一种测量旋流燃烧器热声传递关系的装置的制作方法

本发明属于航空发动机和地面燃气轮机技术领域，更具体地，涉及一种研究燃烧热声不稳定性的新型测量装置，特别是一种测量旋流燃烧器热声传递关系的装置。

背景技术：

热声不稳定性是航空发动机和地面燃气轮机领域低氮氧化物排放燃烧技术所需要解决的重要问题，热声不稳定是燃烧过程中热释放脉动与燃烧室的压力脉动发生激振而形成的一种火焰不稳定现象。热声不稳定将导致燃气轮机工作点偏离设计值，从而出现局部熄火、增加污染物排放量等。设备长期工作在热声不稳定条件下、将会产生疲劳损伤，从而缩短燃烧室的寿命。如何得到热声耦合之间的确定性关系，从而有效提高燃烧稳定性是燃气轮机设计所需要解决的主要问题之一。其难点在于获取声波影响下旋流火焰热释放率的变化规律，得到火焰、声波和湍流相互影响的普适响应函数。

早期研究热声不稳定性现象主要用的是Rijke热声管简化的模型。通过将预混可燃气体充入上开下闭的管子中，内部加一电阻丝或环形线圈作为热源对预混可燃气体进行点火，通过移动热源的位置观察热声振荡现象。Rijke热声管只能定性地说明热声振荡现象的成因，不能对发动机中常用的旋流燃烧器进行定量测量研究。

国内对燃烧不稳定性的研究，多采用动态压力测量系统，对稳定燃烧和不稳定燃烧的压力脉动进行了测量，通过不同工况参数和边界条件的对比，对模型燃烧室燃烧不稳定模态进行分析。尚未见综合采用多种光电、图像和声学等测量手段对声激励下旋流燃烧器的火焰响应进行测量。

技术实现要素：

基于对旋流火焰热声不稳定性研究装置的空缺，本发明的目的在于提供一种测量声学激励对旋流火焰形态影响的装置，该装置采用切向进气的旋流喷嘴的燃烧器结构特征，同时可对预混可燃气体的施加声学激励，本发明的装置具有(但不限于)以下优势：

-对预混可燃气体可施加不同频率和幅度的声学激励；

-对预混可燃气体可测速度脉动分量和压力脉动分量；

-可实时监测声场对火焰形态的影响；

–可实时测量声场对放热率的影响；

-可确定声场、温度场、压力场和火焰形态及放热率的关系；

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种测量旋流燃烧器热声传递关系的装置，主要包括：配气室、燃烧室、旋流燃烧器、热线风速探头、蜂窝整流板和声振器，配气室由顶部法兰盘、上部法兰盘、收缩喷管、中部法兰盘和下部法兰盘自上而下依次紧固连接构成，燃烧室位于顶部法兰盘上方，由石英圆柱筒构成燃烧室外壁，燃烧室外壁与顶部法兰盘上表面密封连接形成燃烧室腔体，声振器位于下部法兰盘下方并与下部法兰盘连接，在下部法兰盘侧壁上开有进气口，在中部法兰盘内设置有三层不同孔径的蜂窝整流板，在配气室内蜂窝整流板上方设置有热线风速探头，在顶部法兰盘上设置旋流燃烧器，空气和燃料预混气体通过进气口进入配气室中向上运动，同时受到底部声振器的声学激励，气体通过蜂窝整流板形成均匀的流动气体，经过收缩喷管加速后，通过旋流燃烧器形成旋流，进入燃烧室腔体；点火针从燃烧室外壁上开孔插入，用于引燃旋流混合气体。

上述技术方案中，进一步的，配气室各法兰盘之间通过密封圈密封，在所述的上部法兰盘、收缩喷管、中部法兰盘和下部法兰盘的上表面上均开有用于装配密封圈的环形槽，通过装配对应尺寸的密封圈并按照顺序进行螺栓紧固实现配气室的密封。密封圈厚度大于法兰盘对应位置的环形槽深度，在外环螺栓组合和内环螺栓组合紧固时密封圈承受较大压力，有利于密封效果。

进一步的，进气口在工作时连接高压的空气和燃料混合气体，进气口沿下部法兰盘侧壁周向等方位角分布有2～8个。

有利地，燃烧室外壁面为透明石英材质，使得通过光学设备获取火焰特征和燃烧状态成为可能。

进一步的，所述声振器与下部法兰盘上均开有定位孔，通过定位孔及螺栓紧固连接，可对进入配气室的预混气体施加声学激励。

进一步的，所述的旋流燃烧器上开有轴向盲孔作为主喷嘴通道，在轴向盲孔末端开有若干个切向圆孔通道，切向圆孔通道将配气室与主喷嘴通道连通。所述的旋流燃烧器属于一种切向孔式旋流器，其最重要的特征为与进气孔轴线和径向存在60°夹角，使得混合气体切向进入主喷嘴通道中。切向圆孔通道的个数为沿主喷嘴通道周向分布6个。

进一步的，所述蜂窝整流板采用三个孔径分别为1mm、2mm、3mm的铝基蜂窝材料从上到下叠层而成。由于蜂窝整流装置的存在，从进气入口进入配气室的预混气体将更整齐均匀地竖直向上流动，尽可能减小湍流。

