CN113757719B - 燃烧室燃烧振荡的控制方法及燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃烧室燃烧振荡的控制方法及燃烧室，通过在燃烧室出口处设置堵塞段，使燃烧室出口处形成连通堵塞段两侧的输出通道，输出通道的长度与堵塞段长度相等，输出通道的截面积小于燃烧室本体的截面积；通过改变堵塞比和/或所述堵塞段长度来调节燃烧振荡频率，堵塞比为输出通道的截面积与燃烧室本体的截面积之比。本发明通过改变燃烧室内部结构以被动的方式诱发燃烧振荡，避免了传统声波诱发振荡的方式需要持续地输入能量与信号以及不能耐高温高压的缺陷，通过对燃烧室内的堵塞段相关参数的调整，既可以激发振荡、增强振荡，还可以实现在一定范围内控制燃烧振荡的频率和幅值达到目标值的作用，从而实现对燃烧振荡的有效控制。

Description

燃烧室燃烧振荡的控制方法及燃烧室

技术领域

本发明涉及能源与动力技术领域，尤其涉及一种燃烧室燃烧振荡的控制方法及燃烧室。

背景技术

测试防振装置的效果或者研究燃烧振荡都需要稳定地激发燃烧振荡，目前的研究方法往往只涉及抑制振荡或者外部条件激发振荡中的一个方面，不能很方便地将燃烧振荡控制在特定的频率范内，也不能将燃烧振荡的幅值稳定在一定范围。简单来说就是不能随意地控制燃烧振荡的发生。如图1所示，目前人为诱发燃烧振荡的主要手段是通过喇叭产生一段特定频率上的声波，使用该声波诱发和维持燃烧振荡。但这种方法一方面系统较复杂，使用难度和成本较高，另一方面不太适用于更接近工程实际的高温高压环境，难以激发出有效的燃烧振荡。

目前用于诱发燃烧振荡的方法都会引入外部条件(如外声波)，对控制变量的实验不友好；且这些方法无法在高温或高压条件下，比如使用上面提到的用喇叭产生特定声波以诱发燃烧振荡的方法时，就找不到能在高温(800K)高压(2MPa)条件下稳定运行的喇叭，因此也就无法在高温高压条件下测试防振方法的效果。亟需一种通过被动结构件来精准有效的控制燃烧室燃烧振荡频率的方法及设备。

发明内容

本发明提供一种燃烧室燃烧振荡的控制方法及燃烧室，用以解决现有技术中通过声波来诱发维持燃烧振荡的方式振荡频率不易控制的缺陷，实现对燃烧振荡的频率进行精准有效控制的目的。

本发明提供一种燃烧室燃烧振荡的控制方法，包括：

通过在燃烧室出口处设置堵塞段，使所述燃烧室出口处形成连通所述堵塞段两侧的输出通道，其中，所述输出通道的长度与所述堵塞段长度相等，所述输出通道的截面积小于所述燃烧室本体的截面积；

通过改变堵塞比和/或所述堵塞段长度来调节燃烧振荡频率，其中，所述堵塞比为所述输出通道的截面积与所述燃烧室本体的截面积之比。

根据本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，所述堵塞段连接于所述燃烧室本体的内壁上，所述输出通道包括设于所述堵塞段内且沿所述堵塞段延伸方向布置的通道。

根据本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，所述输出通道为沿所述堵塞段中心轴线布置的一个通道。

根据本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，所述输出通道为多个平行布置的通道。

根据本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，所述堵塞段包括设于所述燃烧室出口同一截段位置处的多个堵块，所述输出通道形成于相邻的所述堵块之间以及所述堵块与所述燃烧室内壁之间。

根据本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，所述改变堵塞比的步骤包括：

将所述输出通道的截面积与所述燃烧室本体的截面积的比值控制在0.1-0.5的范围内。

根据本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，所述改变所述堵塞段长度的步骤包括：

将所述堵塞段长度控制在所述燃烧室本体长度的0.2-2倍。

根据本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，在所述堵塞段的输出端设置流通段，所述流通段与所述输出通道连通，通过改变所述流通段长度来调节燃烧振荡频率，其中，所述流通段的截面积大于所述输出通道的截面积。

