CN102538006A - 一种燃气轮机涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法，在涡旋燃烧端盖上引入冷空气从端盖冷侧进入端盖内部，随即进入一个突扩空腔以利于冷空气的压力均衡和均匀分配，并通过热侧冷气喷射小孔完成与涡旋燃烧端盖以及端盖热侧或者小孔载体的热侧壁面的热交换，使涡旋燃烧端盖得到保护。其装置主要包括：燃气轮机涡旋燃烧端盖内部设有一突扩空腔，该突扩空腔的底部开有多个热侧冷气喷射小孔；一引入冷空气的引气管，该引气管的出气口连接燃气轮机涡旋燃烧端盖的突扩空腔，该引气管的进气口连接压气机或者火焰筒外壁面和燃烧室壳体之间。本发明使得涡旋燃烧端盖对于热值不同或波动的燃料，有更好的适应性和耐受性。

Description

一种燃气轮机涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法和装置
技术领域
本发明涉及一种涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法和装置，具体地涉及一种带有冷却布置的燃烧室端盖，特别是集成有旋流槽道、燃气通道的涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法。
背景技术
燃气轮机核心部件有压气机、燃烧室、涡轮等，空气经过压气机的压缩被送入燃烧室，在燃烧室里空气和燃料混合并燃烧，高温燃气推动涡轮做功。在燃烧室里，一般需要用到旋流装置来保持火焰和稳定燃烧。
对于一般的头部旋流燃烧室，如果空气和燃料都从端盖中间进入，就不会有端盖烧蚀这个问题，因为端盖中央被进入的空气冷却，高温区域离端盖壁面有一定距离，只是采取一般的隔热头罩的方式，就可实现对端盖的热防护。
对于带有旋流叶片或旋流槽道的燃烧室端盖，为了维护和使用的方便，燃烧所用的燃料常常连接在端盖上，通过端盖内部的通道喷入由端盖上的槽道形成的旋流区域，发生反应，在端盖热侧附近形成涡旋燃烧。
端盖热侧靠近燃烧区域，承受很高的温度和热辐射，此时，如果壁面不冷却，因为温度很高，离壁面很近，温度梯度很大，造成端盖热侧热应力很大，端盖容易损坏甚至烧蚀。一般要求端盖热侧面能耐800℃以上的高温。此时端盖热侧的热防护措施就显得非常重要。高效的冷却方式就成为重要的制约因素。
如图1所示的涡旋燃烧端盖1，集成有旋流槽道4，旋流槽道下游附近的地方就是高温燃烧区域，此时，端盖热侧2必然受到高温和热辐射的作用，而端盖冷侧3上又没有引入冷气进行保护的话，，就必然会损坏端盖热侧并进而毁掉整个端盖。
同时，在燃料热值不稳定的场合或者燃料改变时，最高温度、辐射强度可能波动较大，而耐热材料的极限是一定的，因此可能使得热侧温度超过正常设计状态的温度，同样造成端盖的损坏。因此需要采取对策，来解决这些问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法。
本发明的又一目的在于提供一种用于实现上述气冷方法的装置，以有利于延长端盖的使用寿命，保证燃烧室的正常运行。
为实现上述目的，本发明提供的涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法，在涡旋燃烧端盖上引入冷空气从端盖冷侧进入端盖内部，随即进入一个突扩空腔以利于冷空气的压力均衡和均匀分配，并通过热侧冷气喷射小孔完成与涡旋燃烧端盖以及端盖热侧或者小孔载体的热侧壁面的热交换，使涡旋燃烧端盖得到保护。
所述燃气轮机涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法，其中冷空气来自压气机内的气体或者火焰筒外壁面和燃烧室壳体之间的气体。
本发明提供的用于实现上述气冷方法的装置，其主要包括：
燃气轮机涡旋燃烧端盖热侧设有一突扩空腔，该突扩空腔的底部开有多个热侧冷气喷射小孔；
