燃气轮机燃烧室及其喷嘴的制作方法

本发明涉及燃气轮机，特别是涉及燃气轮机的燃烧室及其喷嘴。

背景技术：

燃气轮机燃烧室中，燃料气和空气通过喷嘴实现预混合和速度型的改变，在喷嘴出口达到合理的速度分布，并匹配合理的燃料空气混合比例，进入燃烧室进行燃烧，形成稳定的流场和燃烧场。然而，现有的燃气轮机燃烧室喷嘴存在燃气和空气在预混通道混合不均匀的问题，这样容易导致燃烧不稳定，产生较多污染排放物，预混通道有可能会发生回火，对喷嘴以及安装在预混通道内贵重的旋流器等元件造成烧蚀和毁坏。

燃气轮机燃烧室内的喷嘴在喷射火焰至燃烧腔内的过程中，有可能会因为喷嘴内的压力过高，造成喷嘴喷射出来的火焰会直接喷射到火焰筒内壁或内设元器件上，甚至是直接喷射到相邻的喷嘴上，对其造成严重的烧蚀和损毁，大大降低燃气轮机燃烧室及其喷嘴的使用寿命。

因此，急需一种合理有效的燃气轮机燃烧室结构及喷嘴结构来解决上述提出的至少一种问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种能解决至少一种上述问题的燃气轮机燃烧室的喷嘴。

本发明还提出一种应用上述喷嘴的燃气轮机燃烧室。

一种燃气轮机燃烧室的喷嘴，包括主喷嘴，所述主喷嘴形成一内部燃气通道以及与所述燃气通道流体相通的燃气出口，所述喷嘴还包括喷嘴外壁，所述喷嘴外壁包括喷嘴外壁筒状部以及位于所述喷嘴外壁筒状部末端的喷嘴外壁端部，所述喷嘴外壁筒状部环绕所述主喷嘴且与所述主喷嘴在径向上间隔从而在所述主喷嘴和喷嘴外壁之间形成空气通道，所述空气通道与所述燃气出口流体相通，所述喷嘴外壁筒状部形成与所述空气通道流体相通的混合气出口，使得从所述燃气出口喷出的燃气与所述空气通道内的空气混合后从所述混合气出口喷出。

在一实施例中，所述主喷嘴包括主喷嘴筒状部以及位于所述主喷嘴筒状部末端的主喷嘴端部，所述主喷嘴筒状部定义所述内部燃气通道，所述燃气出口贯穿所述主喷嘴筒状部，所述主喷嘴端部为封闭端，使得所述燃气通道内的燃气只能从所述燃气出口喷出。

在一实施例中，所述燃气出口的位置靠近所述封闭端，所述燃气出口与所述混合气出口在径向上对应，所述内部燃气通道沿轴向延伸。

在一实施例中，所述燃气出口的孔径小于所述混合气出口的孔径。

在一实施例中，所述喷嘴外壁端部设有端部通孔并在轴向上与所述主喷嘴端部间隔开。

在一实施例中，所述空气通道内形成旋流器，以使所述空气通道内的空气形成旋流。

在一实施例中，所述主喷嘴包括主喷嘴筒状部，所述旋流器包括设置在所述主喷嘴筒状部的外周面上的若干叶片。

在一实施例中，所述叶片与所述主喷嘴筒状部的外周面和喷嘴外壁的内周面至少其中之一固定连接。

在一实施例中，所述燃气出口和混合气出口的数量各为两个且分别对应，且两个混合气出口定义的混合气喷射方向相反。

本发明还提出一种燃气轮机燃烧室，包括环形火焰筒，所述环形火焰筒形成环形燃烧腔，所述环形燃烧腔定义一轴向和围绕所述轴向的圆周方向；以及设置在所述环形燃烧腔内的若干喷嘴，所述若干喷嘴沿所述圆周方向均匀排列，所述喷嘴用于将混合有燃气和空气的混合气喷入所述燃烧腔；每个喷嘴设有至少一个混合气出口，所述混合气出口定义一混合气喷射方向，所述混合气喷射方向为朝着一相邻喷嘴的方向。