根据本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，还包括对所述堵块进行冷却处理，以及对所述燃烧室本体进行隔热处理的步骤。

本发明还提供一种燃烧室，包括燃烧室本体，所述燃烧室本体具有进口和出口，所述燃烧室本体进口处设有燃料喷嘴，所述燃烧室出口处设有堵塞段，所述堵塞段具有连通所述燃烧室本体内外两侧的输出通道，所述输出通道的截面积小于所述燃烧室本体的截面积。

本发明提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，通过在燃烧室出口处设置堵塞段，使燃烧室出口处形成输出通道，该输出通道的长度与堵塞段长度相等，输出通道的截面积小于燃烧室的截面积；通过增加燃烧室出口堵塞段来诱发一定频率附近的振荡，堵塞段可以改变燃烧室的出口声学条件，加强燃烧室内的目标频率附近的声波，即将目标频率附近的声波集中到燃烧室内，起到诱发振荡的效果。本发明通过改变堵塞比和/或堵塞段长度来调节燃烧振荡频率，通过改变燃烧室内部结构以被动的方式诱发燃烧振荡，只需调节堵塞段结构的相关参数即可实现在一定范围内对燃烧振荡的精准控制，能够更好的适应高温环境，避免了传统声波诱发振荡的方式需要持续地输入能量与信号以及不能耐高温的缺陷。该燃烧振荡的控制方法起到使用被动结构件调控燃烧振荡的目的，既可以激发振荡、增强振荡，还可以实现在一定范围内控制燃烧振荡的频率和幅值达到目标值的作用，从而实现对燃烧振荡的有效控制。

进一步地，本发明提供的燃烧室，属于上述方法实施过程的具体形式，能够实现将燃烧振荡的频率和幅值控制达到目标值的目的，该燃烧室同样具备如上所述的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是现有技术利用声波诱发燃烧振荡的燃烧室结构示意图；

图2是本发明提供的燃烧室第一实施例结构示意图；

图3是本发明提供的燃烧室第二实施例结构示意图；

图4是本发明提供的燃烧室第三实施例结构示意图；

图5是本发明提供的燃烧室第一实施例改进结构示意图；

图6是堵塞比与振荡幅值的变化曲线图。

附图标记：

1：燃烧室进口；      2：旋流及喷嘴装置；  3：燃烧室本体；

4：外激喇叭；        5：燃烧室出口；      6：堵塞段；

61：第一堵塞段；     62：第二堵塞段；     63：堵块；

7：输出通道；        8：流通段；          9：机匣。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种燃烧室燃烧振荡的控制方法，该方法通过甲烷燃烧平台来实现。

如图1所示，传统甲烷燃烧平台主要以燃烧室本体3为主，燃烧室本体3的一端为燃烧室进口1，该进口为进气口，用于向燃烧室本体3内输入空气，燃烧室进口1内设置有旋流及喷嘴装置2，主要为螺旋器和甲烷喷嘴，燃烧室本体3的另一端为燃烧室出口5。现有技术中，为了诱发和维持特定频率的燃烧振荡，在燃烧室本体3出口处内设置了两个外激喇叭4，但这种方式对燃烧振荡的频率控制并不精准，需要采用复杂的系统，而且操作难度和成本都比较高，更重要的是，这种外激喇叭4材质并不能承受高温，导致燃烧室燃烧振荡的条件受限，难以在高温高压环境下进行，难以激发出有效的燃烧振荡。

因此，本发明提供一种燃烧室燃烧振荡的控制方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1，通过在燃烧室本体3的燃烧室出口5位置处设置堵塞段6，使燃烧室出口5位置处形成连通堵塞段6两侧的输出通道7。其中，输出通道7的长度与堵塞段6的长度相等，并且输出通道7的截面积小于燃烧室本体3的截面积。

