微混合喷嘴及其设计方法与流程

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体地涉及一种微混合喷嘴及其设计方法。

背景技术：

压缩空气和燃料的混合物在燃气轮机的燃烧器内燃烧，产生高温烟气推动透平做功，其中燃烧器通过其喷嘴(通常也称为燃料喷嘴)将燃料和空气混合并喷射至燃烧区域。燃料和空气混合均匀度是影响燃气轮机污染物排放的重要因素，提高燃料和空气混合均匀度能够降低污染物排放。

相关技术中，燃气轮机的喷嘴采用多喷嘴结构或是微混合结构，以提高燃料和空气的掺混能力。然而，现有的喷嘴设计过程都是先设计喷嘴，然后计算喷嘴火焰面，做实验或计算确定燃烧振荡问题，再通过其他手段(如局部更改结构或设计谐振腔等)削弱燃烧振荡问题，设计周期较长，燃烧振荡发生的风险较大。而且，现有的喷嘴形成的火焰面为一个平直火焰面，火焰面固定单一，火焰面的面积小，释热过于集中，能量释放会引发更强的不稳定放热，容易诱发燃烧振荡。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明一方面提出了一种微混合喷嘴的设计方法，该微混合喷嘴的设计方法降低了燃烧振荡发生的风险，且设计周期较短。

本发明另一方面还提出了一种微混合喷嘴。

根据本发明第一方面的实施例的微混合喷嘴的设计方法包括以下步骤：s1、确定微混合喷嘴的初步结构，所述确定微混合喷嘴的初步结构包括确定喷嘴数量、喷嘴位置、喷嘴扩张比、喷嘴空气流路结构以及喷嘴燃料流路结构；s2、对所述微混合喷嘴的初步结构进行流体及燃烧场计算，提取声学边界，所述声学边界包括温度、压力、密度以及声速；s3、对火焰面进行参数化研究以设计火焰面；s4、设计的火焰面结合所述声学边界求解波动方程，获得燃烧系统的声学特性，所述声学特性包括频率、幅值以及增长率；s5、判定所述燃烧系统的稳定性：若所述燃烧系统稳定，输出设计的火焰面的信息；若所述燃烧系统不稳定，返回s4修改所述设计的火焰面直至所述燃烧系统稳定，若通过修改所述设计的火焰面不能得到稳定的燃烧系统，返回s1修改所述微混合喷嘴的初步结构直至所述燃烧系统稳定；s6、所述燃烧系统稳定后，对喷嘴出口型面进行参数化研究以设计所述喷嘴出口型面；s7、根据设计的喷嘴出口型面进行燃烧场计算，提取该设计的喷嘴出口型面所对应的火焰面的信息；s8、比较所述喷嘴出口型面所对应的火焰面的信息与s5中输出的设计的火焰面的信息是否一致：若二者一致，输出所述微混合喷嘴的最终结构，所述输出微混合喷嘴的最终结构包括输出喷嘴数量、喷嘴位置、喷嘴扩张比、喷嘴空气流路结构、喷嘴燃料流路结构、设计的火焰面以及设计的喷嘴出口型面；若二者不一致，返回s7修改所述喷嘴出口型面或返回s1修改所述微混合喷嘴的初步结构。

根据本发明实施例的微混合喷嘴的设计方法，通过引入火焰面的设计流程，将火焰稳定性的设计从验证项更改为设计项，减少设计加工成本，减少设计返工；并且对火焰面及喷嘴出口型面进行参数化研究，可根据参数化自动优化，加快设计进程，由此设计周期较短，且降低了燃烧振荡发生的风险。

在一些实施例中，s3中，所述火焰面的形状为任意曲面。

在一些实施例中，s6中，所述喷嘴出口型面的形状为任意曲面。

在一些实施例中，所述火焰面的信息包括位置、能量、温度以及反应速度。

根据本发明第二方面的实施例的微混合喷嘴包括：壳体，所述壳体内具有燃料室，所述壳体包括第一端壁、第二端壁和位于所述第一端壁和第二端壁之间的周壁，所述第一端壁具有多个空气进口和用于向所述燃料室内供给燃料的至少一个燃料进口，所述第二端壁具有多个喷出口，所述第二端壁的外壁面为任意曲面；多个微混合管，所述微混合管贯穿所述燃料室，所述微混合管具有进口端和喷出端，所述进口端与所述空气进口连通，所述喷出端与所述喷出口连通，所述微混合管上设有连通所述微混合管的内腔和所述燃料室的开孔。

