CN115325564B - 一种结合气动导流燃烧振荡抑制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧振荡技术领域，提供一种结合气动导流燃烧振荡抑制方法和装置，结合气动导流燃烧振荡抑制装置包括相连通的导流腔和扩展腔，导流腔的横截面和扩展腔的横截面均为环状；导流腔的头部呈开口状；扩展腔为横截面逐渐增大的锥型，用于设置在燃烧室的内部。上述装置的导流腔为环状，扩展腔为锥型；工作时，高压气体自导流腔的头部开口进入，并从扩展腔的尾部开口流出；因扩展腔位于燃烧室的内部，且扩展腔的横截面为逐渐增大的设计，故进入扩展腔的高压气体会扩散开，并在燃烧室内对火焰形成包裹，以降低火焰释热脉动，抑制较宽范围的燃烧振荡；并且，能够通过改变高压气流的流量、流速和压力等，来调整燃烧室内部流场的结构。

Description

一种结合气动导流燃烧振荡抑制方法和装置

技术领域

本发明涉及燃烧振荡技术领域，尤其涉及一种结合气动导流燃烧振荡抑制方法和装置。

背景技术

在锅炉、燃气轮机等燃烧设备中，燃烧振荡是较为常见的现象，即燃烧器内产生大幅度的释热率脉动和压力脉动；燃烧振荡不仅会引起噪声，还会引发燃烧室的振动，甚至会对燃烧室造成破坏。

现阶段，抑制燃烧振荡的方法可以分为主动控制和被动控制两类，其中，主动控制需要控制系统和执行装置，成本较高；被动控制通过在喷嘴腔和燃烧室之间增设防振环，以限制火焰流动，从而达到抑制或消除燃烧振荡的目的，应用较为广泛。但是，现有防振环的作用范围有限，无法对燃烧室内的流场结构进行调节，抑制燃烧振荡的效果不理想。

因此，如何提高对燃烧振荡的抑制效果，是现阶段该领域亟待解决的难题。

发明内容

本发明提供一种结合气动导流燃烧振荡抑制装置，能够提高对燃烧振荡的抑制效果，解决了现阶段该领域的难题。本发明还提供一种结合气动导流燃烧振荡抑制方法，该方法应用于上述的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，因此，能够提高对燃烧振荡的抑制效果。

本发明的第一方面提供一种结合气动导流燃烧振荡抑制装置，包括相连通的导流腔和扩展腔，所述导流腔的横截面和所述扩展腔的横截面均为环状；

所述导流腔的头部呈开口状，用于套装在喷嘴腔的外周面；

所述扩展腔为横截面逐渐增大的锥型，所述扩展腔的尾部呈开口状，用于设置在燃烧室的内部。

根据本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，还包括与所述导流腔的头部相连通的集气腔；

所述集气腔的横截面为环状，套装在所述喷嘴腔的外周面，用于向所述导流腔供气。

根据本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，所述扩展腔的尾部还连接有喷射腔；

所述喷射腔的横截面为环状，尾部呈开口状，所述喷射腔为横截面逐渐缩小的锥型。

根据本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，所述扩展腔与所述导流腔之间的夹角为α，所述喷射腔与所述导流腔之间的夹角为β；

夹角α与夹角β之间满足：0＜β/α＜0.5。

根据本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，所述导流腔和所述扩展腔相连接的位置的外侧、与所述燃烧室的内壁相抵。

根据本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，所述集气腔的气源压力为P₀，所述燃烧室内的压力为P；

P₀与P之间满足：0.01MPa＜P₀-P＜3Mpa。

根据本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，所述喷嘴腔的外周面与所述导流腔之间留有安装间隙H；

所述喷嘴腔的内径为D，满足：0＜H/D＜0.25。

根据本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，所述导流腔和所述扩展腔的横截面的宽度为d，所述扩展腔的最小直径为D’，所述扩展腔的最大直径为D”；满足：0.01＜d/D’＜0.03，0.006<d/D”<0.02。

