CN108775601B - 一种适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构，包括一内筒主体和一布置在内筒主体底部的封头部件，内筒主体包括从上到下依次同轴焊接的多个塔筒单元，每一塔筒单元中折弯区上布置有配气小孔，用以配气辅助燃烧和在塔筒单元的外表面上形成冷却气膜，第二锥形筒区上布置有配气大孔，用以配气辅助燃烧，封头部件的圆筒段上布置有多个条形气压孔，既能起到末端承压稳定筒体减小振动，又能在末端形成气流与火焰对冲，在使燃烧更充分的同时，降低了区域温度，利于实现NOx的超低排放。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机领域，涉及一种燃烧室部件结构，具体地说，是指一种适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构。
背景技术
对于5MW以下的小型燃气轮机，多使用回流筒式燃烧室，或者是单筒式或者是环形布置多筒式。其燃烧室内筒多采用单张板材一体化结构，上端安装固定，周身配孔疏导气流，上、下端口均为开放式结构，用于气体通流。由于该结构整体为单悬臂薄壁件，燃烧过程中，下端容易与燃烧气流发生耦合振动，不利于火焰稳定。同时，空气由上向下直接流向后端，无法形成二次空气分配，无法为中段火焰区燃料充分燃烧及NOx降低提供助力。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明旨在提供一种适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构，该内筒结构分段连接而成，并在末端加装封头进行二次空气分配，既能起到末端承压稳定筒体减小振动，又能在末端形成气流与火焰对冲，在使燃烧更充分的同时，降低了区域温度，利于实现NOx的超低排放。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构，所述内筒同心布置在燃烧室的外筒中，包括一内筒主体和一布置在所述内筒主体底部的封头部件，其特征在于，
所述内筒主体包括从上到下依次同轴布置的多个塔筒单元，相邻两上下布置的所述塔筒单元之间密封连接，
每一所述塔筒单元均包括位于其上部的第一锥形筒区、位于其下部的第二锥形筒区以及位于所述第一锥形筒区与第二锥形筒区之间的折弯区，其中，
所述第一锥形筒区、第二锥形筒区均为底部直径大于顶部直径的锥形筒，
所述第二锥形筒区的顶部直径小于所述第一锥形筒区的底部直径，
所述第二锥形筒区的底部直径与所述第一锥形筒区的顶部直径相当，
所述折弯区整体呈一顶部直径大于底部直径的锥形筒，
所述第二锥形筒区的轴向高度大于所述第一锥形筒区的轴向高度，
所述第一锥形筒区的轴向高度大于所述折弯区的轴向高度，
所述折弯区上沿其圆周方向布置有至少一排配气小孔，所述配气小孔的中心线与所述塔筒单元的中心线之间的夹角α为锐角，所述配气小孔用以配气辅助燃烧和在所述塔筒单元的外表面上形成冷却气膜，
所述第二锥形筒区上沿其圆周方向布置有至少一排配气大孔，所述配气大孔的直径大于所述配气小孔的直径，所述配气大孔用以配气辅助燃烧，
所述封头部件密封连接在所述内筒主体的底部，包括一圆筒段和一位于所述圆筒段底部的圆弧底，所述圆筒段上沿其圆周方向布置有多个条形气压孔。
本发明的适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构中，所述封头部件以及其上开设的气压孔用以承受内部气流压强并使气流反向从气压孔流出，承受气压可提高内筒的整体刚度，减少或避免与燃烧气流发生耦合振动；气流反向流出可与外部流体发生冲击混合，使核心燃烧区空气、燃料混合更加均匀，并使高温区产生二次湍流参混，破坏NOx生产核心区，降低其排放量。
优选地，所述内筒的轴向高度为所述外筒轴向高度的1/2～2/3。
优选地，所述塔筒单元的数量范围为1～10，当内筒整体高度为塔筒单元中径10倍以上时，理论上为该结构的许可使用边界。
