CN101818910B - 一种微型燃气轮机燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种微型燃气轮机燃烧室，采用环形结构，主要由火焰筒、外机匣、内机匣、旋流器及燃油供给系统构成；火焰筒由外火焰筒、头部端壁及内火焰筒焊接组成；火焰筒后端与燃烧室机匣后法兰之间采用螺钉连接；外机匣后端与机匣后法兰螺栓连接；机匣前法兰与外机匣前端螺栓连接，燃烧室进口焊接在机匣前法兰上，空气径向进入燃烧室进口；内机匣前端固定在燃烧室进口的孔内；旋流器焊接在头部端壁上；燃油供给系统固定于燃烧室进口的外环；火焰筒上开有主燃孔、掺混孔及气膜冷却孔；气膜冷却孔下方焊接气膜缝槽舌片，引导冷却气流；高能直流点火器插入火焰筒，实现全环燃烧室的点火启动，燃气在外火焰筒斜段及外火焰筒垂直段的引导下径向排出燃烧室；本发明适用于微型燃气轮机中，出口燃气直接冲击向心涡轮，可以缩短微型燃气轮机轴向距离，充分利用空间。

Description

一种微型燃气轮机燃烧室

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧室，特别涉及一种微型燃气轮机环形燃烧室。

背景技术

燃烧室典型的类型主要有三种，分别是单管燃烧室、环管燃烧室以及环形燃烧室，单管燃烧室由于应用的年代较早，技术也比较成熟，研制时间和经费少，但是独立的单管火焰筒和单管机匣导致长度长和重量大，且需要联焰管。单管燃烧室应用到微型燃气轮机中，需要安装在压气机和涡轮轴线外，气流需转折几次，损失较大。环管燃烧室将多个燃烧室放在一个共同机匣内，相比单管燃烧室更轻更短，但是与空气流型匹配不太容易，扩压器的设计尤为困难。环形燃烧室的机匣和火焰筒都是环形结构，气动布局与压气机出口气流容易匹配，压力损失小，燃烧室紧凑，长度短，重量轻。

由于有不同的使用条件和性能要求，燃气轮机燃烧室的气动布局也有很多类型。一般大的发动机的燃烧室均采用直流燃烧室，小发动机则多采用结构紧凑的回流或折流燃烧室。直流燃烧室火焰筒和发动机同轴向，气路较为简单，易于与压气机出口气流匹配，压力损失小。从直流燃烧室的横截面来看，内外环腔的结构和流线都成对称分布，因此以火焰筒中心线为分界面，包括火焰筒射流，主燃区的回流结构以及掺混区均基本呈上下对称分布，这对燃烧室的流场匹配和稳定燃烧都非常有利。

在采用离心压气机的燃气涡轮发动机中，为了缩短轴距并利用离心压气机径向尺寸较大的特点，发展了回流燃烧室及折流燃烧室。回流燃烧室可以有效地利用燃烧室容积，喷嘴安装也较容易，缺点是由于气流转弯导致了火焰筒的面积增加，冷却变得困难。另外一方面是扩压器出口的流动与火焰筒进气的流动匹配。外环腔流动与火焰筒内的主流流动相反，而内环腔流动与主流相同火焰筒内的流动控制需要格外仔细。其它主要问题还有点火及喷油雾化。

折流燃烧室采用燃油从发动机轴内腔经甩油盘离心甩出的共有方式。燃油供入到甩油盘中，甩油盘与发动机共轴，转速相同。由于甩油盘的高速旋转，燃油破碎雾化，形成火焰。这种供油方式的优点是供油系统不需要太大的压力，燃油雾化细度只与转速有关；缺点是向甩油盘中供油的密封问题较为突出，更为突出的是甩油盘上的油孔如果油量不均匀，若开孔偏大，则与之对应涡轮工作叶片上会固定高温热点。

