CN112066414B - 燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法，涉及一种燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，以所述预燃级为中心，多个所述主燃级沿周向绕所述预燃级分布；主燃级进气部包括主燃级第一进气部以及主燃级第二进气部；所述主燃级第一进气部包括贯穿主燃级上游端壁的轴向厚度的具有声学节流作用的第一孔道；预燃级外壁以内的径向空间提供通过预燃级进气部进入所述预燃级的空气与预燃级燃油喷嘴喷射的燃油掺混的预燃级通道；所述预燃级进气部包括预燃级第一进气部以及预燃级第二进气部；所述预燃级第一进气部包括贯穿所述预燃级外壁的径向厚度的具有声学节流作用的第二孔道。

Description

燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法

技术领域

本发明特别涉及一种燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法。

背景技术

为了满足适航要求，航空发动机采用了贫油燃烧技术以降低NO_x排放，但贫油燃烧容易引发振荡燃烧，严重时会导致燃烧室热端组件烧蚀。另外，为了降低NO_x排放，需要将更多的空气分配至燃烧室头部，以降低燃烧区的当量比，而此时火焰筒冷却气减少，火焰筒壁面的声学阻抗增大，也加剧了振荡燃烧的程度。

为了抑制振荡燃烧，目前有主动控制和被动控制两种实施方案。对于主动控制，需要实时监测燃烧室内脉动压力或其他气动参数的动态信号，根据脉动压力的振荡频率以及波形，控制系统通过高速作动元件对燃料供给或在气路上增加一个反相的激励，以降低燃烧室内的脉动压力。但这需要较为复杂的控制系统，且对传感器本身的要求很高。对于被动控制而言，需要通过试验了解振荡燃烧发生的条件或振荡燃烧产生的机制，根据振荡燃烧的实际情况，对燃烧室结构进行改善设计，或改变供油方式。

对于中心分级燃烧技术而言，如图1所示，通过燃油的分级比例调节，可以使更多的燃料供入预燃级，从而实现降低振荡燃烧的强度。但降低振荡燃烧强度的同时，又会增加NO_x排放，使得排放裕度降低。为了保证排放特性，则需要拓宽稳定燃烧的边界，即需要使图1中的振荡边界(虚线，即振荡幅值突增的位置)往坐标轴左边移动。

对于中心分级燃烧模式，通过光学诊断技术，目前已经了解到的振荡燃烧的主要驱动机制之一为火焰传播速率，该机制主要与局部当量比有关，局部当量比与局部供油和局部供气比例有关。对于预燃级的局部当量比，其接近化学恰当，则有利于减弱振荡，但不利于降低排放和提升出口温度分布品质；对于主燃级的局部当量比，在当量比范围0.3～0.8范围内，主燃级的局部当量比减小，有利于降低排放和减弱振荡。对于中心分级的燃烧室，在燃烧室进气参数和总油气比不变的情况，若发生振荡燃烧，则通过增加预燃级供油的形式来降低振荡幅值，即增大了预燃级局部当量比，降低主燃级局部当量比。

常规的燃烧室气动热力方案设计结果大都只能满足稳态需求，而无法满足过渡态，例如振荡燃烧对气动热力的影响。为了抑制振荡燃烧，保证安全性，不得不牺牲例如排放和出口温度分布等性能，因此，常规的燃烧室设计方案难以同时保证各项指标均满足。

本领域需要一种燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的方法，抑制燃烧室的振荡燃烧现象，提升燃烧性能，保证燃烧室的寿命以及燃气轮机的性能以及寿命。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种燃烧室。

