CN202419700U - 多斜孔火焰筒壁板、火焰筒及燃气轮机燃烧室 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多斜孔火焰筒壁板，所述火焰筒壁板上具有贯穿所述火焰筒壁板的多个斜孔，所述斜孔的密度沿着所述火焰筒壁板的长度方向逐渐变小。本实用新型还提供一种由所述多斜孔火焰筒壁板形成的火焰筒以及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室。本实用新型改善了火焰筒壁面附近气膜厚度不均导致的壁面冷却效果不均的问题，使火焰筒壁面温度分布更加均匀，同时减小了火焰筒壁面的热应力，提高了火焰筒壁面的寿命。

Description

多斜孔火焰筒壁板、火焰筒及燃气轮机燃烧室

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机工业领域，特别涉及一种多斜孔火焰筒壁板和由该多斜孔火焰筒壁板形成的火焰筒以及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室。

背景技术

燃气轮机的最高温度区是燃烧室，燃烧室的主燃区燃气温度可高达2400K，而目前火焰筒壁金属材料正常工作温度不超过1300K，材料无法承受在远超过其正常工作温度的恶劣环境下长时间工作，因此必须对燃烧室火焰筒进行冷却，以防止火焰筒被烧坏而降低燃烧室寿命，进而降低发动机寿命。目前用于燃烧室火焰筒冷却的基本冷却方式有气膜冷却、对流气膜冷却、冲击气膜冷却、发散冷却和层板冷却等，其基本冷却原理都是冷气从燃烧室内外环腔进入火焰筒内，在火焰筒内壁表面形成一层气膜，气膜紧贴火焰筒内壁面流动，气膜起到冷却壁面和隔离燃气冲刷火焰筒壁面的作用。高品质的气膜可以有效地利用冷却气，并获得高的气膜冷却效率，其中气膜接近二维流的程度即气膜的贴壁效果是表征气膜品质的主要指标。

随着航空发动机技术的发展，航空发动机压气机增压比和燃烧室进出口温度均大幅提高。先进燃烧室的工作压力和温度的不断增加，这必然导致燃烧室火焰筒所受到的热负荷急剧增加。随着设计参数的提高，压气机出口空气温度可高达800～900K。用这种高温压缩空气作为冷却气，其潜在的冷却能力已经下降，因而所需冷却气流量增加。为了使燃气轮机获得更高的效率，通常要尽可能提高燃烧室的出口温度，现今在燃烧室出口的燃气温度高达1300K至1800K。燃烧室的出口温度的提高，使得涡轮叶片冷却气的用量增加，这部分冷却气直接进入涡轮，没有通过火焰筒，因而降低了火焰筒气膜冷却的可用空气流量。目前的高温升燃烧室的可用冷却气量只有总空气量的20％～30％。先进燃烧室火焰筒冷却所需冷却气量的增加与可用冷却气量的减少之间存在矛盾，为解决这个问题，除了不断发展新材料和新工艺外，决定性因素之一就是对火焰筒采用先进的高效冷却技术，实用新型、应用更好的气膜冷却几何结构。通过几何结构的改进，在达到预期冷却效果的同时，有效降低冷却气的流量。气膜冷却结构应力求气膜分布均匀，湍流强度低，沿火焰筒轴向冷却效果均匀，减小热应力，以避免在高温状态下火焰筒出现裂纹和弯曲变形。

图1示出了采用传统气膜冷却结构的火焰筒壁板100。火焰筒壁板100上的气膜孔200之间的间距保持不变，从气膜孔200进入火焰筒的气流不断叠加，引起火焰筒内壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，影响火焰筒内的燃烧组织，同时导致沿轴向火焰筒冷却效果不均。具体来说，存在以下几方面问题：

1.传统气膜冷却结构的火焰筒壁消耗冷却气量相对较多，沿火焰筒轴向下游冷却气浪费严重，导致整机效率降低较大；

2.从气膜孔进入火焰筒的气流不断叠加，引起火焰筒内壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，气膜厚度沿轴向逐渐增加，占用了燃烧室较多的燃烧容积，使有效燃烧容积变小；

3.传统气膜冷却结构的火焰筒壁开孔数量较多，导致火焰筒壁结构强度降低，同时导致加工成本较高；

4.传统气膜冷却结构的火焰筒壁壁温沿火焰筒轴向迅速下降，导致较高的火焰筒壁温梯度，产生较高的热应力，过大的热应力会引起壁面的翘曲和裂纹等故障，影响火焰筒使用寿命，降低火焰筒使用的可靠性。

总之，为了改进火焰筒冷却效果和延长火焰筒的使用寿命，还需要开发优化的气膜冷却结构，提高气膜冷却的效率和冷却均匀性，改善气膜的贴壁效果，减小所需冷却气流量、降低火焰筒压力损失。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型火焰筒壁板，其具有优化的气膜冷却结构。

