CN101650038A - 一体化扩压导向燃烧室 - Google Patents

Abstract

一体化扩压导向燃烧室采用全环燃烧室结构，主要由机匣、火焰筒和导向扩压器构成；导向扩压器实现了气动和结构的耦合，既控制切向来流方向，又进行扩压降速，形成局部回流低速区，利于联焰和切向稳定燃烧；采用分级燃烧，可根据工作状态选择预燃级单独工作和主预燃级一起工作；预燃级利用驻涡燃烧技术稳定工作，通过收缩出口进入主燃区引燃主燃级，为主燃级提供稳定点火源；主燃级燃料在导向扩压器中射入主燃级气流，实现短距离雾化蒸发掺混，为主燃区提供掺混均匀的可燃混气；该发明允许压气机切向旋流直接进入燃烧室，实现切向高效稳定燃烧，污染排放低，又为涡轮驱动提供预旋，可简化结构，减轻重量，实现燃气轮机紧凑化。

Description

一体化扩压导向燃烧室

技术领域

本发明涉及一种采用导向器和扩压器一体化结构的燃气轮机全环燃烧室，适用于燃烧室进出口切向气流条件，简化燃气轮机燃烧系统结构，保证在宽广工作范围内的稳定高效燃烧。

背景技术

从常规燃气轮机燃烧室的气动布局来看，主要是以轴向流动为主。但是，无论是轴流式压气机还是离心式压气机，其出口气流均带有强烈的切向旋流分量，对常规燃烧室而言，都必须配有进口消旋导向器，随后再利用扩压器进行扩压降速，才能成功组织燃烧并保证燃烧室的性能。如果不把气流方向折转为轴向，直接进入扩压器，会加大气流切向角度，给扩压器的设计和功能实现带来非常大的困难，压力损失很大。另外，常规燃烧室出口燃气大多不具备切向动量，但为了利用高温燃气冲击涡轮产生轴功则要求其具有切向分量，并且希望该切向分量足够的大，这就需要涡轮导向器来疏导燃气产生切向速度。如此看来，从压气机出口到涡轮进口之间，为了满足常规燃烧室正常加温工作并保证燃烧性能，不得不添加两级导向器，必然增加发动机不必要的长度和重量，使结构更加复杂，并且导向器内的气流摩擦与转折会导致一定的气动损失，这亦降低了发动机的整机性能。

此外，迫于航空燃气轮机的尺寸和重量减小的压力，常规燃烧室的长度也随之大大缩短，而燃油的雾化、蒸发、掺混以及燃烧均沿轴向进行，过短的燃烧室长度势必会影响到燃烧效率和出口温度分布。而且，常规燃烧室中的轴向燃烧组织形式使压气机出口气流的切向动量没有很好的加以利用，这在先进燃烧室技术中需要考虑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种一体化扩压导向燃烧室，将压气机导向器与燃烧室扩压器合二为一，允许来流空气具有切向动量，并且燃烧室内可沿切向组织燃烧，为涡轮驱动提供切向动量，从而简化发动机结构，减轻重量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在燃烧室扩压器内放置导向叶片，实现气动和结构的耦合，既控制切向来流方向，又进行扩压降速；导向扩压器置于火焰筒扩压通道内，火焰筒出口与机匣出口固定联接；扩压器外分级器和扩压器内分级器采用环形结构，通过沿周向均匀布置的多片扩压器导向叶片拼接固定，构成导向扩压器；燃烧室采用分级燃烧，预燃级喷油嘴插入火焰筒为预燃级供燃料，主燃级喷油嘴插入火焰筒内的导向扩压器为主燃级供给燃料；导向扩压器将主燃级气流在周向和径向上分成多股直接进入火焰筒主燃区，利用导向叶片和分级器所形成的通道扩压降速，允许切向流入和流出，出口突扩形成局部低速区和联焰区；燃烧室采用分级燃烧；主燃级气流可具有一定切向角度，实现主燃级的切向稳定燃烧；主燃级燃料通过插入导向扩压器流道内的主燃级喷油嘴供入，可实现短距离雾化、蒸发和掺混；预燃级采用驻涡燃烧技术。