一引入冷空气的引气管，该引气管的出气口连接燃气轮机涡旋燃烧端盖热侧的突扩空腔，该引气管的进气口连接压气机或者火焰筒外壁面和燃烧室壳体之间。
所述的装置，其中突扩空腔为一小孔载体，该小孔载体的底部开有多个热侧冷气喷射小孔。
所述的装置，其中热侧冷气喷射小孔与端盖为一体制成。
所述的装置，其中热侧冷气喷射小孔单独制成与端盖连接固定。
所述的装置，其中热侧冷气喷射小孔直径小于5毫米，各热侧冷气喷射小孔之间的中心间距小于1厘米。
本发明适用于燃气轮机涡旋燃烧端盖的热防护，有利于延长端盖的使用寿命，保证燃烧室的正常运行。
附图说明
图1是不带热侧冷却的涡旋燃烧端盖的示意图。
图2是带有热侧冷却的涡旋燃烧端盖的示意图。
图3是实施例1的截面图，显示了气冷结构与端盖是一体的情形。
图4是实施例2的截面图，显示了气冷小孔结构连接于端盖上的情形。
附图中组件符号说明：
1端盖，2端盖热侧，3端盖冷侧，4旋流槽道，5引气管，6引气管进气，7热侧出气，8热侧冷气喷射小孔，9支承面，10小孔载体，11轴线。
具体实施方式
本发明是针对于没有中心空气冷却的燃烧室，而提供的一种保护燃烧室端盖的方法。本发明适用于涡旋燃烧端盖的热防护，有利于延长端盖的使用寿命，保证燃烧室的正常运行。
本发明涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法首先在于通过设置引气管5，从端盖冷侧3引入至少一股冷气进入端盖，冷气可以是火焰筒以外的气体，然后从热侧喷出。热侧喷出的通道是密集的许多小孔(即热侧冷气喷射小孔)，中心小孔的分布密度要大于周边小孔的分布密度。所引入端盖的冷气的温度至少要比燃烧室火焰筒的壁温要低。
热侧冷气喷射小孔直径不超过5毫米，一般在0.2-2毫米，因为太大的孔径减少了气流流过小孔的速度，而流通速度过小直接影响了小孔气流和端盖热侧之间的换热系数和换热强度。热侧冷气喷射小孔之间的中心间距一般不超过1厘米。因为间距过大会使得离热侧冷气喷射小孔距离远的端盖热侧壁面没有被冷却到，从而产生很大的热应力而且必须承受高温。
热侧冷气喷射小孔的形状可以是圆形、椭圆形等各种截面形状。热侧冷气喷射小孔开设的方向是其轴线可以垂直于端盖热侧，也可以与端盖中心曲线成一个锐角。
热侧冷气喷射小孔可以采取在端盖上打孔的方式或者先在载体上开孔然后再把载体连接到端盖上的方式。后者可以与端盖产生相对滑动或转动，因而这种方式可以起到卸掉过大的热应力的作用。
本发明利用了涡旋燃烧端盖热侧的火焰筒内气体和火焰筒外气体的温度差，火焰筒外的气体可以是压气机内的气体或者火焰筒外壁面和燃烧室壳体之间的气体。通常，压缩机过来的气体会先流经火焰筒外壁面和燃烧室壳体之间的通道来带走燃烧室的散热，因此它的温度比火焰筒内的燃气温度低。同时本发明还利用了密集的热侧冷气喷射小孔喷射的冲击冷却作用，冲击冷却给端盖热侧带来了很大的换热系数，增大了换热强度，带走了端盖热侧附近的燃烧传递给端盖的热量，以及减轻了高温热辐射作用对于端盖的影响，特别是降低了热应力对于端盖的损害，因而延长了端盖的使用寿命。
这些措施使得涡旋燃烧端盖在耗用较少量的冷气的情况下可以达到很好的保护端盖热侧的效果。
本发明的热侧气冷热防护办法不依赖于燃烧室的工作压力和温度，该方法简明、容易操作和实现，该方法可靠，特别适用于集成有旋流槽道、燃料通道的燃烧室端盖的热防护，也可用于其他燃烧室头部或端盖。
以下通过附图和实施例的描叙来进一步说明本发明的特征和特点。
实施例1
图3显示了气冷结构与涡旋燃烧端盖是一体的情形。端盖1上除集成有旋流槽道4、点火器等以外，还通过引气管5从端盖冷侧3引入冷气6进入端盖1，引气管进气6是来自燃烧室火焰筒外壁面与燃烧室壳体之间的气体，在引气管进气6进入端盖1后，随即进入一个突扩空腔，以利于引气管进气6的压力均衡和其在众多密集的热侧冷气喷射小孔8的入口处的均匀分配，然后以很高的速度冲过热侧冷气喷射小孔8，在此完成与涡旋燃烧端盖1，特别是端盖热侧2的热交换，使得涡旋燃烧端盖热侧2得到保护，最后，冲过小孔8的冷气温度得到了增加，以热侧出气7的形式流向端盖热侧2的下游。