优选地，所述塔筒单元采用高温合金板材制备而成。
优选地，所述塔筒单元采用梯形板材经配孔、折弯、对缝焊接加工而成。
优选地，相邻两上下布置的所述塔筒单元使用焊接的方式密封固定连接，焊接方式为电阻焊或激光焊。
优选地，所述第一锥形筒区的顶部设有顶部焊接区，所述第二锥形筒区的底部设有底部焊接区，所述顶部焊接区与底部焊接区的轴向高度相当，二者相互衔接实现邻两上下布置的所述塔筒单元之间的焊接。
优选地，所述顶部焊接区、底部焊接区的轴向高度约为所述塔筒单元整体高度的1/5。
优选地，所述折弯区与塔筒单元顶部之间的距离为所述塔筒单元高度的1/5～1/3。
优选地，所述内筒外壁面的气膜效果可通过改变所述配气小孔的直径、角度以及所述塔筒单元的裙部区域长度等综合调节。
优选地，所述配气小孔的中心线与所述塔筒单元的中心线之间夹角α在15°～30°之间。
优选地，所述配气小孔的直径为3～10mm。
优选地，所述第二锥形筒区上沿其圆周方向布置有多排所述配气大孔，相邻两排配气大孔同列布置或错开布置。
优选地，所述配气大孔的直径为5～20mm。
优选地，所述配气大孔的个数为奇数个或偶数个。
优选地，所述封头部件由梯形合金板材经配孔、对缝焊接形成。
优选地，所述圆弧底为普通圆弧底或半球底。
优选地，所述气压孔的孔形为矩形、椭圆形、弧形或半圆形与矩形的组合体等多种形状。
优选地，所述气压孔的数量为奇数或偶数个。
根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气轮机回流筒式燃烧室，包括同心布置的内筒和外筒，所述内筒的高度为所述外筒高度的1/2～2/3，所述内筒为本发明上述的内筒结构。
同现有技术相比，本发明的适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构在使用时，空气沿轴向方向由上而下进入所述内筒，沿途从各配气小孔、配气大孔和封头的气压孔流出。气流从配气小孔、配气大孔流出时，一部分气流在上一层塔筒单元裙部区域内侧与自身配气孔附近区域形成回旋涡流承压区(配气孔流出的气流冲击在上层塔筒单元裙部区域内侧，造成反弹和回流，进而在这一局部区域内形成回旋涡流)，一部分沿筒身向下流动并在惯性作用下与下一层塔筒单元裙部外侧形成惯性承压区。由于筒体外侧的高温热流体紧贴内筒外壁面向下流动，从而将两个承压区的冷空气压缩流动，形成冷却气膜。从而保证筒体的使用寿命。当气流流至封头处时，由于正下方是圆形封头，无法直接流出，气流逆向流动，流速降低，气压增高，并从气压孔流出。气流逆流时产生的压力，使筒体向下受力，从而提高的筒体整体的刚度，能有效抵抗住流体对筒体的激振，从而使筒体、热流体、燃烧更加稳定。同时，从气压孔流出的逆向气流与向下流动的燃烧热流体发生对冲，在该区域产生冲击参混和承压区，使得核心燃烧区气流混合均匀、破坏了热点高温区，降低NOx产生量，同时对该核心燃烧区的火焰有稳定作用。该内筒结构外部与热流体接触，并在外侧有效形成冷却气膜。既保障了工作寿命，又有效稳定了燃烧核心及扩展区的燃烧过程。该结构适用于1～7MW的燃机回流筒式燃烧室，且零件通用性好，利于实现各功率机型的标准化零件供应。整体共有两个零件，塔筒单元和封头。不同功率或尺寸的燃烧室，可通过不同数量的塔筒单元叠加焊接实现，并用封头结尾即可。
附图说明
图1为本发明的适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构示意图；
图2为本发明中塔筒单元的截面图；
图3为本发明中塔筒单元的一种配气结构示意图；
图4为本发明中塔筒单元的另一种结构示意图；
