CN209876983U - 燃油喷嘴、燃烧室以及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃油喷嘴以及燃气轮机，其中所述燃油喷嘴包括芯部，内部设置有油路；以及外围组件，位于所述芯部的外围，包括安装座以及壳体，所述安装座自所述芯部的外侧壁向外凸出设置，用于将所述燃油喷嘴固连至燃烧室机匣；以及壳体，在所述安装座的下游侧围绕在所述芯部的外围；其中，所述芯部的外侧壁与所述外围组件之间提供半封闭的隔热腔，所述隔热腔包括封闭段以及邻接所述封闭段的隔热间隙，所述封闭段的纵切面为弧形。上述燃油喷嘴具有疲劳寿命长等优点，上述燃烧室分别燃气轮机具有燃烧稳定、安全性好等优点。

Description

燃油喷嘴、燃烧室以及燃气轮机

技术领域

本实用新型涉及一种燃油喷嘴、燃烧室以及燃气轮机。

背景技术

燃油喷嘴是燃气轮机的燃烧室关键部件之一，例如，在环形燃烧室中，燃油喷嘴均匀分布在火焰筒头部定位装置上，通过喷嘴安装板螺栓固定于燃烧室机匣上。燃油通过外部管路进入喷嘴油杆内，再经过旋流雾化进入燃烧室火焰筒内参与燃烧。燃油喷嘴置于扩压器出口，扩压器出口温度在500～1000K左右，在高温气流下，燃油喷嘴承受一个较大的热负荷，不仅会使燃油喷嘴的芯部内的油路内的燃油温度上升，而发生燃油结焦堵塞现象，而且高温环境下喷嘴强度寿命问题也显得更为突出。

现有技术中，对燃油喷嘴的芯部的热防护设计，一般是在壳体和下游芯部之间有半封闭的空气隔热腔，从而防止进入芯部内部的油路的燃油温度升高而发生结焦堵塞油路的现象。但是，隔热腔的封闭段的一侧为温度较高的壳体，另一侧为温度较低的芯部，由于热失配导致的膨胀量不同而出现较高热应力，从而增大疲劳破坏风险。

另外，芯部通过其侧壁凸出所述安装座固定于燃烧室机匣，另一端与涡流器组成一体，置于燃烧室火焰筒内，组成近似一端固定的悬臂结构。火焰筒内部燃烧不稳定产生的声压脉动，直接作用于副涡流器，从而导致芯部与安装座的连接处受到较大的振动应力。

在热应力和振动应力的作用下，燃油喷嘴芯部的局部低周和高周疲劳寿命降低，而燃油喷嘴的芯部一旦发生疲劳破裂，其内部的油路的燃油将直接暴露于高温燃气中，可能出现燃烧爆炸等严重事故，将直接威胁燃气轮机安全性。

因此，本领域需要一种燃油喷嘴结构、燃烧室以及燃气轮机，减少结构热应力及振动应力水平，提高燃油喷嘴的寿命，保证燃烧室燃烧的稳定性以及燃气轮机运行的安全性。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种燃油喷嘴，以提高其使用寿命。

本实用新型的另一目的在于提供一种燃烧室，以保证其燃烧的稳定性。

本实用新型的又一个目的在于提供一种燃气轮机，以提高其运行的安全性。

根据本实用新型一方面的一种燃油喷嘴，用于燃气轮机的燃烧室，包括芯部，内部设置有油路；以及外围组件，位于所述芯部的外围，包括安装座，所述安装座自所述芯部的外侧壁向外凸出设置，用于将所述燃油喷嘴固连至燃烧室机匣；以及壳体，所述壳体在所述安装座的下游侧围绕在所述芯部的外围；其中，所述芯部的外侧壁与所述外围组件之间提供半封闭的隔热腔，所述隔热腔包括封闭段以及邻接所述封闭段的隔热间隙，所述封闭段的纵切面为弧形。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述壳体的内侧壁与所述芯部的外侧壁之间提供半封闭的隔热腔。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述隔热腔的封闭段的纵切面为半圆形，其直径与所述隔热间隙与所述封闭段邻接处的宽度相等。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述封闭段的纵切面为优弧形，其直径是所述隔热间隙与所述封闭段邻接处的宽度的1.5-2倍。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述隔热腔包括第一部以及第二部，所述第一部位于所述壳体的内侧壁与所述芯部的外侧壁之间，其一端为所述隔热腔的开口端，另一端连通所述第二部的一端，所述第二部位于所述芯部与所述安装座的外侧壁之间，所述第二部的另一端为所述隔热腔的封闭段。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述隔热腔的第二部的侧壁的纵切面为沿弧形延伸。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述第二部的靠近所述安装座的侧壁延伸的所沿的弧形半径为5-6mm，靠近所述芯部的侧壁的延伸所沿的弧形半径为6-7mm。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述芯部以所述安装座为界，定义位于所述安装座上游的上游芯部以及位于所述安装座下游的下游芯部，位于所述上游芯部的上游油路与位于所述下游芯部的下游油路之间的过渡段为从上游至下游方向宽度渐缩的斜面段。

