CN113685843A - 一种基于旋流器喷注的旋转爆震燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于旋流器喷注的旋转爆震燃烧室，主要由旋流喷嘴、环形燃烧腔、壁面冷却结构以及氧化剂和燃料供给结构组成。燃烧室工作过程中，氧化剂和燃料能否实现快速均匀混合，直接决定了旋转爆震波能否稳定传播，以及燃烧室能否稳定工作。本发明通过将旋转爆震燃烧室通常采用的环缝‑喷孔喷注结构，设计替换为旋流器喷注结构，氧化剂和燃料通过旋流喷嘴供给到环形燃烧腔中，由于旋流器能够有效增加气体的旋流强度，增大流场的湍流度，因而有利于实现氧化剂和燃料的快速均匀混合。本发明在未明显增加燃烧室结构复杂程度的条件下，能有效改善氧化剂和燃料的混合效果，保证了燃烧室工作的稳定性，提高了燃烧室的燃烧效率，降低了污染物排放。
Description
技术领域
本发明属于旋转爆震燃烧室技术领域，具体涉及一种基于旋流器喷注的旋转爆震燃烧室。
背景技术
燃气轮机作为清洁、高效和稳定的发电装置，在现代文明中占据着不可替代的位置，燃气轮机燃烧室主要基于等压燃烧方式，其技术水平已经趋于成熟，很难取得进一步突破。与等压燃烧方式相比，基于爆震燃烧的循环方式理论上具有更高的热循环效率和更快的热释放速率。由于爆震燃烧的优势，引起了国内外的广泛关注，目前已经开展了将基于爆震燃烧的旋转爆震燃烧室(Rotating Detonation Combustor，简称RDC)应用于冲压发动机和航空发动机的初步研究，并取得了一些进展，而将RDC应用于燃气轮机的研究工作尚未开展，燃烧室稳定工作、高燃烧效率和低污染物排放是燃气轮机燃烧室的主要要求。RDC中旋转爆震波传播一圈的时间通常低于毫秒量级，因此氧化剂和燃料能否在极短时间内均匀混合，是影响旋转爆震波稳定传播以及RDC稳定工作的关键因素。现有的RDC通常采用环缝-喷孔喷注形式，即氧化剂通过拉瓦尔型面的环缝通道进行供给，燃料则通过喷孔进行供给，由于氧化剂在环缝出口的流速高、旋流强度低，导致氧化剂和燃料在燃烧室头部的混合时间较短，混合效果并不理想。当氧化剂和燃料混合效果较差时，旋转爆震波不易维持稳定传播，RDC工作的稳定性变差。
当氧化剂和燃料的混合效果较差时，局部区域可能存在当量比较大的情况，一方面造成燃料燃烧不完全，CO排放增加；另一方面，局部区域的燃烧温度较高，NOX排放增加。综上所述，有必要对RDC的喷注结构进行优化设计，提出有利于旋转爆震波稳定传播、提高燃烧效率和降低污染物排放的喷注结构，对于RDC的工程应用非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于旋流器喷注的旋转爆震燃烧室，拟解决现有RDC中氧化剂和燃料混合效果差，燃烧效率低，而带来的燃烧室经济性差和污染物排放高的问题，本发明可以应用于燃气轮机和航空发动机等领域。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，包括氧化剂供给腔、燃料供给腔、旋流喷嘴和环形燃烧腔；
所述的氧化剂供给腔位于燃烧室头部，采用环腔形结构，氧化剂供给腔出口是沿周向均布的氧化剂供给孔，氧化剂供给孔的轴线方向与燃烧室轴线方向平行；
燃料供给腔位于燃烧室头部，燃料供给腔的圆弧面上布置了燃料供给孔，燃料供给孔的法线方向与燃烧室径向相同，燃料供给孔与旋流喷嘴之间通过燃料供给弯管连接；
环形燃烧腔位于旋流喷嘴出口一侧，由燃烧室外环和燃烧室内柱组成，燃烧室外环靠近内壁面一侧以及燃烧室内柱靠近外壁面一侧，均布置了气膜孔和冷却气体供给腔；