图5为本发明中封头部件的截面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明的适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构，内筒1同心布置在燃烧室的外筒2中，内筒1的轴向高度为外筒2轴向高度的1/2～2/3。内筒1包括一内筒主体和一布置在内筒主体底部的封头部件12，内筒主体包括从上到下依次同轴布置的多个塔筒单元11，塔筒单元11的数量范围为1～10，当内筒整体高度为塔筒单元11中径10倍以上时，理论上为该结构的许可使用边界。塔筒单元11和封头部件12均采用高温合金板材制备而成，相邻两上下布置的塔筒单元11之间使用焊接的方式密封固定连接，焊接方式为电阻焊或激光焊，塔筒单元11采用梯形板材经配孔、折弯、对缝焊接加工而成，封头部件12由梯形合金板材经配孔、对缝焊接形成。
如图2～5所示，每一塔筒单元11均包括位于其上部的第一锥形筒区111、位于其下部的第二锥形筒区113以及位于第一锥形筒区111与第二锥形筒区113之间的折弯区112，其中，第一锥形筒区111、第二锥形筒区113均为底部直径大于顶部直径的锥形筒，第二锥形筒区113的顶部直径小于第一锥形筒区111的底部直径，第二锥形筒区113的底部直径与第一锥形筒区111的顶部直径相当，折弯区112整体呈一顶部直径大于底部直径的锥形筒，第二锥形筒区113的轴向高度大于第一锥形筒区111的轴向高度，第一锥形筒区111的轴向高度大于折弯区112的轴向高度，第一锥形筒区111的顶部设有顶部焊接区，第二锥形筒区113的底部设有底部焊接区，顶部焊接区与底部焊接区的轴向高度相当，二者相互衔接实现邻两上下布置的塔筒单元11之间的焊接，顶部焊接区、底部焊接区的轴向高度约为塔筒单元11整体高度的1/5。
折弯区112与塔筒单元11顶部之间的距离为塔筒单元11高度的1/5～1/3。折弯区112上沿其圆周方向布置有至少一排配气小孔114，配气小孔114的直径为3～10mm，配气小孔114的中心线与塔筒单元11的中心线之间的夹角α为锐角，优选为15°～30°，配气小孔114用以配气辅助燃烧和在塔筒单元11的外表面上形成冷却气膜，内筒外壁面的气膜效果可通过改变配气小孔114的直径、角度以及塔筒单元11的裙部区域长度等综合调节。
第二锥形筒区113上沿其圆周方向布置有配气大孔115，配气大孔115的直径为5～20mm，配气大孔115有多排，相邻两排配气大孔115同列布置(如图3)或错开布置(如图4)。配气大孔115的直径大于配气小孔114的直径，配气大孔115用以配气辅助燃烧。
封头部件12密封连接在内筒主体的底部，封头部件12由梯形合金板材经配孔、对缝焊接形成。包括一圆筒段和一位于圆筒段底部的圆弧底，圆弧底为普通圆弧底或半球底，圆筒段上沿其圆周方向布置有多个条形气压孔116。气压孔116的孔形为矩形、椭圆形、弧形或半圆形与矩形的组合体等多种形状。气压孔116的数量为奇数或偶数个。
本发明的适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构中，封头部件12以及其上开设的气压孔116用以承受内部气流压强并使气流反向从气压孔116流出，承受气压可提高内筒的整体刚度，减少或避免与燃烧气流发生耦合振动；气流反向流出可与外部流体发生冲击混合，使核心燃烧区空气、燃料混合更加均匀，并使高温区产生二次湍流参混，破坏NOx生产核心区，降低其排放量。
发明的适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构在使用时，空气沿轴向方向由上而下进入内筒，沿途从各配气小孔114、配气大孔115和封头部件12的气压孔116流出。气流从配气小孔114、配气大孔115流出时，一部分气流在上一层塔筒单元11裙部区域内侧与自身配气孔附近区域形成回旋涡流承压区(配气孔流出的气流冲击在上层塔筒单元11裙部区域内侧，造成反弹和回流，进而在这一局部区域内形成回旋涡流)，一部分沿筒身向下流动并在惯性作用下与下一层塔筒单元11裙部外侧形成惯性承压区。由于筒体外侧的高温热流体紧贴内筒外壁面向下流动，从而将两个承压区的冷空气压缩流动，形成冷却气膜。从而保证筒体的使用寿命。当气流流至封头部件12处时，由于正下方是圆形封头，无法直接流出，气流逆向流动，流速降低，气压增高，并从气压孔116流出。气流逆流时产生的压力，使筒体向下受力，从而提高的筒体整体的刚度，能有效抵抗住流体对筒体的激振，从而使筒体、热流体、燃烧更加稳定。