燃烧振荡控制装置、方法及燃烧室与流程

1.本发明涉及能源动力技术领域，尤其涉及一种燃烧振荡控制装置、方法及燃烧室。


背景技术：

2.化石燃料的燃烧仍是当今获取能源动力的主要方式之一，而燃气轮机是当今能源动力领域的重要装备之一，被广泛的应用于航空、航海和发电等行业中。其中燃气轮机燃烧室是整个燃气轮机的核心部件和动力源头。但随着越来越严格的污染物排放要求，为了减少以氮氧化物(nox)为主的污染物排放，先进低排放燃烧室多采用贫油预混燃烧技术，燃烧室常常在临近熄火的工作状态下运行，因此对外界的扰动十分敏感，容易受到外界扰动，产生释热率脉动。当燃烧室内的释热率脉动与燃烧系统声学发生耦合时(可简单理解为满足瑞利准则)，则容易引起大幅度的释热率脉动和压力脉动，燃烧室内的大幅度的压力脉动和释热脉动可能会使燃烧室产生结构损伤，进而可能影响燃烧室甚至整个动力或能源装备系统的稳定运行和安全工作。因此，燃烧振荡是现代动力与能源装备必须尽力规避的。
3.当燃烧室内的发生燃烧振荡时，燃烧室内的振荡幅值和释热脉动强度是无法进行控制的，完全是由燃烧室内的声学特性和火焰的相关物理量决定的。因此，在进行燃烧室开发时，希望能在实验台上复现整机的燃烧振荡特性，或者是在很宽的声学条件下测试燃烧室的综合振荡特性，以便能够在进入整机测试前，单独地对燃烧室的燃烧振荡特性进行测试和优化，降低整机研发阶段的风险。在燃烧室研发阶段，针对真实燃烧室开展燃烧振荡的实验，由于燃烧室上下游结构受实验台本身设计的影响，一般难以改动，固定的上下游结构导致声学特性单一，无法确保能复现整机时出现的燃烧振荡特性(比如频率或幅值与整机的无法对应)，或只能出现个别的燃烧振荡特性，而不具备调节能力，无法实现对一款燃烧室在多种声学条件下测试其燃烧振荡特性，大大降低了实验和开发效率。


技术实现要素：

4.本发明提供一种燃烧振荡控制装置、方法及燃烧室，用以解决现有技术中由于燃烧室结构固定，难以有效控制燃烧振荡的缺陷，实现对燃烧室内的燃烧振荡模态和燃烧振荡的强度有效调控的目的。
5.本发明提供一种燃烧振荡控制装置，包括控制机匣，所述控制机匣的一端设有入口，所述入口内设有可调通道机构，所述控制机匣的另一端设有出口，所述控制机匣内设有可调声学共振器，所述控制机匣内位于所述可调通道机构与所述出口之间的位置处设有可调孔板；
6.其中，所述可调通道机构包括堵塞部和通道部，所述堵塞部沿所述控制机匣径向的堵塞截面可调节，所述通道部沿所述控制机匣轴向的通道长度均可调节，所述可调孔板沿所述控制机匣轴向的位置可调节。
7.根据本发明提供的燃烧振荡控制装置，所述堵塞部包括第一伸缩板，所述通道部包括第二伸缩板，所述第一伸缩板垂直于所述控制机匣设置，所述第二伸缩板垂直于所述
第一伸缩板设置，所述第一伸缩板沿所述控制机匣径向的长度可伸缩调节，所述第二伸缩板沿所述控制机匣轴向的长度可伸缩调节。
8.根据本发明提供的燃烧振荡控制装置，所述堵塞部包括第一堵塞板，所述通道部包括第二堵塞板，所述第一堵塞板垂直于所述控制机匣设置，所述第二堵塞板与所述第一堵塞板转动连接。
9.根据本发明提供的燃烧振荡控制装置，所述可调声学共振器包括共振器颈部、共振器腔体和共振器盖板，所述共振器盖板设于所述共振器腔体内并与所述共振器腔体螺纹连接，所述共振器盖板通过螺纹在所述共振器腔体内移动达到对所述可调声学共振器的体积调节。
10.根据本发明提供的燃烧振荡控制装置，所述可调声学共振器设有两个，且两个所述可调声学共振器对称布置在所述控制机匣内壁上。
11.根据本发明提供的燃烧振荡控制装置，所述可调孔板包括多孔板和移动调节机构，所述多孔板通过所述移动调节机构与所述控制机匣内壁连接，所述多孔板沿所述控制机匣的轴向垂直设置，并通过所述移动调节机构沿所述控制机匣的轴向可移动设置。
12.根据本发明提供的燃烧振荡控制装置，所述移动调节机构包括滑轨，所述滑轨沿所述控制机匣的轴向布置。
13.本发明还提供一种燃烧振荡控制方法，包括：
14.通过在燃烧出口段设置堵塞通道，获取第一参数值和第二参数值，所述第一参数值为所述堵塞通道的堵塞截面面积，所述第二参数值为所述堵塞通道长度；