本发明的另一个目的是提供一种燃气轮机。

本发明的又一个目的是提供一种抑制振荡燃烧的方法。

根据本发明一个方面的一种燃烧室，包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，以所述预燃级为中心，多个所述主燃级沿周向绕所述预燃级分布；所述主燃级具有主燃级内壁和主燃级外壁，以及从所述主燃级内壁径向凸伸的主燃级上游端壁；所述主燃级内壁和所述主燃级外壁之间的径向空间提供用于空气与燃油掺混的主燃级通道，其入口端接收来自主燃级进气部的空气，出口端用于连通所述燃烧室的火焰筒容腔；所述主燃级进气部包括主燃级第一进气部以及主燃级第二进气部；所述主燃级第一进气部包括贯穿所述主燃级上游端壁的轴向厚度的具有声学节流作用的第一孔道；所述预燃级具有预燃级燃油喷嘴以及位于其周向外部的预燃级外壁；所述预燃级具有预燃级燃油喷嘴以及位于其周向外部的预燃级外壁；所述预燃级外壁以内的径向空间提供通过预燃级进气部进入所述预燃级的空气与所述预燃级燃油喷嘴喷射的燃油掺混的预燃级通道；所述预燃级进气部包括预燃级第一进气部以及预燃级第二进气部；所述预燃级第一进气部包括贯穿所述预燃级外壁的径向厚度的具有声学节流作用的第二孔道。

在所述燃烧室的实施例中，所述具有声学节流作用的所述第一孔道以及第二孔道的结构满足：

其中，P′₄为火焰筒内的脉动压力幅值，P₄为火焰筒内的平均压力，ΔP_ori为声学节流孔的过孔压降，常数β为第二孔道的声能转为动能的能量转换效率。

在所述燃烧室的实施例中，所述预燃级第二进气部具有由所述预燃级外壁以及预燃级燃油喷嘴外壁之间的径向空间提供的第二进气通道，所述第二进气通道内设置有旋流器；以及所述主燃级第二进气部具有由所述主燃级上游端壁以及从所述主燃级外壁径向凸伸的主燃级下游端壁之间的轴向空间提供的第二进气通道，所述第二进气通道内设置有旋流器。

在所述燃烧室的实施例中，所述预燃级第一进气部与所述预燃级第二进气部分别独立地向所述预燃级通道输送空气，且从预燃级两进气部输入的空气在所述预燃级通道内混合；以及所述主燃级第一进气部与所述主燃级第二进气部分别独立地向所述主燃级通道输送空气，且从主燃级两进气部输入的空气在所述主燃级通道内混合。

在所述燃烧室的实施例中，所述第一孔道轴线与轴向平行，以及所述第二孔道轴线与径向平行。

在所述燃烧室的实施例中，所述主燃级通道的侧壁设置多点燃油喷射孔，以喷射燃油同进入所述主燃级通道的空气掺混；以及所述预燃级燃油喷嘴为离心喷嘴。

根据本发明另一个方面的一种燃烧室，包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，用于与主燃级喷射的燃油掺混、用于与预燃级燃油喷嘴喷射的燃油掺混的空气分别通过主燃级进气部、预燃级进气部进入所述主燃级，所述燃烧室包括稳定状态以及振荡燃烧状态，所述主燃级进气部包括主燃级第一进气部以及主燃级第二进气部，所述主燃级第一进气部具有第一孔道，所述预燃级进气部包括预燃级第一进气部以及预燃级第二进气部，所述预燃级第一进气部具有第二孔道，在所述稳定状态，空气可分别通过所述主燃级第一进气部与所述主燃级第二进气部进入所述主燃级，空气可分别通过所述预燃级第一进气部与所述预燃级第二进气部进入所述预燃级；在所述振荡燃烧状态，所述主燃级第一进气部在所述燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡燃烧压力波环境下，对所述第一孔道发生的节流作用，所述预燃级第一进气部在所述燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡燃烧压力波环境下，对所述第二孔道发生的节流作用，使得所述预燃级的进气量占所述头部的进气量的比例降低，所述主燃级的进气量占所述头部的进气量的比例提升。

