燃烧室和燃烧器

1.本发明涉及能源与动力技术领域，特别是涉及一种燃烧室和燃烧器。


背景技术：

2.燃气轮机是能源动力领域的重要装备之一，广泛的应用于航空、航海和发电行业中。其中燃烧室是整个燃气轮机的核心部件和动力源头。在越来越严格的排放要求下，为了减少以氮氧化物(nox)为主的污染物排放，先进燃烧装置多采用贫油预混燃烧技术，燃烧装置常常在临近熄火的工作状态下运行，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。当燃烧器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。部分燃烧器需要严格控制燃烧振荡的发生，以避免对燃烧器的结构造成损伤。在脉动式燃烧器中，为了使燃烧器内获热均匀，往往需要增加燃烧振荡的发生。在不同的应用场景下，燃烧振荡的适用要求不同。
3.相关技术中，多种方法被提出并应用于调控燃烧振荡，按照原理的不同，可分为主动控制和被动控制两大类。主动控制是使用专门的监测器和主动作动器，根据监测到的燃烧系统内的压力脉动等信号，主动地施加合适的外部激励(对进口空气或燃料供应等)，进而调控释热率脉动和压力振荡(声波)之间的耦合。但这类方法需要额外的控制系统和执行装置，对控制算法的要求也很高，会增加额外的成本，适用场景有限。被动控制是指在燃烧系统中加入某些固定元件，从而改变燃烧振荡的发生。常见的有各类声学元器件，比如亥姆霍兹共振器，可以抑制特定频率的燃烧振荡，但是缺点是体积较大，且仅对特定频率有效，需提前做大量的试验和调试。


技术实现要素：

4.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，本发明提出一种燃烧室，外环的内壁和中间段的外壁其中的至少一个设置有锯齿状扰流部，第一燃级旋流器喷出的油气经过锯齿状扰流部之后，改变了气流的流动参数，调整了燃烧振荡的强度。同时，锯齿状扰流部的结构简单，没有增加燃烧室的体积和重量。
5.与此同时，本发明还提供一种燃烧器。
6.根据本发明第一方面实施例提供的一种燃烧室，包括：
7.中心组件，包括呈柱状结构的中间段；
8.第一燃级，包括设置在所述中间段外侧的外环以及第一燃级旋流器，所述外环的内壁与所述中间段的外壁之间形成第一燃级流动环腔，所述第一燃级旋流器设置在所述第一燃级流动环腔内；
9.燃烧室主体，包括端壁和侧壁，所述端壁连接于所述外环和所述侧壁；
10.所述外环的内壁与所述中间段的外壁其中的至少一个设置有锯齿状扰流部。
11.根据本发明的一个实施例，所述锯齿状扰流部沿所述第一燃级流动环腔环向设置。
12.根据本发明的一个实施例，所述第一燃级旋流器包括第一燃级旋流器端面，所述锯齿状扰流部沿所述第一燃级旋流器端面向所述燃烧室主体所在侧延伸或者沿所述燃烧室主体所在侧向所述第一燃级旋流器端面延伸。
13.根据本发明的一个实施例，所述锯齿状扰流部的高度为s，宽度为l，所述第一燃级流动环腔的高度为h，0≤s/h≤1，0≤l/h≤1。
14.根据本发明的一个实施例，所述锯齿状扰流部包括间隔设置的齿顶和齿根，所述齿顶与所述齿根均为尖端或者均为钝端。
15.根据本发明的一个实施例，所述锯齿状扰流部包括间隔设置的齿顶和齿根，所述齿顶和所述齿根的其中一个为尖端，另一个为钝端。
16.根据本发明的一个实施例，所述燃烧室还包括抑振装置，所述抑振装置固定于所述端壁的内表面和/或所述外环靠近所述燃烧室主体的端面。
17.根据本发明的一个实施例，所述中心组件为第二燃级，所述中间段的中心形成有第二燃级流动腔，所述第二燃级流动腔内设置有中心体，所述中心体和所述中间段之间设置有第二燃级旋流器。
18.根据本发明的一个实施例，所述中间段为中心体。
19.根据本发明第二方面实施例提供的一种燃烧器，包括根据本发明第一方面实施例提供的一种燃烧室。
20.本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
