CN112146127A - 用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，属于燃气轮机燃烧领域；本发明通过在燃烧室火焰筒内外环壁面上分别设置了异型掺混孔；异型掺混孔将火焰筒壁面分为火焰筒前段和火焰筒后段；所述的异型掺混孔沿火焰筒壁面圆周方向均匀分布，以形成周向均匀分布的掺混射流，增大掺混气流穿透深度，增大掺混冷气与高温主流燃气的接触面积，提高掺混效果，改善燃烧室出口温度分布品质；通过改变掺混孔的射流穿透深度、射流周向扩展角度和射流方向，达到调节燃烧室出口温度分布的效果；通过调节燃烧室出口温度分布，改善涡轮进口温度品质，从而提高涡轮使用寿命、降低对涡轮防热的设计难度。

Description

用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧领域，涉及一种用于调节燃烧室出口温度分布的异性掺混孔，具体是一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔结构。

背景技术

燃气轮机燃烧室是燃气轮机的核心部件之一。目前燃烧室的发展趋势有：一是为了减少污染排放，燃烧室朝低污染方向发展；二是为了提高燃气轮机推重比，燃烧室朝着高温升高压比方向发展。燃烧室的高温升/低污染排放要求使得燃烧室头部进气量需求大大增加，所以将旋流器流通面积增大并逐步取消主燃孔，头部旋流器进气占比高达80％，取消了主燃孔，掺混孔进气和火焰筒壁面冷却气约20％，由于掺混气量严重不足，导致掺混效果较差，涡轮前进口温度分布不理想。由于材料的耐热性和抗疲劳性的限制，如果燃烧室出口温度分布品质较差，出现局部热点/高温热斑，直接导致涡轮导向器烧蚀，而且，该烧蚀现象一般是规律性、重复性的集中出现在某一半径处。这种烧蚀现象主要是燃烧室出口温度分布导致的，而目前燃烧室的出口温度主要是通过调节火焰筒上掺混孔射流的掺混决定。高温升/低排放燃烧室中，掺混气流量分配有限，采用常规的圆孔射流穿透深度不够，掺混不够充分，导致燃烧室出口温度分布不合理，将导致在涡轮某一个半径上反复持续出现较高温度，导致涡轮导向器/动叶被烧蚀。

发明内容

本发明针对上述的缺陷，提出了一类燃烧室异型掺混孔结构，在有限的掺混气量条件下，通过异型掺混孔结构来实现改变掺混孔的射流穿透深度、射流周向扩展角度和射流倾斜角度，达到调节燃烧室出口温度分布的效果。通过调节燃烧室出口温度分布参数，改善涡轮进口温度品质，从而提高涡轮使用寿命、降低对涡轮防热的设计难度。

本发明为解决上述基础问题的技术方案是这样的：

一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，包括扩压器以及其后端设置的燃烧室机匣，所述的燃烧室机匣内部设置有火焰筒，所述的火焰筒沿着空气来流的方向依次包括帽罩、旋流器，所述的旋流器后端依次为火焰筒前段、火焰筒后段；所述的火焰筒前段、火焰筒后段之间沿着沿火焰筒壁面圆周方向均匀设置若干异型掺混孔，将设置在火焰筒外环壁面上的异型掺混孔设定为火焰筒外环壁上异型掺混孔；将设置在火焰筒内环壁面上的异型掺混孔设定为火焰筒内环壁上异型掺混孔。异型掺混孔沿火焰筒壁面圆周方向均匀分布，以形成周向均匀分布的掺混射流，增大掺混气流穿透深度，增大掺混冷气与高温主流燃气的接触面积，提高掺混效果，改善燃烧室出口温度分布品质。

进一步，所述的异型掺混孔的结构类型包括月牙形孔、矩形孔、翼形孔、花瓣形孔等以及其他不同于常规圆形掺混孔结构的异型孔结构；或者在设计极限情况下，掺混孔在火焰筒周向方向上相连通，构成全缝形掺混孔；所述的火焰筒外环壁上异型掺混孔以及火焰筒内环壁上异型掺混孔的结构相同或不同。

进一步，所述的异型掺混孔与火焰筒壁面的内、外表面相连接的两个弧面分别定义为掺混孔内壁面和掺混孔外壁面，掺混气经由内外涵道经异型掺混孔流入时依次穿过掺混孔外壁面和掺混孔内壁面；所述内、外壁面的形状相同或者不同，根据燃烧室的实际需求来确定异型掺混孔的设计。所述的形状包括月牙形矩形、翼形、花瓣形以及其他非规则圆形形状。