综上所述，对于采用离心压气机的微型燃气轮机来讲，回流燃烧室及折流燃烧室比较适合，但燃烧室出口气流多是轴向的，适合轴流式涡轮。对于采用向心涡轮的微型燃气轮机来讲，这两种燃烧室的缺点会更多。这就需要一种适合采用离心压气机和向心涡轮的环形燃烧室。

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，提供一种新型的微型燃气轮机环形燃烧室，该燃烧室径向进气，径向排气，可以缩短微型燃气轮机轴向距离，充分利用空间，重量轻。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种微型燃气轮机燃烧室，采用环形结构，包括火焰筒、外机匣、内机匣、旋流器及燃油供给系统；火焰筒由外火焰筒、头部端壁及内火焰筒焊接组成，外火焰筒平段与内火焰筒之间的距离为火焰筒高度；外火焰筒平段、外火焰筒连接段、外火焰筒斜段及外火焰筒垂直段连接，组成了外火焰筒；外火焰筒垂直段与燃烧室机匣后法兰之间连接；外机匣后端与机匣后法兰之间连接，外机匣前端与机匣前法兰之间连接；燃烧室进口焊接在机匣前法兰上，空气径向进入燃烧室进口，燃烧室进口出口的径向长度为进口高度；内机匣前端与燃烧室进口之间止口配合，将内机匣前端固定在燃烧室进口的孔内；外机匣与内机匣之间的距离为机匣高度；旋流器焊接在头部端壁上；燃油供给系统固定于燃烧室进口外环，离心喷嘴前端安装到相应的旋流器上的喷嘴安装孔内，喷嘴间距为以喷嘴与环形火焰筒中心线的距离为半径的圆上两喷嘴之间的弧线距离；火焰筒上开有主燃孔、掺混孔及气膜冷却孔；气膜冷却孔下方焊接气膜缝槽舌片，引导冷却气流；导流板前端到主燃孔之间的区域为主燃区，主燃孔与掺混孔之间的区域为补燃区，掺混孔至火焰筒垂直段出口间的区域为掺混区；高能直流点火器插入火焰筒，实现全环燃烧室的点火启动，燃气径向排出燃烧室。

所述燃油供给系统包括燃油总管左分支、燃油总管右分支、两个燃油管接头、6～20个燃油管分支及对应个数的喷嘴座和离心喷嘴；燃油总管左右分支各焊一个接头，并各伸出3～10个燃油管分支，喷嘴座焊接在燃油管分支的末端；离心喷嘴后端与喷嘴座之间连接。

所述燃油供给系统供应的燃油流量与燃烧室进口进入燃烧室的空气量之间的油气比的范围为0.004～0.03。

所述燃烧室进口的进口高度与机匣高度之间的比例为0.15～0.25。

所述燃烧室进口至火焰筒的距离与机匣高度之间的比例范围为0.4～1.0。

所述火焰筒高度与机匣高度的比例为0.5～0.7。

所述主燃区的长度与火焰筒高度之间的比例为0.3～0.8。

所述补燃区的长度与火焰筒高度之间的比例为0.4～1。

所述掺混区的长度与火焰筒高度之间的比例为1～2，掺混区的高度与火焰筒高度之间的比例为1～1.5。

所述喷嘴间距与火焰筒高度之间的比例为0.5～1.6。

本发明的工作原理：空气径向进入燃烧室进口，在其中减速增压。气流从旋流器、主燃孔、冷却孔及掺混孔进入火焰筒内部。燃油经燃油供给系统的离心喷嘴喷出后，受到来自旋流器的空气旋流的剪切破碎，充分雾化。在旋流和主燃孔射流的共同作用下在主燃区形成回流区，稳定火焰燃烧。由冷却孔进入的空气，在气膜缝槽舌片的引导下，覆盖壁面，以防止高温燃气与壁面直接接触而起到冷却的作用。空气主要在主燃区燃烧，但主燃孔进入的新鲜空气有一半参与了燃烧，另一半进入补燃区，补燃区会继续燃烧。主燃区和补燃区的长度必须合适，保证燃油与空气的充分燃烧，又不增加污染排放。燃气进入掺混区，与掺混孔进入的空气掺混，温度降低到涡轮能够承受的温度。在燃烧室斜段及垂直段的引导下，燃气径向排出燃烧室。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本发明的燃烧室径向进气，径向排气，对于运用离心压气机和向心涡轮的微型燃气轮机，燃烧室出口的流动与涡轮进口的流动匹配，并可以缩短微型燃气轮机的轴向距离；

