CN203671657U - 一种火焰筒及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种火焰筒及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室。其中，本实用新型的火焰筒的筒壁为双层板的结构，包括进气板和出气板，在进气板形成有多个气膜孔，在进气板和出气板中的至少一个上形成有多个扰流柱，其特征在于，沿火焰筒的轴向，火焰筒的进气板被分成至少两个区段，其中，在进气板的至少两个区段中，不同的区段中气膜孔的排布互不相同，并且，与位于上游的区段中的气膜孔相比，位于下游的区段中的气膜孔排布得要稀疏。通过本实用新型的火焰筒以及具有该火焰筒的燃气轮机燃烧室，可以优化对火焰筒的冷却效果。

Description

一种火焰筒及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室

技术领域

本实用新型涉及一种火焰筒及包括该火焰筒的燃烧室，特别地，本实用新型的燃烧室适用于燃气轮机，例如航空发动机所使用的燃烧室。

背景技术

在航空发动机中目前通常采用的是燃气轮机，其包括压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。图1中示出了一种典型的燃气轮机燃烧室的示意性纵截面图。其中，在燃烧室100中设置有火焰筒200，火焰在火焰筒200中燃烧。火焰筒200中的空间可分为两个区域，即位于上游的主燃区110和位于下游的掺混区120。在掺混区的下游设置有导向器300，以将燃烧所形成的燃气导入位于下游的涡轮（未示出）中并推动涡轮转动。

燃烧室是燃气轮机中温度最高的部件，特别地，主燃区110中的燃气温度可达2400K。而火焰筒200的筒壁所采用的金属材料的正常工作温度一般不超过1300K。可见，火焰筒200中的燃气温度远远超过火焰筒的正常工作温度。因此，必须对燃烧室中的火焰筒进行冷却，以避免火焰筒因长时间在远超其正常工作温度的条件下工作而被烧坏。

目前，燃烧室火焰筒的冷却方式主要有如下几种：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。这些冷却方式的一个基本共同点在于，它们都是将冷却气体引入火焰筒中，并在火焰筒内壁的表面上形成一层冷却气膜，该冷却气膜紧贴火焰筒的内壁流动，在对火焰筒的筒壁进行冷却的同时，还能起到将火焰筒的筒壁与火焰筒中的燃气隔离开的作用。

图2中示出了将火焰筒200展开为平板形式的示意图，其中，箭头C表示火焰筒的周向，箭头L表示火焰筒的纵向或轴向。如图2所示，在火焰筒的筒壁上形成有多个孔，从而冷却空气可以经这些孔从火焰筒的外壁和燃烧室的内壁之间的环向空间流入火焰筒中的空间中，以形成冷却气膜，其中，这些孔被称为“气膜孔”。

图3～5示出了现有技术中的层板冷却结构的示意图。其中，图3示出了火焰筒的筒壁的一部分的立体图，图4是图3所示筒壁部分的俯视图，而图5则示出了图3和图4所示筒壁部分的截面图。从图3～5中可见，该层板结构包括进气板230a和出气板230b，至少在进气板230a上设置有多个气膜孔210。进一步地，在出气板230b上形成有多个扰流柱220，在扰流柱之间形成气流通道，供来自气膜孔210的冷却气流通过。这些扰流柱通常呈圆柱形，且均匀布置。

图6示出了图5所示双层冷却结构的火焰筒筒壁的工作原理。从图6中可见，进气板230a呈阶梯状，与之相对应，出气板230b由多个板件相连而形成同样的阶梯状，且每个板件在其沿着火焰筒轴向的端部处与火焰筒的内部连通。在图6中，实线箭头所示的冷却空气从进气板230a一侧经进气板230a上的多个气膜孔流入进气板230a和出气板230b之间的空间中，并在扰流柱220之间所形成的气流通道流动。随后，冷却空气在出气板230b的各板件沿轴向的端部处流入火焰筒的内部，并且沿着火焰筒的内壁流动，从而形成气膜，将火焰筒的内壁与虚线所示的热燃气隔离开。