在一实施例中，每个喷嘴设置两个混合气出口，且所述两个混合气出口定义的混合气喷射方向相反。

在一实施例中，所述混合气喷射方向沿着所述圆周方向。

在一实施例中，每个喷嘴包括：主喷嘴，所述主喷嘴包括沿所述轴向延伸的主喷嘴筒状部，所述主喷嘴筒状部末端封闭，所述主喷嘴筒状部具有一内部燃气通道以及贯穿所述主喷嘴筒状部的燃气出口；喷嘴外壁，所述喷嘴外壁包括喷嘴外壁筒状部，所述喷嘴外壁筒状部环绕所述主喷嘴筒状部且与所述主喷嘴筒状部在径向上间隔从而在所述主喷嘴筒状部和喷嘴外壁筒状部之间形成环形空气通道，所述混合气出口贯穿所述喷嘴外壁筒状部且与所述燃气出口在径向上对应，使得从所述燃气出口喷出的燃气与所述空气通道内的空气混合后从所述混合气出口喷出。

综上所述，本发明提供了一种燃气轮机燃烧室及其喷嘴，喷嘴包括主喷嘴及环绕主喷嘴设置的喷嘴外壁，主喷嘴形成燃气通道，喷嘴外壁与主喷嘴在径向上间隔以在二者之间形成空气通道，主喷嘴上设置燃气出口，喷嘴外壁上设置与燃气出口对应的混合气出口，使得燃气出口喷出的燃气与空气通道内的空气混合后从混合气出口喷出，每个喷嘴的混合气出口的喷射方向朝向相邻喷嘴。本发明的喷嘴结构设计巧妙，能更好地混合燃气和空气，并将混合气喷射入燃烧室的燃烧腔内进行燃烧，避免了高温火焰对火焰筒壁的损害。本发明的燃气轮机燃烧室结构简单，构思新颖，可最大程度降低对燃烧室各元件的损坏，提高燃烧室的燃烧效率，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明一实施例的燃烧室沿一横向截面的俯视示意图。

图2是图1中燃烧室的火焰筒外壁和内壁的结构示意图。

图3是图1中燃烧室的喷嘴的侧视图。

图4是图3中喷嘴的纵向剖视图。

图5是本发明另一实施例的燃烧室沿一横向截面的俯视示意图。

图6是图5中燃烧室的火焰筒外壁的结构示意图。

图7是图5中燃烧室的火焰筒外壁和内壁的结构示意图。

图8是图5中燃烧室沿一横向截面的仰视示意图。

图9是图5中燃烧室的空心体结构的纵向剖视图。

图10是本发明另一实施例的燃烧室的燃气气流和空气气流形成四角切圆的简化示意图。

图11是上述实施例中喷嘴结构的另一实施例的结构示意图。

图12是图11中喷嘴的部分结构的放大示意图。

图13是图11中喷嘴结构的俯视示意图。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

如图1和图2所示，本发明提供一种燃气轮机燃烧室，所述燃烧室包括环形火焰筒10和若干喷嘴12，环形火焰筒10形成环形燃烧腔14，若干喷嘴12设置在环形燃烧腔14内，若干喷嘴12用于将混合有燃气和空气的混合气喷入环形燃烧腔14内。更具体地，在所示的实施例中，环形火焰筒10包括具有径向间隔的外圈火焰筒16和内圈火焰筒18，燃烧腔14形成于内圈火焰筒18与外圈火焰筒16之间。

环形燃烧腔14定义一轴向和围绕所述轴向的圆周方向，若干喷嘴12固定在火焰筒10的端壁上，沿所述圆周方向排列且沿所述轴向延伸。优选的是，若干喷嘴12沿所述圆周方向均匀排列。

