静叶模拟器和具有其的燃烧室试验装置的制作方法

1.本发明涉及燃烧室试验的技术领域，具体地，涉及一种静叶模拟器和具有其的燃烧室试验装置。


背景技术：

2.相关技术中，燃气轮机燃烧室极易发生燃烧振荡现象，强烈的火焰脉动会导致燃烧室部件的结构性破坏，进而降低部件的工作寿命。
3.为了保证燃气轮机能够安全可靠的运行，最为重要的是保证在不同工况下燃烧室都能稳定工作。尤其是燃烧室出口的边界条件需要通过试验模拟，从而可实现对燃烧动态模态的合理复现，获得燃烧室在真实出口边界条件下的性能。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的实施例提出一种静叶模拟器，该静叶模拟器具有模拟燃烧室真实出口边界条件的优点。
6.本发明的实施例还提出一种具有上述静叶模拟器的燃烧室试验装置。
7.本发明实施例的静叶模拟器包括：壳体，所述壳体包括围壁和由所述围壁围成的空腔，所述围壁具有第一冷却通道，所述围壁的外表面设有多个与所述第一冷却通道连通的冷却水进出口，所述空腔包括燃气通道，所述壳体还包括与所述燃气通道连通的燃气进口和燃气出口，所述围壁包括在第一方向上相对的第一端和第二端，所述燃气进口设在所述围壁的所述第一端，所述燃气出口设在所述围壁的所述第二端，所述第一方向与所述壳体的长度方向一致；和多个导叶，多个所述导叶设在所述空腔内，多个所述导叶在第二方向上间隔布置，多个所述导叶和所述围壁之间形成所述燃气通道，所述第一方向垂直于所述第二方向。
8.本发明实施例的静叶模拟器的燃气通道形成在多个导叶和围壁之间，燃气进入燃气通道后流速改变，从而使燃气出口的燃气流速与真实工况下一致，并且第一冷却通道能够使围壁快速冷却，进而使本发明实施例的静叶模拟器能够在与实际工况一致的高温环境中使用，因此使本发明实施例的静叶模拟器能够模拟燃烧室真实出口边界条件。
9.由此，本发明实施例的静叶模拟器具有模拟燃烧室真实出口边界条件的优点。
10.在一些实施例中，所述导叶包括在其长度方向上相对的第三端和第四端，所述围壁包括顶壁、底壁、第一侧壁和第二侧壁，所述顶壁和所述底壁在所述壳体的高度方向上相对，所述第一侧壁和所述第二侧壁在所述第二方向上相对，所述导叶的所述第三端与所述顶壁的内壁面相连，所述第四端与所述底壁的内壁面相连。
11.在一些实施例中，所述导叶具有第二冷却通道，所述第二冷却通道与所述第一冷却通道连通。
12.在一些实施例中，所述导叶的个数大于等于2且小于等于10。
13.在一些实施例中，在所述第二方向上与所述围壁相邻的所述导叶设在所述围壁的内表面上。
14.在一些实施例中，所述导叶的横截面为圆形、椭圆形、翼型或者水滴型。
15.在一些实施例中，所述导叶的横截面面积不变。
16.在一些实施例中，所述导叶的横截面面积在由所述第三端向所述第四端的方向上逐渐增大。
17.在一些实施例中，根据本发明实施例的静叶模拟器进一步包括连接法兰，所述连接法兰设在所述围壁的外表面上，所述围壁的所述第一端设有外翻的凸缘，所述凸缘的外周面设有密封凹槽，所述凸缘在所述第一方向上远离所述围壁的所述第二端的侧面与所述围壁的所述第一端的端面平齐。
18.在一些实施例中，所述燃气通道的横截面面积在由所述第一端向所述第二端的方向上先减小后增大，所述燃气通道的横截面面积的最小值与所述燃气进口的横截面面积的比值大于等于0.25且小于等于0.8。
19.在一些实施例中，所述燃气出口的横截面面积与所述燃气进口的横截面面积的比值大于等于0.6且小于等于1.1。
20.在一些实施例中，所述静叶模拟器采用3d打印方式制成。
21.本发明实施例的燃烧室试验装置包括上述任一实施例中的静叶模拟器。
附图说明
22.图1是本发明实施例的静叶模拟器的结构示意图。
23.图2是本发明实施例的静叶模拟器的主视图。
24.图3是图2的a-a向剖视图。
25.图4是图2的b-b向剖视图。
26.图5是本发明实施例的燃烧室试验装置的结构示意图。
27.图6是本发明实施例的导叶横截面的结构示意图。
28.图7是本发明实施例的导叶横截面的结构示意图。
29.图8是本发明实施例的导叶横截面的结构示意图。
