CN110925799B - 用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，公开了一种用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，包括燃烧室头部和隔离罩，隔离罩为两端开口的中空锥形结构，与燃烧室头部同轴设置，隔离罩的小径端与燃烧室头部的出焰口相连接，隔离罩上设置有多个贯穿的冷却孔。本发明提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，通过在燃烧室头部的出焰口设置锥形的隔离罩，消除角涡区中的非定常释热，控制火焰面积变化所造成的释热脉动，限制火焰皱褶和卷曲，降低火焰对扰动的响应，减弱相邻火焰之间的耦合，从而解决贫油预混工况下容易出现的燃烧不稳定问题。本发明提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构具有结构简单、可靠性强、可适用工况范围广的优点。

Description

用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构。

背景技术

燃气轮机已成为当今社会的重要组成元素，在航空运输与发电领域的重要性尤为突出。燃气轮机主要使用化石燃料在燃烧室中燃烧以释放能量，燃烧过程也伴随着氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氢和冒烟等污染物的生成。

越来越严格的污染物排放要求促进了燃烧室内燃烧技术的发展。现有研究表明，氮氧化物的生成主要受热力型机理控制，降低燃烧室内高温区温度可有效减少氮氧化物的生成量，所以以降低高温区温度为目的的贫油预混燃烧技术得到了广泛应用。

贫油预混燃烧在减少氮氧化物生成量的同时，也带来了燃烧不稳定的问题，不但降低了燃烧效率，容易造成回火或熄火，甚至会破坏燃烧室的结构。

发明内容

本发明实施例提供一种用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，用以解决贫油预混燃烧在减少氮氧化物生成量的同时，也带来的降低燃烧效率、容易发生回火或熄火、甚至会破坏燃烧室结构的燃烧不稳定的问题。

本发明实施例提供一种用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，包括燃烧室头部，还包括与所述燃烧室头部同轴设置的隔离罩，所述隔离罩为两端开口的中空锥形结构，所述隔离罩的小径端与所述燃烧室头部的出焰口相连接，所述隔离罩上设置有多个贯穿的冷却孔。

其中，所述燃烧室结构还包括进气通道和火焰筒，所述燃烧室头部设置于所述进气通道内，所述冷却孔连通所述进气通道和所述火焰筒。

其中，所述进气通道和所述火焰筒的截面均为圆环形，且所述进气通道和所述火焰筒同轴设置；多个所述燃烧室头部在所述进气通道内沿周向均匀分布。

其中，所述燃烧室头部的数量为6-30。

其中，所述燃烧室结构还包括圆环形的隔板，所述隔板设置于所述进气通道和所述火焰筒之间；所述火焰筒包括内筒壁和外筒壁，所述内筒壁与所述隔板的内圈圆环相连接，所述外筒壁与所述隔板的外圈圆环相连接；所述隔板上与所述隔离罩相对应设有多个通孔，所述隔离罩的大径端通过所述通孔与所述隔板连接。

其中，所述火焰筒的环宽为所述隔离罩大径端的出口直径的1至4倍。

其中，所述燃烧室头部包括从外向内、同轴设置的安装环、级间段和中心体，所述安装环的内壁与所述级间段的外壁之间的环形通道设置有外旋流器，所述级间段的内壁和所述中心体的壁面之间的环形通道设置有内旋流器；所述隔离罩的小径端与所述安装环连接。

其中，所述隔离罩小径端的进口直径为所述安装环内径的1至1.5倍。

其中，所述隔离罩对应侧内壁的扩张角为35～170°。

其中，所述隔离罩的轴向长度为所述隔离罩大径端的出口直径的0.5至3倍。

本发明实施例提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，根据燃烧室中火焰燃烧的动态过程，通过在燃烧室头部的出焰口设置锥形的隔离罩，减小燃烧室头部火焰的卷曲和皱褶，有助于降低燃烧室中非定常释热脉动，降低燃烧室内火焰对外界扰动的敏感性，同时，隔离罩的设置使相邻燃烧室头部的火焰根部分隔开，减小了相邻燃烧室头部火焰的耦合，降低燃烧室中非定常释热脉动，从而抑制了燃烧不稳定。部分空气能够经隔离罩上设置的冷却孔进入火焰筒，在隔离罩的内表面形成气膜，避免火焰与隔离罩的直接接触，降低隔离罩热负荷并对火焰根部锋面形成进一步的约束。本发明实施例提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构具有结构简单、可靠性强、可适用工况范围广的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的燃烧室头部与隔离罩剖面示意图；

图3为本发明另一实施例提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构的剖面图；

图4为本发明另一实施例提供的隔板和隔离罩连接结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的隔离罩的扩张角示意图；