旋流喷嘴位于氧化剂供给孔中，其由旋流叶片、燃料喷注孔和旋流器燃料腔组成，旋流叶片位于氧化剂供给孔与旋流器燃料腔之间，旋流器燃料腔位于旋流叶片内侧，入口端面与燃料供给弯管连接，出口端面与旋流叶片出口端面平齐，燃料喷注孔位于旋流器燃料腔出口端面，沿周向均匀分布。
本发明进一步的改进在于，氧化剂供给孔为直圆孔结构，为减小气流在直圆孔入口处的流动损失，入口处壁面进行了导圆角处理。
本发明进一步的改进在于，旋流喷嘴与氧化剂供给孔的配合方式为过渡配合。
本发明进一步的改进在于，燃料供给弯管为空心圆管结构，与燃料供给孔连接的一端为入口段，其轴线方向与燃烧室径向一致；与旋流器燃料腔连接的一端为出口段，其轴线方向与燃烧室轴向一致，入口段与出口段之间采用1/4圆弧过渡。
本发明进一步的改进在于，燃料供给弯管的直圆管段长度大于10倍的圆管外径。
本发明进一步的改进在于，燃烧室外环采用圆环形结构，燃烧室内环采用圆柱形结构。
本发明进一步的改进在于，燃料喷注孔轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45°。
本发明进一步的改进在于，每个旋流喷嘴上均包含10个旋流叶片，沿周向均匀分布。
本发明进一步的改进在于，旋流叶片入口段进行倒圆角处理，旋流叶片入口段两侧壁面均为平面，为实现气流的旋流流动，旋流叶片出口段两侧壁面则为圆弧面，且圆弧面出口方向与燃烧室轴向呈30°夹角，为防止气流在叶片尾缘处形成回流区，造成气体的流动损失，旋流叶片尾缘的厚度接近于0。
本发明进一步的改进在于，气膜孔分别布置在燃烧腔外壁面和燃烧腔内壁面上，沿燃烧腔轴向均布有8列，沿周向均布了30排，即燃烧腔外壁面和燃烧腔内壁面上均分布了240个气膜孔，气膜孔的轴线方向与燃烧室轴向的夹角为30°。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明一种基于旋流器喷注的环形RDC，燃烧室采用基于旋流器的喷注形式，由于旋流叶片能够在出口处形成具有一定旋流强度的气体，增加了燃烧腔头部的流场湍流度，同时燃料沿特定的角度射入到氧化剂旋流中，保证了燃烧腔头部氧化剂和燃料能够实现快速均匀的混合，有利于燃烧室的稳定工作，同时提高了燃烧效率，降低了污染物排放。相较于传统的RDC，本发明优化了燃烧室头部的喷注方式，设计合理，能够改善燃烧室工作的稳定性和经济性。
附图说明
图1为旋转爆震燃烧室结构示意图；
图2为旋转爆震燃烧室A-A截面图；
图3为旋流喷嘴局部放大图(B-B截面)；
图4为冷却孔局部放大图(C-C截面)；
图5为旋流喷嘴结构示意图；
图6为旋流喷嘴剖面图。
附图标记说明：
1为旋流喷嘴，2为环形燃烧腔，3为燃烧室外环，4为燃烧室外壁面，5为燃烧室内柱，6为燃烧室内壁面，7为冷却气体供给腔，8为气膜孔，9为热射流管，10为氧化剂供给腔，11为氧化剂供给孔，12为燃料供给腔，13为燃料供给孔，14为燃料供给弯管，1-1为旋流叶片，1-2为燃料喷注孔，1-3为旋流器燃料腔。
具体实施方式
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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1和图2所示，本发明提供的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，由旋流喷嘴1、环形燃烧腔2、氧化剂供给环腔10和燃料供给腔12组成。环形燃烧腔2是由沿同轴分布的燃烧室外环3和燃烧室内柱5组成的环形通道，燃烧室外环3上预留了热射流管9的安装孔，热射流管9在发动机开始工作时起到点火的作用。在燃烧室外环3靠近内壁面一侧以及燃烧室内柱5靠近外壁面一侧，沿环形燃烧腔周向均布了30排气膜孔8，每排气膜孔沿燃烧腔轴向均布了8列，气膜孔8的轴线方向与燃烧腔轴向夹角为30°(参阅图4所示)。气膜孔8所需的冷却空气由冷却气体供给腔7供给，燃烧室外环3和燃烧室内柱5内部均布置了环腔形结构的冷却气体供给腔7。燃料供给腔12位于燃烧室头部，燃料供给腔12的圆弧面上布置了燃料供给孔13，燃料供给孔13的法线方向与燃烧室径向相同，燃料供给孔13与旋流喷嘴1之间通过燃料供给弯管14连接。