(2)本发明的燃烧室气路简单，易于冷却；

(3)本发明的燃烧室长度小，重量轻。

附图说明

图1为本发明的燃烧室结构示意图；

图2为本发明的火焰筒结构示意图；

图3为本发明的外火焰筒结构示意图；

图4为本发明的火焰筒、旋流器及喷嘴的装配示意图；

图5a和图5b为本发明的旋流器结构示意图；

图6为本发明的燃油供给系统结构示意图。

图中：1机匣前法兰，2燃烧室进口，3火焰筒长度，4内机匣，5燃油供给系统，6燃烧室外帽罩，7旋流器，8点火器，9点火器座，10火焰筒，11外机匣，12机匣后法兰，13燃烧室内帽罩，14进口高度，15进口至火焰筒距离，16机匣高度，17出口宽度，18头部端壁，19点火器衬套盖，20点火器衬套，21气膜缝槽舌片，22气膜冷却孔，23外火焰筒平段，24外火焰筒斜段，25外火焰筒垂直段，26掺混孔，27内火焰筒，28主燃孔，29外火焰筒连接段，30喷嘴安装孔，31内旋流器，32外旋流器，33旋流器安装座，34导流板，35内旋流器文氏管，36燃油管接头，37燃油总管左分支，38燃油总管右分支，39喷嘴座，40离心喷嘴，41火焰筒高度，42主燃区长度，43补燃区长度，44掺混区长度，45掺混区高度，46喷嘴间距，47旋流器出口套筒，48燃油管分支，49外火焰筒。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例采用环形结构，主要由火焰筒10、外机匣11、内机匣4、旋流器7及燃油供给系统5构成。火焰筒10由外火焰筒49、头部端壁18及内火焰筒27焊接组成，外火焰筒平段23与内火焰筒27之间的距离为火焰筒高度41。外火焰筒垂直段25与燃烧室机匣后法兰12之间采用螺钉连接。外机匣11后端与机匣后法兰12之间螺栓连接，机匣前法兰1与外机匣11前端之间螺栓连接。燃烧室进口2焊接在机匣前法兰1上，与离心压气机来流对接，空气径向进入，燃烧室进口2出口的径向长度为进口高度14。内机匣4前端与燃烧室进口2之间止口配合，用压片及螺钉将内机匣4前端固定在燃烧室进口2的孔内。外机匣11与内机匣4之间的距离为机匣高度16。旋流器7个数为6～20个，焊接在头部端壁18上。燃油供给系统5固定于燃烧室进口2外环，离心喷嘴40前端安装到相应的旋流器7上的喷嘴安装孔30内。火焰筒10上开有主燃孔28、掺混孔26及气膜冷却孔22；气膜冷却孔22下方焊接气膜缝槽舌片21，引导冷却气流。空气从燃烧室进口2进入燃烧室机匣内时需要减速扩压，燃烧室进口2的进口高度14和机匣高度16之间的比例需满足0.15～0.25。燃烧室进口2至火焰筒的距离15与机匣高度16之间的比例范围满足0.4～1.0，以给燃油供给系统5足够的安装空间。燃油供给系统5供应的燃油流量与燃烧室进口2进入燃烧室的空气量之间的油气比的范围0.004～0.03，以保证燃烧室点火及正常稳定工作。高能直流点火器8插入火焰筒10，实现全环燃烧室的点火启动，燃气径向排出燃烧室。

