一種鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結構，用以拓寬LDI(Lean Direct Injection，貧油直接噴射)多點噴射燃燒室的火焰穩定邊界。本實用新型將常規文氏管內、外流道壁面處理為截面形狀為鋸齒形的條紋結構，鋸齒形條紋沿壁面為螺旋狀，沿流道壁面均勻布置，鋸齒形條紋與文氏管流道中心軸線的夾角根據流道上游的旋流葉片安裝角確定，鋸齒形條紋截面特征尺寸根據文氏管出口處近壁面邊界層厚度確定，鋸齒形條紋起始于文氏管內流道喉口截面或喉口截面下游一定距離的流道壁面上以及外流道入口或入口下游一定距離的流道壁面上，終止于文氏管出口。本實用新型可以抑制氣流在文氏管邊界層內垂直于流向方向的湍流脈動幅度及頻率，由此相應減弱文氏管出口下游火焰根部的脈動幅度及頻率，達到增強旋流火焰穩定性，拓寬LDI多點噴射燃燒室火焰穩定邊界的目的。
【專利說明】一種鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及燃燒穩定性控制領域，是一種增強氣態旋流火焰穩定性的裝置，具體來說是一種拓寬LDI多點噴射燃燒室火焰穩定邊界的文氏管流道壁面結構。
【背景技術】
[0002]隨著近些年來人們環保意識的日益增強，航空發動機和工業燃氣輪機的污染排放問題越來越受到關注。雖然從污染物排放的總量來講，航空發動機和工業燃氣輪機所占的比例很小，但由于其所特有的局部性特點，如在機場附近和使用工業燃氣輪機的地點會聚集高濃度的污染排放物；另外，在繁忙的空中走廊，各類飛機產生的污染排放物也是高空大氣污染物的主要來源。因此，近些年來燃氣輪機(包括航空發動機和各種工業燃氣輪機)的排放物越來越受到嚴格的限制。降低污染排放的核心是控制燃燒溫度及溫度的均勻度，這是低污染排放的關鍵，目前主流的三類燃氣輪機低污染燃燒室(LPP:貧油預混預蒸發，LD1:貧油直接噴射，RQL:富油燃燒-疾冷-貧油燃燒)均是以此為根據達到低污染目標的。
[0003]由于具有較高的綜合燃燒性能，LDI多點噴射燃燒室是下一代超低污染燃燒室在技術上可以達到的方案之一。LDI多點噴射燃燒室的基本方法是將燃油通過多個噴油點直接噴入燃燒區進行燃燒，或燃油預先與空氣進行一定程度混合后噴入燃燒區進行燃燒。燃燒區始終處于貧油狀態。火焰筒壁上不設主燃孔，進入燃燒區的空氣全部從頭部進入。影響LDI燃燒室污染物排放有兩個重要因素:油/氣混合率和燃燒區當量比。a，油/氣混合率:油氣混合率主要與燃燒室燃料的噴射方式有關，多點噴射燃燒室由于其頭部燃料采用多點噴射的方式，相對于常規燃燒室0.3的油氣混合率其油氣混合率可達0.8以上；b，燃燒區當量比:LDI燃燒室主燃區的當量比非常低，一般小于0.6-0.7 (常規燃燒室主燃區的當量比范圍在0.8-1.2)，而航空煤油的貧燃邊界為0.5，因此，如果由于某種原因導致燃燒室入口流場突變是很容易導致燃燒室熄火的。此外，在常規燃燒室中主燃孔對主流的節流作用會變向降低主燃區的平均流速，提升主燃區的壓力，但是由于LDI多點噴射燃燒室的燃燒空氣全部從頭部進入，不設主燃孔，這無疑是對LDI多點噴射燃燒室燃燒穩定性的一個重要考驗。由此看來，LDI燃燒室的火焰穩定問題是除污染物排放之外又一個需要重點考慮的問題。
