CN202813442U - 一种燃气轮机燃烧室的头部级间套和燃气轮机燃烧室 - Google Patents
一种燃气轮机燃烧室的头部级间套和燃气轮机燃烧室 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开一种燃气轮机燃烧室的头部级间套和燃气轮机燃烧室，此头部级间套包括：外套壁、内套壁和冷却板；冷却板设置在头部级间套的一端，并将外套壁的一端和内套壁的一端封闭；在冷却板上设置多个冷却气孔。并且，头部级间套的冷却板可以为两层结构，外层的为第一冷却板，内层的为第二冷却板；在第一冷却板上设置多个冲击孔，在第二冷却板上设置多个斜孔。本实用新型的头部级间套和燃气轮机燃烧室，在冷却板上设置冷却气孔进行冷却，达到保护转接套的作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机燃烧室的头部级间套和燃气轮机燃烧室。
背景技术
未来航空发动机的发展趋势是高推重比、低污染，因此燃烧室势必向着高热容、高温升方向发展。这就直接导致了发动机的油气比增大，燃烧室的燃烧温度升高，对燃烧室结构的耐温性能提出了更高的要求，燃烧室头部级间段结构，也称头部级间套，是一个高温部件，在设计中需要保证头部级间段结构的最高使用温度不超过其材料的使用温度。头部级间段一般用在具有多级旋流器的头部结构中，其作用有连接和固定两级旋流器，减小燃烧区高温燃气对旋流器和喷嘴的辐射换热的作用，调整头部区域的流场。由于燃烧室头部级间段位于燃烧室头部中心区域，受到燃烧区强烈的辐射换热影响，壁面温度非常高，工作条件十分恶劣，对材料的耐温性能要求很高，必要时还必须对级间段结构进行冷却。
目前，头部级间段结构不采用冷却或采用单层壁冷却。例如，US7878000B2公开了一种不带冷却气孔的头部级间段结构，该级间段是由两级旋流器之间的分隔板向喷嘴下游延伸形成的，其作用是形成一个文氏管结构，来调整头部区域的流场。该头部级间段的设计完全没有考虑级间段的冷却问题，因此需要级间段材料有极高的耐温能力。US2010050644A1公开了一种带单层冷却气孔的头部级间段结构，该级间段中间为空心结构，空腔内为冷却气。同时，在级间段的端部局部区域或整个端部开一系列小孔，通过这些小孔可以对级间段端部进行一定的冷却，但该冷却结构采用的是单层壁冷却，冷却气无法对端部进行冲击冷却，且冷却在热侧无法形成连续的气膜，冷却效率较低。
目前发动机燃烧室的头部级间段结构可在燃气温度为1800K时满足温度要求，但随着发动机性能的提高，预计到2020年，燃烧室的燃气温度可达2400K，单独依靠提高材料的耐温极限很难满足要求，同时现有的级间段结构由于无法在壁面形成冷却气膜，冷却效率低，将无法在这一温度下可靠运行，需要使用更加高效的冷却结构。
发明内容
有鉴于此，本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种燃气轮机燃烧室的头部级间套，在冷却板上设置冷却气孔进行冷却。
一种燃气轮机燃烧室的头部级间套，包括：外套壁、内套壁和冷却板；所述冷却板设置在所述头部级间套的一端，并将所述外套壁的一端和内套壁的一端封闭，使所述外套壁、内套壁和冷却板之间形成空腔；在所述冷却板上设置多个冷却气孔。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述多个冷却气孔为多个斜孔；其中，所述多个斜孔都为孔径为0.1－2mm的圆形通孔。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述多个斜孔的掺混角都为80°-90°；所述多个斜孔的入射角都为15°-45°。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为4－15mm；所述多个斜孔沿所述头部级间套的轴线方向均匀分布，其中，所述多个斜孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为5－20mm。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述多个冷却气孔为多个冲击孔；其中，所述多个冲击孔都为孔径为0.5－10mm的圆形通孔。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述多个冲击孔的掺混角都为0－10°，所述多个冲击孔的入射角都为80°－90°。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为4－20mm；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向均匀分布，其中，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为5－30mm。