CN202419701U - 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均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多排斜孔，每排斜孔可以分成多个区域，相邻区域内的斜孔的倾斜角度依次递减。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。本实用新型通过沿轴向改变斜孔的倾斜角度的大小，改善了由于火焰筒壁面附近气膜厚度不均而导致的壁面冷却效果不均的问题。

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。气膜冷却结构应力要求气膜分布均匀，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。

如图1a、1b和1c所示，示出了采用传统气膜冷却结构的火焰筒壁的示意图。火焰筒壁面气膜孔200有序排列并垂直于火焰筒壁面100，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

本实用新型主要针对燃气轮机燃烧室火焰筒壁结构，用于改善传统火焰筒壁结构，由于从气膜孔进入火焰筒的气流沿火焰筒轴向不断叠加，火焰筒壁面附近的冷却气膜不断变厚，影响火焰筒内的燃烧组织，沿轴向冷却效果不均的问题。

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上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。

根据本实用新型的多斜孔火焰筒壁板，其中，所述火焰筒壁板上具有均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多排斜孔，每排斜孔可以分成多个区域，相邻区域内的斜孔的倾斜角度依次递减。

其中，相同区域内的斜孔具有相同的倾斜角度。

本实用新型还提供一种火焰筒，其由上述的多斜孔火焰筒壁板形成，所述斜孔沿所述火焰筒的轴向分成多个区域，相邻区域内的斜孔的倾斜角度沿着所述火焰筒内气流的流动方向依次递减。

其中，所述斜孔在所述火焰筒的轴向上的间距为3～4mm。

其中，所述斜孔在所述火焰筒的周向上的间距为5～6mm。

其中，所述斜孔在所述火焰筒的轴向上划分成第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述火焰筒的长度为L，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域的长度依次为L1＝0.2L、L2＝0.2L、L3＝0.1L、L4＝0.5L。

其中，沿着所述火焰筒内气流的流动方向，

第一区域内的所述斜孔的倾斜角度从90°依次递减到70°；

第二区域内的所述斜孔的倾斜角度从70°依次递减到45°；

第三区域内的所述斜孔的倾斜角度从45°依次递减到20°；以及

第四区域内的所述斜孔的倾斜角度为20°。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种包括上述火焰筒的燃气轮机燃烧室。

本实用新型通过沿轴向改变斜孔的倾斜角的大小，可以在多个方面使火焰筒的应用状况得到改善：

1.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而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，并减小了火焰筒壁温梯度，避免了过高的热应力，避免引起壁面的翘曲和裂纹等故障，提高了火焰筒使用寿命。

附图说明

图1a为传统的火焰筒壁板的立体图；

图1b为图1a中火焰筒壁板的俯视图；

图1c为图1b中火焰筒壁板沿A-A的剖视图；

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优选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中火焰筒壁板沿B-B的剖视图；

图3d为图3c中C部分的局部放大图；

图4为多斜孔火焰筒壁的工作原理示意图。

具体实施方式

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-3d示出了根据本实用新型的优选实施例的火焰筒壁板的结构示意图，其中图3a为立体图，图3b为俯视图，图3c为沿B-B的剖视图，图3d为C部分的局部放大图。根据本实用新型的火焰筒壁板1具有均匀分布且贯穿火焰筒壁板1的多排多列的斜孔2，斜孔2与火焰筒壁板1之间具有倾斜角α，即冷却气流进入火焰筒的入射角，其角度大小在0～90°之间，并沿着图3a中所示轴向依次减小。斜孔2可为圆柱形通孔，孔径在0.1～2mm之间。

斜孔2可沿火焰筒的轴向分成多个区域，相邻区域内的斜孔的倾斜角度沿着轴向即火焰筒内气流的流动方向依次递减。相同区域的斜孔的倾斜角度可以相同，也可以依次递减。例如，火焰筒沿轴向总长为L，可分为L1、L2、L3、L4等长度不等的多段，L1、L2、L3、L4等段的长度均在(0～0.5)L之间，各段筒壁上的斜孔具有大小不同的入射角。L1、L2、L3、L4等段上斜孔的入射角分别为α1、α2、α3、α4，α1、α2、α3、α4的角度大小均在0～90°之间。沿平行于轴向的主流方向，主流上游孔排的入射角大于下游孔排的入射角，即α1＞α2＞α3＞α4。斜孔的轴向间距为3～4mm，斜孔的周向间距为5～6mm。在一个优选实施例中，斜孔的轴向间距为3.5mm，斜孔的周向间距为5.5mm，L1＝0.2L，L2＝0.2L，L3＝0.1L，L4＝0.5L。其中，在L1段，α1沿轴向从90°线性减小到70°；在L2段，α2从70°线性减小到45°；在L3段，α3从45°线性减小到20°；在L4段，α4为20°。本实用新型只限于斜孔的倾斜角在沿轴向的方向上逐渐变小，至于沿周向方向可以相同，也可以不同。

图4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是主燃烧气流(简称主流)和冷却气流，两股气流方向相同。沿气流方向，冷却气流分别通过各个斜孔2进入主流区域，斜孔2的轴线与气流方向具有一定的夹角；气流通过斜孔2依次进入火焰筒内主流区域，贴近火焰筒壁面流动，在火焰筒壁面形成一层温度较低的气膜，用来冷却火焰筒壁面，降低火焰筒壁面的温度。斜孔2表现为其轴线与主流方向夹角依次减小，采用这种布置方式可以沿轴向逐渐降低从气膜孔进入火焰筒的冷却气的入射角，减少冷却气膜厚度，增强冷却气膜的贴壁效果，从而使火焰筒内壁面气膜层更接近二维流效果，可以显著提高冷却效果，从而减小火焰筒壁的热应力，防止火焰筒产生裂纹和翘曲变形。

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 (8)

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均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多排斜孔，每排斜孔可以分成多个区域，相邻区域内的斜孔的倾斜角度依次递减。

2.根据权利要求1所述的多斜孔火焰筒壁板，其特征在于，相同区域内的斜孔具有相同的倾斜角度。

3.一种火焰筒，其特征在于，所述火焰筒由权利要求1所述的多斜孔火焰筒壁板形成，所述斜孔沿所述火焰筒的轴向分成多个区域，相邻区域内的斜孔的倾斜角度沿着所述火焰筒内气流的流动方向依次递减。

4.根据权利要求3所述的火焰筒，其特征在于，所述斜孔在所述火焰筒的轴向上的间距为3～4mm。

5.根据权利要求3所述的火焰筒，其特征在于，所述斜孔在所述火焰筒的周向上的间距为5～6mm。

6.根据权利要求4到5中任一项所述的火焰筒，其特征在于，所述斜孔在所述火焰筒的轴向上划分成第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述火焰筒的长度为L，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域的长度分别为L1＝0.2L、L2＝0.2L、L3＝0.1L、L4＝0.5L。

7.根据权利要求6所述的火焰筒，其特征在于，

沿着所述火焰筒内气流的流动方向，

第一区域内的所述斜孔的倾斜角度从90°依次递减到70°；

第二区域内的所述斜孔的倾斜角度从70°依次递减到45°；

第三区域内的所述斜孔的倾斜角度从45°依次递减到20°；以及

第四区域内的所述斜孔的倾斜角度为20°。

8.一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃烧室内设有根据权利要求3到7中任一项所述的火焰筒。

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