进一步的，所述收缩喷管内壁设计采用双三次曲线方法，可使得预混气体在收缩喷管内加速流动，获得较好的气流品质。

该装置在工作时，空气和燃料经由预混管从进气口进入配气室，受到底部声振器的声学激励，依次通过蜂窝整流装置和收缩喷管，最后进入周向对称分布的旋流燃烧器，产生旋流喷射；声振器使进入旋流喷嘴的气流具有一定的速度脉动；旋流燃烧器上切向旋嘴入口轴线与径向成一定角度，使进入燃烧室的气流具有一定的周向速度分量；点火针附近由喷嘴喷入的可燃气体被火花塞作用点燃形成旋流火焰。热线风速探头可以测量入口速度脉动，本发明装置能够有效测量声学激励对火焰形态的影响，从而研究热声耦合之间的关系。

附图说明

图1是本发明测量旋流燃烧器热声传递关系的装置的结构剖视图；

图2是本发明旋流燃烧器的主视图、剖视图和旋流通道示意图；

图3是本发明顶部法兰盘结构的轴测图；

图4是本发明上部法兰盘结构的轴测图；

图5是本发明收缩喷管结构的轴测剖视图；

图6是本发明中部法兰盘结构的轴测剖视图；

图7是本发明下部法兰盘结构的轴测图；

图中：1、顶部法兰盘，2、上部法兰盘，3、收缩喷管，4、中部法兰盘，5、下部法兰盘，6、声振器，7、燃烧室外壁，8、热线风速探头，9、蜂窝整流版，10、旋流燃烧器，11、进气口，12、配气室，13、燃烧室腔体，14、旋流燃烧器进气孔，15、旋流燃烧器喷嘴出口，16、旋流燃烧器的螺纹部分，17、顶部法兰盘螺纹孔，18、上部法兰盘环形槽，19、收缩喷管环形槽，20、中部法兰盘环形槽，21、下部法兰盘环形槽，22、中部法兰盘凹槽，23、光电倍增管，24、高速相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。如图1-7所示，一种测量旋流燃烧器热声传递关系的装置主要包括配气室12(由顶部法兰盘1、上部法兰盘2、收缩喷管3、中部法兰盘4、下部法兰盘5自上而下依次密封连接构成)、旋流燃烧器10、燃烧室外壁7、声振器6。

如图1所示，顶部法兰盘1、上部法兰盘2、收缩喷管3、中部法兰盘4和下部法兰盘5构成配气室12的主体结构，空气和燃料气体的混合气通过等方位角周向分布的混合气体入口即进气口11进入配气室12中，进气口11与下部法兰盘5的侧壁之间为螺纹连接，可以沿周向设置有4-8个进气口。

如图1、图4所示，燃烧室外壁7由石英材质的圆柱筒构成，与顶部法兰盘1的上表面环形凸台结构进行最大间隙为毫米量级的间隙配合，点火针从燃烧室外壁7上所开通孔插入，工作时引燃斜喷旋流混合气体，高温气体在燃烧室腔体13内形成螺旋上升的流动形式。

如图1、图2所示，在配气室12中混合均匀的空气/燃气预混气体通过切向旋流燃烧器进气孔14(切向圆孔通道)进入主喷嘴通道形成旋流，旋流从旋流燃烧器喷嘴头部垂直射入燃烧室13中。其中切向旋流喷嘴进气孔14沿周向对称分布。

如图1、图2和图3所示，所述旋流燃烧器10与顶部法兰盘螺纹孔17进行螺纹配合。

如图1、图2和图3所示，所述旋流燃烧器的螺纹部分16与顶部法兰盘螺纹孔17长度一致，故在完成装配后旋流燃烧器喷嘴出口15与顶部法兰盘1顶面保持在同一平面内。

如图1、图3、图4所示，上部法兰盘2开有用于装配密封圈的环形槽18，通过装配对应尺寸的密封圈并与顶部法兰盘1进行沉头螺栓紧固，且密封圈厚度大于上部法兰盘对应的环形槽18的槽深，在螺栓组合紧固时密封圈承受较大压力。

如图1、图4、图5所示，收缩喷管3开有用于装配密封圈的环形槽19，通过装配对应尺寸的密封圈并与上部法兰盘2进行螺栓紧固，且密封圈厚度大于收缩喷管3对应的环形槽19的槽深，在螺栓组合紧固时密封圈承受较大压力，收缩喷管的内壁采用双三次曲线设计。

如图1、图5、图6所示，中部法兰盘4开有用于装配密封圈的环形槽20，通过装配对应尺寸的密封圈并与收缩喷管3进行螺栓紧固，且密封圈厚度大于对应中部法兰盘4对应的环形槽20的槽深，在螺栓组合紧固时密封圈承受较大压力。

如图1、图6、图7所示，下部法兰盘5开有用于装配密封圈的环形槽21，通过装配对应尺寸的密封圈并与中部法兰盘4进行螺栓紧固，且密封圈厚度大于对应下部法兰盘5对应的环形槽21的槽深，在螺栓组合紧固时密封圈承受较大压力。

如图1、图6、图7所示，中部法兰盘4内开有凹槽22，蜂窝整流板9通过与凹槽22和下部法兰盘5的上表面接触实现配合。所述蜂窝整流板9的厚度与中部法兰盘4的凹槽22厚度和内径一致，可实现过渡配合。

工作时，空气和燃料经由预混管进入配气室，受到底部声振器的声学激励，依次通过蜂窝整流装置和收缩喷管，最后进入旋流燃烧器喷嘴，产生旋流喷射；由喷嘴喷入的可燃气体被点火针火花塞点燃形成旋流火焰；声振器激励进入旋流喷嘴的气流，使其具有一定的速度脉动，其频率和幅度可以调节，并由热线风速探头测量；旋流火焰的火焰形态和放热速率由高速相机和光电倍增管测量。本发明装置能够有效测量声学激励对火焰形态和反应放热速率的影响，从而研究旋流燃烧器热声耦合的热声传递关系。