本实用新型还提供由该火焰筒壁板形成的火焰筒以及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室。

根据本实用新型的第一个方面，提供一种多斜孔火焰筒壁板，所述火焰筒壁板上具有贯穿所述火焰筒壁板的多个斜孔，所述斜孔的密度沿着所述火焰筒壁板的长度方向逐渐变小。

其中，所述斜孔的轴线与所述火焰筒壁板的夹角在20～90°之间。

根据本实用新型的第二个方面，提供一种火焰筒，所述火焰筒由前面所述的火焰筒壁板形成，所述斜孔的密度沿着所述火焰筒内气流的流动方向逐渐变小。

其中，所述斜孔的轴向和/或周向间距沿着所述火焰筒内气流的流动方向逐渐变大。

优选地，所述斜孔的轴向间距在2～50mm之间。

优选地，所述斜孔的周向间距在2～30mm之间。

根据本实用新型的第三个方面，提供一种火焰筒，包括主燃区和掺混区，所述掺混区包括第一区域和第二区域，所述第一区域邻近所述主燃区，所述主燃区和第一区域由前面所述的火焰筒壁板形成，所述第二区域由具有恒定的斜孔密度的火焰筒壁板形成。

在根据本实用新型的火焰筒的第一个实施例中，

在所述主燃区内，所述斜孔的周向间距从5.5mm递增到10mm；

在所述第一区域内，所述斜孔的周向间距从12mm递增到20mm；

在所述第二区域内，所述斜孔的周向间距为22mm。

在根据本实用新型的火焰筒的第二个实施例中，

在所述主燃区内，所述斜孔的轴向间距从3.5mm递增到10mm；

在所述第一区域内，所述斜孔的轴向间距从12mm递增到30mm；

在所述第二区域内，所述斜孔的轴向间距为30mm。

在根据本实用新型的火焰筒的第三个实施例中，

在所述主燃区内，所述斜孔的周向间距从5.5mm递增到10mm，所述斜孔的轴向间距从3.5mm递增到10mm；

在所述第一区域内，所述斜孔的周向间距从12mm递增到20mm，所述斜孔的轴向间距从12mm递增到30mm；

在所述第二区域内，所述斜孔的周向间距为22mm，所述斜孔的轴向间距为30mm。

根据本实用新型的第四个方面，提供一种燃气轮机燃烧室，所述燃烧室包括前面所述的火焰筒。

本实用新型的技术效果：

采用本实用新型所示方案，可以在多个方面使火焰筒的应用状况得到改善：

1.在保证火焰筒壁冷却效果的前提下，减少了火焰筒内的冷却气用量，提高了整机效率。同时，为今后进一步提高火焰筒内燃烧温度，留出了更多的可用冷却气量；

2.减小了气膜厚度沿轴向的逐渐增长，提高了燃烧室的容积利用率；

3.减少了气膜孔的数量，降低了火焰筒的制造成本，增强了火焰筒壁的结构强度；

4.改善了火焰筒壁面附近气膜厚度不均导致的壁面冷却效果不均的问题，使火焰筒壁面温度分布更加均匀，同时减小了火焰筒壁面的热应力，提高了火焰筒壁面的寿命。

附图说明

图1为传统火焰筒壁板的结构示意图；

图2为典型的燃气涡轮燃烧室的示意图；

图3a为根据本实用新型的第一实施例的火焰筒壁板的立体图；

图3b为图3a中火焰筒壁板的俯视图；

图3c为图3b中火焰筒壁板的局部放大示意图；

图4a为根据本实用新型的第二实施例的火焰筒壁板的立体图；

图4b为图4a中火焰筒壁板的俯视图；

图4c为图4b中火焰筒壁板沿A-A的剖视图；

图5a为根据本实用新型的第三实施例的火焰筒壁板的立体图；

图5b为图5a中火焰筒壁板的俯视图；

图6为多斜孔火焰筒壁的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述根据本实用新型的优选实施例，图中以及下面描述中的轴向是指火焰筒的轴线方向，周向是指火焰筒的圆周方向。

图2为典型的燃气涡轮燃烧室的示意图，示出了典型的燃气涡轮燃烧室10。燃烧室10通过在密闭空间内燃烧空气和燃料来产生驱动涡轮转动所需的燃气。在运行中，来自压缩机中的压缩空气和燃料在火焰筒20中燃烧，燃烧产生的燃气温度大约在1800～2400K。这些高温燃气与来自火焰筒壁的冷却气混合后温度降至1400～1800K，接着燃气从导向器30以高速流入涡轮并推动涡轮转动。由于燃烧产生的高温燃气温度远高于火焰筒壁的正常工作温度，因此需要对火焰筒壁面进行冷却。

图3a-3c示出了根据本实用新型的第一实施例的火焰筒壁板1。火焰筒壁板1上具有贯穿火焰筒壁板1的多个斜孔2，斜孔2的轴线与火焰筒壁板1的夹角在20～90°之间。斜孔2的密度沿着火焰筒壁板1的长度方向逐渐变小，即，当形成火焰筒后，斜孔2的密度沿着火焰筒内气流的流动方向逐渐变小。在本实施例中，斜孔2的周向间距沿着火焰筒内气流的流动方向(图中同轴向)逐渐变大，即P2＞P1，而轴向间距则保持不变。优选地，斜孔的周向间距在2～30mm之间。

