[发明专利]一种基于旋流器喷注的旋转爆震燃烧室

说明书

本发明提出了一种基于旋流器喷注的旋转爆震燃烧室，主要由旋流喷嘴、环形燃烧腔、壁面冷却结构以及氧化剂和燃料供给结构组成。燃烧室工作过程中，氧化剂和燃料能否实现快速均匀混合，直接决定了旋转爆震波能否稳定传播，以及燃烧室能否稳定工作。本发明通过将旋转爆震燃烧室通常采用的环缝‑喷孔喷注结构，设计替换为旋流器喷注结构，氧化剂和燃料通过旋流喷嘴供给到环形燃烧腔中，由于旋流器能够有效增加气体的旋流强度，增大流场的湍流度，因而有利于实现氧化剂和燃料的快速均匀混合。本发明在未明显增加燃烧室结构复杂程度的条件下，能有效改善氧化剂和燃料的混合效果，保证了燃烧室工作的稳定性，提高了燃烧室的燃烧效率，降低了污染物排放。

技术领域

本发明属于旋转爆震燃烧室技术领域，具体涉及一种基于旋流器喷注的旋转爆震燃烧室。

背景技术

燃气轮机作为清洁、高效和稳定的发电装置，在现代文明中占据着不可替代的位置，燃气轮机燃烧室主要基于等压燃烧方式，其技术水平已经趋于成熟，很难取得进一步突破。与等压燃烧方式相比，基于爆震燃烧的循环方式理论上具有更高的热循环效率和更快的热释放速率。由于爆震燃烧的优势，引起了国内外的广泛关注，目前已经开展了将基于爆震燃烧的旋转爆震燃烧室(Rotating Detonation Combustor，简称RDC)应用于冲压发动机和航空发动机的初步研究，并取得了一些进展，而将RDC应用于燃气轮机的研究工作尚未开展，燃烧室稳定工作、高燃烧效率和低污染物排放是燃气轮机燃烧室的主要要求。RDC中旋转爆震波传播一圈的时间通常低于毫秒量级，因此氧化剂和燃料能否在极短时间内均匀混合，是影响旋转爆震波稳定传播以及RDC稳定工作的关键因素。现有的RDC通常采用环缝-喷孔喷注形式，即氧化剂通过拉瓦尔型面的环缝通道进行供给，燃料则通过喷孔进行供给，由于氧化剂在环缝出口的流速高、旋流强度低，导致氧化剂和燃料在燃烧室头部的混合时间较短，混合效果并不理想。当氧化剂和燃料混合效果较差时，旋转爆震波不易维持稳定传播，RDC工作的稳定性变差。

当氧化剂和燃料的混合效果较差时，局部区域可能存在当量比较大的情况，一方面造成燃料燃烧不完全，CO排放增加；另一方面，局部区域的燃烧温度较高，NO_X排放增加。综上所述，有必要对RDC的喷注结构进行优化设计，提出有利于旋转爆震波稳定传播、提高燃烧效率和降低污染物排放的喷注结构，对于RDC的工程应用非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于旋流器喷注的旋转爆震燃烧室，拟解决现有RDC中氧化剂和燃料混合效果差，燃烧效率低，而带来的燃烧室经济性差和污染物排放高的问题，本发明可以应用于燃气轮机和航空发动机等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于旋流器喷注的环形旋转爆震燃烧室，包括氧化剂供给腔、燃料供给腔、旋流喷嘴和环形燃烧腔；

所述的氧化剂供给腔位于燃烧室头部，采用环腔形结构，氧化剂供给腔出口是沿周向均布的氧化剂供给孔，氧化剂供给孔的轴线方向与燃烧室轴线方向平行；

燃料供给腔位于燃烧室头部，燃料供给腔的圆弧面上布置了燃料供给孔，燃料供给孔的法线方向与燃烧室径向相同，燃料供给孔与旋流喷嘴之间通过燃料供给弯管连接；

环形燃烧腔位于旋流喷嘴出口一侧，由燃烧室外环和燃烧室内柱组成，燃烧室外环靠近内壁面一侧以及燃烧室内柱靠近外壁面一侧，均布置了气膜孔和冷却气体供给腔；

旋流喷嘴位于氧化剂供给孔中，其由旋流叶片、燃料喷注孔和旋流器燃料腔组成，旋流叶片位于氧化剂供给孔与旋流器燃料腔之间，旋流器燃料腔位于旋流叶片内侧，入口端面与燃料供给弯管连接，出口端面与旋流叶片出口端面平齐，燃料喷注孔位于旋流器燃料腔出口端面，沿周向均匀分布。

本发明进一步的改进在于，氧化剂供给孔为直圆孔结构，为减小气流在直圆孔入口处的流动损失，入口处壁面进行了导圆角处理。

本发明进一步的改进在于，旋流喷嘴与氧化剂供给孔的配合方式为过渡配合。