CN114263933A - 一种燃气轮机的组合式多通道扩压器及其扩压进气结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机的组合式多通道扩压器及其扩压进气结构，用于对进入燃气轮机燃烧室机匣的空气进行扩压减速，包括前置扩压通道和突扩扩压通道；所述燃烧室机匣的环内侧设置有空气进口，该燃烧室机匣内安装有火焰筒；所述前置扩压通道包括多个分流通道并设置于空气进口处，以对空气进口进入的空气进行分流扩压；所述突扩扩压通道设置于燃烧室机匣内并能够将空气引流至火焰筒的环内侧和环外侧；所述突扩扩压通道与前置扩压通道连通并对前置扩压通道送出的空气再次扩压。通过组合式的扩压结构，提高空气短距离范围内扩压减速的效果，保证压气机出口引入的高速气流能够均匀稳定地进入燃烧室中进行燃烧。

Description

一种燃气轮机的组合式多通道扩压器及其扩压进气结构

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机的组合式多通道扩压器及其扩压进气结构。

背景技术

燃气轮机即燃气涡轮发动机，是一种将燃气的能量转变为有用功的内燃式动力机械，在多个领域中被广泛应用，比如：应用于民用发电领域中或作为动力装置应用于飞机或大型船舶中。燃气轮机的工作过程是：压气机连续地从大气中吸入空气并对空气进行压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与燃烧室中喷入的燃气混合后燃烧，进而成为高温燃气，随即高温燃气流入到燃气涡轮处膨胀做功，并利用高温燃气推动涡轮带着压气机一起旋转；燃气轮机是一种清洁性好、效率高的装置，具有体积小、重量低等优点。

燃气轮机自问世以来，由于其具有功率大、体积小、启动快、工作稳定以及可使用多种燃料等优点，获得国内外的广泛认可，同时国内外众多科技工作者也对其开展了大量的研究工作，并在较短时间内已经取得了跨越式的发展。在燃气轮机方面的技术水平的优劣也同时反映了一个国家科学技术水平和军事实力的高低。

现有的先进燃气涡轮发动机结构中的转速较快，使得燃气轮机内部的压气机出口处的气流速度很大，一般能够达到的马赫数为0.2Ma~0.35Ma之间，而也有个别型号可以达到0.4Ma，而当如此高速的气流进入到燃气轮机的燃烧室中后，要在燃烧室中实现稳定的点火燃烧将会非常困难，并且高速气体在燃烧室内流动也会带来较大的压力损失。因此，在燃气轮机的进气结构的设计时，会设计相应的扩压器结构，从而使得气流能够扩压减速，使得气流在到达燃烧室进行燃烧前，其空气流速度一般会降低为压气机出口处气流速度的五分之一左右，从而有利于燃烧室组织稳定燃烧，而扩压器结构的作用就是降低压气机出口引入到燃烧室的空气流速度，将空气流的动能尽可能多的转化为静态的压力，从而形成稳定的出口流场，降低燃烧室的总压损失，继而达到降低发动机的油耗率的效果。

在常规的设计中，往往会增加扩压器结构长度，而增加扩压器长度也有利于降低扩压器出口气流速度，从而降低燃烧室的总压损失，但是这种方式往往会增加燃气轮机整体的长度和重量；而在燃气涡轮发动机的设计要求中，往往会需要降低发动机的整体长度和重量，此时就要求扩压器尽可能短而紧凑，因此一个性能优异的扩压器结构必须兼顾压力损失和长度之间的矛盾，因此如何解决该矛盾成为了有待解决的问题。

