CN116293790A - 一种隔热屏与火焰筒一体化结构及方法 - Google Patents
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Abstract
一种隔热屏与火焰筒一体化结构及方法，涉及燃气轮机燃烧室领域，目的是为了解决现有的燃烧室组装工序复杂、燃烧室应力分布不均匀的问题。上述结构中的隔热屏和火焰筒为一体化结构，隔热屏表面与火焰筒内剪切层的形状相吻合，隔热屏中央设置主流空气入口，主流空气入口周围设置冷却孔，隔热屏边缘设置纰缝，纰缝与火焰筒相连接，并且隔热屏靠近火焰筒的头部。上述方法包括：根据火焰筒内剪切层的形态确定隔热屏的表面形状，以使隔热屏表面形状与剪切层相吻合；确定隔热屏的位置、隔热屏上冷却孔及纰缝的尺寸和位置；加工隔热屏与火焰筒。本发明简化了燃烧室组装工序，有效减轻了燃烧室应力分布不均匀的问题，适用于各种类型的燃气轮机燃烧室。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧室领域。
背景技术
旋流器、隔热屏和火焰筒是燃气轮机燃烧室的三大核心部件，其中旋流器是通用部件，可以装载到不同的燃烧室中。在进行燃烧室实验时，需要对隔热屏和火焰筒等部件分别加工，再进行安装，这种方式不仅工序复杂，而且极有可能造成燃烧室应力分成不均匀。因此，如何减少工序、降低安装部件的应力带来的影响成为目前探索的一个方向。
发明内容
为此，本发明提供了一种隔热屏与火焰筒一体化结构及方法，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种隔热屏与火焰筒一体化结构，包括：隔热屏和火焰筒，所述隔热屏和火焰筒为一体化结构，所述隔热屏的表面与所述火焰筒内剪切层的形状相吻合，所述隔热屏的中央设置主流空气入口，所述主流空气入口周围设置有冷却孔，所述隔热屏的边缘设置纰缝，所述纰缝与所述火焰筒相连接，并且所述隔热屏靠近所述火焰筒的头部。
可选地，在根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化结构中，所述隔热屏的表面由抛物线绕轴线旋转而成，所述轴线为与所述火焰筒相连接的旋流器出口的轴线。
可选地，在根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化结构中，所述隔热屏和火焰筒通过焊接的方式形成一体化结构。
可选地，在根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化结构中，所述隔热屏与火焰筒一体化结构通过3D打印方式进行加工。
可选地，在根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化结构中，所述冷却孔的间距为所述冷却孔孔径的3~5倍。
可选地，在根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化结构中，所述纰缝的面积为所述冷却孔面积的3~5倍。
根据本发明的另一个方面，提供了一种隔热屏与火焰筒一体化方法，包括：根据所述火焰筒内剪切层的形态确定所述隔热屏的表面形状，以使所述隔热屏的表面形状与所述剪切层相吻合；确定所述隔热屏在轴线方向的位置，所述轴线为与所述火焰筒相连接的旋流器出口的中心线；确定所述隔热屏上冷却孔的尺寸和位置；确定所述隔热屏上纰缝的尺寸和位置；以及加工所述隔热屏与火焰筒，得到一体化结构的隔热屏与火焰筒。
可选地，在根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化方法中，所述根据所述火焰筒内剪切层的形态确定所述隔热屏的表面形状，以使所述隔热屏的表面形状与所述剪切层相吻合包括：将所述隔热屏的表面形状设置为由抛物线绕所述轴线旋转所形成的曲面，并设置所述抛物线的曲线饱满值；模拟在所述隔热屏条件下剪切层的形态；以及根据所述剪切层的形态更新所述抛物线的参数和曲线饱满值，并返回所述模拟在所述隔热屏条件下剪切层的形态的步骤，直至所述隔热屏的表面与所述剪切层相吻合。
可选地，在根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化方法中，所述冷却孔排列成多个相互嵌套的圆形，所述多个圆形的圆心位于所述轴线上。
可选地，在根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化方法中，所述纰缝位于所述隔热屏的边缘、并且位于所述隔热屏与所述火焰筒的连接处。