步骤2，通过改变堵塞比来调节燃烧振荡频率，其中，堵塞比为输出通道7的截面积与燃烧室本体3的截面积之比。当然，也可以通过改变堵塞段6长度来调节燃烧振荡频率，也可以是通过改变堵塞比和堵塞段6长度来共同调节燃烧振荡频率。

具体的，在步骤1中，通过在燃烧室本体3的燃烧室出口5位置处设置堵塞段6，使燃烧室出口5位置处形成输出通道7的步骤可以提供三种具体实施例：

第一实施例：

如图2所示，在燃烧室出口5处设置堵塞段6，该堵塞段6为管状结构的第一堵塞段61，输出通道7为第一堵塞段61内部通道。第一堵塞段61内部设有沿其轴向布置的通道，该通道为输出通道7，输出通道7连通燃烧室本体3的内外两侧，第一堵塞段61的端面起到封堵的作用。

通过计算输出通道7的截面积与燃烧室本体3的截面积之比得到堵塞比，通过改变该堵塞比的大小来调节燃烧振荡频率，一般来说，即通过改变输出通道7的截面积大小即可。在本实施例中，堵塞比可以控制在0.1-0.5，在此范围内，堵塞比越小，振荡频率越低，声波脉动幅值呈现两边大中间小趋势，堵塞比接近0.2附近时幅值最小。

同样，也可以通过改变第一堵塞段61长度来调节燃烧振荡频率，第一堵塞段61的长度可以是燃烧室本体3长度的0.2-2倍，在此范围内，第一堵塞段61的长度越大，振荡频率越低，声波脉动越大。当然，也可以将上述两种调节方式结合，通过同时调节堵塞比和第一堵塞段61的长度来调节燃烧振荡频率，从而将燃烧振荡频率控制在所需要的范围内。

第二实施例：

如图3所示，在燃烧室出口5处设置堵塞段6，该堵塞段6为多通道的第二堵塞段62，输出通道7为第二堵塞段62内部的多个通道。本实施例与上述第一实施例结构相同，不同点在于，本实施例的第二堵塞段62即为在第一堵塞段61上开设多个平行布置的通道，多个通道形成输出通道7，输出通道7连通燃烧室本体3的内外两侧，第二堵塞段62的端面起到封堵的作用。

通过计算多个输出通道7的截面积之和与燃烧室本体3的截面积之比得到堵塞比，通过改变该堵塞比的大小来调节燃烧振荡频率，一般来说，即通过改变输出通道7的截面积大小即可，也可以通过增减输出通道7的数量来达到调节输出通道7的截面积的目的，从而实现堵塞比的调节。本实施例与上述第一实施例原理相同，堵塞比可以控制在0.1-0.5，在此范围内，堵塞比越小，振荡频率越低，声波脉动幅值呈现两边大中间小趋势，堵塞比接近0.2附近时幅值最小。

同样，也可以通过改变第二堵塞段62长度来调节燃烧振荡频率，第二堵塞段62的长度可以是燃烧室本体3长度的0.2-2倍，在此范围内，第二堵塞段62的长度越大，振荡频率越低，声波脉动越大。当然，也可以将上述两种调节方式结合，通过同时调节堵塞比和第二堵塞段62的长度来调节燃烧振荡频率，从而将燃烧振荡频率控制在所需要的范围内。

第三实施例：

如图4所示，在燃烧室本体3出口的同一截段位置处设置多个堵块63，相邻的堵块63之间以及堵块63与燃烧室本体3内壁之间形成输出通道7，使燃烧室本体3出口的同一截段位置处形成多个输出通道7，输出通道7连通燃烧室本体3的内外两侧。堵块63的端面面积与输出通道7的截面积之和等于燃烧室本体3的截面积，因此输出通道7的截面积小于燃烧室本体3的截面积，堵块63朝向燃烧室本体3内部的一端面起到封堵的作用。