根据本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，所述结合气动导流燃烧振荡抑制装置的出口气体流速为U₀，所述喷嘴腔的出口气体流速为U，满足：0.1＜U₀/U＜10。

本发明的第二方面提供一种结合气动导流燃烧振荡抑制方法，包括步骤：

S1：将燃烧室头部的喷嘴腔和盖板取下；

S2：将结合气动导流燃烧振荡抑制装置套装在所述喷嘴腔的外周面；

S3：将所述喷嘴腔和所述盖板安装至所述燃烧室的头部，并使导流腔和扩展腔相连接的位置的外侧、与所述燃烧室的内壁相抵。

本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，包括相连通的导流腔和扩展腔，导流腔的横截面和扩展腔的横截面均为环状；导流腔的头部呈开口状，用于套装在喷嘴腔的外周面；扩展腔为横截面逐渐增大的锥型，扩展腔的尾部呈开口状，用于设置在燃烧室的内部。上述结合气动导流燃烧振荡抑制装置包括导流腔和扩展腔，其中，导流腔为环状，扩展腔为锥型；工作时，高压气体自导流腔的头部开口进入，并从扩展腔的尾部开口流出；因扩展腔位于燃烧室的内部，且扩展腔的横截面为逐渐增大的设计，故进入扩展腔的高压气体会扩散开，并在燃烧室内对火焰形成包裹，利用高压气流来削弱火焰面与燃烧室角落旋涡的耦合，以降低火焰释热脉动，抑制较宽范围的燃烧振荡；并且，能够通过改变高压气流的流量、流速和压力等，来调整燃烧室内部流场的结构；相较于传统利用固定的防振环对火焰的燃烧区域进行控制的防振方式，本装置采用高压气流来抑制燃烧振荡，能够扩大振荡抑制的范围，提高抑制的效果。因此，本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，能够提高对燃烧振荡的抑制效果，解决了现阶段该领域的难题。

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是本发明具体实施方式中结合气动导流燃烧振荡抑制装置工作原理的示意图；

图2是本发明具体实施方式中结合气动导流燃烧振荡抑制装置的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中导流腔和扩展腔的侧面剖视图；

图4是本发明具体实施方式中导流腔、扩展腔和喷射腔的侧面剖视图；

图5是本发明具体实施方式中喷射腔出口的气流轨迹示意图；

图6是本发明具体实施方式中喷射腔横截面的示意图。

附图标记：

1、导流腔；2、扩展腔；3、喷嘴腔；4、燃烧室；5、集气腔；6、喷射腔；7、旋流器；8、火焰；9、油雾；10、角落旋涡；11、盖板。

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做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。

下面结合图1至图6描述本具体实施方式中的结合气动导流燃烧振荡抑制装置。

本具体实施方式提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，包括相连通的导流腔1和扩展腔2，导流腔1的横截面和扩展腔2的横截面均为环状；导流腔1的头部呈开口状，导流腔1于套装在喷嘴腔3的外周面；扩展腔2为横截面逐渐增大的锥型，扩展腔2的尾部呈开口状，扩展腔2用于设置在燃烧室4的内部。

上述结合气动导流燃烧振荡抑制装置包括导流腔1和扩展腔2，其中，导流腔1为环状，扩展腔2为锥型；工作时，高压气体自导流腔1的头部开口进入，并从扩展腔2的尾部开口流出；因扩展腔2位于燃烧室4的内部，且扩展腔2的横截面为逐渐增大的设计，故进入扩展腔2的高压气体会扩散开，并在燃烧室4内对火焰8形成包裹，利用高压气流来削弱火焰8面与燃烧室4角落旋涡10的耦合，以降低火焰8释热脉动，抑制较宽范围的燃烧振荡；并且，能够通过改变高压气流的流量、流速和压力等，来调整燃烧室4内部流场的结构；相较于传统利用固定的防振环对火焰8的燃烧区域进行控制的防振方式，本装置采用高压气流来抑制燃烧振荡，能够扩大振荡抑制的范围，提高抑制的效果。