15.通过在燃烧出口段且位于所述堵塞通道后段设置共振器，获取第三参数值，所述第三参数值为所述共振器强度；
16.在燃烧出口段且位于所述堵塞通道后段设置多孔板，获取第四参数值，所示第四参数值为所述多孔板到所述堵塞通道段长度；
17.通过调节所述第一参数值、所述第二参数值、所述第三参数值以及所述第四参数值控制燃烧振荡的频率和幅值。
18.本发明提供一种燃烧室，包括进气段、燃烧段和排气段，所述燃烧段与所述排气段之间设有如上所述的燃烧振荡控制装置。
19.根据本发明提供的燃烧室，所述燃烧段包括火焰筒，所述火焰筒的出口连接所述可调通道机构，所述控制机匣与所述排气段连接处设有临界孔板。
20.本发明提供的燃烧振荡控制装置、方法及燃烧室，通过在控制机匣入口内设置可调通道机构，可调通道机构沿控制机匣径向的堵塞截面以及沿控制机匣轴向的通道长度均可调节，从而可以改变燃烧出口段直径和出口长度来实现对燃烧振荡模式和振荡强度的调节；通过在控制机匣内设置可调声学共振器来实现对不同燃烧振荡模式下燃烧振荡强度的削弱；通过在控制机匣内位于可调通道机构与控制机匣出口之间的位置处设有可调孔板，可调孔板沿控制机匣轴向的位置可调节，通过改变燃烧出口段声边界的相对位置来实现对燃烧振荡频率和振荡幅值的改变。该装置安装于燃烧室出口，通过综合调控燃烧室出口的截面积、出口长度、共振器强度以及燃烧室出口声边界的各项参数来调节燃烧室燃烧振荡的幅值和频率，实现对燃烧室燃烧振荡幅值和频率的预期控制，能够针对不同频率下的燃烧振荡进行不同幅值的调控，有利于开展相应的实验研究。
附图说明
21.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。
22.图1是现有技术中燃烧室结构示意图；
23.图2是本发明提供的燃烧振荡控制装置的结构示意图；
24.图3是本发明提供的燃烧室结构示意图；
25.图4是本发明提供的燃烧振荡控制装置的可调通道机构第一示意图；
26.图5是本发明提供的燃烧振荡控制装置的可调通道机构第二示意图；
27.图6是本发明提供的燃烧振荡控制装置的可调通道机构第三示意图；
28.图7是本发明提供的燃烧振荡控制装置的可调声学共振器结构示意图；
29.图8是本发明提供的燃烧振荡控制装置的可调孔板结构示意图；
30.图9是本发明提供的通道部不同长度下燃烧振荡的幅值和频率变化对比图；
31.图10是本发明提供的堵塞部出口不同面积比下燃烧振荡的幅值和频率变化对比图；
32.附图标记：
33.1：进气段；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2：扩压器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3：油管；
34.4：喷嘴；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5：旋流器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6：旋流器外环；
35.7：火焰筒；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8：燃烧室机匣；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
9：可调通道机构；
[0036]9‑
1：堵塞部；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ9‑
2：通道部；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10：可调孔板；
[0037]
10
‑
1：滑轨；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11：控制机匣；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11
