用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室和燃烧器

技术领域

本发明涉及能源与动力技术领域，尤其涉及一种用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室和燃烧器。

背景技术

燃气轮机是当下能源与动力领域的重要动力源之一，被广泛地应用于航天、航空、航海以及其他工业领域。燃气轮机给人类带来了巨大便利，同时也对全球气候造成不利的影响。因此，低排放燃烧成为先进燃气轮机燃烧室研究的关键技术之一，贫油预混预蒸发燃烧技术是目前最可行的低排放燃烧技术。为了满足燃烧室贫油预混燃烧，通过提高燃烧室头部空气流量，进而降低燃烧室头部当量比，这将对低负荷工作状态(点熄火)下燃烧稳定性产生严重的影响，也使贫油燃烧稳定性问题成为了发展多级旋流燃烧的根本瓶颈。

燃烧室点熄火性能决定发动机的稳定工作范围，易受环境因素的影响。发动机在高空高原、吸雨吸雹、进气畸变和过渡态等极端恶劣条件下工作时，往往面临随时熄火、随时点火的可能。中心分级燃烧室点熄火过程主燃级旋流空气不易形成点火火核并诱导其向头部传播，容易导致点火火核被吹熄或者输送到回流区下游。预燃级旋流卷吸部分主燃级空气进入火焰根部，将会导致该区域流场改变和油气比下降，进而导致局部熄火或者全局熄火。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室，以用于改善燃气轮机燃烧室点熄火性能。

本发明还提出一种燃烧器。

根据本发明第一方面实施例的用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室，包括：

预燃级结构，所述预燃级结构包括中心体以及设置在所述中心体外围的预燃级旋流器和预燃级外环；

主燃级结构，所述主燃级结构设置在所述预燃级结构的外围，所述主燃级结构包括主燃级旋流器和主燃级外环；

燃烧室主体，包括端壁和侧壁，所述端壁连接所述主燃级外环和所述侧壁；

导流装置，所述导流装置设于所述端壁的内表面和/或所述主燃级外环的出口端面，且所述导流装置形成有导流通道，所述导流通道的入口端与所述主燃级结构的出口端对接，所述导流通道的出口端连通所述燃烧室主体的内腔；

点火嘴，所述点火嘴设于所述侧壁，所述导流通道的内壁朝向所述侧壁倾斜设置，以引导气流流向所述点火嘴。

通过改变燃烧室内部流场结构，进而实现对燃烧室点熄火性能的改善。据康恩达效应可知，即流体(水流或气流)有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向，主燃级气流贴合导流装置的内表面流动，增加了主燃级径向速度。同时，点火嘴设在燃烧室主体的侧壁上，导流装置朝向侧壁倾斜设置，如此，促使了主燃级气流流向点火电嘴，进而使得点火嘴附近的空气和燃料更易于被电火花引燃，最终达到改善点火性能的效果。

根据本发明的一个实施例，所述预然级结构、所述主燃级结构、所述燃烧室主体和所述导流装置均同轴设置。

根据本发明的一个实施例，所述导流装置呈弧形结构。

根据本发明的一个实施例，所述导流装置环绕所述主燃级结构设置，并设于所述主燃级结构邻近所述点火嘴的一侧。

根据本发明的一个实施例，所述导流装置的入口端和出口端的横截面均呈圆形。

根据本发明的一个实施例，所述预燃级外环出口端面与所述主燃级外环出口端面共面设置。

根据本发明的一个实施例，所述主燃级外环出口端面和所述端壁内表面共面设置。

根据本发明的一个实施例，定义所述导流装置与所述主燃级外环内壁面的所在面的距离为H，定义所述主燃级外环的环腔通道直径为D，定义Ω＝H/D，所述Ω的取值范围为：0≤Ω≤0.3。

根据本发明的一个实施例，定义所述点火嘴与所述燃烧室主体端壁内侧的距离为L1，所述导流装置在远离所述主燃级结构方向上的高度为L2，定义δ＝L2/L1，所述δ的取值范围为：0.3≤δ≤0.7。

根据本发明第二方面实施例的燃烧器，包括上述任一项实施例所述的用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室，所述燃烧器为旋流杯结构燃烧器、多旋流燃烧器或中心分级燃烧器。

根据本发明实施例的燃烧器，由于其包括上述燃烧室，因此具有上述燃烧室的所有技术效果，此处不再赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明实施例提供的用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室局部结构示意图；