进一步，将掺混孔外壁面沿火焰筒圆周方向的两端点之间最短弧线的长度定义为异型孔结构的长径L，将掺混孔外壁面沿燃烧室中轴线方向的两个端点之间的最短直线距离定义为异型孔的短径W，该异型孔结构的长径L均大于短径异型孔的短径W，即长短径比大于1。该结构适用于高温升/低排放燃烧室中。所述异型孔的长径均大于短径，在燃烧室的流量分配一定，掺混孔的流通总面积一定时，通过改变异型孔的长短径比，改变掺混孔射流在燃烧室周向上扩展角度，长径大的异型掺混孔形成的掺混射流在周向上覆盖面积大，周向的掺混孔相互配合，射流面互相交叉，使得掺混冷气在周向方向上分布更加均匀，掺混效果更好，消除局部高温区。

通过长短径比大于1的异型孔所形成的射流在燃烧室周向上的具有较大的张角，掺混射流周向分布更均匀。所述的异型射流孔射流深度可通过控制短径长度来调节。对于结构对称的燃烧室，其内外环壁面上的异型掺混孔的长短径比可以不同，形成的内外环壁面上射流穿透深度亦可不同。异型孔的长短径比和内、外环壁面上异型孔的配合方案，根据燃烧室的实际需求来确定。

进一步，将异型掺混孔与火焰筒纵向截面定义为异型掺混孔内流道面，该为异型掺混孔内流道面为光滑表面，内流道中心轴线与燃烧室中轴线成角度α，角度范围为35°～90°。异型倾斜掺混孔，通过改变孔的倾斜角度，可以改变射流的流动方向，增加掺混气与高温燃气的接触时间，提升掺混效果，调节燃烧室出口温度分布，改善燃烧室出口温度品质，降低或者改善涡轮导向器某位置被持续性高温烧蚀的现象，解决传统燃烧室的最高温度集中持续性对涡轮导向器的烧蚀问题，大大降低了涡轮导向器的“防热”设计难度。通过调整内流道中心轴线与燃烧室中轴线所夹的角度α，改变掺混射流的流向，射流的方向可以垂直于火焰筒壁面射入主流区，也可以向上游倾斜射入主流区。对于燃烧室内、外环壁面掺混孔的布置，根据燃烧室设计需求，单独使用或者配合使用竖直异型掺混孔(角度等于90°)和倾斜异型掺混孔(角度35°～90°)，可以形成交叉式掺混射流，促进冷热气的掺混过程，提升掺混效果。

进一步，根据异型掺混孔内流道面的结构形状和倾斜角度，所述的异型掺混孔在与火焰筒纵向截面的类型包括竖直孔、倾斜孔、扩张孔；所述的异型掺混孔的类型同时选择相同的孔类型或者选择不同的孔类型。

本发明的扩张异型掺混孔，射流从掺混孔中喷射出，在火焰筒半径平面上形成具有一定扩张角的扇形射流面，增大射流扩张角，扩大射流的空间覆盖面积，使得掺混射流分布更均匀，强化空间上的掺混效果，改善燃烧室出口温度分布情况。不同类型的异型掺混孔可以搭配使用，火焰筒内、外环壁面上掺混孔的个数，形状、大小都可以不同，位置也可以交错布置，有助于形成交叉射流，促进掺混冷气和高温燃气之间的混合过程，提升掺混效果，从而调节燃烧室出口温度分布。

进一步，所述的火焰筒壁面上还设置有若干的气膜冷却孔。

本发明的具体工作过程：

燃油由头部喷嘴进入燃烧室，与头部旋流器的进气相互作用，发生雾化并充分混合，在点火源点火后开始燃烧，放出大量的热量，形成高温燃气。高温燃气沿火焰筒轴向向下游流动，掺混气经过异型掺混孔进入火焰筒中，形成射流，射入高温燃气区域，掺混射流沿火焰筒周向的张角变大，掺混射流之间相互配合，与高温混气均匀掺混，使得高温混气的温度降低，高温区不至于延伸到燃烧室出口，同时有助于改善燃烧室出口的温度分布特性。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1)本次发明的用于调节燃气轮机燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，通过改变掺混孔的横截面形状、孔内流面形状以及孔的倾斜角度，来改变掺混射流的穿透深度，周向扩展角度和射流的方向，从而改善燃烧室出口温度分布；

2)相比于常规圆形掺混孔，在相同掺混气量条件下，由于异型掺混孔流通面积减少，掺混气流速度增大，导致穿透深度增加，掺混效果变好，从而达到改善燃烧室出口温度分布品质效果，提升涡轮的使用寿命；

3)相比于常规圆形掺混孔，异型掺混孔选择长短径比大于1的异形横截面形状，使得掺混射流在沿火焰筒周向方向上的扩展角度增加，掺混射流在半径空间上的分布范围增大，有利于周向方向冷热气的掺混，掺混效果更好，从而达到改善燃烧室出口温度分布品质效果，提升涡轮的使用寿命；

