燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法与流程

本发明特别涉及一种燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法。

背景技术：

为了满足适航要求，航空发动机采用了贫油燃烧技术以降低nox排放，但贫油燃烧容易引发振荡燃烧，严重时会导致燃烧室热端组件烧蚀。另外，为了降低nox排放，需要将更多的空气分配至燃烧室头部，以降低燃烧区的当量比，而此时火焰筒冷却气减少，火焰筒壁面的声学阻抗增大，也加剧了振荡燃烧的程度。

为了抑制振荡燃烧，目前有主动控制和被动控制两种实施方案。对于主动控制，需要实时监测燃烧室内脉动压力或其他气动参数的动态信号，根据脉动压力的振荡频率以及波形，控制系统通过高速作动元件对燃料供给或在气路上增加一个反相的激励，以降低燃烧室内的脉动压力。但这需要较为复杂的控制系统，且对传感器本身的要求很高。对于被动控制而言，需要通过试验辨识振荡燃烧发生的条件或振荡燃烧产生的机制，根据振荡燃烧的实际情况，对燃烧室结构进行改善设计，或改变供油方式。

对于中心分级燃烧技术而言，如图1所示，通过燃油的分级比例调节，可以使更多的燃料供入预燃级，从而实现降低振荡燃烧的强度。但降低振荡燃烧强度的同时，又会增加nox排放，使得排放裕度降低。为了保证排放特性，则需要拓宽稳定燃烧的边界，即需要采用新设计或系统控制手段使图1中的振荡边界(虚线，即振荡幅值突增的位置)往坐标轴左边移动。

对于中心分级燃烧模式，通过光学诊断技术，目前已经了解到的振荡燃烧主要驱动机制之一为主燃级和预燃级火焰的相互作用及其在湍流或声波扰动下的响应，该机制主要与主燃级以及预燃级的旋流数有关。

常规的燃烧室气动热力方案设计结果大都只考虑了稳态工作状态或稳定燃烧状态，而无法满足过渡态或非稳定燃烧状态，例如振荡燃烧对气动热力的影响。为了抑制振荡燃烧，保证安全性，不得不牺牲例如排放和出口温度分布等性能，因此，常规的燃烧室气动热力设计方案难以同时保证各项指标均满足。

本领域需要一种燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法，抑制燃烧室的振荡燃烧现象，拓宽稳定燃烧边界，提升燃烧性能，保证燃烧室的寿命以及燃气轮机的性能以及寿命。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种燃烧室。

本发明的另一个目的是提供一种燃气轮机。

本发明的又一个目的是提供一种抑制振荡燃烧的方法。

根据本发明一个方面的一种燃烧室，包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，所述主燃级具有主燃级内壁和主燃级外壁，以及从所述主燃级内壁径向凸伸的主燃级上游端壁；所述主燃级内壁和所述主燃级外壁之间的径向空间提供用于空气与燃油进行掺混的主燃级通道，其入口端接收来自主燃级进气部的空气，出口端用于连通所述燃烧室的火焰筒容腔；所述主燃级进气部包括主燃级第一进气部以及主燃级第二进气部；所述主燃级第一进气部包括贯穿所述主燃级上游端壁的轴向厚度的具有声学节流作用的第一孔道。

在所述燃烧室的实施例中，所述具有声学节流作用的第一孔道的结构满足：

其中，p′4为火焰筒内的脉动压力幅值，p4为火焰筒内的平均压力，δpori为声学节流孔的过孔压降，常数β为第一孔道的声能转为动能的能量转换效率。

在所述燃烧室的实施例中，所述第二进气部具有由所述主燃级上游端壁以及从所述主燃级外壁径向凸伸的主燃级下游端壁之间的轴向空间提供的第二进气通道，所述第二进气通道内设置有旋流器。

在所述燃烧室的实施例中，所述主燃级第一进气部与所述主燃级第二进气部分别独立地向所述主燃级通道输送空气，且从两进气部输入的空气在所述主燃级通道内混合。

在所述燃烧室的实施例中，所述第一孔道轴线与轴向平行。

在所述燃烧室的实施例中，所述第一孔道的轴线与轴向呈正向或负向的倾斜角。

在所述燃烧室的实施例中，所述主燃级通道的侧壁设置多点燃油喷射孔，以喷射燃油与进入所述主燃级通道的空气进行掺混。

根据本发明另一个方面的一种燃烧室，包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，用于与主燃级喷射的燃油进行掺混的空气通过主燃级进气部进入所述主燃级，所述燃烧室包括稳定状态以及振荡燃烧状态，所述主燃级进气部包括主燃级第一进气部以及主燃级第二进气部，所述主燃级第一进气部具有第一孔道，在所述稳定状态，空气可分别通过所述主燃级第一进气部与所述主燃级第二进气部进入所述主燃级，在所述振荡燃烧状态，所述主燃级第一进气部在燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡燃烧压力波环境下，所述第一孔道发生的节流作用使通过所述主燃级第一进气部进入所述主燃级的空气的比例降低，通过所述主燃级第二进气部进入所述主燃级的空气的比例增大，从而调节了主燃级的旋流数。