图2是本发明实施例提供的燃烧室内部流线示意图；

图3是本发明一实施例提供的用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室局部剖视图；

图4是本发明另一实施例提供的用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室局部剖视图；

图5是图4的正视图；

图6是本发明又一实施例提供的用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室局部剖视图；

图7是图6的正视图；

图8是本发明一实施例中主燃级右旋状态下导流装置的安装方式结构图；

图9是图8的正视图；

图10是本发明一实施例中主燃级左旋状态下导流装置的安装方式结构图；

图11是图10的正视图；

图12是本发明一实施例中燃气轮机燃烧室内液滴体积分数分布示意图。

附图标记：

1、中心体；2、预燃级外环；3、主燃级外环；4、端壁；5、点火嘴；6、侧壁；7、预燃级旋流器；8、主燃级旋流器；11、导流装置；12、导流通道。

具体实施方式

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

在本发明实施例的描述中，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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

请结合参照图1至图3，本发明实施例提供了一种用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室，包括预燃级结构、主燃级结构、燃烧室主体、导流装置11及点火嘴5，预燃级结构包括中心体1以及设置在中心体1外围的预燃级旋流器7和预燃级外环2；主燃级结构设置在预燃级结构的外围，主燃级结构包括主燃级旋流器8和主燃级外环3；燃烧室主体包括端壁4和侧壁6，端壁4连接主燃级外环3和侧壁6；导流装置11设于端壁4的内表面和/或主燃级外环3的外环出口端面，且导流装置11形成有导流通道12，导流通道12的入口端与主燃级结构的出口端对接，导流通道12的出口端连通燃烧室主体的内腔；点火嘴5设于侧壁6，导流通道12的内壁朝向侧壁6倾斜设置，以引导气流流向点火嘴5。

通过改变燃烧室内部流场结构，进而实现对燃烧室点熄火性能的改善。据康达效应可知，即流体(水流或气流)有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向，主燃级气流贴合导流装置11的内表面流动，增加了主燃级径向速度。同时，点火嘴5设在燃烧室主体的侧壁6上，导流装置11朝向侧壁6倾斜设置，如此，促使了主燃级气流流向点火电嘴，进而使得点火嘴5附近的空气和燃料更易于被电火花引燃，最终达到改善点火性能的效果。

可以理解的，导流装置11通过整体加工、焊接或紧固件连接的方式与端壁4和/或主燃级外环3连接。当然，导流装置11和端壁4和/或主燃级外环3之间的连接方式不受此处举例限制。导流装置11可呈圆环状也可以呈扇形的圆弧状，在此不做限定，只要能引导流体即可，例如导流体呈空心的圆台状，也即呈外扩的喇叭状，以在主燃级气流的引射作用下，预燃级空气扩张角变大，使得预燃级燃料经由预燃级结构和主燃级结构的输运作用而更多地到达点火嘴5附近，进而改善点火性能。

如图1所示，在一实施例中，可定义α为导流装置11相对于主燃级外环3的内壁的倾斜角度，经理论分析和实验验证α参数范围为：14°≤α<90°，以便于引导流体朝向点火嘴5方向流动，具体角度可根据点火嘴5的设置位置进行调整，例如α取14°时，导流装置11的倾斜角度较小，则点火嘴5距离导流装置11较远，α取50°时，导流装置11的倾斜角度适中，则此时对应的点火嘴5与导流装置11的距离适中，α所取的角度越大，点火嘴5距离导流装置11越远。

根据本发明的一个实施例，预燃级结构、主燃级结构、燃烧室主体和导流装置11均同轴设置。

根据本发明的其中一个实施例，导流装置11沿中心体1的轴向方向延伸。值得说明的是，导流装置11还可沿其它方向进行延伸，只要导流装置11内形成有内壁朝向侧壁6倾斜设置的导流通道12即可。需要说明的是，将预燃级结构、主燃级结构、燃烧室主体和导流装置11均同轴设置，当空气/燃料流过导流装置11的内侧壁6面附近时，根据康达效应，空气/燃料会偏离原来流动方向，附着在导流装置11的表面流动。如此，导流装置11能够有效地改变主预燃级环腔出口空气/燃料的流动状态，进而影响空气/燃料在整个燃烧室内的空间分布，使得空气/燃料流向点火嘴5，有利于点火嘴5点火，从而达到优化燃气轮机燃烧室点火性能的效果。

