CN115682031A

CN115682031A - 一种双工质燃烧室及燃气轮机

Info

Publication number: CN115682031A
Application number: CN202211203796.1A
Authority: CN
Inventors: 段萌珠
Original assignee: Xingchen Mengxiang Technology Beijing Co ltd
Current assignee: Xingchen Mengxiang Technology Beijing Co ltd
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本申请公开了一种双工质燃烧室及燃气轮机，该双工质燃烧室包括：火焰筒包括依次连通的第一掺混区、主燃区、第二掺混区以及出气口，火焰筒上开设有第一掺混孔与第二掺混孔，第一掺混孔与第一掺混区连通，第二掺混孔与第二掺混区连通。第一外壳环绕火焰筒设置并与火焰筒之间配合形成具有第一开口的第一外流道，第一开口用于通入空气，第一外流道与第一掺混孔连通。第二外壳环绕火焰筒外对应主燃区与第二掺混区的部分设置并与火焰筒之间配合形成具有第二开口的第二外流道，第二开口用于通入第二工质，第二工质为气体或者加热后可相变为气体的物质，第二外流道与第二掺混孔连通。该双工质燃烧室室可提高热量利用率以及出气口喷出的气体流量与压力。

Description

一种双工质燃烧室及燃气轮机

技术领域

本申请涉及热机技术领域，尤其涉及一种双工质燃烧室及燃气轮机。

背景技术

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，并配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统，它以空气为介质，是一种将燃料燃烧产生的热能转换成机械功对外输出的回转式动力机械。其工作过程如下：靠涡轮驱动而旋转的压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩升压，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧，成为高温燃气后流入涡轮中膨胀做功，做功后的燃气压力降至大气压力最终排入大气。燃烧加热升温后形成的高温燃气，其做功能力大大提高，使涡轮的出功明显大于压气机耗功，有较多富余的功对外输出以驱动负载。

燃气轮机由于其紧凑、高功率、易安装等优点，已经使它成为一种广泛使用的动力机械设备，然而单独的燃气轮机具有有限的效率，无法满足高效率场合的使用需求。

因此，亟需提出一种新的技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种双工质燃烧室，该双工质燃烧室室可提高热量利用率以及出气口喷出的气体流量与压力。

第一个方面，本申请提供了一种双工质燃烧室。该双工质燃烧室包括火焰筒、第一外壳、第二外壳、喷嘴以及点火器，火焰筒包括依次连通的第一掺混区、主燃区、第二掺混区以及出气口，所述火焰筒上开设有第一掺混孔与第二掺混孔，第一掺混孔与第一掺混区连通，第二掺混孔与第二掺混区连通。第一外壳环绕所述火焰筒设置并与所述火焰筒之间配合形成具有第一开口的第一外流道，所述第一开口用于通入空气，所述第一外流道与所述第一掺混孔连通。第二外壳环绕所述火焰筒外对应所述主燃区与所述第二掺混区的部分设置，并与所述火焰筒之间配合形成具有第二开口的第二外流道，所述第二开口用于通入第二工质，所述第二工质为气体或者加热后可相变为气体的物质，所述第二外流道与所述第二掺混孔连通。喷嘴与所述火焰筒连接，用于向所述第一掺混区内通入燃料。点火器与所述火焰筒或所述第一外壳连接，用于点燃第一掺混区内的燃料。

进一步地，所述火焰筒对应所述主燃区的外表面分布有多个第一加热凸起。

进一步地，所述火焰筒对应所述第二掺混区的外表面分布有多个第二加热凸起。

进一步地，所述第二掺混孔在沿所述第二掺混区的延伸方向排成多排，相邻两排的所述第二掺混孔在所述第二掺混区的延伸方向上交错排布。

进一步地，所述第二掺混孔的轴心与所述第二掺混区的延伸方向的夹角为30-90°。

进一步地，所述火焰筒还包括第三掺混区，所述第二掺混区、所述第三掺混区与所述出气口依次连通，所述火焰筒上开设有第三掺混孔，所述第三掺混孔与所述第一外流道连通。

进一步地，所述第三掺混孔在沿所述第三掺混区的延伸方向排成多排，相邻两排的所述第三掺混孔在所述第三掺混区的延伸方向上交错排布。

进一步地，所述第三掺混孔的轴心与所述第三掺混区的延伸方向的夹角为30-90°。

进一步地，所述火焰筒为环形火焰筒，所述环形火焰筒包括外筒、内筒、尾板与隔板，所述外筒套设在所述内筒外，尾板分别连接所述内筒与所述外筒，所述外筒与所述内筒向内弯折以使所述出气口朝向所述尾板的方向；所述隔板的一端连接所述外筒，另一端向所述尾板的方向延伸，以使火焰筒内形成依次连通的所述第一掺混区、主燃区以及所述第二掺混区。