根据本发明又一个方面的一种燃气轮机，包括以上任意一项所述的燃烧室。

根据本发明再一个方面的一种抑制振荡燃烧的方法，包括：

设置多条空气流路为燃烧室的主燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为所述主燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，所述多条空气流路的一条空气流路在火焰筒容腔传播的振荡压力波环境下产生的节流作用使得该空气流路的空气流量减小，所述多条空气流路中的其他空气流路的空气流量的比例相应增大，由进气流路的变化来调节主燃级出口旋流数。

综上，本发明的进步效果包括，通过设置具有声学节流作用的进气孔道，既保证了稳定状态下的燃烧性能，扩宽了振荡燃烧边界，能使更多的燃油分配至主燃级，具有进一步降低排放的潜力，改善出口温度分布品质；即使发生振荡燃烧，通过压力波的声学节流作用，封闭第一进气部，改变了主燃级出口射流与预燃级出口射流的剪切作用，通过改变剪切区的速度梯度改变了剪切区火焰(主燃级和预燃级火焰的相互作用)对湍流或声波的响应特性，从而减弱燃烧区的释热驱动力，抑制振荡燃烧的压力幅值，保证了燃烧的稳定性，提升了燃烧室以及燃气轮机的性能以及寿命。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是燃油分级比对脉动压力和排放的影响示意图。

图2是脉动压力以及燃烧室过孔压降达到声学节流效应的关系。

图3是一个或多个实施例的燃烧室的空气流动路径示意图。

图4是一个或多个实施例的燃烧室头部在稳定状态的空气流路示意图。

图5是一个或多个实施例的燃烧室头部在振荡燃烧状态的空气流路示意图。

图6是一个或多个实施例的燃烧室头部的主燃级结构示意图。

图7是一个或多个实施例的第一进气部的结构示意图。

图8是根据图6的主燃级结构气体量分析示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

参考图3，燃气轮机的燃烧室结构包括前置扩压器1、外机匣2、内机匣9、头部8、燃油喷嘴3、点火电嘴5、外环火焰筒6和内环火焰筒11；其中头部8可以采用包括旋流器进气结构，外环火焰筒6和内环火焰筒11均可采用气膜冷却方式。稳定燃烧状态下，空气从前置扩压器1出口流出，分成三股进入火焰筒容腔12：空气7通过头部8旋流器通道进入火焰筒容腔12；空气4通过外环火焰筒6冷却孔进入火焰筒容腔12；空气10通过内环火焰筒11冷却孔进入火焰筒容腔12。

需要注意的是，下述实施例的轴向、径向表示的是燃烧室头部8的轴向与径向，燃烧室头部8如图3所示可以是倾斜于发动机轴向布置的，因此下述实施例的轴向、径向可能与发动机的轴向、径向不一定相同。

参考图4，在一实施例中，当燃烧室处于稳定状态时，对于经过头部8进入火焰筒容腔12的空气，与振荡燃烧主要主动机制之一的主燃级与预燃级火焰的相互作用相关的空气流路包括，分别独立地从主燃级进气部进入主燃级的空气流路22、23，以及经过预燃级旋流器20进入的空气流路21，空气流路22通过主燃级第一进气部100输入主燃级通道300，空气流路23通过主燃级第二进气部200输入主燃级通道300，空气流路22、23在主燃级通道300中与主燃级燃油喷孔18喷射的燃油掺混，并从主燃级通道300出口端流出，在交汇区24与空气流路21交汇。从参考图5，当燃烧室处于振荡燃烧状态时，第一进气部100关闭，空气无法通过空气流路22进入，而仅能从空气流路23进入主燃级通道300进而达到交汇区24，如此即可达到抑制振荡燃烧的的效果的原理在于，燃烧室内的非定常扰动(如湍流或声波)会引发交汇区24处剪切区火焰(在剪切区，主燃级火焰和预燃级火焰相互作用)的释热波动，这是驱动振荡燃烧的主要原因之一。振荡燃烧的幅值由两部分决定：燃烧区的释热驱动以及流动边界的阻尼，驱动越强，则幅值越大，一般而言，特定工况下燃烧室的阻尼条件可视为不变。在振荡燃烧状态下，通过声学节流效应关闭第一进气部100，将由空气流路21、22混合输出主燃级通道300的主燃级出口射流改变为仅由空气流路22输出主燃级通道300的主燃级出口射流，此时主燃级出口的旋流数发生变化，从而改变了主燃级出口射流与预燃级出口射流剪切区内的速度梯度从而改变了剪切区火焰对扰动的响应特性，减弱燃烧区的释热驱动力，以降低振荡的幅值。