图4a-4c示出了根据本实用新型的第二实施例的火焰筒壁板1。与第一实施例的不同之处在于，斜孔2的轴向间距沿着火焰筒内气流的流动方向逐渐变大，即S3＞S2＞S1，而周向间距则保持不变。优选地，斜孔的轴向间距在2～50mm之间。

图5a-5b示出了根据本实用新型的第三实施例的火焰筒壁板1。斜孔2的周向间距沿着火焰筒内气流的流动方向逐渐变大，并且斜孔2的轴向间距沿着火焰筒内气流的流动方向逐渐变大。

图6为多斜孔火焰筒壁的工作原理示意图。由火焰筒壁板1形成的火焰筒的壁两侧分别为主流和冷却气流，冷却气流通过火焰筒壁上的斜孔2进入燃气主流。气流在贴近主流区域的火焰筒壁附近形成一层温度较低的气膜，使火焰筒壁与燃气不直接接触，降低燃气主流对火焰筒壁的对流换热效果。

本实用新型还提供一种火焰筒，该火焰筒可由前面所述的火焰筒壁板形成，斜孔的密度沿着火焰筒内气流的流动方向逐渐变小。

本实用新型还提供一种火焰筒，包括主燃区和掺混区，掺混区包括邻近主燃区的第一区域和第二区域，主燃区和第一区域可由前面所述的火焰筒壁板形成，第二区域由具有恒定的斜孔密度的火焰筒壁板形成。

实施例1：

在主燃区内，斜孔的周向间距从5.5mm递增到10mm；

在第一区域内，斜孔的周向间距从12mm递增到20mm；

在第二区域内，斜孔的周向间距为22mm。

实施例2：

在主燃区内，斜孔的轴向间距从3.5mm递增到10mm；

在第一区域内，斜孔的轴向间距从12mm递增到30mm；

在第二区域内，斜孔的轴向间距为30mm。

实施例3：

在主燃区内，斜孔的周向间距从5.5mm递增到10mm，以及斜孔的轴向间距从3.5mm递增到10mm；

在第一区域内，斜孔的周向间距从12mm递增到20mm，以及斜孔的轴向间距从12mm递增到30mm；

在第二区域内，斜孔的周向间距为22mm，以及斜孔的轴向间距为30mm。

本实用新型主要创新之处是提出了一种新型的火焰筒壁结构方案，该方案的特点是壁上的气膜孔沿轴向逐渐变稀疏。传统火焰筒沿轴向壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，影响了火焰筒内的燃烧组织，同时导致沿轴向冷却效果不均。针对这些问题，本实用新型克服上述现有技术的不足，设计了变气膜孔间距的孔排结构的多斜孔冷却壁，达到了合理控制燃烧室火焰筒壁面冷却气气膜厚度，优化火焰筒壁面冷却的目的，同时可以延长火焰筒壁的寿命。

本实用新型中所述具体实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种多斜孔火焰筒壁板，其特征在于，所述火焰筒壁板上具有贯穿所述火焰筒壁板的多个斜孔，所述斜孔的密度沿着所述火焰筒壁板的长度方向逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的多斜孔火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔的轴线与所述火焰筒壁板的夹角在20～90°之间。

3.一种火焰筒，其特征在于，所述火焰筒由权利要求1或2所述的火焰筒壁板形成，所述斜孔的密度沿着所述火焰筒内气流的流动方向逐渐变小。

4.根据权利要求3所述的火焰筒，其特征在于，所述斜孔的轴向和/或周向间距沿着所述火焰筒内气流的流动方向逐渐变大。

5.根据权利要求4所述的火焰筒，其特征在于，所述斜孔的轴向间距在2～50mm之间。

6.根据权利要求4或5所述的火焰筒，其特征在于，所述斜孔的周向间距在2～30mm之间。

7.一种火焰筒，包括主燃区和掺混区，所述掺混区包括第一区域和第二区域，所述第一区域邻近所述主燃区，其特征在于，

所述主燃区和第一区域由权利要求1或2所述的火焰筒壁板形成，所述第二区域由具有恒定的斜孔密度的火焰筒壁板形成。

8.根据权利要求7所述的火焰筒，其特征在于，

在所述主燃区内，所述斜孔的周向间距从5.5mm递增到10mm；

在所述第一区域内，所述斜孔的周向间距从12mm递增到20mm；

在所述第二区域内，所述斜孔的周向间距为22mm。

9.根据权利要求7或8所述的火焰筒，其特征在于，

在所述主燃区内，所述斜孔的轴向间距从3.5mm递增到10mm；

在所述第一区域内，所述斜孔的轴向间距从12mm递增到30mm；

在所述第二区域内，所述斜孔的轴向间距为30mm。

10.一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括权利要求3到9中任一项所述的火焰筒。

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