专利名称：薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃烧室高速烧嘴，具体涉及一种薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室 高速烧嘴，属于工业炉技术领域。
背景技术：
随着冶金工业和热处理产业的迅猛发展，对高速烧嘴出口的温度和速度的要求越 来越高。超高温燃料燃烧速度很快，烧嘴燃烧室空间热强度很大，目前超高温燃烧室壳体 抗动载荷、抗热震稳定性差、使用寿命短、更换频繁，限制了高速烧嘴向高温、高速方向的发 展。因此说，现有的高速烧嘴的燃烧室壳体存在使用寿命短的技术难题。
发明内容
本发明为了解决现有的烧嘴的燃烧室壳体存在使用寿命短的技术技问题，进而提 供了一种薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是本发明所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴包括高速烧嘴端盖、燃烧 室内筒、燃烧室内筒外罩、燃烧室壳体、煤气入口和助燃空气入口，所述烧嘴还包括燃烧室 壳体外罩和二次空气入口 ；所述燃烧室壳体为侧壁呈波纹状的锥形壳体，燃烧室壳体侧壁 的纵截面呈波纹状结构；所述燃烧室壳体上周向均布开有多个气膜冷却孔；所述高速烧嘴 端盖盖在燃烧室内筒的一端，燃烧室内筒的另一端与燃烧室壳体的大端连通，煤气入口与 高速烧嘴端盖连通，燃烧室内筒的侧壁上开有多个助燃空气通孔；所述燃烧室内筒外罩套 设在燃烧室内筒上且二者之间形成有助燃空气密封气腔，所述燃烧室壳体外罩套设燃烧室 壳体上且二者之间形成有二次空气密封气腔，燃烧室内筒外罩的外侧壁上设有助燃空气入 口，燃烧室壳体外罩的外侧壁上设有二次空气入口。本发明的有益效果是本发明的创新点在于燃烧室壳体采用带有气膜冷却孔的金属波纹锥形壳体，能够 增加扰流的强度，提高换热效果，有效增加了高速烧嘴燃烧室壳体的使用寿命；壳体上的气 膜冷却孔在迎着气流的波峰面上与气流流动方向有夹角，借助动压进气，对溢流强化换热 有利；通道外波纹沿气流方向有波峰和波谷，通过气膜冷却孔出来的气体可以相对稳定地 驻留在波谷里，形成气体隔膜，有效地防止了热燃气对壳体的对流换热，提高了高速烧嘴的 使用寿命；带有气膜冷却孔的金属波纹锥形壳体的波纹结构使其刚度增加，抗动载荷、抗热 冲击的稳定性好。现有的直壁面锥形高温合金燃烧室壳体能够在900°C以下工作60小时， 然而采用波纹状且开有气膜冷却孔高温合金燃烧室壳体能够将燃烧室壳体内壁温度降至 500 600°C左右，使燃烧室壳体在1800°C高温环境中持久工作180 200小时。本发明所 述烧嘴的燃烧室壳体使用寿命是现有直壁面锥形壳体的3倍以上。本发明采用带有气膜冷却孔的金属波纹锥形壳体，代替带有气膜冷却孔的金属直 壁面锥形壳体，其优点在于1、同直壁面锥形壳体相比，带有气膜冷却孔的金属波纹锥形壳体的冷却面不是平直的而呈波纹状，能够增加扰流的强度，提高换热效果；波纹锥形壳体上 的气膜冷却孔在迎着气流的波峰面上与气流流动方向有夹角，借助动压进气，对溢流强化 换热有利；通道外波纹沿气流方向有波峰和波谷，通过气膜冷却孔出来的气体可以相对稳 定地驻留在波谷里，形成气体隔膜，有效地防止了热燃气对壳体的对流换热，提高了高速烧 嘴的使用寿命。2、同直壁面锥形壳体相比，带有气膜冷却孔的金属波纹锥形壳体的刚度增 加，抗动载荷、抗热冲击的稳定性好。3、通过选择合理的金属波纹锥形壳体的波纹结构参数 (波纹高度h，波纹倾角α，波纹的波棱曲面半径1^ ，单节波纹长度Ltl，波纹节数η)，能够 获得合适的冷却效果。
图1是本发明所述薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴的整体结构示意图 (主视图)；