根据本发明的隔热屏与火焰筒一体化结构及方法，能够实现以下有益效果中的至少一种：一体化结构的隔热屏与火焰筒不仅能够减少燃烧室安装工序，减少连接部件的数量，降低了燃烧室的整体重量，而且能够降低由于安装而产生的热应力不均匀所带来的影响。此外，本发明在曲面隔热屏上设置了纰缝，能够有效消除火焰筒头部的冷空气旋涡，减小了压力损失，降低污染物的排量，纰缝处的气膜与其他位置的气膜能够互相连接，有效防止头部被烧蚀；通过火焰筒上冷却孔的合理布置，对火焰筒壁面的高温区形成有效且均匀的冷却，降低了温度不均匀带来的热应力，大大延长了燃烧室各部件的寿命。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的一种隔热屏与火焰筒一体化结构的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的一种隔热屏与火焰筒一体化结构与旋流器组装后的示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的一种隔热屏与火焰筒一体化方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
针对现有的燃烧室组装工序复杂、燃烧室应力分布不均匀的问题，本发明提供了一种隔热屏与火焰筒一体化结构及方法。
如图1和图2所示，本实施例的隔热屏与火焰筒一体化结构包括隔热屏1和火焰筒2，隔热屏1和火焰筒2可以通过焊接形成一体化结构，也可以通过3D打印技术直接获得隔热屏与火焰筒的一体化结构。
火焰筒2的头部连接旋流器3。隔热屏1的表面为碗状曲面，由抛物线绕旋流器3出口处的轴线旋转而成，并且曲面形状与燃烧室内剪切层的形状相吻合。隔热屏1的中央设置主流空气入口13，主流空气入口13的周围设置有冷却孔11，在隔热屏1的边缘上、并且在与火焰筒2连接的位置设置有纰缝12。如图2所示，与常规的燃气轮机燃烧室相比，本申请实施例的隔热屏1更靠近火焰筒2头部，这样可以扩大主燃区空间，燃烧更加完全，降低污染物排放。
空气从旋流器3出口流出后，通过主流空气入口13、冷却孔11和纰缝12进入火焰筒2。通过冷却孔11进入的空气会在隔热屏1表面形成一层气膜，相邻冷却孔11间距过大会导致各冷却孔11所形成的气膜无法相互连接，相邻冷却孔11间距过小会导致气膜无法完全覆盖火焰筒2头部的高温区位置。因此，本实施例中相邻冷却孔11的间距设置为冷却孔11孔径的3~5倍，以保证各冷却孔形成的气膜能够相互连接成一片，并且能够完全覆盖火焰筒2头部的高温区位置。
常规的隔热屏只能起到保护火焰筒2头部的作用，而本实施例的隔热屏1的表面形状与燃烧室内剪切层外侧的形状相同，并且隔热屏1的外边缘与火焰筒2相接，所产生的剪切层紧邻隔热屏1，使得剪切层与隔热屏1之间很难形成空气旋涡，即便能够形成空气旋涡，从纰缝12进入的空气也会使空气旋涡改变流动方向，进而被剪切层吸收并参与燃烧。可见，本实施例的隔热屏不仅能够防止火焰筒2头部被高温气体灼烧，还能够将冷空气旋涡彻底耗散掉，降低了压力损失，参与燃烧的空气增多，燃料燃烧更加充分，燃烧室出口的温度分布更加均匀，排放的污染物明显减少。此外，火焰筒2壁面上也布置有气孔21，从纰缝12、隔热屏1上的冷却孔11、以及气孔21进入的空气均能够形成气膜，三部分气膜相互连接，能够对整个火焰筒2形成更全面的保护。
本实施例的隔热屏1应当尽量贴近火焰筒2的头部。隔热屏1与火焰筒2头部之间的距离越小，经过冷却孔11的空气的流速就越高，所形成的气膜也就越薄，能够更加有效地降低火焰筒2头部壁面、以及火焰筒2与隔热屏1连接处的热应力。另外，隔热屏1越靠近火焰筒2的头部，也就越远离燃烧室的出口，气体在燃烧室出口的分布也相对更加均匀，出口温度分布也会更加均匀。
本实施例还提供了一种隔热屏与火焰筒一体化方法，如图3所示，方法包括以下步骤一至步骤五。
步骤一、根据火焰筒2内剪切层的形态确定隔热屏1的表面形状，以使隔热屏1的表面形状与剪切层相吻合。由于剪切层外侧形态接近抛物线，因此，这一步骤首先需要将隔热屏1的表面形状设置为由抛物线绕轴线旋转所形成的曲面（轴线为与火焰筒2相连接的旋流器3出口的中心线），并为抛物线的曲线饱满值设定一个初始值，然后对采用了上述隔热屏1的燃烧室中剪切层的形态进行模拟，根据获得的剪切层的形态调整抛物线的具体参数和曲线饱满值，再一次模拟剪切层的形态，直至隔热屏1的表面与剪切层相吻合，以最大限度地压缩角涡，本实施例最终确定曲线饱满值为0.4～0.7。
步骤二、确定隔热屏1在轴线方向的位置，轴线为与火焰筒2相连接的旋流器3出口的中心线。这一步骤要综合考虑隔热屏1与火焰筒2头部壁面的间距对气膜的影响以及燃烧室内回流区与燃烧室出口的间距对出口处温度分布的影响，最终确定隔热屏1与火焰筒2前端的间距为火焰筒2头部在上述轴线方向上长度的1%~10%。
