一种锯齿状壁面文氏管流道壁面结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种锯齿状壁面文氏管流道壁面结构，用以拓宽LDI(Lean Direct Injection，贫油直接喷射)多点喷射燃烧室的火焰稳定边界。本实用新型将常规文氏管内、外流道壁面处理为截面形状为锯齿形的条纹结构，锯齿形条纹沿壁面为螺旋状，沿流道壁面均匀布置，锯齿形条纹与文氏管流道中心轴线的夹角根据流道上游的旋流叶片安装角确定，锯齿形条纹截面特征尺寸根据文氏管出口处近壁面边界层厚度确定，锯齿形条纹起始于文氏管内流道喉口截面或喉口截面下游一定距离的流道壁面上以及外流道入口或入口下游一定距离的流道壁面上，终止于文氏管出口。本实用新型可以抑制气流在文氏管边界层内垂直于流向方向的湍流脉动幅度及频率，由此相应减弱文氏管出口下游火焰根部的脉动幅度及频率，达到增强旋流火焰稳定性，拓宽LDI多点喷射燃烧室火焰稳定边界的目的。
【专利说明】一种锯齿状壁面文氏管流道壁面结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及燃烧稳定性控制领域，是一种增强气态旋流火焰稳定性的装置，具体来说是一种拓宽LDI多点喷射燃烧室火焰稳定边界的文氏管流道壁面结构。
【背景技术】
[0002]随着近些年来人们环保意识的日益增强，航空发动机和工业燃气轮机的污染排放问题越来越受到关注。虽然从污染物排放的总量来讲，航空发动机和工业燃气轮机所占的比例很小，但由于其所特有的局部性特点，如在机场附近和使用工业燃气轮机的地点会聚集高浓度的污染排放物；另外，在繁忙的空中走廊，各类飞机产生的污染排放物也是高空大气污染物的主要来源。因此，近些年来燃气轮机(包括航空发动机和各种工业燃气轮机)的排放物越来越受到严格的限制。降低污染排放的核心是控制燃烧温度及温度的均匀度，这是低污染排放的关键，目前主流的三类燃气轮机低污染燃烧室(LPP:贫油预混预蒸发，LD1:贫油直接喷射，RQL:富油燃烧-疾冷-贫油燃烧)均是以此为根据达到低污染目标的。
[0003]由于具有较高的综合燃烧性能，LDI多点喷射燃烧室是下一代超低污染燃烧室在技术上可以达到的方案之一。LDI多点喷射燃烧室的基本方法是将燃油通过多个喷油点直接喷入燃烧区进行燃烧，或燃油预先与空气进行一定程度混合后喷入燃烧区进行燃烧。燃烧区始终处于贫油状态。火焰筒壁上不设主燃孔，进入燃烧区的空气全部从头部进入。影响LDI燃烧室污染物排放有两个重要因素:油/气混合率和燃烧区当量比。a，油/气混合率:油气混合率主要与燃烧室燃料的喷射方式有关，多点喷射燃烧室由于其头部燃料采用多点喷射的方式，相对于常规燃烧室0.3的油气混合率其油气混合率可达0.8以上；b，燃烧区当量比:LDI燃烧室主燃区的当量比非常低，一般小于0.6-0.7 (常规燃烧室主燃区的当量比范围在0.8-1.2)，而航空煤油的贫燃边界为0.5，因此，如果由于某种原因导致燃烧室入口流场突变是很容易导致燃烧室熄火的。此外，在常规燃烧室中主燃孔对主流的节流作用会变向降低主燃区的平均流速，提升主燃区的压力，但是由于LDI多点喷射燃烧室的燃烧空气全部从头部进入，不设主燃孔，这无疑是对LDI多点喷射燃烧室燃烧稳定性的一个重要考验。由此看来，LDI燃烧室的火焰稳定问题是除污染物排放之外又一个需要重点考虑的问题。
[0004]鉴于上述问题，燃烧工程师有必要在现有燃烧室普遍采用的旋流稳焰结构的基础上提出进一步提高燃烧稳定性的控制措施，最大限度的拓宽LDI多点喷射燃烧室的稳定工作边界，提高燃气轮机整机运行的可靠性。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是提供一种文氏管流道壁面结构，用以增强LDI多点喷射燃烧室火焰稳定性。该壁面结构呈现条纹化的特点，通过该结构可以有效减弱旋流火焰根部的湍流脉动，增强旋流火焰的稳定性，拓宽LDI多点喷射燃烧室的稳定工作边界。
[0006]为实现上述技术目的，本实用新型的文氏管流道壁面结构通过以下技术方案实现:
[0007]—种文氏管流道壁面结构，用以拓宽LDI多点喷射燃烧室的火焰稳定边界，所述LDI多点喷射燃烧室头部结构采用双轴向旋流器；所述双轴向旋流器包括第一、二级轴向旋流器，每级轴向旋流器中均设置有旋流叶片，第一、二级旋流叶片的旋转方向相同，所述第一级轴向旋流器装有气态燃料喷嘴，所述文氏管安装于所述第一、二级轴向旋流器之间；其特征在于，所述文氏管包括内流道壁面和外流道壁面，其中所述内流道壁面位于第一级轴向旋流器下游，所述外流道壁面位于第二级轴向旋流器下游；所述内、外流道壁面上均设置有锯齿形条纹结构，所述锯齿形条纹结构在垂直于文氏管流道中心线方向上的截面形状为锯齿形波；所述锯齿形条纹结构包括多个条纹，条纹形态沿壁面为螺旋状，沿流道壁面均匀布置，条纹旋转方向与流道上游旋流叶片旋转方向相同，内流道壁面上的条纹结构起始于所述文氏管内流道喉口截面或喉口截面下游一定距离的内流道壁面上，外流道壁面上的条纹结构起始于外流道入口或入口下游一定距离的外流道壁面上，内、外流道壁面上的条纹结构均终止于文氏管出口。
[0008]优选地，所述锯齿形条纹与文氏管流道中心线的夹角α为:
( f \2\
1-W
[0009]a = arctan 1.5Sn——-~—(I)
1-f—I
VVj^y y
[0010]其中，Sn为文氏管内、外流道上游旋流器的旋流数，r和R分别为旋流器的内、外半径。
[0011]优选地，所述锯齿形条纹的波峰高度h为:
? 1 n~21 4.64
? = 10 ~/ --
[0012]IuJ⑷
[0013]其中，I为文氏管内、外壁面的轴向长度，U00为旋流器出口速度，V空气运动粘度。
[0014]优选地，所述文氏管出口处锯齿形条纹截面波长λ为:
[0015]λ = ah (3)
[0016]a为经验系数,取值为0.8-1.5。
[0017]当空气从一、二级旋流通道流出后，会以一定的切向速度进入文氏管。由于在文氏管壁面沿气流流向布置的锯齿形条纹结构会抑制边界层内气流在垂直于流向方向上的湍流脉动，进而相应减弱下游旋流火焰根部的脉动，从而达到增强火焰稳定性，拓宽LDI多点喷射燃烧室稳定工作边界的目的。
[0018]本实用新型的文氏管流道壁面结构相比于现有技术具有显著的技术效果:能够有效抑制双轴向旋流火焰根部的脉动幅度及频率，增强旋流火焰的稳定性，拓宽LDI多点喷射燃烧室的熄火边界，使具有低污染燃烧系统的燃气轮机能在更加宽广的范围内工作不熄火，增强燃气轮机整机的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为LDI多点喷射燃烧室示意图，图中的文氏管为常规文氏管；
[0020]图2为本实用新型的文氏管与常规文氏管的对比示意图，㈧为常规文氏管，(B)为本实用新型的具有锯齿形条纹流道壁面的文氏管；
[0021]图3为本实用新型的具有锯齿形条纹流道壁面文氏管的截面示意图，其中(A)为文氏管的正视图，(B)为A-A向剖面图；
[0022]图4为装有本实用新型的具有锯齿形条纹流道壁面文氏管的双级轴向旋流器的三维模型，㈧为双级轴向旋流器侧面剖视图，⑶为双级轴向旋流器45度斜视图，(C)为双级轴向旋流器正视图；
[0023]图5为装有本实用新型的具有锯齿形条纹流道壁面文氏管的LDI多点喷射燃烧室的三维模型，(A)为LDI多点喷射燃烧室的正视图，(B)为LDI多点喷射燃烧室的45度斜视图，(C)为LDI多点喷射燃烧室的侧视图；
[0024]图6为分别装有本实用新型的具有锯齿形条纹结构流道壁面文氏管和常规文氏管的LDI多点喷射燃烧室熄火过程温度场的数值仿真结果，(A)为装有常规文氏管燃烧室熄火过程温度场的数值仿真结果，(B)为装有本实用新型具有锯齿形条纹结构流道壁面文氏管燃烧室熄火过程温度场的数值仿真结果。
【具体实施方式】
[0025]为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。
[0026]图1为LDI多点喷射燃烧室示意图，该燃烧室具有9个双级旋流器，其中的文氏管4为常规文氏管。两级旋流器2、3均为轴向旋流器，气流旋转方向相同，为右手方向；第一级轴向旋流器2装有气态燃料喷嘴1，文氏管4安装于第一、二级轴向旋流器2、3之间。第一级轴向旋流器2的旋流数Sn = 1.0,内径η = 7.5mm,外径Ri = 12mm ;第二级轴向旋流器3的旋流数Sn = 1.15,内径r。= 12.5mm,外径R。= 13mm ;两级旋流器旋流叶片个数各为12个，叶片厚度S = Imm;文氏管4的喉道直径d= 15臟，喉道上游曲率半径1^ = 8111111，喉道下游曲率半径1*2 = 5mm。