30.图9是本发明实施例的导叶横截面的结构示意图。
31.附图标记：
32.静叶模拟器10；壳体1；围壁11；第一冷却通道111；第一端112；燃气进口1121；第二端113；燃气出口1131；顶壁114；底壁115；第一侧壁116；第二侧壁117；空腔12；燃气通道121；分支通道1211；冷却水进出口13；凸缘14；密封凹槽141；
33.导叶2；第二冷却通道21；第三端22；第四端23；
34.连接法兰3；螺纹通孔31；
35.燃烧室4；燃烧室过渡段5；转接段6；排气管7；空气入口8；空气压力腔9。
具体实施方式
36.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
37.下面参考附图描述本发明实施例的静叶模拟器10。
38.如图1-图4所示，本发明实施例的静叶模拟器10包括壳体1和多个导叶2。
39.壳体1包括围壁11和由围壁11围成的空腔12，也就是说，围壁11的内周面围成空腔12。
40.围壁11具有第一冷却通道111，围壁11的外表面设有多个与第一冷却通道111连通的冷却水进出口13，其中冷却水能够从一部分的冷却水进出口13进入第一冷却通道111，并由另一部分冷却水进出口13排出第一冷却通道111。
41.可以理解的是，冷却水通过冷却水进出口13进入第一冷却通道111中，使冷却水与围壁11进行换热，进而使围壁11降温。
42.如图2和图3所示，空腔12包括燃气通道121，壳体1还包括与燃气通道121连通的燃气进口1121和燃气出口1131。围壁11包括在第一方向上(如图1中的前后方向)相对的第一端112(如图1中围壁11的前端)和第二端113(如图1中围壁11的后端)，燃气进口1121设在围壁11的第一端112，燃气出口1131设在围壁11的第二端113，第一方向与壳体1的长度方向一致。
43.也就是说，围壁11的第一端112和第二端113在前后方向上相对设置，其中第一端112为围壁11的前端，燃气进口1121位于围壁11的前端；第二端113为围壁11的后端，燃气进口1121位于围壁11的后端。
44.可以理解的是，高温燃气能够从围壁11的第一端112上的燃气进口1121进入燃气通道121内，并从围壁11的第二端113上的燃气出口1131排出。
45.如图1和图2所示，多个导叶2设在空腔12内，多个导叶2在第二方向上(如图1所示的左右方向)间隔布置，多个导叶2和围壁11之间形成燃气通道121，第一方向垂直于第二方向。其中导叶的长度方向和上下方向一致。
46.进一步地，燃气通道121包括多个分支通道1211，其中分支通道1211形成在两个相邻的导叶2的外周面以及围壁11的内表面之间。
47.可以理解的是，多个导叶2位于空腔12内，多个导叶2与围壁11限制出多个分支通道1211，也就是说，多个导叶2使燃气通道121的横截面面积减小，进而使经过燃气通道121的燃气的流速加快，从而使燃气出口的燃气流速与真实工况下一致。
48.此外，导叶2对流经其外表面的燃气还具有导流的作用。
49.本发明实施例的静叶模拟器10的燃气通道121形成在多个导叶2和围壁11之间，燃气进入燃气通道121后流速改变，从而使燃气出口1131的燃气流速与真实工况下一致，并且第一冷却通道111能够对围壁11进行冷却，进而使本发明实施例的静叶模拟器10能够在与实际工况一致的高温环境中使用，因此使本发明实施例的静叶模拟器10能够模拟燃烧室真实出口边界条件。
50.由此，本发明实施例的静叶模拟器10具有模拟燃烧室真实出口边界条件的优点。
51.在一些实施例中，如图2-图4所示，导叶2包括在其长度方向上相对的第三端22和第四端23，其中，第三端22为导叶2的上端，第四端23为导叶2的下端。
52.围壁11包括顶壁114、底壁115、第一侧壁116(如图1中围壁11的右侧壁)和第二侧壁117(如图1中围壁11的左侧壁)，顶壁114和底壁115在壳体1的高度方向(如图1中的上下方向)上相对，第一侧壁116和第二侧壁117在第二方向上相对。