根据本发明又一个方面的一种燃气轮机，包括以上任意一项所述的燃烧室。

根据本发明再一个方面的一种抑制振荡燃烧的方法，包括：

对于燃烧室的预燃级：

设置多条空气流路为燃烧室的预燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为所述预燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，所述多条空气流路的一条空气流路在燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡压力波环境下产生的节流作用使得该条空气流路的空气流量的比例减小；

对于燃烧室的主燃级：

设置多条空气流路为燃烧室的主燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为所述主燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，所述多条空气流路的一条空气流路在燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡压力波环境下产生的节流作用使得该空气流路的空气流量减小；

在振荡燃烧状态下，所述预燃级的进气量占所述头部的进气量的比例降低，所述主燃级的进气量占所述头部的进气量的比例提升。

综上，本发明的进步效果包括，通过主燃级以及预燃级设置具有声学节流作用的第一孔道的主燃级第一进气部以及具有声学节流作用的第二孔道预燃级第一进气部，在振荡燃烧初始发生时，使预燃级和主燃级的进气分配发生变化，预燃级局部当量比和主燃级的局部当量比发生自适应变化(燃油分配比例可暂不进行调节)，减低振荡幅值，使燃烧回到稳定状态，抑制振荡燃烧的压力幅值，保证了燃烧的稳定性，提升了燃烧室以及燃气轮机的性能以及寿命。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是燃油分级比对脉动压力和排放的影响示意图。

图2是脉动压力以及燃烧室过孔压降达到声学节流效应的关系。

图3是一个或多个实施例的燃烧室的空气流动路径示意图。

图4是一个或多个实施例的燃烧室头部在稳定状态的空气流路示意图。

图5是一个或多个实施例的燃烧室头部在振荡燃烧状态的空气流路示意图。

图6是一个或多个实施例的燃烧室头部的预燃级结构示意图。

图7是一个或多个实施例的预燃级第一进气部的结构示意图。

图8是一个或多个实施例的燃烧室头部的主燃级结构示意图。

图9是一个或多个实施例的主燃级第一进气部的结构示意图。

图10是一个或多个实施例的燃烧室头部在稳定燃烧状态下的进气量分配示意图。

图11是一个或多个实施例的燃烧室头部在振荡燃烧状态下的进气量分配示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

参考图3，燃气轮机的燃烧室结构包括前置扩压器1、外机匣2、内机匣9、头部8、燃油喷嘴3、点火电嘴5、外环火焰筒6和内环火焰筒11组成；其中头部8可以采用包括旋流器进气结构，外环火焰筒6和内环火焰筒11均可采用气膜冷却方式。稳定燃烧状态下，空气从前置扩压器1出口流出，分成三股进入火焰筒容腔12：空气7通过头部8旋流器通道进入火焰筒容腔12；空气4通过外环火焰筒6冷却孔进入火焰筒容腔12；空气10通过内环火焰筒11冷却孔进入火焰筒容腔12。

需要注意的是，下述实施例的轴向、径向表示的是燃烧室头部8的轴向与径向，燃烧室头部8如图3所示可以是倾斜于发动机轴向布置的，因此下述实施例的轴向、径向可能与发动机的轴向、径向不一定相同。

参考图4，在一实施例中，当燃烧室处于稳定状态时，对于经过头部8进入火焰筒容腔12的空气，与振荡燃烧主要主动机制之一的火焰传播速率有关的局部当量比的空气流路包括，从预燃级进气部进入预燃级的空气流路22、23，空气流路23通过预燃级第一进气部101输入预燃级通道301，空气流路22通过预燃级第二进气部201输入预燃级通道301，空气流路23、22在预燃级通道301中交汇，并与预燃级燃油喷嘴19喷射的燃油掺混，并从预燃级通道301出口端输出；从主燃级进气部进入主燃级的空气流路24、25，空气流路24通过主燃级第一进气部100输入主燃级通道300，空气流路25通过主燃级第二进气部200输入主燃级通道300，空气流路24、25在主燃级通道300中交汇，并与主燃级燃油喷嘴19喷射的燃油掺混，并从主燃级通道300出口端输出。

