CN102175044B - 燃烧室掺混燃烧导向耦合结构 - Google Patents

Abstract

燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，主要由外机匣、内机匣、外火焰筒、内火焰筒和涡轮导向器叶片构成；位于外火焰筒和内火焰筒的掺混孔下游的涡轮导向器叶片实现了掺混、燃烧、导向和冷却的耦合设计，既实现了掺混气流与高温燃气的掺混、燃烧，调节燃烧室出口温度分布；又实现了燃烧室出口气流导向扩压，为高压涡轮动叶提供切向气流条件；同时正对涡轮导向器叶片的掺混气流为涡轮导向器叶片提供了外部冷却空气，改善了涡轮导向叶片的工作环境，增强了冷却效果。涡轮导向叶片内部的冷却空气由燃烧室环腔进入，简化了涡轮导向器冷却气路的结构设计，减少了涡轮导向器冷却气的用量。

Description

燃烧室掺混燃烧导向耦合结构

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机全环燃烧室的掺混导向耦合结构，适用于燃烧室的掺混燃烧，导向增速的耦合，满足出口的切向气流条件，为涡轮驱动提供预旋，实现高效的冷却结构和冷却效果，可简化结构，减轻重量，实现燃气轮机紧凑化。

背景技术

现代燃气轮机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代燃气轮机燃烧室来说，仍在存在一些难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。

传统的燃气轮机，一般由环形压缩系统、燃烧系统和环形的涡轮膨胀系统构成。空气经压缩系统进入燃烧室与燃油混合形成油气混合物燃烧，然后再进入涡轮的环形通道。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。以燃烧室与涡轮为例，压缩空气在燃烧室内与燃油混合形成混合物燃烧后，燃气仍沿燃气轮机轴线方向流动，以涡轮导向器为界线，而后进入涡轮，进入涡轮前，燃气在涡轮导向器的作用下，改变流动方向，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。而传统燃气轮机各系统之间的存在人为定义的明显的界线，在燃烧室出口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。然而在各部件尺寸，重量减小已趋极限的情况下，需要在系统级的水平上提出新的解决重量减轻的方案，需要考虑在先进燃烧室技术研究中打破燃气轮机各系统之间的人为界线。

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，提供一种掺混导向耦合结构，将燃烧室掺混段与涡轮导向器合二为一，实现了掺混气流与高温燃气的掺混与导向增速，改善涡轮导向器的冷却效果，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：燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，在火焰筒内，掺混孔下游放置涡轮导向器叶片，实现了掺混、燃烧、导向和冷却的耦合设计。涡轮导向器叶片沿周向均匀布置在外火焰筒和内火焰筒之间的收缩通道，涡轮导向器叶片与掺混孔处在相同的周向位置，与外火焰筒和内火焰筒通过焊接或螺栓连接，涡轮导向器叶片的后缘与外火焰筒和内火焰筒出口处在同一轴向位置。掺混孔下游至火焰筒和内火焰筒出口，包含了涡轮导向器通道，进行掺混气流与高温头部燃气的掺混，调节燃烧室出口温度分布；掺混气流在外火焰筒和内火焰筒内部与燃烧的高温头部燃气在外火焰筒和内火焰筒内部通道及与涡轮导向器叶片形成的收缩通道内实现掺混、导向和进一步的燃烧，涡轮导向器叶片与发动机轴线存在一定角度，掺混后的空气在涡轮导向器叶片通道内实现折转，为高压涡轮动叶提供切向气流条件；正对涡轮导向器叶片的掺混气流为涡轮导向器叶片提供了外部冷却空气，改善了涡轮导向叶片的工作环境，增强了冷却效果，减少了涡轮导向器冷却气的用量。涡轮导向叶片内部的冷却空气由燃烧室外环腔和燃烧室内环腔经过火焰筒壁面火焰筒涡轮冷却孔进入，简化了涡轮导向器叶片冷却气引气结构，同时降低了由于涡轮导向器叶片冷却引起的燃气轮机的压力损失。