如图3和图4所示，喷嘴12包括主喷嘴20及围绕主喷嘴20设置的喷嘴外壁22，主喷嘴20形成一内部燃气通道24以及与内部燃气通道24流体相通的燃气出口26，喷嘴外壁22与主喷嘴20之间形成空气通道28，燃气出口26与空气通道28流体相通，喷嘴外壁22上设置与空气通道28流体相通的至少一混合气出口30，以使得从燃气出口26喷出的燃气与空气通道28内的空气混合后从混合气出口30喷出。

具体而言，主喷嘴20包括主喷嘴筒状部32以及位于主喷嘴筒状部32末端的主喷嘴端部34，其中主喷嘴筒状部32定义内部燃气通道24，内部燃气通道24沿所述轴向延伸，主喷嘴筒状部32的燃气入口端与外部燃气输送管道连通，以接收外来燃气。主喷嘴端部34为封闭端，以使得燃气通道24内的燃气只能从燃气出口26喷出。

在所示的实施例中，燃气出口26贯穿主喷嘴筒状部32设置，燃气出口26的数量为两个，两个燃气出口26分别朝向相邻喷嘴的方向设置，且设置燃气出口26的位置靠近主喷嘴端部34，即所述封闭端。

喷嘴外壁22包括喷嘴外壁筒状部36以及位于喷嘴外壁筒状部36末端的喷嘴外壁端部38，喷嘴外壁筒状部36环绕主喷嘴20且与主喷嘴20在径向上间隔，从而在主喷嘴20与喷嘴外壁22之间形成空气通道28，空气通道28与燃气出口26流体相通。在所示的实施例中，喷嘴外壁端部38在所述轴向上与主喷嘴端部34间隔开，因此，空气通道28也包括喷嘴外壁端部38与主喷嘴端部34之间形成的空间。

每个喷嘴12设有至少一个混合气出口30，也即在喷嘴外壁筒状部36上形成与空气通道28流体相通的至少一混合气出口30。具体来说，混合气出口30贯穿喷嘴外壁筒状部36且与燃气出口26在径向上对应，以使得从燃气出口26喷出的燃气与空气通道28内的空气混合后从混合气出口30喷出。

在所示的实施例中，喷嘴外壁筒状部36上形成的混合气出口30的数量为两个，而且两个混合气出口30分别与两个燃气出口26在径向上对应，以使得从两个燃气出口26喷出的燃气与空气通道28内的空气混合后分别从两个混合气出口30喷出。

每一混合气出口30定义一混合气喷射方向，在所示的实施例中，每个喷嘴12设置两个燃气出口26和两个混合气出口30，两个燃气出口26分别与两个混合气出口30在径向上对应，且两个混合气出口30定义的混合气喷射方向相反。本实施例中，所述混合气喷射方向大致沿着所述圆周方向。具体而言，所述混合气喷射方向为朝着一相邻喷嘴12的方向，因此，每一喷嘴12的两个混合气出口30的混合气喷射方向分别朝向与该喷嘴12相邻的两喷嘴的方向。

在所示的实施例中，喷嘴外壁端部38设有端部通孔40，端部通孔40同时与空气通道28和环形燃烧腔14流体相通，因此，空气通道28内的空气可从端部通孔40流向环形燃烧腔14内，以形成空气通道28内空气的整体流动，进行壁面36及端部38的冷却。

在所示的实施例中，喷嘴12形成的燃气出口26和混合气出口30均设置为圆形，且燃气出口26的孔径小于混合气出口30的孔径，这样燃气出口26形成的燃气射流可以在通过混合气出口30时形成引射空气的作用，促进通过混合气出口30的燃气与空气的混合，进而促进燃烧及缩短火焰的长度。

如上所述，从混合气出口30喷射出来的混合气的喷射方向为朝着一相邻喷嘴12的方向，当火焰压力较大时，从混合气出口30喷射出来的混合气或者是混合气产生的火焰可能会直接喷射到相邻的喷嘴12上，这样会对喷嘴12产生较大损害，使得喷嘴12容易损坏。为了避免这种情况的发生，为了更为稳妥地解决上述问题，本发明对燃烧室进行了进一步地改进，并提出两种实施方案。