53.具体地，如图2和图3所示，围壁11的顶壁114和围壁11的底壁115在上下方向上相对设置，围壁11的第一侧壁116和围壁11的第二侧壁117在左右方向上相对设置，第一侧壁116的上端与顶壁114的右端相连接，第一侧壁116的下端与底壁115的右端相连接；第二侧壁117的上端与顶壁114的左端相连接，第二侧壁117的下端与底壁115的左端相连接。
54.进一步地，导叶2的第三端22与顶壁114的内壁面相连，第四端23与底壁115的内壁面相连。具体地，导叶2外周面的上端与顶壁114的内壁面相连接，导叶2外周面的下端与底壁115的内壁面相连接。两个相邻的导叶的外周面、顶壁的内壁面和底壁的内壁面围成分支通道。
55.在一些实施例中，顶壁114具有第一冷却通道111，第一冷却通道111设置在顶壁114内，底壁115具有第一冷却通道111，第一冷却通道111设置在底壁115内，进而使冷却水进入第一冷却通道111对顶壁114和底壁115进行换热降温。
56.第一侧壁116具有第一冷却通道111，第一冷却通道111设置在第一侧壁116内；第二侧壁117具有第一冷却通道111，第一冷却通道111设置在第二侧壁117内，进而使冷却水进入第一冷却通道111对第一侧壁116和第二侧壁117进行换热降温。
57.可以理解的是，顶壁114、底壁115、第一侧壁116和第二侧壁117内均设置有第一冷却通道111，当高温燃气进入燃气通道121后，第一冷却通道111内的冷却水能够与围壁11进行换热，进而使围壁11降温，进而使本发明实施例的静叶模拟器10能够在与实际工况一致的高温环境中使用。
58.在一些实施例中，如图3所示，导叶2具有第二冷却通道211，第二冷却通道211与第一冷却通道111连通。
59.可选地，导叶2的第三端22上设置有进口，进口与第二冷却通道211连通，并且进口与顶壁114内的第一冷却通道111连通，进而使顶壁114内的第一冷却通道111与第二冷却通道211通过进口221连通；导叶2的第四端23上设置有出口，出口与第二冷却通道211连通，并且出口与底壁115内的第一冷却通道111连通，进而使底壁115内的第一冷却通道111与第二冷却通道211通过出口231连通，冷却水能够从出口231排出第二冷却通道211，也就是说，冷却水能够通过第一冷却通道111进入第二冷却通道211内，第二冷却通道211内的冷却水也能够进入第一冷却通道111内。
60.可以理解的是，当高温燃气进入燃气通道121后，第二冷却通道21内的冷却水能够与导叶2换热，进而使导叶2降温，避免导叶2在高温环境下过热损坏。
61.此外，第二冷却通道内21的冷却水能够与导叶2的周壁换热，进而使导叶2降温。
62.由此，本发明实施例的静叶模拟器10具有换热效率高的优点。
63.在一些实施例中，导叶2的个数大于等于2且小于等于10，也就是说，在静叶模拟器10的空腔12内能够设置导叶2的数量为2-10个。
64.可以理解的是，在空腔12内导叶2的数量越多，相邻的导叶2外周面与壳体1的围壁11内周面围成的分支通道1211越窄小，进而使经过燃气通道121的燃气流速增大，也就是说，空腔12内导叶2数量多的静叶模拟器10排出的燃气流速大于空腔12内导叶2数量少的静叶模拟器10内燃气流速。
65.例如，需要排出燃气出口1131的燃气流速小时，减少空腔12内的导叶2数量，反之，需要排出燃气出口1131的燃气流速大时，增加空腔12内的导叶2数量。
66.此外，当导叶2的数量不改变时，可以通过调整导叶2在左右方向上的尺寸，使调整分支通道1211的尺寸改变，进而改变排出燃气出口1131的燃气的流速。例如，需要排出燃气出口1131的燃气流速大时，增大导叶2在左右方向上的尺寸，进而使调整分支通道1211的尺寸减小；反之，需要排出燃气出口1131的燃气流速小时，减小导叶2在左右方向上的尺寸，进而使调整分支通道1211的尺寸增大。
67.由此，燃气进入燃气通道121后流速改变，从而使燃气出口1131的燃气流速与真实工况下一致。
68.在一些实施例中，如图3所示，燃气通道121的横截面面积在由第一端112向第二端113的方向上先减小后增大。