‑
1：入口；
[0038]
11
‑
2：出口；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12：临界孔板；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
13：可调声学共振器；
[0039]
13
‑
1：共振器颈部；
ꢀꢀꢀ
13
‑
2：共振器腔体；
ꢀꢀꢀ
13
‑
3：共振器盖板；
[0040]
14：排气段。
具体实施方式
[0041]
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。
[0042]
本发明实施例提供一种燃烧振荡控制装置，如图2所示，该装置包括控制机匣11，控制机匣11的一端为入口11
‑
1，另一端为出口11
‑
2，入口11
‑
1内设有可调通道机构9。可调通道机构9包括堵塞部9
‑
1和通道部9
‑
2，堵塞9
‑
1在控制机匣11内部起到阻挡的作用，该堵塞9
‑
1沿控制机匣11径向的堵塞截面可调节。通道部9
‑
2与堵塞9
‑
1连接，通道部9
‑
2的截面即为堵塞9
‑
1在控制机匣11内未阻挡的截面部分，为燃烧气流的流通通道。通道部9
‑
2沿控制机匣11轴向的通道长度也可调节。
[0043]
控制机匣11内设有可调声学共振器13，控制机匣11内位于可调通道机构9与出口11
‑
2之间的位置处设有可调孔板10；可调孔板10沿控制机匣11轴向的位置可调节。
[0044]
本发明实施例通过综合调节堵塞9
‑
1沿控制机匣11径向的堵塞截面，通道部9
‑
2沿控制机匣11轴向的通道长度，可调声学共振器13的振动强度以及可调孔板10沿控制机匣11轴向的位置来实现对燃烧振荡的调控。
[0045]
如图4所示，本实施例中，堵塞部9
‑
1沿控制机匣11径向的堵塞截面的调节是通过伸缩板实现的。具体的，堵塞部9
‑
1为第一伸缩板，第一伸缩板垂直于控制机匣11内壁设置，通道部9
‑
2垂直于第一伸缩板设置，且通道部9
‑
2固定连接在第一伸缩板靠近控制机匣11中心的端部。第一伸缩板沿控制机匣11径向的长度可伸缩调节，以此来调节堵塞部9
‑
1的阻挡面积，实现通道部9
‑
2截面的大小调节。其中，通道部9
‑
2截面面积d的变化范围为0<d/d<1(图4中d’和d为堵塞部9
‑
1的调节面积，d为燃烧室截面积)。如图10所示，燃烧振荡的频率和幅值受通道部9
‑
2截面面积与燃烧室面积的比值影响，相应的，比值上升，频率具有上升的趋势，幅值会相应的较小。通过堵塞部9
‑
1的阻挡面积也就是通道部9
‑
2截面面积的连续变化以达到不同的实验需求，也可根据需求设计不同直径d的通道部9
‑
2截面面积来实现对可调通道机构9通道面积的调整。
[0046]
如图5所示，本实施例中，通道部9
‑
2沿控制机匣11轴向的通道长度的调节也是通过伸缩板实现的。具体的，通道部9
‑
2为第二伸缩板，第二伸缩板沿控制机匣11轴向可以伸缩调节，以此来控制通道部9
‑
2的长度。如图9所示，通道部9
‑
2长度的变化能够改变燃烧室内燃烧振荡的模式和强度，通过缩短通道部9
‑
2长度能够消弱燃烧振荡强度，增加通道部9
‑
2长度能够增强燃烧振荡强度。通过设计可连续伸缩的第二伸缩板实现不同长度的通道部9
‑
2，同时也可根据需求针对进行某些特定长度的出口结构开展特定的实验研究，在实验过程中来调整通道部9
‑
2实现对燃烧室内燃烧振荡的调控，其中通道部9
‑
2的长度l的变化范围为0<l’/l<1。在图9和图10中，sr为燃料分配比，由图可知，在不同的火焰工作状态下，通过调整通道部9
‑
2截面面积或者通道部9
‑
2长度都可以起到控制振荡的作用。
[0047]
进一步地，如图6所示，堵塞部9
‑
1还可以是第一堵塞板，通道部9
‑
2为第二堵塞板，第一堵塞板垂直于控制机匣11设置，第二堵塞板与第一堵塞板自由端转动连接(图6中d’和d为堵塞部9
‑