同时，从气压孔116流出的逆向气流与向下流动的燃烧热流体发生对冲，在该区域产生冲击参混和承压区，使得核心燃烧区气流混合均匀、破坏了热点高温区，降低NOx产生量，同时对该核心燃烧区的火焰有稳定作用。该内筒结构外部与热流体接触，并在外侧有效形成冷却气膜。既保障了工作寿命，又有效稳定了燃烧核心及扩展区的燃烧过程。该结构适用于1～7MW的燃机回流筒式燃烧室，且零件通用性好，利于实现各功率机型的标准化零件供应。整体共有两个零件，塔筒单元11和封头部件12。不同功率或尺寸的燃烧室，可通过不同数量的塔筒单元11叠加焊接实现，并用封头部件12结尾即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于燃气轮机回流筒式燃烧室的内筒结构，所述内筒同心布置在燃烧室的外筒中，包括一内筒主体和一布置在所述内筒主体末端的封头部件，其特征在于，
所述内筒主体包括从上到下依次同轴布置的多个塔筒单元，相邻两上下布置的所述塔筒单元之间密封连接，
每一所述塔筒单元均包括位于其上部的第一锥形筒区、位于其下部的第二锥形筒区以及位于所述第一锥形筒区与第二锥形筒区之间的折弯区，
所述第一锥形筒区、第二锥形筒区均为底部直径大于顶部直径的锥形筒，
所述第二锥形筒区的顶部直径小于所述第一锥形筒区的底部直径，
所述第二锥形筒区的底部直径与所述第一锥形筒区的顶部直径相当，
所述折弯区整体呈一顶部直径大于底部直径的锥形筒，
所述第二锥形筒区的轴向高度大于所述第一锥形筒区的轴向高度，
所述第一锥形筒区的轴向高度大于所述折弯区的轴向高度，
所述折弯区上沿其圆周方向布置有至少一排配气小孔，所述配气小孔的中心线与所述塔筒单元的中心线之间的夹角α为锐角，所述配气小孔用以配气辅助燃烧和在所述塔筒单元的外表面上形成冷却气膜，
所述第二锥形筒区上沿其圆周方向布置有至少一排配气大孔，所述配气大孔的直径大于所述配气小孔的直径，所述配气大孔用以配气辅助燃烧，
所述封头部件密封连接在所述内筒主体的底部，包括一圆筒段和一位于底部的圆弧底，所述圆筒段上沿其圆周方向布置有多个条形气压孔，
所述内筒结构在使用时，空气沿轴向方向由上而下进入内筒，沿途从各配气小孔、配气大孔和封头部件上的气压孔流出；
所述内筒的轴向高度为所述外筒轴向高度的1/2～2/3，所述配气小孔的中心线与所述塔筒单元的中心线之间夹角α在15°~30°之间，所述配气小孔的直径为3～10mm；
所述封头部件由梯形合金板材经配孔、对缝焊接形成。
2.根据权利要求1所述的内筒结构，其特征在于，所述塔筒单元和封头部件均采用高温合金板材制备而成，所述塔筒单元采用梯形板材经配孔、折弯、对缝焊接加工而成。
3.根据权利要求1所述的内筒结构，其特征在于，相邻两上下布置的所述塔筒单元使用焊接的方式密封固定连接，焊接方式为电阻焊或激光焊。
4.根据权利要求3所述的内筒结构，其特征在于，所述第一锥形筒区的顶部设有顶部焊接区，所述第二锥形筒区的底部设有底部焊接区，所述顶部焊接区与底部焊接区的轴向高度相当，二者相互衔接实现邻两上下布置的所述塔筒单元之间的焊接。
5.根据权利要求4所述的内筒结构，其特征在于，所述顶部焊接区、底部焊接区的轴向高度约为所述塔筒单元整体高度的1/5。
6.根据权利要求5所述的内筒结构，其特征在于，所述折弯区与塔筒单元顶部之间的距离为所述塔筒单元高度的1/5～1/3。
7.根据权利要求1所述的内筒结构，其特征在于，所述第二锥形筒区上沿其圆周方向布置有多排所述配气大孔，相邻两排配气大孔同列布置或错开布置，所述配气大孔的直径为5～20mm，所述配气大孔的个数为奇数个或偶数个。
8.根据权利要求1所述的内筒结构，其特征在于，所述圆弧底为普通圆弧底或半球底。
9.根据权利要求1所述的内筒结构，其特征在于，所述气压孔的孔形为矩形、椭圆形、弧形或半圆形与矩形的组合体。
10.根据权利要求1所述的内筒结构，其特征在于，所述气压孔的数量为奇数或偶数个。
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