69.也就是说，导叶2在左右方向上的尺寸由围壁11的前端向后端的方向上先减小后增大，进而使相邻的导叶2的外周面与围壁11的内周面围成的的分支通道1211在左右方向上的尺寸由围壁11的前端向后端的方向上先增大后减小，因此，燃气通道121的横截面面积存在最小值。
70.进一步的，燃气通道121的横截面面积的最小值与燃气进口1121的横截面面积的比值大于等于0.25且小于等于0.8。
71.可以理解的是，燃气通道121的横截面面积与燃气进口1121的横截面面积的比值改变，通过燃气通道121的燃气的流速也会改变。其中，通过燃气通道121的燃气的流速与横截面面积最小处的燃气通道121尺寸有关，即横截面面积最小处的燃气通道121尺寸越小，燃气通道121的燃气的流速越大。因此，通过控制燃气通道121的横截面面积的最小值与燃气进口1121的横截面面积的比值，进而能够控制排出燃气通道121的燃气的具体流速数值，使从燃气出口1131排出的燃气的流速与的真实工况一致。
72.在一些实施例中，如图4所示，在第二方向上与围壁11相邻的导叶2设在围壁11的内表面上。具体地，在左右方向上与第二侧壁117相邻的导叶2的外周壁的左侧部分与第二侧壁117相连接，该导叶2的第三端22与顶壁114相连接，第四端23与底壁115相连接，也就是说，该导叶2的外周壁为第二侧壁117的一部分。在围壁11的右端，在左右方向上与第一侧壁116相邻的导叶2的外周壁的右侧部分与第一侧壁116相连接，该导叶2的第三端22与顶壁114相连接，第四端23与底壁115相连接，也就是说，该导叶2的外周壁为第一侧壁116的一部分。
73.可以理解的是，通过将导叶2设在围壁11的内表面，使邻近围壁11的分支通道1211形成在设置在围壁11上的导叶2、与设置在围壁11上的导叶2相邻的导叶2和围壁11之间。也就是说，邻近围壁11的分支通道1211与其他的分支通道1211的横截面面积相等，使通过邻近围壁11的分支通道1211的燃气流速与通过其他的分支通道1211的燃气流速相同，因此使从燃气出口1131排出的燃气的流速与的真实工况一致。
74.在一些实施例中，如图6-图9所示，导叶2的横截面为圆形、椭圆形、翼形或者水滴形。
75.可选的，当需要燃气通道121的横截面面积的最小处的燃气流速大时，导叶2可以为翼形或者水滴形，燃气流经导叶2的外表面时，导叶2的外表面对燃气的阻力小，进而减小燃气通过燃气通道121后的压降，因此燃气通道121的横截面面积的最小处的燃气的流速大；当需要燃气通道121的横截面面积的最小处的燃气流速小时，导叶2可以为圆形或者椭
圆形，燃气流经导叶2的外表面时，导叶2的外表面对燃气的阻力大，进而增大燃气通过燃气通道121后的压降，因此燃气通道121的横截面面积的最小处的流速小。由此，使从燃气通道121的横截面面积的最小处的流速与的真实工况一致。
76.在一些实施例中，如图2所示，本发明实施例的静叶模拟器10的顶壁114和底壁115均为弧形面，顶壁114和底壁115在上下方向上相对设置，且顶壁114和底壁115同轴设置，其中，顶壁114截面的曲率半径大于底壁115截面的曲率半径。导叶2的第三端22向第四端23的方向与顶壁114和底壁115的径向一致。
77.在一些实施例中，导叶2的横截面面积不变，由导叶2的第三端22向第四端23的方向上，导叶2的横截面面积不变，也就是说，导叶2为等截面结构。
78.在一些实施例中，如图1所示，导叶2的横截面面积在由第三端22向第四端23的方向上逐渐增大。具体地，在由第三端22向第四端23的方向上，导叶2在由第一端112向第二端113的方向上的尺寸不变，导叶2在顶壁114和底壁115的周向上的尺寸增大，也就是说，导叶2为变截面结构。
79.可以理解的是，在静叶模拟器10的顶壁114和底壁115均为弧形面时，导叶2沿顶壁114和底壁115的轴向设置在空腔12内，相邻的导叶2的第三端22之间的周向尺寸大于第四端23之间的周向尺寸，分支通道1211形成在相邻的导叶2和围壁11之间，进而使分支通道1211邻近顶壁114的部分的周向尺寸等于分支通道1211邻近顶壁114的部分的周向尺寸。因此，使通过分支通道1211的燃气流速一致，从而使燃气出口1131的燃气流速与真实工况下一致。