第二方面，本申请还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括转轴、压气机、涡轮以及第一方面任一实施例中所述的双工质燃烧室，所述压气机与所述涡轮套设在所述转轴上，所述压气机与所述双工质燃烧室的第一外流道的第一开口连通，所述涡轮与所述双工质燃烧室的出气口相对。

在本申请实施例中，通过在火焰筒外设置第二外壳，形成与主燃区相邻的第二外流道，主燃区散发的热量可对第二外流道内第二工质进行加热，形成高温高压气体，即将主燃区以散热损失掉的能量，通过第二工质进行吸收后，再与主燃区产生的高温高压烟气掺混后喷出做功，一方面可提高热效率，另一方面增加了火焰筒出气口喷出的气体流量与气体压力，可提高涡轮、活塞膨胀机等做功机械部件的效率。同时，第二外流道内的第二工质通入第二掺混区时与隔板接触，可对隔板进行冷却，保护隔板结构，延长隔板使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请实施例提供的燃烧室的示意图。

附图标记说明：

100、火焰筒；200、喷嘴；300、第一外壳；400、第二外壳；110、外筒；120、内筒；130、尾板；140、隔板；150、出气口；160、第一掺混区；170、主燃区；180、第二掺混区；111、第一掺混孔；121、第二掺混孔；500、第一外流道；510、第一开口；600、第二外流道；610、第二开口；122、第二加热凸起；190、第三掺混区；112、第三掺混孔。

具体实施方式

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描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“一级”、“二级”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一方面，本申请提供了一种双工质燃烧室，该双工质燃烧室包括火焰筒100、第一外壳300、第二外壳400、喷嘴200以及点火器，火焰筒100包括依次连通的第一掺混区160、主燃区170、第二掺混区180以及出气口150，所述火焰筒100上开设有第一掺混孔111与第二掺混孔121，第一掺混孔111与第一掺混区160连通，第二掺混孔121与第二掺混区180连通。第一外壳300环绕所述火焰筒100设置并与所述火焰筒100之间配合形成具有第一开口510的第一外流道500，所述第一开口510用于通入空气，所述第一外流道500与所述第一掺混孔111连通。第二外壳400环绕所述火焰筒100外对应所述主燃区170与所述第二掺混区180的部分设置，并与所述火焰筒100之间配合形成具有第二开口610的第二外流道600，所述第二开口610用于通入第二工质，所述第二工质为气体或者加热后可相变为气体的物质，所述第二外流道600与所述第二掺混孔121连通。喷嘴200与所述火焰筒100连接，用于向所述第一掺混区160内通入燃料。点火器与所述火焰筒100或所述第一外壳300连接，用于点燃第一掺混区160内的燃料。

上述第二外壳400环绕火焰筒100外对应主燃区170与第二掺混区180的部分设置，应理解为，第二外流道600与主燃区170和第二掺混区180之间隔着火焰筒100的筒体相邻，火焰筒100内主燃区170散发的热量可进入第二外流道600。

在上述实施过程中，喷嘴200向第一掺混区160内喷入燃料，由于第一外流道500通过第一掺混孔111与第一掺混区160连通，因此空气即第一工质可通过第一外流道500的第一开口510进入第一外流道500，然后通过第一掺混孔111进入第一掺混区160内，与燃料进行掺混，点火器对燃料进行点燃，燃料在主燃区170进行主要燃烧，产生高温高压烟气，之后高温高压烟气流入第二掺混区180。同时第二工质从第二开口610进入第二外流道600，主燃区170散发的热量对第二工质进行加热。若第二工质为氮气、水蒸气、二氧化碳等气体，经过加热后，膨胀形成高温高压气体；若第二工质为水、干冰、液氮等加热后可相变为气体的物质，经过加热吸收热量后，形成高温高压气体。第二外流道600内产生的高温高压气体通过第二掺混孔121高速喷入第二掺混区180内，与第二掺混区180内的高温高压烟气进行掺混，掺混后的混合烟气从出气口150喷出，喷向涡轮、活塞膨胀机、涡旋膨胀机等可将流动工质的能量转换为机械功的机械部件进行做功。

