用于抑制燃烧振荡的燃烧室和燃烧器的制作方法

1.本实用新型涉及能源与动力技术领域，尤其涉及一种用于抑制燃烧振荡的燃烧室和燃烧器。


背景技术：

2.人类获取能源和动力的方式依旧主要是化石燃料的燃烧。在能源与动力领域的相关应用设备中，燃烧振荡是各类燃烧器中常见的技术挑战，广泛的存在于锅炉，燃气热水器，燃气轮机等燃烧装置中。特别是在越来越严格的排放要求下，为了减少以氮氧化物(nox)为主的污染物排放，现在先进燃烧装置常采用贫油预混燃烧模式，燃烧装置常常在临近熄火的状态下工作，对外界的扰动十分敏感，容易受到外界扰动，产生释热率脉动。当释热率脉动与燃烧系统声学耦合时(可简单理解为满足瑞利准则)，则容易引发大幅度的释热率脉动和压力脉动，轻则影响燃烧装置的稳定工作，重则造成燃烧装置或其他部件的结构损坏，严重地还会威胁到整个系统的运行安全。因此，燃烧振荡是现代先进燃烧装置必须尽力规避的。
3.为了解决燃烧振荡的问题，多种方法被提出用于控制燃烧振荡，主要可分为主动控制和被动控制两大类。主动控制是使用专门的监测器和主动作动器，根据监测到的燃烧系统内的压力脉动等信号，主动地施加合适的外部激励(对进口空气或燃料供应等)，抑制或消除释热率脉动和压力振荡(声波)之间的耦合。但这类方法需要额外的控制系统和执行装置，对控制算法的要求也很高，会增加额外的成本，适用场景有限。被动控制是指在燃烧系统中加入固定地某些装置，从而抑制或消除燃烧振荡。常见的有各类声学元器件，比如亥姆霍兹共振器，可以抑制特定频率的燃烧振荡。缺点是体积较大，且仅能对特定频率有效，需提前做大量的实验和调试。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种用于抑制燃烧振荡的燃烧室，以抑制燃烧振荡的现象发生。
5.本实用新型还提出一种燃烧器。
6.根据本实用新型第一方面实施例的用于抑制燃烧振荡的燃烧室，包括：
7.预燃级，所述预燃级包括中心体以及设置在所述中心体外围的预燃级旋流器和级间段；
8.主燃级，所述主燃级设置在所述预燃级的外围，所述主燃级包括主燃级旋流器和主燃级外环；
9.燃烧室主体，包括端壁和侧壁，所述端壁连接所述主燃级外环和所述侧壁；
10.防振环，固定于所述端壁的端壁内表面和/或所述主燃级外环的外环出口端面，且所述防振环形成有沿着背向所述主燃级的方向呈渐扩状的火焰通道，所述火焰通道的入口端与所述主燃级的出口端对接，所述火焰通道的出口端连通所述燃烧室主体的内腔。
11.现有技术中，一般通过将燃烧室的所述端壁或所述侧壁加工成具有锥形过渡结构的方式来抑制燃烧振荡，而本实用新型所述的燃烧室在所所述端壁的端壁内表面和/或所述主燃级外环的外环出口端面安装所述防振环可实现相同的效果；相较于现有技术的燃烧室，本实用新型所述的燃烧室具有改装成本低，适用范围广的优点。
12.根据本实用新型的一个实施例，所述预燃级、主燃级、燃烧室主体和所述防振环均同轴设置。
13.根据本实用新型的一个实施例，所述防振环的内壁形成有扰流部。
14.根据本实用新型的一个实施例，所述扰流部包括沿着所述中心体轴线方向分布的多个台阶，或者，
15.所述扰流部包括沿着所述中心体轴线方向分布的多个环形扰流槽，或者，
16.所述扰流部包括沿着所述中心体轴线方向贯穿所述内壁的纵向扰流槽，所述纵向扰流的数量为多个且沿着所述内壁的周向分布。
17.根据本实用新型的一个实施例，所述入口端的横截面以及所述出口端的横截面均呈圆形，或者，所述入口端的横截面以及所述出口端的横截面均呈椭圆形。
18.根据本实用新型的一个实施例，所述级间段包括级间段出口端面，所述主燃级旋流器包括主燃级旋流器出口端面，所述级间段出口端面与所述外环出口端面错位设置。
19.根据本实用新型的一个实施例，所述外环出口端面和所述端壁内表面共面。
20.根据本实用新型的一个实施例，所述主燃级旋流器出口端面与所述级间段出口端面沿所述中心体的轴线方向的间隔距离为第一间距；所述主燃级旋流器出口端面与所述外环出口端面沿所述中心体的轴线方向的间隔距离为第二间距，所述第一间距大于所述第二间距。
21.根据本实用新型的一个实施例，所述主燃级旋流器出口端面与所述级间段出口端面沿所述中心体的轴线方向的间隔距离为第一间距；所述主燃级旋流器出口端面与所述外环出口端面沿所述中心体的轴线方向的间隔距离为第二间距，所述第一间距小于所述第二间距。
22.根据本实用新型第二方面实施例的燃烧器，包括上述任一项实施例所述的用于抑制燃烧振荡的燃烧室，所述燃烧器为旋流杯结构燃烧器、多旋流燃烧器或中心分级燃烧器。