根据本发明实施例的微混合喷嘴，通过将微混合喷嘴的喷出界面设置呈向外凸出的椭球冠或球冠，增加了火焰面的面积，增强了火焰稳定性，降低燃烧振荡发生的风险。

在一些实施例中，所述微混合喷嘴还包括隔板，所述隔板设在所述燃料室内，所述隔板距所述第二端壁的距离小于距所述第一端壁的距离，所述燃料室分成位于所述第一端壁与所述隔板之间的第一燃料室和位于所述隔板与所述第二端壁之间的第二燃料室，所述第一燃料室和所述第二燃料室通过所述隔板上的连通孔连通，所述燃料进口与所述第二燃料室连通，所述微混合管上的开孔将所述第一燃料室与所述微混合管的内腔连通。

在一些实施例中，所述微混合喷嘴还包括燃料管，所述燃料管具有进料端和出料端，所述进料端配合在所述燃料进口内，所述出料端穿过所述第一燃料室且与所述第二燃料室连通。

在一些实施例中，所述燃料管的直径为2～10mm，所述微混合管的直径为0.5～10mm。

在一些实施例中，所述隔板的邻近所述第二端壁的壁面和所述第二端壁的外壁面之间的距离为5～50mm。

在一些实施例中，所述微混合管的进口端配合在所述空气进口内，所述进口端的端面向外延伸且超出所述第一端壁的外壁面，所述微混合管的喷出端配合在所述喷出口内，所述喷出端的端面与所述第二端壁的外壁面平齐。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的微混合喷嘴的设计方法的流程图。

图2是根据本发明的实施例的微混合喷嘴的整体结构示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的微混合喷嘴的结构图。

图4是根据本发明的另一个实施例的微混合喷嘴的结构图。

图5是根据本发明的另一个实施例的微混合喷嘴的局部放大图。

附图标记：

壳体1，燃料室101，第一燃料室1011，第二燃料室1012，第一端壁11，第二端壁12，周壁13，空气进口14，燃料进口15，喷出口16，微混合管2，开孔21，燃料管3，隔板4，连通孔41。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。

如图1所示，根据本发明实施例的微混合喷嘴的设计方法包括以下步骤：

s1、确定微混合喷嘴的初步结构，其中确定微混合喷嘴的初步结构包括确定喷嘴数量、喷嘴位置、喷嘴扩张比、喷嘴空气流路结构以及喷嘴燃料流路结构等等；

s2、对微混合喷嘴的初步结构进行流体及燃烧场计算，提取声学边界，所述声学边界包括温度、压力、密度以及声速等等；这里，可以理解的是，流体及燃烧场计算由fluent或starccm+等计算流体力学的软件完成。

s3、对火焰面进行参数化研究以设计火焰面；这里，可以理解的是，火焰面的设计主要是指的火焰面形状的设计，其中火焰面的形状为任意曲面，例如球冠或椭球冠等任意的光滑曲面；具体地，火焰面的参数化方程为z＝f(x,y)，其中z∈(-m,m)，x²+y²≤r²。可以理解的是，通过给定每一个火焰面上点的x、y、z坐标确定火焰面形状的设计，参数化的方法即给定x、y、z坐标关系。

s4、设计的火焰面结合声学边界求解波动方程，获得燃烧系统的声学特性，其中声学特性包括频率、幅值以及增长率；这里,可以理解的是，波动方程为振幅与x、y、z和t之间的关系。

