CN115200041B - 一种低排放燃烧室火焰筒 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种低排放燃烧室火焰筒，燃烧室火焰筒包括衬套组件和火焰筒组件，其中：衬套组件包括衬套直段、衬套渐变段及安装边，衬套直段和衬套渐变段沿着轴线方向依次连接，安装边固定设置在衬套直段的前端；在衬套直段和衬套渐变段上设有通孔，第一冷却套管和第二冷却套管分别安装在衬套直段和衬套渐变段的通孔内；衬套直段的前端内侧具有沿着轴线方向延伸的定位槽；火焰筒组件包括火焰筒直段、火焰筒渐变段及火焰筒头锥环，火焰筒直段和火焰筒渐变段沿着轴线方向依次连接，火焰筒头锥环固定设置在火焰筒直段的前端内侧；火焰筒直段的前端外侧固定设置有形状适配于定位槽的定位块，通过异形定位和垫片将衬套组件和火焰筒组件进行定位固定。

Description

一种低排放燃烧室火焰筒

技术领域

本申请属于燃气轮机技术领域，特别涉及一种低排放燃烧室火焰筒。

背景技术

非低排放燃烧室通常采用扩散燃烧模式，其主燃区温度通常可达2300K左右。而对于低排放燃烧室而言，通常采用贫燃预混燃烧组织模式，该燃烧模式可以将燃烧室主燃区的温度控制在1670K-1900K这样一个狭窄的温度区间内，以控制污染物中占主导作用的热力型氮氧化物(NOx)的生成。这将意味着低排放燃烧室为了达到降低主燃区温度的目的，将有大量空气从火焰筒头部进入主燃区，相应的用于冷却火焰筒的空气量将大幅降低。

另一方面，现有的火焰筒冷却方式——如气膜冷却、多斜孔冷却等，将使得冷却空气直接进入主燃区参与燃烧反应。这将导致燃烧室中另一种主要的污染物成分一氧化碳(CO)因淬熄作用而大量形成，且这种因淬熄作用而形成的CO在后续燃烧反应中很难消除。

基于上述原因，低排放燃烧室火焰筒通常采用肋板冷却方式，以增加换热面积，通过来流空气的对流换热作用来实现火焰筒的冷却。然而，对于燃气轮机整机而言，为了实现燃气轮机整机热效率的提升，采用提高压气机的增压比的方式来提高整机的做功能力，这将导致燃烧室进口温度提高，降低冷却空气的冷却效率，对火焰筒的冷却是极为不利的。低排放燃烧室火焰筒通常采用的这种肋板冷却方式的耐温能力有限，无法满足高功率等级、高热效率的整机需求。同时，肋板冷却的结构型式对加工精度要求高，火焰筒壁面上的肋板的宽、高尺寸直接影响到冷却效率和壁面的温度分布梯度，在回转体上加工出符合要求的肋板对其工艺要求高。

发明内容

本申请的目的是提供了一种低排放燃烧室火焰筒，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

本申请的技术方案是：一种低排放燃烧室火焰筒，所述燃烧室火焰筒包括衬套组件和火焰筒组件，其中：

所述衬套组件包括衬套直段、衬套渐变段及安装边，所述衬套直段和衬套渐变段沿着轴线方向依次连接，所述安装边固定设置在所述衬套直段的前端；在所述衬套直段和所述衬套渐变段上设有一个或多个通孔，第一冷却套管安装在所述衬套直段的通孔内，第二冷却套管安装在衬套渐变段的通孔内；其中，所述衬套直段的前端内侧具有沿着轴线方向延伸的定位槽，通过所述定位槽与所述火焰筒组件中的定位块进行配合，实现所述火焰筒组件与衬套组件的连接；

所述火焰筒组件包括火焰筒直段、火焰筒渐变段及火焰筒头锥环，所述火焰筒直段和火焰筒渐变段沿着轴线方向依次连接，所述火焰筒头锥环固定设置在所述火焰筒直段的前端内侧；所述火焰筒直段的前端外侧固定设置有形状适配于定位槽的定位块，所述定位块沿着轴线方向安装至所述定位槽中，通过异形定位销穿过所述衬套直段前端的安装孔及安装孔上设置的垫片，从而实现将衬套组件和火焰筒组件的轴向定位和周向定位。