具体实现如下：一体化扩压导向燃烧室，采用全环燃烧室结构，由机匣、火焰筒、导向扩压器、预燃级喷油嘴和主燃级喷油嘴构成，导向扩压器置于火焰筒的火焰筒扩压通道内，火焰筒的出口与机匣的出口固定联接，预燃级喷油嘴插入火焰筒内为预燃区供燃料，主燃级喷油嘴插入火焰筒内的导向扩压器中为主燃区供给燃料；所述的导向扩压器由扩压器导向叶片，扩压器外分级器和扩压器内分级器构成，扩压器外分级器和扩压器内分级器均采用环形结构，扩压器外分级器直径大于扩压器内分级器，通过沿周向均匀布置的多片扩压器导向叶片拼接固定；所述的机匣的机匣扩压通道和火焰筒的火焰筒扩压通道共同将燃烧室进口气流分成外环腔气流，内环腔气流与主燃级气流；所述的导向扩压器通过多片扩压器导向叶片，扩压器外分级器和扩压器内分级器将主燃级气流在周向和径向上分成多股直接进入火焰筒的主燃区，利用扩压器导向叶片、扩压器外分级器和扩压器内分级器所形成的通道扩压降速，同时控制切向旋流方向，允许切向流入和流出，出口突扩形成局部低速区和联焰区，保证主燃区的稳定燃烧；所述的火焰筒内采用分级燃烧，包括主燃区和预燃区，可根据工作状态选择预燃区单独工作或主燃区和预燃区一起工作；所述的主燃区可实现切向稳定燃烧，燃烧室出口燃气具有切向动量，可用于驱动涡轮；主燃级喷油嘴直接将主燃级燃料射入主燃级气流，在导向扩压器内实现短距离雾化蒸发掺混，为主燃区提供掺混均匀的可燃混气，降低污染排放；所述的预燃区采用驻涡燃烧技术，保证宽的稳定工作范围，预燃区位于预燃级空腔内，预燃区出口采用收缩预燃级出口喉道，使预燃级燃气在主燃区内具有较好的穿透深度，确保燃烧室出口温度分布。

所述的预燃区燃料与空气当量比0.6～2.0。

所述的预燃级出口喉道的面积是预燃级进气面积的1.5～3倍。

所述的扩压器导向叶片个数20～120片。

所述的扩压器导向叶片的切向角度大小为0°～75°。

所述的主燃级喷油嘴采用直射式的主燃级喷油嘴喷油孔，适用于喷射气态燃料、液态燃料以及超临界态燃料，与主燃级气流形成当量比0.6～0.8的预混可燃气。

所述的主燃区和预燃区空气流量分配比例1.5∶1～4∶1，燃油分配比例1∶1～3.8∶1。

所述的机匣扩压器出口高度是燃烧室进口高度的1.5～3倍，火焰筒扩压器出口高度是火焰筒扩压器进口高度的1.2～3.5倍。

本发明的原理如下：燃烧室采用分级燃烧，低状态时只有预燃级工作，大状态时主燃级和预燃级一起工作。利用机匣扩压通道和火焰筒扩压通道共同将燃烧室进口气流分成外环腔气流，内环腔气流与主燃级气流。导向扩压器的导向叶片进出口均有一定的切向角度，允许燃烧室进口气流以一定切向角度进入扩压通道。主燃级气流在导向扩压器中进行导向扩压，保证了进入主燃区时既有可控的切向角度又能扩压降速，达到燃烧室高效稳定低损失燃烧要求。同时在扩压器导向叶片和扩压器内外分级器后均有形成局部回流低速区，稳定主燃级燃烧。预燃级采用驻涡燃烧技术，为整个燃烧室空间提供非常稳定的高温热源和点火源，通过收缩出口进入主燃区引燃主燃级，并具有较好的穿透深度，与主燃级气流掺混良好，具有宽的稳定工作范围和均匀的出口温度分布。主燃级是压气机部分来流通过导向扩压器直接进入火焰筒，利用导向扩压器出口突扩形成局部低速区和联焰区，在预燃级的帮助下在主燃区内完成燃烧；由于导向扩压器来流具有一定的切向速度，因此主燃级可以利用切向动量在切向上组织燃烧，并将切向动量一直保持到燃烧室出口，从而简化甚至消除涡轮导向器。主燃级燃料在导向扩压体流道内供入，为主燃区提供均匀的油气掺混物，在稳定的预燃级协助下可完成贫油燃烧，降低燃烧室污染排放。经过理论分析和研究发现，该燃烧室具有宽的稳定工作范围和低的污染排放，可使燃气轮机的结构和尺寸得到简化和缩小，更加紧凑，利于提高推重比。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