发明内容

为了解决现有燃气轮机的扩压器结构的气压减速性能和整体长度无法兼顾的问题，本方案提供了一种燃气轮机的组合式多通道扩压器及其扩压进气结构。

本发明所采用的技术方案为：

一种燃气轮机的扩压进气结构，用于对进入燃气轮机燃烧室机匣的空气进行扩压减速，包括前置扩压通道和突扩扩压通道；

所述燃烧室机匣的环内侧设置有空气进口，该燃烧室机匣内安装有火焰筒；该空气进口的前段具有预扩压通道以对空气进行第一次扩压；

所述前置扩压通道包括多个分流通道并设置于空气进口的后段，并用于对空气进行第二次扩压；

所述突扩扩压通道设置于燃烧室机匣内并能够将空气引流至火焰筒的环内侧和环外侧；所述突扩扩压通道与前置扩压通道连通并对前置扩压通道送出的空气第三次扩压。

作为上述扩压进气结构的补充设计或备选结构：所述突扩扩压通道包括外环通道，该外环通道自火焰筒的环内侧延伸至环外侧；所述分流通道包括外分流通道，该外分流通道的出气方向朝向所述外环通道。

作为上述扩压进气结构的补充设计或备选结构：所述外分流通道前段的侧壁采用等压力梯度造型设计；该外分流通道后段的侧壁向沿气流方向呈收敛状。

作为上述扩压进气结构的补充设计或备选结构：所述空气进口处设置有分流器，该分流器分隔所述空气进口并形成内分流通道和所述外分流通道；所述分流器末段朝向外分流通道的壁面呈圆弧形以形成收敛所述外分流通道的后段。

作为上述扩压进气结构的补充设计或备选结构：所述分流器通过若干翼形的支撑板与燃烧室机匣相连。

作为上述扩压进气结构的补充设计或备选结构：所述外环通道包括有外通道前段、外通道中段和外通道后段；所述外通道前段的侧壁向沿气流方向呈收敛状，所述外通道中段和所述外通道后段均为采用等压力梯度造型设计的扩散段且两者的扩张比不同。

作为上述扩压进气结构的补充设计或备选结构：所述分流通道还包括内分流通道，所述突扩扩压通道还包括内环通道，该内分流通道的出气方向朝向所述内环通道。

作为上述扩压进气结构的补充设计或备选结构：所述内分流通道和内环通道的侧壁分别采用等压力梯度造型设计。

作为上述扩压进气结构的补充设计或备选结构：在所述火焰筒外罩设有整流罩，且两者之间形成有用于冷却火焰筒筒壁的外筒壁冷却通道；所述整流罩设置有通气孔，以连通外筒壁冷却通道和突扩扩压通道。

一种燃气轮机的组合式多通道扩压器，包括扩压器外环、扩压器内环、分流器和所述扩压进气结构；所述扩压器外环和扩压器内环连接在燃气轮机的燃烧室机匣上，在燃烧室机匣内设置有火焰筒和整流罩；所述突扩扩压通道包括内环通道、外环通道和扩压区；所述前置扩压通道的出口置于所述扩压区处，分流通道分为外分流通道和内分流通道且由分流器进行分隔而成；所述整流罩罩设于火焰筒外，所述整流罩与扩压器外环之间的间隙形成所述外环通道，所述整流罩与扩压器内环之间的间隙形成所述内环通道。

本发明的有益效果为：

1.本方案中采用前置多通道扩压结构和突扩扩压通道进行合理组合，形成组合式的扩压结构，有效的提高空气短距离范围内扩压减速的效果，提高扩压效率，并解决了现有燃气轮机所采用的单通道扩压器或仅采用多通道扩压器结构难以满足高性能燃气轮机燃烧室进口流场的需求，经实验：本方案中的组合式扩压器能够将燃烧室进口0.4Ma的气流扩压减速至0.1Ma以下，组合式扩压器的最大总压损失控制在2%以内，从而实现大比值的降速(减速量与扩压器长度的比值)，保证压气机出口引入的高速气流能够均匀稳定地进入燃烧室中进行燃烧；

2.本方案中的前置扩压通道采用多个分流通道的结构，从而通过分流的方式，实现气压的初次减速，并且不同分流通道分别指向外环通道和内环通道，从而能够通过对分流通道大小的设计，可以实现外环通道和内环通道进气量的控制；