参考图5，当燃烧室处于振荡燃烧状态时，主燃级第一进气部100关闭，空气无法通过经过主燃级第一进气部100的空气流路24进入主燃级，而仅能通过从主燃级第二进气部200进入主燃级的空气流路25进入主燃级通道300；同时，预燃级第一进气部101关闭，空气无法通过经过预燃级第一进气部101的空气流路23进入预燃级，而仅能通过从预燃级第二进气部201进入预燃级的空气流路22进入预燃级通道301。

如此即可达到抑制振荡燃烧的效果的原理在于，在大状态下，雾化时间尺度不是影响燃烧的主要尺度，而火焰的化学动力学因素，即火焰传播速率对燃烧影响更大。火焰传播速率越高，火焰更容易驻定，火焰更加贴近喷嘴出口，有利于稳定燃烧。而油气比(FuelAir Ratio，FAR)和燃油分级比(Fuel Split Ratio，FSR)是影响当量比的重要因素。一般而言，发动机特定转速下的总油气比FAR是不变的，且为了保证NOx排放，需要将分级比FSR降低，但燃烧室内脉动压力会相应增大。因此在振荡燃烧状态下，通过关闭主燃级第一进气部100以及预燃级第一进气部101可改变头部气量分配比例，使预燃级减少一部分进气，其减少的一部分基本供给给主燃级，从而分别增加预燃级局部当量比和降低主燃级局部当量比，在保证NOx排放性能(FAR和FSR)的同时，抑制振荡燃烧。

参考图6至图9，在一个或多个实施例中，头部8的具体结构可以是，头部8包括主燃级以及预燃级，以预燃级为中心，多个主燃级沿周向绕所述预燃级分布。主燃级可以包括主燃级内环壁14和主燃级外环壁13，从主燃级内环壁14径向凸伸的主燃级上游端壁17以及从主燃级外环壁13径向凸伸的主燃级下游端壁171。主燃级内环壁14和主燃级外环壁13之间的径向空间提供主燃级通道300，从主燃级进气部进入的空气，经主燃级通道300的入口端进入主燃级通道300，并与设置于主燃级通道300侧壁的主燃级燃油喷射孔18喷出的燃油掺混，并从与火焰筒容腔连通的主燃级通道300的出口端输出。优选地，主燃级燃油喷射孔18为多点燃油喷射孔，以增强燃油与空气的雾化掺混效果。主燃级第二进气部200的具体结构可以是主燃级上游端壁17以及主燃级下游端壁171之间的轴向空间提供的主燃级第二进气通道，主燃级第二进气通道内设置有旋流器16。主燃级第一进气部100的具体结构可以是具有如图8、图9所示的贯穿主燃级上游端壁17的轴向厚度的具有声学节流作用的第一孔道28。如图4所示，主燃级第一进气部100、主燃级第二进气部200可以是分别独立地向主燃级通道300输送空气，空气流路24、25两者在进入主燃级通道300之后才发生相互作用。参考图4至图9，预燃级可以包括预燃级燃油喷嘴19以及位于其周向外部的预燃级外环壁21。预燃级外环壁21以内的径向空间提供通过预燃级进气部进入预燃级的空气与预燃级燃油喷嘴喷射19的燃油掺混的预燃级通道301；预燃级进气部包括预燃级第一进气部101以及预燃级第二进气部201，预燃级第一进气部101的结构可以是其包括贯穿预燃级外环壁21的径向厚度的具有声学节流作用的第二孔道27，空气沿空气流路23进入由预燃级外环壁21与主燃级内环壁14之间的径向空间提供的空气通道，再从第二孔道27进入预燃级通道301。而第二进气部201的具体结构可以是具有由预燃级外环壁21以及预燃级燃油喷嘴19外壁之间的径向空间提供的第二进气通道，第二进气通道内设置有旋流器20，空气沿空气流路22进入第二进气通道进入预燃级。预燃级燃油喷嘴19为离心喷嘴，以增强燃油与空气的雾化掺混效果。