实施方案一：

如图5-9所示，所述燃烧室还包括用于阻止混合气或混合气产生的火焰直接喷射到相邻的喷嘴12上的若干火焰阻挡结构，具体来说，每两个相邻的喷嘴12之间设置一个火焰阻挡结构。

如前所述，每个喷嘴12设置两个混合气出口30，且两个混合气出口30定义的混合气喷射方向相反。请参考图5，任意相邻两喷嘴12的相对的两混合气出口30的混合气喷射方向具有一交点，所述火焰阻挡结构设置于所述交点处，以阻挡混合气出口30喷射的混合气产生的火焰。

所述火焰阻挡结构包括一空心体42，空心体42具有空心体壁部44以及由空心体壁部44形成的内部空腔46。空心体42沿所述轴向方向设置，空心体42的一轴向端部固定在火焰筒10上，具体来说是固定在火焰筒10的固定有喷嘴12的那一端壁上。空心体42的该轴向端部为开口结构，以与外部空气连通，用于接收火焰筒10外部的冷却空气，进而使得冷却空气充满内部空腔46。

如图9，空心体42的另一轴向端部48和空心体壁部44均设有与内部空腔46流体相通的若干通孔。利用这种多孔结构，空心体42的内部空腔46的空气可以通过空心体壁部44和轴向端部48，保护火焰阻挡结构不被烧毁。同时内部空腔46的空气还可通过空心体壁部44和轴向端部48上的通孔进入环形燃烧腔14内，以使得环形燃烧腔14内的燃气燃烧更加充分。

空心体42具有面向相邻的喷嘴12的阻挡面，所述阻挡面即为火焰与空心体42接触的表面，沿所述圆周方向每一空心体42的两侧均设置一喷嘴12，因此每一空心体42具有两个阻挡面。当其中一喷嘴12的火焰朝向另一相邻的喷嘴喷射时，其火焰喷射到空心体42的阻挡面上而被阻挡。由于空心体壁部44为多孔结构，空心体内部空腔46的冷却空气可以穿过空心体壁部44和轴向端部48的通孔而在阻挡面和端部外表面上形成阻隔气膜，保护空心体42不被烧毁。在本实施例中，所述阻挡面设计为弧形面，例如，将空心体42设计为空心圆柱体42。在其他实施例中，空心体42也可以具有其它形状，例如椭圆柱体，长方体，多面体等等，只要能阻挡其中一喷嘴的火焰而不至于喷射到相邻的一喷嘴即可。

请继续参考图5，每个喷嘴12具有两个混合气出口30，每个混合气出口30朝向一对应的相邻空心体42喷射混合气，每个混合气出口30具有一中心线，空心圆柱体42具有平行于所述轴向的中心线，每个混合气出口30的中心线穿过与该混合气出口30对应的空心体42的中心线，也就是说，每个空心体42的中心线位于相邻两喷嘴12的相对的两混合气出口30的混合气喷射方向，也即其中心线的交点上。

请参考图8，在一径向截面中，所有空心体42的中心与所有喷嘴12的中心位于同一个圆上。当然，在其它实施例中，空心体42与喷嘴12在圆周方向上也可以按照别的方式设置，不一定设置在同一个圆上。

实施方案二：

如图10所示，例示了环形火焰筒10的一部分结构，包括外圈火焰筒16、内圈火焰筒18、形成于内圈火焰筒18与外圈火焰筒16之间的燃烧腔14及设置在燃烧腔14内的若干喷嘴。每个喷嘴设有第一混合气出口和第二混合气出口，每一混合气出口定义一喷射方向。上述环形火焰筒10和喷嘴12的构造可与前述实施例中的构造相同，因此在此不再赘述。