如图2所示，火焰筒上开有主燃孔28、掺混孔26及气膜冷却孔22。导流板34前端到主燃孔28之间的区域为主燃区，主燃孔28与掺混孔26之间的区域为补燃区，掺混孔26至火焰筒垂直段25出口间的区域为掺混区。火焰筒高度41与机匣高度16的比例满足0.5～0.7，来合理的分配火焰筒内外的空气流量。主燃区是燃料燃烧的主要区域，主燃区长度42与火焰筒高度41之间的比例为0.3～0.8，以保证燃油能在主燃区充分燃烧完全。外火焰筒的气膜冷却分为五段，内火焰筒27分为三段。气膜冷却孔22均为2～3mm的小孔，每排个数为120～180，气膜缝槽出口高度为1.5～2.5mm；燃料与空气在火焰筒内燃烧会产生高温燃气，必须冷却火焰筒壁面，在气膜冷却孔22的下方安装气膜缝槽舌片21，引到冷气沿壁面流动，最大限度的冷却壁面；头部端壁18的后端构成了外火焰筒49及内火焰筒27的第一级气膜缝槽舌片，外火焰筒49及内火焰筒27的第二、三级气膜缝槽舌片21焊接在火焰筒10上，外火焰筒连接段29下部构成了外火焰筒49的第四级气膜缝槽舌片，垂直段25上部构成了外火焰筒49第五级气膜缝槽舌片。主燃孔28由一排均匀分布的50～60个直径为5～7mm的孔构成，气量占燃烧室总气量的9％～15％，主燃区的空气量包括旋流器7进气量、头部冷却进气量、旋流器安装座33冷却孔进气量、第一级气膜冷却进气量及主燃孔28进气量的一半，该气量占燃烧室总气量的15％～30％，其中旋流器7空气量占8％～20％。掺混孔26由一排均匀分布的50～70个直径为8～12mm大孔构成，气量占燃烧室总气量的25％～45％；为了使燃料与空气燃烧完全，补燃区长度43与火焰筒高度41之间的比例为0.4～1。为了使出口温度满足要求，掺混区长度44与火焰筒高度41之间的比例为1～2，掺混区高度45与火焰筒高度41之间的比例为1～1.5。

如图3所示外火焰筒平段23、外火焰筒连接段29、外火焰筒斜段24及外火焰筒垂直段25焊接，组成了外火焰筒49；

如图4所示，喷嘴间距46为喷嘴与环形火焰筒中心线的距离为半径的圆上两喷嘴之间的弧度距离，喷嘴间距46与火焰筒高度41比0.5～1.6，以保证所有旋流器能够焊接在头部端壁上，并在燃烧室工作时相互之间影响较小。

旋流器7可采用旋流器或旋流管的方式，如图5所示的反向双旋流器，由喷嘴安装孔30、内旋流器31、外旋流器32、旋流器安装座33、旋流器出口套筒47、导流板34及内旋流文氏管35组成。内外旋流器均由叶片式或开孔式引气，其中叶片的厚度0.5～1mm，个数6～14，两者之间焊接而成，旋流数均为0.6～1，内外旋流器的流量分配比为0.6～0.8。喷嘴安装孔30的直径为10.1mm，与离心喷嘴40间隙配合。内旋流器31的叶片宽度为2～3mm，叶片切向角为60°～90°，内旋流器文氏管35直径为8～12mm。外旋流器32的叶片宽度为2.5～4mm，叶片切向角60°～90°。旋流器出口套筒47的内径为15～25mm，扩张角60°～90°。旋流器安装座33焊接在旋流器出口套筒47上，其上开有45～55个直径为1mm的小孔，用于头部冷却。导流板34也焊接在旋流器出口套筒47上，其扩张角为100°～120°。

