微混合喷嘴及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种微混合喷嘴及其设计方法。本发明专利技术的微混合喷嘴的设计方法引入火焰面的设计流程，并且对火焰面及喷嘴出口型面进行参数化研究，本发明专利技术的微混合喷嘴的设计方法将火焰稳定性的设计从验证项更改为设计项，减少设计加工成本以及设计返工，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。

Micro mixing nozzle and its design method

【技术实现步骤摘要】
微混合喷嘴及其设计方法
本专利技术涉及燃气轮机
，具体地涉及一种微混合喷嘴及其设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术另一方面还提出了一种微混合喷嘴。根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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是根据本专利技术的实施例的微混合喷嘴的设计方法的流程图。图2是根据本专利技术的实施例的微混合喷嘴的整体结构示意图。图3是根据本专利技术的一个实施例的微混合喷嘴的结构图。图4是根据本专利技术的另一个实施例的微混合喷嘴的结构图。图5是根据本专利技术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专利技术的实施例，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，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。如图1所示，根据本专利技术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，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微混合喷嘴的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、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；/nS2、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；/nS3、对火焰面进行参数化研究以设计火焰面；/nS4、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；/nS5、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；/nS6、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；/nS7、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；/nS8、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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微混合喷嘴的设计方法，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的微混合喷嘴的设计方法，其特征在于，S3中，所述火焰面的形状为任意曲面。


3.根据权利要求2所述的微混合喷嘴的设计方法，其特征在于，S6中，所述喷嘴出口型面的形状为任意曲面。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的微混合喷嘴的设计方法，其特征在于，所述火焰面的信息包括位置、能量、温度以及反应速度。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珊珊，刘小龙，薛彧，吕煊，杨旭，
申请(专利权)人：中国联合重型燃气轮机技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11