具体实现如下：全环燃烧室结构中，所述耦合结构在由外机匣6、内机匣14、外火焰筒7、内火焰筒8和涡轮导向器叶片9构成，外火焰筒7和内火焰筒8的出口分别与外机匣6和内机匣14的出口固定连接；所述的外机匣6和内机匣14、内火焰筒8和外火焰筒7为环形结构；内火焰筒8和外火焰筒7壁上沿周向均匀开有径向的掺混孔4；外机匣6与外火焰筒7之间形成燃烧室外环腔26，内机匣14与内火焰筒8之间形成燃烧室内环腔27；所述的涡轮导向器叶片9沿周向均匀布置在外火焰筒7和内火焰筒8之间的收缩通道25内，涡轮导向器叶片9与掺混孔4处在相同的周向位置，与外火焰筒7和内火焰筒8通过焊接或螺栓连接，涡轮导向器叶片9的后缘与外火焰筒7和内火焰筒8的出口处在同一轴向位置；所述涡轮导向器叶片9开有涡轮导向器叶片内部冷却通道24，分别与外火焰筒7和内火焰筒8上的火焰筒涡轮冷却气孔15贯通，涡轮导向器叶片9壁面开有多排涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔23，燃烧室气流进入燃烧室后分股形成外环腔气流2，内环腔气流5和头部气流1，内环腔气流5和外环腔气流2经过外火焰筒7和内火焰筒8的掺混孔4形成掺混气流3，掺混气流3在火焰筒内部与燃烧的头部气流1在火焰筒内部通道及与涡轮导向器叶片9形成的收缩通道内实现掺混、加速和进一步的燃烧，形成掺混导向耦合区，同时掺混燃气11冲击涡轮导向器叶片9外表面实现对涡轮导向器叶片9的外部冷却；所述外环腔气流2，内环腔气流5一部分经过内火焰筒8和外火焰筒7的火焰筒涡轮冷却气孔15进入涡轮导向器叶片内部冷却通道24形成涡轮导向器叶片内部冷却气12，对涡轮导向器叶片9内部冷却，经涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔23流出形成涡轮导向器叶片冷却气膜18，实现外部冷却；所述的涡轮导向器叶片出口气流13与发动机轴线的存在夹角，即涡轮导向器叶片安装切向角20，形成燃烧室出口的切向气流条件。

所述掺混气流3占燃烧室总空气流量的10％～50％；燃烧室外环腔26和燃烧室内环腔27与外火焰筒7和内火焰筒8内的压降为2％～5％。

所述掺混孔4开孔个数12～300个，开孔尺寸为相同大小或大小孔交叉；内火焰筒8和外火焰筒7的掺混布置方式为一一相对布置即处在同一周向位置或交叉布置。

所述涡轮导向器叶片9个数为12～60片。

所述涡轮导向器叶片安装切向角20大小为0°～75°。

所述头部气流1经过主燃区与燃油混合当量比为0.6～1.5，掺混气流3掺混后的总当量比为0.4～1.0。

所述涡轮导向器叶片内部冷却通道24为简单的冷却通道或和复合冷却通道。

所述的外火焰筒7和内火焰筒8的头部高度是外火焰筒7和内火焰筒8出口高度的1.5～3倍。

本发明的原理如下：本发明打破燃烧室与涡轮之间的人为定义的界限，将涡轮导向器放置在火焰筒内，位于掺混孔下游，实现了掺混、导向和冷却的耦合设计。涡轮导向器叶片沿周向均匀布置在火焰筒内的收缩通道内，涡轮导向器叶片与掺混孔处在相同的周向位置。掺混孔下游至外火焰筒和内火焰筒出口段，包含了涡轮导向器通道，进行掺混气流与高温头部气流的掺混，调节燃烧室出口温度分布；掺混气流在火焰筒内部与燃烧的高温头部气流在外火焰筒和内火焰筒内部通道及与涡轮导向器叶片形成的收缩通道内实现掺混、导向和进一步的燃烧，涡轮导向器叶片与发动机轴线存在一定角度，掺混后的空气在导向器通道内实现折转，为高压涡轮动叶提供切向气流条件；由于涡轮导向器与对应的掺混孔处在同一周向位置，由掺混孔进入火焰筒的掺混气流为涡轮导向器提供了外部冷却空气，改善了涡轮导向器叶片的工作环境，提高了冷却效果，减少了涡轮导向器冷却气的用量。涡轮导向器叶片内部的冷却空气由燃烧室环腔经过火焰筒壁面孔进入，简化了涡轮导向器冷却气引气结构，同时降低了由于涡轮导向器冷却引起的燃气轮机的压力损失。该发明实现了燃烧室的掺混燃烧，导向增速的耦合，满足出口的切向气流条件，为涡轮驱动提供预旋，实现高效的冷却结构和冷却效果，可简化结构，减轻重量，实现燃气轮机紧凑化，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)打破燃烧室与涡轮之间的人为定义的界限，将涡轮导向器放置在火焰筒内，实现燃烧室出口切向实现了掺混、导向和冷却的耦合设计，能够简化结构，减轻重量，实现燃气轮机紧凑化；