21.燃烧室包括中心组件、第一燃级以及燃烧室主体，中心组件包括呈柱状结构的中间段，第一燃级包括设置在中间段外侧的外环以及第一燃级旋流器，外环的内壁和中间段的外壁之间形成第一燃级流动环腔，第一燃级旋流器设置在第一燃级流动环腔内。外环的内壁和中间段的外壁其中的至少一个设置有锯齿状扰流部，可以扰动气流的流动参数。工作时，第一燃级旋流器向第一燃级流动环腔内喷射油气，高速流动的油气接触锯齿状扰流部后，气体的流动参数发生变化。锯齿状扰流部设置在外环的内壁时，改变了气流外剪切层的流动参数，如湍流强度和拉伸应力等，削弱了外剪切层火焰的稳定，有利于提升燃烧室内的热声稳定性。锯齿状扰流部设置在中间段的外壁时，改变了气流内剪切层的流动参数，削弱了内剪切层火焰的稳定，导致第一燃级火焰产生非定常释热，与燃烧室发生热声耦合现象，引起燃烧室内大幅度的压力脉动。锯齿状扰流部的结构简单，没有增加燃烧室的体积和重量，还可以根据不同的应用场景调整燃烧振荡的发生强度。
附图说明
22.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。
23.图1为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图一；
24.图2为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图二；
25.图3为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图三；
26.图4为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图四；
27.图5为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图五；
28.图6为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图六；
29.图7为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图七；
30.图8为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图八；
31.图9为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图九；
32.图10为传统燃烧室的火焰稳定示意图；
33.图11为本发明实施例提供的燃烧室的火焰稳定示意图；
34.图12为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图十；
35.图13为本发明实施例提供的燃烧室的示意性结构图十一。
36.附图标记：
37.1、中心组件；11、中间段；12、第二燃级流动腔；13、中心体；14、第二燃级旋流器；2、第一燃级；21、外环；210、端面；22、第一燃级旋流器；220、第一燃级旋流器端面；23、第一燃级流动环腔；3、燃烧室主体；31、端壁；310、内表面；32、侧壁；4、锯齿状扰流部；41、齿顶；42、齿根。
具体实施方式
38.为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。
39.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。
40.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。
41.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。
42.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。
43.相关技术中，多种方法被提出并应用于调控燃烧振荡，按照原理的不同，可分为主动控制和被动控制两大类。主动控制是使用专门的监测器和主动作动器，根据监测到的燃烧系统内的压力脉动等信号，主动地施加合适的外部激励，进而调控释热率脉动和压力振荡之间的耦合。被动控制是指在燃烧系统中加入某些固定元件，从而改变燃烧振荡的发生。
44.根据本发明第一方面实施例提供的一种燃烧室，包括中心组件1、第一燃级2以及燃烧室主体3。