[0004]鑒于上述問題，燃燒工程師有必要在現有燃燒室普遍采用的旋流穩焰結構的基礎上提出進一步提高燃燒穩定性的控制措施，最大限度的拓寬LDI多點噴射燃燒室的穩定工作邊界，提高燃氣輪機整機運行的可靠性。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的是提供一種文氏管流道壁面結構，用以增強LDI多點噴射燃燒室火焰穩定性。該壁面結構呈現條紋化的特點，通過該結構可以有效減弱旋流火焰根部的湍流脈動，增強旋流火焰的穩定性，拓寬LDI多點噴射燃燒室的穩定工作邊界。
[0006]為實現上述技術目的，本實用新型的文氏管流道壁面結構通過以下技術方案實現:
[0007]—種文氏管流道壁面結構，用以拓寬LDI多點噴射燃燒室的火焰穩定邊界，所述LDI多點噴射燃燒室頭部結構采用雙軸向旋流器；所述雙軸向旋流器包括第一、二級軸向旋流器，每級軸向旋流器中均設置有旋流葉片，第一、二級旋流葉片的旋轉方向相同，所述第一級軸向旋流器裝有氣態燃料噴嘴，所述文氏管安裝于所述第一、二級軸向旋流器之間；其特征在于，所述文氏管包括內流道壁面和外流道壁面，其中所述內流道壁面位于第一級軸向旋流器下游，所述外流道壁面位于第二級軸向旋流器下游；所述內、外流道壁面上均設置有鋸齒形條紋結構，所述鋸齒形條紋結構在垂直于文氏管流道中心線方向上的截面形狀為鋸齒形波；所述鋸齒形條紋結構包括多個條紋，條紋形態沿壁面為螺旋狀，沿流道壁面均勻布置，條紋旋轉方向與流道上游旋流葉片旋轉方向相同，內流道壁面上的條紋結構起始于所述文氏管內流道喉口截面或喉口截面下游一定距離的內流道壁面上，外流道壁面上的條紋結構起始于外流道入口或入口下游一定距離的外流道壁面上，內、外流道壁面上的條紋結構均終止于文氏管出口。
[0008]優選地，所述鋸齒形條紋與文氏管流道中心線的夾角α為:
( f \2\
1-W
[0009]a = arctan 1.5Sn——-~—(I)
1-f—I
VVj^y y
[0010]其中，Sn為文氏管內、外流道上游旋流器的旋流數，r和R分別為旋流器的內、外半徑。
[0011]優選地，所述鋸齒形條紋的波峰高度h為:
? 1 n~21 4.64
? = 10 ~/ --
[0012]IuJ⑷
[0013]其中，I為文氏管內、外壁面的軸向長度，U00為旋流器出口速度，V空氣運動粘度。
[0014]優選地，所述文氏管出口處鋸齒形條紋截面波長λ為:
[0015]λ = ah (3)
[0016]a為經驗系數,取值為0.8-1.5。
[0017]當空氣從一、二級旋流通道流出后，會以一定的切向速度進入文氏管。由于在文氏管壁面沿氣流流向布置的鋸齒形條紋結構會抑制邊界層內氣流在垂直于流向方向上的湍流脈動，進而相應減弱下游旋流火焰根部的脈動，從而達到增強火焰穩定性，拓寬LDI多點噴射燃燒室穩定工作邊界的目的。
[0018]本實用新型的文氏管流道壁面結構相比于現有技術具有顯著的技術效果:能夠有效抑制雙軸向旋流火焰根部的脈動幅度及頻率，增強旋流火焰的穩定性，拓寬LDI多點噴射燃燒室的熄火邊界，使具有低污染燃燒系統的燃氣輪機能在更加寬廣的范圍內工作不熄火，增強燃氣輪機整機的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為LDI多點噴射燃燒室示意圖，圖中的文氏管為常規文氏管；
[0020]圖2為本實用新型的文氏管與常規文氏管的對比示意圖，㈧為常規文氏管，(B)為本實用新型的具有鋸齒形條紋流道壁面的文氏管；
[0021]圖3為本實用新型的具有鋸齒形條紋流道壁面文氏管的截面示意圖，其中(A)為文氏管的正視圖，(B)為A-A向剖面圖；