由于旋流喷嘴1需安装在氧化剂供给孔11中，因此，氧化剂供给孔11的内径应略大于旋流喷嘴1的外径，两者之间的配合方式为过渡配合。
由于燃料供给弯管出口管段需伸入到氧化剂供给孔11中，为了减小燃料供给弯管对氧化剂流动特性的影响，燃料供给弯管14的直圆管段(出口段)长度需大于10倍的圆管外径。燃料供给弯管14采用具有轻质、耐高压和抗冲击特性的材料。
环形燃烧腔2燃烧所需的氧化剂和燃料，分别由氧化剂供给腔10、燃料供给腔12和旋流喷嘴1进行供给。参与燃烧的氧化剂储存在氧化剂供给腔10中，氧化剂供给腔10出口为直圆孔结构的氧化剂供给孔11，8个氧化剂供给孔11沿周向均匀分布，相邻之间间隔45°。氧化剂通过氧化剂供给腔10供给到氧化剂供给孔11中，随后进入旋流喷嘴1，8个沿周向均布的旋流喷嘴1分别安装在8个氧化剂供给孔11中。参与燃烧的燃料储存在燃料供给腔12中，燃料腔出口通过圆孔结构与8根沿周向均布的燃料供给弯管14连接，燃料供给腔12中的燃料通过燃料供给弯管14供给到旋流喷嘴1中。
参阅图3、图5和图6所示，旋流喷嘴1中心为空腔结构的旋流器燃料腔1-3，旋流器燃料腔1-3进口一端与燃料供给弯管14连接，出口一端为6个燃料喷注孔1-2，沿周向均匀分布，燃料喷注孔的轴线方向与燃烧室轴向夹角为45°。旋流叶片1-1分布在旋流器燃料腔1-2与氧化剂供给孔11之间，每个旋流喷嘴均设计了10个旋流叶片1-1，沿周向均匀分布，旋流叶片1-1的型面相互平行，相邻叶片之间的通道组成了氧化剂流道，氧化剂在旋流叶片1-1入口处的流动方向与燃烧室轴线方向相同，出口处的流动方向与燃烧室轴向的夹角为45°，氧化剂和燃料分别从旋流叶片1-1和燃料喷注孔1-2供给到环形燃烧腔2中进行混合和燃烧。
为了减小气体的流动损失，旋流叶片入口段进行倒圆角处理，旋流叶片入口段两侧壁面均为平面。为实现气流的旋流流动，旋流叶片出口段两侧壁面则为圆弧面，且圆弧面出口方向与燃烧室轴向呈30°夹角，为防止气流在叶片尾缘处形成回流区，造成气体的流动损失，旋流叶片尾缘的厚度接近于0。旋流叶片采用具有轻质、耐高温和抗冲击特性的材料。
本发明的工作循环过程如下：
燃烧室点火前，热射流管9中填充氧化剂和燃料，同时氧化剂和燃料气源的气体分别供给到氧化剂供给腔10和燃料供给腔12中，随后氧化剂供给腔10中的氧化剂气体通过氧化剂供给孔11供给到旋流喷嘴1，燃料供给腔12中的燃料通过燃料供给弯管14供给到旋流喷嘴1中。氧化剂和燃料分别通过旋流叶片1-1和燃料喷注孔1-2进入到环形燃烧腔2中，在燃烧腔头部进行混合。热射流管9中的点火装置进行点火，火焰在热射流管9中进行扰动加速后，在热射流管9出口形成稳定传播的爆震波，随后爆震波在环形燃烧腔头部，沿周向进入燃烧腔，这个过程为燃烧室的起爆阶段。
由于燃烧室内已经填充了混合较好的可燃混合物(氧化剂和燃料的混合物)，爆震波继续在环形燃烧腔头部沿周向传播，因此在燃烧腔中形成了沿周向稳定传播的旋转爆震波，燃烧室的工作状态由起爆阶段转变为稳定工作阶段。
当燃烧室工作结束时，切断氧化剂和燃料气源的供给，燃烧室由于缺少可燃混合物维持旋转爆震波的传播，旋转爆震波逐渐解耦变为缓燃波，随后火焰逐渐熄灭，燃烧室停止工作。此时，在氧化剂供给腔10和燃料供给腔12中供给不参与燃烧反应的氮气，对燃烧室进行吹扫，随后切断氮气的供给，单个工作循环结束。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，包括氧化剂供给腔、燃料供给腔、旋流喷嘴和环形燃烧腔；