23.根据本实用新型实施例的燃烧器，由于其包括上述燃烧室，因此具有上述燃烧室的所有技术效果，此处不再赘述。
24.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本实用新型实施例提供的一种用于抑制燃烧振荡的燃烧室局部结构示意图；
27.图2是本实用新型实施例提供的一种扰流部的局部结构示意图；
28.图3是本实用新型实施例提供的另一种扰流部的局部结构示意图；
29.图4是本实用新型实施例提供的再一种扰流部的局部结构示意图；
30.图5是本实用新型实施例提供的另一种用于抑制燃烧振荡的燃烧室局部结构示意图；
31.图6是本实用新型实施例提供的再一种用于抑制燃烧振荡的燃烧室局部结构示意图；
32.附图标记：
33.1、中心体；2、预燃级旋流器；3、级间段；4、主燃级旋流器；5、主燃级外环；6、端壁；7、防振环；71、火焰通道；711、台阶；712、环形扰流槽；713、纵向扰流槽；8、侧壁；9、主燃级火焰；10、预燃级火焰；11、外环出口端面。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。
35.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。
37.在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
39.本实用新型实施例提供了一种用于抑制燃烧振荡的燃烧室，如图 1所示，该燃烧室包括预燃级、主燃级、燃烧室主体和防振环7，预燃级包括中心体1以及设置在中心体1外围的预燃级旋流器2和级间段3；主燃级设置在预燃级外围，主燃级包括主燃级旋流器4和主燃级外环5；燃烧室主体包括端壁6和侧壁8，端壁6连接主燃级外环5和侧壁8；防振环7固定于端壁6的内表面和/或主燃级外环5的出口端，且防振环7 形成有沿着背向主燃级的方向呈渐扩状的火焰通道71，火焰通道71 的入口端与主燃级的出口端对接，火焰通道71的出口端连通燃烧室主体的内腔。
40.防振环7形成有沿着背向主燃级的方向呈渐扩状的火焰通道71，工作过程中，基于康达效应，进入火焰通道71的空气和燃料的未燃混合气会贴合火焰通道71流动，从而火焰锋面将会尽可能地贴近火焰通道71的内壁流动，进而减小释热率脉动，使其与燃烧系统声学系统解耦，最终抑制燃烧振荡。
41.现有技术中，一般通过将燃烧室的端壁6或侧壁8加工成具有锥形过渡结构的方式来抑制燃烧振荡，而本实用新型的燃烧室仅在外环出口端面11和/或端壁内表面安装防振环7便可实现相同的效果；相较于现有技术的燃烧室，本实用新型的燃烧室具有改装成本低，适用范围广的优点。
42.根据本实用新型的其中一个实施例，防振环7通过整体加工、焊接或紧固件连接的方式与端壁6和/或主燃级外环5连接。当然，防振环7和端壁6和/或主燃级外环5之间的连接方式不受此处举例限制。
43.根据本实用新型的其中一个实施例，防振环7为空心的圆柱体、空心的圆台或者空心的立方体结构。
44.根据本实用新型的另外一个实施例，如图1所示，防振环7与火焰通道71的形状相似，防振环7为空心的圆台结构，且沿着背向主燃级的方向呈渐扩状延伸。如此设计的防振环7可在保证结构强度和热负荷的前提下使自身厚度缩小到极限，从而减轻燃烧室的重量。
45.根据本实用新型的其中一个实施例，如图1所示，预燃级、主燃级、燃烧室主体和防振环7均同轴设置。
46.根据本实用新型的其中一个实施例，防振环7沿中心体1的轴向方向延伸。值得说明的是，防振环7还可沿其它方向进行延伸，只要防振环7内形成有沿着背向主燃级的方向呈渐扩状的火焰通道71即可。
47.根据本实用新型的其中一个实施例，火焰通道71内形成有扰流部。
48.扰流部可改变火焰锋面在火焰通道71中的流动轨迹，进一步提高防振环7抑制燃烧振荡的效果。
49.扰流部包括台阶711、环形扰流槽712和纵向扰流槽713中的一种或多种，当然，扰流部的结构形式不受此处举例的限制，只要可以改变火焰锋面在火焰通道71中的流动轨迹即可。
50.根据本实用新型的其中一个实施例，如图2所示，扰流部包括沿着中心体1的轴线方向分布的多个台阶711。基于康达效应，火焰锋面贴近台阶711，台阶711对火焰的正常流动起到干扰作用。
51.根据本实用新型的另外一个实施例，台阶711平行于中心体1的轴线方向的长度l1＝l0/n；台阶711垂直于中心体1的轴线方向的长度l2＝ l0/n/tan
ɑ
；其中，l0为火焰通道71
沿中心体1的轴线方向形成的通道长度，n为台阶711的个数。