图2是燃烧室壳体的主视剖视图3是图2的I部放大图(燃烧室壳体的波纹结构局部放大图)； 图4是图2的A-A剖视图(放大)； 图5是图4的II部放大图6是燃烧室壳体的主视图(气膜冷却孔顺排排列)； 图7是燃烧室壳体的主视图(气膜冷却孔叉排排列)； 图8是图6的III部放大图；图9是图7的IV部放大图；其中1为煤气入口，2为电点火器，3为高速烧嘴端盖，4为煤气挡板，5为燃烧室内 筒，6为燃烧室内筒外罩，7为燃烧室壳体大端法兰，8为燃烧室壳体，9为燃烧室壳体外罩， 10为燃烧室壳体小端法兰，11为第二段燃烧室，12为二次空气入口法兰，13为二次空气入 口，14为第一段燃烧室，15为助燃空气入口法兰，16为助燃空气入口，17为火焰检测孔。
具体实施例方式具体实施方式
一如图1 9所示，本实施方式所述的薄膜冷却式波纹壳体结构 燃烧室高速烧嘴，所述烧嘴包括高速烧嘴端盖3、燃烧室内筒5、燃烧室内筒外罩6、燃烧室 壳体8、煤气入口 1和助燃空气入口 16，所述烧嘴还包括燃烧室壳体外罩9和二次空气入口 13 ；所述燃烧室壳体8为侧壁呈波纹状的锥形壳体，燃烧室壳体8侧壁的纵截面呈波纹状结 构；所述燃烧室壳体8上周向均布开有多个气膜冷却孔8-1 (通孔)；所述高速烧嘴端盖3 盖在燃烧室内筒5的一端，燃烧室内筒5的另一端与燃烧室壳体8的大端连通，煤气入口 1 与高速烧嘴端盖3连通，燃烧室内筒5的侧壁上开有多个助燃空气通孔5-1 ；所述燃烧室内 筒外罩6套设在燃烧室内筒5上且二者之间形成有助燃空气密封气腔18，所述燃烧室壳体 外罩9套设燃烧室壳体8上且二者之间形成有二次空气密封气腔19，燃烧室内筒外罩6的 外侧壁上设有助燃空气入口 16，燃烧室壳体外罩9的外侧壁上设有二次空气入口 13 ；燃烧 室壳体8的小端开口为喷口。所述燃烧室壳体8为金属壳体，燃烧室壳体材料选择高温合金。燃烧室壳体采用带有气膜冷却孔的金属波纹锥形壳体，冷却通道不是平直的而呈 波纹状，能够增加扰流的强度，提高换热效果；壳体上的气膜冷却孔在迎着气流的波峰面上与气流流动方向有夹角，借助动压进气，对溢流强化换热有利；通道外波纹沿气流方向有波 峰和波谷，通过气膜冷却孔出来的气体可以相对稳定地驻留在波谷里，形成气体隔膜，有效 地防止了热燃气对壳体的对流换热，提高了高速烧嘴的使用寿命。带有气膜冷却孔的金属 波纹锥形壳体的波纹结构使其刚度增加，抗动载荷、抗热冲击的稳定性好。本实施方式中燃烧室内筒5的内腔为第一段燃烧室14，燃烧室壳体8的内腔为第 二段燃烧室11，第一段燃烧室14和第二段燃烧室11是连通的。本实施方式中助燃空气入口 16上设有助燃空气入口法兰15以便于和相应管道连 接，二次空气入口 13上设有二次空气入口法兰12以便于和相应管道连接。助燃空气密封 气腔18和二次空气密封气腔19 二者之间通过燃烧室壳体大端法兰7隔开。燃烧室壳体8 的小端的喷口外设有燃烧室壳体小端法兰10以方便连接。本实施方式中燃烧室壳体8的半锥角β为10° 15°，燃烧室壳体8的厚度t 为 0. 3mm 1. 0mm。
具体实施方式
二 如图2 3所示，本实施方式所述燃烧室壳体8侧壁的纵截面由 η节单节波纹依次连接而成，每个单节波纹由短波棱8-2和长波棱8-3构成，每个单节波纹 的长度Ltl为IOmm 20mm，每个单节波纹的波纹倾角α为25° 45°，每个单节波纹的波 纹高度h为2. Omm 3. Omm ；燃烧室壳体8的波纹节数η由单节波纹长度Ltl和燃烧室总长 度L确定。上述参数均和燃烧室壳体的冷却效果有关。燃烧室壳体采用带有气膜冷却孔的 金属波纹锥形壳体，波纹结构增加了燃烧室壳体的刚度，抗动载荷、抗热冲击的稳定性好。 本实施方所述烧嘴的燃烧室壳体使用寿命是现有直壁面锥形壳体的5倍。其它组成及连接 关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三如图2 3所示，本实施方式中相邻短波棱8-2和长波棱8-3之 间的向内凹陷的过渡圆角半径R1为1. 5mm 2. 5mm，相邻短波棱8_2和长波棱8_3之间的 向外凸出的过渡圆角半径&为2. Omm 2. 5mm。其它组成及连接关系与具体实施方式