1的调节面积，d为燃烧室截面积)。通过转动第二堵塞板调节第二堵塞板的位置实现对堵塞部9
‑
1的截面面积的调节，也一定程度的调节了通道部9
‑
2的长度。以此结构实现对燃烧振荡的调节。
[0048]
如图7所示，可调声学共振器13优选采用亥姆霍兹共振器，可调声学共振器13包括共振器颈部13
‑
1、共振器腔体13
‑
2和共振器盖板13
‑
3，共振器盖板13
‑
3设于共振器腔体13
‑
2内并与共振器腔体13
‑
2螺纹连接，共振器盖板13
‑
3通过螺纹在共振器腔体13
‑
2内移动达到对可调声学共振器13的体积调节。从而改变共振器的特征频率。通过不同特征频率下的亥姆霍兹共振器来实现对燃烧室内燃烧振荡的消弱或消除。
[0049]
值得一提的是，本实施例中，可调声学共振器13设有两个，且两个可调声学共振器13对称布置在控制机匣11内壁上，以保证可调声学共振器13的效果稳定显著。
[0050]
如图8所示，可调孔板10包括多孔板和移动调节机构，多孔板通过移动调节机构与控制机匣11内壁连接，多孔板沿控制机匣11的轴向垂直设置，并通过移动调节机构沿控制机匣11的轴向可移动设置。具体的，移动调节机构为设置在控制机匣11内壁上的滑轨10
‑
1，滑轨10
‑
1沿控制机匣11的轴向布置，保证多孔板沿控制机匣11的轴向移动。多孔板作为声边界被安装在可调通道机构9后方，通过滑轨10
‑
1与控制机匣11内壁连接并实现其位置可
调(图8中10’和10均为多孔板声边界的位置调节)。通过调节多孔板声边界的相对位置可改变控制机匣11内的声学共振腔的长度，进而改变燃烧室内燃烧振荡的频率和燃烧振荡的幅值。
[0051]
本实施例提供的燃烧振荡控制装置安装于燃烧室出口，通过综合调控燃烧室出口的截面积、出口长度、共振器强度以及燃烧室出口声边界的各项参数来调节燃烧室燃烧振荡的幅值和频率，实现对燃烧室燃烧振荡幅值和频率的预期控制，能够针对不同频率下的燃烧振荡进行不同幅值的调控，有利于开展相应的实验研究。
[0052]
本发明实施例还提供一种燃烧室，如图3所示，该燃烧室包括进气段1、燃烧段和排气段14，该燃烧室与图1中现有技术中的燃烧室相同，进气段1与燃烧段之间设有扩压器2，燃烧段包括燃烧室机匣8，燃烧室机匣8内部设有火焰筒7，火焰筒7端部设有喷嘴4、旋流器5和旋流器外环6，喷嘴4连接油管3。不同的是，本发明实施例提供的燃烧室在燃烧段与排气段14之间设置如上所述的燃烧振荡控制装置。具体的，火焰筒7的出口连接可调通道机构9，控制机匣11与排气段14连接处设有临界孔板12。该燃烧室由于安装了燃烧振荡控制装置，同样具备如上所述的优势。
[0053]
本发明实施例还提供一种燃烧振荡控制方法，包括如下步骤：
[0054]
步骤1：通过在燃烧室的火焰筒7出口处设置堵塞通道，该堵塞通道具有堵塞部9
‑
1和通道部9
‑
2，获取堵塞部9
‑
1的堵塞面积或堵塞之外的通道部9
‑
2的截面积，依次作为第一参数值；获取通道部9
‑
2的长度作为第二参数值。
[0055]
步骤2：在燃烧出口段且位于堵塞通道后段设置共振器，获取共振器工作强度或频率作为第三参数值。
[0056]
步骤3：在燃烧出口段且位于堵塞通道后段设置多孔板，多孔板与堵塞通道之间的距离可以调节，获取多孔板与堵塞通道之间的距离作为第四参数值。
[0057]
步骤4：通过综合调节上述的第一参数值、第二参数值、第三参数值以及第四参数值来控制燃烧振荡的频率和幅值，使燃烧室的燃烧振荡的频率和幅值达到目标值，便于开展相应的实验研究。
[0058]
本实施例提供的燃烧振荡控制方法，通过在燃烧室壁面加入可调亥姆霍兹共振器来实现对不同燃烧振荡模式下燃烧振荡强度的削弱；通过改变燃烧室出口直径和出口长度来实现对燃烧室内燃烧振荡模式和振荡强度的改变；通过改变燃烧室出口声边界的相对位置来实现对燃烧室内燃烧振荡频率和振荡幅值的改变。本发明实施例能够针对不同频率下的燃烧振荡进行不同幅值的调控，有利于开展相应的实验研究。
[0059]
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。