TW202118932A - 微渦輪燃燒室結構 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種微渦輪燃燒室結構，其包括：一燃燒室，具有一壁面；複數個第一燃氣噴嘴，係設置於該壁面之頂部；複數個第二燃氣噴嘴，係設置於該壁面之中上部；一點火器，係設置於該燃燒室之底部內；以及複數排雷射孔，係設置於該複數個第一燃氣噴嘴與稀釋孔之間，以保護燃燒室壁面，使其溫度降低以提升其使用壽命。

Description

微渦輪燃燒室結構

本發明係有關於一種微渦輪燃燒室結構，更詳而言之，尤指一種藉由產生薄膜冷卻效果的微渦輪燃燒室結構。

傳統微渦輪燃燒室設計考量使用氣體燃料及降低製作成本僅在燃燒室出口前端鑽數排稀釋孔，使燃燒室內溫度混合均勻並降低出口溫度。進入渦輪後能提升渦輪的使用壽命，但此一設計往往因為燃燒室進氣量及燃氣量控制不當造成局部高溫區域，使燃燒室高溫變色縮短使用壽命。

請參閱第1圖，第1圖係為傳統微渦輪燃燒室於低溫燃燒後之實體圖。如圖所示，傳統微渦輪燃燒室於低溫燃燒後發現在兩燃氣噴嘴(第一燃氣噴嘴2與第二燃氣噴嘴3)之區域間已有變色及變形，顯示在該區域燃燒室之溫度較高為高溫區域7，而微渦輪燃燒室內壁及前沿8均未有明顯變色，顯示在該區域之燃燒室溫度低。

另外，微渦輪引擎燃燒室體積大、操作溫度高，尤其是使用在不同的燃料(如甲烷、丙烷、沼氣(60%甲烷)及木氣(CO及H₂))需求時，燃燒室的溫度控制很難控制精準，因此燃燒室溫度的不均勻性會大大減少燃燒室使用壽命。

由於微渦輪引擎設計係採用長壽期設計及低成本製作，方能提升該產品的競爭性。而該產品中燃燒室為首先面臨高溫的流場，燃燒室內又須面對不同的燃料燃燒，方能具有實用性。不同燃料，尤其是生質燃料、生活垃圾所產生的熱值隨著燃料的成分有所不同，因此除了須借助燃燒噴嘴的設計及燃料流量的控制來降低對燃燒室襯室壁面溫度的衝擊外，亦會影響其使用壽命。

此外，關於雷射加工技術(雷射鑽孔技術)絕大多用在電子產業的製作上，而在渦輪引擎的應用上是在渦輪葉片的薄膜冷卻上，燃燒室的專利申請雖然有燃燒室冷卻方面之專利申請，大多為燃燒室冷卻散熱流路的設計，並未有利用雷射鑽孔加工技術應用在燃燒室上之技術。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失予以研究改良，提供一種微渦輪燃燒室結構，以期達到更佳實用價值性之目的者。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明主要之目的在於提供一種微渦輪燃燒室結構，利用燃燒室外高壓冷空氣經由雷射孔進入燃燒室，而在室內壁產生一層薄膜，該薄膜空氣可隔絕燃燒室內的高溫燃燒氣體產生薄膜冷卻的效果，保護燃燒室壁面，使其溫度降低以提升其使用壽命的效果。

本發明再一目的係提供一種微渦輪燃燒室結構，具低製造成本，可應用在微渦輪燃燒室及渦輪引擎燃燒室之設計上，無須全面將燃燒室進行雷射鑽孔加工，以節省製作成本及增加燃燒室使用壽命的效果。

為達上述目的，本發明係提供一種微渦輪燃燒室結構，其包括：一燃燒室，具有一壁面；複數個第一燃氣噴嘴，係設置於該壁面之頂部；複數個第二燃氣噴嘴，係設置於該壁面之中上部；一排稀釋孔，系設置於該燃燒室之排氣出口附近；以及複數排雷射孔，係設置於該複數個第一燃氣噴嘴與該複數個第二燃氣噴嘴之間。

較佳地，該複數排雷射孔可包括複數個奇數排雷射孔及複數個偶數排雷射孔，該複數個奇數排雷射孔與該複數個偶數排雷射孔可彼此交錯式排列。

較佳地，該複數排雷射孔之一孔徑可為0.015至0.03in，一鑽孔角度可為45至90度，一鄰孔間距可為該孔徑之4至12倍，一排孔間距可為該孔徑之20至40倍。

較佳地，於該複數個第一燃氣噴嘴與該複數個第二燃氣噴嘴之間可設置五排雷射孔。

較佳地，於該壁面之中下部可設置一排之複數個稀釋孔。

較佳地，可進一步設置三排雷射孔於該複數個第二燃氣噴嘴及該複數個稀釋孔之間。

較佳地，該微渦輪燃燒室結構之燃料可包括甲烷、丙烷、沼氣或木氣。

較佳地，可僅於該複數個第一燃氣噴嘴及該複數個稀釋孔之間設置該複數排雷射孔，該壁面之其餘區域未設置雷射孔。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