根据本实用新型另一方面的一种燃烧室，包括以上任意一项所述的燃油喷嘴、扩压器、机匣、涡流器以及火焰筒，所述燃油喷嘴通过所述安装座固定于所述机匣，在轴向与所述扩压器的出口相邻，所述燃油喷嘴的所述芯部的下游端与所述涡流器相连，置于所述火焰筒的内部。

根据本实用新型另一方面的一种燃气轮机，包括以上任意一项所述的燃油喷嘴。

本实用新型的进步效果包括下列之一：

1.隔热腔的封闭段采用圆弧形结构，可降低外壳与芯部之间由于热失配导致的热应力，可提高芯部的疲劳寿命；

2.上游油路与下游油路之间采用斜面段宽度渐扩的斜面段实现平滑过渡，可减少压力损失，同时降低油路结构内部的应力集中，提高油路结构的疲劳寿命。

3.隔热腔包括壳体与芯部之间的第一部以及安装座与芯部之间的第二部的设置，可使热应力和振动应力产生位置分开，从而降低热应力和振动应力，从而提高低循环疲劳和高周疲劳寿命。

附图说明

本实用新型上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1为燃气轮机的燃烧室结构示意图；

图2为根据一实施例的燃油喷嘴的纵切面结构示意图；

图3为根据图2的A-A截面示意图图；

图4为根据一实施例的燃油喷嘴的局部纵切面结构示意图；

图5为根据另一实施例的燃油喷嘴的局部纵切面结构示意图；

图6为根据又一实施例的燃油喷嘴的局部纵切面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本实用新型的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本实用新型保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

需要说明的是，在下述实施例中，轴向指的是沿燃气轮机的轴线方向，上游、下游指的是沿燃油喷嘴的燃油的流向的相对位置。

如图1所示，燃气轮机的燃烧室以环形燃烧室为例，可以包括有燃油喷嘴1、扩压器7、机匣，机匣包括外机匣2以及内机匣5、涡流器17以及火焰筒，火焰筒包括火焰筒外环3、火焰筒内环4以及头部转接段6。燃油喷嘴1通过安装座16安装于环形燃烧室的外机匣2，燃油喷嘴1在轴向与扩压器7的出口相邻，扩压器7的出口温度T3可高达900K，因此位于扩压器7出口相邻处的燃油喷嘴1处于高温环境下。

燃油喷嘴1的芯部15，芯部15内设置有油路，芯部15的下游端与涡流器17相连，经过头部转接段6分别将空气和燃油在火焰筒内进行掺混、点火、燃烧。

燃油喷嘴1安装于燃烧室外机匣2上，外机匣2振动加速度g直接作用于燃油喷嘴1，同时，与芯部15相连的涡流器17位于火焰筒头部转接段6内，火焰筒内燃烧不稳定产生的压力脉动P4,直接作用于涡流器17上，使燃油喷嘴1处于一定量级的振动环境下，在燃油喷嘴1在局部将产生振动应力。

