燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法与流程

本发明特别涉及一种燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法。

背景技术：

为了满足适航要求，航空发动机采用了贫油燃烧技术以降低nox排放，但贫油燃烧容易引发振荡燃烧，严重时会导致燃烧室热端组件烧蚀。另外，为了降低nox排放，需要将更多的空气分配至燃烧室头部，以降低燃烧区的当量比，而此时火焰筒冷却气减少，火焰筒壁面的声学阻抗增大，也加剧了振荡燃烧的程度。

为了抑制振荡燃烧，目前有主动控制和被动控制两种实施方案。对于主动控制，需要实时监测燃烧室内脉动压力或其他气动参数的动态信号，根据脉动压力的振荡频率以及波形，控制系统通过高速作动元件对燃料供给或在气路上增加一个反相的激励，以降低燃烧室内的脉动压力。但这需要较为复杂的控制系统，且对传感器本身的要求很高。对于被动控制而言，需要通过试验辨识振荡燃烧发生的条件或振荡燃烧产生的机制，根据振荡燃烧的实际情况，对燃烧室结构进行改善设计，或改变供油方式。

对于中心分级燃烧技术而言，如图1所示，通过燃油的分级比例调节，可以使更多的燃料供入预燃级，从而实现降低振荡燃烧的强度。但降低振荡燃烧强度的同时，又会增加nox排放，使得排放裕度降低。为了保证排放特性，则需要拓宽稳定燃烧的边界，即需要采用新设计或系统控制手段使图1中的振荡边界(虚线，即振荡幅值突增的位置)往坐标轴左边移动。

对于中心分级燃烧模式，通过光学诊断技术，目前已经了解到的振荡燃烧主要驱动机制之一为预燃级流动不稳定，该机制主要与预燃级旋流数有关，预燃级强旋有利于形成中心回流区以驻定火焰，但容易形成不稳定的螺旋涡和涡脱落，涡脱落的频率与旋流数有关(一般旋流数越大，涡脱落频率越高)，螺旋涡和涡脱落使得火焰结构发生周期性变化(即火焰与涡的相互作用)，燃烧区在时间和空间的维度上则发生相应类型的释热波动，从而驱动全环燃烧室的周向模态压力振荡(倾向于螺旋涡)和轴向模态压力振荡(倾向于涡脱落)。

常规的燃烧室气动热力方案设计结果大都只考虑了稳态工作状态或稳定燃烧状态，而无法满足过渡态或非稳定燃烧状态，例如振荡燃烧对气动热力的影响。为了抑制振荡燃烧，保证安全性，不得不牺牲例如排放和出口温度分布等性能，因此，常规的燃烧室气动热力设计方案难以同时保证各项指标均满足。

本领域需要一种燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法，抑制燃烧室的振荡燃烧现象，拓宽稳定燃烧边界，提升燃烧性能，保证燃烧室的寿命以及燃气轮机的性能以及寿命。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种燃烧室。

本发明的另一个目的是提供一种燃气轮机。

本发明的又一个目的是提供一种抑制振荡燃烧的方法。

根据本发明一个方面的一种燃烧室，包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，以所述预燃级为中心，多个所述主燃级沿周向绕所述预燃级分布，所述预燃级具有预燃级燃油喷嘴以及位于其周向外部的预燃级外壁，所述主燃级具有主燃级内壁，所述预燃级外壁以内的径向空间提供通过预燃级进气部进入所述预燃级的空气与所述预燃级燃油喷嘴喷射的燃油进行掺混的预燃级通道；所述预燃级进气部包括预燃级第一进气部以及预燃级第二进气部；所述预燃级第一进气部包括贯穿所述预燃级外壁的径向厚度的具有声学节流作用的第二孔道。

