一种燃气轮机的燃烧室及具有该燃烧室的燃气轮的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种燃气轮机的燃烧室以及具有该燃烧室的燃气轮机。其中，燃烧室为环形燃烧室，并包括多个头部结构，这些头部结构沿燃烧室的周向排列，头部结构包括外部筒体和设置在外部筒体中的燃烧室喷嘴，其中，这些头部结构包括至少两组头部结构，该至少两组头部结构中的每一组头部结构具有与其他组的头部结构不同的尺寸。通过上述燃烧室的结构布置，可以抑制燃烧室内的燃烧不稳定性。
【专利说明】一种燃气轮机的燃烧室及具有该燃烧室的燃气轮机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种燃气轮机的燃烧室以及具有该燃烧室的燃气轮机，具体涉及该燃气轮机的燃烧室中头部结构的布置。本实用新型的燃气轮机可用于航空发动机等应用领域。
【背景技术】
[0002]当前，燃气轮机、尤其是用作航空发动机的燃气轮机普遍采用的是环形燃烧室的布局结构。此外，随着对NOx排放标准日益严苛，开发出了贫油预混预蒸发(LPP)燃烧方式，以替代传统的扩散燃烧方式。
[0003]在LPP燃烧方式中，燃油蒸汽与空气预先混合，以对燃油进行雾化，雾化后的燃油的油气当量比通常小于I。然后，在燃油被雾化之后，再进行燃油与空气的燃烧反应。这样，由于燃油被预先雾化，因此能够加快燃烧反应时间，并且能够控制燃烧温度，减少或避免局部高温的发生，从而降低NOx的生成量。
[0004]LPP燃烧方式虽然能够降低NOx的排放量，但也存在燃烧不稳定的问题，即，会产生振荡燃烧。具体来说，随着燃烧进程的发展，燃烧室内油气比会降低，而随着油气比的降低，燃烧室内的燃烧区域局部会发生燃烧不均匀的情况，而这样的燃烧不均匀会产生释热率的脉动。与此同时，在燃烧过程中，燃烧室内的压力、温度、来流油气比等参数也存在脉动的情况。当释热率的脉动与这些参数的脉动向耦合，即会产生自激振荡或者说是共振，从而导致燃烧不稳定现象的发生。
[0005]燃烧不稳定现象会导致燃气轮机的燃烧效率降低，严重的还会破坏燃烧室结构。此外，燃烧不稳定性会导致燃烧室内重现局部过热区域，增加NOx的生成量。由此，抵消LPP的降低NOx排放量的效果。因此，需要对燃气轮机的燃烧室采取燃烧不稳定抑制技术。
[0006]目前采用的燃烧不稳定抑制技术主要有三种:其一是燃烧不稳定性诱因抑制技术，该技术主要是通过改进燃烧室的油路、气路、预混段、头部结构等的设计，消除外部因素对燃烧的扰动；其二是被动控制技术，该技术主要是改变各结构的共振频率，或者是增加阻尼以抑制振动，由此来控制振动；其三是主动控制技术，该技术主要是在燃气轮机中安装诸如非稳态压力传感器之类的传感装置以及燃油流量控制系统，从而实时地对燃烧不稳定现象进行控制。
[0007]上述三种技术在现有技术的燃气轮机中都有不同程度的应用，其各有优缺点。比如，上述三种方法都不同程度地需要对燃气轮机的结构进行改动。例如需要改动油路、气路等；或者需要设置额外的装置，如传感器、流量控制系统等。而且，释热率、燃烧室压力、温度等的脉动频率并不是固定的，在不同的燃烧工况下会有所不同，因此上述抑制技术的效果有限。
实用新型内容
[0008]本实用新型是为了解决上述技术问题而作出的，其目的是提供一种燃气轮机的燃烧室结构，它能够简单而有效地抑制燃烧室中的燃烧不稳定性，减少和消除燃烧不稳定性对燃烧室结构和燃烧过程的不利影响。
[0009]根据本实用新型的一个方面，一种燃气轮机的燃烧室为环形燃烧室，并包括多个头部结构，头部结构沿燃烧室的周向排列，头部结构包括外部筒体和设置在外部筒体中的燃烧室喷嘴，其中，头部结构包括至少两组头部结构，该至少两组头部结构中的每一组头部结构具有与其他组的头部结构不同的尺寸。
[0010]通过在燃烧室中设置尺寸不同的头部结构，使得各头部结构中因油气比脉动而引起的振荡频率互相干扰和抵消，从而就燃烧室的整体而言可以抑制燃烧室中的燃烧不稳定性。
[0011]较佳地，设置在头部结构中的燃烧室喷嘴包括位于中央的主燃级喷嘴和围绕着主燃级喷嘴设置的预燃级喷嘴。
[0012]在一种较佳实施方式中，头部结构可包括具有第一尺寸的第一组头部结构和具有第二尺寸的第二组头部结构，其中第一尺寸大于第二尺寸。
[0013]在上述具有两组头部结构的情形中，第一组头部结构中的各头部结构可与第二组头部结构中的各头部结构互相交替地排列。
[0014]在另一种较佳实施方式中，头部结构包括具有第一尺寸的第一组头部结构、具有第二尺寸的第二组头部结构和具有第三尺寸的第三组头部结构，其中第一尺寸大于第三尺寸，而第二尺寸居于第一尺寸和第三尺寸之间。
