CN202360225U - 燃气轮机波浪形扩压器 - Google Patents

Abstract

燃气轮机波浪形扩压器，涉及燃气轮机压气机扩压器的结构设计。该扩压器包括内壁面和外壁面，内壁面和外壁面在绕燃气轮机转子的圆周方向上具有波浪形型线；该波浪形型线在过渡段中心对应的周向位置，半径达到最小，处于波浪的波谷，在相邻过渡段之间窄缝的中心对应的周向位置，半径达到最大，对应波浪的波峰。该波浪形扩压器将来自其上游压气机的气流减速，在扩压器出口处形成半径、径向角度与燃烧器位置相配合的周期性变化，从而针对性地调节气流在周向上的分配和冲击位置，减小过渡段周围气流速度和压力的不均匀程度，可以有效提高过渡段冷却效率，同时减小气流在燃烧室腔内的流阻损失。

Description

燃气轮机波浪形扩压器

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机压气机扩压器，更具体地涉及用于提升工业燃气轮机燃烧室过渡段壁面冷却效果、减小燃烧室腔内气流损失的扩压器结构，属于燃气轮机燃烧室技术领域。

背景技术

工业燃气轮机中，常用的燃烧室结构为环管形燃烧室，多个燃烧器围绕燃气轮机转子以环形阵列的方式布置。压气机出口的压缩气体在火焰筒内与燃料混合，点火燃烧后形成高温燃气。火焰筒内的高温燃气随后进入透平，带动透平做功，其中部分功用于带动与之同轴相连的压气机，另一部分则驱动发电机发电。

燃烧室内的高温燃气是经由过渡段进入透平的。典型的火焰筒出口为圆形，而透平进口为矩形，因此，过渡段的横截面从进口至出口由圆形光滑过渡至矩形。同时，通常火焰筒所处半径大，而透平半径小，过渡段还存在明显的半径变化。复杂的几何结构和非常高的燃气温度使过渡段内的工作条件极其复杂，为防止过渡段因过热而烧毁，需要对过渡段的表面进行冷却。

燃烧室内参与燃烧和冷却的气流来源于其上游的压气机，扩压器位于压气机出口，其作用在于减小压气机出口的压缩气流流入燃烧室腔内的速度，一方面可以减小高压气流在腔内的损失，同时使燃烧室腔内的压力尽量均匀，便于燃烧器高温壁面，尤其是过渡段的冷却。

对于先进的工业燃气轮机，约有1/2的进入燃烧室环形腔的气流用于参与燃烧，另有1/4气流则用于稀释燃气，调节燃烧室内温度分布，以满足透平进口级效率和寿命的要求，还有一部分需用于冷却火焰筒壁面，因此，仅有少量气流可用于冷却过渡段。为用尽可能少的冷却气流实现过渡段的有效冷却，现在较为先进的燃气轮机中过渡段采用了诸如冲击冷却、发散冷却等冷却方式。其中冲击冷却的主要机制是，扩压器出口的气流撞击在表面布有多个冷却孔的冲击过渡段冷却衬套上，在内、外压差的作用下，气流通过冷却孔加速形成射流冲击在过渡段壁面，从而达到冷却过渡段的目的。扩散冷却与冲击冷却类似，只是在过渡段冷却衬套与过渡段壁面之间布置有肋片，用于加强冷却效果。

传统的扩压器出口径向高度、角度均固定不变，气流集中冲击在过渡段冷却衬套的下表面，随后绕流至相邻两个过渡段之间所形成的间隙内，使流动在间隙内加速，导致冲击点周围过度冷却，而未被冲击的过渡段两侧表面因气流加速而导致压差不足，冷却效果差。由于过渡段两侧表面是温度较高、应力集中的区域，冷却不足容易导致壁面出现裂纹。尤其当压气机出口速度较大时，例如大于130m/s时，扩压器出口气流速度随之升高，相邻过渡段间隙内的流动加速更为明显，甚至导致该区域内冷却孔的外部压力小于内部压力，形成冷却气的倒流。此时，加大冷却用气量，例如增大冷却孔的直径，或者辅以气膜冷却的方法，也难以达到理想的冷却效果。

为避免相邻过渡段之间的间隙内流动过度加速而影响冷却效果，控制扩压器出口气流冲击过渡段的位置和速度异常关键。简单地增大扩压器出口的径向角度，可使气流冲击过渡段的位置往燃烧器进口移动，从而减小流经相邻过渡段间隙内的气流流量和速度，但极容易导致参与过渡段冷却的用气量不够。也有某些扩压器，出口径向角度较大，为了兼顾过渡段的冷却需求，在扩压器内壁面开孔引出一部分气流至过渡段，然而为使扩压器内壁面孔引出的气流更为均匀地冲击到过渡段壁面，通常还需在内壁孔后一定距离内配置一种带有密布孔的平板，结构较为复杂。在扩压器内加导流板，形成两个甚至三个通道，也可以有效地控制气流冲击点和冲击速度，但这需要在扩压器中增加导流板和相应的支承结构，结构复杂，也增大了扩压器的损失，且这种结构在功率等级为150MW以上的大尺寸燃气轮机上才能达到较好的效果。在已经公开的专利文献CN101839256A中，采用了一种开槽的扩压器，这种扩压器可将部分气流导向过渡段用于冷却过渡段，而另一部分经过扩压器外壁面的开槽，直接进入导流衬套与火焰筒之间的通道，从而一定程度上平衡了过渡段冷却和燃烧室腔内流动损失，其缺点在于扩压器外壁面槽为非流线型结构，且在开槽处流速较高，由此造成了额外损失。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种燃气轮机波浪形扩压器，使其不仅结构简单，且能较好地兼顾过渡段冷却和减少燃烧室腔内的流动损失。