随着航空发动机技术的发展，上述火焰筒筒壁的冷却结构的局限性也日益显现。具体来说，当前的航空发动机随技术的发展，其压气机的增压比大幅提高，而燃烧室的进出口温度也大幅提高。具体来说，随着设计参数的提高，压气机出口处的空气温度可达800～900K，若要将如此高温的空气用作冷却气体，其冷却能力将有所下降，因而需要加大冷却气体量的供应。而与此同时，燃烧室的进出口温度也大幅提高，如燃烧室出口的燃气温度可高达1300～1800K。为此，涡轮叶片冷却所需的冷却气体用量也增加。由于涡轮叶片冷却气体是直接进入涡轮，而没有通过火焰筒，因此这导致用作火焰筒气膜冷却的空气流量降低。目前的燃烧室冷却空气的气量只占总空气量的20～30％。火焰筒冷却所需冷却空气量的上升以及实际可供冷却空气量的下降构成了一对矛盾。

此外，传统的气膜冷却结构在冷却效率方面也存在一些问题。以图1所示的火焰筒筒壁为例。沿着火焰筒的轴向、即气流方向，从火焰筒上的气膜孔进入火焰筒的气流会逐渐叠加，从而引起火焰筒的筒壁附近冷却气膜沿火焰筒的轴向逐渐变厚。这一方面使火焰筒沿轴向的下游部分聚集较多的冷却空气，造成冷却空气的浪费，降低火焰筒的整体冷却效率，另一方面，火焰筒下游的冷却气膜变厚，导致该部分中的有效燃烧容积减小。同时。上述两种因素相结合，导致沿火焰筒轴向的筒壁温度迅速下降，从而产生较高的火焰筒温度梯度，引起较高的热应力，从而影响火焰筒的使用寿命。而且，为了形成气膜，在火焰筒的筒壁上设置多个气膜孔，这会导致火焰筒筒壁的结构强度降低，而加工成本则上升。

实用新型内容

本实用新型是为解决上述现有技术的问题而作出的，其目的在于提供一种用于燃气轮机燃烧室的火焰筒，该火焰筒的筒壁具有优化的冷却结构，从而当冷却要求提高时，在不增加冷却空气的量的情况下仍能提供良好的冷却效果。

以上的目的通过如下的用于燃气轮机燃烧室的火焰筒来解决，该火焰筒的筒壁为双层板的结构，包括进气板和出气板，在进气板上形成有多个气膜孔，在进气板和出气板中的至少一个上形成有多个扰流柱，其中，沿火焰筒的轴向，火焰筒的该进气板被分成至少两个区段，其中，在进气板的该至少两个区段中，不同的区段中气膜孔的排布互不相同，并且，与位于上游的区段中的气膜孔相比，位于下游的区段中的气膜孔排布得要稀疏。

较佳地，气膜孔形成沿火焰筒的轴向布置的多个气膜孔排，每个气膜孔排中的气膜孔沿火焰筒的周向均匀排布，位于上游的气膜孔排中相邻的两个气膜孔之间的周向间距不大于位于下游的气膜孔排中相邻的两个气膜孔之间的周向间距，和/或位于上游的两个相邻的气膜孔排之间的轴向间距不大于位于下游的两个相邻的气膜孔排之间的轴向间距。

较佳地，相邻的两个气膜孔排之间的轴向间距在2～50mm的范围内，各气膜孔排中相邻的两个气膜孔之间的周向间距在2～30mm的范围内。

在一种实施方式中，扰流柱设置在出气板中，出气板被分成至少两个区段，其中，在出气板的至少两个区段中，不同的区段中扰流柱的结构或排布形式互不相同。

较佳地，与出气板的位于上游的区段中的扰流柱相比，出气板的位于下游的区段中的扰流柱排布得要稀疏。

作为示例，出气板可包括第一区段和第二区段，第一区段包括第一扰流柱和第二扰流柱，第二区段包括第三扰流柱，其中，第一扰流柱和第二扰流柱的形状和/或尺寸互不相同，且第一扰流柱和第二扰流柱相互交替地布置。