3.由于在从空气进口进入的气流在进入外环通道时往往会需要大角度的变向(变向角度大于90°)，为了保证外环通道能够进入足够的空气流，该外分流通道的后段呈收敛状，从而对进入外环通道的气流分支进行增压加速，并且该收敛结构是通过改变分流器外侧面的曲面实现的，而无需对扩压器内环和扩压器外环结构做较大的改变，从而降低本方案结构的应用成本；

4.本方案中的突扩扩压通道与前置扩压通道连通，突扩扩压通道的扩压区采用两段扩散式的结构，从而能够在引入前置扩压通道出口处的气流后对空气流进行再次扩压减速，从而保证了静态压力和气流速度达到燃烧室进口流场的需求；

5.本方案中的外环通道设置有呈收敛状的外通道前段、呈扩散状的外通道中段以及外通道后段，不仅能够减少进入该外环通道的空气流的逆流，还能够对进入外环通道中的气流进行两段式扩压减速，从而进一步保证气流速度达标。

附图说明

为了更清楚地说明本方案实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本方案中燃气轮机的组合式扩压器在燃烧室机匣上安装状态图；

图2是本方案中燃气轮机的扩压进气结构示意图。

图中：1-前置扩压通道；11-内分流通道；12-外分流通道；2-突扩扩压通道；21-内环通道；22-扩压区；23-外环通道；231-外通道前段；232-外通道中段；233-外通道后段；3-燃烧室机匣；31-扩压器外环；32-扩压器内环；33-分流器；34-支撑板；35-空气进口；4-火焰筒；41-外筒壁冷却通道；5-预混器；6-整流罩；61-通气孔。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而非是全部，基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本方案的保护范围。

实施例1

如图1至图2所示，本实施例设计了一种燃气轮机的扩压进气结构，用于对进入燃气轮机燃烧室机匣3的空气进行扩压减速。

随着燃气涡轮发动机结构的发展，其转速也越来越快较快，使得燃气轮机内部的压气机出口处的气流速度很大，而当如此高速的气流进入到燃气轮机的燃烧室中后，将会影响燃烧室中的点火燃烧。因此，设计了设计相应的扩压器结构用以对进入燃烧室的空气进行扩压减速，保证气流在到达燃烧室进行燃烧前，其空气流速度一般会降低为压气机出口处气流速度的五分之一左右，并形成稳定的出口流场，从而保证燃烧室组织稳定燃烧，降低燃烧室的总压损失，继而达到降低发动机的油耗率的效果。扩压器对空气流的减速量一般是通过改变结构长度实现的，但是这种方式往往会增加燃气轮机整体的长度和重量；为了降低发动机的整体长度和重量，设计一种尽可能短且紧凑、兼顾压力损失和长度的扩压器，即是本实施例所要解决的问题。

本实施例的扩压进气结构包括前置扩压通道1和突扩扩压通道2，该扩压进气结构设置在燃烧室机匣3的环内侧位置设置的空气进口35处，该空气进口35的前段具有预扩压通道，并呈扩散状，从而能够对空气进行第一次扩压减速，空气流进入到前置扩压通道1后进行第二次扩压减速，然后进入突扩扩压通道2进行第三次扩压减速。

前置扩压通道1包括多个分流通道并设置于空气进口35后段处，以对空气进行分流扩压；即通过并列设置的多通道结构，对空气流进行分流，进而实现扩压。在本实施例中设计了两个分流通道，两个分流通道分别为内分流通道11和外分流通道12，在两个分流通道之间设置了分流器33，并且该分流器33的作用就是所述空气进口35并形成内分流通道11和外分流通道12。