现有的火焰筒100主燃区170产生的热量中一部分热量通过火焰筒100散发到火焰筒100周围的空气中的形式损失掉了。本申请上述实施例通过在火焰筒100外设置第二外壳400，形成与主燃区170相邻的第二外流道600，主燃区170散发的热量可对第二外流道600内第二工质进行加热，形成高温高压气体，即将主燃区170以散热损失掉的能量，通过第二工质进行吸收后，再与主燃区170产生的高温高压烟气掺混后喷出做功，一方面可提高热效率，另一方面增加了火焰筒100出气口150喷出的气体流量与气体压力，可提高涡轮、活塞膨胀机等做功机械部件的效率。因此，当该双工质燃烧室应用于燃气轮机时，可有效提高燃气轮机的效率，使得燃气轮机能够满足高效率场合的使用需求。

进一步地，所述火焰筒100为环形火焰筒100，所述环形火焰筒100包括外筒110、内筒120、尾板130与隔板140，所述外筒110套设在所述内筒120外，尾板130分别连接所述内筒120与所述外筒110，所述外筒110与所述内筒120向内弯折以使所述出气口150朝向所述尾板130的方向；所述隔板140的一端连接所述外筒110，另一端向所述尾板130的方向延伸，以使火焰筒100内形成依次连通的所述第一掺混区160、主燃区170以及所述第二掺混区180。

第二外流道600内的气体通入第二掺混区180时与隔板140接触，可对隔板140进行冷却，保护隔板140结构，延长隔板140使用寿命。

在一种可能的实施方式中，所述火焰筒100对应所述主燃区170的外表面分布有多个第一加热凸起。

在上述实施过程中，第一加热凸起可增加第二工质与火焰筒100对应主燃区170处的接触面积，提高对第二外流道600内的第二工质的加热效果，增加气态的第二工质或者相变为气体的第二工质能量，进而提高火焰筒100出气口150处的气体流量和压力。

在一种可能的实施方式中，所述火焰筒100对应所述第二掺混区180的外表面分布有多个第二加热凸起122。

在上述实施过程中，第二加热凸起122可增加第二外流道600内火焰筒100的表面积，提高对第二外流道600内的气体的加热效果，增加其能量或压力，进而提高火焰筒100出气口150处的气体流量和压力。

在一种可能的实施方式中，所述第二掺混孔121在沿所述第二掺混区180的延伸方向排成多排，相邻两排的所述第二掺混孔121在所述第二掺混区180的延伸方向上交错排布。

在上述实施过程中，若干第二掺混孔121排成多排，相邻两排第二掺混孔121在轴向上错开排布。第二工质相变后形成的高温或高压气体从第二掺混孔121喷进第二掺混区180，在第二掺混区180内形成高压气柱，设置第二掺混孔121交错排布，可增加来自主燃区170的高温高压烟气与相变形成的高温或高压气体之间的碰撞与接触，提高两者之间的掺混均匀度，利于吹向涡轮做功。

在一种可能的实施方式中，所述第二掺混孔121的轴心与所述第二掺混区180的延伸方向的夹角为30-90°。

在上述实施过程中，将第二掺混孔121的轴心与所述第二掺混区180的延伸方向的夹角限定为30-90°，可使得第二掺混孔121进入的气体能够与来自主燃区170的高温烟气以一定夹角进行对冲，提高掺混效果。

在一种可能的实施方式中，所述火焰筒100还包括第三掺混区190，所述第二掺混区180、所述第三掺混区190与所述出气口150依次连通，所述火焰筒100上开设有第三掺混孔112，所述第三掺混孔112与所述第一外流道500连通。

在上述实施过程中，在第二掺混区180与出气口150之间设置第三掺混区190，并通过第三掺混孔112将第一外流道500内的空气通入第三掺混区190内，与来自第二掺混区180的高温高压气体，进一步掺混，并对其进行冷却，利于其吹向涡轮做功。

在一种可能的实施方式中，所述第三掺混孔112在沿所述第三掺混区190的延伸方向排成多排，相邻两排的所述第三掺混孔112在所述第三掺混区190的延伸方向上交错排布。