图6为本发明另一实施例提供的隔离罩小径端进口直径示意图；

图7为本发明另一实施例提供的隔离罩轴向长度示意图；

图中：1、外机匣；2、内机匣；3、外筒壁；4、内筒壁；5、隔板；6、隔离罩；7、安装环；8、级间段；9、中心体；10、外旋流器；11、内旋流器；12、冷却孔；13、出口直径；14、环宽；15、扩张角；16、进口直径；17、轴向长度；18、外环腔通道直径；19、油管；20、级间燃油喷射孔；21、中心燃油喷射孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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”等仅用于描述目的，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，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

在燃气轮机技术中，贫油预混燃烧虽然减少了氮氧化物的生成量，但也带来了燃烧不稳定的问题。由于贫油预混燃烧技术的特点是运行在较低的当量比下，当外界速度扰动传至燃烧室内，容易引发燃烧室内的释热脉动，释热脉动进一步造成压力脉动，而压力脉动又会进一步影响燃烧室进口的速度脉动，形成正反馈过程并最终导致燃烧室内出现大幅值的压力振荡。因此，贫油预混燃烧技术中的燃烧不稳定会降低燃烧效率，造成回火或熄火，甚至破坏燃烧室的结构。

抑制燃烧不稳定成为很多研究者的关注重点。总体上可将抑制燃烧不稳定的方法分为主动控制和被动控制。主动控制方法往往较为复杂，同时带来了可靠性问题；而传统的被动控制方法多采用声阻尼器，可靠性虽强，但存在对安装空间的要求较高、适用的工况范围较小的问题。

如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，包括燃烧室头部和隔离罩6。隔离罩6为两端开口的中空锥形结构，与燃烧室头部同轴设置，隔离罩6的小径端与燃烧室头部的出焰口相连接，隔离罩6上设置有多个贯穿的冷却孔12。

本发明实施例提供的燃烧室结构，根据燃烧室中火焰燃烧的动态过程，通过在燃烧室头部的出焰口设置两端开口的中空锥形隔离罩6，减小燃烧室头部火焰的卷曲和皱褶，有助于降低燃烧室中非定常释热脉动，降低燃烧室内火焰对外界扰动的敏感性，同时，隔离罩6的设置使相邻燃烧室头部的火焰根部分隔开，减小了相邻燃烧室头部火焰的耦合，降低燃烧室中非定常释热脉动，从而抑制了燃烧不稳定。部分空气能够经隔离罩6上设置的冷却孔12进入火焰筒，在隔离罩6的内表面形成气膜，避免火焰与隔离罩6的直接接触，降低隔离罩6热负荷并对火焰根部锋面形成进一步的约束。本发明实施例提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构具有结构简单、可靠性强、可适用工况范围广的优点。

一个具体实施例中，燃烧室结构还包括进气通道和火焰筒，冷却孔12连通进气通道和火焰筒，燃烧室头部设置于进气通道内。进气通道内部分空气能够通过冷却孔12进入火焰筒，并在隔离罩6的内表面形成气膜。冷却孔12可以是规律排列的，其排数、周向数量、角度、截面形状可灵活设置。

一个具体实施例中，进气通道和火焰筒的截面均为圆环形，且进气通道和火焰筒同轴设置，多个燃烧室头部在进气通道内沿周向均匀分布。进一步，进气通道内沿其环形周向均匀设置有6-30个燃烧室头部。当设置有6个燃烧室头部时，相邻燃烧室头部轴线之间间隔的圆周角为60°；当设置有30个燃烧室头部时，相邻燃烧室头部轴线之间间隔的圆周角为12°。

一个具体实施例中，燃烧室结构还包括隔板5，隔板5设置于进气通道和火焰筒之间，用于分隔进气通道的环形空间和火焰筒的环形空间。隔板5为圆环形，火焰筒包括内筒壁4和外筒壁3，内筒壁4与隔板5的内圈圆环相连接，外筒壁3与隔板5的外圈圆环相连接。同轴设置的内筒壁4和外筒壁3之间的空间形成圆环形的火焰筒；为了获得更均匀的温度分布，内筒壁4和外筒壁3可以形成收缩型通道。内筒壁4与隔板5的内圈圆环、外筒壁3与隔板5的外圈圆环均可以通过焊接相连接。另外，圆环形的进气通道由同轴设置的外机匣1和内机匣2形成，外机匣1和内机匣2也可以通过焊接与隔板5连接。

隔板5上与隔离罩6相对应设有多个通孔，隔离罩6的大径端通过通孔与隔板5连接。将隔离罩6大径端与隔板5连接，可以使隔板5对隔离罩6产生结构支撑作用。隔离罩6的大径端与隔板5可以是通过焊接相连接，并使隔离罩6的出口与隔板5在火焰筒一侧的壁面齐平。如图3、图4所示，进气通道内沿其环形周向均匀设置有8个燃烧室头部，对应8个隔离罩6，相应地，隔板5上均匀设置有8个通孔，隔离罩6的大径端通过通孔安装在隔板5上。隔离罩6的结构可以如图5-图7所示。

一个具体实施例中，火焰筒为圆环形，火焰筒的环宽14为隔离罩6大径端的出口直径13的1至4倍。其中，火焰筒由同轴设置的内筒壁4和外筒壁3之间的空间形成，火焰筒的环宽14即为外筒壁3内壁半径与内筒壁4外壁半径之差。