参考图2至图6，在一个或多个实施例中，燃油喷嘴1包括芯部15以及外围组件，芯部15内部设置有第一油路11、第二油路12，但可以理解到，油路的数量不以图中所示的两条油路为限，也可以是一条油路，也可以三条以上等结构。外围组件位于芯部15的外围，包括安装座16以及壳体13，其中安装座16自芯部15的外侧壁向外凸出设置，用于将燃油喷嘴1固连至外机匣2；壳体13在安装座16的下游侧围绕在芯部15的外围；芯部15的外侧壁与外围组件之间提供半封闭的隔热腔14，隔热腔14包括封闭段140以及邻接封闭段140的隔热间隙141，隔热间隙141可以是如图2所示的等宽的间隙，宽度可以是1.5mm；封闭段140的纵切面为弧形。采用弧形结构的封闭段，其有益效果在于，可以降低热应力和振动应力。其原理在于，壳体13靠近扩压器7出口，温度较高，隔热腔14使得芯部15保持较低温度，从而防止燃油结焦；发明人发现，隔热腔14的封闭段140为温度低的芯部15和温度高的壳体13的过渡区域，温度差导致的热失配使得芯部15和壳体13的膨胀量差别大，会在封闭段引起局部高热应力，将降低喷嘴1的低循环疲劳寿命。另外，芯部15通过安装座16固定于外机匣2，一端与涡流器17连接为组成一体，置于燃烧室火焰筒内，等效为一个一端固定的悬臂结构。火焰筒内部燃烧不稳定产生的声压脉动，直接作用于涡流器17，从壳体13和芯部15的过渡区域，即隔热腔14的封闭段140出现较大振动应力，可能出现高周疲劳破坏风险，而采用弧形对壳体13和芯部15过渡，降低热应力和振动应力。

参考图4以及图5，在一个或多个实施例中，隔热腔14的具体结构可以是壳体13的内侧壁与芯部15的外侧壁之间提供半封闭的隔热腔14，在壳体13与芯部15之间形成隔热腔的结构，易于燃油喷嘴的加工。封闭段的具体结构可以是如图4所示的实施例，隔热腔的封闭段为半圆形封闭段100，其直径与隔热间隙141与半圆形封闭段100的邻接处的宽度相等，在图4所示的实施例中，邻接处的宽度为1.5mm，相应地，封闭段的直径为1.5mm。如此的有益效果是加工方便。封闭段的具体结构还可以是如图5所示的实施例，封闭段为优弧形封闭段101，其直径是隔热间隙140与优弧形封闭段101邻接处的宽度的1.5-2倍，在图5所示的实施例中，邻接处的宽度为1.5mm，相应地，封闭段的直径为2.3-3mm。其有益效果在于，在半圆形封闭段的基础上，将封闭段向壳体13一侧以及芯部15一侧扩展，扩大封闭段的弧形半径，从而壳体13与芯部15之间过渡区域的柔度，进一步降低壳体13与芯部15之间的热应力以及振动应力，提高燃油喷嘴的疲劳寿命。

参考图6，在一实施例中，隔热腔14的具体结构还可以封闭段延伸至安装座16。即隔热腔14包括第一部142以及第二部143，第一部142位于壳体13的内侧壁与芯部15的外侧壁之间，第一部142的一端为隔热腔14的开口端，另一端连通第二部143的一端，第二部143位于芯部15与安装座16的外侧壁之间，第二部的另一端为隔热腔14的封闭段102。如此设置的有益效果在于，可以将热应力集中与振动应力集中的应力集中位置分开。其原理在于，将壳体13和芯部15的过渡区域延伸至安装座16上，使得燃油喷嘴1的热应力集中区域转移至靠近壳体13的侧壁104，而振动应力集中区域转移至靠近芯部15的侧壁103，这种设计方式可将热应力与振动应力集中位置分开，从而降低失效风险。另外，低温的芯部15和高温的壳体13的过渡区域移至安装座16上，可降低壳体13的热应力集中区域温度梯度，进一步降低热应力，从而提高低循环疲劳寿命。

继续参考图6，在一实施例中，第二部143侧壁的具体结构可以是沿弧形延伸，如此可以进一步降低侧壁104的热应力集中以及侧壁103的振动应力集中。具体的弧形延伸结构可以是，弧形侧壁沿着垂直芯部15和安装座16过渡，侧壁104延伸的所沿的弧形半径为5-6mm，侧壁103延伸的所沿的弧形半径为6-7mm，如此可以最大限度增加弧形的半径，降低应力集中，提高疲劳寿命。