可以理解到，图5所示的第一孔道28、第二孔道27的声学节流作用在振荡燃烧状态下封闭使得气体无法从第一孔道28通过而关闭主燃级第一进气部100以及无法从第二孔道27通过而关闭预燃级第一进气部101，是一种理想的节流状态的例子，但不应以此为限。也可以采用减小主燃级第一进气部100、预燃级第一进气部101的进气流量，而非彻底关闭的实施例。第一孔道28、第二孔道27具有声学节流作用的原理在于，当燃烧室处于振荡燃烧状态时，振荡燃烧的压力波会对特定结构的孔道通过的气体产生声学节流作用，增大其实际的过孔压降。

具体的现象可以参考图2，图2为发明人发现的燃烧室火焰筒组件的冷却孔的声学节流作用，纵坐标为实际过孔压降ΔP与火焰筒容腔的平均压力P₄的比值的3/2次方，即

横坐标为火焰筒容腔的脉动压力幅值|P′₄|(经傅里叶变换后主频率对应的幅值)与平均压力值P₄的百分比，即

由于燃烧室内的流动马赫数一般在0.2以下，因此在通常状态(例如没有振荡燃烧的情况)，燃烧室各处进气通道的压降

由其流阻特性决定，即只与有效面积AC_d和进气组合参数

有关，其中，W₃₁为火焰筒头部的进气流量，T₃₁为火焰筒头部的进气温度，P₃₁为火焰筒头部的进气压力；若

不变，则压降由AC_d决定。图2显示的是在

不变的情况下，通过提高油气比，使燃烧室发生振荡燃烧，并且振荡幅值随油气比提高而提高的试验中观察到的燃烧室压降随振荡幅值变化的试验结果。试验数据分析结果表明，火焰筒冷却孔在振荡燃烧的声场条件下发生了节流，使得火焰筒冷却气的AC_d减小，整个燃烧室流通AC_d减小，导致燃烧室压降增大。图中的斜线代表触发节流效应所对应的脉动压力幅值；斜线(图中的y＝x)左上侧的范围内，脉动压力无法使得燃烧室压降发生变化，斜线右下侧的范围内，脉动压力会导致燃烧室压降增大，当脉动压力增大到一定程度时，火焰筒进气完全“堵塞”，所有进气只能从头部进入火焰筒。通过理论推导，可以得到声学节流的触发条件如下：

其中，P′₄为火焰筒内的脉动压力幅值，P₄为火焰筒内的平均压力，ΔP_ori为声学节流孔的设计过孔压降，常数β为具有声学节流作用的第一孔道的声能转为动能的能量转换效率。常数β与孔直径d、孔长度l有关，d越小或l越大，则β越大。例如图2所示：

1)设计压降为3％(油气比较低，无振荡燃烧的情况)的孔道，在脉动压力小于0.5％，此时未出现声学节流，因此燃烧室内的实际压降与设计压降基本相同；当脉动压力在0.5％-3％之间，小部分火焰筒组件(比如火焰筒内环或外环)率先发生节流作用，燃烧室压降略微提高；当脉动个压力大于3％后，大部分火焰筒组件发生节流，燃烧室压降明显增大；

2)设计压降为5％的情况与3％的情况相似，但由于设计压降增大，要求脉动压力超过1％时，触发小部分火焰筒组件的节流。这种分级节流的形式(先小部分火焰筒组件，再大部分火焰筒组件)与冷却孔的开孔形式有关；另外设计压降为3％和5％的试验结果也证明了节流与压降有关。