一个具体实施例中，燃烧室头部包括从外向内、同轴设置的安装环7、级间段8和中心体9。安装环7内壁与级间段8外壁之间的环形通道为外环腔通道，外环腔通道内安装有外旋流器10；级间段8内壁和中心体9壁面之间的环形通道为内环腔通道，内环腔通道内安装有内旋流器11，两级旋流器结构扩展了可操作工况的范围。级间段8上设有级间燃油喷射孔20，中心体9设有中心燃油喷射孔21；用于向燃烧室头部供油的油管19包括与级间燃油喷射孔20相连通的第一油路和与中心燃油喷射孔21相连通的第二油路；进气通道内部分空气流经外旋流器10，与流经级间燃油喷射孔20的燃油掺混后经燃烧室头部的出焰口喷入火焰筒参与燃烧；进气通道内部分空气流经内旋流器11，与流经中心燃油喷射孔21的燃油掺混后经燃烧室头部的出焰口喷入火焰筒参与燃烧。隔离罩6的小径端与安装环7连接，锥形的隔离罩6将对燃烧室头部的出焰口喷出的油气混合物形成的火焰形成约束和限制，使火焰根部完全处于隔离罩6内。进一步地，隔离罩6小径端的进口直径16为外环腔通道直径18的1至1.5倍，隔离罩6小径端的进口直径16如图6所示，外环腔通道直径18即为安装环7内径。比如，如图2所示，隔离罩6小径端的进口直径16与外环腔通道直径18相等。

一个具体实施例中，如图5所示，隔离罩6对应侧内壁的扩张角15为35～170°。隔离罩6的扩张角15角度限制了火焰根部的皱褶和卷曲。

一个具体实施例中，如图7所示，隔离罩6的轴向长度17为隔离罩6大径端的出口直径13的0.5至3倍。

由以上实施例可以看出，本发明实施例提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，根据燃烧室中火焰燃烧的动态过程，通过在燃烧室头部的出焰口设置锥形的隔离罩6，消除燃烧室头部出焰口与火焰筒之间的角涡区中的非定常释热，控制火焰面积变化所造成的释热脉动，限制火焰锋面的皱褶和卷曲，降低火焰对扰动的响应，使不同燃烧室头部产生的火焰的根部区域相隔离，减弱相邻火焰之间的耦合，从而解决贫油预混工况下容易出现的燃烧不稳定问题。部分空气能够经隔离罩6上设置的冷却孔12进入火焰筒，在隔离罩6的内表面形成气膜，避免火焰与隔离罩6的直接接触，降低隔离罩6热负荷并对火焰根部锋面形成进一步的约束。本发明实施例提供的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构具有结构简单、可靠性强、可适用工况范围广的优点。

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，包括燃烧室头部，其特征在于，还包括与所述燃烧室头部同轴设置的隔离罩，所述隔离罩为两端开口的中空锥形结构，所述隔离罩的小径端与所述燃烧室头部的出焰口相连接，所述隔离罩上设置有多个贯穿的冷却孔；

所述燃烧室结构还包括进气通道和火焰筒，所述燃烧室头部设置于所述进气通道内，所述冷却孔连通所述进气通道和所述火焰筒；

所述进气通道和所述火焰筒的截面均为圆环形，且所述进气通道和所述火焰筒同轴设置；多个所述燃烧室头部在所述进气通道内沿周向均匀分布；

所述燃烧室结构还包括圆环形的隔板，所述隔板设置于所述进气通道和所述火焰筒之间；所述火焰筒包括内筒壁和外筒壁，所述内筒壁与所述隔板的内圈圆环相连接，所述外筒壁与所述隔板的外圈圆环相连接；所述隔板上与所述隔离罩相对应设有多个通孔，所述隔离罩的大径端通过所述通孔与所述隔板连接。

2.根据权利要求1所述的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，其特征在于，所述燃烧室头部的数量为6-30。

3.根据权利要求1所述的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，其特征在于，所述火焰筒的环宽为所述隔离罩大径端的出口直径的1至4倍。

4.根据权利要求1所述的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，其特征在于，所述燃烧室头部包括从外向内、同轴设置的安装环、级间段和中心体，所述安装环的内壁与所述级间段的外壁之间的环形通道设置有外旋流器，所述级间段的内壁和所述中心体的壁面之间的环形通道设置有内旋流器；所述隔离罩的小径端与所述安装环连接。

5.根据权利要求4所述的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，其特征在于，所述隔离罩小径端的进口直径为所述安装环内径的1至1.5倍。

6.根据权利要求1所述的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，其特征在于，所述隔离罩对应侧内壁的扩张角为35～170°。

7.根据权利要求1所述的用于抑制燃烧不稳定的燃烧室结构，其特征在于，所述隔离罩的轴向长度为所述隔离罩大径端的出口直径的0.5至3倍。

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