[0022]圖4為裝有本實用新型的具有鋸齒形條紋流道壁面文氏管的雙級軸向旋流器的三維模型，㈧為雙級軸向旋流器側面剖視圖，⑶為雙級軸向旋流器45度斜視圖，(C)為雙級軸向旋流器正視圖；
[0023]圖5為裝有本實用新型的具有鋸齒形條紋流道壁面文氏管的LDI多點噴射燃燒室的三維模型，(A)為LDI多點噴射燃燒室的正視圖，(B)為LDI多點噴射燃燒室的45度斜視圖，(C)為LDI多點噴射燃燒室的側視圖；
[0024]圖6為分別裝有本實用新型的具有鋸齒形條紋結構流道壁面文氏管和常規文氏管的LDI多點噴射燃燒室熄火過程溫度場的數值仿真結果，(A)為裝有常規文氏管燃燒室熄火過程溫度場的數值仿真結果，(B)為裝有本實用新型具有鋸齒形條紋結構流道壁面文氏管燃燒室熄火過程溫度場的數值仿真結果。
【具體實施方式】
[0025]為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本實用新型進一步詳細說明。
[0026]圖1為LDI多點噴射燃燒室示意圖，該燃燒室具有9個雙級旋流器，其中的文氏管4為常規文氏管。兩級旋流器2、3均為軸向旋流器，氣流旋轉方向相同，為右手方向；第一級軸向旋流器2裝有氣態燃料噴嘴1，文氏管4安裝于第一、二級軸向旋流器2、3之間。第一級軸向旋流器2的旋流數Sn = 1.0,內徑η = 7.5mm,外徑Ri = 12mm ;第二級軸向旋流器3的旋流數Sn = 1.15,內徑r。= 12.5mm,外徑R。= 13mm ;兩級旋流器旋流葉片個數各為12個，葉片厚度S = Imm;文氏管4的喉道直徑d= 15臟，喉道上游曲率半徑1^ = 8111111，喉道下游曲率半徑1*2 = 5mm。
[0027]圖2為本實用新型的具有鋸齒形條紋結構流道壁面的文氏管與常規文氏管的對比示意圖，其中圖2(A)為常規文氏管，圖2(B)為具有鋸齒形條紋結構流道壁面的文氏管。常規文氏管，如圖2(A)所示，其內、外流道壁面8、9上無條紋結構。本實用新型的文氏管，如圖2(B)所示:具有鋸齒形條紋結構流道壁面的文氏管內流道壁面條紋10起始于流道喉口位置，終止于文氏管出口位置；外流道壁面條紋11起始于外流道入口位置下游3_處，終止于文氏管出口位置；內、外流道條紋10、11沿壁面均勻布置，條紋旋轉方向與上游旋流葉片方向一致，為右手方向；內流道壁面條紋10與文氏管流道中心線的夾角α根據式(I)計算為α =50.4°，外流道壁面條紋11與文氏管流道中心線的夾角α根據式(I)計算為α = 49.5。
[0028]圖3為本實用新型所述的具有鋸齒形條紋結構流道壁面的文氏管橫截面示意圖。所述鋸齒形條紋結構的截面形狀為鋸齒形波。如圖1所述的雙級軸向旋流器，在設計工況下，一級旋流空氣平均速度為115m/s，文氏管內流道壁面8的軸向長度為10mm，空氣運動粘度15.89X 106m2/s，根據計算式(2)計算出內流道壁面條紋10的截面鋸齒形波波峰高度h為1.72mm。根據計算式(3)計算出內流道出口處條紋10的截面鋸齒形波波長λ為
1.72mm(a = I)。在設計工況下，二級旋流空氣平均速度為95m/s，文氏管外流道壁面9的軸向長度為8.2mm，空氣運動粘度15.89 X 106m2/s，根據計算式(2)計算出外流道壁面條紋11的截面鋸齒形波波峰高度h為1.72mm。根據計算式(3)計算出外流道出口處條紋11的截面鋸齒形波波長λ為1.72mm(a = I)。