其中较佳地，在第一区段中，与进气板上的每个气膜孔对应的是四个第一扰流柱和四个第二扰流柱，和/或在第二区段中，与进气板上的每个气膜孔对应的是四个第三扰流柱。

较佳地，在本实用新型中，扰流柱中的至少一部分为六棱柱形。

在上述火焰筒结构中，通过使位于空气和燃气流动方向下游的气膜孔比位于上游的气膜孔稀疏，使得更多的冷却空气进入到火焰筒中温度较高的上游区域，尤其是进入主燃区中，从而能够更有效地利用冷却空气。由此，可以减少冷却空气的用量。而且，由于减少了气膜厚度沿火焰筒轴向的增长，因而能够提高燃烧室的容积利用率，尤其是下游的燃烧容积力利用率。此外，通过使下游的气膜孔以及附加地使下游的扰流柱更加稀疏，减少了气膜孔和扰流柱的数量，从而降低火焰筒的制造成本，而气膜孔数量的减少则提高火焰筒筒壁的结构强度。

进一步地，本实用新型还公开了一种燃气轮机燃烧室，该燃气轮机燃烧室包括具有上述结构的火焰筒。

附图说明

图1是典型的燃气轮机的燃烧室的示意性纵截面图。

图2是现有技术的火焰筒筒壁的立体图，其中，为清楚地显示，将该火焰筒的筒壁由筒形展开成平板状。

图3是现有技术的火焰筒筒壁的一部分的立体图。

图4是图3所示火焰筒筒壁部分的俯视图。

图5是沿图4中的线I-I所截取的截面图。

图6示出了现有技术的火焰筒筒壁冷却结构的工作原理。

图7是本实用新型的火焰筒的筒壁的局部立体图。

图8是沿图7中的方向S看的侧视图。

图9是沿图8中的线II-II得到的截面图。

图10是图9中的部分A的放大图，其中用实线示出了设置在火焰筒中的扰流柱，用虚线示出了与扰流柱相对应的气膜孔。

图11是图9中的部分B的放大图，其中用实线示出了设置在火焰筒中的扰流柱，用虚线示出了与扰流柱相对应的气膜孔。

具体实施方式

下面，将结合附图7～11对本实用新型的具体实施例进行详细说明。应当了解，附图所示的只是本实用新型的较佳实施例，其不应被理解为对本实用新型的范围的限制，本领域技术人员可在所述实施例的基础上对本实用新型进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本实用新型的保护范围之内。

在此，需要说明的是，本文中所提及的“上游”和“下游”是相对于燃气轮机中的空气和燃气的总体流动方向而言的。

图7中示出了本实用新型的火焰筒的筒壁的一部分的立体图。应当理解，实际上的筒壁应当呈筒状，图6出于清楚的目的而将筒状的筒壁展开成平板状。图7中用箭头L表示火焰筒20的轴向，用箭头C表示火焰筒20的周向。如图7所示，火焰筒20的筒壁为双层板的结构，包括进气板23a和出气板23b。在进气板23a上形成有多个气膜孔21，在出气板23b上形成有多个扰流柱22。其中，气膜21例如可以是圆柱孔，其孔径在0.1～2mm之间。进一步地，气膜孔21可以呈斜孔的形式，其中，各气膜孔的轴线与筒壁的壁面之间可呈20度至90度的角度。

在本实用新型中，通过对扰流柱和气膜孔的结构和布置形式的改进，增强对火焰筒筒壁的冷却效果。

<气膜孔>

在本实用新型中，进气板23a上的气膜孔21可以如下布置：这些气膜孔可以形成沿火焰筒20的轴向排列的多个气膜孔排，每个气膜孔排中的孔沿着火焰筒20的轴向均匀分布。而在轴向上，相邻气膜孔排之间的距离沿从上游到下游的方向逐渐增大。附加地，位于上游的气膜孔排中的相邻气膜孔之间的间距要小于位于下游的气膜孔排中的相邻气膜孔之间的间距。