通过计算输出通道7的截面积与燃烧室本体3的截面积之比得到堵塞比，通过改变该堵塞比的大小来调节燃烧振荡频率，本实施例中改变输出通道7的截面积大小的方式既是改变堵块63的截面大小，堵块63的截面越大，输出通道7的截面积则越小。本实施例与上述第一，第二实施例原理相同，堵塞比可以控制在0.1-0.5，在此范围内，堵塞比越小，振荡频率越低，声波脉动幅值呈现两边大中间小趋势，堵塞比接近0.2附近时幅值最小。

同样，也可以通过改变堵块63的长度来调节燃烧振荡频率，本实施例中，堵块63的长度即为堵块63沿输出通道7延伸方向的长度，堵块63的长度可以是燃烧室本体3长度的0.2-2倍，在此范围内，堵块63的长度越大，振荡频率越低，声波脉动越大。当然，也可以将上述两种调节方式结合，通过同时调节堵塞比和堵块63的长度来调节燃烧振荡频率，从而将燃烧振荡频率控制在所需要的范围内。

进一步地，由于是在高温高压的环境中工作，本实施例中的堵块63设有对应的冷却系统，该冷却系统优选采用水冷系统支持，使得堵块63能够适用一定的高温高压环境，保证燃烧振荡控制的正常进行。本实施例中，在整个燃烧室本体3的外部设置有机匣9，机匣9起到隔热作用，保证燃烧室本体3处于高温高压环境。

作为进一步地改进，在上述实施例中，还可以在堵塞段6的输出端设置流通段8，流通段8与输出通道7连通，在上述方法基础上，通过改变流通段8的长度来调节燃烧振荡频率。

如图4和图5所示，在堵塞段6后端连接流通段8，流通段8连通输出通道7，其中，流通段8的截面积大于输出通道7的截面积。具体的，该方法中，将流通段8的长度控制在堵塞段6长度的2-10倍。流通段8越长，燃烧振荡频率越低，但对幅值的影响不大。

本发明实施例提供的燃烧室燃烧振荡的控制方法，通过在燃烧室出口5处增加一段流通面积突然变小的堵塞段6以诱发燃烧振荡；燃烧室出口5处的这一堵塞段6可以改变燃烧室本体3的出口声学条件，加强燃烧室本体3内的目标频率附近的声波，即将目标频率附近的声波集中到燃烧室本体3内，起到诱发振荡的效果。

该诱发振荡的方法通过使用被动结构来实现，添加冷却结构后可以在高温高压条件下运行，代替不能在高温高压外激装置起到激发振荡的效果。避免了传统声波诱发振荡的方式需要持续地输入能量与信号以及不能耐高温的缺陷。该方法起到使用被动结构件调控燃烧振荡的目的，既可以激发振荡、增强振荡，还可以实现在一定范围内控制燃烧振荡的频率和幅值达到目标值的作用，从而实现对燃烧振荡的有效控制。该方法与主动方法(喇叭)等不同，该方法不需要持续地输入能量与信号就能工作，而且可以在高温高压下工作。综合调节堵塞段6的相关参数可以在一定范围内自如得控制燃烧振荡。

基于上述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，本发明实施例还提供一种实现该方法的燃烧室，该燃烧室包括燃烧室本体3，燃烧室本体3具有燃烧室进口1和燃烧室出口5，燃烧室进口1处设有燃料喷嘴，包括旋流及喷嘴装置2，燃烧室出口5处设有堵塞段6，堵塞段6具有连通燃烧室本体3内外两侧的输出通道7，输出通道7的截面积小于燃烧室3的截面积。

对应于上述方法的三种实施例，该燃烧室对应的具有三种结构形式。即堵塞段6为第一堵塞段61，输出通道7为第一堵塞段61的内部通道，或堵塞段6为第二堵塞段62，输出通道7为第二堵塞段62内部的多个通道，亦或者是堵塞段6为设于燃烧室出口5的同一截段位置处的多个堵块63，输出通道7形成于相邻的堵块63之间以及堵块63与燃烧室本体3内壁之间。