基于上述原理，发明人创造性地将在进行燃烧室试验中发现的火焰筒冷却孔声学节流的不利现象“变废为宝”(火焰筒冷却孔的声学节流会降低火焰筒冷效，不利于火焰筒冷却)，应用至头部设计，即通过设计具有声学节流特征的预燃级和主燃级进气孔，在发生振荡燃烧室关闭主燃级以及预燃级第一进气部的进气，以抑制振荡燃烧。参考图6至图9，在一个或多个实施例中，具有声学节流作用的第二孔道27的结构参数包括孔的总数量N_p、孔直径d_p和孔长度l_p。为了实现节流效应，需要根据第二孔道27的局部过孔设计压降(ΔP_ori/P₄)_pilot选择适当的孔直径d_p和孔长度l_p。第一孔道28的结构参数包括孔的总数量N_m、孔直径d_m和孔长度l_m。为了实现节流效应，需要根据第一孔道28局部过孔设计压降(ΔP_ori/P₄)_m选择适当的孔直径d_m和孔长度l_m。第一孔道28、第二孔道27的形状可以分别是第一孔道28的轴线与径向平行的直孔形孔道，第二孔道27的轴线与轴向平行的直孔形孔道。预燃级和主燃级的过孔压降，可以通过计算流体力学(CFD)方法初步评估，考虑到两处进气的压降可能不同，因此，各级的第一孔道需要匹配设计，以确保振荡发生的时候，主燃级和预燃级的第一孔道能同时发生声学节流，以保证头部的进气基本保持不变。

参考图10以及图11，经过预燃级第一进气部101的空气流量为W₁、经过预燃级第二进气部201的空气流量为W₂，因此从预燃级通道301的出口截面30射流的空气流量为W₁+W₂；经过主燃级第一进气部100的空气流量为W₃，经过主燃级第二进气部200的空气流量为W₄，因此从主燃级通道300的出口截面29射流的空气流量为W₃+W₄。

如图10所示，稳定燃烧时，W₁＝a，W₂＝b，W₃＝c，W₄＝d；预燃级出口射流截面30处的空气流量为W₁+W₂＝a+b；主燃级出口射流截面29处的空气流量为W₃+W₄＝c+d。当燃烧室的供油模式不发生变化时，预燃级出口射流截面30处的局部当量比由W₁+W₂＝a+b决定，主燃级出口射流截面29处的局部当量比由W₃+W₄＝c+d决定。此时预燃级气量分配为

主燃级气量分配为

如图11所示，振荡燃烧时，由于主燃级第一进气部100的第一孔道28、预燃级第一进气部101的第二孔道27发生节流效应，关闭主燃级第一进气部100以及预燃级第一进气部101，此时W₁＝e，W₂＝0，W₃＝0，W₄＝f；预燃级出口射流截面30处的空气流量为W₁+W₂＝e+0＝e；主燃级出口射流截面29处的空气流量为W₃+W₄＝0+f＝f。当燃烧室的供油模式不发生变化时，预燃级出口射流截面30处的局部当量比由W₁+W₂＝e决定，主燃级出口射流截面29处的局部当量比由W₃+W₄＝f决定。由于在新的流动条件下，主燃级和预燃级各级的实际流通面积发生变化(主燃级以及预燃级的第一进气部因的孔道发生节流而关闭，只有主燃级以及预燃级的第二进气部可以进气)，若头部总进气流量基本保持不变时(e+f≈a+b+c+d，对于低排放燃烧室，头部进气比例较大，主燃级和预燃级进气有效面积的微调，对头部进气比例影响较小)，此时主燃级和预燃级的进气量分配会达到一个新的平衡，使得e≠a+b，f≠c+d。此时预燃级气量分配为

主燃级气量分配为

通过CFD方法，匹配稳定燃烧和振荡燃烧(第一孔道以及第二孔道相当于没有进气流动)条件下预燃级、主燃级的进气量分配，使头部气量分配在振荡发展过程中发生自适应调整(目标为χ_p，2＜χ_p，1，χ_m，2＞χ_m，1)，在不改变FAR和不改变FSR的条件下，分别增大预燃级局部当量比Φ_p和减小主燃级局部当量比Φ_m，在保证排放和出口温度分布性能的前提下，进一步拓宽稳定燃烧边界。