(1)燃烧室进口导流和扩压在导向扩压器内同时完成，允许压气机转子出口气流直接进入燃烧室，能够简化结构，减轻重量，实现燃气轮机紧凑化；

(2)导向扩压器出口气流具有一定切向动量，在燃烧室内实现切向旋流燃烧，利于实现高效稳定燃烧，并且掺混强烈，保证出口温度分布，同时为涡轮提供切向预旋，可进一步简化燃烧室与涡轮匹配结构；

(3)驻涡燃烧预燃级具备良好的燃烧稳定性，配以预燃级收缩出口，使预燃级高温燃气在主燃级中具有较深的穿透深度，保证主燃级稳定燃烧，在整个工作范围内拥有良好的出口温度分布；

(4)主燃级燃油在导向扩压器内喷射掺混，为主燃级燃烧提供均匀的预混气，可实现贫油燃烧，降低污染排放；

(5)主燃级燃料适应性强，既可供气体燃料和液体燃料，也可供超临界燃料，在发动机污染控制和热管理方面均有应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构剖视图；

图2是机匣结构示意图；

图3是火焰筒结构示意图；

图4是导向扩压器结构前视图；

图5是导向扩压器结构侧视图；

图6是导向扩压器结构立体图及局部放大图；

图7是主燃级喷油嘴结构示意图。

其中1是燃烧室进口气流，2是燃烧室出口燃气，3是外环腔气流，4是内环腔气流，5是主燃级气流，6是预燃级气流，7是预燃级燃气，8是预燃级燃油喷雾，9是机匣，10是火焰筒，11是导向扩压器，12是预燃级喷油嘴，13是主燃级喷油嘴，14是预燃区，15是主燃区，16是外机匣，17是内机匣，18是主燃级喷油嘴安装孔，19是主燃级喷油嘴安装座，20是预燃级喷油嘴安装孔，21是预燃级喷油嘴安装座，22是机匣扩压通道，23是燃烧室进口高度，24是机匣扩压器出口高度，25是外火焰筒，26是内火焰筒，27是主燃级喷油嘴插入孔，28是预燃级空腔，29是预燃级喷油嘴插入孔，30是预燃级进气孔，31是预燃级出口喉道，32是火焰筒扩压通道，33是火焰筒扩压器进口高度，34是火焰筒扩压器出口高度，35是预燃级出口喉道高度，36是扩压器导向叶片，37是扩压器外分级器，38是扩压器内分级器，39是导向叶片出油孔，40是主燃级导叶宽度，41是主燃级外分级器宽度，42是主燃级内分级器宽度，43是主燃级外进气高度，44是主燃级中间进气高度，45是主燃级内进气高度，46是扩压器导向叶片切向角度，47是主燃级喷油嘴喷油孔。