[0027]图2为本实用新型的具有锯齿形条纹结构流道壁面的文氏管与常规文氏管的对比示意图，其中图2(A)为常规文氏管，图2(B)为具有锯齿形条纹结构流道壁面的文氏管。常规文氏管，如图2(A)所示，其内、外流道壁面8、9上无条纹结构。本实用新型的文氏管，如图2(B)所示:具有锯齿形条纹结构流道壁面的文氏管内流道壁面条纹10起始于流道喉口位置，终止于文氏管出口位置；外流道壁面条纹11起始于外流道入口位置下游3_处，终止于文氏管出口位置；内、外流道条纹10、11沿壁面均匀布置，条纹旋转方向与上游旋流叶片方向一致，为右手方向；内流道壁面条纹10与文氏管流道中心线的夹角α根据式(I)计算为α =50.4°，外流道壁面条纹11与文氏管流道中心线的夹角α根据式(I)计算为α = 49.5。
[0028]图3为本实用新型所述的具有锯齿形条纹结构流道壁面的文氏管横截面示意图。所述锯齿形条纹结构的截面形状为锯齿形波。如图1所述的双级轴向旋流器，在设计工况下，一级旋流空气平均速度为115m/s，文氏管内流道壁面8的轴向长度为10mm，空气运动粘度15.89X 106m2/s，根据计算式(2)计算出内流道壁面条纹10的截面锯齿形波波峰高度h为1.72mm。根据计算式(3)计算出内流道出口处条纹10的截面锯齿形波波长λ为
1.72mm(a = I)。在设计工况下，二级旋流空气平均速度为95m/s，文氏管外流道壁面9的轴向长度为8.2mm，空气运动粘度15.89 X 106m2/s，根据计算式(2)计算出外流道壁面条纹11的截面锯齿形波波峰高度h为1.72mm。根据计算式(3)计算出外流道出口处条纹11的截面锯齿形波波长λ为1.72mm(a = I)。
[0029]图4和图5分别为装有具有锯齿形条纹结构流道壁面文氏管的双级轴向旋流器和LDI多点喷射燃烧室的三维模型，图6为分别装有具有锯齿形条纹结构流道壁面文氏管和常规文氏管的LDI多点喷射燃烧室熄火过程温度场的数值仿真结果。图6表明装有常规文氏管燃烧室的熄火油气比为0.015左右，而装有具有锯齿形条纹结构流道壁面文氏管的燃烧室的熄火油气比为0.012左右，燃烧室稳定工作边界明显拓宽。由于具有锯齿形条纹结构流道壁面的文氏管使得文氏管出口剪切层内气流的最大湍流尺度显著减小，有效减弱下游旋流火焰根部的湍流脉动尺度，进而明显增强旋流火焰的稳定性。因此，本实用新型所述的具有锯齿形条纹结构流道壁面的文氏管可以有效地拓宽双轴向旋流器燃烧室的稳定工作边界。
[0030]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
【权利要求】
1.一种锯齿状壁面文氏管流道壁面结构，用以拓宽0)1多点喷射燃烧室的火焰稳定边界，所述101多点喷射燃烧室头部结构采用双轴向旋流器；所述双轴向旋流器包括第一、二级轴向旋流器，每级轴向旋流器中均设置有旋流叶片，第一、二级旋流叶片的旋转方向相同，所述第一级轴向旋流器装有气态燃料喷嘴，所述文氏管安装于所述第一、二级轴向旋流器之间；其特征在于，所述文氏管包括内流道壁面和外流道壁面，其中所述内流道壁面位于第一级轴向旋流器下游，所述外流道壁面位于第二级轴向旋流器下游；所述内、外流道壁面上均设置有锯齿形条纹结构，所述锯齿形条纹结构在垂直于文氏管流道中心线方向上的截面形状为锯齿形波；所述锯齿形条纹结构包括多个条纹，条纹形态沿壁面为螺旋状，沿流道壁面均匀布置，条纹旋转方向与流道上游旋流叶片旋转方向相同，内流道壁面上的条纹结构起始于所述文氏管内流道喉口截面或喉口截面下游一定距离的内流道壁面上，外流道壁面上的条纹结构起始于外流道入口或入口下游一定距离的外流道壁面上，内、外流道壁面上的条纹结构均终止于文氏管出口。
2.如权利要求1所述的锯齿状壁面文氏管流道壁面结构，其特征是:各所述锯齿形条纹与文氏管流道中心线的夹角0为:
( / \2 \ ?2 =1.30 ,-—
11 (,, V
1一 - 其中，3。为文氏管内、外流道上游旋流器的旋流数，I'和I？分别为旋流器的内、外半径。
3.如权利要求1或2所述的锯齿状壁面文氏管流道壁面结构，其特征是:所述锯齿形条纹的波峰高度卜为: ,,, 4.64 /^ = 10 I ,- 其中，1为文氏管内、外流道壁面的轴向长度，11=0为所述101多点喷射燃烧室旋流器出口平均速度，V空气运动粘度。
4.如权利要求3所述的锯齿状壁面文氏管流道壁面结构，其特征是:文氏管出口处锯齿形条纹截面波长、为: 入=沾 ￡1为经验系数，取值为0.8-1.5。
【文档编号】F23R3/38GK204127993SQ201420578199
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】胡斌, 赵庆军, 崔伟伟, 赵巍, 徐建中 申请人:中国科学院工程热物理研究所