进一步的，所述冷却套管沿火焰筒轴线方向的圈数为一圈或多圈，且沿圆周方向上每圈的冷却套管的数量也为一个或多个。

进一步的，沿火焰筒轴线方向的冷却套管圈数为1圈～50圈，且沿圆周方向上每圈的冷却套管的数量也为1个～50个。

进一步的，沿轴线方向相邻的冷却套管为顺排或叉排，每圈内的冷却套管的长度相同或不同。

进一步的，所述异形定位销面向定位块的一侧具有矩形切面，所述矩形切面与定位块配合，实现所述定位块的限位。

进一步的，所述火焰筒头锥环包括一收口状的圆弧前端，自所述圆弧前端的外侧向所述火焰筒直段方向延伸有头锥外壁和头锥内壁，所述头锥外壁和头锥内壁之间形成通道，所述头锥外壁与火焰筒直段固定连接，所述头锥内壁与火焰筒直段之间具有缝隙。

进一步的，所述头锥外壁上设有一个或多个头锥冷却孔，通过所述头锥冷却孔实现冷却空气对所述头锥内壁的冲击冷却；

所述火焰筒直段的前端具有火焰筒冷却孔，所述火焰筒冷却孔与头锥外壁和头锥内壁构成的通道连通，用于对所述头锥内壁的冲击冷却。

进一步的，所述头锥冷却孔沿火焰筒轴线方向的圈数为一圈或多圈，沿圆周方向的头锥冷却孔数量为1个或多个。

进一步的，沿火焰筒轴线方向的头锥冷却孔圈数为1圈～20圈，沿圆周方向上每圈的头锥冷却孔数量为1个～50个。

进一步的，沿轴线方向相邻的头锥冷却孔为顺排或叉排。

进一步的，所述头锥内壁和头锥外壁之间的间距相同或不相同。

进一步的，所述头锥内壁与所述火焰筒直段呈预定角度的夹角，所述预定角度为20°～180°。

进一步的，所述火焰筒渐变段和所述衬套渐变段的型式包括收敛型式和扩张型式，且两者的型式相同。

本申请提出的低排放燃烧室火焰筒通过冷却套管对火焰筒壁进行冲击冷却，增加了冷却气流的射流穿透深度，减弱了夹层通道中气流的影响作用，增强了火焰筒壁面的换热效果，冷却效率高，冷却效果好，可以适应整机提高压气机增压比所导致的燃烧室进口温度提高对火焰筒冷却不利的影响，可以适应低排放燃烧室冷却空气比例大幅降低的不利因素，进一步提高低排放燃烧室火焰筒的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请的低排放燃烧室火焰筒结构示意图。

图2为本申请的衬套组件结构示意图。

图3为本申请的定位槽示意图。

图4为本申请的火焰筒组件结构示意图。

图5为本申请的异形定位销示意图。

图6a为本申请的冷却孔顺排示意图。

图6b为本申请的冷却孔叉排示意图。

附图标记：

1-衬套组件

11-衬套直段

12-衬套渐变段

26-安装边

14-冷却套管

15-异形冷却套筒

16-定位槽

17-异形定位销

18-垫片

2-火焰筒组件

21-火焰筒直段

22-火焰筒渐变段

23-火焰筒头锥环

24-头锥外壁

25-头锥内壁

26-头锥冷却孔

27-定位块

28-火焰筒冷却孔

29-缝隙

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例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了克服现有技术中所指出的缺点，本申请中提出了一种低排放燃烧室火焰筒，该燃烧室火焰筒采用套管式冲击冷却方案，具有冷却效率高、结构及加工简单等特点。

