CN114636170A - 一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧器技术领域，公开了一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，包括主壳体，主壳体的内部设有燃烧室；前壳体，前壳体的内部设有进气腔；第一旋流器，第一旋流器的内部设有第一燃烧腔；点火器，点火器伸入第一燃烧腔内；第二旋流器，第二旋流器的外侧与主壳体的内壁之间形成有与进气腔连通的进气通道，第二旋流器的内部设有第二燃烧腔，第二燃烧腔分别与第一燃烧腔和燃烧室连通；空气旋流器，空气旋流器设有与燃烧室连通的通孔，空气旋流器的后端进气孔，进气孔的轴线分别与空气旋流器的轴向和径向形成夹角，且多个进气孔的轴线相对于空气旋流器的轴线和径向的倾斜方向一致。本发明冷却效果好，燃烧效率高。

Description

一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧器技术领域，特别是涉及一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器。

背景技术

燃气轮机具有启动快、功率密度大、机动性好、可靠性高等一系列优点，在世界各国的电力和军事等诸多领域均受到广泛应用，当前燃气轮机技术已成为评判国家科技水平和军事实力重要标准之一。燃烧室作为燃气轮机三大部件之一，不仅是直接影响燃气轮机性能的部件，并且也是燃气轮机平均温度最高的部件。燃料和空气在燃烧室内燃烧，其燃烧温度通常高于2000℃以上，然而当前燃烧室所选金属材料常规耐温都在1300℃左右。因此受金属材料耐温极限的约束，必须采用冷却技术对燃烧室进行保护，以此降低燃烧室的工作环境温度，延长燃烧室的工作寿命。

当前，为了提高燃烧室壁面的耐温效果，提升燃烧室寿命，燃气轮机燃烧室所采取的冷却方式主要有气膜冷却、发散冷却、冲击发散组合冷却、层板冷却等，基本原理大多是将一部分空气从燃烧室外环腔引入至火焰筒内，在火焰筒内壁面处形成气膜，这部分气体一方面冷却火焰筒壁，另一方面隔离热燃气。若为了获得更好的冷却效果就必须引入大量的空气，但是进入燃烧室内的空气极为有限，若大量的空气用以冷却，不可避免地减少了组织燃烧的空气量，这则与现代化先进燃气轮机的发展产生了矛盾。

当前，燃气轮机为了获得高功率、高循环效率和高燃烧效率，往往需要大量的空气从燃烧室的头部进入火焰筒，参与并组织燃烧场，控制火焰温度，增加燃气轮机的温比，从而提升燃气轮机整体性能，甚至能够以此减少NOx排放。以此看出，一方面，先进燃气轮机的设计需要更多的空气参与燃烧，不可避免地减少用于冷却的空气；另一方面，更高的燃气温度对燃烧室的冷却带来了进一步地考验，需要更多的空气冷却、保护燃烧室，这种配气矛盾使得现有冷却方式难以满足先进燃气轮机的冷却需求。因此，亟需一种空气分配更为合适、冷却效果更好的新型燃烧室结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种能解决燃烧室内冷却空气与燃烧空气分配问题的燃烧效率高，冷却效果好的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，包括

主壳体，所述主壳体的内部设有燃烧室；

前壳体，所述前壳体设于所述主壳体的前端，所述前壳体的内部设有进气腔；

第一旋流器，所述第一旋流器设于所述进气腔内，所述第一旋流器的内部设有第一燃烧腔；

点火器，所述点火器设于所述第一旋流器的前端且伸入所述第一燃烧腔内；

第二旋流器，所述第二旋流器设于所述燃烧室的前端，所述第二旋流器的外侧与所述主壳体的内壁之间形成有与所述进气腔连通的进气通道，所述第二旋流器的内部设有第二燃烧腔，所述第二燃烧腔分别与所述第一燃烧腔和所述燃烧室连通；