45.中心组件1包括中间段11，中间段11呈圆柱状结构。
46.在一个实施例中，中心组件1为第二燃级，或称为预燃级，燃烧室包括两级燃烧结构，请参阅图1至图11。中间段11的中心形成有第二燃级流动腔12，第二燃级流动腔12内设置有中心体13，中心体13和中间段11之间设置有第二燃级旋流器14。
47.使用时，中心组件1和第一燃级2分别向燃烧室主体3内喷射油气，中心组件1和第一燃级2区分燃烧，可以减少氮氧化物(nox)等污染物的排放。
48.在另一个实施例中，中间段11为中心体，请参阅图12至图13，此时燃烧室为单级燃烧结构，只有第一燃级2向燃烧室主体3内喷射油气。
49.第一燃级2包括外环21和第一燃级旋流器22，外环21设置在中间段11的外侧，外环21的内壁与中间段11的外壁之间形成第一燃级流动环腔23，第一燃级旋流器22设置在第一燃级流动环腔23内。
50.使用时，第一燃级旋流器22喷射油气，油气沿着第一燃级流动环腔23高速流动，然后进入燃烧室主体3内。
51.燃烧室主体3包括端壁31和侧壁32，侧壁32形成筒状的空心结构，端壁31连接于侧壁32和外环21。
52.本发明实施例提供的燃烧室中，中间段11的外壁和外环21的内壁设置有锯齿状扰流部4，锯齿状扰流部4设置在中间段11的外壁和外环21的内壁其中的至少一个之上。
53.在中间段11为中心体的情况下，锯齿状扰流部4设置在中心体的外壁和外环21的内壁其中的至少一个之上。
54.在第一燃级流动环腔23内设置锯齿状扰流部4，改变了气流的流动参数，例如气流的湍流强度、涡量和拉伸应力等，进而改变火焰的稳定状态以及局部火焰的燃烧情况。
55.锯齿状扰流部4设置在外环21的内壁时，改变了气流外剪切层的流动参数，如湍流强度和拉伸应力等，削弱了外剪切层火焰的稳定，使混合油气无法形成外剪切层火焰，有利于提升燃烧室内的热声稳定性。
56.锯齿状扰流部4设置在中间段11的外壁时，改变了气流内剪切层的流动参数，削弱了内剪切层火焰的稳定，导致第一燃级火焰产生非定常释热，与燃烧室发生热声耦合现象，引起燃烧室内大幅度的压力脉动。
57.与此同时，锯齿状扰流部4的结构简单，没有增加燃烧室的体积和重量，甚至在燃烧室局部减重的情况下，还可以根据不同的应用场景调整燃烧器内燃烧振荡的发生强度。
58.在第一种实施例中，锯齿状扰流部4仅设置在中间段11的外壁上。锯齿状扰流部4改变了气流内剪切层的流动参数，削弱了内剪切层火焰的稳定，导致第一燃级火焰产生非定常释热，与燃烧室发生热声耦合现象，引起燃烧室内大幅度的压力脉动。
59.在第二种实施例中，锯齿状扰流部4仅设置在外环21的内壁上。锯齿状扰流部4改变了气流外剪切层的流动参数，如湍流强度和拉伸应力等，削弱了外剪切层火焰的稳定，使混合油气无法形成外剪切层火焰，有利于提升燃烧室内的热声稳定性。
60.在第三种实施例中，外环21的内壁以及中间段11的外壁上均设置有锯齿状扰流部4。锯齿状扰流部4改变了内剪切层火焰的稳定性，同时使混合油气无法形成外剪切层火焰，对混合油气形成双重调控效果。通过改变不同侧锯齿状扰流部4的形状、尺寸或者数量，可以实现不同的调控效果。
61.根据本发明的一个实施例，锯齿状扰流部4沿第一燃级流动环腔23环向设置。
62.燃烧室工作时，基于康达效应，混合油气沿着锯齿状扰流部4在第一燃级流动环腔23内做圆周运动，同时受到锯齿状扰流部4的干扰。锯齿状扰流部4改变了混合油气的流动参数，改变了气流的湍流强度、涡量和拉伸应力等，进而改变火焰的稳定状态以及局部火焰的燃烧情况。
63.锯齿状扰流部4环向设置时，进入燃烧主体3内的气流是均匀的，在各个方向上的干扰效果保持一致，提升了燃烧时的均衡性。
64.根据本发明的一个实施例，第一燃级旋流器22包括第一燃级旋流器端面220，第一燃级旋流器端面220朝向燃烧室主体3所在的一侧。
65.锯齿状扰流部4由多个标准齿部重复延伸得到，锯齿状扰流部4的起始点不同时，对第一燃级流动环腔23内的油气的干扰效果也不同。
66.在一个实施例中，锯齿状扰流部4沿着第一燃级旋流器端面220向燃烧室主体3所在的一侧延伸。
67.在另一个实施例中，锯齿状扰流部4沿着燃烧室主体3所在侧向第一燃级旋流器端面220延伸。