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述头部级间套的冷却板为两层结构，其中，外层的为第一冷却板，内层的为第二冷却板；所述第一冷却板和所述第二冷却板之间的间距为1－10mm；其中，所述第一冷却板上设置多个冲击孔，所述第二冷却板上设置多个斜孔。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述第二冷却板上设置的多个斜孔都为孔径为0.1－2mm的圆形通孔；所述多个斜孔的掺混角都为80°－90°，入射角都为15°－45°；所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为4－15mm；所述多个斜孔沿所述头部级间套的轴线方向也为均匀分布，其中，所述多个斜孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为5－20mm；所述第一冷却板上设置的所述多个冲击孔都为孔径为0.5－10mm的圆形通孔；所述多个冲击孔的掺混角都为0－10°，入射角都为80°－90°；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为4－20mm；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向也为均匀分布，其中，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为5－30mm。
根据本实用新型的头部级间套的一个实施例，进一步的，所述多个冲击孔的孔径都为3mm；所述多个冲击孔的掺混角都为3°，入射角都为90°；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为5.5mm；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为6mm；所述多个斜孔的孔径都为1mm；所述多个斜孔的掺混角都为90°，入射角都为20°；所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为5.5mm；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为6mm。
本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种燃气轮机燃烧室，在所述燃气轮机燃烧室的头部设置两级旋流器，在所述两级旋流器之间设置上述的燃气轮机燃烧室的头部级间套。
本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套，在冷却板上设置冷却气孔进行冷却，达到保护转接套的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套的使用示意图；
图2为冷却板上的冷却气孔的入射角和掺混角的示意图；
图3为根据本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套的一个实施例的示意图；
图4A-4E为根据本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套的另一个实施例的示意图；
图5为本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套的一个实施例的工作原理示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合图和实施例对本实用新型的技术方案进行多方面的描述。
图1为根据本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套的使用示意图。如图1所示，典型的燃气涡轮燃烧室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通过燃烧室头部的多级旋流器60旋转雾化，以一定的速度和角度进入火焰筒20中。燃气和空气在火焰筒20中完成燃烧，并通过环形通道30进入高压涡轮。由于燃烧产生的燃气温度高，燃烧室头部受到的辐射热很大，在燃烧室头部的设计中需要考虑结构的热防护。其中，两级旋流器之间的头部级间套（也称为头部级间段）70就是头部热防护设计的重点。
图2为冷却板上的冷却气孔的入射角和掺混角的示意图。掺混角为冷却孔的轴线在冷却板上的投影与燃烧室轴线的夹角。入射角为冷却孔轴线与冷却板的夹角。如图2所示，冷却气孔掺混角β为冷却气孔的轴线在冷却板上的投影C与燃烧室轴线A的夹角。冷却气孔入射角α为冷却气孔的轴线B与冷却板的夹角。
