CN110440287A - 一种流量调节套筒 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机设计技术领域，涉及一种流量调节套筒，包括套筒主体与波纹盘，套筒主体的前端开口，用于容纳燃气轮机的一级喷嘴及喷嘴周向的轴向旋流器，套筒主体用于将空气与燃油混合后输送至环形区空气通道，并由所述环形区空气通道输送至燃烧室；波纹盘呈环形，具有径向方向的波纹结构，波纹盘的外环固定在套筒主体靠近轴向旋流器的内壁上，并被设置成随温度升高而进行进行膨胀，从而具有收缩状态及伸展状态，在伸展状态，对所述轴向旋流器产生遮挡，减小进气面积，在收缩状态，失去对轴向旋流器出口的遮挡作用，增大进气面积。本申请可以使燃烧室在主模式下降低头部空气分数，增加燃烧区油气比，防止在较低工况下出现贫燃熄火现象。

Description

一种流量调节套筒

技术领域

本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种流量调节套筒。

背景技术

典型地，燃气涡轮机燃烧器具有主燃料喷嘴和辅助燃料喷嘴。此类燃烧器具有四种运行模式，即主模式、贫燃-贫燃模式(lean-lean)、辅助模式和预混模式。主模式用于仅将燃料输送至主喷嘴时燃烧器的点火。在贫燃-贫燃模式，辅助喷嘴也被点燃，且燃料被输送至主喷嘴和辅助喷嘴。在辅助模式，燃料仅被输送至辅助喷嘴，而在主喷嘴处熄灭火焰,在预混模式，燃料被输送至主喷嘴和辅助喷嘴，但是火焰仅存在于辅助喷嘴区域，且预混的燃料气体混合物被优化以获得包括降低的一氧化氮排放在内的理想性能。

现有技术为了寻求降低燃烧器的一氧化氮排放，燃烧器常工作在贫燃条件下。然而，在贫燃条件下工作有贫燃熄火的危险。当工作在贫燃条件下并发生变化如气流扰动时，就会产生贫燃熄火。熄火导致燃烧室转回贫燃-贫燃模式或甚至停机，并相应导致重转换至预混模式或要求重新点火。

现有的技术方案为了避免贫燃熄火，许多燃烧器运行在较为富燃的条件下，但是这些条件导致更高的火焰温度和更大的一氧化氮排放。

因此，主模式与预混模式下，需要采用不同油气比的气态混合气体，以使得在主模式下头部油气比不至于过低，有利于火焰稳定，在预混模式下增大燃烧室头部空气分数，使燃烧室内部实现贫燃预混燃烧，降低污染物排放。

发明内容

为解决上述问题之一，本申请提出了一种流量调节套筒，包括：

套筒主体，所述套筒主体的前端开口，用于容纳燃气轮机的一级喷嘴，所述一级喷嘴包括燃油出口及设置在所述燃油出口外环的轴向旋流器，轴向旋流器用于向套筒主体内输送空气，所述套筒主体的后端连通环形区空气通道，所述套筒主体用于将空气与燃油混合后输送至所述环形区空气通道，并由所述环形区空气通道输送至燃烧室；

波纹盘，呈环形，并自波纹盘的外环至内环的径向方向形成波纹结构，所述波纹盘的外环固定在所述套筒主体靠近所述轴向旋流器的内壁上，所述波纹盘被设置成随温度升高而进行进行膨胀，从而具有收缩状态及伸展状态，在所述伸展状态，对所述轴向旋流器产生遮挡，用于减小进气面积，在所述收缩状态，失去对轴向旋流器出口的遮挡作用，用于增大进气面积。

优选的是，所述流量调节套筒包括多个，每个流量调节套筒的套筒主体前端连接一个一级喷嘴，多个流量调节套筒以环形区空气通道的中心轴线为中心，周向布置在所述环形区空气通道之前。

优选的是，所述环形区空气通道位于燃气轮机燃烧室的内衬套及外衬套之间，环形区空气通道前端设置有连接内衬套及外衬套的环形端板，端板上沿周向设置有多个连通环形区空气通道入口端与各套筒主体出口端的通道，所述套筒主体固定在所述端板上。

优选的是，内衬套与外衬套均以焊接方式固定在端板上。

优选的是，所述套筒主体包括冲击套筒及预混套筒，所述冲击套筒为外套筒，所述预混套筒为内套筒，冲击套筒与预混套筒同轴设计，且在两者之间设置有冷却空气通道，冲击套筒上设置有连通所述冷却空气通道的多个冲击冷却孔。