(2)涡轮导向器叶片处在对应同一周向位置掺混孔的下游，掺混空气冷却涡轮导向器叶片，改善了涡轮导向叶片的工作环境，可以减少冷却空气用量，提高了冷却效率；

(3)涡轮导向器叶片内部冷却空气从燃烧室内外环腔供入，简化了冷却气路结构，减少了冷却空气的压力损失，降低了整个发动机的压力损失，有利于提高发动机推重比；

(4)燃烧室出口空气在涡轮导向器通道的作用下，与发动机轴线具有一定夹角，切向气流为推动涡轮动叶提供了有利的流动条件。

附图说明

图1是本发明的结构剖视图；

图2是本发明的气流流动示意图；

图3是本发明火焰筒结构示意图；

图4是本发明掺混导向耦合原理示意图；

图5是涡轮导向器叶片结构示意图及局部放大图；

图6是本发明整环结构示意图。

其中：高温头部气流1，外环腔气流2，掺混气流3，掺混孔4，内环腔气流5，外机匣6，外火焰筒7，内火焰筒8，涡轮导向器叶片9，掺混导向耦合器10，掺混燃气11，涡轮导向器叶片内部冷却气12，涡轮导向器叶片出口气流13，内机匣14，火焰筒涡轮冷却气孔15，外火焰筒和内火焰筒头部高度16，外火焰筒和内火焰筒出口高度17，涡轮导向器叶片冷却气膜18，燃烧室单头部周期角19，涡轮导向器叶片安装切向角20，涡轮导向器叶片内部冷却通道直径21，涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔直径22，涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔23，涡轮导向器叶片内部冷却通道24，收缩通道25，燃烧室外环腔26，燃烧室内环腔27。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明由外机匣6、内机匣14、外火焰筒7、内火焰筒8和涡轮导向器叶片9构成，外火焰筒7和内火焰筒8火焰筒的出口与机匣的出口固定连接。

如图1，2，3、4所示，外机匣6和内机匣14、内火焰筒8和外火焰筒7为环形结构；内火焰筒8和外火焰筒7壁上沿周向均匀开有径向的掺混孔4；外机匣6与外火焰筒7之间形成燃烧室外环腔26，内机匣14与内火焰筒8之间形成燃烧室内环腔27；所述的涡轮导向器叶片9沿周向均匀布置在外火焰筒7和内火焰筒8之间的收缩通道25内，涡轮导向器叶片9与掺混孔4处在相同的周向位置，与外火焰筒7和内火焰筒8通过焊接或螺栓连接，涡轮导向器叶片9的后缘与燃烧室出口处在同一轴向位置；所述的涡轮导向器叶片9涡轮导向器叶片内部冷却通道24，分别与外火焰筒7和内火焰筒8上的火焰筒涡轮冷却气孔15贯通，涡轮导向器叶片9壁面开有多排涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔23。