国内传统燃气轮机扩压器多为单通道扩压减速的结构，而在扩压器要求长度有限的条件下，这种单通道扩压能实现的扩压减速效果有限，而随着燃气轮机性能不断提高，燃气轮机功率和进入燃烧室的气流速度也不断升高，而扩压器不能进行良好的扩压减速的话，将会造成扩压器后侧以及燃烧室内的气压总压损失急剧增加，同时也容易出现流动分离，本实施例中设计了双通道的扩压结构，当气流通过进入不同通道内，只需要保证全部通道的截面面积之和大于空气进口35的截面面积即可实现扩压减速，从而满足燃烧室进口流场的需求；此外，还可以设计三通道、四通道等多通道扩压器结构(图中未示出)，通过对多通道的前置扩压结构和扩压方式的研究，可以为燃气轮机的发展起到重要的作用。

所述突扩扩压通道2设置于燃烧室机匣3内并能够将空气引流至火焰筒4的环内侧和环外侧，所述火焰筒4整体是环槽状的结构，所述火焰筒4的槽底处用于安装预混器5，而火焰筒4的槽口即为火焰筒4的出口；所述突扩扩压通道2与前置扩压通道1连通并对前置扩压通道1送出的空气再次扩压。该突扩扩压通道2包括外环通道23、内环通道21和扩压区22等，该外环通道23自火焰筒4的环内侧延伸至环外侧，该内环通道21设置于火焰筒4的环内侧，扩压区22设置在前置扩压通道1的出气侧并分别连通外环通道23和内环通道21。由于突扩扩压通道2于该扩压区22处与前置扩压通道1连通，并且该突扩扩压通道2的扩压区22采用扩散结构，从而在前置扩压通道1出口处的气流后进入后，能够对空气流进行再次扩压减速，从而保证了静态压力和气流速度达到燃烧室进口流场的需求。

前置扩压通道1的外分流通道12的出气方向朝向所述外环通道23，前置扩压通道1的内分流通道11的出气方向朝向所述内环通道21。从而能够通过对分流通道大小的设计，可以实现外环通道23和内环通道21进气量的控制。

由于在从空气进口35进入的气流在进入外环通道23时往往会需要大角度的变向(变向角度大于90°)，为了保证外环通道23能够进入足够的空气流，该外分流通道12的后段呈收敛状，从而对进入外环通道23的气流分支进行增压加速，从而保证从外分流通道12输出的空气流能够充分的进入到外环通道23内，从而减低内环通道21和外环通道23中进入气流量差别过大的现象，进而避免火焰筒4环内侧和环外侧气压差过大的问题。

所述分流器33末段朝向外分流通道12的壁面呈圆弧形，从而形成收敛所述外分流通道12的后段；上述外分流通道12后段的收敛状的结构是通过改变分流器33外侧面的曲面的曲率以及朝向实现的，而无需对扩压器内环32和扩压器外环31结构做较大的改变，从而降低本实施例中扩压进气结构在燃气涡轮发动机上的应用成本和构造成本。

为了进一步保证外环通道23中的气压和气流量，该外环通道23包括有外通道前段231、外通道中段232和外通道后段233；所述外通道前段231的侧壁沿气流方向呈收敛状，所述外通道中段232和外通道后段233沿气流方向呈扩散状，附图1中的各个箭头的方向表达的是对应段通道的气流方向。所述外通道中段232和外通道后段233都是等压力梯度造型设计的扩散式通道，两者的面积扩张比不同。外通道前段231的收敛结构能够减少进入该外环通道23的空气流的逆流现象，同时利用呈扩散状的外通道中段232和通道后段233分别对进入外环通道23中的气流进行两次扩压减速，从而进一步保证外环通道23中的气流速度和气压达标。通过对外通道中段232和外通道后段233结构以及通道侧壁的特征参数进行控制，可以精细化控制的外环通道23中的流量变化，从而在降低流动分离现象发生的情况下，从而控制该外环通道23内的压力损失减少到最小。