如图1所示，本申请提供的低排放燃烧室火焰筒主要包括衬套组件1和火焰筒组件2。衬套组件1和火焰筒组件2通过异形定位销17和垫片18进行连接，其中，垫片18主要实现密封作用，防止空气泄漏。

如图2所示，该衬套组件1主要由衬套直段11、衬套渐变段12及安装边13构成。衬套直段11和衬套渐变段12沿着轴线方向依次连接，安装边13固定设置在衬套直段11的前端。衬套直段11、衬套渐变段12和安装边13可通过焊接方式实现固定。安装边3通过连接件实现低排放燃烧室火焰筒与其它组件的安装。

在衬套直段11上设有多个通孔，冷却套管14安装在衬套直段11的该通孔内，冷却气通过冷却套管14可以对衬套直段11包裹的火焰筒直段21进行冲击冷却，从而降低火焰筒直段21的壁面温度。

在衬套渐变段12上也设有多个通孔，异形冷却套管15安装在衬套渐变段12的该通孔上，冷却气通过该异形冷却套管15可以对衬套渐变段12大致包裹的火焰筒渐变段22进行冲击冷却，从而降低火焰筒渐变段22的壁面温度。

在衬套直段11的前端内侧具有定位槽16，定位槽16沿着轴线方向延伸。该定位槽16用于与火焰筒组件2中的定位块27进行配合，从而实现火焰筒组件2与衬套组件1的连接。如图3所示即为本申请一实施例中的定位槽16结构示意图，该定位槽16为燕尾型槽。

如图4所示，火焰筒组件2主要由火焰筒直段21、火焰筒渐变段22及火焰筒头锥环23。火焰筒直段21和火焰筒渐变段22沿着轴线方向依次连接，火焰筒头锥环23固定设置在火焰筒直段21的前端内侧。火焰筒直段21、火焰筒渐变段22及火焰筒头锥环23可通过焊接的方向实现固定。

火焰筒直段21的前端外侧固定设置有定位块27，定位块27的形状适配于定位槽16。定位块27沿着轴线方向可安装至衬套组件1的定位槽16中，异形定位销17穿过衬套直段11前端的安装孔及安装孔上设置的垫片18，从而实现将衬套组件1和火焰筒组件2的轴向定位和周向定位。

如图5所示的异形定位销17截面示意图，异形定位销17的右侧具有矩形切面，该矩形切面与定位块27配合，实现定位块27的限位。

继续参见图4所述，火焰筒头锥环23包括一收口状的圆弧前端231，自该圆弧前端231的外侧向火焰筒直段21方向延伸有头锥外壁24和头锥内壁25，头锥外壁24和头锥内壁25之间具有通道。头锥外壁24上设有多个头锥冷却孔26，且头锥外壁24与火焰筒直段21固定连接。例如，本申请图示实施例中，头锥外壁24的末端具有沿着轴线反方向的延长边，头锥外壁24通过该延长边与火焰筒直段21焊接固定。同时，头锥内壁25与火焰筒直段21非封闭连接，两者之间具有缝隙29。

此外，火焰筒直段21的前端具有火焰筒冷却孔28，该火焰筒冷却孔28与头锥外壁24和头锥内壁25构成的通道连通，且基本被头锥内壁25的延长边所包裹覆盖。

在该低排放燃烧室火焰筒工作时，冷却空气通过冷却套管14和异形冷却套管15对火焰筒直段21和火焰筒渐变段22进行冲击冷却。少量冷却空气通过头锥外壁24上的头锥冷却孔26，对头锥内壁25进行冲击冷却，降低头锥内壁25的壁面温度，之后从头锥内壁25与火焰筒直段21之间缝隙29流出。同时，衬套组件1与火焰筒组件2之间的通道内的少量冷却空气通过火焰筒直段21上的火焰筒冷却孔28，对头锥内壁25进行冲击冷却，降低头锥内壁25的壁面温度。通过头锥冷却孔26和火焰筒冷却孔28对头锥内壁25进行冲击冷却的空气，最终从由头锥内壁25和火焰筒直段21之间的狭小缝隙29中贴壁流出，对火焰筒内的主流空气不产生影响。圆弧前端231、头锥内壁25、火焰筒直段21和火焰筒渐变段22形成火焰筒内流道面，与头部旋流空气共同形成回流区，实现稳定燃烧。