[0015]在该情形中，各头部结构的排列形式可以如下:在第二组头部结构中的各相邻的头部结构之间交替地设置第一组头部结构中的各头部结构和第三组头部结构中的各头部结构。
[0016]除了规则排列之外，本实用新型中的该至少两组头部结构可以不规则的顺序沿燃烧室的周向排列。
[0017]本实用新型还涉及一种燃气轮机，其中，沿空气和燃气在该燃气轮机中的流动方向，该燃气轮机依次包括压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管，其中，该燃烧室为以上所述的燃烧室。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1示出了一种示例性燃气轮机的纵截面图。
[0019]图2示出了本实用新型的燃气轮机在燃烧室处的横截面图，其中示出了燃烧室中的头部结构的第一种布置。
[0020]图3示出了本实用新型的燃气轮机在燃烧室处的横截面图，其中示出了燃烧室中的头部结构的第二种布置。
[0021]图4示出了本实用新型的燃气轮机在燃烧室处的横截面图，其中示出了燃烧室中的头部结构的第三种布置。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行详细说明。应当了解，附图所示的仅仅是本实用新型的较佳实施例，其并不构成对本实用新型的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的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。
[0023]图1示出了一种带有环形燃烧室燃气轮机的纵截面图。作为示例，该燃气轮机为涡轮喷气发动机，包括燃烧室10、位于燃烧室10的上游的压气机20、位于燃烧室10的下游的涡轮40以及位于涡轮40的下游的尾喷管30。此处，所谓的“上游”和“下游”是以空气或燃气的流动方向为基准。
[0024]在燃烧室10的进口处设置有头部结构11，如图1所示，头部结构11为圆筒状，包括外部筒体13以及设置在外部筒体13中的燃烧室喷嘴12。除了燃烧室喷嘴12之外，该头部结构11还可附加地设置混合器、旋流器等装置，以实现对燃油和空气的混合以及使来流空气偏转以形成漩涡状流动结构的功能。较佳地，在头部结构上还可设置头部冷却装置。
[0025]在工作过程中，空气经压气机20而被压缩，与燃烧室10中的燃烧室喷嘴12中所喷出的燃油混合，使燃油雾化。经雾化的燃油在燃烧室中燃烧。燃油和空气反应而产生的膨胀燃气经涡轮从尾喷管排出，从而产生动力。
[0026]本实用新型的燃气轮机采用LPP燃烧方式，为了克服LPP燃烧方式所存在的燃烧不稳定的问题，本实用新型对燃烧室10的布置进行改进。具体来说，对其中的头部结构11的尺寸和布置形式进行改进。下面具体公开本实用新型的几个【具体实施方式】。
[0027]<第一实施方式>
[0028]图1是经过燃气轮机的燃烧室10的横截面图，其中示出了燃烧室10的头部结构11的第一种布置形式。
[0029]如图1所示，燃气轮机的燃烧室10呈环状燃烧室的形式，沿着燃烧室10的周向布置有多个头部结构。图2中所示的头部结构主要包括两种不同尺寸(例如直径)，其中头部结构Ila具有第一尺寸，头部结构Ilb具有比第一尺寸要小的第二尺寸。
[0030]此外，还是如图2所示，本实用新型的头部结构中包括燃烧室喷嘴12a、12b。以头部结构Ila中的燃烧室喷嘴12a为例，该燃烧室喷嘴12a包括位于中央的预燃级喷嘴121a和围绕着预燃级喷嘴121a设置的主燃级喷嘴122a。类似地，头部结构Ilb的燃烧室喷嘴12b也包括预燃级喷嘴121b和主燃级喷嘴122b。较佳地，由于头部结构Ila的尺寸大于头部结构Ilb的尺寸，则与此相对应的，燃烧室喷嘴12a的尺寸也大于燃烧室喷嘴12b的尺寸。
[0031]较佳地，在图2所示的头部结构的第一种布置形式中，第一头部结构Ila和第二头部结构Ilb互相交替地布置。
[0032]在运行过程中，来自例如压气机20的燃烧室10上游的空气经过头部结构11而进入环形的燃烧室10中。与此同时，燃油通过燃烧室喷嘴12被喷入燃烧室10中，并与经过头部结构11的空气相混合，并被雾化。在此过程中，来流空气、燃油等所产生的扰动会通过油气比脉动传导到环形燃烧室10的燃烧区域中。油气比的这一脉动造成燃烧区内的释热率脉动，从而导致燃烧室压力和燃气流动速度的脉动。