请结合参照图4中图7，根据本发明的一个实施例，导流装置11呈弧形结构。

本实施例中，导流装置11呈弧形结构设置，以与主燃级外环3相适配，便于引导流体。可以理解的，导流装置11可以是圆环结构或者半圆弧结构，也可以是四分之一圆弧结构，以在引导流体至点火嘴5的情况下节省材料，在此对导流装置11的弧形长度不做限定。

根据本发明的一个实施例，导流装置11环绕主燃级结构设置，并设于主燃级结构邻近点火嘴5的一侧。

请结合参照图5和图7，示例性的，定义导流装置11在端面的投影扇形圆形角为β,则相应的数值范围为45°≤β≤360°，在此圆形角范围内导流装置11能够更好地改善燃气轮机燃烧室点熄火性能。β取45°时，导流装置11位于上方，点火嘴5也位于燃烧室的上方，则此时导流装置11邻近点火嘴5设置，以更好地将流体引导点火嘴5。β取360°时，导流装置11为圆环状，以全方位引导流体。

请结合参照图8至图11，于其他实施例中，以导流装置11投影二分之一扇形结构为例，以燃烧室轴向竖直平面为基准，定义导流装置11轴向中心截面与燃烧室轴向竖直平面之间的夹角为γ，规定逆时针方向γ为负值，顺时针方向γ为正值。空气/燃料流经主预燃级旋流器7时，形成螺旋式向外扩张的运动轨迹。主燃级旋流器8和预燃级旋流器7有左旋和右旋之分，根据康达效应，不同旋向下，导流装置11安装位置对空气/燃料扩张角产生一定的影响。图9表示主燃级右旋状态下导流装置11安装方式。相应的数值范围为-45°≤γ≤0°，可推广到导流装置11投影扇形对应的任意圆心角n(除360°)，则相应的参数范围为-(n-45°)/2<γ≤0°。图11表示主燃级左旋状态下导流装置11安装方式，则相应的数值范围为0°≤γ≤45°，可推广到导流装置11投影扇形对应的任意圆心角n(除360°)。则相应的参数范围为0°≤γ<(n-45°)/2。按照上述数值范围安装导流装置11，能够更好地改善燃气轮机燃烧室点熄火性能。

主预燃级旋流在燃烧室内形成内外两股射流，在两股射流之间形成三个回流区：中心回流区，角回流区和台阶回流区。角回流区和中心回流区是由主预燃级旋流扩张偏离中心轴线所致。由于主燃级出口空气流量较大，在导流装置11作用下使得主燃级空气扩张角增加，以致更多空气沿着燃烧室侧壁6流动。另外，在主预燃级空气速度差作用下导致两股射流之间的内剪切层压力降低，迫使预燃级空气/燃料沿偏向于燃烧室侧壁6方向流动，减小了点火嘴5附近空气/燃油层厚度，使得更多燃油到达点火嘴5附近，从而提高了点火成功的概率。如图12所示，可以理解的，安装导流装置11后油雾张角较未安装导流装置11油雾张角较大，中心回流区高度增加，油雾液滴更容易到达点火嘴5附近，易于点火成功。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，导流装置11的入口端和出口端的横截面均呈圆形。

本实施例中，导流装置11的入口端和出口端的横截面呈圆形，以与主燃级结构的圆形相适配，同时，以便于主燃级旋流器8产生的旋流沿导流装置11的圆形结构旋转流动，使得流体流动更稳定，以优化点火性能。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，预燃级外环2出口端面与主燃级外环3出口端面共面设置，使得预燃级旋流器7和主燃级旋流器8旋流流动更稳定。

根据本发明的一个实施例，主燃级外环3出口端面和端壁4内表面共面设置。以便于在燃烧室内安装导流装置11等其他设备。

根据本发明的一个实施例，定义导流装置11与主燃级外环3内壁面的所在面的距离为H，定义主燃级外环3的环腔通道直径为D，定义Ω＝H/D，Ω的取值范围为：0≤Ω≤0.3。

根据本发明的一个实施例，定义点火嘴5与燃烧室主体端壁4内侧的距离为L1，导流装置11在远离主燃级结构方向上的高度为L2，定义δ＝L2/L1，δ的取值范围为：0.3≤δ≤0.7。

根据本发明第二方面实施例的燃烧器，包括上述任一项实施例的用于优化燃气轮机点熄火的燃烧室，燃烧器为旋流杯结构燃烧器、多旋流燃烧器或中心分级燃烧器。

根据本发明实施例的燃烧器，由于其包括上述燃烧室，因此具有上述燃烧室的所有技术效果，此处不再赘述。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。