参考图5以及图6，在一个或多个实施例中，芯部15的油路的具体结构可以是，油路在安装座16附近的过渡处为斜面段。即芯部15以安装座16为界，定义位于安装座16上游的上游芯部以及位于安装座16下游的下游芯部，如图5以及图6所示的，油路11设置于上游芯部的上游油路111与位于下游芯部的下游油路112之间的过渡段为从上游至下游方向宽度渐缩的斜面段301，油路12设置于上游芯部的上游油路121与位于下游芯部的下游油路122之间的过渡段为从上游至下游方向宽度渐缩的斜面段302。如此设置，相对于图4所示的油路11、12采用台阶201、202结构的有益效果在于，采用斜面缓慢过渡，一方面可降低燃油流动压损，提高燃烧性能。另一方面，油路11和油路12与安装座16之间存在较大温度梯度，台阶201、202处会产生较大应力集中，采用斜面可降低该处热应力，提高疲劳寿命。

综上所述，采用以上的燃油喷嘴、燃烧室以及燃气轮机的优点包括以下之一：

1.燃油喷嘴的隔热腔的封闭段采用圆弧形结构，可降低外壳与芯部之间由于热失配导致的热应力，可提高芯部的疲劳寿命；

2.上游油路与下游油路之间采用斜面段实现平滑过渡，可减少压力损失，同时降低油路结构内部的应力集中，提高油路结构的疲劳寿命。

3.壳体与芯部之间的第一部以及安装座与芯部之间的第二部的设置，可使热应力和振动应力产生位置分开，从而降低热应力和振动应力，从而提高低循环疲劳和高周疲劳寿命。

4.燃油喷嘴的疲劳寿命长，向燃烧室的供油稳定，使得燃烧室的燃烧稳定；同时，避免了燃油喷嘴故障导致的燃气轮机的安全事故，提升了燃气轮机的安全性。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃油喷嘴，用于燃气轮机的燃烧室，其特征在于，包括：

芯部，内部设置有油路；以及

外围组件，位于所述芯部的外围，包括

安装座，所述安装座自所述芯部的外侧壁向外凸出设置，用于将所述燃油喷嘴固连至燃烧室机匣；以及

壳体，所述壳体在所述安装座的下游侧围绕在所述芯部的外围；

其中，所述芯部的外侧壁与所述外围组件之间提供半封闭的隔热腔，所述隔热腔包括封闭段以及邻接所述封闭段的隔热间隙，所述封闭段的纵切面为弧形。

2.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述壳体的内侧壁与所述芯部的外侧壁之间提供半封闭的隔热腔。

3.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述隔热腔的封闭段的纵切面为半圆形，其直径与所述隔热间隙与所述封闭段邻接处的宽度相等。

4.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述封闭段的纵切面为优弧形，其直径是所述隔热间隙与所述封闭段邻接处的宽度的1.5-2倍。

5.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述隔热腔包括第一部以及第二部，所述第一部位于所述壳体的内侧壁与所述芯部的外侧壁之间，其一端为所述隔热腔的开口端，另一端连通所述第二部的一端，所述第二部位于所述芯部与所述安装座的外侧壁之间，所述第二部的另一端为所述隔热腔的封闭段。

6.如权利要求5所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述隔热腔的第二部的侧壁的纵切面为沿弧形延伸。

7.如权利要求6所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述第二部的靠近所述安装座的侧壁延伸的所沿的弧形半径为5-6mm，靠近所述芯部的侧壁的延伸所沿的弧形半径为6-7mm。

8.如权利要求1-7任意一项所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述芯部以所述安装座为界，定义位于所述安装座上游的上游芯部以及位于所述安装座下游的下游芯部，设置于所述上游芯部的上游油路与位于所述下游芯部的下游油路之间的过渡段为从上游至下游方向宽度渐缩的斜面段。

9.一种燃烧室，用于燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的燃油喷嘴、扩压器、机匣、涡流器以及火焰筒，所述燃油喷嘴通过所述安装座固定于所述机匣，在轴向与所述扩压器的出口相邻，所述燃油喷嘴的所述芯部的下游端与所述涡流器相连，置于所述火焰筒的内部。

10.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的燃油喷嘴。