因此，本发明提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，能够提高对燃烧振荡的抑制效果，解决了现阶段该领域的难题。

更详细的，导流腔1和扩展腔2均为腔体的结构，内部能够使气流穿过；其中，导流腔1的腔体的横截面为环状，套设在喷嘴腔3的外周面，进入导流腔1的气体沿喷嘴腔3的外周面流动并进入扩展腔2的腔体内；扩展腔2的腔体的横截面亦为环状，且扩展腔2整体呈锥型，其横截面为逐渐增加的设计，扩展腔2由喷嘴腔3向燃烧室4的方向呈逐渐扩大的锥型，请参见图1-3；进入扩展腔2的气体沿着扩展腔2内部的通道呈扩散状流出，进而对燃烧室4内的火焰8和油雾9形成包裹，以削弱火焰8面与燃烧室4角落旋涡10的耦合，进而抑制燃烧振荡的发生。

上述喷嘴腔3内设有喷嘴、旋流器7等部件，位于燃烧室4的头部，通过喷嘴进行点火。

本具体实施方式提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，还可以包括与导流腔1的头部相连通的集气腔5；同理，集气腔5的横截面亦可以为环状，用于套装在喷嘴腔3的外周面，集气腔5用于向导流腔1供高压的气体。集气腔5呈环状的设置，能够使气流更加均匀的流入环状的导流腔1内；导流腔1和扩展腔2内部的腔体较窄，呈缝隙状，请参见图3-4的导流腔1和扩展腔2的侧面剖视图，较窄的缝隙能够提高气体的流速，使出口的气体形成气膜，并能够更好的对燃烧室4内的火焰8和油雾9进行包裹。

集气腔5的高压气源可以为空气、富氧空气，或者为含有惰性气体的混合气，其中，氮气的摩尔分数的范围可以为5％-100％，水蒸气摩尔分数的范围可以为1％-20％，氧气摩尔分数的范围可以为5-50％。

上述结合气动导流燃烧振荡抑制装置采用独立的集气腔5进行供气，在实际工况中，需要与喷嘴腔3共同计算气量分配和总当量比。

本具体实施方式提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，扩展腔2的尾部还可以连接有喷射腔6；喷射腔6的横截面可以为环状，尾部呈开口状，喷射腔6可以为横截面逐渐缩小的锥型。请参见图4-5，喷射腔6设置于扩展腔2的端部，即扩展腔2的出口处，相较于扩展腔2而言，喷射腔6呈逐渐收缩的锥型；喷射腔6的设置，能够对出口的气流起到移动的限制作用，如图5所示的喷射腔6出口的气流轨迹，喷射腔6出口的气体形成气膜，并能够更好的对燃烧室4内部的火焰8形成包裹，以尽可能的隔离开火焰8与角落旋涡10，进而避免二者发生耦合，以扩大通过气流来抑制燃烧振荡的范围，提高对燃烧振荡的抑制效果。

本具体实施方式提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，导流腔1和扩展腔2相连接的位置的外侧、可以与燃烧室4的内壁相抵，请参见图2。锥型的扩展腔2位于燃烧室4的内部，在实际安装时，可以使扩展腔2从燃烧室4的后方插入，进而更好的保证导流转角处与燃烧室4前端的内壁相抵且齐平。

以下详细的就上述结合气动导流燃烧振荡抑制装置的各结构参数进行阐述：

在实际设计时，请参见图3-4，扩展腔2与导流腔1之间的夹角为α，喷射腔6与导流腔1之间的夹角为β；夹角α与夹角β之间可以满足：0＜β/α＜0.5，其中，夹角α的范围可以为15°-75°，进而更好的对防振装置出口的气流的流动轨迹进行控制。

进一步，从集气腔5进入导流腔1的气源压力为P₀，燃烧室4内的压力为P；则P₀与P之间可以满足：0.01MPa＜P₀-P＜3Mpa，进而保证进入燃烧室4的气流能够对内部的流场形成冲击，以调节燃烧室4内的流场结构。