52.根据本实用新型的另外一个实施例，如图3所示，扰流部包括沿着中心体1的轴线方向分布的多个环形扰流槽712。基于康达效应，火焰绕环形扰流槽712做圆周流动。
53.根据本实用新型的另外一个实施例，环形扰流槽712的宽度f和高度e的范围均为2
‑
10mm。
54.根据本实用新型的另外一个实施例，如图4所示，扰流部包括沿着中心体1的轴线方向贯穿火焰通道71的多个纵向扰流槽713，且纵向扰流槽713沿着火焰通道71的周向分布。基于康达效应，火焰在火焰通道71的入口端被各纵向扰流槽713分流。
55.根据本实用新型的另外一个实施例，纵向扰流槽713的深度范围为2
‑
10mm，纵向扰流槽713的宽度s＝2π/2m，其中，m为纵向扰流槽 713的个数。
56.根据本实用新型的其中一个实施例，火焰通道71的入口端的横截面以及火焰通道71的出口端的横截面均呈圆形，或者，火焰通道71 的入口端的横截面以及火焰通道71的出口端的横截面均呈椭圆形。横截面呈圆形或椭圆形，以满足康达效应。当然，本实用新型不受上述举例限制，例如，火焰通道71的形状还可以是：入口端横截面为圆形，出口端横截面的形状为椭圆形。
57.根据本实用新型的另外一个实施例，当火焰通道71的入口端的横截面呈圆形时，入口端的横截面的直径是主燃级出口端直径d的 1
‑
3倍，火焰通道71的通道侧壁所在平面与外环出口端面51所在平面的夹角α范围为0
‑
90
°
。火焰通道71的最大通道长度是主燃级出口端直径d的3倍。
58.当火焰通道71的入口端的横截面呈椭圆形时，入口端的横截面上的长轴尺寸是主燃级出口端直径d的1
‑
3倍，入口端的横截面上的短轴尺寸是主燃级出口端直径d的1
‑
3倍。
59.根据本实用新型的其中一个实施例，如图5所示，当防振环7固定于主燃级外环5的出口端和端壁6的内表面时，主要变化为夹角α和通道长度l0，不同的通道长度l0给火焰所提供的附着区域不同，从而改变火焰形态和抑制燃烧室振荡；同时夹角α的变化，由于康达效应，会使流体随着火焰通道71的通道壁面流动，进而改变流动的物理扩张角，进而改变火焰的的张角以及主燃级火焰9的相对位置，从而达到改变火焰形态和燃烧室振荡的能力。
60.根据本实用新型的其中一个实施例，如图6所示，防振环7固定于端壁6的内表面，主要变量为火焰通道71的进口处侧壁与外环出口端面11的内侧壁间的差值l，不同的差值会导致火焰形态的变化如图6所示，当差值l达到一定状态时，主燃级火焰9会出现双根部状态，对于火焰的稳定能够起到有益作用，进而达到抑制振荡的效果。预燃级火焰10一般会同时稳定于级间段3的两个边缘点，并起到提供高温回流区保持整个火焰维持燃烧的作用。
61.根据本实用新型的其中一个实施例，级间段3包括级间段出口端面，主燃级旋流器4包括主燃级旋流器出口端面，主燃级外环5包括外环出口端面11，燃烧室端壁6包括端壁内表面；级间段出口端面与外环出口端面11错位设置。
62.级间段出口端面与外环出口端面11错位设置，可改变旋流流动的内外剪切层的起始位置，进而影响燃烧室主体的内腔中的火焰位置，实现对燃烧振荡的调控。
63.根据本实用新型的其中一个实施例，外环出口端面11和端壁内表面共面，以方便在燃烧室内安装防振环7等其他设备。
64.根据本实用新型的其中一个实施例，主燃级旋流器出口端面与级间段出口端面沿
中心体1的轴线方向的间隔距离为第一间距；主燃级旋流器出口端面与外环出口端面11沿中心体1的轴线方向的间隔距离为第二间距，第一间距大于第二间距，第一间距的数值为s，级间段出口端面与外环出口端面11沿中心体1的轴线方向的间隔距离为h，其中，s和h均为设定好的数值，且均可以在对应区间中取值，h/s≤1。相较于现有技术，如此设计的主燃级外环5的长度更短，从而使燃烧室在实现抑制燃烧振荡的同时，还具有更轻的重量。
65.根据本实用新型的另外一个实施例，第一间距大于第二间距，第二间距的数值为s，h/s≤1。
66.根据本实用新型的另外一个实施例，第一间距小于第二间距，第一间距的数值为s，h/s≤1。
67.根据本实用新型的另外一个实施例，第一间距小于第二间距，第二间距的数值为s，h/s≤1。
68.本实用新型另一实施例提供了一种燃烧器，包括本实用新型任一技术方案所提供的燃烧室。
69.根据本实用新型的其中一个实施例，燃烧器包括但不限于传统的旋流杯结构燃烧器、多旋流燃烧器和中心分级燃烧器。
70.以上实施方式仅用于说明本实用新型，而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围之内。