所述的氧化剂供给腔位于燃烧室头部，采用环腔形结构，氧化剂供给腔出口是沿周向均布的氧化剂供给孔，氧化剂供给孔的轴线方向与燃烧室轴线方向平行；
燃料供给腔位于燃烧室头部，燃料供给腔的圆弧面上布置了燃料供给孔，燃料供给孔的法线方向与燃烧室径向相同，燃料供给孔与旋流喷嘴之间通过燃料供给弯管连接；
环形燃烧腔位于旋流喷嘴出口一侧，由燃烧室外环和燃烧室内柱组成，燃烧室外环靠近内壁面一侧以及燃烧室内柱靠近外壁面一侧，均布置了气膜孔和冷却气体供给腔；
旋流喷嘴位于氧化剂供给孔中，其由旋流叶片、燃料喷注孔和旋流器燃料腔组成，旋流叶片位于氧化剂供给孔与旋流器燃料腔之间，旋流器燃料腔位于旋流叶片内侧，入口端面与燃料供给弯管连接，出口端面与旋流叶片出口端面平齐，燃料喷注孔位于旋流器燃料腔出口端面，沿周向均匀分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，氧化剂供给孔为直圆孔结构，为减小气流在直圆孔入口处的流动损失，入口处壁面进行了导圆角处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，旋流喷嘴与氧化剂供给孔的配合方式为过渡配合。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，燃料供给弯管为空心圆管结构，与燃料供给孔连接的一端为入口段，其轴线方向与燃烧室径向一致；与旋流器燃料腔连接的一端为出口段，其轴线方向与燃烧室轴向一致，入口段与出口段之间采用1/4圆弧过渡。
5.根据权利要求4所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，燃料供给弯管的直圆管段长度大于10倍的圆管外径。
6.根据权利要求1所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，燃烧室外环采用圆环形结构，燃烧室内环采用圆柱形结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，燃料喷注孔轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45°。
8.根据权利要求1所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，每个旋流喷嘴上均包含10个旋流叶片，沿周向均匀分布。
9.根据权利要求8所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，旋流叶片入口段进行倒圆角处理，旋流叶片入口段两侧壁面均为平面，为实现气流的旋流流动，旋流叶片出口段两侧壁面则为圆弧面，且圆弧面出口方向与燃烧室轴向呈30°夹角，为防止气流在叶片尾缘处形成回流区，造成气体的流动损失，旋流叶片尾缘的厚度接近于0。
10.根据权利要求1所述的一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，其特征在于，气膜孔分别布置在燃烧腔外壁面和燃烧腔内壁面上，沿燃烧腔轴向均布有8列，沿周向均布了30排，即燃烧腔外壁面和燃烧腔内壁面上均分布了240个气膜孔，气膜孔的轴线方向与燃烧室轴向的夹角为30°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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