s5、判定燃烧系统的稳定性：

若燃烧系统稳定，输出设计的火焰面的信息，其中火焰面的信息包括位置、能量、温度以及反应速度等等；

若所述燃烧系统不稳定，返回s4修改设计的火焰面直至燃烧系统稳定，若通过修改设计的火焰面不能得到稳定的燃烧系统，返回s1修改微混合喷嘴的初步结构直至燃烧系统稳定；

s6、燃烧系统稳定后，对喷嘴出口型面进行参数化研究以设计所述喷嘴出口型面，这里，可以理解的是，喷嘴出口型面的设计主要是指的喷嘴出口型面形状的设计，其中喷嘴出口型面的形状为任意曲面，例如球冠或椭球冠等任意的光滑曲面；具体地，喷嘴出口型面的参数化方程为f＝f(x,y)，其中f∈(-n,n)，x²+y²≤r²。可以理解的是，通过给定每一个喷嘴出口型面上点的x、y、f坐标确定喷嘴出口型面形状的设计，参数化的方法即给定x、y、f坐标关系。

s7、根据设计的喷嘴出口型面进行燃烧场计算，提取该设计的喷嘴出口型面所对应的火焰面的信息；换言之，通过燃烧场计算，提取该设计的喷嘴出口型面所对应的火焰面的位置、能量、温度以及反应速度等等信息；这里，可以理解的是，燃烧场计算由fluent或starccm+等计算流体力学的软件完成。

s8、比较喷嘴出口型面所对应的火焰面的信息与s5中输出的设计的火焰面的信息是否一致：若二者一致，输出微混合喷嘴的最终结构，其中输出微混合喷嘴的最终结构包括输出喷嘴数量、喷嘴位置、喷嘴扩张比、喷嘴空气流路结构、喷嘴燃料流路结构、设计的火焰面以及设计的喷嘴出口型面等等；若二者不一致，返回s7修改喷嘴出口型面或返回s1修改微混合喷嘴的初步结构。

根据本发明实施例的微混合喷嘴的设计方法，通过引入火焰面的设计流程，将火焰稳定性的设计从验证项更改为设计项，减少设计加工成本，减少设计返工；并且对火焰面及喷嘴出口型面进行参数化研究，可根据参数化自动优化，加快设计进程，由此设计周期较短，且降低了燃烧振荡发生的风险。

可以理解的是，根据本发明实施例的微混合喷嘴的设计方法，首先确定喷嘴的大致框架，并对喷嘴设计的大致框架进行燃烧振荡分析，通过更改不同的火焰面形态确定采用什么样的火焰面形态能够使得燃烧室稳定，然后根据火焰面要求设计喷嘴出口型面，最终配合设计出整个喷嘴。这种设计的好处在于，先于喷嘴设计开展了燃烧振荡分析，通过合理设计火焰面，降低了燃烧室发生燃烧振荡的风险。这里可以理解的是，燃烧室稳定包括燃烧室不存在燃烧振荡问题，或者，即使存在燃烧振荡，但振幅很小的情况。

下面参考附图2-5描述根据本发明实施例的微混合喷嘴。

如图2-5所示，根据本发明实施例的微混合喷嘴，该微混合喷嘴能够用于燃气轮机，微混合喷嘴包括壳体1和多个微混合管2。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

壳体1内具有燃料室101，壳体1包括第一端壁11、第二端壁12和周壁13，周壁13位于第一端壁11和第二端壁12之间。换言之，周壁13为一套罩，套罩的左端连接第一端壁11，套罩的右端连接第二端壁12，从而通过第一端壁11、套罩和第二端壁12围出燃料室101。其中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一端壁11内具有空气进口14和燃料进口15，通过燃料进口15向燃料室101内供给燃料；第二端壁12内具有多个能够喷出燃料和空气的混合物的喷出口16，第二端壁12的外壁面为任意曲面，例如第二端壁12的外壁面为向外凸出的椭球冠或球冠等。换言之，如图2所示，第二端壁12的右壁面可通过本发明实施例的微混合喷嘴的设计方法设计的任意曲面，例如第二端壁12的右端面为椭球的一部分曲面或是圆球的一部分曲面等，以形成向外凸出的曲面，增大火焰面的面积。

这里，需要理解的是，“外”是相对于燃料室101而言，背离燃料室101的方向为“外”，朝向燃料室101的方向为“内”。如图3、4所示，第二端壁12的外壁面为第二端壁12的右壁面，右壁面为向右凸出的曲面。可以理解的是，右壁面可以为具有一个曲率的曲面，也可以包括多个不同曲率的曲面。

