[發明專利]微混合噴嘴及其設計方法

有效

• 申請號: 201811339050.7
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN111174231B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 李珊珊;劉小龍;薛彧;呂煊;楊旭
• 申請（專利權）人: 中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司
• 主分類號: F23R3/28
• 分類號: F23R3/28
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

本發明公開了一種微混合噴嘴及其設計方法。本發明的微混合噴嘴的設計方法引入火焰面的設計流程，并且對火焰面及噴嘴出口型面進行參數化研究，本發明的微混合噴嘴的設計方法將火焰穩定性的設計從驗證項更改為設計項，減少設計加工成本以及設計返工，可根據參數化自動優化，加快設計進程，由此設計周期較短，且降低了燃燒振蕩發生的風險。

技術領域

本發明涉及燃氣輪機技術領域，具體地涉及一種微混合噴嘴及其設計方法。

背景技術

壓縮空氣和燃料的混合物在燃氣輪機的燃燒器內燃燒，產生高溫煙氣推動透平做功，其中燃燒器通過其噴嘴(通常也稱為燃料噴嘴)將燃料和空氣混合并噴射至燃燒區域。燃料和空氣混合均勻度是影響燃氣輪機污染物排放的重要因素，提高燃料和空氣混合均勻度能夠降低污染物排放。

相關技術中，燃氣輪機的噴嘴采用多噴嘴結構或是微混合結構，以提高燃料和空氣的摻混能力。然而，現有的噴嘴設計過程都是先設計噴嘴，然后計算噴嘴火焰面，做實驗或計算確定燃燒振蕩問題，再通過其他手段(如局部更改結構或設計諧振腔等)削弱燃燒振蕩問題，設計周期較長，燃燒振蕩發生的風險較大。而且，現有的噴嘴形成的火焰面為一個平直火焰面，火焰面固定單一，火焰面的面積小，釋熱過于集中，能量釋放會引發更強的不穩定放熱，容易誘發燃燒振蕩。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明一方面提出了一種微混合噴嘴的設計方法，該微混合噴嘴的設計方法降低了燃燒振蕩發生的風險，且設計周期較短。

本發明另一方面還提出了一種微混合噴嘴。

根據本發明第一方面的實施例的微混合噴嘴的設計方法包括以下步驟：S1、確定微混合噴嘴的初步結構，所述確定微混合噴嘴的初步結構包括確定噴嘴數量、噴嘴位置、噴嘴擴張比、噴嘴空氣流路結構以及噴嘴燃料流路結構；S2、對所述微混合噴嘴的初步結構進行流體及燃燒場計算，提取聲學邊界，所述聲學邊界包括溫度、壓力、密度以及聲速；S3、對火焰面進行參數化研究以設計火焰面；S4、設計的火焰面結合所述聲學邊界求解波動方程，獲得燃燒系統的聲學特性，所述聲學特性包括頻率、幅值以及增長率；S5、判定所述燃燒系統的穩定性：若所述燃燒系統穩定，輸出設計的火焰面的信息；若所述燃燒系統不穩定，返回S4修改所述設計的火焰面直至所述燃燒系統穩定，若通過修改所述設計的火焰面不能得到穩定的燃燒系統，返回S1修改所述微混合噴嘴的初步結構直至所述燃燒系統穩定；S6、所述燃燒系統穩定后，對噴嘴出口型面進行參數化研究以設計所述噴嘴出口型面；S7、根據設計的噴嘴出口型面進行燃燒場計算，提取該設計的噴嘴出口型面所對應的火焰面的信息；S8、比較所述噴嘴出口型面所對應的火焰面的信息與S5中輸出的設計的火焰面的信息是否一致：若二者一致，輸出所述微混合噴嘴的最終結構，所述輸出微混合噴嘴的最終結構包括輸出噴嘴數量、噴嘴位置、噴嘴擴張比、噴嘴空氣流路結構、噴嘴燃料流路結構、設計的火焰面以及設計的噴嘴出口型面；若二者不一致，返回S7修改所述噴嘴出口型面或返回S1修改所述微混合噴嘴的初步結構。

根據本發明實施例的微混合噴嘴的設計方法，通過引入火焰面的設計流程，將火焰穩定性的設計從驗證項更改為設計項，減少設計加工成本，減少設計返工；并且對火焰面及噴嘴出口型面進行參數化研究，可根據參數化自動優化，加快設計進程，由此設計周期較短，且降低了燃燒振蕩發生的風險。

在一些實施例中，S3中，所述火焰面的形狀為任意曲面。

在一些實施例中，S6中，所述噴嘴出口型面的形狀為任意曲面。

在一些實施例中，所述火焰面的信息包括位置、能量、溫度以及反應速度。