在所述燃烧室的实施例中，所述具有声学节流作用的第二孔道的结构满足：

其中，p′4为火焰筒内的脉动压力幅值，p4为火焰筒内的平均压力，δpori为声学节流孔的过孔压降，常数β为第二孔道的声能转为动能的能量转换效率。

在所述燃烧室的实施例中，所述第二进气部具有由所述预燃级外壁以及预燃级燃油喷嘴外壁之间的径向空间提供的第二进气通道，所述第二进气通道内设置有旋流器。

在所述燃烧室的实施例中，所述预燃级第一进气部与所述预燃级第二进气部分别独立地向所述预燃级通道输送空气，且从两进气部输入的空气在所述预燃级通道内混合。

在所述燃烧室的实施例中，所述第二孔道轴线与径向平行。

在所述燃烧室的实施例中，所述第二孔道的轴线与径向呈正向或负向的倾斜角。

在所述燃烧室的实施例中，所述预燃级燃油喷嘴为离心喷嘴。

根据本发明另一个方面的一种燃烧室，包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，用于与预燃级燃油喷嘴喷射的燃油进行掺混的空气通过预燃级进气部进入所述预燃级，所述燃烧室包括稳定状态以及振荡燃烧状态，所述预燃级进气部包括预燃级第一进气部以及预燃级第二进气部，所述预燃级第一进气部具有第二孔道，在所述稳定状态，空气可分别通过所述预燃级第一进气部与所述预燃级第二进气部进入所述预燃级，在所述振荡燃烧状态，所述预燃级第一进气部在所述燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡燃烧压力波环境下，所述第二孔道发生的节流作用使通过所述预燃级第一进气部进入所述预燃级的空气的比例降低，通过所述预燃级第二进气部进入所述预燃级的空气的比例增大，从而调节预燃级出口的旋流数。

根据本发明又一个方面的一种燃气轮机，包括以上任意一项所述的燃烧室。

根据本发明再一个方面的一种抑制振荡燃烧的方法，包括：

设置多条空气流路为燃烧室的预燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为所述预燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，所述多条空气流路的一条空气流路在燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡压力波环境下的产生的节流作用使得该条空气流路的空气流量的比例减小，所述多条空气流路中的其他空气流路的空气流量的比例相应增大，调节预燃级出口旋流数。

综上，本发明的进步效果包括，通过设置具有声学节流作用的进气孔道，既保证了稳定状态下的燃烧性能，扩宽了振荡燃烧边界，能使更多的燃油分配至主燃级，具有进一步降低排放的潜力，改善出口温度分布品质；即使发生振荡燃烧，通过压力波的声学节流作用，封闭预燃级第一进气部，降低了预燃级第一进气部的进气量的比例，增大了预燃级第二进气部的进气量的比例，预燃级出口旋流数发生变化(设计目标一般为往旋流数减小的方向，但不否定排除往增大的方向进行设计也抑制振荡燃烧的情况)，以减弱预燃级的螺旋涡/涡脱落强度也可使螺旋涡/涡脱落与振荡频率产生错频，从而减弱燃烧区内的释热驱动力，从而降低全环燃烧室的周向模态压力振荡幅值或轴向模态压力振荡幅值，保证了燃烧的稳定性，提升了燃烧室以及燃气轮机的性能以及寿命。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是燃油分级比对脉动压力和排放的影响示意图。

图2是脉动压力以及燃烧室过孔压降达到声学节流效应的关系。

图3是一个或多个实施例的燃烧室的空气流动路径示意图。

图4是一个或多个实施例的燃烧室头部在稳定状态的空气流路示意图。

图5是一个或多个实施例的燃烧室头部在振荡燃烧状态的空气流路示意图。

图6是一个或多个实施例的燃烧室头部的预燃级结构示意图。

图7是一个或多个实施例的第一进气部的结构示意图。

图8是根据图6的预燃级结构气体量分析示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

参考图3，燃气轮机的燃烧室结构包括前置扩压器1、外机匣2、内机匣9、头部8、燃油喷嘴3、点火电嘴5、外环火焰筒6和内环火焰筒11组成；其中头部8可以采用包括旋流器进气结构，外环火焰筒6和内环火焰筒11均可采用气膜冷却方式。稳定燃烧状态下，空气从前置扩压器1出口流出，分成三股进入火焰筒容腔12：空气7通过头部8旋流器通道进入火焰筒容腔12；空气4通过外环火焰筒6冷却孔进入火焰筒容腔12；空气10通过内环火焰筒11冷却孔进入火焰筒容腔12。

需要注意的是，下述实施例的轴向、径向表示的是燃烧室头部8的轴向与径向，燃烧室头部8如图3所示可以是倾斜于发动机轴向布置的，因此下述实施例的轴向、径向可能与发动机的轴向、径向不一定相同。