80.在此需要说明的是，当本发明实施例的静叶模拟器10的顶壁114和底壁115均为弧形面，且导叶2沿顶壁114和底壁115的轴向设置时，导叶2的横截面面积在由第三端22向第四端23的方向上逐渐增大，即导叶2为变截面结构，导叶2的第四端23与底壁115连接的更加稳固，导叶2的力学性能较好。导叶2可以为等截面结构；或者，导叶2还可以为其他变截面结构。
81.在一些实施例中，如图1和图2所示，本发明实施例的静叶模拟器10包括连接法兰3，连接法兰3设在围壁11的外表面上。具体地，连接法兰3上设置有多个螺纹通孔31，该螺纹通孔31适于与螺栓配合，进而将静叶模拟器10安装在燃烧室试验装置内。
82.围壁11的第一端112设有外翻的凸缘14，凸缘14的外周面设有密封凹槽141，凸缘14在第一方向上远离围壁11的第二端113的侧面与围壁11的第一端112的端面平齐，也就是说，凸缘14位于前侧的侧面与围壁11第一端112的端面位于同一平面内。
83.可以理解的是，通过在凸缘14上设置密封凹槽141，使静叶模拟器10的第一端112能够密封连接在燃烧室试验装置内，进而使燃气不会从静叶模拟器10与燃烧室试验装置的连接处泄漏。
84.在一些实施例中，燃气出口1131的横截面面积与燃气进口1121的横截面面积的比值大于等于0.6且小于等于1.1，也就是说，根据不同的工况条件下，燃气出口1131和燃气进口1121的尺寸大小的比值大于等于0.6且小于等于1.1，进而能够根据燃烧室试验装置与静叶模拟器10连接处的燃气出口管道的大小调整静叶模拟器10的燃气进口1121尺寸大小，使通过燃气通道121的燃气的流速与真实的工况一致。
85.根据本发明实施例的燃烧室试验装置包括上述任一实施例的静叶模拟器10。
86.本发明实施例的燃烧室试验装置还包括空气压力腔9、燃烧室4、燃烧室过渡段5、转接段6和排气管7，其中空气压力腔9具有空气入口8，进而使外部空气能够进入空气压力腔9内。
87.具体地，如图4所示，在进行试验时，外部空气通过空气入口8进入空气压力腔9中，之后再进入燃烧室4中，在燃烧室4内空气与燃料充分混合，发生燃烧反应产生高温燃气，高温燃气依次通过燃烧室过渡段5、静叶模拟器10、转接段6和排气管7。上述任一实施例的静叶模拟器10与燃烧室过渡段5的出口相接。
88.在一些实施例中，静叶模拟器10采用3d打印方式制成。可以理解的是，采用3d打印制造静叶模拟器10，能够使静叶模拟器一体成型，进而使本发明实施例的静叶模拟器10的结构紧凑。
89.在此需要说明的是，根据静叶模拟器10结构复杂程度以及尺寸大小不同，本发明实施例的静叶模拟器10还能够采用其他方法制造。
90.本发明实施例的燃烧室试验装置具有上述任一实施例的静叶模拟器10。该静叶模拟器10的燃气通道121形成在多个导叶2和围壁11之间，燃气进入燃气通道121后流速改变，从而使燃气出口1131的燃气流速与真实工况下一致，进而使本发明实施例的燃烧室试验装置得到的试验数据更加准确，且更具有代表性。
91.由此，本发明实施例的静叶模拟器10具有所得试验数据准确，且具有代表性的优点。
92.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。
93.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
94.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
95.在本发明中，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。
96.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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。
97.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。