具体实施方式

如图1所示，该发明结构上主要由机匣9、火焰筒10、导向扩压器11、预燃级喷油嘴12以及主燃级喷油嘴13组成。进口气流1由压气机提供，具有一定切向角度，在径向上分为外环腔气流3，内环腔气流4与主燃级气流5。外环腔气流3主要为外火焰筒冷却和预燃级空气量。内环腔气流4为内火焰筒冷却用气。预燃级气流6进入预燃区14形成驻涡气流，与预燃级喷油嘴12提供的预燃级燃油喷雾8掺混，形成当量比0.6～2.0的混合气，在预燃区14内形成驻涡燃烧，预燃级燃气7以高流速射入主燃区15，为主燃级燃烧提供高温稳火源，并且与主燃级气流5具有良好的掺混，保证了整个燃烧室出口燃气2的温度分布。主燃级气流5在导向扩压器11中进行导向扩压，保证了进入主燃区15时既有可控的切向角度又能扩压降速，同时可在导向扩压器11后形成局部回流低速区，稳定燃烧。主燃级燃料通过主燃级喷油嘴13直接横向射入主燃级气流5，在导向扩压器11内完成雾化、蒸发、掺混，为主燃区15提供掺混均匀的可燃气，当量比0.6～0.8，保证低的污染排放。

如图2所示，机匣9由外机匣16和内机匣17构成，并且为燃烧室进口气流1提供了机匣扩压通道22。主燃级喷油嘴13通过主燃级喷油嘴安装孔18进入燃烧室，在主燃级喷油嘴安装座19上安装密封。预燃级喷油嘴12则通过预燃级喷油嘴安装孔20进入燃烧室，在预燃级喷油嘴安装座21上安装密封。根据扩压性能要求，机匣扩压器出口高度24是燃烧室进口高度23的1.5～3倍。

火焰筒10由外火焰筒25和内火焰筒26组成，在上游气流进口处形成火焰筒扩压通道32，如图3所示。该火焰筒热防护可采用多斜孔冷却技术，结构简单，重量轻。在外火焰筒25上突出一个预燃级空腔28，为预燃级提供燃烧空间。预燃级气流6通过预燃级进气孔30为预燃区14提供燃烧空气，预燃级喷油嘴12从预燃级喷油嘴插入孔29向预燃区14喷入燃油。为了增加预燃级燃气7在主燃区中的穿透深度，采用了预燃级出口喉道31，使预燃级燃气在此处收缩出射，并且将整个火焰筒空气压力降在此处分配给预燃级和主燃级。主燃级和预燃级的空气流量分配比例为1.5∶1～4∶1。主燃级喷油嘴13可从主燃级喷油嘴插入孔27进入火焰筒。根据主燃级气流5的扩压性能和主燃区15的容积要求，火焰筒扩压器出口高度34是火焰筒扩压器进口高度33的1.2～3.5倍。预燃级出口喉道高度35可根据预燃级燃气7流量以及速度确定，其出口面积是预燃级进气面积的1.5～3倍。

如图4，图5和图6所示，导向扩压器11由多片扩压器导向叶片36，扩压器外分级器37和扩压器内分级器38构成，为了减轻重量，它们加工成空心结构，并焊接成行与火焰筒10焊接在一起。扩压器导向叶片36个数20～120片，将主燃级气流5在周向上分为很多股，并且扩压器导向叶片切向角度46范围0°～75°，可适应进口气流切向旋流，并且以切向角度进入火焰筒主燃区，沿切向燃烧，可为涡轮提供切向动量。扩压器外分级器37和扩压器内分级器38又将主燃级气流5在径向上分成3股。主燃级导叶宽度40，主燃级外分级器宽度41和主燃级内分级器宽度42保证了主燃级气流进入主燃区15时突扩形成局部回流低速区，帮助联焰稳定燃烧。为了保证主燃级气流5的流出速度，主燃级外进气高度43，主燃级中间进气高度44与主燃级内进气高度45是需要控制的。主燃级燃油将从导向叶片出油孔39横向射入导向扩压器11的主燃级气流5中迅速与空气雾化蒸发掺混。主燃级燃油是从主燃级喷油嘴13上的主燃级喷油嘴喷油孔47喷出的，如图7所示，主燃级喷油嘴13的个数与扩压器导向叶片36相同，通过主燃级喷油嘴插入孔27插入空心的扩压器导向叶片36内。主燃级喷油嘴喷油孔47为简单的直射孔，适用于气态燃料、液态燃料以及超临界态燃料，使该燃烧室具有非常宽广的应用范围。