相比于传统方式中冲击冷却空气进入衬套组件1与火焰筒组件2之间的夹层通道后逐渐聚集，聚集后的气流在夹层通道内加速，影响冲击冷却空气的冷却效果的问题，本申请中通过采用冷却套管14和异形冷却套管15延伸冷却空气深度，可提高冲击冷却空气的气流穿透深度，减弱了夹层通道气流的影响作用，进一步提升冲击冷却的效果。

在本申请一些实施例中，冷却套管14沿火焰筒轴线方向的排数或圈数为多个，通常可以为1～50排/圈，例如本申请图示实施例中，冷却套管14为7圈，而冷却套管14沿圆周方向的数量(即每圈的数量)可以为1～50个。同时，沿轴线方向相邻的冷却套管14可以顺排，也可以叉排，每圈内的冷却套管14的长度可以相同，也可以不同。如图6a和图6b所示，所述顺排指的是每圈内的冷却套筒14在轴线方向上共线，且在周向上也共线；而所述叉排指的是每圈内的冷却套筒14在轴线方向上共线，但在周向上不共线。

类似的，异形冷却套管15沿火焰筒轴线方向的排数或圈数为多个，通常可以为1～30排/圈)，例如本申请图示实施例中，异形冷却套管15为2圈，而异形冷却套管15沿圆周方向的数量可以为1～50个。同时，沿轴线方向相邻的异形冷却套管15可以顺排，也可以叉排，每圈内的异形冷却套管15的长度与倾斜角度可以相同，也可以不同。在本申请优选实施例中，异形冷却套管15垂直于火焰筒渐变段12。

另外，在本申请一些实施例中，头锥冷却孔26沿火焰筒轴线方向的圈数/排数为多个，通常可以为1～20排，例如本申请图示实施例中，头锥冷却孔26为3圈/排，而头锥冷却孔26沿圆周方向的数量可以为1～50个。同时，沿火焰筒轴线方向相邻的头锥冷却孔26可以顺排，也可以叉排。

在本申请一些实施例中，头锥内壁25和头锥外壁24可以为等距布局——即头锥内壁25与头锥外壁24之间的间距相同，当然头锥内壁25和头锥外壁24也可以为非等距布局。头锥内壁25和火焰筒直段24呈一定角度的夹角，该夹角通常可以为20°～180°，例如本申请图示实施例中，头锥内壁25和火焰筒直段24呈120°夹角。

在本申请一些实施例中，火焰筒渐变段22可以为收敛型式，也可以为扩张型式，其取决于后端组件的结构尺寸，该渐变角度可以为0°～180°。

类似的，衬套渐变段12可以为收敛型式，也可以为扩张型式，其取决于后端组件的结构尺寸和火焰筒渐变段22的结构型式，渐变角度可以为0°～180°。通常情况下，衬套渐变段12的渐变角度小于火焰筒渐变段22的渐变角度。

在本申请一些实施例中，定位槽16、定位块27、异形定位销17和垫片18的数量一致，例如，在本申请该实施例中，前述部件的沿圆周方向布置的数量为3个，优选的可以进行均布，但在一些情况下，前述部件也可以不均布。

本申请提出的低排放燃烧室火焰筒通过冷却套管对火焰筒壁进行冲击冷却，增加了冷却气流的射流穿透深度，减弱了夹层通道中气流的影响作用，增强了火焰筒壁面的换热效果，冷却效率高，冷却效果好，可以适应整机提高压气机增压比所导致的燃烧室进口温度提高对火焰筒冷却不利的影响，可以适应低排放燃烧室冷却空气比例大幅降低的不利因素，进一步提高低排放燃烧室火焰筒的使用寿命。同时，该燃烧室火焰筒的内流道零组件结构简单，加工方便，可以很好地维持内流道面形态的稳定性，节约生产加工成本。