参考图4，在一实施例中，当燃烧室处于稳定状态时，对于经过头部8进入火焰筒容腔12的空气，与振荡燃烧主要主动机制之一的预燃级流动不稳定相关的空气流路包括，分别独立地从预燃级进气部进入预燃级的空气流路21、22，以及经过主燃级旋流器16进入的空气流路23，空气流路22通过预燃级第一进气部101输入预燃级通道301，空气流路21通过预燃级第二进气部201输入预燃级通道301，空气流路22、21在预燃级通道301中交汇，并与预燃级燃油喷嘴19喷射的燃油进行掺混，并从预燃级通道301出口端输出。从参考图5，当燃烧室处于振荡燃烧状态时，预燃级第一进气部101关闭，空气无法通过经过预燃级第一进气部101的空气流路22进入预燃级，而仅能通过从预燃级第二进气部201进入预燃级的空气流路21进入预燃级通道301。如此即可达到抑制振荡燃烧的效果的原理在于，由于预燃级出口的旋流数由空气流路21和空气流路22决定，预燃级旋流数直接影响预燃级的流动稳定性，对螺旋涡和涡脱落的形成起主导作用，在振荡燃烧状态时，由于预燃级第一进气部101关闭，预燃级的旋流数仅由空气流路21决定，配合cfd方法通过预燃级第一进气部101的开孔设计匹配设计，使得关闭第一进气部101后，预燃级出口旋流数发生变化(设计目标一般为往旋流数减小的方向，但不排除往增大的方向进行设计也抑制振荡燃烧的情况，例如增大旋流数虽然具有增大涡强度而加剧振荡燃烧的负面作用，但增大旋流数有时也具有使得涡频率与振荡频率错频从而抑制振荡燃烧的正面作用，当在特定燃烧室结构与工况下其正面作用大于负面作用，即也可以抑制振荡燃烧)，从而减弱预燃级的螺旋涡/涡脱落强度，也可使螺旋涡/涡脱落与振荡频率产生错频，从而减弱燃烧区内的释热驱动力，从而降低全环燃烧室的周向模态压力振荡幅值或轴向模态压力振荡幅值。

参考图4至图6，在一个或多个实施例中，头部8的具体结构可以是，头部8包括主燃级以及预燃级，以预燃级为中心，多个主燃级沿周向绕所述预燃级分布。预燃级可以包括预燃级燃油喷嘴19以及位于其周向外部的预燃级外环壁18。主燃级可以包括主燃级内环壁14和主燃级外环壁13，从主燃级内环壁14径向凸伸的主燃级上游端壁170以及从主燃级外环壁13径向凸伸的主燃级下游端壁171，进入主燃级的空气沿空气流路23从主燃级上游端壁170以及主燃级下游端壁171之间的轴向空间提供通道进入经过主燃级旋流器16进入主燃级，并在主燃级内环壁14和主燃级外环壁13之间的径向空间内与主燃级燃油喷射孔17喷射的燃油进行掺混，输出至火焰筒容腔12。预燃级外环壁18以内的径向空间提供通过预燃级进气部进入预燃级的空气与预燃级燃油喷嘴喷射19的燃油混合的预燃级通道301；预燃级进气部包括预燃级第一进气部101以及预燃级第二进气部201，预燃级第一进气部101包括贯穿预燃级外环壁18的径向厚度的具有声学节流作用的第二孔道25，空气沿空气流路22进入由预燃级外环壁18与主燃级内环壁14之间的径向空间提供的空气通道，再从第二孔道25进入预燃级通道301。而第二进气部201的具体结构可以是具有由预燃级外环壁18以及预燃级燃油喷嘴19外壁之间的径向空间提供的第二进气通道，第二进气通道内设置有旋流器20。预燃级燃油喷嘴19为离心喷嘴，以增强燃油与空气的雾化混合效果。如图4所述，预燃级第一进气部101、预燃级第二进气部201可以是分别独立地向预燃级通道301输送空气，空气流路21、22两者在进入预燃级通道301之后才发生相互作用。可以理解到，图5所示的第二孔道25的声学节流作用在振荡燃烧状态下封闭使得气体无法从第二孔道25通过而关闭第一进气部101，是一种理想的节流状态的例子，不应以此为限。也可以采用减小对第一进气部101的进气流量的例子。第二孔道25具有声学节流作用的原理在于，当燃烧室处于振荡燃烧状态时，振荡燃烧的压力波会对特定结构的孔道通过的气体产生声学节流作用，增大其实际的过孔压降，具体的现象可以参考图2。

