本發(fā)明涉及燃氣輪機，尤其涉及一種熱聲振蕩被動控制軸向分級燃燒室。

背景技術：

1、燃料適用性、寬負荷調節(jié)和高效穩(wěn)定低排放是燃氣輪機的主要發(fā)展方向。氫氣燃料作為綠色能源可有效降低碳排放，但氫氣燃料對燃燒室的安全性和排放提出了更加嚴苛的要求，特別是熱聲振蕩特性更加明顯。多噴嘴陣列燃燒是一種極具潛力的燃燒技術之一，其在高含氫燃料下，提高射流噴嘴速度來降低噴嘴回火危險的同時，縮短整體的燃燒室的長度來達到控制污染物排放的要求，但高速射流的燃燒組織方式使得燃燒室點火和升負荷過程燃燒室穩(wěn)定性存在問題。軸向分級燃燒方式可以有效拓寬燃燒室的負荷調節(jié)范圍，同時可以縮短高溫煙氣在燃燒室的停留時間來控制污染物排放，且改變了燃燒室內火焰的空間位置，從而實現燃燒室熱聲振蕩的控制，但軸向分級噴嘴出口區(qū)域的噴嘴冷卻問題需要加以解決。因此，亟需探索一種新的熱聲振蕩被動控制軸向分級燃燒室的設計方案。

技術實現思路

1、為至少部分地解決上述提及的技術問題中的至少之一，本發(fā)明提供一種熱聲振蕩被動控制軸向分級燃燒室，通過頭部微混燃燒和軸向分級燃燒的燃燒組織方式，優(yōu)化燃料配氣，來實現高含氫燃料下的燃氣輪機燃燒室燃燒穩(wěn)定性；弱旋微混值班噴嘴來實現燃燒室的點火/升負荷燃燒穩(wěn)定性，徑向非等距排布直噴微混主燃噴嘴組合來增強燃燒室的整體負荷和通過局部回流區(qū)來增強燃燒穩(wěn)定性；增加軸向分級噴嘴，采用波瓣結構增強燃料空氣摻混性能，同時調節(jié)釋熱區(qū)位置來改變燃燒室熱聲振蕩特性；優(yōu)化軸向分級噴嘴冷卻孔結構，形成特定頻段的亥姆霍茲共振器，達到抑制熱聲振蕩的效果；改善軸向分級迎風側和背風側冷卻孔的開孔位置從而實現高含氫燃料下火焰抬升，保證燃燒室的安全性。通過優(yōu)選燃料配氣方式、微混噴嘴徑向布置、軸向分級燃燒布置、軸向分級噴嘴冷卻孔結構造型，實現燃燒室的高含氫燃料下的熱聲振蕩抑制效果。通過軸向分級的燃燒室布置方式，縮短了煙氣在高溫區(qū)的停留時間，降低了燃燒室的nox污染物排放，整體達到高含氫燃料下的高效穩(wěn)定低排放運行的要求。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種熱聲振蕩被動控制軸向分級燃燒室，包括燃料配氣管、頭部配氣腔、冷卻端板、弱旋微混值班噴嘴、直噴微混主燃噴嘴、軸向分級噴嘴、火焰筒、導流襯套和外機匣；

4、所述燃料配氣管設置于燃燒室的頭部和中部位置，用于不同燃料的分區(qū)分級燃料配氣；

5、所述頭部配氣腔，設置于燃燒室頭部的燃料配氣管的后端位置，用于空氣和燃料進一步均勻配氣，與燃燒室頭部的燃料配氣管焊接；

6、所述冷卻端板用于冷卻燃燒室頭部，所述冷卻端板的周向通過卡簧與火焰筒連接，所述冷卻端板上布置弱旋微混值班噴嘴和直噴微混主燃噴嘴的安裝孔，用于所述弱旋微混值班噴嘴和直噴微混主燃噴嘴的安裝定位；

7、所述弱旋微混值班噴嘴的一端安裝在所述頭部配氣腔上，所述弱旋微混值班噴嘴的另一端與所述冷卻端板連接；

8、所述直噴微混主燃噴嘴在所述冷卻端板上徑向分級分區(qū)布置；

9、所述軸向分級噴嘴的一端通過法蘭與所述外機匣安裝，所述軸向分級噴嘴的另一端采用軸向分級噴嘴的多冷卻腔浮動環(huán)與火焰筒連接，所述軸向分級噴嘴沿所述火焰筒的周向均勻分布；

10、所述火焰筒的一端與所述冷卻端板連接；

11、所述導流襯套被所述頭部配氣腔和所述外機匣夾緊安裝定位，所述導流襯套與所述火焰筒形成空氣流道；

12、所述外機匣與所述頭部配氣腔安裝定位。

13、進一步地，所述燃料配氣管包括主燃級燃料配氣管a、值班級燃料配氣管、主燃級燃料配氣管b和軸向分級燃料配氣管，所述值班級燃料配氣管用于所述弱旋微混值班噴嘴的燃料供應，所述主燃級燃料配氣管a和主燃級燃料配氣管b用于直噴微混主燃噴嘴的中心區(qū)域和周圍區(qū)域燃料供應，所述軸向分級燃料配氣管用于所述軸向分級噴嘴的燃料供應；燃燒室頭部的燃料配氣管與所述頭部配氣腔采用釬焊工藝一體成型；