下面以任意相邻的两个喷嘴为例进行详细说明。

所述任意相邻的两个喷嘴包括第一喷嘴12a和第二喷嘴12b，第一喷嘴12a包括第一混合气出口50和第二混合气出口52，第二喷嘴12b包括第一混合气出口54和第二混合气出口56。其中第一喷嘴12a的第一混合气出口50位于面向第二喷嘴12b的一侧，第二喷嘴12b的第二混合气出口56位于面向第一喷嘴12a的一侧。

外圈火焰筒16设有第一空气流喷射结构62，第一空气流喷射结构62用于喷射朝向内圈火焰筒18的第一空气流66，第一空气流66定义一第一空气流方向。内圈火焰筒18设有第二空气流喷射结构64，第二空气流喷射结构64用于喷射朝向外圈火焰筒16的第二空气流68，第二空气流68定义一第二空气流方向。

在一径向截面中，第一喷嘴12a的第一混合气出口50定义一第一喷射方向58，第一喷射方向58朝向内圈火焰筒18和外圈火焰筒16其中之一侧偏离第一喷嘴12a和第二喷嘴12b的中心之间的连线L。第二喷嘴12b的第二混合气出口56定义一第二喷射方向60，第二喷射方向60朝向内圈火焰筒18和外圈火焰筒16其中另一侧偏离第一喷嘴12a和第二喷嘴12b的中心之间的连线L。

应当理解的是，上述第一空气流66的喷射方向即为第一空气流方向，第二空气流68的喷射方向即为第二空气流方向，混合气流或火焰沿第一喷嘴12a的第一混合气出口50喷出的方向即为第一喷射方向58，混合气流或火焰沿第二喷嘴12b的第二混合气出口56喷出的方向即为第二喷射方向60。

第一喷嘴12a的第一混合气出口50、第二喷嘴12b的第二混合气出口56、第一空气流喷射结构62和第二空气流喷射结构64呈四角切圆布置。换句话说，沿第一喷射方向58喷射的混合气流或火焰、沿第二喷射方向60喷射的混合气流或火焰、第一空气流66和第二空气流68合围呈四角切圆。

在如图10所示的实施例中，第一喷射方向58朝向外圈火焰筒16偏离第一喷嘴12a和第二喷嘴12b的中心之间的连线L，第一喷射方向58偏离第一喷嘴12a和第二喷嘴12b的圆心之间的连线L的角度为1°-15°。第二喷射方向60朝向内圈火焰筒18偏离第一喷嘴12a和第二喷嘴12b的圆心之间的连线L，第二喷射方向60偏离第一喷嘴12a和第二喷嘴12b的中心之间的连线L的角度为1°-15°。

应当理解的是，在其他实施例中，根据设计需求，第一喷射方向58也可以朝向内圈火焰筒18偏离第一喷嘴12a和第二喷嘴12b的圆心之间的连线L，第二喷射方向60也可以朝向外圈火焰筒16偏离第一喷嘴12a和第二喷嘴12b的圆心之间的连线L，只要能使得沿第一喷射方向58喷射的混合气流或火焰、沿第二喷射方向60喷射的混合气流或火焰、第一空气流66和第二空气流68合围形成的气流呈四角切圆即可，本发明不对此限定。

在所示的实施例中，第一空气流喷射结构62为设在外圈火焰筒16上的一个或多个第一气孔62，火焰筒外部的高压空气通过该第一气孔62而向燃烧腔14内朝向内圈火焰筒喷射该第一空气流66。类似地，第二空气流喷射结构64为设在内圈火焰筒18上的一个或多个第二气孔64，火焰筒外部的高压空气通过该第二气孔64向燃烧腔14内朝向外圈火焰筒喷射该第二空气流68。此外，内圈火焰筒18和外圈火焰筒16上设有若干贯穿的冷却孔，以使得外部空气可经冷却孔进入燃烧腔14内在火焰筒壁面形成气膜，阻隔高温火焰。