从上述介绍可知，抑制燃气轮机的燃烧室的振荡燃烧的方法可以包括以下步骤：

对于燃烧室的预燃级：

设置多条空气流路为燃烧室的预燃级提供空气；例如设置空气流路22、23为预燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为所述预燃级提供空气；例如在稳定状态下，空气流路22、23为预燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，所述多条空气流路的一条空气流路受从火焰筒容腔传播的振荡压力波的节流作用使得该条空气流路的空气流量的比例减小；例如在振荡燃烧状态下，空气流路23受到内腔传播的振荡压力波的声学节流作用而关闭，空气从空气流路22进入预燃级。

对于燃烧室的主燃级：

设置多条空气流路为燃烧室的主燃级提供空气；例如设置空气流路24、25为主燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为所述主燃级提供空气；例如在稳定状态下，空气流路24、25为主燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，所述多条空气流路的一条空气流路受从火焰筒容腔传播的振荡压力波的节流作用使得该空气流路的空气流量减小；例如在振荡燃烧状态下，空气流路24受到内腔传播的振荡压力波的声学节流作用而关闭，空气从空气流路25进入主燃级。

在振荡燃烧状态下，预燃级的进气量占所述头部的进气量的比例降低，所述主燃级的进气量占所述头部的进气量的比例提升，例如通过CFD方法，匹配稳定燃烧和振荡燃烧(第一孔道以及第二孔道相当于没有进气流动)条件下预燃级、主燃级的进气量分配，使头部气量分配在振荡发展过程中发生自适应调整，预燃级进气量的比例降低、主燃即进气量的比例提升，从而在不改变FAR和不改变FSR的条件下，分别增大预燃级局部当量比Φ_p和减小主燃级局部当量比Φ_m，在保证排放和出口温度分布性能的前提下，进一步拓宽稳定燃烧边界。

综上可知，采用以上实施例的燃烧室、燃气轮机以及抑制振荡燃烧的有益效果包括：通过主燃级以及预燃级设置具有声学节流作用的第一孔道的主燃级第一进气部以及具有声学节流作用的第二孔道预燃级第一进气部，在振荡燃烧初始发生时，通过声学节流作用，使预燃级和主燃级的气量分配发生变化，从而使预燃级局部当量比和主燃级的局部当量比发生自适应变化，最终达到抑制振荡燃烧的压力幅值，拓宽稳定边界，同时也保证了排放性能和出口温度分布品质，提升了燃烧室以及燃气轮机的性能以及寿命。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，以所述预燃级为中心，多个所述主燃级沿周向绕所述预燃级分布；其特征在于：

所述主燃级具有主燃级内壁和主燃级外壁，以及从所述主燃级内壁径向凸伸的主燃级上游端壁；所述主燃级内壁和所述主燃级外壁之间的径向空间提供用于空气与燃油掺混的主燃级通道，其入口端接收来自主燃级进气部的空气，出口端用于连通所述燃烧室的火焰筒容腔；所述主燃级进气部包括主燃级第一进气部以及主燃级第二进气部；所述主燃级第一进气部包括贯穿所述主燃级上游端壁的轴向厚度的具有声学节流作用的第一孔道；

所述预燃级具有预燃级燃油喷嘴以及位于其周向外部的预燃级外壁；所述预燃级外壁以内的径向空间提供通过预燃级进气部进入所述预燃级的空气与所述预燃级燃油喷嘴喷射的燃油掺混的预燃级通道；所述预燃级进气部包括预燃级第一进气部以及预燃级第二进气部；所述预燃级第一进气部包括贯穿所述预燃级外壁的径向厚度的具有声学节流作用的第二孔道；其中，所述具有声学节流作用的所述第一孔道以及第二孔道的结构满足：