如图1，2，3，4燃烧室气流进入燃烧室后分股形成外环腔气流2，内环腔气流5和高温头部气流1，内环腔气流5和外环腔气流2为外火焰筒7，内火焰筒8和涡轮导向器叶片9提供冷却气流，同时也为火焰筒内部提供掺混空气。内环腔气流5和外环腔气流2经过外火焰筒7和内火焰筒8的掺混孔4形成掺混气流3，掺混气流3在火焰筒内部与燃烧的高温头部气流1在外火焰筒7和内火焰筒8内的通道及与涡轮导向器叶片9形成的收缩通道内实现掺混，用以调整燃烧室出口温度分布。掺混气流3占燃烧室总空气流量的10％～50％，环腔通道与火焰筒内的压降为2％～5％。高温头部气流1经过主燃区与燃油混合当量比为0.6～1.5，即燃烧室主燃区的当量比可为富油混合也可为贫油混合，掺混气流3掺混后的总当量比为0.4～1.0，即燃烧室的总的燃烧可为贫油燃烧，也可为接近化学恰当比的燃烧。掺混后掺混燃气11并没有完全燃烧，在外火焰筒7和内火焰筒8之间的径向收缩通道加速和进一步的燃烧并且在涡轮导向器叶片9之间的周向通道内扩压和进一步的燃烧，同时掺混燃气11冲击涡轮导向器叶片9外表面实现对涡轮导向器叶片9的外部冷却，形成掺混、加速、燃烧、扩压导向，冷却五种功能合一的耦合区10。实现了燃烧室火焰筒掺混燃烧扩压导向的紧凑耦合结构，与常规燃烧室与涡轮导向器的结构相比，总体长度可以缩短20％至30％，重量可以减小近20％。

如图2，3，4所示火焰筒上的掺混孔4开孔个数12～300个，在内火焰筒8和外火焰筒7上可分别开一排或两排掺混孔4，开孔尺寸可选择相同直径或大小孔径交错排列的形式，内火焰筒8和外火焰筒7的在同一轴向位置的掺混孔4一一对应或交叉布置从而形成良好的掺混效果。

如图3，4，5，6所示，在一个燃烧室头部周期内，掺混孔4与对应的涡轮导向器叶片11处在同一周向位置，涡轮导向器叶片9个数与燃烧室头部个数相同，为12～60片。掺混气流3与高温头部气流1掺混后的掺混燃气11直接冲击对应的涡轮导向器叶片9外表面，为涡轮导向器叶片9提供了外部冷却条件。由于火焰筒压降的作用，外环腔气流2，内环腔气流5一部分经过内火焰筒8和外火焰筒7的火焰筒涡轮冷却气孔15进入涡轮导向器叶片内部冷却通道24形成涡轮导向器叶片内部冷却气12，对涡轮导向器叶片9进行内部冷却。不再由高压压气机引气来冷却涡轮导向器叶片9，大大简化了冷却结构，从而实现了燃气轮机减重的目的。涡轮导向器叶片9内部的冷却通道可以采用简单的冷却通道如空心结构，或采用具有迷宫冷却通道并添加肋板的复合冷却通道。涡轮导向器叶片内部冷却通道直径21为0.5-4mm，涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔直径22为0.2-2mm。涡轮导向器叶片内部冷却气12经涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔23流出，与掺混燃气11一起形成涡轮导向器叶片冷却气膜18实现涡轮导向器叶片的外部冷却。为了更好的实现紧凑结构，为涡轮动叶提供切向气流，涡轮导向器叶片出口气流13与发动机轴线的存在夹角，即涡轮导向器叶片安装切向角20，叶片安装切向角20大小为0°～75°，形成燃烧室出口的切向气流条件。为了保证燃烧室出口气流的速度要求，火焰筒高度是燃烧室出口高度的1.5～3倍。

