CN104654357B - 燃气轮机燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气轮机技术领域，具体公开了一种燃气轮机燃烧室，包括燃压缸、后端与所述燃压缸连接的机匣、连接在所述机匣前端的端盖、连接在所述端盖上的喷嘴、连接在所述机匣内侧的导流衬套、位于所述导流衬套内部且前端与所述喷嘴连接的火焰筒以及入口与所述火焰筒后端连接的过渡段；所述过渡段的出口设有出口导叶，所述过渡段与所述出口导叶为一体化结构，所述过渡段在所述出口导叶处以及所述出口导叶前缘端壁处设有空气分配腔。本发明节约了一级静叶前缘端壁的冷却流量，提高了整机效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种过渡段与透平一体化连接处设有冷却结构的燃气轮机燃烧室。
背景技术
燃气轮机的基本工作过程是：进入燃气轮机的空气，通过压气机进行压缩；在燃烧室中与燃料混合燃烧；燃烧室出口的高温高压燃气进入透平推动透平做功，燃气的温度、压力在透平的每一级静叶和动叶间逐级降低，将燃气一部分热能转变为机械能，带动压气机旋转，另外一部分热能转化为机械能，用于动力或者发电。
通常而言，燃烧室火焰筒的中后段、过渡段与透平一级动静叶是燃气轮机中温度最高的部件。目前在1400℃出口温度等级下，上述部件均需要特殊冷却设计。
现有技术中，透平一级静叶本身一般通过对流冷却、气膜冷却等方式进行冷却，而其前缘端壁则需要外部空气的冲击对流冷却作用或在前缘端壁上开气膜孔进行气膜冷却。然而，由于几何安装的限制，接近燃烧室过渡段出口的透平一级静叶前缘端壁部分较难具有足够的空气进行冲击对流冷却或气膜冷却，因此这部分的冷却通常借用燃烧室过渡段后安装边冷却空气进行冷却。而过渡段后安装边与透平一级静叶前缘端壁距离较大，冷却效果有限，为了实现需要的冷却效果，需要在过渡段后安装边分配多于过渡段后安装边冷却本身需要的空气，这部分空气不能参与燃烧，降低了燃气轮机整机效率。另外一种措施为缩短过渡段后安装边与透平一级静叶前缘端壁的距离，但是这会对过渡段后安装边的密封带来不利影响，而且透平一级静叶所带来的弓形波会对后安装边密封的冷却带来较大影响，导致密封结构寿命缩短或者失效。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种燃气轮机燃烧室，以节约一级静叶前缘端壁的冷却流量，提高整机效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机燃烧室，包括燃压缸、后端与所述燃压缸连接的机匣、连接在所述机匣前端的端盖、连接在所述端盖上的喷嘴、连接在所述机匣内侧的导流衬套、位于所述导流衬套内部且前端与所述喷嘴连接的火焰筒以及入口与所述火焰筒后端连接的过渡段；所述过渡段的出口设有出口导叶，所述过渡段与所述出口导叶为一体化结构，所述过渡段在所述出口导叶处以及出口导叶前缘端壁处设有空气分配腔。
优选地，所述燃气轮机燃烧室的中轴线与燃气轮机的中轴线在轴向方向以及周向方向的夹角均大于0°。
优选地，所述燃气轮机燃烧室的中轴线与燃气轮机的中轴线在轴向方向的夹角为15°～35°。
优选地，所述燃气轮机燃烧室的中轴线与燃气轮机中轴线在轴向方向的夹角为10°～25°。
优选地，所述出口导叶的安装角轴线与燃气轮机的中轴线在周向方向的夹角等于所述燃气轮机燃烧室的中轴线与燃气轮机的中轴线在周向方向的夹角。
优选地，所述出口导叶为翼型叶形，所述出口导叶的内部设有冷却装置，所述出口导叶上设有气膜孔，所述冷却装置中的空气通过所述气膜孔与所述过渡段出口处的热通道连接，所述气膜孔的直径为0.5mm～1.5mm，所述气膜孔的倾斜角度为20°～50°。
优选地，所述空气分配腔的外表面设有冲击孔。
优选地，所述冲击孔上设有冲击套管。
优选地，所述冲击孔的直径为5mm～25mm。
优选地，所述过渡段在出口导叶前缘端壁处设有发散冷却孔，所述过渡段通过所述发散冷却孔与所述空气分配腔连通。