图2为发明人发现的燃烧室火焰筒组件的冷却孔的声学节流作用，纵坐标为实际过孔压降δp与火焰筒容腔12的平均压力p4的比值的3/2次方，即横坐标为火焰筒容腔12的脉动压力幅值|p′4|(经傅里叶变换后主频率对应的幅值)与平均压力值p4的百分比，即由于燃烧室内的流动马赫数一般在0.2以下，因此在通常状态(例如没有振荡燃烧的情况)，燃烧室各处进气通道的压降由其流阻特性决定，即只与有效面积acd和进气组合参数有关，其中，w31为燃烧室前置扩压器1出口流量，t31为燃烧室前置扩压器1出口温度，p31为燃烧室前置扩压器1出口压力；若不变，则燃烧室压降由acd决定。图2显示的是在不变的情况下，通过提高油气比，使燃烧室发生振荡燃烧，并且振荡幅值随油气比提高而提高的试验中观察到的燃烧室压降随振荡幅值变化的试验结果。试验数据分析结果表明，用于火焰筒的冷却进气的孔道在振荡燃烧的压力波环境下发生了节流，使得火焰筒冷却气的acd减小，整个燃烧室流通acd减小，导致燃烧室压降增大。图中的斜线代表触发节流效应所对应的脉动压力幅值；斜线(图中的y＝x)左上侧的范围内，脉动压力无法使得燃烧室压降发生变化，斜线右下侧的范围内，脉动压力会导致燃烧室压降增大，当脉动压力增大到一定程度时，火焰筒进气完全“堵塞”，所有进气只能从头部进入火焰筒。通过理论推导，可以得到声学节流的触发条件如下：

其中，p′4为火焰筒内的脉动压力幅值，p4为火焰筒内的平均压力，δpori为声学节流孔的设计过孔压降，常数β为具有声学节流作用的第二孔道的声能转为动能的能量转换效率。常数β与孔直径d、孔长度l有关，d越小或l越大，则β越大。例如从图2中可知

1)设计压降为3％(油气比较低，无振荡燃烧的情况)的孔道，在脉动压力小于0.5％，此时未出现声学节流，因此燃烧室内的实际压降与设计压降基本相同；当脉动压力在0.5％-3％之间，小部分火焰筒组件(比如火焰筒内环或外环)率先发生节流作用，燃烧室压降略微提高；当脉动个压力大于3％后，大部分火焰筒组件发生节流，燃烧室压降明显增大；

2)设计压降为5％的情况与3％的情况相似，但由于设计压降增大，要求脉动压力超过1％时，触发小部分火焰筒组件的节流。这种分级节流的形式(先小部分火焰筒组件，再大部分火焰筒组件)与冷却孔的开孔形式有关；另外设计压降为3％和5％的试验结果也证明了节流与压降有关。

基于上述原理，发明人创造性地将在进行燃烧室试验中发现的火焰筒冷却孔声学节流的不利现象“变废为宝”(火焰筒冷却孔的声学节流会降低火焰筒冷效，不利于火焰筒冷却)，应用至头部预燃级设计，即通过设计具有声学节流作用的头部预燃级进气孔，在振荡燃烧时关闭第一进气部，以调节预燃级出口旋流数(设计目标一般为往旋流数减小的方向，但不排除往增大的方向进行设计也抑制振荡燃烧的情况)，抑制振荡燃烧。