其中，热侧冷气喷射小孔8位于端盖热侧2的壁面上，二者是一体的。热侧冷气喷射小孔8在端盖轴线11中心附近的分布密度略大于在端盖周边的分布密度。热侧冷气喷射小孔直径为0.8-1.5毫米，因为太大的孔径减少了气流流过小孔的速度，而流通速度过小直接影响了小孔气流和端盖热侧之间的换热系数和换热强度。热侧冷气喷射小孔之间的中心间距为4-8毫米。因为间距过大会使得离热侧冷气喷射小孔距离远的端盖热侧壁面没有被冷却到，从而产生很大的热应力而且必须承受高温。热侧冷气喷射小孔的形状是圆形。小孔轴线方向垂直于端盖热侧。小孔在端盖热侧壁面上的布置是轴对称的。
实施例2
图4显示了热侧冷气喷射小孔结构连接于端盖上的情形。端盖1上除集成有旋流槽道4、点火器等以外，通过引气管5从端盖冷侧3引入冷气进入端盖1，引气管进气6是来自燃烧室火焰筒外壁面与燃烧室壳体之间的气体，在引气管进气6进入端盖1后，随即进入小孔载体10的突扩空腔，该空腔的作用是利于引气管进气6的压力均衡及其在众多密集的热侧冷气喷射小孔8的入口处的均匀分配，然后以很高的速度冲过热侧冷气喷射小孔8，在此完成与涡旋燃烧端盖1的热交换，同时也保护了小孔载体10本身。最后冲击热侧冷气喷射小孔8的冷气温度得到了增加，以热侧出气7的形式流向小孔载体10热侧壁面的下游。其中，热侧冷气喷射小孔8位于小孔载体10热侧壁面上。热侧冷气喷射小孔8的直径是0.8-1.2毫米，因为太大的孔径减少了气流流过小孔的速度，而流通速度过小直接影响了小孔气流和小孔载体10热侧壁面之间的换热系数和换热强度。热侧冷气喷射小孔8之间的中心间距为4-6毫米。因为间距过大会使得离小孔距离远的小孔载体10的局部热侧壁面没有被冷却到，从而产生很大的热应力同时承受高温。热侧冷气喷射小孔的形状是圆形，其轴线方向垂直于端盖热侧。热侧冷气喷射小孔8在小孔载体10热侧壁面上的布置是轴对称的。
本实施例的小孔载体10可以通过支承面9与端盖1产生相对滑动或转动，同时通过支承面9被端盖1所托住并留有间隙，因而这种结构方式可以起到卸掉过大的热应力的作用。从而，这种方式以对小孔载体10热侧壁面进行热防护的方式来达到冷却和保护端盖热侧2的目的。

Claims (7)

1.一种燃气轮机涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法，在涡旋燃烧端盖上引入冷空气从端盖冷侧进入端盖内部，随即进入一个突扩空腔以利于冷空气的压力均衡和均匀分配，并通过热侧冷气喷射小孔完成与涡旋燃烧端盖以及端盖热侧或者小孔载体的热侧壁面的热交换，使涡旋燃烧端盖得到保护。
2.根据权利要求1所述燃气轮机涡旋燃烧端盖的热侧气冷方法，其中，冷空气来自压气机内的气体或者火焰筒外壁面和燃烧室壳体之间的气体。
3.一种用于实现权利要求1所述气冷方法的装置，其主要包括：
燃气轮机涡旋燃烧端盖内设有突扩空腔，该突扩空腔的底部开有多个热侧冷气喷射小孔；
一引入冷空气的引气管，该引气管的出气口连接燃气轮机涡旋燃烧端盖的突扩空腔，该引气管的进气口连接压气机或者火焰筒外壁面和燃烧室壳体之间。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，突扩空腔为一小孔载体，该小孔载体的底部开有多个热侧冷气喷射小孔。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，热侧冷气喷射小孔以及突扩空腔与端盖为一体制成。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，热侧冷气喷射小孔与突扩空腔为一体制成，再与端盖连接定位。
7.根据权利要求3或4所述的装置，其中，热侧冷气喷射小孔直径小于5毫米，各热侧冷气喷射小孔之间的中心间距小于1厘米。
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