68.锯齿状扰流部4在第一燃级流动环腔23内延伸方向不同，会导致锯齿状扰流部4的排列位置、起始处结构以及结尾处结构的变化，会影响对油气的干扰效果。
69.本发明实施例提供的燃烧室中，锯齿状扰流部4由多个标准齿部重复延伸得到，标准齿部的尺寸对气流的干扰起到决定性作用。
70.在一个实施例中，锯齿状扰流部4的高度为s，宽度为l，第一燃级流动环腔的高度为h，则存在以下关系，0≤s/h≤1，0≤l/h≤1。
71.锯齿状扰流部4的尺寸可以调整，进而实现不同的燃烧振荡调控效果，适用范围较广。
72.本发明实施例提供的燃烧室中，锯齿状扰流部4由多个标准齿部重复延伸得到，锯齿状扰流部4包括间隔设置的齿顶41和齿根42。
73.在第一个实施例中，锯齿状扰流部4的齿顶41和齿根42均为尖端，如图8所示。
74.在第二个实施例中，锯齿状扰流部4的齿顶41和齿根42均为钝端，如图9所示。钝端为具有一定尺寸的平台或者具有一定曲率的弧面，与尖端的干扰效果不同。
75.在第三个实施例中，锯齿状扰流部4的齿顶41为尖端，齿根42为钝端，如图7所示。
76.在第四个实施例中，锯齿状扰流部4的齿顶41为钝端，齿根42为尖端，如图6所示。
77.通过调整齿顶41与齿根42的结构类型，可以改变锯齿状扰流部4对气流的干扰效果。
78.本发明实施例提供的燃烧室中，外环21靠近燃烧室主体3的端面210与端壁31的内表面310平齐，方便在燃烧室主体3内安装其他结构，同时对燃烧室主体3内气流的形态干扰较小。
79.为了进一步提升燃烧室抑制燃烧振荡的效果，可以在燃烧室内安装抑振装置。
80.在一个实施例中，抑振装置可以安装在端壁31的内表面310上，也可以安装在外环21的端面210上。
81.在另一个实施例中，抑振装置同时固定于端壁31的内表面310和外环21靠近燃烧室主体3的端面210。
82.根据本发明的一个实施例，抑振装置形成有沿着背向第一燃级2方向呈渐扩状的火焰通道。工作过程中，基于康达效应，进入火焰通道的空气和燃料的未燃混合气会贴合火焰通道流动，从而火焰锋面将会尽可能地贴近火焰通道的内壁流动，进而减小释热率脉动，使其与燃烧系统声学系统解耦，最终抑制燃烧振荡。
83.根据本发明的其中一个实施例，抑振装置为中空的圆柱体、中空的圆台或者中空的立方体结构。
84.根据本发明的其中一个实施例，抑振装置与火焰通道的形状相似，抑振装置为中空的圆台结构，且沿着背向第一燃级的方向呈渐扩状延伸。如此设计的抑振装置可在保证结构强度和热负荷的前提下使自身厚度缩小到极限，从而减轻燃烧室的重量。
85.根据本发明的一个实施例，火焰通道的入口端的横截面以及火焰通道的出口端的横截面均呈圆形，或者，火焰通道的入口端的横截面以及火焰通道的出口端的横截面均呈椭圆形。横截面呈圆形或椭圆形，以满足康达效应。
86.根据本发明第二方面实施例提供的一种燃烧器，包括根据本发明第一方面实施例提供的一种燃烧室。
87.燃烧器改变了释热率脉动和压力振荡之间的耦合，避免了燃烧振荡的发生，提升了燃烧时的稳定和安全。
88.综上所述，本发明实施例提供的燃烧室和燃烧器，包括中心组件、第一燃级以及燃烧室主体，中心组件包括呈柱状结构的中间段，第一燃级包括设置在中间段外侧的外环以及第一燃级旋流器，外环的内壁和中间段的外壁之间形成第一燃级流动环腔，第一燃级旋流器设置在第一燃级流动环腔内。外环的内壁和中间段的外壁其中的至少一个设置有锯齿状扰流部，可以扰动气流的流动参数。工作时，第一燃级旋流器向第一燃级流动环腔内喷射油气，高速流动的油气接触锯齿状扰流部后，气体的流动参数发生变化。锯齿状扰流部设置在外环的内壁时，改变了气流外剪切层的流动参数，如湍流强度和拉伸应力等，削弱了外剪切层火焰的稳定，有利于提升燃烧室内的热声稳定性。锯齿状扰流部设置在中间段的外壁时，改变了气流内剪切层的流动参数，削弱了内剪切层火焰的稳定，导致第一燃级火焰产生非定常释热，与燃烧室发生热声耦合现象，引起燃烧室内大幅度的压力脉动。锯齿状扰流部的结构简单，没有增加燃烧室的体积和重量，还可以根据不同的应用场景调整燃烧振荡的发生强度。
89.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。