上述结合气动导流燃烧振荡抑制装置，喷嘴腔3的外周面可以与导流腔1之间留有安装间隙H；喷嘴腔3的内径为D，在实际设计时，可以满足：0＜H/D＜0.25。

本具体实施方式提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，请参见图2-4，导流腔1和扩展腔2的横截面的宽度为d，扩展腔2的最小直径为D’，扩展腔2的最大直径为D”；可以满足：0.01＜d/D’＜0.03；0.006＜d/D”＜0.02。

需要说明的是，导流腔1和扩展腔2的横截面的宽度d请参见图4，即进入结合气动导流燃烧振荡抑制装置的气体的最大通流宽度。

本具体实施方式提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，结合气动导流燃烧振荡抑制装置的出口气体流速为U₀，喷嘴腔3的出口气体流速为U，可以满足：0.1＜U₀/U＜10；层流火焰8传播速度为S_L，可以满足0.5＜U₀/S_L＜10。

进一步，请参见图5，结合气动导流燃烧振荡抑制装置自身贡献等效长度L，主流气流运动的实际等效长度为L’，则L与L’之间可以满足：0.35＜L/L’＜0.8。

对不同结构的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，由于防振装置固体域的康恩达效应和环缝出口喷射气体的引射效应改变燃烧室4内的局部流场结构，使主流气流贴合其表面运动，固体域等效作用长度为L，实际作用长度L’代表主流气体贴合扩展腔2运动的总等效长度，请参见图5所示。对于固定的固体域气膜环缝实际作用长度L’的不同可以通过改变供气的流量和压力实现，以使得燃烧室4内的流场结构能够在一定范围内变化。

本具体实施方式提供的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，可以根据不同工况及设备需求调整气膜射流的速度，通过气流的引射作用代替原有固体域的康恩达效应的作用，进而起到气动防振环的作用；该防振装置通过调整不同的实体长度、实体喷射角度、环缝宽度、环缝倒角和喷射气体种类的在合理范围内组合，实现实体和气体组成的等效防振环长度、喷射角度、喷射气体的速度及穿透深度、不同气体的掺混比例，从而有效地扩大防振装置的作用范围，并能够减小实体防振装置的结构重量，改善扩展腔2部分的换热问题；上述气体可以为惰性气体或者参与反应的气体。

集气腔5用于供气，进入防振装置的气流经湍流栅格等装置将湍流度稳定在需求范围内，然后进入等宽度的扩展腔2通道，同时与环缝靠近火焰8一侧的高温壁面进行热交换，最后通过一定角度从出口喷入燃烧室4。

本发明还提供一种结合气动导流燃烧振荡抑制方法，可以包括步骤：

S1：将燃烧室4头部的喷嘴腔3和盖板11取下；即燃烧室4的头部为能够拆卸的设计，当盖板11拆卸后，燃烧室4的头部呈敞开状，进而能够实现对振荡抑制装置的装配；

S2：将结合气动导流燃烧振荡抑制装置套装在所述喷嘴腔3的外周面；

S3：将所述喷嘴腔3和所述盖板11安装至所述燃烧室4的头部，并使导流腔1和扩展腔2相连接的位置的外侧、与所述燃烧室4的内壁相抵。

以下详细就上述结合气动导流燃烧振荡抑制方法和装置进行阐述：

通过结合燃烧室4的实际工况并通过计算，来确定上述装置的具体结构和气量，包括根据具体燃烧室4的火焰扩张角来确定进口扩张角度，根据燃烧室4不同工况的主路空气流速来计算伴流高压气量。

具体步骤如下：

通过光学测量手段测量需要安装的头部在需求燃烧室或限制域内燃烧情况，根据测得的全工况双旋流耦合火焰张角确定气动防振装置扩展腔2和导流腔1之间的夹角，并将二者焊接后安装在燃烧室4的进口；在燃烧过程中，根据实际工况所需主路空气流量的一定比例对气动防振装置进行给气，并随不同工况进行调节，使得各工况喷射腔6出口气流射流作用范围符合要求。