本实用新型的技术方案如下：

一种燃气轮机波浪形扩压器，该扩压器的上游为轴流式压气机，下游为燃烧室腔，该燃烧室腔内包含若干个围绕燃气轮机转子以环形阵列布置的燃烧器，该燃烧器的火焰筒与透平进口之间通过过渡段连接；所述扩压器的进口端与压气机的出口相连，出口端与燃烧室腔相连，扩压器包括内壁面和外壁面，其特征在于：所述内壁面和外壁面在绕燃气轮机转子的圆周方向上具有波浪形型线，该波浪形型线为光滑连接波峰和波谷的周期性曲线，在过渡段中心对应的周向位置，半径达到最小，处于波浪的波谷，在相邻过渡段所形成间隙的中心对应的周向位置，半径达到最大，对应波浪的波峰；波浪的周期数与燃烧器的个数相同。

波浪形型线的幅值从扩压器的进口至出口线性地增大，出口处幅值A为波长L的0.05～0.4倍，其中波长L为每个波浪平均半径位置所占据的周向弧长。

所述周期性曲线优选为正弦曲线。

所述扩压器的内壁面和外壁面沿轴向的型线为直线；也可以是外壁面沿轴向的型线为斜率逐渐增大的曲线，内壁面沿轴向的型线为直线或斜率逐渐增大的曲线。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本实用新型所提供的燃气轮机波浪形扩压器，可将来自其上游压气机的气流减速，在扩压器出口处形成半径、径向角度与燃烧器位置相配合的周期性变化，能够根据燃烧室不同部位的冷却需求，针对性地调节气流在周向上的分配和冲击位置，从而减小过渡段周围气流速度和压力的不均匀程度，对于不同过渡段冷却方式，例如冲击冷却、发散冷却、气膜冷却或对流冷却等，均能有效地改善过渡段的冷却，同时降低气流在燃烧室腔内的流动损失。

附图说明

图1是现有燃气轮机燃烧室的结构原理示意图。

图2是带有波浪形扩压器的燃气轮机燃烧室结构原理示意图。

图3是本实用新型提供的波浪形扩压器的结构示意图。

图4是图2中的I-I截面剖视图。

图5是波浪形扩压器和燃烧室的三维侧视图。

部件列表：10-燃烧器；11-火焰筒；12-导流衬套；13-过渡段；14-过渡段冷却衬套；15-冷却孔；16-燃烧室；17-燃烧室腔；18-扩压器；19-内壁面；20-外壁面；21-压气机；22-透平；23-燃气轮机转子；28-相邻过渡段之间窄缝。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构、原理和工作过程做进一步的说明。

图2是带有波浪形扩压器18的燃气轮机燃烧室16结构原理示意图，该扩压器的上游为轴流式压气机21，下游为燃烧室腔17，燃烧室腔17内包含若干个围绕燃气轮机转子23以环形阵列形式布置的燃烧器10；波浪形扩压器18的进口端与压气机21的出口相连，出口端与燃烧室腔17相连，过渡段13为燃烧器10的子部件，用于连接火焰筒11出口和透平22进口。过渡段13从进口至出口存在一定的高度差，并且其横截面从进口至出口由圆形逐渐过渡至矩形。压气机21出口的高压气流经过波浪形扩压器18减速扩压后，进入燃烧室腔17内，分成两股，其中一部分气流直接通过火焰筒11与导流衬套12之间的环形通道进入燃烧器10前端，与燃料掺混后燃烧。另一部分气流在压差的作用下，经由过渡段冷却衬套14上的冷却孔15，形成射流冲击在过渡段13的壁面，实现对过渡段13壁面的冷却，该部分气流随后也进入火焰筒11和导流衬套12之间的环形通道。