所述外分流通道12前段的侧壁和内分流通道11采用等压力梯度造型设计；从而使得两个分流通道中的气压和气流速度可控，从而能够通过对内分流通道11和外分流通道12的宽度等特征参数的设计控制，从而精细化控制的两个分流通道中的流量比例，实现两个分流通道内的压力损失降低到最小的效果，并保证不发生流动分离。

所述内环通道21的侧壁也采用等压力梯度造型设计，从而可以精细化控制的外环通道23中的流量变化，保证该外环通道23内的压力损失减少到最小，并减少流动分离现象。

实施例2

如图1至图2所示，本实施例设计了一种燃气轮机的组合式多通道扩压器，该组合式多通道扩压器安装于燃气轮机的燃烧室机匣3上，如图1所示。

在该燃烧室机匣3内设置有火焰筒4和整流罩6等结构，所述火焰筒4整体是环槽状的结构，所述火焰筒4的槽底处用于安装预混器5，而火焰筒4的槽口即为火焰筒4的出口；整流罩6罩设在所述火焰筒4外，且两者之间形成有用于冷却火焰筒4筒壁的外筒壁冷却通道41；所述整流罩6设置有通气孔61。

本实施例中的组合式多通道扩压器包括扩压器外环31、扩压器内环32、分流器33和实施例1中的扩压进气结构，所述扩压器外环31和扩压器内环32连接在燃气轮机的燃烧室机匣3上，所述突扩扩压通道2包括内环通道21、外环通道23和扩压区22；所述前置扩压通道1置于所述扩压区22处，分流通道分为外分流通道12和内分流通道11且由分流器33进行分隔而成；所述整流罩6罩设于火焰筒4外，所述整流罩6与扩压器外环31之间的间隙形成所述外环通道23，所述整流罩6与扩压器内环32之间的间隙形成所述内环通道21。

所述分流器33呈环形，且其的径向内侧设置有若干支撑板34，该分流器33通过支撑板34固定连接到扩压器内环32上，相邻支撑板34之间的空隙能够用于内分流通道11中的气流通过；该支撑板34采用流线型翼型结构设计，从而使得内分流通道11中的气流在支撑板34表面对气流产生阻力的区域面积更小，从而保证内分流通道11中沿程的气压损失更小。

设置在整流罩6上的若干通气孔61能够连通外筒壁冷却通道41和突扩扩压通道2，从而使得扩压区22以及外环通道23中的空气能够进入通过外筒壁冷却通道41，从而降低火焰筒4筒壁的温度。

本方案中的燃气轮机的组合式多通道扩压器在使用时：压气机出口处的高速气流被引流至空气进口35后，在到达分流器33前，该沿着空气进口35前段的预扩压通道流动并进行第一次扩压减速；气流到达分流器33后，多个分流通道对空气流进行分流并减速，并且气流在内分流通道11和外分流通道12内分别发生相对独立的扩压减速过程，如此实现气流的第二次扩压减速；气流通过前置诺亚通道后进入突扩扩压通道2；气流在突扩扩压通道2的扩压区22处分为三股气流，其中一股气流进入到内环通道21，另一股气流进入到外环通道23中，第三股气流通过整流罩6上的通气孔61进入到外筒壁冷却通道41内，在突扩扩压通道2的扩压区22处完成扩压减速过程和气流的分流，即过程为气流的第三次扩压减速。

进入内环通道21的空气流主要用于火焰筒4环内侧后段(即火焰筒4的槽口内侧处)的气膜冷却以及燃气轮机涡轮的内环引气；进入外环通道23的气流流动至火焰筒4环外侧后段(即火焰筒4的槽口外侧处)，并用于整流罩6的引气、外环火焰筒4外侧后段的冷却以及涡轮的外环引气需求等。内环引气的气流通过整流罩6环内侧的通气孔61后冲击冷却火焰筒4环内侧的壁面后，通过预混器5处进入火焰筒4参与燃烧；外环引气的气流通过整流罩6外侧的通气孔61的气流冲击冷却火焰筒4外侧的壁面后，通过预混器5并进入火焰筒4参与燃烧。

