燃油喷嘴的优化方法及燃油喷嘴与流程

本发明涉及燃气轮机，尤其涉及一种燃油喷嘴的优化方法及通过该燃油喷嘴的优化方法获得的燃油喷嘴。

背景技术：

1、燃气轮机的核心机按照功能可分为压缩机、燃烧室和透平。作为燃烧室关键核心部件的燃油喷嘴，其雾化性能的好坏，将直接影响燃烧室的点火难易程度、燃烧效率、温度场分布、火焰稳定性、污染物生成、熄火边界等，最终影响燃气轮机整体性能。

2、传统的燃油喷嘴由喷嘴壳体、旋流器、雾化器、外壳体、顶杆等多个零部件组成，各零部件单独加工后通过装配或者焊接工艺组成完整的燃油喷嘴，但焊接可能产生热变形，导致喷嘴不同轴；装配也可能存在偏心导致同轴度较差，不同轴或同轴度较差，将导致喷嘴的喷雾不对称、存在明显的圆周不均匀现象等问题，进而影响燃烧的组织，最终影响燃气轮机性能。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种燃油喷嘴的优化方法及通过该燃油喷嘴的优化方法获得的燃油喷嘴，能够降低燃油喷嘴出口的圆周不均匀度。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种燃油喷嘴的优化方法，依次包括以下步骤：步骤s1、由原型喷嘴的三维模型得到原型喷嘴的三维流体域，按照实际工况对原型喷嘴的三维流体域进行多相流数值计算，得到原型喷嘴的雾化效果；步骤s2、基于步骤s1，观察原型喷嘴内部产生空化气泡的区域，分别分析各区域截面的气液相分布及流线方向，并分析各区域产生空化气泡的结构原因；步骤s3、基于步骤s2，根据各区域产生空化气泡的结构原因，分别对对应的结构进行结构优化，得到优化喷嘴，结构优化遵循避免截面突变、避免锐角和采用渐变结构的原则；步骤s4、基于步骤s3，对得到的优化喷嘴进行多相流数值计算，得到优化喷嘴的雾化效果，观察优化喷嘴内部是否产生空化气泡，若是，则以优化喷嘴为基础，返回步骤s2重新执行；若否，则进入下一步骤s5；步骤s5、观察优化喷嘴出口截面的液相分布是否均匀并测量优化喷嘴出口的圆周不均匀度是否满足要求，若是，则结构优化流程结束，得到最终优化喷嘴；若否，则返回步骤s1重新执行。

4、优选地，步骤s1中，将原型喷嘴出口截面均匀划分为多个扇形区域，在对原型喷嘴的三维流体域进行多相流数值计算期间统计从数值计算开始到数值计算结束时流经原型喷嘴出口截面多个扇形区域的流体质量流量，用于计算原型喷嘴出口的圆周不均匀度；数值计算结束时观察原型喷嘴出口截面的液相形貌。

5、优选地，步骤s2中，原型喷嘴内部产生空化气泡的区域包括原型喷嘴旋流器的支撑结构下方位置和原型喷嘴旋流器的旋流槽位置；分析原型喷嘴旋流器的支撑结构下方位置产生空化气泡的结构原因为：原型喷嘴旋流器的侧面支撑结构与旋流槽之间存在截面突变的悬空汇流空间；分析原型喷嘴旋流器的旋流槽位置产生空化气泡的原因为：原型喷嘴旋流器的旋流槽位置在旋流槽进口处存在截面突变和锐角。

6、优选地，步骤s3中，结构优化包括：将原型喷嘴旋流器的侧面支撑结构优化为延伸至旋流槽进口位置的侧面渐变支撑结构，从而将原型喷嘴旋流器的侧面流道优化为延伸至旋流槽的独立的侧面渐变流道，避免原型喷嘴旋流器的支撑结构下方位置的出现；将原型喷嘴旋流器的旋流槽优化为与侧面渐变流道平滑连接的独立的渐变旋流槽。

7、优选地，步骤s3中，结构优化还包括：对具有侧面渐变支撑结构、侧面渐变流道和渐变旋流槽的优化喷嘴旋流器进行扭曲。

8、优选地，步骤s3中，结构优化的过程中不改变原型喷嘴旋流器的旋流槽的实际流体流动截面积。

9、本发明还提供一种燃油喷嘴，燃油喷嘴为通过如上所述的燃油喷嘴的优化方法获得的最终优化喷嘴。

10、优选地，燃油喷嘴包括喷嘴壳体、设于喷嘴壳体内部的喷嘴内部流道和设于喷嘴内部流道内的优化喷嘴旋流器，喷嘴内部流道通向设于喷嘴壳体上的喷嘴出口，优化喷嘴旋流器设于喷嘴内部流道靠近喷嘴出口的一端，优化喷嘴旋流器具有侧面渐变支撑结构、侧面渐变流道和渐变旋流槽，侧面渐变支撑结构延伸至渐变旋流槽进口位置，使侧面渐变流道为延伸至渐变旋流槽的独立渐变流道，渐变旋流槽为与侧面渐变流道平滑连接的独立渐变旋流槽。