参考图4至图6，在一个或多个实施例中，头部8的具体结构可以是，头部8包括主燃级以及预燃级。预燃级可以包括预燃级燃油喷嘴19以及预燃级旋流器20；主燃级可以包括主燃级内环壁14和主燃级外环壁13，从主燃级内环壁14径向凸伸的主燃级上游端壁17以及从主燃级外环壁13径向凸伸的主燃级下游端壁171。主燃级内环壁14和主燃级外环壁13之间的径向空间提供主燃级通道300，从主燃级进气部进入的空气，经主燃级通道300的入口端进入主燃级通道300，并与设置于主燃级通道300侧壁的主燃级燃油喷射孔18喷出的燃油进行掺混，并从与火焰筒容腔12连通的主燃级通道300的出口端旋转射流而出。优选地，主燃级燃油喷射孔18为多点燃油喷射孔，以增强燃油与空气的雾化掺混效果。

第二进气部200的具体结构可以是主燃级上游端壁17以及主燃级下游端壁171之间的轴向空间提供的第二进气通道，第二进气通道内设置有旋流器16。第一进气部100的具体结构可以是具有如图6至图8所示的贯穿主燃级上游端壁17的轴向厚度的具有声学节流作用的第一孔道25。如图4所示，主燃级第一进气部100、主燃级第二进气部200可以是分别独立地向主燃级通道300输送空气，空气流路21、22两者在进入主燃级通道300之后才发生相互作用。可以理解到，图5所示的第一孔道25的声学节流作用在振荡燃烧状态下封闭使得气体无法从第一孔道25通过而关闭第一进气部100，是一种理想的节流状态的例子，但不应以此为限。也可以采用减小第一进气部100的进气流量的实施例。第一孔道25具有声学节流作用的原理在于，当燃烧室处于振荡燃烧状态时，振荡燃烧的压力波会对特定结构的孔道通过的气体产生声学节流作用，增大其实际的过孔压降。具体的现象可以参考图2。

图2为发明人发现的燃烧室火焰筒组件的冷却孔的声学节流作用，纵坐标为实际过孔压降δp与火焰筒容腔12的平均压力p4的比值的3/2次方，即横坐标为火焰筒容腔12的脉动压力幅值|p′4|(经傅里叶变换后主频率对应的幅值)与平均压力p4的百分比，即由于燃烧室内的流动马赫数一般在0.2以下，因此在通常状态(例如没有振荡燃烧的情况)，燃烧室各处进气通道的压降由其流阻特性决定，即只与有效面积acd和进气组合参数有关，若不变，则压降由acd决定。图2显示的是在不变的情况下，通过提高油气比，使燃烧室发生振荡燃烧，并且振荡幅值随油气比提高而提高的试验中观察到的燃烧室压降随振荡幅值变化的试验结果。试验数据分析结果表明，火焰筒的冷却孔道在振荡燃烧的声场条件下发生了节流，使得火焰筒冷却气的acd减小，整个燃烧室流通acd减小，导致燃烧室压降增大。图中的斜线(图中的y＝x)代表触发节流效应所对应的脉动压力幅值；斜线左上侧的范围内，脉动压力无法使得燃烧室压降发生变化，斜线右下侧的范围内，脉动压力会导致燃烧室压降增大，当脉动压力增大到一定程度时，火焰筒进气完全“堵塞”，所有进气只能从头部进入火焰筒。通过理论推导，可以得到声学节流的触发条件如下：

其中，p′4为火焰筒内的脉动压力幅值，p4为火焰筒内的平均压力，δpori为声学节流孔的设计过孔压降，常数β为具有声学节流作用的第一孔道的声能转为动能的能量转换效率。常数β与孔直径d、孔长度l有关，d越小或l越大，则β越大。例如从图2中可知，

1)设计压降为3％(油气比较低，无振荡燃烧的情况)的孔道，在脉动压力小于0.5％，此时未出现声学节流，因此燃烧室内的实际压降与设计压降基本相同；当脉动压力在0.5％-3％之间，小部分火焰筒组件(比如火焰筒内环或外环)率先发生节流作用，燃烧室压降略微提高；当脉动个压力大于3％后，大部分火焰筒组件发生节流，燃烧室压降明显增大；

2)设计压降为5％的情况与3％的情况相似，但由于设计压降增大，要求脉动压力超过1％时，触发小部分火焰筒组件的节流。这种分级节流的形式(先小部分火焰筒组件，再大部分火焰筒组件)与冷却孔的开孔形式有关；另外设计压降为3％和5％的试验结果也证明了节流与压降有关。