4)相比于常规圆形掺混孔，由于异型孔掺混射流沿火焰筒周向方向上的张角增加，从而可以减少掺混孔的数量；当掺混孔流量分配一定时，单个掺混孔的进气量增加，穿透深度也有所增加，从而增大了冷热气的接触面积，强化了掺混效果，实现改善燃烧室出口温度分布品质的目的。

5)相比于常规圆形掺混孔，通过倾斜异型掺混孔改变掺混射流的方向，可改变掺混孔射流方向，增加冷热混气接触的时间，达到调节燃烧室出口温度分布品质的目的，降低涡轮受损的可能性。

6)相比于常规圆形掺混孔，通过扩张异型掺混孔，使掺混射流形成具有一定扩张角的扇形面，增大了冷热混气的接触面积，提高了掺混效率，从而达到改善燃烧室出口温度分布的目的。

7)相比于常规圆形掺混孔，不同类型的异型掺混孔配合使用，形成交叉射流，促进冷热气之间的相互掺混作用，提高掺混效果，从而改善燃烧室出口的温度分布。

附图说明

图1为本发明调节出口温度分布的异型掺混孔结构的燃烧室；

图2为本发明调节出口温度分布的异型掺混孔的典型类型示意图；

图3为本发明调节出口温度分布的异型掺混孔的典型内流面类型示意图；

图4为本发明调节出口温度分布的异型掺混孔的长短径比示意图；

图5为本发明调节出口温度分布的异型掺混孔的倾斜角示意图；

其中，1-扩压器；2-燃烧室机匣；3-帽罩；4-旋流器；5-火焰筒前段；6-气膜冷却孔；7-火焰筒外环壁上异型掺混孔；8-火焰筒后段，9-火焰筒内环壁上异型掺混孔。

具体实施方式

为使本发明的目的及效果更加清楚明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体工作过程仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是带有本发明调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔的燃烧室结构示意图，该燃烧室结构包括扩压器1、燃烧室机匣2、帽罩3、以及燃烧室内部的火焰筒结构，火焰筒头部安装有多级旋流器，设置有头部冷却孔，火焰筒壁面上分布壁面气膜冷却孔6和异型掺混孔，异型掺混孔沿火焰筒壁面周向方向上均匀分布。本发明中将设置在火焰筒外环壁面上的异型掺混孔设定为火焰筒外环壁上异型掺混孔7；将设置在火焰筒内环壁面上的异型掺混孔设定为火焰筒内环壁上异型掺混孔9。

本发明采用异型掺混孔来替代常规的圆形掺混孔，本发明涉及的典型异型掺混孔示意图如图2所示，异型掺混孔的类型包括但不仅限于月牙形孔、矩形孔、翼形孔、花瓣形孔等。

如图3所示，异型掺混孔内流道面C为光滑表面，根据内流面的结构形状和倾斜角度，异型掺混孔有竖直孔121、倾斜孔122、扩张孔123等类型。根据燃烧室的设计需求，火焰筒内外环壁面掺混孔可以同时选择相同的孔类型，也可以选择不同的孔类型。不同类型的掺混孔可以配合使用，形成交叉射流，提升掺混效果。

如图5所示，异型掺混孔内流道面C为光滑表面，内流道中心轴线与燃烧室中轴线成一定角度α，角度范围为35°～90°；通过调整内流道中心轴线与燃烧室中轴线所夹的角度α，改变掺混射流的流向，射流的方向可以垂直于火焰筒壁面射入主流区，也可以向上游倾斜射入主流区。对于燃烧室内、外环壁面掺混孔的布置，根据燃烧室设计需求，单独使用或者配合使用竖直异型掺混孔(角度等于90°)和倾斜异型掺混孔(角度35°～90°)，可以形成交叉式掺混射流，促进冷热气的掺混过程，提升掺混效果。

如图4所示，将异型孔结构的长径L定义为掺混孔外壁面A沿火焰筒圆周方向的两端点之间最短弧线的长度，异型孔的短径W定义为掺混孔外壁面A沿燃烧室中轴线方向的两个端点之间的最短直线距离；所述异型孔的长径均大于短径，通过长短径比大于1的异型孔所形成的射流在燃烧室周向上的具有较大的张角，掺混射流周向分布更均匀。所述的异型射流孔射流深度可通过控制短径长度来调节。对于结构对称的燃烧室，其内外环壁面上的异型掺混孔的长短径比可以不同，形成的内外环壁面上射流穿透深度亦可不同。异型孔的长短径比和内、外环壁面上异型孔的配合方案，根据燃烧室的实际需求来确定。