图3为根据本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套的另一个实施例的示意图；如图3所示，燃气轮机燃烧室的头部级间套包括：外套壁101、内套壁102和冷却板103；冷却板103设置在头部级间套的一端，并将外套壁101的一端和内套壁102的一端封闭，使外套壁101、内套壁102和冷却板103之间形成空腔104，空腔104内为冷却气。在冷却板103上设置多个冷却气孔105。
根据本实用新型的一个实施例，在燃气轮机燃烧室的头部设置两级旋流器，在两级旋流器之间设置头部级间套(也称为头部级间段)。冷却板上设置的多个冷却气孔可以为多个斜孔，都为孔径为0.1－2mm的圆形孔。多个斜孔的掺混角都为80°－90°。多个斜孔的入射角都为15°－45°。多个斜孔沿头部级间套的圆周方向（或燃气轮机燃烧室的圆周方向）均匀分布，孔间距为4－15mm。多个斜孔沿头部级间套的轴线方向（或燃气轮机燃烧室的轴线方向）均匀分布，孔间距为5－20mm。
本实用新型中的冲击孔是指在冲击壁上的冷却孔，冲击孔的轴线一般与被冲击壁垂直或接近垂直。冲击孔一般用在双层壁中，冷却气流经冲击壁上的冲击孔后，能够冲击到另一层壁上，对另一层壁形成冲击冷却。如果冲击孔轴线与被冲击壁法线的夹角很大，冲击孔就变为斜孔（发散孔），射流无法冲击到另一层壁。
根据本实用新型的一个实施例，多个冷却气孔也可以为多个冲击孔。多个冲击孔都为孔径为0.5－10mm的圆形通孔。多个冲击孔的掺混角都为0－10°，入射角都为80°－90°。多个冲击孔沿头部级间套的圆周方向（或燃气轮机燃烧室的圆周方向）均匀分布，孔间距为4－20mm；多个冲击孔沿头部级间套的轴线方向（或燃气轮机燃烧室的轴线方向）均匀分布，孔间距为5－30mm。
根据本实用新型的一个实施例，头部级间套的冷却板可以为一层，也可以为两层或多层冷却板，在两层或多层冷却板上都设置冷却气孔，可以为斜孔或冲击孔。图4A-4E为根据本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套的一个实施例的示意图；其中，图4A、4B、4C、4D和4E分别为头部级间套的立体图、左视图、右视图、A-A剖视图和B-B剖视图。如图所示，头部级间套的冷却板为两层结构，设置在外层的为第一冷却板1，设置在内层的为第二冷却板3。这里的内层和外层为图4D中所显示的位置关系。
第一冷却板1和第二冷却板3之间的间距为1－10mm，并且第一冷却板1和第二冷却板3之间形成空腔；第一冷却板1上设置多个冲击孔2，第二冷却板3上设置多个斜孔4，斜孔4（图4E中的斜孔E）布置在偏离冲击孔的射流驻点区F。射流驻点区为冷却气流在壁面上直接冲击形成的区域，此处冷却气流的方向与冷却孔的轴向没有太大的变化。
第一冷却板1也称为低温壁冲击孔壁板，第二冷却板3也称为高温壁多斜孔壁板。通过在第一冷却板1上开一系列冲击孔，可以对第二冷却板3进行高效的冲击冷却，从而有效地降低第二冷却板3的温度；在第二冷却板3形成一层均匀连续的气膜，增强了冷却气的冷却效果，提高了寿命和可靠性。
第二冷却板3上设置的多个斜孔都为孔径为0.1－2mm的圆形孔；多个斜孔的掺混角都为80°－90°，入射角都为15°－45°；多个斜孔4沿头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，多个斜孔4沿头部级间套的圆周方向的孔间距为4－15mm；多个斜孔4沿燃气轮机燃烧室的轴线方向也为均匀分布，其中，多个斜孔沿燃气轮机燃烧室的轴线方向的孔间距为5－20mm；第一冷却板1上设置的多个冲击孔2都为孔径为0.5－10mm的圆孔；多个冲击孔2的掺混角都为0－10°，入射角都为80°－90°；多个冲击孔2沿头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，多个冲击孔2沿头部级间套的圆周方向的孔间距为4－20mm；多个冲击孔2沿燃气轮机燃烧室的轴线方向也为均匀分布，其中，多个冲击孔2沿燃气轮机燃烧室的轴线方向的孔间距为5－30mm。
优选地，第一冷却板1上的冲击孔2的周向距离为5.5mm，轴向孔的间距为6mm，孔径为3mm，入射角为3°，掺混角为90°；第一冷却板3上的斜孔4的周向距离为5.5mm，轴向孔的间距为6mm，孔径为1.0mm，掺混角为90°，入射角为20°。
图5为本实用新型的燃气轮机燃烧室的头部级间套的一个实施例的工作原理示意图。头部级间套的为两层结构，为靠近高温燃气的高温壁多斜孔壁板25和低温壁冲击孔壁板5。低温壁冲击孔壁板5上有多个冲击孔15，高温壁多斜孔壁板25上有多个斜孔35，冲击孔15和斜孔35沿着轴线方向布置多个，间隙H为1－10mm。头部级间段两侧分别为高温燃气主流H和未燃空气流G，空气流G通过多个冲击孔15穿过低温壁冲击孔壁板5，对高温壁多斜孔壁板25形成冲击冷却的作用，对高温壁多斜孔壁板25进行初步的冷却。接着空气沿着高温壁多斜孔壁板25上的斜孔35进入火焰筒内，在高温壁多斜孔壁板25的热侧形成连续均匀的气膜保护，将高温壁多斜孔壁板25与火焰筒内的高温燃气隔开，并对高温壁多斜孔壁板25热侧形成对流冷却，从而降低头部级间套的壁面温度。