图3为波浪形扩压器的结构示意图，扩压器18包括内壁面19和外壁面20，内壁面19和外壁面20在绕燃气轮机转子23的圆周方向上具有波浪形型线；波浪形型线在相邻过渡段之间窄缝28的中心对应的周向位置，内壁面19和外壁面20的半径和径向角度均达到最大，位于波浪的峰值，从而将气流导向靠近燃烧器10前端处，更易进入火焰筒11和导流衬套12之间的环形通道，缩短流体在燃烧室腔17内的流程，流阻损失可以大幅减小。同时，也减小了通过相邻过渡段之间窄缝28处的气流流量，使气流在相邻过渡段之间窄缝28内的加速减弱，而在过渡段13中心对应的周向位置，内壁面19和外壁面20的半径和径向角度均达最小，处于波浪的波谷，从而将足够的气流导向过渡段13，这股气流首先撞击到过渡段冷却衬套14的下表面，其中部分气流在内外压差的作用下通过过渡段冷却衬套14的冷却孔15形成射流冲击至过渡段13，实现对过渡段13底部的冷却，另一部分则绕流至相邻过渡段之间窄缝28内，用于过渡段13两侧表面的冷却。由于仅有部分气流导向至过渡段13，所以气流在相邻过渡段之间窄缝28中的加速并不明显，使过渡段冷却衬套14两侧表面的压力分布更为均匀，有效地改善了过渡段13两侧面的冷却效果。

从图3中可以看出，内壁面19和外壁面20在不同周向位置的凹、凸布置，很自然地形成了波浪型线，该波浪形型线可以为正弦曲线，或其它光滑连接波峰和波谷的周期性曲线。在整个圆周方向，波浪的周期数与燃烧器10的个数应相同，波长L为每个波浪平均半径位置所占据的周向弧长。波浪形型线的幅值是影响扩压器18出口气流冲击过渡段13位置和速度的重要参数，其数值可根据燃烧室16的结构和过渡段13的冷却需求进行调节，并且内壁面19和外壁面20的幅值可以进行分别的优化。幅值过小时，扩压器18调节出口气流冲击位置和过渡段13冷却流量分配的效果不明显，而幅值过大时，将会增大扩压器18内的流动损失。幅值从扩压器18进口至出口逐渐增大。通常，扩压器18出口处幅值A在波长L的0.05～0.4倍之间取值。

扩压器18的内壁面和外壁面沿轴向型线可以为直线，也可以为曲线，采用曲线可以使出口获得较大的径向角度，例如，采用钟型线，径向角度在出口明显增大。内壁面19和外壁面20的轴向型线根据设计的需要，可以有不同的组合形式，例如，内壁面19和外壁面20均为直线；或者内壁面19和外壁面20均为曲线；也可以内壁面19为直线，外壁面20为曲线。由于内壁面20为曲线，而外壁面20为直线的组合形式无法形成恰当的流量分配，并不采用。作为一个示例性的实施例，图3所示扩压器18壁面沿轴向型线为直线。

图4为本实用新型的一个优选实施例。该实施例中，共有六个燃烧器10围绕燃气轮机转子23以环形阵列形式均匀布置，扩压器18的波浪型线采用了正弦曲线，其周期数为六，与燃烧器10的个数相同，扩压器18的轴向型线采用了最为简单的直线。从扩压器18进口至出口，内壁面19和外壁面20波浪的幅值线性地增大。扩压器18出口处波浪的幅值A根据燃烧室腔17内的流动进行优化选取，在本实施例中，当内壁面19出口处波浪的幅值为其波长L的0.18倍，而外壁面20出口处波浪的幅值为其波长L的0.15倍时，能够使过渡段13周围压力分布与燃烧室腔17内流阻损失达到较好平衡，为最佳幅值取值。

图5为波浪形扩压器18和燃烧室16的三维侧视图，示意了波浪形扩压器、燃烧器10和过渡段冷却衬套14(或过渡段13)之间的空间位置关系。

虽然本实用新型已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本实用新型并不限于所公开的实施例，而应覆盖被包含在权利要求书所限定的保护范围之内的各种修改和等同配置。

Claims (5)

1.一种燃气轮机波浪形扩压器，该扩压器的上游为轴流式压气机(21)，下游为燃烧室腔(17)，该燃烧室腔(17)内包含若干个围绕燃气轮机转子(23)以环形阵列布置的燃烧器(10)，该燃烧器(10)的火焰筒(11)与透平(22)进口之间通过过渡段(13)连接；所述扩压器(18)的进口端与压气机(21)的出口相连，出口端与燃烧室腔(17)相连，扩压器包括内壁面(19)和外壁面(20)，其特征在于：所述内壁面(19)和外壁面(20)在绕燃气轮机转子(23)的圆周方向上具有波浪形型线；所述的波浪形型线为光滑连接波峰和波谷的周期性曲线，该波浪形型线在过渡段(13)中心对应的周向位置，半径达到最小，处于波浪的波谷，在相邻过渡段之间窄缝(28)的中心对应的周向位置，半径达到最大，对应波浪的波峰；波浪的周期数与燃烧器(10)的个数相同。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机波浪形扩压器，其特征在于：波浪形型线的幅值从扩压器(18)的进口至出口线性地增大，出口处幅值A为波长L的0.05～0.4倍，其中波长L为每个波浪平均半径位置所占据的周向弧长。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机波浪形扩压器，其特征在于：所述周期性曲线为正弦曲线。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机波浪形扩压器，其特征在于：所述内壁面(19)和外壁面(20)沿轴向的型线为直线。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机波浪形扩压器，其特征在于：所述外壁面(20)沿轴向的型线为斜率逐渐增大的曲线，内壁面(19)沿轴向的型线为直线或斜率逐渐增大的曲线。 

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