14、所述值班級噴嘴燃料配氣管和所述主燃級燃料配氣管a共用一個燃料緩沖腔，通過金屬板進行腔體的分配，同時增加多個燃料配氣支管，進一步增加燃料配氣的均勻性。

15、進一步地，所述主燃級燃料配氣管b采用沿周向均布多個配氣管，增加燃料配氣的靈活性；所述軸向分級燃料配氣管采用環(huán)管和配氣支管的方式來增加燃料配氣的均勻性。

16、進一步地，所述頭部配氣腔包括頭部空氣配氣腔、頭部燃料配氣腔和配氣腔金屬板，通過配氣腔金屬板將整體腔體分為多個區(qū)域，整體采用釬焊工藝打印一體成型；

17、所述頭部空氣配氣腔通過三級布風板進行空氣的均勻配氣，其中一級布風板和二級布風板沿軸向布置，三級布風板沿周向布置，所述三級布風板上均布空氣布風孔，沿著空氣流向各級布風板上的布風孔的孔徑和個數減少，所述頭部空氣配氣腔的多腔結構可形成多孔板吸聲的效果，有利于控制燃燒室的熱聲不穩(wěn)定性；

18、所述頭部燃料配氣腔通過中心金屬板將所述頭部燃料配氣腔分為主燃級燃料配氣腔a和主燃級燃料配氣腔b，通過燃料腔分區(qū)增加燃料配氣的均勻性和靈活性。

19、進一步地，所述冷卻端板與頭部配氣腔的前金屬板相隔一定高度，空氣沿周向進入。

20、進一步地，所述弱旋微混值班噴嘴在所述冷卻端板徑向均勻分布，所述弱旋微混值班噴嘴的中心距為s1；所述弱旋微預混值班噴嘴包括旋流葉片、摻混管和中心燃料供氣管，所述摻混管的外徑是，內徑是；旋流葉片角度為，且，所述旋流葉片距離噴嘴出口距離為lz2，且3≤lz2≤5；所述中心燃料供氣管為非等直徑設計，其進氣側直徑為，且，其出氣側直徑為，且；中心燃料管擴張段長度是lz1，且1/2lz2≤lz1≤2/3lz2；所述中心燃料供氣管的直徑變化角度為，且；所述摻混管出口進行類錐碗設計，其出口半擴張角為，且；所述中心燃料供氣管靠近噴嘴出口區(qū)域沿周向均布n個燃料孔，n≥6，燃料通過燃料孔是v2，且v2≥160?m/s；所述燃料孔的開孔方向具有兩個角度，沿徑向方向角度為，且，沿軸向方向角度為，且；燃料孔距離噴嘴出口的距離是lz3，且1mm≤lz3≤5mm。

21、進一步地，所述軸向分級噴嘴還包括波瓣型噴嘴，所述波瓣型噴嘴通過正交渦和流向渦的渦系發(fā)展實現非旋流結構快速摻混來控制燃燒室污染物的排放，所述軸向分級噴嘴與所述冷卻端板的距離是l1，所述火焰筒的長度是l2，且1/2l2≤l1≤4/5l2，所述多冷卻腔浮動環(huán)采用亥姆霍茲共振器冷卻腔體設計。

22、進一步地，所述直噴微混主燃噴嘴在所述冷卻端板的中心區(qū)域采用方形均勻布置，所述直噴微混主燃噴嘴的中心距為s2，靠近所述火焰筒壁面區(qū)域采用周向對稱分布來增加燃燒室負荷，所述直噴微混主燃噴嘴和所述冷卻端板的安裝孔中間留有間隙，形成冷卻孔，用于所述直噴微混主燃噴嘴的冷卻，所述直噴微混主燃噴嘴出口與冷卻端板距離是hj，且5mm≤hj≤15mm。

23、進一步地，所述火焰筒采用肋冷卻和氣膜冷卻結構。

24、進一步地，所述空氣流道保證空氣速度滿足30m/s≤v1≤60m/s，從而保證所述火焰筒的冷卻和配氣。

25、從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的熱聲振蕩被動控制軸向分級燃燒室至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

26、（1）燃料配氣管和頭部配氣腔采用釬焊工藝一體設計，保證了設計精度，改善了配氣的均勻性，多腔體孔板結構具備消音吸聲的效果，降低了燃燒室的熱聲不穩(wěn)定性；

27、（2）一級燃燒區(qū)采用弱旋微混值班噴嘴和直噴微混主燃噴嘴的組合，通過控制值班噴嘴的旋流數和尺寸大小來保證值班噴嘴不會對直噴微混主燃噴嘴流場和火焰形態(tài)，保證了燃燒室點火和升負荷過程中燃燒的穩(wěn)定；

28、（3）軸向分級燃燒方式有效拓寬了燃燒室負荷調節(jié)的范圍，改變了燃燒室釋熱區(qū)的空間分布，調制了燃料與火焰的相互作用，從而控制了燃燒室的熱聲振蕩特性；

29、（4）軸向分級噴嘴的氣膜冷卻結構采用亥姆霍茲共振器的結構設計，在冷卻軸向分級噴嘴出口的同時，有效控制了燃燒室的熱聲振蕩，保證了燃燒室的安全穩(wěn)定運行。