本发明已经完成了理论分析并且进入了设计加工过程中，在三维数值模拟的验证中证明本发明能够实现切向的出口气流条件，实现简化设计，实现耦合结构，减轻整机重量的。

总之，本发明既实现了掺混气流与高温燃气的掺混、燃烧，调节燃烧室出口温度分布；又实现了燃烧室出口气流导向扩压，为高压涡轮动叶提供切向气流条件；同时正对涡轮导向器叶片的掺混气流为涡轮导向器提供了外部冷却空气，改善了涡轮导向叶片的工作环境，提高了冷却效果。涡轮导向叶片内部的冷却空气由燃烧室外环腔和燃烧室内环腔进入，简化了涡轮导向器叶片冷却气路的结构设计，减少了涡轮导向器冷却气的用量；该发明实现了燃烧室的掺混燃烧，导向的耦合，满足出口的切向气流条件，为涡轮驱动提供预旋，实现高效的冷却结构和冷却效果，可简化结构，减轻重量，实现燃气轮机紧凑化。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，其特征在于：全环燃烧室结构中，所述燃烧室掺混燃烧导向耦合结构由外机匣（6）、内机匣（14）、外火焰筒（7）、内火焰筒（8）和涡轮导向器叶片（9）构成，外火焰筒（7）和内火焰筒（8）的出口分别与外机匣（6）和内机匣（14）的出口固定连接；所述的外机匣（6）和内机匣（14）、内火焰筒（8）和外火焰筒（7）为环形结构；内火焰筒（8）和外火焰筒（7）壁上沿周向均匀开有径向的掺混孔（4）；外机匣（6）与外火焰筒（7）之间形成燃烧室外环腔（26），内机匣（14）与内火焰筒（8）之间形成燃烧室内环腔（27）；所述的涡轮导向器叶片（9）沿周向均匀布置在外火焰筒（7）和内火焰筒（8）之间的收缩通道（25）内，涡轮导向器叶片（9）与掺混孔（4）在周向方向上的位置相同，与外火焰筒（7）和内火焰筒（8）通过焊接或螺栓连接，涡轮导向器叶片（9）的后缘与外火焰筒（7）和内火焰筒（8）的出口处在同一轴向位置；所述涡轮导向器叶片（9）开有涡轮导向器叶片内部冷却通道（24），分别与外火焰筒（7）和内火焰筒（8）上的火焰筒涡轮冷却气孔（15）贯通，涡轮导向器叶片（9）壁面开有多排涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔（23），燃烧室气流进入燃烧室后分股形成外环腔气流（2），内环腔气流（5）和头部气流（1），外环腔气流（2）经过外火焰筒（7）的掺混孔（4）形成掺混气流（3），同时内环腔气流（5）经过内火焰筒（8）的掺混孔（4）形成掺混气流（3），掺混气流（3）在火焰筒内部与燃烧的头部气流（1）在火焰筒内部通道及与涡轮导向器叶片（9）形成的收缩通道内实现掺混、加速和进一步的燃烧，形成掺混导向耦合区，同时掺混燃气（11）冲击涡轮导向器叶片（9）外表面实现对涡轮导向器叶片（9）的外部冷却；所述外环腔气流（2），内环腔气流（5）一部分经过内火焰筒（8）和外火焰筒（7）的火焰筒涡轮冷却气孔（15）进入涡轮导向器叶片内部冷却通道（24）形成涡轮导向器叶片内部冷却气（12），对涡轮导向器叶片（9）内部冷却，经涡轮导向器叶片壁面气膜冷却孔（23）流出形成涡轮导向器叶片冷却气膜（18），实现外部冷却；所述的涡轮导向器叶片出口气流（13）与发动机轴线的存在夹角，即涡轮导向器叶片安装切向角（20），形成燃烧室出口的切向气流条件。 

2.根据权利要求1所述的燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，其特征在于：所述掺混气流（3）占燃烧室总空气流量的10%～50%；燃烧室外环腔（26）和燃烧室内环腔（27）与外火焰筒（7）和内火焰筒（8）内的压降为2%～5%。 

3.根据权利要求1所述的燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，其特征在于：所述掺混孔（4）开孔个数12～300个，开孔尺寸为相同大小或大小孔交叉；内火焰筒（8）的掺混孔和外火 焰筒（7）的掺混孔（4）为一一相对布置即处在同一周向位置。 

4.根据权利要求1所述的燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，其特征在于：所述涡轮导向器叶片（9）个数为12～60片。 

5.根据权利要求1所述的燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，其特征在于：所述涡轮导向器叶片安装切向角（20）大小为0°～75°。 

6.根据权利要求1所述的燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，其特征在于：所述头部气流（1）经过主燃区与燃油混合当量比为0.6～1.5，掺混气流（3）掺混后的总当量比为0.4～1.0。 

7.根据权利要求1所述的燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，其特征在于：所述涡轮导向器叶片内部冷却通道（24）为简单的冷却通道或复合冷却通道。 

8.根据权利要求1所述的燃烧室掺混燃烧导向耦合结构，其特征在于：所述的外火焰筒（7）和内火焰筒（8）的头部高度是外火焰筒（7）和内火焰筒（8）出口高度的1.5～3倍。 

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