优选的是，所述冲击冷却孔沿套筒主体轴向设置有不低于3排，每排沿套筒主体周向设置有多个。

优选的是，所述冲击套筒的前端具有冲击套筒安装边，预混套筒的前端具有预混套筒安装边，预混套筒安装边与冲击套筒安装边焊接固定。

优选的是，所述冷却空气通道沿套筒主体径向的高度不大于冲击冷却孔孔径的两倍。

优选的是，所述波纹盘的径向波纹结构至少包含两个波长周期。

优选的是，所述波纹盘上具有贯穿环形面的切向孔，所述切向孔用于对经过轴向旋流器的气体进行二次旋流。

本申请利用波纹盘的随温度变为而伸缩的功能，降低主模式下燃烧室的头部空气分数，从而使头部油气比不至于过低，有利于火焰稳定；同时预混模式下增大燃烧室头部空气分数，使燃烧室内部实现贫燃预混燃烧，降低污染物排放。

附图说明

图1是本申请应用于燃气轮机燃烧室的简化视图。

图2是本申请流量调节套筒的截面示意图。

图3是本申请流量调节套筒的波纹盘的结构示意图。

图4是本申请流量调节套筒的波纹盘开孔示意图。

其中，65-燃烧室，66-环形区，67-外衬套，68-内衬套，69-端板，70-套筒主体，71-一级喷嘴，72-环形区空气通道，73-轴向旋流器，74-冲击套筒，75-冲击冷却孔，76-冲击套筒安装边，77-预混套筒，78-预混套筒安装边，79-冷却空气通道，80-预混空气通道，81-波纹盘，82-波长周期，83-切向孔。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请属于航空发动机设计技术领域，涉及干低排放燃烧室设计技术，具体涉及一种流量调节套筒，以解决当前出现的燃烧室贫燃熄火的问题。本申请涉及的流量调节套筒，可以使燃烧室在主模式下降低头部空气分数，增加燃烧区油气比，防止在较低工况下出现贫燃熄火现象；在预混模式下，增加头部空气分数，降低燃烧区油气比，使燃烧室在预混模式下能够实现贫燃预混燃烧，降低污染物排放。

本申请涉及的流量调节套筒，包括：

套筒主体70，所述套筒主体70的前端开口，用于容纳燃气轮机的一级喷嘴71，所述一级喷嘴71包括燃油出口及设置在所述燃油出口外环的轴向旋流器73，轴向旋流器73用于向套筒主体内输送空气，所述套筒主体的后端连通环形区空气通道72，所述套筒主体70用于将空气与燃油混合后输送至所述环形区空气通道72，并由所述环形区空气通道72输送至燃烧室；

波纹盘81，呈环形，并自波纹盘的外环至内环的径向方向形成波纹结构，所述波纹盘81的外环固定在所述套筒主体靠近所述轴向旋流器73的内壁上，所述波纹盘81被设置成随温度升高而进行进行膨胀，从而具有收缩状态及伸展状态，在所述伸展状态，对所述轴向旋流器73产生遮挡，用于减小进气面积，在所述收缩状态，失去对轴向旋流器73的遮挡作用，用于增大进气面积。

本申请的流量调节套筒应用于燃气轮机燃烧室的环形区之前，燃料喷嘴之后，具体参考图1，本申请实施例的燃气轮机燃烧室65的环形区66由外衬套67、内衬套68、端板69、流量调节套筒与一级喷嘴71组成，外衬套67呈环状向后延伸；内衬套68与外衬套67同轴放置，并在之间形成环形区空气通道72，用于空气流动；端板69位于环形区空气通道72上游，内衬套68与外衬套67均以焊接方式固定在端板69上；流量调节套筒70以外衬套67中心轴线为轴周向均匀分布在端板69上，并与端板69之间以焊接方式固定；一级喷嘴71插入流量调节套筒的套筒主体70当中，一级喷嘴71头部焊接有轴向旋流器73。

参考图2，在图1中的流量调节套筒的套筒主体70中，包含冲击套筒74，呈环状，周向均匀分布排数不小于3排的冲击冷却孔75，典型地，冲击冷却孔75孔径为2mm，冲击套筒74具有冲击套筒安装边76，用于与其他部件固定；预混套筒77，具有预混套筒安装边78，通过将预混套筒安装边78与冲击套筒安装边76焊接，将预混套筒77同轴固定在冲击套筒74内侧，并在两者之间形成冷却空气通道79，冷却空气通道79高度不大于冲击冷却孔75孔径的两倍，预混套筒77内部形成预混空气通道80，用于燃料与空气的预先混合；波纹盘81，整体呈环状，焊接在预混套筒77内侧，一级喷嘴71的轴向旋流器73的下游，且由高膨胀合金制成，可随温度升高径向膨胀；在主模式下，环形区空气通道72内充满高温高压燃烧气体，由于热辐射作用，波纹盘81壁温升高，整体径向膨胀，对轴向旋流器73产生遮挡，减小头部进气面积，增大环形区66油气比，降低燃烧室65贫油熄火的风险；在预混模式下，环形区空气通道72主要用于燃料与空气的预先混合，温度较低，因此波纹盘81壁温降低，整体径向收缩，失去对轴向旋流器73的遮挡作用，能够增大头部的进气分数，降低燃烧室65头部的油气比，使其可以完成贫油预混燃烧，降低污染物排放。