[0033]此时，由于燃烧室中布置有尺寸不同的头部结构Ila和头部结构11b，因而在不同的头部结构之间，它们的油气比脉动也各不相同。这样，与不同的头部结构相关联的燃烧室压力和燃气流动速度的脉动的频率互不相同，互相干扰，且拓宽振荡的频域宽度。这样，就环形燃烧室的整体而言，燃烧不稳定性受到抑制。[0034]<第二实施方式>
[0035]图3示出了燃烧室10的头部结构11的第二种布置形式。在图3中，与图2相同的技术特征使用相同的附图标记，并且为了简便起见，对于相同的结构不再做重复的描述。
[0036]在图3中，与图2所示的相同，燃烧室10中也包括多个头部结构。并且，除了图2中所示的具有第一尺寸的头部结构Ila和具有第二尺寸的头部结构Ilb之外，图3所示的实施方式中还包括具有第三尺寸的头部结构11c。从图3中可以清楚地看到，第三尺寸比第一尺寸和第二尺寸都要小。
[0037]在图3所示的布置形式中，以具有第二尺寸的头部结构Ilb为基准，在相邻的两个头部结构Ilb之间交替地布置具有第一尺寸的头部结构Ila和具有第三尺寸的头部结构Ilc0
[0038]<第三实施方式>
[0039]图4示出了燃烧室10的头部结构11的第三种布置形式。与图3所示的第二种布置形式相类似，图4中所示的环形燃烧室10中也布置有三种头部结构11a、Ilb和11c，它们分别具有第一尺寸、比第一尺寸小的第二尺寸和比第二尺寸小的第三尺寸。
[0040]图4所示的第三种布置形式与图3所示的第二种布置形式的不同之处在于，布置图4中的燃烧室10的三种尺寸的头部结构以不规则的方式排列，或者说这三种头部结构以随机的顺序沿燃烧室10的周向布置。
[0041]以上对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述。如之前所提到的，在上述【具体实施方式】的基础上，本领域技术人员可以进行各种变换，而这些变换都在本实用新型的范围之内。例如:
[0042]在附图所示的【具体实施方式】中，头部结构11呈圆筒状。但是，应当知道，头部结构也可呈其他各种形状，例如截面呈方形、正多边形、椭圆形等等。
[0043]在以上所述的三个实施方式中分别公开了具有两种和三种不同尺寸的头部结构。应当理解，在燃烧室中还可布置其他任何数量的尺寸种类的头部结构，如四种尺寸、五种尺寸等等。且这些头部结构沿燃烧室周向的排列顺序还可以是除以上三种实施方式之外的其他任意方式的规则或不规则排列。
【权利要求】
1.一种燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室为环形燃烧室，并包括多个头部结构，所述头部结构沿所述燃烧室的周向排列，每个所述头部结构包括外部筒体和设置在所述外部筒体中的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述头部结构包括至少两组头部结构，所述至少两组头部结构中的每一组头部结构具有与其他组的头部结构不同的尺寸。
2.如权利要求1所述的燃气轮机的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室喷嘴包括位于中央的主燃级喷嘴和围绕着所述主燃级喷嘴设置的预燃级喷嘴。
3.如权利要求1或2所述的燃气轮机的燃烧室，其特征在于，所述头部结构包括具有第一尺寸的第一组头部结构和具有第二尺寸的第二组头部结构，所述第一尺寸大于所述第二尺寸。
4.如权利要求3所述的燃气轮机的燃烧室，其特征在于，所述第一组头部结构中的各头部结构与所述第二组头部结构中的各头部结构互相交替地排列。
5.如权利要求3所述的燃气轮机的燃烧室，其特征在于，所述头部结构还包括具有第三尺寸的第三组头部结构，其中所述第三尺寸小于所述第二尺寸。
6.如权利要求5所述的燃气轮机的燃烧室，其特征在于，在所述第二组头部结构中的各相邻的头部结构之间交替地设置所述第一组头部结构中的各头部结构和所述第三组头部结构中的各头部结构。
7.如权利要求1或2所述的燃气轮机的燃烧室，其特征在于，所述至少两组头部结构以不规则的顺序沿所述燃烧室的周向排列。
8.一种燃气轮机，沿空气和燃气在所述燃气轮机中的流动方向，所述燃气轮机依次包括压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管，其特征在于，所述燃烧室是如权利要求1 一 7中的任一项所述的燃烧室。
【文档编号】F23R3/52GK203671658SQ201320817118
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】沈苏华, 毛荣海 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司