Claims (8)

1、一体化扩压导向燃烧室，其特征在于：采用全环燃烧室结构，由机匣(9)、火焰筒(10)、导向扩压器(11)、预燃级喷油嘴(12)和主燃级喷油嘴(13)构成，导向扩压器(11)置于火焰筒(10)的火焰筒扩压通道(32)内，火焰筒(10)的出口与机匣(9)的出口固定联接，预燃级喷油嘴(12)插入火焰筒(10)内为预燃区(14)供燃料，主燃级喷油嘴(13)插入火焰筒(10)内的导向扩压器(11)中为主燃区(15)供给燃料；所述的导向扩压器(11)由扩压器导向叶片(36)，扩压器外分级器(37)和扩压器内分级器(38)构成，扩压器外分级器(37)和扩压器内分级器(38)均采用环形结构，扩压器外分级器(37)直径大于扩压器内分级器(38)，通过沿周向均匀布置的多片扩压器导向叶片(36)拼接固定；所述的机匣(9)的机匣扩压通道(22)和火焰筒(10)的火焰筒扩压通道(32)共同将燃烧室进口气流(1)分成外环腔气流(3)，内环腔气流(4)与主燃级气流(5)；所述的导向扩压器(11)通过多片扩压器导向叶片(36)，扩压器外分级器(37)和扩压器内分级器(38)将主燃级气流(5)在周向和径向上分成多股直接进入火焰筒(10)的主燃区(15)，利用扩压器导向叶片(36)、扩压器外分级器(37)和扩压器内分级器所形成的通道扩压降速，同时控制切向旋流方向，允许切向流入和流出，出口突扩形成局部低速区和联焰区，保证主燃区(15)的稳定燃烧；所述的火焰筒(10)内采用分级燃烧，包括主燃区(15)和预燃区(14)，可根据工作状态选择预燃区单独工作或主燃区和预燃区一起工作；所述的主燃区(15)可实现切向稳定燃烧，燃烧室出口燃气(2)具有切向动量，用于驱动涡轮；主燃级喷油嘴(13)直接将主燃级燃料射入主燃级气流(5)，在导向扩压器(11)内实现短距离雾化蒸发掺混，为主燃区(15)提供掺混均匀的可燃混气；所述的预燃区(14)采用驻涡燃烧技术，预燃区(14)位于预燃级空腔(28)内，预燃区(14)出口采用收缩预燃级出口喉道(31)。

2、根据权利要求1所述的一体化扩压导向燃烧室，其特征在于：所述的预燃区(14)燃料与空气当量比0.6～2.0。

3、根据权利要求1所述的一体化扩压导向燃烧室，其特征在于：所述的预燃级出口喉道(31)的面积是预燃级进气面积的1.5～3倍。

4、根据权利要求1所述的一体化扩压导向燃烧室，其特征在于：所述的扩压器导向叶片(36)个数20～120片。

5、根据权利要求1所述的一体化扩压导向燃烧室，其特征在于：所述的扩压器导向叶片(36)的切向角度(46)大小为0°～75°。

6、根据权利要求1所述的一体化扩压导向燃烧室，其特征在于：所述的主燃级喷油嘴(13)采用直射式的主燃级喷油嘴喷油孔(47)，适用于喷射气态燃料、液态燃料以及超临界态燃料，与主燃级气流(5)形成当量比0.6～0.8的预混可燃气。

7、根据权利要求1所述的一体化扩压导向燃烧室，其特征在于：所述的主燃区(15)和预燃区(14)空气流量分配比例1.5∶1～4∶1，燃油分配比例1∶1～3.8∶1。

8、根据权利要求1所述的一体化扩压导向燃烧室，其特征在于：所述的机匣扩压器出口高度(24)是燃烧室进口高度(23)的1.5～3倍，火焰筒扩压器出口高度(34)是火焰筒扩压器进口高度(33)的1.2～3.5倍。

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