[發明專利]一種基于旋流器噴注的旋轉爆震燃燒室

有效

• 申請號: 202110990039.2
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113685843B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 肖俊峰;王致程;王瑋;高松;王峰;李曉豐;胡孟起
• 申請（專利權）人: 華能國際電力股份有限公司;西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: F23R3/38
• 分類號: F23R3/38
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明提出了一種基于旋流器噴注的旋轉爆震燃燒室，主要由旋流噴嘴、環形燃燒腔、壁面冷卻結構以及氧化劑和燃料供給結構組成。燃燒室工作過程中，氧化劑和燃料能否實現快速均勻混合，直接決定了旋轉爆震波能否穩定傳播，以及燃燒室能否穩定工作。本發明通過將旋轉爆震燃燒室通常采用的環縫?噴孔噴注結構，設計替換為旋流器噴注結構，氧化劑和燃料通過旋流噴嘴供給到環形燃燒腔中，由于旋流器能夠有效增加氣體的旋流強度，增大流場的湍流度，因而有利于實現氧化劑和燃料的快速均勻混合。本發明在未明顯增加燃燒室結構復雜程度的條件下，能有效改善氧化劑和燃料的混合效果，保證了燃燒室工作的穩定性，提高了燃燒室的燃燒效率，降低了污染物排放。

技術領域

本發明屬于旋轉爆震燃燒室技術領域，具體涉及一種基于旋流器噴注的旋轉爆震燃燒室。

背景技術

燃氣輪機作為清潔、高效和穩定的發電裝置，在現代文明中占據著不可替代的位置，燃氣輪機燃燒室主要基于等壓燃燒方式，其技術水平已經趨于成熟，很難取得進一步突破。與等壓燃燒方式相比，基于爆震燃燒的循環方式理論上具有更高的熱循環效率和更快的熱釋放速率。由于爆震燃燒的優勢，引起了國內外的廣泛關注，目前已經開展了將基于爆震燃燒的旋轉爆震燃燒室(Rotating Detonation Combustor，簡稱RDC)應用于沖壓發動機和航空發動機的初步研究，并取得了一些進展，而將RDC應用于燃氣輪機的研究工作尚未開展，燃燒室穩定工作、高燃燒效率和低污染物排放是燃氣輪機燃燒室的主要要求。RDC中旋轉爆震波傳播一圈的時間通常低于毫秒量級，因此氧化劑和燃料能否在極短時間內均勻混合，是影響旋轉爆震波穩定傳播以及RDC穩定工作的關鍵因素?，F有的RDC通常采用環縫-噴孔噴注形式，即氧化劑通過拉瓦爾型面的環縫通道進行供給，燃料則通過噴孔進行供給，由于氧化劑在環縫出口的流速高、旋流強度低，導致氧化劑和燃料在燃燒室頭部的混合時間較短，混合效果并不理想。當氧化劑和燃料混合效果較差時，旋轉爆震波不易維持穩定傳播，RDC工作的穩定性變差。

當氧化劑和燃料的混合效果較差時，局部區域可能存在當量比較大的情況，一方面造成燃料燃燒不完全，CO排放增加；另一方面，局部區域的燃燒溫度較高，NO_X排放增加。綜上所述，有必要對RDC的噴注結構進行優化設計，提出有利于旋轉爆震波穩定傳播、提高燃燒效率和降低污染物排放的噴注結構，對于RDC的工程應用非常重要。

發明內容

本發明的目的在于提出一種基于旋流器噴注的旋轉爆震燃燒室，擬解決現有RDC中氧化劑和燃料混合效果差，燃燒效率低，而帶來的燃燒室經濟性差和污染物排放高的問題，本發明可以應用于燃氣輪機和航空發動機等領域。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于旋流器噴注的環形旋轉爆震燃燒室，包括氧化劑供給腔、燃料供給腔、旋流噴嘴和環形燃燒腔；

所述的氧化劑供給腔位于燃燒室頭部，采用環腔形結構，氧化劑供給腔出口是沿周向均布的氧化劑供給孔，氧化劑供給孔的軸線方向與燃燒室軸線方向平行；

燃料供給腔位于燃燒室頭部，燃料供給腔的圓弧面上布置了燃料供給孔，燃料供給孔的法線方向與燃燒室徑向相同，燃料供給孔與旋流噴嘴之間通過燃料供給彎管連接；

環形燃燒腔位于旋流噴嘴出口一側，由燃燒室外環和燃燒室內柱組成，燃燒室外環靠近內壁面一側以及燃燒室內柱靠近外壁面一側，均布置了氣膜孔和冷卻氣體供給腔；

旋流噴嘴位于氧化劑供給孔中，其由旋流葉片、燃料噴注孔和旋流器燃料腔組成，旋流葉片位于氧化劑供給孔與旋流器燃料腔之間，旋流器燃料腔位于旋流葉片內側，入口端面與燃料供給彎管連接，出口端面與旋流葉片出口端面平齊，燃料噴注孔位于旋流器燃料腔出口端面，沿周向均勻分布。

本發明進一步的改進在于，氧化劑供給孔為直圓孔結構，為減小氣流在直圓孔入口處的流動損失，入口處壁面進行了導圓角處理。

本發明進一步的改進在于，旋流噴嘴與氧化劑供給孔的配合方式為過渡配合。