步骤三、确定隔热屏1上冷却孔11的尺寸和位置。冷却孔11的分布是根据燃烧室内温度分布情况来确定的，在对应火焰筒2头部壁面上温度较高的位置冷却孔11分布较密集，在对应火焰筒2头部壁面边缘的位置，冷却孔1分布相对稀疏。以图1所示的环形火焰筒（图1所示仅为环形火焰筒的一部分，若干个图1所示的结构依次相连，拼接成一个完整的环形火焰筒）为例，隔热屏1上共设置了五排冷却孔11，每一排都排列成圆形，并且各圆形的圆心都位于旋流器3出口处的轴线上，靠近主流空气入口13的四排冷却孔11均沿圆周方向均匀排列，而距离主流空气入口13最远的一排冷却孔11则分布在靠近隔热屏1的四个角的位置。不同类型的燃气轮机，冷却孔11的孔径也不同，根据实际需要确定冷却孔11的孔径。相邻冷却孔11的间距为冷却孔11孔径的3~5倍，以保证各冷却孔形成的气膜能够相互连接成一片，完全覆盖火焰筒2头部的高温区位置。
步骤四、确定隔热屏1上纰缝12的尺寸和位置。纰缝12的作用有两个，一是与冷却孔相同，用于在隔热屏1与火焰筒2的连接处形成气膜，二是改变空气旋涡的流向，使空气旋涡被耗散掉。纰缝12的位置设定在隔热屏1与火焰筒2的连接处，对于图1所示的环形火焰筒，纰缝12设置在隔热屏1的上下边缘，如果是单管火焰筒，隔热屏1的外边缘呈圆形，整个圆周均与火焰筒相连接，则纰缝12应当布满隔热屏1的外边缘。纰缝12的形状可以是方形、三角形或梯形等，本申请不对纰缝12形状做限定。单个纰缝12的面积应当为冷却孔11面积的3~5倍，这样能够确保有足够气量的空气能够从纰缝12进入，并且纰缝12处的气膜能够与其他位置的气膜连接起来，也能够确保空气旋涡被完全耗散掉。
步骤五、加工隔热屏1与火焰筒2，得到一体化结构的隔热屏与火焰筒。经过上述步骤一至步骤四，已经获得了隔热屏1与火焰筒2的具体结构，在步骤五中，加工隔热屏1与火焰筒2。具体方式可以是分别加工隔热屏1与火焰筒2，再将加工好的隔热屏1与火焰筒2进行焊接，得到一体化的结构，也可以采用3D打印的方式直接打印得到一体化结构的隔热屏1与火焰筒2。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种隔热屏与火焰筒一体化结构，包括：隔热屏和火焰筒，所述隔热屏和火焰筒为一体化结构，所述隔热屏的表面与所述火焰筒内剪切层的形状相吻合，所述隔热屏的中央设置主流空气入口，所述主流空气入口周围设置有冷却孔，所述隔热屏的边缘设置纰缝，所述纰缝与所述火焰筒相连接，并且所述隔热屏靠近所述火焰筒的头部。
2.如权利要求1所述的隔热屏与火焰筒一体化结构，其特征在于，所述隔热屏的表面由抛物线绕轴线旋转而成，所述轴线为与所述火焰筒相连接的旋流器出口的轴线。
3.如权利要求1或2所述的隔热屏与火焰筒一体化结构，其特征在于，所述隔热屏和火焰筒通过焊接的方式形成一体化结构。
4.如权利要求1或2所述的隔热屏与火焰筒一体化结构，其特征在于，所述隔热屏与火焰筒一体化结构通过3D打印方式进行加工。
5.如权利要求1所述的隔热屏与火焰筒一体化结构，其特征在于，所述冷却孔的间距为所述冷却孔孔径的3~5倍。
6.如权利要求5所述的隔热屏与火焰筒一体化结构，其特征在于，所述纰缝的面积为所述冷却孔面积的3~5倍。
7.一种隔热屏与火焰筒一体化方法，其特征在于，包括：
根据所述火焰筒内剪切层的形态确定所述隔热屏的表面形状，以使所述隔热屏的表面形状与所述剪切层相吻合；
确定所述隔热屏在轴线方向的位置，所述轴线为与所述火焰筒相连接的旋流器出口的中心线；
确定所述隔热屏上冷却孔的尺寸和位置；
确定所述隔热屏上纰缝的尺寸和位置；以及
加工所述隔热屏与火焰筒，得到一体化结构的隔热屏与火焰筒。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述火焰筒内剪切层的形态确定所述隔热屏的表面形状，以使所述隔热屏的表面形状与所述剪切层相吻合包括：
将所述隔热屏的表面形状设置为由抛物线绕所述轴线旋转所形成的曲面，并设置所述抛物线的曲线饱满值；
模拟在所述隔热屏条件下剪切层的形态；以及
根据所述剪切层的形态更新所述抛物线的参数和曲线饱满值，并返回所述模拟在所述隔热屏条件下剪切层的形态的步骤，直至所述隔热屏的表面与所述剪切层相吻合。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冷却孔排列成多个相互嵌套的圆形，所述多个圆形的圆心位于所述轴线上。
10.如权利要求7或9所述的方法，其特征在于，所述纰缝位于所述隔热屏的边缘、并且位于所述隔热屏与所述火焰筒的连接处。
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