空气旋流器，所述空气旋流器设于所述主壳体的后端，所述空气旋流器的中部设有与所述燃烧室连通的通孔，所述空气旋流器的后端设有多个与所述燃烧室连通的进气孔，多个所述进气孔沿着所述空气旋流器的圆周均匀分布，所述进气孔的轴线分别与所述空气旋流器的轴向和径向形成夹角，且多个所述进气孔的轴线相对于空气旋流器的轴线和径向的倾斜方向一致。

作为本发明的优选方案，所述进气孔的轴线与所述空气旋流器的轴向的夹角为30°～60°，所述进气孔的轴线与所述空气旋流器的径向的夹角为30°～60°。

作为本发明的优选方案，所述空气旋流器还设有冷却通道，所述冷却通道的一端与所述进气孔的侧部连通，所述冷却通道的另一端与所述通孔的侧部连通。

作为本发明的优选方案，所述进气孔的直径自后端到前端逐渐减小。

作为本发明的优选方案，所述第一旋流器设有第一空气入口、第一燃料入口以及多个第一旋流叶片，多个所述第一旋流叶片分别围绕所述第一燃烧腔设置，所述第一空气入口与所述进气腔连通，所述第二旋流器设有第二空气入口、第二燃料入口以及多个第二旋流叶片，多个所述旋流叶片分别围绕所述第二燃烧腔设置，所述进气孔的轴线相对于空气旋流器的径向的倾斜方向分别与所述第一旋流叶片和所述第二旋流叶片的螺旋方向相反。

作为本发明的优选方案，所述第二旋流器的外侧与所述主壳体的内壁之间存在间隙，所述第二旋流器的外侧设有与所述主壳体的内壁连接的凸缘，所述凸缘设有与所述进气腔连通的进气口，所述间隙与所述进气口形成所述进气通道，所述进气口的个数与所述第一旋流叶片的个数相等。

作为本发明的优选方案，所述第二空气入口设于所述第二旋流器的后端。

作为本发明的优选方案，还包括燃料腔壳体，所述燃料腔壳体设于所述前壳体的前端，所述燃料腔壳体的内部设有分隔板，所述分隔板将所述燃料腔壳体的内部分隔形成第一燃料腔和第二燃料腔，所述第一燃料腔与所述第一燃料入口连接，所述第二燃料腔与所述第二燃料入口连接。

作为本发明的优选方案，还包括机匣前法兰，所述机匣前法兰设有第一燃料接头和第二燃料接头，所述第一燃料接头与所述第一燃料腔连接，所述第二燃料接头与所述第二燃料腔连接。

本发明实施例一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，与现有技术相比，其有益效果在于：燃料分别输送至第一旋流器和第二旋流器，实现燃料的分级燃烧，第一旋流器和第二旋流器促使燃料和空气预混燃烧，确保燃烧效率，控制燃烧场温度，避免产生局部高温区，能够降低热力型NOx的排放；高温燃气在燃烧室的传播过程中，由于主壳体的内壁存在冷却气膜，因此会阻隔燃料燃烧后的高温燃气直接接触主壳体，从而达到冷却主壳体的目的；用于形成主壳体处冷却气膜的空气会全部进入第一旋流器和第二旋流器中参与燃烧，并未单独分配用以冷却的空气，而是将全部空气先用以冷却，随后全部参与燃烧，保证了冷却效果的同时确保了燃烧场的组织，能够提升燃气轮机的整体循环效率，解决了燃烧室内冷却空气与燃烧空气分配的问题，冷却效果好，燃烧效率高，此外用以冷却的空气在高温燃气作用下，空气的温度势必会得到提升，当这部分加热后的空气在第一旋流器下与燃料掺混后，高温的混气有利于点火，保证了点火成功性。

附图说明

图1是本发明提供的一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图1中的第二旋流器的左视图；

图4是图1中的第二旋流器的剖视图；

图5是图1中的空气旋流器的左视图；

图6是图5中的空气旋流器的A－A剖视图；

图中，1、主壳体；11、燃烧室；2、前壳体；21、进气腔；3、第一旋流器；31、第一燃烧腔；4、点火器；5、第二旋流器；51、第二燃烧腔；52、凸缘；53、进气口；54、第二空气入口；55、第二燃料入口；56、进气通道；6、空气旋流器；61、通孔；62、进气孔；63、冷却通道；7、燃料腔壳体；71、分隔板；72、第一燃料腔；73、第二燃料腔；8、机匣前法兰；81、第一燃料接头；82、第二燃料接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明采用术语“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1－6所示，本发明优选实施例的本发明提供了一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，包括