基于上述原理，发明人创造性地将在进行燃烧室试验中发现的火焰筒冷却孔声学节流的不利现象“变废为宝”(火焰筒冷却孔的声学节流会降低火焰筒冷效，不利于火焰筒冷却)，应用至头部主燃级设计，即通过设计具有声学节流特征的主燃级进气孔以抑制振荡燃烧。

参考图7，在一个或多个实施例中，具有声学节流作用的第一孔道25的结构参数包括孔的总数量n、孔直径d和孔长度l。为了具有声学节流作用，需要根据第一孔道25的过孔设计压降选择适当的孔直径d和孔长度l。并且根据实际需求，第一孔道25的形状可以是其轴线与轴向平行的直孔形孔道251，或者是与轴向呈正向倾斜角α的斜孔形孔道252，或与轴向呈负向倾斜角-α的斜孔形孔道253，以保证稳定状态下主燃级出口旋流数，具体可以通过计算流体力学(cfd)方法评估。在振荡燃烧状态，因声学节流作用关闭第一孔道25后的主燃级出口旋流数仅与第二进气部的旋流器20的旋流叶片的构型有关，具体可以通过计算流体力学(cfd)方法评估。参考图8，对于第一进气部100的空气流量为w1以及第二进气部200的空气流量w2，因此经过主燃级燃油喷射孔18的截面26的空气量为w1+w2；经过主燃级通道300出口截面27射流的空气流量为w1+w2。当燃烧室处于稳定燃烧状态时，w1＝a，w2＝b；振荡燃烧时，由于第一孔道25的声学节流作用，此时w1＝0，w2＝a+b；由于总进气流量可以结合cfd方法，通过头部进气局部优化，尽量保证主燃级的进气流量不发生显著变化或者这种变化量很小，因此经过主燃级燃油喷射孔截面26的空气流量始终为w1+w2≈a+b，因此，主燃级通道300内的轴向流速在稳定燃烧或振荡燃烧条件下基本保持不变，对主燃级燃油喷射孔18喷射的燃油的气动雾化效果基本不变，喷出的主燃级燃油在主燃级通道内的预混时间tpremix也基本不变。而燃烧室稳定状态时主燃级通道300的出口截面27处射流旋流数到振荡燃烧状态时主燃级通道300的出口截面27处射流旋流数的变化方向(减小或增大)及变化程度，可以通过设计如图7所示的第一孔道的结构尺寸总数量n、孔直径d、倾斜正负方向以及倾斜角α及第一孔道的进气量比值a/(a+b)予以实现，可通过cfd方法初步计算。实际效果可以通过光学试验或参考国内外已公布的试验数据，获取不同强度(可通过调节燃油分级比实现)的振荡燃烧条件下交汇区24的rayleigh指数(rayleighindex)以及流场的分布情况；根据rayleigh指数分布和流场分布，以选择主燃级旋流数的调整方向和调整程度，确定第一孔道的设计尺寸以及a/(a+b)、倾斜正负方向以及倾斜角α等主燃级气动设计参数。

从上述介绍可知，抑制燃气轮机的燃烧室的振荡燃烧的方法可以包括以下步骤：

设置多条空气流路为燃烧室的主燃级提供空气，例如设置空气流路22、23为主燃级提供空气；

在稳定状态下，多条空气流路为主燃级提供空气；例如在稳定状态下，空气流路22、23为主燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，多条空气流路的一条空气流路受从火焰筒容腔传播的振荡压力波的节流作用使得该空气流路的空气流量减小，其它的空气流路的空气流量相应增大；例如在振荡燃烧状态下，空气流路22受到火焰筒容腔传播的振荡压力波的声学节流作用而关闭，空气总量大致不变，空气从空气流路23进入主燃级，空气流路23的空气流量增大，从而改变了主燃级出口射流与预燃级出口射流剪切区内的速度梯度从而改变了剪切区火焰对扰动的响应特性，减弱燃烧区的释热驱动力，以降低振荡的幅值。

综上可知，采用以上实施例的燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的有益效果包括通过设置具有声学节流作用的进气孔道，既保证了稳定状态下的燃烧性能，扩宽了振荡燃烧边界，能使更多的燃油分配至主燃级，具有进一步降低排放的潜力，改善出口温度分布品质；即使发生振荡燃烧，进气孔在压力波的作用下发生节流，使第一进气部的进气量比例降低(甚至完全节流)，使第二进气部的进气量的比例提高，改变主燃级的旋流数，影响主燃级出口射流与预燃级出口射流的剪切作用(即剪切层处的速度梯度)，改变了剪切层火焰(主燃级火焰与预燃级火焰相互作用区的火焰)对湍流或声场扰动的响应，从而弱化火焰释热对扰动的响应，进而减弱燃烧区的释热驱动，抑制振荡燃烧的压力幅值，进一步拓宽振荡燃烧边界，保证了燃烧的稳定性，提升了燃烧室以及燃气轮机的性能以及寿命。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

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