1‧‧‧燃燒室

11‧‧‧壁面

2‧‧‧第一燃氣噴嘴

3‧‧‧第二燃氣噴嘴

4‧‧‧點火器

5‧‧‧複數排雷射孔

51‧‧‧奇數排雷射孔

52‧‧‧偶數排雷射孔

6‧‧‧稀釋孔

7‧‧‧高溫區域

8‧‧‧前沿

9‧‧‧高壓冷空氣

10‧‧‧高溫燃燒氣體

x‧‧‧排孔間距

D‧‧‧孔徑

P‧‧‧鄰孔間距

α‧‧‧鑽孔角度

M‧‧‧冷熱流率比

η‧‧‧散熱效率

第1圖係為傳統微渦輪燃燒室於低溫燃燒後之實體圖。

第2圖係為傳統微渦輪燃燒室於燃燒後之溫度模擬圖。

第3圖係為本發明散熱效率與排孔間距與孔徑比之關係圖。

第4圖係為本發明微渦輪燃燒室之雷射孔示意圖。

第5圖係為本發明散熱效率與排孔間距與孔徑比之關係圖。

第6圖係為本發明鄰孔間距與孔徑關係示意圖。

第7圖係為本發明微渦輪燃燒室之雷射孔彼此交錯式排列示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。

請參閱第2圖，第2圖係為傳統微渦輪燃燒室於燃燒後之溫度模擬圖。如圖所示，微渦輪燃燒室上溫度分布顯示在1412℃以下高溫區域集中在兩燃氣噴嘴間之區域約為1250℃左右，此溫度已超過燃燒室的熔點，因此在此區域須利用雷射孔進行薄膜冷卻，希望能降低200℃，而燃燒室內部高溫區較小且不明顯。微渦輪燃燒室設計點經過流場分析顯示燃燒室內高溫氣體最高溫度2150℃，燃燒室外高壓空氣溫度170℃，燃燒室內外溫差大，需進一步利用流固耦合計算燃燒室之溫度分佈及熱應力及熱變形。同時室內外冷熱空氣流速相差兩倍。

請參閱第3圖至第4圖，第3圖係為本發明微渦輪燃燒室結構圖，第4圖係為本發明微渦輪燃燒室之雷射孔示意圖。如圖所示，本發明提供一種微渦輪燃燒室結構，其包括：燃燒室1、壁面11、第一燃氣噴嘴2、第二燃氣噴嘴3、點火器 4、複數排雷射孔5。燃燒室1具有一壁面11。複數個第一燃氣噴嘴2設置於壁面11之頂部，複數個第二燃氣噴嘴3設置於壁面11之中上部，而壁面11之頂部至中上部為高溫區域7。點火器4設置於燃燒室1之底部內，以及複數排雷射孔5設置於複數個第一燃氣噴嘴2與複數個第二燃氣噴嘴3之間，例如：於複數個第一燃氣噴嘴2與複數個第二燃氣噴嘴3之間可設置五排雷射孔。因此本發明利用雷射鑽孔技術在高溫區域7內鑽孔，利用燃燒室1外高壓冷空氣9經由雷射孔進入燃燒室1，在燃燒室1內壁產生一層薄膜，該薄膜空氣可隔絕燃燒室1內的高溫燃燒氣體10，產生薄膜冷卻的效果，保護燃燒室1壁面11，使其溫度降低以提升其使用壽命。

在本實施方式中，請參閱第3圖至第6圖，第5圖係為本發明散熱效率η與排孔間距x與孔徑D比之關係圖，第6圖係為本發明鄰孔間距P與孔徑D關係示意圖。複數排雷射孔5之孔徑D可為0.015至0.03in、鑽孔角度α可為45至90度、鄰孔間距P可為孔徑D之4至12倍、排孔間距x可為孔徑D之20至40倍。請參閱第5圖，如圖所示根據發明人所研究，繪製出散熱效率η、鑽孔角度α、冷熱流率比M及排孔間距x與孔徑D比(x/D)之關係，顯示鑽孔角度α為60度最好，當本發明設計冷熱流率比M=2、排孔間距x與孔徑D比=30時，散熱效率η為0.5可使壁溫降至1000℃。

在本實施方式中，複數排雷射孔5可包括複數個 奇數排雷射孔51及複數個偶數排雷射孔52，複數個奇數排雷射孔51與複數個偶數排雷射孔52可彼此交錯式排列(如第7圖所示)。在一般情況下，鄰孔間距P與孔徑D比(P/D)越小(例如：P/D=2)時，燃燒室1壁面11溫度越均勻，但相對所要鑽的孔也越多，增加製作成本。因此本案採用交錯排孔設計，可使鄰孔間距P即使增加多倍，即P/D=8時，燃燒室1壁面11溫度依然均勻之效果。