参考图3所示，波纹盘81整体呈环状，且截面由多个波长周期82组成，所述波长周期值径向的波浪起伏，例如形成截面为sin函数在0-2π之间的形状，典型的，为实现较好的热膨胀效果，波长周期82个数不能小于两个。

参考图4所示，波纹盘81上具有切向孔83，空气流经切向孔83之后，可以产生旋流，与一级喷嘴71的旋流器组成双级旋流器，强化旋流效果，增加主模式下环形区66火焰的稳定性和预混模式下燃料与空气的掺混均匀度。

本申请所涉及的流量调节套筒，可以使燃烧室在主模式下降低头部空气分数，增加燃烧区油气比，防止在较低工况下出现贫燃熄火现象；在预混模式下，增加头部空气分数，降低燃烧区油气比，使燃烧室在预混模式下能够实现贫燃预混燃烧，降低污染物排放。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种流量调节套筒，其特征在于，包括：

套筒主体(70)，所述套筒主体(70)的前端开口，用于容纳燃气轮机的一级喷嘴(71)，所述一级喷嘴(71)包括燃油出口及设置在所述燃油出口外环的轴向旋流器(73)，轴向旋流器(73)用于向套筒主体内输送空气，所述套筒主体的后端连通环形区空气通道(72)，所述套筒主体(70)用于将空气与燃油混合后输送至所述环形区空气通道(72)，并由所述环形区空气通道(72)输送至燃烧室；

波纹盘(81)，呈环形，并自波纹盘的外环至内环的径向方向形成波纹结构，所述波纹盘(81)的外环固定在所述套筒主体靠近所述轴向旋流器(73)的内壁上，所述波纹盘(81)被设置成随温度升高而进行进行膨胀，从而具有收缩状态及伸展状态，在所述伸展状态，对所述轴向旋流器(73)产生遮挡，用于减小进气面积，在所述收缩状态，失去对轴向旋流器(73)出口的遮挡作用，用于增大进气面积。

2.如权利要求1所述的流量调节套筒，其特征在于，所述流量调节套筒包括多个，每个流量调节套筒的套筒主体(70)前端连接一个一级喷嘴(71)，多个流量调节套筒以环形区空气通道(72)的中心轴线为中心，周向布置在所述环形区空气通道(72)之前。

3.如权利要求2所述的流量调节套筒，其特征在于，所述环形区空气通道(72)位于燃气轮机燃烧室(65)的内衬套(68)及外衬套(67)之间，环形区空气通道(72)前端设置有连接内衬套(68)及外衬套(67)的环形端板(69)，端板(69)上沿周向设置有多个连通环形区空气通道(72)入口端与各套筒主体(70)出口端的通道，所述套筒主体(70)固定在所述端板(69)上。

4.如权利要求3所述的流量调节套筒，其特征在于，内衬套(68)与外衬套(67)均以焊接方式固定在端板(69)上。

5.如权利要求1所述的流量调节套筒，其特征在于，所述套筒主体(70)包括冲击套筒(74)及预混套筒(77)，所述冲击套筒(74)为外套筒，所述预混套筒(77)为内套筒，冲击套筒(74)与预混套筒(77)同轴设计，且在两者之间设置有冷却空气通道(79)，冲击套筒(74)上设置有连通所述冷却空气通道(79)的多个冲击冷却孔(75)。

6.如权利要求5所述的流量调节套筒，其特征在于，所述冲击冷却孔(75)沿套筒主体(70)轴向设置有不低于3排，每排沿套筒主体(70)周向设置有多个。

7.如权利要求5所述的流量调节套筒，其特征在于，所述冲击套筒(74)的前端具有冲击套筒安装边(76)，预混套筒(77)的前端具有预混套筒安装边(78)，预混套筒安装边(78)与冲击套筒安装边(76)焊接固定。

8.如权利要求5所述的流量调节套筒，其特征在于，所述冷却空气通道(79)沿套筒主体(70)径向的高度不大于冲击冷却孔(75)孔径的两倍。

9.如权利要求1所述的流量调节套筒，其特征在于，所述波纹盘(81)的径向波纹结构至少包含两个波长周期(82)。

10.如权利要求1所述的流量调节套筒，其特征在于，所述波纹盘(81)上具有贯穿环形面的切向孔(83)，所述切向孔(83)用于对经过轴向旋流器(73)的气体进行二次旋流。