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 (8)

1.一种低排放燃烧室火焰筒，其特征在于，所述燃烧室火焰筒包括衬套组件（1）和火焰筒组件（2），其中：

所述衬套组件（1）包括衬套直段（11）、衬套渐变段（12）及安装边（13），所述衬套直段（11）和衬套渐变段（12）沿着轴线方向依次连接，所述安装边（13）固定设置在所述衬套直段（11）的前端；在所述衬套直段（11）和所述衬套渐变段（12）上设有一个或多个通孔，第一冷却套管安装在所述衬套直段（11）的通孔内，第二冷却套管安装在衬套渐变段（12）的通孔内；其中，所述衬套直段（11）的前端内侧具有沿着轴线方向延伸的定位槽（16），通过所述定位槽（16）与所述火焰筒组件（2）中的定位块（27）进行配合，实现所述火焰筒组件（2）与衬套组件（1）的连接；

所述火焰筒组件（2）包括火焰筒直段（21）、火焰筒渐变段（22）及火焰筒头锥环（23），所述火焰筒直段（21）和火焰筒渐变段（22）沿着轴线方向依次连接，所述火焰筒头锥环（23）固定设置在所述火焰筒直段（21）的前端内侧；所述火焰筒直段（21）的前端外侧固定设置有形状适配于定位槽（16）的定位块（27），所述定位块（27）沿着轴线方向安装至所述定位槽（16）中，通过异形定位销（17）穿过所述衬套直段（11）前端的安装孔及安装孔上设置的垫片（18），从而实现将衬套组件（1）和火焰筒组件（2）的轴向定位和周向定位；所述火焰筒头锥环（23）包括一收口状的圆弧前端（231），自所述圆弧前端（231）的外侧向所述火焰筒直段（21）方向延伸有头锥外壁（24）和头锥内壁（25），所述头锥外壁（24）和头锥内壁（25）之间形成通道，所述头锥外壁（24）与火焰筒直段（21）固定连接，所述头锥内壁（25）与火焰筒直段（21）之间具有缝隙（29）；所述头锥外壁（24）上设有一个或多个头锥冷却孔（26），通过所述头锥冷却孔（26）实现冷却空气对所述头锥内壁（25）的冲击冷却；所述火焰筒直段（21）的前端具有火焰筒冷却孔（28），所述火焰筒冷却孔（28）与头锥外壁（24）和头锥内壁（25）构成的通道连通，用于对所述头锥内壁（25）的冲击冷却。

2.如权利要求1所述的低排放燃烧室火焰筒，其特征在于，所述第一冷却套管沿火焰筒轴线方向的圈数为一圈或多圈，且沿圆周方向上每圈的冷却套管的数量也为一个或多个。

3.如权利要求1所述的低排放燃烧室火焰筒，其特征在于，所述异形定位销（17）面向定位块（27）的一侧具有矩形切面，所述矩形切面与定位块（27）配合，实现所述定位块（27）的限位。

4.如权利要求1所述的低排放燃烧室火焰筒，其特征在于，所述头锥冷却孔（26）沿火焰筒轴线方向的圈数为一圈或多圈，沿圆周方向的头锥冷却孔（26）数量为1个或多个。

5.如权利要求4所述的低排放燃烧室火焰筒，其特征在于，沿火焰筒轴线方向的头锥冷却孔（26）圈数为1圈~20圈，沿圆周方向上每圈的头锥冷却孔（26）数量为1个~50个。

6.如权利要求4或5所述的低排放燃烧室火焰筒，其特征在于，沿轴线方向相邻的头锥冷却孔（26）为顺排或叉排。

7.如权利要求1所述的低排放燃烧室火焰筒，其特征在于，所述头锥内壁（25）和头锥外壁（24）之间的间距相同或不相同。

8.如权利要求1所述的低排放燃烧室火焰筒，其特征在于，所述火焰筒渐变段（22）和所述衬套渐变段（12）的型式包括收敛型式和扩张型式，且两者的型式相同。

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