(三)有益效果
本发明的燃气轮机燃烧室在过渡段与透平一级静叶一体化连接处设有冷却结构，目标为节约一级静叶前缘端壁的冷却流量，可以减少过渡段后安装边的冷却气消耗，增强对透平前缘端壁的冷却效果，进而提高了燃气轮机整体效率；加强透平一级静叶(出口导叶)前缘端壁处的冷却气量，使其前缘端壁温度分布尽可能均匀，减少高温部件热应力，延长高温部件寿命；在出口导叶及出口导叶前缘端壁结构处增加空气分配腔，保证了出口导叶以及其前缘端壁冷却流量的可控性，优化了该处的冷却效果；此外，透平一级静叶(出口导叶)前缘端壁开有发散孔，对热通道内高频热声振荡可以起到一定的抑制效果。
附图说明
图1为本发明实施例的燃气轮机燃烧室的俯视图；
图2为图1的D-D方向的剖视图；
图3为本发明实施例的燃气轮机燃烧室的出口导叶的安装角示意图；
图4为本发明实施例1的燃气轮机燃烧室的出口部分的局部放大图；
图5为本发明实施例2的燃气轮机燃烧室的出口部分的局部放大图。
图中，2：燃压缸；3：导流衬套；4：机匣；5：端盖；6：喷嘴；7：火焰筒；8：过渡段；61：气膜孔；62：热通道；71：燃气轮机燃烧室的中轴线；72：燃气轮机的中轴线；73：出口导叶的安装角轴线；81：出口导叶；82：出口导叶前缘端壁；9：空气分配腔；91：冲击孔；92：冲击套筒；93：发散冷却孔；94：空气分配腔通路；95：发散冷却气进口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
如图1-4所示，本实施例的燃气轮机燃烧室包括：燃压缸2、后端与燃压缸2连接的机匣4、连接在机匣4前端的端盖5、连接在端盖5上的喷嘴6、连接在机匣4内侧的导流衬套3、位于导流衬套3内部且前端与喷嘴6连接的火焰筒7以及入口与火焰筒7后端连接的过渡段8。
过渡段8的出口设有出口导叶81，过渡段8与出口导叶81为一体化结构，过渡段8在出口导叶处81以及出口导叶前缘端壁82处设有空气分配腔9。根据空气分配腔9位置的不同，调节不同部位的冷气量以及进入出口导叶8的空气流量，可以做到冷却空气流量控制。
出口导叶81为简单翼型叶形，无明显压力面以及吸力面，出口导叶81的内部设有冷却装置，出口导叶81上设有气膜孔61，所述冷却装置中的空气通过气膜孔61与过渡段8出口处的热通道62连接，气膜孔61的直径为0.5mm～1.5mm，气膜孔61的倾斜角度为20°～50°，优选地，气膜孔61的倾斜方向与热通道62的气流流动方向一致。
空气分配腔9的外表面设有冲击孔91，冲击孔91的直径为5mm～25mm，冲击孔91用于加强对出口导叶前缘端壁82的冷却效果，冲击孔91上还可以设有冲击套管92，可以加强冲击效果。冲击孔91在出口导叶前缘端壁82处局部加密，来增强该处的冷却，除此之外，针对实际燃气轮机情况冲击孔91的布置也可以采用均匀布置，或者其他针对出口导叶端壁温度分布的特殊布置，如菱形布置，交错布置等。过渡段8在出口导叶前缘端壁82处设有发散冷却孔93，过渡段8通过发散冷却孔93与空气分配腔9连通，出口导叶前缘端壁82下缘设置的发散冷却孔93，一方面可以加强出口导叶前缘端壁82处的冷却，另一方面还可对热通道62内高频热生振荡起到抑制作用。空气分配腔9的外侧还设有发散冷却气进口。
本实施例中，所述燃气轮机燃烧室的中轴线71与燃气轮机的中轴线72在轴向方向以及周向方向的夹角均大于0°。优选地，燃气轮机燃烧室的中轴线71与燃气轮机的中轴线72在轴向方向的夹角为15°～35°，燃气轮机燃烧室的中轴线71与燃气轮机中轴线72在轴向方向的夹角为10°～25°。另外，出口导叶的安装角轴线73与燃气轮机的中轴线72在周向方向的夹角等于燃气轮机燃烧室的中轴线71与燃气轮机的中轴线72在周向方向的夹角。燃气轮机燃烧室的中轴线71相对燃气轮机的中轴线72偏置可以为通往透平的气流提供导向作用，此时燃烧室出口形成的旋流即可形成透平动叶所需要的旋转角度，因此无需设计透平一级扭转静叶，仅在过渡段8出口设置简单叶型的出口导叶81即可，出口导叶81对气流仅起到膨胀作用，但是无导向作用，可以保证不干扰燃烧室形成旋流。