微混合管2贯穿燃料室101，具体地，微混合管的直径为0.5mm～10mm。微混合管2上设有开孔21，以连通微混合管2的内腔和燃料室101，微混合管2具有进口端和喷出端，进口端与空气进口14连通，以便空气进入微混合管2内，可以理解的是，为与多个微混合管2相适应，空气进口14具有多个；喷出端与喷出口16连通，由燃料进口15进入燃料室101内的燃料经微混合管2上的开孔21进入微混合管2的内腔，并与微混合管2内的空气混合形成空气和燃料的混合物，再经微混合管2的喷出端传递到喷出口16，由喷出口16将混合物喷出。

换言之，如图3、4所示，微混合管2的左端为进口端，微混合管2的右端为出口端，微混合管2的左端与空气进口14连通，微混合管2的右端与喷出口16连通。

具体地，微混合管2的左端配合在空气进口14内，且微混合管2的左端面与第一端壁11的左壁面平齐，即空气通过微混合管2的左端直接进入微混合管2内，微混合管2的左端作为空气进口14；或者，微混合管2的左端面位于空气进口14内，即空气先经空气进口14再经微混合管2的左端进入微混合管2内；或者，微混合管2的左端面向外延伸超出第一端壁11的外壁面，即微混合管2的左端穿过第一端壁11的空气进口14并伸出燃料室101，空气经微混合管2的左端直接进入微混合管2内。

更进一步地，微混合管2的右端配合在喷出口16内，微混合管2的右端面与第二端壁12的右壁面平齐，即空气和燃料的混合物通过微混合管2的右端直接喷出，微混合管2的右端作为喷出口16；或者，微混合管2的右端面位于喷出口16内，空气和燃料的混合物经微混合管2的右端面进入喷出口16内，再将喷出口16喷出。

根据本发明实施例的微混合喷嘴，通过将微混合喷嘴的喷出界面设置呈向外凸出的曲面，可以形成与该曲面形状相一致的火焰面，增加了火焰面的面积，增强了火焰稳定性，削弱了燃烧振荡的现象。

具体地，根据本发明实施例的微混合喷嘴应用到燃烧器上时，燃烧器包括火焰筒和根据本发明实施例的微混合喷嘴，微混合喷嘴的出口端面到火焰筒入口的距离l1小于火焰筒总长度l2的1/2。

在一些实施例中，第二端壁12的内壁面和外壁面彼此平行。换言之，如图3、4所示，第二端壁12的左壁面和右壁面为平行曲面，换言之，第二端壁12的左壁面的任一点沿第二端壁12的厚度方向到第二端壁12的右壁面的距离均相同，即第二端壁12的左壁面和右壁面的形状一致，以使第二端壁12形成向外凸出的弯曲的壁。

在一些实施例中，周壁13为圆筒状，第一端壁11为正交于周壁13的中心纵轴线的平直壁，换言之，第一端壁11为平直的壁，且垂直于周壁13的中心纵轴线。进一步地，如图3、4所示，第一端壁11竖直设置，周壁13的中心纵轴线水平。

在一些实施例中，燃料进口15具有多个，多个燃料进口15均匀间隔布置，空气进口14围绕燃料进口15分布。可以理解的是，燃料进口15还可以具有一个，即燃料进口15至少一个。

在一些实施例中，微混合喷嘴还包括燃料管3，燃料管3与燃料进口15连通，以便向燃料室101内供应燃。具体地，燃料管3的直径为2mm～20mm。

在一些实施例中，如图4、5所示，微混合喷嘴还包括隔板4，隔板4设在燃料室101内，隔板4距第二端壁12的距离小于隔板4距第一端壁11的距离。燃料室101被隔板4分成第一燃料室1011和第二燃料室1012，第一燃料室1011位于第一端壁11与隔板4之间，第二燃料室1012位于隔板4与第二端壁12之间，第一燃料室1011和第二燃料室1012通过隔板4上的连通孔41连通，燃料进口15与第二燃料室1012连通，微混合管2上的开孔21将第一燃料室1011与微混合管2的内腔连通。