主壳体1，主壳体1的内部设有燃烧室11；

前壳体2，前壳体2设于主壳体1的前端，前壳体2的内部设有进气腔21；

第一旋流器3，第一旋流器3设于进气腔21内，第一旋流器3的内部设有第一燃烧腔31；

点火器4，点火器4设于第一旋流器3的前端且伸入第一燃烧腔内31；

第二旋流器5，第二旋流器5设于燃烧室11的前端，第二旋流器5的外侧与主壳体1的内壁之间形成有与进气腔21连通的进气通道56，第二旋流器5的内部设有第二燃烧腔51，第二燃烧腔51分别与第一燃烧腔31和燃烧室11连通，第二燃烧腔51的空间(容量)大于第一燃烧腔31的空间，以便火焰扩张传播，燃烧后的高温燃气进入燃烧室11内传播；

空气旋流器6，空气旋流器设于主壳体1的后端，空气旋流器6的中部设有与燃烧室连通的通孔61，空气旋流器6的后端设有多个与燃烧室11连通的进气孔62，多个进气孔62沿着空气旋流器6的圆周均匀分布，进气孔62的轴线分别与空气旋流器6的轴向和径向形成夹角，且多个进气孔62的轴线相对于空气旋流器6的轴线和径向的倾斜方向一致，参见图1和图5，进气孔62的轴线与空气旋流器6的轴向存在夹角a1，具体指的是进气孔62的轴线与空气旋流器6的轴向平面的夹角，进气孔62的轴线与空气旋流器6的径向(空气旋流器6即通过进气孔62的前端中心的直径)存在夹角a2，具体指的是进气孔62的轴线与通过进气孔62的前端中心的径向平面的夹角，以空气旋流器的6轴向为Y轴，以竖向为Z轴，同时与Y轴和Z轴垂直的方向为X轴，空气旋流器6的轴向平面即为XY平面，空气旋流器6的径向平面即空气旋流器6的直径与Y轴所确定的平面，通过进气孔62的前端的中心的径向平面即为通过进气孔62的前端的中心的直径与Y轴所确定的平面。

本实施例的工作原理为：由于进气孔62的后端到进气孔62的前端之间沿顺时针或逆时针方向逐渐往外侧延伸，因此外界空气通过进气孔62进入燃烧室11内时，会沿顺时针或逆时针从燃烧室11的后端往前端旋转传播，空气旋转船传播时，在离心力的作用下，空气会紧贴在主壳体1的内壁，形成冷却气膜，当空气传播与第二旋流器5接触时，大部分空气会进入第二旋流器5内与进入第二旋流器5内的燃料掺混后输送至第二燃烧腔51，小部分空气会通过进气口53输送至进气腔21内，接着进入第一旋流器3与进入第一旋流器3内的燃料掺混输送至第一燃烧腔31，点火器4点燃第一燃烧腔31内的燃料，火焰传播至第二燃烧腔51，点燃第二燃烧腔51内的燃料，燃烧后的高温燃气进入燃烧室11内从前端往后端传播，由于燃料经过旋流器旋流，因此高温燃气传播时会旋转传播，高温燃气最终通过空气旋流器6的通孔61进入涡轮做功。