对应于堵块63的结构，堵块63对应设有用于控制堵块63温度的水冷系统，且在燃烧室外部设有用于隔热的机匣9。

如图6所示，本实施例中，当堵塞段6为第一堵塞段61时，将第一堵塞段61内部的输出通道7的截面积与燃烧室本体3的截面积的比值设为0.1-0.5；当堵塞段6为第二堵塞段62时，同样将第二堵塞段62内部的输出通道7的截面积与燃烧室本体3的截面积的比值设为0.1-0.5；当堵塞段6为堵块63时，将堵块63之间形成的输出通道7的截面积与燃烧室本体3的截面积的比值设为0.1-0.5。在此范围内，堵塞比越小，振荡频率越低，声波脉动幅值呈现两边大中间小趋势，堵塞比接近0.2附近时幅值最小。

同样，当堵塞段6为第一堵塞段61时，将第一堵塞段61的长度设为燃烧室本体3长度的0.2-2倍；当堵塞段6为第二堵塞段62时，将第二堵塞段62的长度设为燃烧室本体3长度的0.2-2倍；当堵塞段6为堵块63时，将堵块63的长度设为燃烧室本体3长度的0.2-2倍。在此范围内，堵塞段6的长度越大，振荡频率越低，声波脉动越大。

进一步地，如图4和图5所示，本实施例中堵塞段6的输出端设有流通段8，流通段8与输出通道7连通，其中，流通段8的截面积大于输出通道7的截面积。本实施例中，流通段8的长度为堵塞段6长度的2-10倍。流通段8越长，燃烧振荡频率越低，但对幅值的影响不大。

本发明提供的燃烧室，属于实施上述燃烧室燃烧振荡的控制方法的具体结构，通过对该燃烧室的堵塞段6的相关参数在一定范围内进行调整，可自如得控制燃烧振荡，实现将燃烧振荡的频率和幅值控制达到目标值的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，包括：

通过在燃烧室出口处设置堵塞段，使所述燃烧室出口处形成连通所述堵塞段两侧的输出通道，其中，所述输出通道的长度与所述堵塞段长度相等，所述输出通道的截面积小于所述燃烧室本体的截面积；

通过改变堵塞比和所述堵塞段长度来调节燃烧振荡频率，其中，所述堵塞比为所述输出通道的截面积与所述燃烧室本体的截面积之比。

2.根据权利要求1所述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，所述堵塞段连接于所述燃烧室本体的内壁上，所述输出通道包括设于所述堵塞段内且沿所述堵塞段延伸方向布置的通道。

3.根据权利要求2所述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，所述输出通道为沿所述堵塞段中心轴线布置的一个通道。

4.根据权利要求2所述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，所述输出通道为多个平行布置的通道。

5.根据权利要求1所述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，所述堵塞段包括设于所述燃烧室出口同一截段位置处的多个堵块，所述输出通道形成于相邻的所述堵块之间以及所述堵块与所述燃烧室内壁之间。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，所述改变堵塞比的步骤包括：

将所述输出通道的截面积与所述燃烧室本体的截面积的比值控制在0.1-0.5的范围内。

7.根据权利要求1-5任一项所述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，所述改变所述堵塞段长度的步骤包括：

将所述堵塞段长度控制在所述燃烧室本体长度的0.2-2倍。

8.根据权利要求1-5任一项所述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，在所述堵塞段的输出端设置流通段，所述流通段与所述输出通道连通，通过改变所述流通段长度来调节燃烧振荡频率，其中，所述流通段的截面积大于所述输出通道的截面积。

9.根据权利要求5所述的燃烧室燃烧振荡的控制方法，其特征在于，还包括对所述堵块进行冷却处理，以及对所述燃烧室本体进行隔热处理的步骤。

Images