本实施例中，第一气孔62和第二气孔64的孔径大于冷却孔的孔径，其具体数值根据气动参数设计。

所述四角切圆的具体运行原理为：第一喷嘴12a的第一混合气出口50喷出的沿第一喷射方向58前进的第一火焰与从第一空气流喷射结构62喷出的第一空气流66相交，第一空气流66可以改变第一火焰的行进方向为第一空气流方向，由于第一火焰本身具有一定的沿第一喷射方向58的行进动量，因此两股气流相交后沿一弧形路径行进。第二喷嘴12b的第二混合气出口56喷出的沿第二喷射方向60前进的第二火焰与从第二空气流喷射结构64喷出的第二空气流68相交，第二空气流68可以改变第二火焰的行进方向为第二空气流方向，由于第二火焰本身具有一定的沿第二喷射方向60的行进动量，因此两股气流相交后沿另一弧形路径行进。两弧形路径合围形成一四角切圆路径，在第一空气流66和第二空气流68的作用下，混合后的气流沿该四角切圆路径循环，相邻喷嘴之间的中间位置形成旋流，有效避免混合气出口喷射出来的火焰直接喷射到相邻的喷嘴12上。同时，这种旋流相当于在更短的轴向空间内拉长了火焰的长度，因此使得燃烧更充分，排放更好，也使得燃烧室的轴向尺寸可以进一步降低，最终的燃气轮机也可以具有更小的轴向尺寸。

如图11-13所示，为了使得燃气和空气能够更均匀地混合，喷嘴12的空气通道28内设置一旋流器74，以使得进入空气通道28内的空气形成旋流，增大空气流动强度，使其能够与燃气快速均匀地混合，提高燃烧效率，从而降低氮氧化物的排放。在所示的实施例中，旋流器74包括设置在主喷嘴筒状部32的外周面上的若干叶片76，叶片76的内侧固定连接在主喷嘴筒状部32的外周面上，叶片76的外侧固定连接至喷嘴外壁筒状部36的内周面上。在其它未描述的实施例中，叶片也可以只与所述主喷嘴筒状部的外周面和喷嘴外壁的内周面其中之一固定连接。

应当理解的是，本实施例中旋流器74实施为弧形长条形叶片76，在其他实施例中，旋流器74也可以实施成其他结构，只要能使得空气通道内的空气形成旋流即可。

综上所述，本发明提供了一种燃气轮机燃烧室及其喷嘴，喷嘴包括主喷嘴及环绕主喷嘴设置的喷嘴外壁，主喷嘴形成燃气通道，喷嘴外壁与主喷嘴在径向上间隔以在二者之间形成空气通道，主喷嘴上设置燃气出口，喷嘴外壁上设置与燃气出口对应的混合气出口，使得燃气出口喷出的燃气与空气通道内的空气混合后从混合气出口喷出，每个喷嘴的混合气出口的喷射方向朝向相邻喷嘴。本发明的喷嘴结构设计巧妙，能更好地混合燃气和空气，并将混合气喷射入燃烧室的燃烧腔内进行燃烧，避免了高温火焰对火焰筒壁的损害。其次，在一些实施例中，燃烧室内还设置若干火焰阻挡结构，火焰阻挡结构设置在相邻两喷嘴之间，以阻止从喷嘴喷射出的火焰直接喷射到相邻的喷嘴上对其产生损坏，延长燃烧室的使用寿命。再次，在一些实施例中，燃烧室还可在外圈火焰筒和内圈火焰筒上设置空气流喷射结构，空气流喷射结构构造成其喷射出的空气流与相邻两喷嘴的相对的两混合气出口喷射出的火焰形成四角切圆，空气流可改变喷射火焰的行进方向，进而沿所述四角切圆循环运转，有效避免喷射火焰对燃烧室及喷嘴造成损坏，提高燃烧腔内的燃气燃烧效率。本发明的燃气轮机燃烧室结构简单，构思新颖，可最大程度降低对燃烧室各元件的损坏，提高燃烧室的燃烧效率，降低生产成本。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。