燃料分别输送至第一旋流器3和第二旋流器5，实现燃料的分级燃烧，第一旋流器3和第二旋流器5促使燃料和空气预混燃烧，确保燃烧效率，控制燃烧场温度，避免产生局部高温区，能够降低热力型NOx的排放；高温燃气在燃烧室11的传播过程中，由于主壳体1的内壁存在冷却气膜，因此会阻隔燃料燃烧后的高温燃气直接接触主壳体1，从而达到冷却主壳体1的目的；用于形成主壳体1处冷却气膜的空气会全部进入第一旋流器3和第二旋流器5中参与燃烧，并未单独分配用以冷却的空气，而是将全部空气先用以冷却，随后全部参与燃烧，保证了冷却效果的同时确保了燃烧场的组织，能够提升燃气轮机的整体循环效率，解决了燃烧室11内冷却空气与燃烧空气分配的问题，冷却效果好，燃烧效率高，此外用以冷却的空气在高温燃气作用下，空气的温度势必会得到提升，当这部分加热后的空气在第一旋流器3下与燃料掺混后，高温的混气有利于点火，保证了点火成功性。

示例性的，进气孔62的轴线与空气旋流器6的轴向的夹角为30°～60°，进气孔62的轴线与空气旋流器6的径向的夹角为30°～60°，该倾斜角度范围使得空气通过进气孔62后具有较大的速度和离心力，保证空气能够紧贴在主壳体1的内壁旋转传输。

示例性的，第一旋流器3设有第一空气入口、第一燃料入口以及多个第一旋流叶片，多个第一旋流叶片分别围绕第一燃烧腔31设置，第一空气入口与进气腔21连通，第一旋流器3的工作原理为：空气通过第一空气入口进入第一旋流器3的内部，燃料通过第一燃料入口进入第一旋流器3的内部，进入第一旋流器3的空气和燃料分别经第一旋流叶片旋流，并掺混输送至第一燃烧腔31；第二旋流器5设有第二空气入口54、第二燃料入口55以及多个第二旋流叶片，多个旋流叶片分别围绕第二燃烧腔51设置，第二旋流器5的工作原理与第一旋流器3相同，空气通过第二空气入口54进入第二旋流器5的内部，燃料通过第二燃料入口进入第二旋流器5的内部，进入第二旋流器5的空气和燃料分别经第二旋流叶片旋流，并掺混输送至第二燃烧腔51；进气孔的轴线相对于空气旋流器的径向的倾斜方向分别与第一旋流叶片和第二旋流叶片的螺旋方向相反，本实施例中，从空气旋流器6的后端往前端看，进气孔62的轴线相对于空气旋流器的径向往顺时针的一侧倾斜，使得空气通过进气孔62过后呈顺时针旋转传播，而第一旋流叶片和第二旋流叶片的旋转方向则为逆时针，使得燃烧后的高温燃气在燃烧室11内沿逆时针旋转传播，而冷却空气在燃烧室11内沿顺时针旋转传播，提升了对流换热效率，促进冷却效果。

示例性的，第二旋流器5的外侧与主壳体1的内壁之间存在间隙，第二旋流器5的外侧设有与主壳体1的内壁连接的凸缘52，凸缘52设有与进气腔21连通的进气口53，间隙与进气口53形成进气通道56，进气口53的个数与第一旋流叶片的个数相等，以此匹配进入第一旋流器3内的燃料和空气，促进两者之间的掺混。

示例性的，第二空气入口54设于第二旋流器5的后端，空气通过进气孔62进入燃烧室11后呈漩涡式从后端往前端输送，当空气与第二旋流器5的后端接触时，大部分空气会直接通过第二空气入口54进入第二旋流器5内，确保进入第二旋流器5的燃料与充足的空气接触后被充分燃烧。

示例性的，本实施例还包括燃料腔壳体7，燃料腔壳体7设于前壳体2的前端，燃料腔壳体7的内部设有分隔板71，分隔板71将燃料腔壳体7的内部分隔形成第一燃料腔72和第二燃料腔73，第一燃料腔72与第一燃料入口连接，第二燃料腔73与第二燃料入口55连接，以便燃料分级燃烧，本实施例中，第一燃料入口设于第一旋流器3的前端，以便于第一燃料腔72连接，第二燃料入口55设于第二旋流器5的前端，前壳体2与第二旋流器5的前端面之间设有燃料空腔，第一旋流叶片的内部设有燃料通道，燃料通道的一端与第二燃料腔73连接，燃料通道的另一端与燃料空腔连接，以便第二燃料腔73与第二燃料入口55连接。