如图6所示，燃油供给系统5包括燃油总管左分支37、燃油总管右分支38、两个燃油管接头36、6～20个燃油管分支及对应个数的喷嘴座39和离心喷嘴40；燃油总管左右分支各焊一个接头36，并各伸出3～10个燃油管分支48，喷嘴座39焊接在燃油管分支48的末端；离心喷嘴40后端与喷嘴座之间螺纹连接。

Claims (10)

1.一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述燃烧室采用环形结构，包括火焰筒(10)、外机匣(11)、内机匣(4)、旋流器(7)及燃油供给系统(5)；火焰筒(10)由外火焰筒(49)、头部端壁(18)及内火焰筒(27)焊接组成，外火焰筒平段(23)与内火焰筒(27)之间的距离为火焰筒高度(41)；外火焰筒平段(23)、外火焰筒连接段(29)、外火焰筒斜段(24)及外火焰筒垂直段(25)连接，组成了外火焰筒(49)；外火焰筒垂直段(25)与燃烧室机匣后法兰(12)之间连接；外机匣(11)后端与燃料室机匣后法兰(12)之间连接，外机匣(11)前端与燃料室机匣前法兰(1)之间连接；燃烧室进口(2)连接在燃料室机匣前法兰(1)上，空气径向进入燃烧室进口(2)，燃烧室进口(2)出口的径向长度为进口高度(14)；内机匣(4)前端与燃烧室进口(2)之间止口配合，将内机匣(4)前端固定在燃烧室进口(2)的孔内；外机匣(11)与内机匣(4)之间的距离为机匣高度(16)；旋流器(7)焊接在头部端壁(18)上；燃油供给系统(5)固定于燃烧室进口(2)外环，离心喷嘴(40)前端安装到相应的旋流器(7)上的喷嘴安装孔(30)内，喷嘴间距(46)为以喷嘴与环形火焰筒中心线的距离为半径的圆上两喷嘴之间的弧线距离；火焰筒(10)上开有主燃孔(28)、掺混孔(26)及气膜冷却孔(22)；气膜冷却孔(22)下方焊接气膜缝槽舌片(21)，引导冷却气流；旋流器(7)中的导流板(34)前端到主燃孔(28)之间的区域为主燃区，主燃孔(28)与掺混孔(26)之间的区域为补燃区，掺混孔(26)至外火焰筒垂直段(25)出口间的区域为掺混区；高能直流点火器(8)插入火焰筒(10)，实现全环燃烧室的点火启动，燃气径向排出燃烧室。

2.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述燃油供给系统(5)包括燃油总管左分支(37)、燃油总管右分支(38)、两个燃油管接头(36)、6～20个燃油管分支(48)及对应个数的喷嘴座(39)和离心喷嘴(40)；燃油总管左右分支各焊一个燃油管接头(36)，并各伸出3～10个燃油管分支(48)，喷嘴座(39)焊接在燃油管分支(48)的末端；离心喷嘴(40)后端与喷嘴座之间连接。

3.根据权利要求2所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述燃油供给系统(5)供应的燃油流量与燃烧室进口(2)进入燃烧室的空气量之间的油气比的范围为0.004～0.03。

4.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述燃烧室进口(2)的进口高度(14)与机匣高度(16)之间的比例为0.15～0.25。

5.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述燃烧室进口(2)至火焰筒(10)的距离(15)与机匣高度(16)之间的比例范围为0.4～1.0。

6.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述火焰筒高度(41)与机匣高度(16)的比例为0.5～0.7。

7.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述主燃区的长度(42)与火焰筒高度(41)之间的比例为0.3～0.8。

8.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述补燃区的长度(43)与火焰筒高度(41)之间的比例为0.4～1。

9.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述掺混区的长度(44)与火焰筒高度(41)之间的比例为1～2，掺混区的高度(45)与火焰筒高度(41)之间的比例为1～1.5。

10.根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述喷嘴间距(46)与火焰筒高度(41)之间的比例为0.5～1.6。

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