其中，P’₄为火焰筒内的脉动压力幅值，P₄为火焰筒内的平均压力，ΔP_ori为声学节流孔的过孔压降，常数β为所述第一孔道及第二孔道的声能转为动能的能量转换效率。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，

所述预燃级第二进气部具有由所述预燃级外壁以及预燃级燃油喷嘴外壁之间的径向空间提供的预燃级第二进气通道，所述预燃级第二进气通道内设置有旋流器；以及

所述主燃级第二进气部具有由所述主燃级上游端壁以及从所述主燃级外壁径向凸伸的主燃级下游端壁之间的轴向空间提供的主燃级第二进气通道，所述主燃级第二进气通道内设置有旋流器。

3.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，

所述预燃级第一进气部与所述预燃级第二进气部分别独立地向所述预燃级通道输送空气，且从预燃级两进气部输入的空气在所述预燃级通道内混合；以及

所述主燃级第一进气部与所述主燃级第二进气部分别独立地向所述主燃级通道输送空气，且从主燃级两进气部输入的空气在所述主燃级通道内混合。

4.如权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述第一孔道轴线与轴向平行，以及所述第二孔道轴线与径向平行。

5.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级通道的侧壁设置多点燃油喷射孔，以喷射燃油同进入所述主燃级通道的空气掺混；以及所述预燃级燃油喷嘴为离心喷嘴。

6.一种燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室包括火焰筒头部，所述头部包括主燃级以及预燃级，用于与主燃级喷射的燃油掺混、用于与预燃级燃油喷嘴喷射的燃油掺混的空气分别通过主燃级进气部、预燃级进气部进入所述主燃级、所述预燃级，所述燃烧室包括稳定状态以及振荡燃烧状态，其特征在于，

所述主燃级进气部包括主燃级第一进气部以及主燃级第二进气部，所述主燃级第一进气部具有第一孔道，所述预燃级进气部包括预燃级第一进气部以及预燃级第二进气部，所述预燃级第一进气部具有第二孔道，在所述稳定状态，空气可分别通过所述主燃级第一进气部与所述主燃级第二进气部进入所述主燃级，空气可分别通过所述预燃级第一进气部与所述预燃级第二进气部进入所述预燃级；在所述振荡燃烧状态，所述主燃级第一进气部在所述燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡燃烧压力波环境下，对所述第一孔道发生的声学节流作用，所述预燃级第一进气部在所述燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡燃烧压力波环境下，所述第二孔道发生的声学节流作用，所述声学节流作用与该第一孔道、第二孔道的过孔压降以及火焰筒内的脉动压力幅值相关，使所述预燃级的进气量占所述头部的进气量的比例降低，所述主燃级的进气量占所述头部的进气量的比例提升。

7.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的燃烧室。

8.一种抑制燃气轮机的振荡燃烧的方法，其特征在于，包括：

对于燃烧室的预燃级：

设置多条空气流路为燃烧室的预燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为所述预燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，所述多条空气流路的一条空气流路在燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡压力波环境下产生的声学节流作用使得该条空气流路的空气流量的比例减小，所述声学节流作用与该条空气流路的过孔压降以及火焰筒内的脉动压力幅值相关；

对于燃烧室的主燃级：

设置多条空气流路为燃烧室的主燃级提供空气；

在稳定状态下，所述多条空气流路为所述主燃级提供空气；

在振荡燃烧状态下，所述多条空气流路的一条空气流路在燃烧室的火焰筒容腔传播的振荡压力波环境下产生的声学节流作用使得该空气流路的空气流量减小，所述声学节流作用与该条空气流路的过孔压降以及火焰筒内的脉动压力幅值相关；

在振荡燃烧状态下，所述预燃级的进气量占所述燃烧室的火焰筒头部的进气量的比例降低，所述主燃级的进气量占所述燃烧室的火焰筒头部的进气量的比例提升。

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