在一些实施例中，燃料管3贯穿第一燃料室1011，燃料管3具有进料端(图4、5中所示的左端)和出料端(图4、5中所示的右端)，燃料管3的进料端与燃料进口15连通，燃料管3的出料端与第二燃料室1012连通。具体地，燃料管3的左端配合在燃料进口15内，燃料管3的左端面与第一端壁11的左壁面平齐，或者，燃料管3的左端面向外延伸超出第一端壁11的左壁面；燃料管3的右端穿过第一燃料室1011且与第二燃料室1012连通，燃料管3的右端面与隔板4的右端面平齐。

可以理解的是，如图5所示，燃料经燃料管3从左向右输送到第二燃料室1012内，并冲击到第二端壁12的左壁面，对该壁面进行冷却；第二燃料室1012内的燃料经隔板4上的连通孔41进入第一燃料室1011内，第一燃料室1011内的燃料经微混合管2上的开孔21进入微混合管2内与微混合管2内的空气混合。

在一些实施例中，隔板4的邻近第二端壁12的壁面和第二端壁12的外壁面之间的距离为5mm～50mm，换言之，第一燃料室1011的出口端面和第二燃料室1012的出口端面之间的距离为5mm～50mm。

在一些实施例中，隔板4与第二端壁12彼此平行。可以理解的是，隔板4的右端面可以为向右凸出的曲面，与第二端壁12的右壁面保持一致，还可以，隔板4为向右凸出的弯曲的板，且与第二端壁12的整体形状保持一致。通过将隔板4的形状与第二端壁12的形状一致，进一步提高了燃料供应到第二燃料室1012时对第二端壁12的冷却。此外，隔板4的形状并不限于此，例如，隔板4与第二端壁12可以不平行。

下面参考附图2和附图3描述根据本发明具体实施例的微混合喷嘴。

如图2-3所示，根据本发明实施例的微混合喷嘴包括壳体1、多个微混合管2和多个燃料管3，微混合管的直径为0.5mm～10mm，燃料管3的直径为2mm～20mm。

壳体1内具有燃料室101，壳体1包括第一端壁11、第二端壁12和周壁13，周壁13的左端连接第一端壁11，周壁13的右端连接第二端壁12，以围出燃料室101。第一端壁11内具有多个空气进口14和多个燃料进口15，第二端壁12具有喷出口16。周壁13为圆筒状，第一端壁11为正交于周壁13的中心纵轴线的平直壁，第二端壁12的左壁面和右壁面均为任意曲面，且第二端壁12的左壁面和右壁面彼此平行布置，即第二端壁12的左壁面和右壁面的形状一致，以使第二端壁12形成任意弯曲形状的壁。

微混合管2贯穿燃料室101设置，微混合管2上设有连通燃料室101与微混合管2的内腔的开孔21，微混合管2的左端与空气进口14配合，且微混合管2的左端面与第一端壁11的左壁面平齐，微混合管2的右端与喷出口16配合，且微混合管2的右端面与第二端壁12的右壁面平齐。

多个燃料管3均匀间隔布置，微混合管2围绕燃料管3布置，燃料管3的右端与燃料进口15连通，燃料管3的左端向左延伸超出第一端壁11的左壁面，即燃料管3位于燃料室101外侧。

下面参考图4和图5描述根据本发明另一个实施例的微混合喷嘴。

如图4-5所示，根据本发明实施例的微混合喷嘴包括壳体1、隔板4、多个微混合管2和多个燃料管3。

隔板4设在燃料室101内且与第二端壁12彼此平行，隔板4距第二端壁12的距离小于隔板4距第一端壁11的距离。燃料室101被隔板4分成第一燃料室1011和第二燃料室1012，第一燃料室1011位于第一端壁11与隔板4之间，第二燃料室1012位于隔板4与第二端壁12之间，第一燃料室1011和第二燃料室1012通过隔板4上的连通孔41连通，燃料进口15与第二燃料室1012连通，微混合管2上的开孔21将第一燃料室1011与微混合管2的内腔连通。第一燃料室1011的出口端面和第二燃料室1012的出口端面之间的距离为5mm～50mm。

燃料管3的左端向外延伸超出第一端壁11的左端面，燃料管3的右端穿过第一燃料室1011与第二燃料室1012连通，且燃料管3的右端面与隔板4的右端面平齐。

图4、5所示的微混合喷嘴的其他结构和操作可以与图3所示实施例相同，这里不再详细描述。

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发明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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。