本实施例的燃气轮机燃烧室的工作原理为：从压气机压缩的空气经燃压缸2、导流衬套3逆流而上，经喷嘴5、火焰筒6进入过渡段8，最终流经出口导叶81进入透平，冷却空气部分经空气分配腔9的冲击冷却孔91对出口导叶前缘端壁82进行冷却，最终通过出口导叶前缘端壁82下缘设置的发散冷却孔93进入热通道62，部分经空气分配腔9进入出口导叶81内部冷却装置，通过出口导叶81表面的气膜孔61进入热通道62。
实施例2
如图5所示，本实施例的燃气轮机燃烧室与实施例1相比，所不同之处在于，出口导叶前缘端壁82下缘不设有发散冷却孔93，而设置空气分配腔通路94与出口导叶81的内部冷却装置连通。
经空气分配腔9的冲击冷却孔91对出口导叶前缘端壁82进行冷却的部分冷却空气，向下游流动进入出口导叶81内部冷却装置，与另一部分经空气分配腔9进入出口导叶81内部冷却装置的冷却气混合，最终通过出口导叶81表面的气膜孔61进入热通道62。
本发明的燃气轮机燃烧室在过渡段与透平一级静叶一体化连接处设有冷却结构，目标为节约一级静叶前缘端壁的冷却流量，可以减少过渡段后安装边的冷却气消耗，增强对透平前缘端壁的冷却效果，进而提高了燃气轮机整体效率；加强透平一级静叶(出口导叶)前缘端壁处的冷却气量，使其前缘端壁温度分布尽可能均匀，减少高温部件热应力，延长高温部件寿命；在出口导叶及出口导叶前缘端壁结构处增加空气分配腔，保证了出口导叶以及其前缘端壁冷却流量的可控性，优化了该处的冷却效果；此外，透平一级静叶(出口导叶)前缘端壁开有发散孔，对热通道内高频热声振荡可以起到一定的抑制效果。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (5)
1.一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，包括燃压缸、后端与所述燃压缸连接的机匣、连接在所述机匣前端的端盖、连接在所述端盖上的喷嘴、连接在所述机匣内侧的导流衬套、位于所述导流衬套内部且前端与所述喷嘴连接的火焰筒以及入口与所述火焰筒后端连接的过渡段；所述过渡段的出口设有出口导叶，所述过渡段与所述出口导叶为一体化结构，所述过渡段在所述出口导叶处以及出口导叶前缘端壁处设有空气分配腔；所述空气分配腔的外表面设有冲击孔；所述冲击孔上设有冲击套管；所述出口导叶的安装角轴线与燃气轮机的中轴线在周向方向的夹角等于所述燃气轮机燃烧室的中轴线与燃气轮机的中轴线在周向方向的夹角；所述出口导叶为翼型叶形，所述出口导叶的内部设有冷却装置，所述出口导叶上设有气膜孔，所述冷却装置中的空气通过所述气膜孔与所述过渡段出口处的热通道连接，所述气膜孔的直径为0.5mm~1.5mm，所述气膜孔的倾斜角度为20°~50°，所述气膜孔的倾斜方向与所述热通道的气流流动方向一致；所述过渡段在出口导叶前缘端壁处设有发散冷却孔，所述过渡段通过所述发散冷却孔与所述空气分配腔连通；所述空气分配腔与所述冷却装置连通。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃气轮机燃烧室的中轴线与燃气轮机的中轴线在轴向方向以及周向方向的夹角均大于0°。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃气轮机燃烧室的中轴线与燃气轮机的中轴线在轴向方向的夹角为15°~35°。
4.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃气轮机燃烧室的中轴线与燃气轮机中轴线在轴向方向的夹角为10°~25°。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述冲击孔的直径为5mm~25mm。
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