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本技术的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机的扩压进气结构，用于对进入燃气轮机燃烧室机匣（3）的空气进行扩压减速，其特征在于：包括前置扩压通道（1）和突扩扩压通道（2）；

所述燃烧室机匣（3）的环内侧设置有空气进口（35），该燃烧室机匣（3）内安装有火焰筒（4）；该空气进口的前段具有预扩压通道以对空气进行第一次扩压；

所述前置扩压通道（1）包括多个分流通道并设置于空气进口（35）的后段，并用于对空气进行第二次扩压；

所述突扩扩压通道（2）设置于燃烧室机匣（3）内并能够将空气引流至火焰筒（4）的环内侧和环外侧；所述突扩扩压通道（2）与前置扩压通道（1）连通并对前置扩压通道（1）送出的空气第三次扩压。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机的扩压进气结构，其特征在于：所述突扩扩压通道（2）包括外环通道（23），该外环通道（23）自火焰筒（4）的环内侧延伸至环外侧；所述分流通道包括外分流通道（12），该外分流通道（12）的出气方向朝向所述外环通道（23）。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机的扩压进气结构，其特征在于：所述外分流通道（12）前段的侧壁采用等压力梯度造型设计；该外分流通道（12）后段的侧壁向沿气流方向呈收敛状。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机的扩压进气结构，其特征在于：所述空气进口（35）处设置有分流器（33），该分流器（33）分隔所述空气进口（35）并形成内分流通道（11）和所述外分流通道（12）；所述分流器（33）末段朝向外分流通道（12）的壁面呈圆弧形以形成收敛所述外分流通道（12）的后段。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机的扩压进气结构，其特征在于：所述分流器（33）通过若干翼形的支撑板（34）与燃烧室机匣（3）相连。

6.根据权利要求2所述的燃气轮机的扩压进气结构，其特征在于：所述外环通道（23）包括有外通道前段（231）、外通道中段（232）和外通道后段（233）；所述外通道前段（231）的侧壁向沿气流方向呈收敛状，所述外通道中段（232）和所述外通道后段（233）均为采用等压力梯度造型设计的扩散段且两者的扩张比不同。

7.根据权利要求2所述的燃气轮机的扩压进气结构，其特征在于：所述分流通道还包括内分流通道（11），所述突扩扩压通道（2）还包括内环通道（21），该内分流通道（11）的出气方向朝向所述内环通道（21）。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机的扩压进气结构，其特征在于：所述内分流通道（11）和内环通道（21）的侧壁分别采用等压力梯度造型设计。

9.根据权利要求7所述的燃气轮机的扩压进气结构，其特征在于：在所述火焰筒（4）外罩设有整流罩（6），且两者之间形成有用于冷却火焰筒（4）筒壁的外筒壁冷却通道（41）；所述整流罩（6）设置有通气孔（61），以连通外筒壁冷却通道（41）和突扩扩压通道（2）。

10.一种燃气轮机的组合式多通道扩压器，其特征在于：包括扩压器外环（31）、扩压器内环（32）、分流器（33）和权利要求1所述扩压进气结构；所述扩压器外环（31）和扩压器内环（32）连接在燃气轮机的燃烧室机匣（3）上，在燃烧室机匣（3）内设置有火焰筒（4）和整流罩（6）；所述突扩扩压通道（2）包括内环通道（21）、外环通道（23）和扩压区（22）；所述前置扩压通道（1）的出口置于所述扩压区（22）处，分流通道分为外分流通道（12）和内分流通道（11）且由分流器（33）进行分隔而成；所述整流罩（6）罩设于火焰筒（4）外，所述整流罩（6）与扩压器外环（31）之间的间隙形成所述外环通道（23），所述整流罩（6）与扩压器内环（32）之间的间隙形成所述内环通道（21）。

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