参考图7，在一个或多个实施例中，具有声学节流作用的第二孔道25的结构参数包括孔的总数量n、孔直径d和孔长度l。为了具有声学节流作用，需要根据第二孔道25的过孔设计压降选择适当的孔直径d和孔长度l。并且根据实际需求，第二孔道25的形状可以是其轴线与径向平行的直孔形孔道251，或者是与径向呈正向倾斜角α的斜孔形孔道252，或与轴向呈负向倾斜角-α的斜孔形孔道253，以保证稳定状态下预燃级出口的旋流数，具体可以通过计算流体力学(cfd)方法评估。在振荡燃烧状态，因声学节流作用关闭第二孔道25后的预燃级出口旋流数仅与第二进气部的旋流器20的旋流叶片构型有关，具体可以通过计算流体力学(cfd)方法评估。参考图8，对于预燃级第一进气部101的空气流量为w1以及第二进气部201的空气流量w2，经过预燃级通道301出口截面26射流的空气流量为w1+w2。当燃烧室处于稳定燃烧状态时，w1＝a，w2＝b；振荡燃烧时，由于第二孔道25的声学节流作用，此时w1＝0，w2≈a+b(可以结合cfd方法，通过头部进气局部优化，尽量保证在稳定燃烧或振荡燃烧条件下，预燃级的进气流量不发生显著变化或者这种变化量很小)，此时经过预燃级燃油喷雾张角α的空气流量基本可保持在w1+w2≈a+b，因此，对预燃级燃油喷嘴19喷射的燃油的气动雾化效果基本不变。而燃烧室稳定状态时预燃级通道301出口截面26处射流旋流数到振荡燃烧状态时预燃级通道301出口截面26处射流旋流数的变化方向(减小或增大)及变化程度，可以通过设计如图7所示的第二孔道的结构尺寸总数量n、孔直径d、倾斜正负方向以及倾斜角及第二孔道25的进气量比值a/(a+b)予以实现，该过程可通过cfd方法初步计算。一般设计要求第二孔道25开孔方向α与预燃级旋流器20的旋流叶片的方向相同，这样可以保证振荡燃烧初始发生时，在对第二孔道25声学节流作用以减小预燃级第一进气部101的进气流量时，预燃级旋流数往减小的方向发生变化，从而减弱预燃级的螺旋涡/涡脱落的强度并改变其运动频率，通过调节目标(涡的强度和频率)来确定第二孔道25的设计尺寸以及a/(a+b)、倾斜正负方向以及倾斜角等预燃级气动设计参数。

从上述介绍可知，抑制燃气轮机的燃烧室的振荡燃烧的方法可以包括以下步骤：

设置多条空气流路为燃烧室的预燃级提供空气，例如设置空气流路21、22为预燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为预燃级提供空气；例如在稳定状态下，空气流路21、22为预燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，多条空气流路的一条空气流路受从火焰筒容腔传播的振荡压力波的节流作用使得该空气流路的空气流量减小，所述多条空气流路中的其他空气流路的空气流量的比例相应增大，调节预燃级旋流数；例如在振荡燃烧状态下，空气流路22受到内腔传播的振荡压力波的声学节流作用而关闭，空气总量大致不变，空气仅从空气流路21进入预燃级，即空气流路21的空气流量增大，使预燃级旋流数往减小的方向变化，从而减弱预燃级的螺旋涡/涡脱落强度，也可使螺旋涡/涡脱落与振荡频率产生错频，从而减弱振荡燃烧的驱动力燃烧区内的释热驱动力，从而降低全环燃烧室的周向模态压力振荡幅值或轴向模态压力振荡幅值。

综上可知，采用以上实施例的燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的有益效果包括通过设置具有声学节流作用的进气孔道，既保证了稳定状态下的燃烧性能，扩宽了振荡燃烧边界，从而保证燃烧室的污染排放和出口温度分布等性能；即使发生振荡燃烧，进气孔在压力波的作用下的发生声学节流，降低了第一进气部的进气量的比例，增大第二进气部的进气量的比例，从而调节了预燃级出口旋流数，设计目标一般为往旋流数减小的方向，(但不排除往增大的方向进行设计也抑制振荡燃烧的情况)，以减弱预燃级的螺旋涡/涡脱落强度，也可螺旋涡/涡脱落与振荡频率产生错频，从而减弱燃烧区内的释热驱动力，从而降低全环燃烧室的周向模态压力振荡幅值或轴向模态压力振荡幅值，进一步拓宽振荡燃烧边界，保证了燃烧的稳定性，提升了燃烧室以及燃气轮机的性能以及寿命。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。