确定扩展腔2和导流腔1之间的夹角步骤如下：将燃烧室4的头部安装在需求燃烧室或限制域内；通过高速摄像拍摄OH-PLIF或自发光等光学测量手段诊断所需全工况的不同形态双旋流耦合(L型、M型等)最大火焰张角；取测得的最大火焰张角60％-120％为气动防振装置的扩展腔和导流腔的夹角α，α的范围一般为15°-75°，将结合气动导流燃烧振荡抑制装置的扩展腔2和导流腔1按此角度用电弧焊满焊在一起后，再安装在原燃烧室头部安装环，并将整体安装在燃烧室进口。

确定喷射腔6给气量的步骤如下：根据需求燃烧室实际工况实时调节给气量，使喷射腔6出口气量与主路气量比例在5％-60％之间，具体比例要满足气动导流防振装置自身贡献等效长度L与主流气流运动的实际等效长度为L’之比满足：0.35＜L/L’＜0.8。

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 (8)

1.一种结合气动导流燃烧振荡抑制装置，其特征在于，包括相连通的导流腔(1)和扩展腔(2)，所述导流腔(1)的横截面和所述扩展腔(2)的横截面均为环状；

所述导流腔(1)的头部呈开口状，用于套装在喷嘴腔(3)的外周面；

所述扩展腔(2)为横截面逐渐增大的锥型，所述扩展腔(2)的尾部呈开口状，用于设置在燃烧室(4)的内部；

还包括与所述导流腔(1)的头部相连通的集气腔(5)；

所述集气腔(5)的横截面为环状，套装在所述喷嘴腔(3)的外周面，用于向所述导流腔(1)供高压气。

2.根据权利要求1所述的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，其特征在于，所述扩展腔(2)的尾部还连接有喷射腔(6)；

所述喷射腔(6)的横截面为环状，尾部呈开口状；

所述扩展腔(2)与所述导流腔(1)之间的夹角为α，所述喷射腔(6)与所述导流腔(1)之间的夹角为β；

夹角α与夹角β之间满足：0＜β/α＜0.5。

3.根据权利要求1所述的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，其特征在于，所述导流腔(1)和所述扩展腔(2)相连接的位置的外侧、与所述燃烧室(4)的内壁相抵。

4.根据权利要求1所述的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，其特征在于，所述集气腔(5)的气源压力为P₀，所述燃烧室(4)内的压力为P；

P₀与P之间满足：0.01MPa＜P₀-P＜3Mpa。

5.根据权利要求1所述的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，其特征在于，所述喷嘴腔(3)的外周面与所述导流腔(1)之间留有安装间隙H；

所述喷嘴腔(3)的内径为D，满足：0＜H/D＜0.25。

6.根据权利要求1所述的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，其特征在于，所述导流腔(1)和所述扩展腔(2)的横截面的宽度为d，所述扩展腔(2)的最小直径为D’，所述扩展腔(2)的最大直径为D”；满足：0.01＜d/D’＜0.03，0.006<d/D”<0.02。

7.根据权利要求1所述的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，其特征在于，所述结合气动导流燃烧振荡抑制装置的出口气体流速为U₀，所述喷嘴腔(3)的出口气体流速为U，满足：0.1＜U₀/U＜10。

8.一种结合气动导流燃烧振荡抑制方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的结合气动导流燃烧振荡抑制装置，包括步骤：

S1：将燃烧室(4)头部的喷嘴腔(3)和盖板(11)取下；

S2：将结合气动导流燃烧振荡抑制装置套装在所述喷嘴腔(3)的外周面；

S3：将所述喷嘴腔(3)和所述盖板(11)安装至所述燃烧室(4)的头部，并使导流腔(1)和扩展腔(2)相连接的位置的外侧、与所述燃烧室(4)的内壁相抵。

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