在上述实施过程中，第一外流道500内的空气通过第三掺混孔112进入第三掺混区190，在第三掺混区190内形成高压气柱，设置第三掺混孔112交错排布，可增加来自第二掺混区180的高温高压混合烟气与空气之间的碰撞与接触，提高两者之间的掺混均匀度，利于吹向涡轮做功。

在一种可能的实施方式中，所述第三掺混孔112的轴心与所述第三掺混区190的延伸方向的夹角为30-90°。

在上述实施过程中，将第三掺混孔112的轴心与所述第三掺混区190的延伸方向的夹角限定为30-90°，可使得第三掺混孔112进入的空气能够与来自第二掺混区180的高温高压混合烟气以一定夹角进行对冲，提高掺混效果。

第二方面，本申请还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括转轴、压气机、涡轮以及第一方面任一实施例中所述的双工质燃烧室，所述压气机与所述涡轮套设在所述转轴上，所述压气机与所述双工质燃烧室的第一外流道500的第一开口510连通，所述涡轮与所述双工质燃烧室的出气口150相对。

在上述实施过程中，采用上述双工质燃烧室可有效提高燃气轮机的效率与热效率。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

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所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如一级和二级等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims

1.一种双工质燃烧室，其特征在于，包括：

火焰筒，包括依次连通的第一掺混区、主燃区、第二掺混区以及出气口，所述火焰筒上开设有第一掺混孔与第二掺混孔，第一掺混孔与第一掺混区连通，第二掺混孔与第二掺混区连通；

第一外壳，环绕所述火焰筒设置并与所述火焰筒之间配合形成具有第一开口的第一外流道，所述第一开口用于通入空气，所述第一外流道与所述第一掺混孔连通；

第二外壳，环绕所述火焰筒外对应所述主燃区与所述第二掺混区的部分设置，并与所述火焰筒之间配合形成具有第二开口的第二外流道，所述第二开口用于通入第二工质，所述第二工质为气体或者加热后可相变为气体的物质，所述第二外流道与所述第二掺混孔连通；

喷嘴，与所述火焰筒连接，用于向所述第一掺混区内通入燃料；

点火器，与所述火焰筒或所述第一外壳连接，用于点燃第一掺混区内的燃料。

2.根据权利要求1所述的双工质燃烧室，其特征在于，所述火焰筒对应所述主燃区的外表面分布有多个第一加热凸起。

3.根据权利要求1所述的双工质燃烧室，其特征在于，所述火焰筒对应所述第二掺混区的外表面分布有多个第二加热凸起。

4.根据权利要求1所述的双工质燃烧室，其特征在于，所述第二掺混孔在沿所述第二掺混区的延伸方向排成多排，相邻两排的所述第二掺混孔在所述第二掺混区的延伸方向上交错排布。

5.根据权利要求1所述的双工质燃烧室，其特征在于，所述第二掺混孔的轴心与所述第二掺混区的延伸方向的夹角为30-90°。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的双工质燃烧室，其特征在于，所述火焰筒还包括第三掺混区，所述第二掺混区、所述第三掺混区与所述出气口依次连通，所述火焰筒上开设有第三掺混孔，所述第三掺混孔与所述第一外流道连通。

7.根据权利要求6所述的双工质燃烧室，其特征在于，所述第三掺混孔在沿所述第三掺混区的延伸方向排成多排，相邻两排的所述第三掺混孔在所述第三掺混区的延伸方向上交错排布。

8.根据权利要求6所述的双工质燃烧室，其特征在于，所述第三掺混孔的轴心与所述第三掺混区的延伸方向的夹角为30-90°。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的双工质燃烧室，其特征在于，所述火焰筒为环形火焰筒，所述环形火焰筒包括外筒、内筒、尾板与隔板，所述外筒套设在所述内筒外，尾板分别连接所述内筒与所述外筒，所述外筒与所述内筒向内弯折以使所述出气口朝向所述尾板的方向；所述隔板的一端连接所述外筒，另一端向所述尾板的方向延伸，以使火焰筒内形成依次连通的所述第一掺混区、主燃区以及所述第二掺混区。

10.一种燃气轮机，其特征在于，包括转轴、压气机、涡轮以及权利要求1-9任意一项所述的双工质燃烧室，所述压气机与所述涡轮套设在所述转轴上，所述压气机与所述双工质燃烧室的第一外流道的第一开口连通，所述涡轮与所述双工质燃烧室的出气口相对。