二相 同。
具体实施方式
四如图2 3所示，本实施方式所述气膜冷却孔8-1位于短波棱 8-2处，且每个气膜冷却孔8-1的轴线垂直于短波棱8-2所在的平面。其它组成及连接关系 与具体实施方式
二或三相同。
具体实施方式
五如图2 3所示，本实施方式所述气膜冷却孔8-1的几何中心与 单节波纹的短波棱8-2端头之间的水平距离χ为1. 5mm 2. 0mm。其它组成及连接关系与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六如图2 3所示，本实施方式所述燃烧室壳体8上的气膜冷却孔 8-1的孔径d为1.5mm 2. 5mm。其它组成及连接关系与具体实施方式
一、二、三或五相同。
具体实施方式
七如图2 5所示，本实施方式中同一圆周上的相邻两个气膜冷却 孔8-1几何中心之间的圆弧所对的圆心角θ为4. 5° 6.0° (换言之，同一圆周上的相邻 两个气膜冷却孔8-1的几何中心与燃烧室壳体的轴线构成的平面之间的夹角θ为4. 5° 6.0° )。其它组成及连接关系与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
八如图6 9所示，本实施方式所述气膜冷却孔8-1的排列方式为 顺排排列或叉排排列。燃烧室壳体的冷却效果与气膜冷却孔的排列方式有关。气膜冷却孔 的排列方式有顺排排列和叉排排列两种，在相同的结构参数条件下叉排排列的冷却效果优于顺排排列的冷却效果。其它组成及连接关系与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
九如图1所示，本实施方式所述烧嘴还包括煤气挡板4，所述煤气 挡板4设置高速烧嘴端盖3与燃烧室内筒5之间，所述煤气挡板4用于将进入高速烧嘴端 盖3内煤气均成多份后再进入燃烧室内筒5内。其它组成及连接关系与具体实施方式
一、 二、三、五、七或八相同。
具体实施方式
十如图1所示，本实施方式所述烧嘴还包括电点火器2，所述电点 火器2设置在高速烧嘴端盖3上，所述高速烧嘴端盖3上还设有火焰检测孔17。其它组成 及连接关系与具体实施方式
一、二、三、五、七或八相同。本发明的所述燃烧室壳体8的设计步骤可为步骤一、选择燃烧室壳体材料；步骤 二、综合考虑影响燃烧室壳体结构的因素，确定燃烧室壳体小端直径D1和大端直径D2、燃烧 室壳体的总长度L、燃烧室壳体锥度β ；步骤三、根据燃烧室壳体的总长度L确定单节波纹 长度Ltl、波纹节数η;步骤四、根据燃烧室壳体的冷却效果，确定波纹倾角α ；步骤五、根据 燃烧室壳体的冷却效果，确定波纹高度h;步骤六、根据燃烧室壳体的冷却效果，确定波纹 的波棱曲面半径札步骤七、根据燃烧室壳体的冷却效果，确定气膜冷却孔的位置；步 骤八、根据燃烧室壳体的冷却效果，确定气膜冷却孔直径d。
权利要求
1.一种薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，所述烧嘴包括高速烧嘴端盖(3)、 燃烧室内筒(5)、燃烧室内筒外罩(6)、燃烧室壳体(8)、煤气入口(1)和助燃空气入口 (16)，其特征在于所述烧嘴还包括燃烧室壳体外罩(9)和二次空气入口(13)；所述燃烧室 壳体(8)为侧壁呈波纹状的锥形壳体，燃烧室壳体(8)侧壁的纵截面呈波纹状结构；所述燃 烧室壳体(8)上周向均布开有多个气膜冷却孔(8-1)；所述高速烧嘴端盖C3)盖在燃烧室 内筒(5)的一端，燃烧室内筒(5)的另一端与燃烧室壳体(8)的大端连通，煤气入口(1)与 高速烧嘴端盖(3)连通，燃烧室内筒(5)的侧壁上开有多个助燃空气通孔(5-1)；所述燃烧 室内筒外罩(6)套设在燃烧室内筒( 上且二者之间形成有助燃空气密封气腔(18)，所述 燃烧室壳体外罩(9)套设燃烧室壳体(8)上且二者之间形成有二次空气密封气腔(19)，燃 烧室内筒外罩(6)的外侧壁上设有助燃空气入口(16)，燃烧室壳体外罩(9)的外侧壁上设 有二次空气入口(13)。