11、优选地，喷嘴内部流道为三维空间弯曲流道。

12、优选地，燃油喷嘴通过增材制造技术一体成型。

13、与现有技术相比，本发明具有显著的进步：

14、本发明根据原型喷嘴的多相流数值计算结果，观察并分析原型喷嘴内部产生空化气泡的区域产生空化气泡的结构原因，基于避免截面突变、避免锐角和采用渐变结构的原则，对产生空化气泡的区域的对应结构进行结构优化，得到优化喷嘴，避免截面突变和避免锐角可避免流体流线有较大改变，采用渐变结构可使流体流动截面积渐变，由此使得优化喷嘴中避免了原型喷嘴中存在的流体流动截面积突变，可以有效避免涡流和空化气泡现象，从而避免在优化喷嘴内部产生空化气泡，达到降低喷嘴出口的圆周不均匀度的目的。同时，避免优化喷嘴内部存在涡流和空化气相区，也避免了散热不佳区域的存在，可极大降低喷嘴内部燃油结焦积碳的风险，进而延长喷嘴的使用寿命。

技术特征：

1.一种燃油喷嘴的优化方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的燃油喷嘴的优化方法，其特征在于，所述步骤s1中，将原型喷嘴出口截面均匀划分为多个扇形区域，在对所述原型喷嘴的三维流体域进行多相流数值计算期间统计从数值计算开始到数值计算结束时流经原型喷嘴出口截面多个所述扇形区域的流体质量流量，用于计算原型喷嘴出口的圆周不均匀度；数值计算结束时观察原型喷嘴出口截面的液相形貌。

3.根据权利要求1所述的燃油喷嘴的优化方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述原型喷嘴内部产生空化气泡的区域包括原型喷嘴旋流器的支撑结构下方位置和原型喷嘴旋流器的旋流槽位置；分析所述原型喷嘴旋流器的支撑结构下方位置产生空化气泡的结构原因为：原型喷嘴旋流器的侧面支撑结构与旋流槽之间存在截面突变的悬空汇流空间；分析所述原型喷嘴旋流器的旋流槽位置产生空化气泡的原因为：所述原型喷嘴旋流器的旋流槽位置在旋流槽进口处存在截面突变和锐角。

4.根据权利要求3所述的燃油喷嘴的优化方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述结构优化包括：将原型喷嘴旋流器的侧面支撑结构优化为延伸至旋流槽进口位置的侧面渐变支撑结构，从而将原型喷嘴旋流器的侧面流道优化为延伸至旋流槽的独立的侧面渐变流道，避免原型喷嘴旋流器的支撑结构下方位置的出现；将原型喷嘴旋流器的旋流槽优化为与所述侧面渐变流道平滑连接的独立的渐变旋流槽。

5.根据权利要求4所述的燃油喷嘴的优化方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述结构优化还包括：对具有所述侧面渐变支撑结构、所述侧面渐变流道和所述渐变旋流槽的优化喷嘴旋流器进行扭曲。

6.根据权利要求1或4所述的燃油喷嘴的优化方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述结构优化的过程中不改变原型喷嘴旋流器的旋流槽的实际流体流动截面积。

7.一种燃油喷嘴，其特征在于，所述燃油喷嘴为通过如权利要求1至6中任意一项所述的燃油喷嘴的优化方法获得的最终优化喷嘴。

8.根据权利要求7所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述燃油喷嘴包括喷嘴壳体、设于所述喷嘴壳体内部的喷嘴内部流道和设于所述喷嘴内部流道内的优化喷嘴旋流器，所述喷嘴内部流道通向设于所述喷嘴壳体上的喷嘴出口，所述优化喷嘴旋流器设于所述喷嘴内部流道靠近所述喷嘴出口的一端，所述优化喷嘴旋流器具有侧面渐变支撑结构、侧面渐变流道和渐变旋流槽，所述侧面渐变支撑结构延伸至所述渐变旋流槽进口位置，使所述侧面渐变流道为延伸至所述渐变旋流槽的独立渐变流道，所述渐变旋流槽为与所述侧面渐变流道平滑连接的独立渐变旋流槽。

9.根据权利要求8所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述喷嘴内部流道为三维空间弯曲流道。

10.根据权利要求7至9中任意一项所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述燃油喷嘴通过增材制造技术一体成型。

技术总结
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃油喷嘴的优化方法，主要是根据原型喷嘴的多相流数值计算结果，观察并分析原型喷嘴内部产生空化气泡的区域及结构原因，基于避免截面突变、避免锐角和采用渐变结构的原则，进行结构优化，得到优化喷嘴。还涉及通过该燃油喷嘴的优化方法获得的燃油喷嘴。避免截面突变和避免锐角可避免流体流线有较大改变，采用渐变结构可使流体流动截面积渐变，由此避免了原型喷嘴中存在的流体流动截面积突变，可有效避免涡流和空化气泡现象，从而避免在优化喷嘴内部产生空化气泡，达到降低喷嘴出口的圆周不均匀度的目的，同时也避免散热不佳区域的存在，可极大降低喷嘴内部燃油结焦积碳的风险，延长喷嘴的使用寿命。

技术研发人员：马超,赵传志,黄炳发,石随林
受保护的技术使用者：上海和兰动力科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5