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，并非用来限制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。
本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (11)
1.一种燃气轮机燃烧室的头部级间套，其特征在于，包括：
外套壁、内套壁和冷却板；所述冷却板设置在所述头部级间套的一端，并将所述外套壁的一端和所述内套壁的一端封闭；
在所述冷却板上设置多个冷却气孔。
2.如权利要求1所述的头部级间套，其特征在于：
所述多个冷却气孔为多个斜孔；
其中，所述多个斜孔都为孔径为0.1－2mm的圆形通孔。
3.如权利要求2所述的头部级间套，其特征在于：
所述多个斜孔的掺混角都为80°-90°；所述多个斜孔的入射角都为15°-45°。
4.如权利要求3所述的头部级间套，其特征在于：
所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为4－15mm；
所述多个斜孔沿所述头部级间套的轴线方向均匀分布，其中，所述多个斜孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为5－20mm。
5.如权利要求1所述的头部级间套，其特征在于：
所述多个冷却气孔为多个冲击孔；
其中，所述多个冲击孔都为孔径为0.5－10mm的圆形通孔。
6.如权利要求5所述的头部级间套，其特征在于：
所述多个冲击孔的掺混角都为0－10°，所述多个冲击孔的入射角都为80°－90°。
7.如权利要求6所述的头部级间套，其特征在于：
所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为4－20mm；
所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向均匀分布，其中，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为5－30mm。
8.如权利要求1所述的头部级间套，其特征在于：
所述冷却板为两层结构，其中，外层的为第一冷却板，内层的为第二冷却板；所述第一冷却板和所述第二冷却板之间的间距为1－10mm；
其中，所述第一冷却板上设置多个冲击孔，所述第二冷却板上设置多个斜孔。
9.如权利要求8所述的头部级间套，其特征在于：
所述第二冷却板上设置的多个斜孔都为孔径为0.1－2mm的圆形通孔；所述多个斜孔的掺混角都为80°－90°，入射角都为15°－45°；所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为4－15mm；所述多个斜孔沿所述头部级间套的轴线方向也为均匀分布，其中，所述多个斜孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为5－20mm；
所述第一冷却板上设置的所述多个冲击孔都为孔径为0.5－10mm的圆形通孔；所述多个冲击孔的掺混角都为0－10°，入射角都为80°－90°；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向均匀分布，其中，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为4－20mm；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向也为均匀分布，其中，所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为5－30mm。
10.如权利要求9所述的头部级间套，其特征在于：
所述多个冲击孔的孔径都为3mm；所述多个冲击孔的掺混角都为3°，入射角都为90°；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为5.5mm；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为6mm；
所述多个斜孔的孔径都为1mm；所述多个斜孔的掺混角都为90°，入射角都为20°；所述多个斜孔沿所述头部级间套的圆周方向的孔间距为5.5mm；所述多个冲击孔沿所述头部级间套的轴线方向的孔间距为6mm。
11.一种燃气轮机燃烧室，在所述燃气轮机燃烧室的头部设置两级旋流器，其特征在于，还包括设置在所述两级旋流器之间的如权利要求1至10任意一项所述的燃气轮机燃烧室的头部级间套。
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