示例性的，本实施例还包括机匣前法兰8，机匣前法兰8设有第一燃料接头81和第二燃料接头82，第一燃料接头81与第一燃料腔72连接，为第一燃料腔72提供燃料，第二燃料接头82与第二燃料腔73连接，为第二燃料腔73提供燃料，本实施例中，点火器4安装在机匣前法兰8的中部，点火器4穿过燃料腔壳体7伸入第一燃烧腔31内，第一燃料接头81和第二燃料接头82分别设置两个，第一燃料接头81和第二燃料接头82围绕点火器4设置，该布置便于装配连接。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：包括

主壳体，所述主壳体的内部设有燃烧室；

前壳体，所述前壳体设于所述主壳体的前端，所述前壳体的内部设有进气腔；

第一旋流器，所述第一旋流器设于所述进气腔内，所述第一旋流器的内部设有第一燃烧腔；

点火器，所述点火器设于所述第一旋流器的前端且伸入所述第一燃烧腔内；

第二旋流器，所述第二旋流器设于所述燃烧室的前端，所述第二旋流器的外侧与所述主壳体的内壁之间形成有与所述进气腔连通的进气通道，所述第二旋流器的内部设有第二燃烧腔，所述第二燃烧腔分别与所述第一燃烧腔和所述燃烧室连通；

空气旋流器，所述空气旋流器设于所述主壳体的后端，所述空气旋流器的中部设有与所述燃烧室连通的通孔，所述空气旋流器的后端设有多个与所述燃烧室连通的进气孔，多个所述进气孔沿着所述空气旋流器的圆周均匀分布，所述进气孔的轴线分别与所述空气旋流器的轴向和径向形成夹角，且多个所述进气孔的轴线相对于空气旋流器的轴线和径向的倾斜方向一致。

2.根据权利要求1所述的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：所述进气孔的轴线与所述空气旋流器的轴向的夹角为30°～60°，所述进气孔的轴线与所述空气旋流器的径向的夹角为30°～60°。

3.根据权利要求1所述的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：所述空气旋流器还设有冷却通道，所述冷却通道的一端与所述进气孔的侧部连通，所述冷却通道的另一端与所述通孔的侧部连通。

4.根据权利要求1所述的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：所述进气孔的直径自后端到前端逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：所述第一旋流器设有第一空气入口、第一燃料入口以及多个第一旋流叶片，多个所述第一旋流叶片分别围绕所述第一燃烧腔设置，所述第一空气入口与所述进气腔连通，所述第二旋流器设有第二空气入口、第二燃料入口以及多个第二旋流叶片，多个所述旋流叶片分别围绕所述第二燃烧腔设置，所述进气孔的轴线相对于空气旋流器的径向的倾斜方向分别与所述第一旋流叶片和所述第二旋流叶片的螺旋方向相反。

6.根据权利要求5所述的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：所述第二旋流器的外侧与所述主壳体的内壁之间存在间隙，所述第二旋流器的外侧设有与所述主壳体的内壁连接的凸缘，所述凸缘设有与所述进气腔连通的进气口，所述间隙与所述进气口形成所述进气通道，所述进气口的个数与所述第一旋流叶片的个数相等。

7.根据权利要求5所述的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：所述第二空气入口设于所述第二旋流器的后端。

8.根据权利要求5所述的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：还包括燃料腔壳体，所述燃料腔壳体设于所述前壳体的前端，所述燃料腔壳体的内部设有分隔板，所述分隔板将所述燃料腔壳体的内部分隔形成第一燃料腔和第二燃料腔，所述第一燃料腔与所述第一燃料入口连接，所述第二燃料腔与所述第二燃料入口连接。

9.根据权利要求8所述的对流漩涡式壁面冷却的燃烧器，其特征在于：还包括机匣前法兰，所述机匣前法兰设有第一燃料接头和第二燃料接头，所述第一燃料接头与所述第一燃料腔连接，所述第二燃料接头与所述第二燃料腔连接。

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