2.根据权利要求1所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其特征在于所 述燃烧室壳体(8)侧壁的纵截面由η节单节波纹依次连接而成，每个单节波纹由短波棱 (8-2)和长波棱(8- 构成，每个单节波纹的长度(Ltl)为IOmm 20mm，每个单节波纹的波 纹倾角(α )为25° 45°，每个单节波纹的波纹高度(h)为2. Omm 3. 0mm。
3.根据权利要求2所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其特征在于相 邻短波棱(8-2)和长波棱(8-3)之间的向内凹陷的过渡圆角半径(R1)为1. 5mm 2. 5mm，相 邻短波棱(8-2)和长波棱(8-3)之间的向外凸出的过渡圆角半径(R2)为2. Omm 2. 5mm。
4.根据权利要求2或3所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其特征在于 所述气膜冷却孔(8-1)位于短波棱(8-2)处，且每个气膜冷却孔(8-1)的轴线垂直于短波 棱(8-2)所在的平面。
5.根据权利要求4所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其特征在于 气膜冷却孔(8-1)的几何中心与单节波纹的短波棱(8-2)端头之间的水平距离(X)为 1. 5mm 2. Omm0
6.根据权利要求1、2、3或5所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其特征 在于燃烧室壳体⑶上的气膜冷却孔(8-1)的孔径(d)为1. 5mm 2. 5mm。
7.根据权利要求6所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其特征在于同 一圆周上的相邻两个气膜冷却孔(8-1)几何中心之间的圆弧所对的圆心角(θ )为4. 5° 6.0°。
8.根据权利要求6所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其特征在于所 述气膜冷却孔(8-1)的排列方式为叉排排列。
9.根据权利要求1、2、3、5、7或8所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其 特征在于所述烧嘴还包括煤气挡板G)，所述煤气挡板(4)设置高速烧嘴端盖C3)与燃烧 室内筒( 之间，所述煤气挡板(4)用于将进入高速烧嘴端盖(3)内煤气均成多份后再进 入燃烧室内筒(5)内。
10.根据权利要求1所述的薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，其特征在于所 述烧嘴还包括电点火器O)，所述电点火器( 设置在高速烧嘴端盖(3)上，所述高速烧嘴 端盖( 上还设有火焰检测孔(17)。
全文摘要
薄膜冷却式波纹壳体结构燃烧室高速烧嘴，它涉及一种燃烧室高速烧嘴，为了解决现有的烧嘴的燃烧室壳体存在使用寿命短的技术技问题。技术要点所述燃烧室壳体为侧壁呈波纹状的锥形壳体，燃烧室壳体侧壁的纵截面呈波纹状结构；所述燃烧室壳体上周向均布开有多个气膜冷却孔；所述燃烧室内筒外罩套设在燃烧室内筒上且二者之间形成有助燃空气密封气腔，所述燃烧室壳体外罩套设燃烧室壳体上且二者之间形成有二次空气密封气腔，燃烧室内筒外罩的外侧壁上设有助燃空气入口，燃烧室壳体外罩的外侧壁上设有二次空气入口。本发明采用带有气膜冷却孔的金属波纹锥形壳体，能够增加扰流的强度，提高换热效果，有效增加了高速烧嘴燃烧室壳体的使用寿命。
文档编号F23D14/48GK102072488SQ20111003387
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者冯福伟, 王忠金 申请人:哈尔滨工业大学