在本實施方式中，如第3圖所示，於該壁面11之中下部可設置一排之複數個稀釋孔6，另外，亦可進一步設置三排雷射孔於複數個第二燃氣噴嘴3及複數個稀釋孔6之間，以降低燃燒室1表面溫度。

在本實施方式中，為提升微渦輪燃燒室之實用性，微渦輪燃燒室結構之燃料可包括甲烷、丙烷、沼氣或木氣。根據微渦輪引擎燃燒不同燃料進行發電時，由於燃氣與引擎進氣混合不均勻時，易在燃燒室1上產生高溫變色區域。因此本發明利用雷射鑽孔技術在該區域內鑽孔，利用燃燒室1外高壓冷空氣9經由雷射孔進入燃燒室1在室內壁產生一層薄膜，該薄膜空氣可隔絕燃燒室1內的高溫燃燒氣體10，產生薄膜冷卻的效果，保護燃燒室1壁面11，使其溫度降低以提升其使用壽命。

此外，可僅於複數個第一燃氣噴嘴2及複數個稀釋孔6之間設置該複數排雷射孔5，壁面11之其餘區域未設置 雷射孔，或者，可僅於複數個第一燃氣噴嘴2及複數個第二燃氣噴嘴3之間設置複數排雷射孔5，壁面11之其餘區域未設置雷射孔。渦輪引擎在壁面11上全面鑽無數雷射孔進行薄膜冷卻降低壁面11溫度，美國GE90渦輪引擎利用雷射孔與壁面11夾角形成空氣薄膜以降低燃燒室1表面溫度，因此此款燃燒室1可以提高燃燒溫度是同等級引擎燃燒室最短的。但在燃燒室1壁面11上全面鑽雷射孔會增加製造成本，因此本案申請之專利僅針對微渦輪燃燒室產生高溫區域7進行雷射鑽孔加工，而不變色區域不需要雷射鑽孔。本發明具低製造成本，可應用在微渦輪燃燒室或渦輪引擎燃燒室之設計上，無須全面將燃燒室雷射鑽孔加工，以節省製作成本及增加燃燒室使用壽命。

綜上所述，由於微渦輪需要製作成本低且使用壽命長，又要使用不同熱值及流量的燃料(例如：甲烷、丙烷、沼氣及生質燃料等)，故燃燒火焰長度及燃燒室1內高溫區域7很難精準控制。因此容易在壁面11上產生高溫區域7而降低燃燒室1使用壽命，故本發明利用雷射鑽孔及薄膜冷卻技術降低燃燒室1壁面11溫度並使其使用壽命增加，同時製造成本也低。

本發明除可應用於微渦輪燃燒室散熱設計上，同時對於各式引擎燃燒筒之設計亦可使用，僅在局部熱變形或高溫區域增加雷射孔之設計有助於降低燃燒筒溫度，增加燃燒筒使用壽命。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及 其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧燃燒室

11‧‧‧壁面

2‧‧‧第一燃氣噴嘴

3‧‧‧第二燃氣噴嘴

4‧‧‧點火器

5‧‧‧複數排雷射孔

51‧‧‧奇數排雷射孔

52‧‧‧偶數排雷射孔

6‧‧‧稀釋孔

7‧‧‧高溫區域

8‧‧‧前沿

x‧‧‧排孔間距

D‧‧‧孔徑

Claims (8)

1. 一種微渦輪燃燒室結構，其包括：

   一燃燒室，具有一壁面；

   複數個第一燃氣噴嘴，係設置於該壁面之頂部；

   複數個第二燃氣噴嘴，係設置於該壁面之中上部；

   一點火器，係設置於該燃燒室之底部內；以及

   複數排雷射孔，係設置於該複數個第一燃氣噴嘴與該複數個第二燃氣噴嘴之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微渦輪燃燒室結構，其中該複數排雷射孔包括複數個奇數排雷射孔及複數個偶數排雷射孔，該複數個奇數排雷射孔與該複數個偶數排雷射孔彼此交錯式排列。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微渦輪燃燒室結構，其中該複數排雷射孔之一孔徑為0.015至0.03in，一鑽孔角度為45至90度，一鄰孔間距為該孔徑之4至12倍，一排孔間距為該孔徑之20至40倍。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微渦輪燃燒室結構，其中於該複數個第一燃氣噴嘴與該複數個第二燃氣噴嘴之間設置五排雷射孔。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微渦輪燃燒室結構，其中於該壁面之中下部設置一排之複數個稀釋孔。
6. 如申請專利範圍第5項所述之微渦輪燃燒室結構，進一步 設置三排雷射孔於該複數個第二燃氣噴嘴及該複數個稀釋孔之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微渦輪燃燒室結構，其中該微渦輪燃燒室結構之燃料包括甲烷、丙烷、沼氣或木氣。
8. 如申請專利範圍第6項所述之微渦輪燃燒室結構，其中僅於該複數個第一燃氣噴嘴及該複數個稀釋孔之間設置該複數排雷射孔，該壁面之其餘區域未設置雷射孔。

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