例如，在一种布置形式中，在靠近火焰筒20的进口处，相邻气膜孔排之间的轴向间距为大约2mm，而同一气膜孔排中的相邻气膜孔之间的周向间距为大约2mm；而在靠近火焰筒20的出口处，相邻气膜孔排之间的轴向间距可增加到约50mm，而同一气膜孔排中的相邻气膜孔之间的周向间距约为30mm。

进一步地，可将气膜孔21的布置形式设置成火焰筒对应于主燃区和掺混区的相应部分中的气膜孔布置形式互不相同。例如，在主燃区中，沿着从上游到下游的方向，相邻气膜孔排之间的轴向间距由3.5mm增加到10mm，同一气膜孔排中的相邻气膜孔之间的周向间距由5.5mm增加到10mm。而在掺混区中，火焰筒的对应部分分为前后两段，在前段中，沿着从上游到下游的方向，相邻气膜孔排之间的轴向间距由12mm增加到30mm，同一气膜孔排中的相邻气膜孔之间的周向间距由12mm增加到20mm；而在后段中，可采取均一间隔的形式，例如相邻气膜孔排之间的轴向间距可为30mm，而同一气膜孔排中的相邻气膜孔之间的周向间距可为22mm。

除了上述公开的气膜孔结构和排布形式之外，还可采取其它形式。举例来说，可将火焰筒分成三个或更多区段，各区段中气膜孔的排布形式各不相同，只要使处于下游的气膜孔排布得比上游的气膜孔稀疏即可。

此外，气膜孔也并不必须为圆柱形孔，也可采取其它的形状，如多边形孔等。

<扰流柱>

从图8～11可以清楚地看到设置在出气板23b上的扰流柱22。其中，图8为图7所示筒壁部分的侧视图，而图9则是沿图8中的线II-II所截取的截面图。

从图8和9中清楚地可见，沿火焰筒的轴向，或者说沿着燃气轮机中的空气和燃气的流动方向，该筒壁部分包括两个区段L1和L2，区段L1中扰流柱22的结构布置形式与区段L2中的扰流柱22的结构和布置形式不同。其中一个区别在于，区段L1中扰流柱22要比区段L2中的扰流柱密集。

此外，在区段L1中所布置的扰流柱22的结构也可与区段L2中布置的扰流柱结构不同。图10和图11分别为图9中的部分A和部分B的放大图，从中可以清楚地了解扰流柱布置的一种具体方式。

如图10所示，区段L1中包括两种扰流柱，其中扰流柱22a具有较大的横截面积，扰流柱22b具有较小的横截面积。例如，扰流柱22a的横截面积可以是扰流柱22b的两倍。此外，扰流柱22a和扰流柱22b的高度也可不同。

在图10中，用虚线表示与扰流柱相对应的气膜孔21。可以看到，在图10所示的区段L1中的扰流柱布置形式中，扰流柱22a和扰流柱22b相互交替地布置，并且每一个气膜孔21对应于四个扰流柱22a和四个扰流柱22b。

如图11所示，区段L2中可以只包括一种扰流柱22c，并且，以虚线示出的气膜孔21对应于四个扰流柱22c。

较佳地，如图9－11所示地，扰流柱22可采用横截面为六棱形的柱体。这样，流过扰流柱22的冷却气流将沿着扰流柱的六棱边被引导。这样，与通常的圆柱形相比，通过六棱柱形的扰流柱的冷却气流的扩散角显著减小，增加换热效果，由此能提高冷却效率。

在上述扰流柱的结构和排布形式的基础上，可以进行各种变换。举例来说，在以上所述结构中，扰流柱22是设置在出气板23b上，但是可以设想，扰流柱22也可设置在进气板23a上，例如在进气板23a的气膜孔22之间。

在上述结构中，火焰筒20被分成两个区段，其中区段L1上包括两种扰流柱22a和22b，区段L2上包括一种扰流柱22c。可以设想，在区段L2上也可设置两种扰流柱，其可与区段L1上的扰流柱相同，也可不同。或者，在火焰筒上可以设置一种、三种或其它数量种类的扰流柱。

