衰减结构(22)相连；若干螺旋形障碍物(21)平行设置于爆震燃烧室(20)内，若干燃料入口管路(18)均匀设置于燃料预热室(23)的右端面上，若干燃料出口管路(14)均匀设置于燃料预热室(23)的左端面上。

2.根据权利要求1所述的一种旋转爆震燃烧室，其特征在于：在爆震燃烧室(20)的环形腔体内沿顺时针方向依次均匀设置有Ⅰ号起爆隔板(2)、Ⅱ号起爆隔板(4)、Ⅲ号起爆隔板(7)、Ⅳ号起爆隔板(9)、Ⅴ号起爆隔板(11)以及Ⅵ号起爆隔板(12)，其分别与沿顺时针方向依次均匀设置在燃料预热室(23)内的Ⅰ号起爆隔板室(1)、Ⅱ号起爆隔板室(5)、Ⅲ号起爆隔板室(6)、Ⅳ号起爆隔板室(8)、Ⅴ号起爆隔板室(10)以及Ⅵ号起爆隔板室(13)相对应，且每个起爆隔板在其对应的爆隔板室内能够伸缩。

3.根据权利要求1所述的一种旋转爆震燃烧室，其特征在于：爆震前传压力波衰减结构(22)为一半圆弧形旋转对称壳体结构，其通过爆震燃烧室(20)左端的燃料喷嘴(15)固定在爆震燃烧室(20)的封闭端。

4.根据权利要求1所述的一种旋转爆震燃烧室，其特征在于：螺旋形障碍物(21)以周向旋转方式安装在爆震燃烧室(20)的环形腔体内。

5.根据权利要求1所述的一种旋转爆震燃烧室，其特征在于：燃料喷嘴(15)包括喷嘴主体(25)和与其右端相连的预混室(26)，喷嘴主体(25)的左端为封闭结构，喷嘴主体(25)的左端面上设置有燃料管路(24)和空气管路(28)，且燃料管路(24)和空气管路(28)的出口端均位于预混室(26)内，预混室(26)上均匀开设有若干燃料喷射孔(27)。

6.根据权利要求5所述的一种旋转爆震燃烧室，其特征在于：燃料管路(24)和空气管路(28)的前段均为直流通道，而后端均为螺旋形通道。

7.根据权利要求5或6所述的一种旋转爆震燃烧室，其特征在于：预混室(26)上开设有若干燃料喷射孔(27)的一端为半球形壳体结构。