[0029]圖4和圖5分別為裝有具有鋸齒形條紋結構流道壁面文氏管的雙級軸向旋流器和LDI多點噴射燃燒室的三維模型，圖6為分別裝有具有鋸齒形條紋結構流道壁面文氏管和常規文氏管的LDI多點噴射燃燒室熄火過程溫度場的數值仿真結果。圖6表明裝有常規文氏管燃燒室的熄火油氣比為0.015左右，而裝有具有鋸齒形條紋結構流道壁面文氏管的燃燒室的熄火油氣比為0.012左右，燃燒室穩定工作邊界明顯拓寬。由于具有鋸齒形條紋結構流道壁面的文氏管使得文氏管出口剪切層內氣流的最大湍流尺度顯著減小，有效減弱下游旋流火焰根部的湍流脈動尺度，進而明顯增強旋流火焰的穩定性。因此，本實用新型所述的具有鋸齒形條紋結構流道壁面的文氏管可以有效地拓寬雙軸向旋流器燃燒室的穩定工作邊界。
[0030]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的范圍之內。
【權利要求】
1.一種鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結構，用以拓寬0)1多點噴射燃燒室的火焰穩定邊界，所述101多點噴射燃燒室頭部結構采用雙軸向旋流器；所述雙軸向旋流器包括第一、二級軸向旋流器，每級軸向旋流器中均設置有旋流葉片，第一、二級旋流葉片的旋轉方向相同，所述第一級軸向旋流器裝有氣態燃料噴嘴，所述文氏管安裝于所述第一、二級軸向旋流器之間；其特征在于，所述文氏管包括內流道壁面和外流道壁面，其中所述內流道壁面位于第一級軸向旋流器下游，所述外流道壁面位于第二級軸向旋流器下游；所述內、外流道壁面上均設置有鋸齒形條紋結構，所述鋸齒形條紋結構在垂直于文氏管流道中心線方向上的截面形狀為鋸齒形波；所述鋸齒形條紋結構包括多個條紋，條紋形態沿壁面為螺旋狀，沿流道壁面均勻布置，條紋旋轉方向與流道上游旋流葉片旋轉方向相同，內流道壁面上的條紋結構起始于所述文氏管內流道喉口截面或喉口截面下游一定距離的內流道壁面上，外流道壁面上的條紋結構起始于外流道入口或入口下游一定距離的外流道壁面上，內、外流道壁面上的條紋結構均終止于文氏管出口。
2.如權利要求1所述的鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結構，其特征是:各所述鋸齒形條紋與文氏管流道中心線的夾角0為:
( / \2 \ ?2 =1.30 ,-—
11 (,, V
1一 - 其中，3。為文氏管內、外流道上游旋流器的旋流數，I'和I？分別為旋流器的內、外半徑。
3.如權利要求1或2所述的鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結構，其特征是:所述鋸齒形條紋的波峰高度卜為: ,,, 4.64 /^ = 10 I ,- 其中，1為文氏管內、外流道壁面的軸向長度，11=0為所述101多點噴射燃燒室旋流器出口平均速度，V空氣運動粘度。
4.如權利要求3所述的鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結構，其特征是:文氏管出口處鋸齒形條紋截面波長、為: 入=沾 ￡1為經驗系數，取值為0.8-1.5。
【文檔編號】F23R3/38GK204127993SQ201420578199
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】胡斌, 趙慶軍, 崔偉偉, 趙巍, 徐建中 申請人:中國科學院工程熱物理研究所