本发明调节出口温度分布的目标分别从两个角度来实现，一是通过改变掺混孔的截面形状，替换传统的圆形结构，增加掺混射流的周向覆盖面积，冷热气接触面积增大，射流在圆周方向上覆盖面积增加，从而减少周向上掺混孔的数量，在流量分配一定时，单个掺混孔的穿透气量有所增加，进而加深掺混射流的穿透深度，从而实现调节温度分布的目的。二是采用倾斜异型孔，增大射流穿透深度的同时，改变掺混射流的方向，增加冷热气掺混的时间，促进掺混效果，从而达到当前条件下所需的温度分布。并且，竖直异型掺混孔和倾斜异型掺混孔可以根据设计需求单独使用或配合使用。通过建立不同工况条件下异型掺混孔冷却效果的模型，根据不同的设计需求，选择合适的孔型配合使用。

本发明的工作过程如下：

压缩空气经压气机出口流入扩压器1，再经由帽罩3分流分别进入燃烧室的内、外涵道和头部帽罩3，帽罩内空气经过旋流器4和头部冷却孔进入火焰筒内，与燃油混合并发生雾化、燃烧，释放大量的热，形成一股高温燃气向下游流动，内/外涵道的空气通过火焰筒外环壁上异型掺混孔7以及火焰筒内环壁上异型掺混孔9和壁面冷却孔进入火焰筒内，流经异型掺混孔形成的掺混射流，在周向和流向方向上与高温燃气进行掺混，掺混射流在周向上分布均匀，掺混效果良好，冷却高温燃气，达到调节燃烧室出口温度分布的效果，从而提高涡轮的使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，包括扩压器(1)以及其后端设置的燃烧室机匣(2)，其特征在于，所述的燃烧室机匣(2)内部设置有火焰筒，所述的火焰筒沿着空气来流的方向依次包括帽罩(3)、旋流器(4)，所述的旋流器(4)后端依次为火焰筒前段(5)、火焰筒后段(8)；所述的火焰筒前段(5)、火焰筒后段(8)之间沿着沿火焰筒壁面圆周方向均匀设置若干异型掺混孔，将设置在火焰筒外环壁面上的异型掺混孔设定为火焰筒外环壁上异型掺混孔(7)；将设置在火焰筒内环壁面上的异型掺混孔设定为火焰筒内环壁上异型掺混孔(9)。

2.根据权利要求1所述的一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，其特征在于，所述的异型掺混孔的结构类型包括月牙形孔(001)、矩形孔(002)、翼形孔(003)、花瓣形孔(004)等以及其他不同于常规圆形掺混孔结构的异型孔结构；或者在设计极限情况下，掺混孔在火焰筒周向方向上相连通，构成全缝形掺混孔(005)；所述的火焰筒外环壁上异型掺混孔(7)以及火焰筒内环壁上异型掺混孔(9)的结构相同或不同。

3.根据权利要求1所述的一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，其特征在于，所述的异型掺混孔与火焰筒壁面的内、外表面相连接的两个弧面分别定义为掺混孔内壁面(B)和掺混孔外壁面(A)，掺混气经由内外涵道经异型掺混孔流入时依次穿过掺混孔外壁面(A)和掺混孔内壁面(B)；所述内、外壁面的形状相同或者不同，所述的形状包括月牙形矩形、翼形、花瓣形以及其他非规则圆形形状。

4.根据权利要求3所述的一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，其特征在于，将掺混孔外壁面(A)沿火焰筒圆周方向的两端点之间最短弧线的长度定义为异型孔结构的长径L，将掺混孔外壁面(A)沿燃烧室中轴线方向的两个端点之间的最短直线距离定义为异型孔的短径W，该异型孔结构的长径L均大于短径异型孔的短径W，即长短径比大于1。

5.根据权利要求1所述的一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，其特征在于，将异型掺混孔与火焰筒纵向截面定义为异型掺混孔内流道面(C)，该为异型掺混孔内流道面(C)为光滑表面，内流道中心轴线与燃烧室中轴线成角度α，角度范围为35°～90°；通过调整内流道中心轴线与燃烧室中轴线所夹的角度α，改变掺混射流的流向，射流的方向可以垂直于火焰筒壁面射入主流区，也可以向上游倾斜射入主流区；对于燃烧室内、外环壁面掺混孔的布置，根据燃烧室设计需求，单独使用或者配合使用竖直异型掺混孔，即角度等于90°和倾斜异型掺混孔，即角度35°～90°之间，可以形成交叉式掺混射流，促进冷热气的掺混过程，提升掺混效果。

6.根据权利要求5所述的一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，其特征在于，根据异型掺混孔内流道面(C)的结构形状和倾斜角度，所述的异型掺混孔在与火焰筒纵向截面的类型包括竖直孔(121)、倾斜孔(122)、扩张孔(123)；所述的异型掺混孔的类型同时选择相同的孔类型或者选择不同的孔类型。

7.根据权利要求1所述的一种用于调节燃烧室出口温度分布的异型掺混孔，其特征在于，所述的火焰筒壁面上还设置有若干的气膜冷却孔(6)。

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