在上述结构中，扰流柱被描述成与气膜孔有特定的对应关系，例如区段L1中每个气膜孔对应四个扰流柱22a和四个扰流柱22b，而区段L2中每个气膜孔对应四个扰流柱22c。但是，也可设想其它的对应关系，如每个气膜孔对应其它数量的扰流柱、区段L1和L2中气膜孔与扰流柱的对应关系相同等，甚至，扰流柱的设置不必一一地与气膜孔相对应。

在一种变型方式中，扰流柱的排布也可与气膜孔的排布相似，例如沿从上游到下游的方向，扰流柱的排布变得稀疏。

类似于以上关于气膜孔的排布所描述的，可将火焰筒沿轴向分成两个以上的区段，每个区段中扰流柱的排布各不相同。

以上公开了扰流柱的一种较佳形状，即六棱柱形。但是，本实用新型的扰流柱也可采取其它形状。此外，可以设想，在一个火焰筒中可采取几种不同形状的扰流柱，例如既包括六棱柱形的扰流柱，也包括圆柱形的扰流柱，等等。

Claims (9)

1.一种火焰筒，所述火焰筒用于燃气轮机的燃烧室中，所述火焰筒的筒壁为双层板的结构，包括进气板和出气板，在所述进气板上形成有多个气膜孔，在所述进气板和所述出气板中的至少一个上形成有多个扰流柱，其特征在于，沿所述火焰筒的轴向，所述火焰筒的所述进气板被分成至少两个区段，其中，在所述进气板的所述至少两个区段中，不同的区段中所述气膜孔的排布互不相同，并且，与位于上游的所述区段中的所述气膜孔相比，位于下游的所述区段中的所述气膜孔排布得要稀疏。

2.如权利要求1所述的火焰筒，其特征在于，所述气膜孔形成沿所述火焰筒的轴向布置的多个气膜孔排，每个所述气膜孔排中的所述气膜孔沿所述火焰筒的周向均匀排布，位于上游的所述气膜孔排中相邻的两个所述气膜孔之间的周向间距不大于位于下游的所述气膜孔排中相邻的两个所述气膜孔之间的周向间距，和/或位于上游的两个相邻的所述气膜孔排之间的轴向间距不大于位于下游的两个相邻的所述气膜孔排之间的轴向间距。

3.如权利要求2所述的火焰筒，其特征在于，相邻的两个所述气膜孔排之间的轴向间距在2～50mm的范围内，各所述气膜孔排中相邻的两个所述气膜孔之间的周向间距在2～30mm的范围内。

4.如权利要求1所述的火焰筒，其特征在于，所述扰流柱设置在所述出气板中，所述出气板被分成至少两个区段，其中，在所述出气板的所述至少两个区段中，不同的区段中所述扰流柱的结构或排布形式互不相同。

5.如权利要求4所述的火焰筒，其特征在于，与所述出气板的位于上游的所述区段中的所述扰流柱相比，所述出气板的位于下游的所述区段中的所述扰流柱排布得要稀疏。

6.如权利要求5所述的火焰筒，其特征在于，所述出气板包括第一区段和第二区段，所述第一区段包括第一扰流柱和第二扰流柱，所述第二区段包括第三扰流柱，其中，所述第一扰流柱和所述第二扰流柱的形状和/或尺寸互不相同，且所述第一扰流柱和所述第二扰流柱相互交替地布置。

7.如权利要求6所述的火焰筒，其特征在于，在所述第一区段中，与所述进气板上的每个气膜孔对应的是四个第一扰流柱和四个第二扰流柱，和/或在所述第二区段中，与所述进气板上的每个气膜孔对应的是四个第三扰流柱。

8.如权利要求4～7中任意一项所述的火焰筒，其特征在于，所述扰流柱中的至少一部分为六棱柱形。

9.一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，包括如权利要求1～8中任一项所述的火焰筒。

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