燃气轮机的燃烧室的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种燃气轮机的燃烧室，该燃烧室的头部结构包括主燃级和预燃级，在头部结构中，从内向外同轴地设置有预燃级壁、主燃级内壁和主燃级外壁，在主燃级内壁和主燃级外壁之间形成主燃级混合区，其中，主燃级内壁与燃烧室的轴线呈一定角度地向外扩张，使得所述主燃级混合区流道沿出口方向渐缩，并且，预燃级壁的出口端处沿径向向外凸出形成预燃级挡板，在主燃级内壁的出口端和预燃级挡板之间形成有隔离槽。通过具有上述结构的燃烧室，以简单的结构有效地抑制回火现象的发生。
【专利说明】燃气轮机的燃烧室
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种燃气轮机的燃烧室，尤其是涉及该燃烧室头部的结构。特别地，设置有本实用新型的燃烧室的燃气轮机可以是航空发动机。
【背景技术】
[0002]在航空发动机中，目前通常采用的是燃气轮机，其包括压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。对于此种燃气轮机，为了减少燃烧过程氮氧化合物(NOx)的生成，开发出贫油预混预蒸发(LPP)燃烧方式来逐渐取代传统的扩散燃烧方式。
[0003]LPP燃烧技术还存在一些亟待解决的技术问题。其中之一就是回火的问题。常规的，在燃气轮机的燃烧室的进口处会设置有燃烧室头部结构，该头部结构中通常包括喷嘴、混合器、旋流器等装置，由此可以提供燃油，并将燃油与空气相混合，从而向燃烧室中供应均质的空气-燃油混合物。
[0004]头部结构的一种类型为包括主燃级和预燃级。其中，主燃级在小功率条件下关闭，在大功率条件下开启；而预燃级在小功率条件和大功率条件下都开启，从而用于燃气轮机的起动以及稳定火焰。在采用LPP燃烧技术的此种构造的头部结构中，主要是在主燃级中容易发生回火现象。燃气轮机的压气机的喘振、流场的不稳定都有可能使燃烧室腔体中的火焰不能稳定在固定的位置处，并有可能使火焰向空气和燃油流动方向的上游传播，并进入主燃级的结构中，即发生回火现象。通常来说，在燃烧室头部的主燃级中不会设置冷却结构，这样，在发生回火现象的时候，回火产生的高温会在短时间内对主燃级的结构造成破坏，进而会影响整个燃烧系统的结构，危及安全。
[0005]根据Lewis和Von Eble关于回火的经典回火理论，当火焰的传播速度大于空气-燃油混合流的流动速度时，即会发生回火现象。根据此理论可知，火焰传播速度、局部的流场结构、空气和燃油的掺混比例等都是影响回火的因素。
[0006]在本领域中，根据上述的回火理论，已开发出几种用来防止回火产生的结构和方法。例如，在燃烧室头部结构的主燃级混合区的出口处采用收敛构造。这样，通过逐渐减小气流的流动面积，使气流的流动速度逐渐提高，由此抑制回火现象。
[0007]再例如，在主燃级的混合通道的壁面上开设有通流孔，空气可经由该通流孔流入混合通道中，与空气-燃油的主流相混合。对于此种结构，当在亚临界的送风条件下，流经通流孔的空气可以对混合通道的壁面起到冷却作用，而在超临界的送风条件下，流经通流孔的空气可进一步参与空气-燃油的掺混。
[0008]但是，上述结构仍不能有效地解决回火的问题。例如，对于主燃级混合区出口处的收敛构造的方案中，忽略了流动边界层处以及旋流流场的流动特性。如图1所示，在由实线所示意的流动边界层处，其靠近壁面处的流动速度会无限地接近于0，因此在此处，火焰的传播速度仍有可能大于空气-燃油混合物的流动速度。在图1中清楚地示出，通道的出口流动速度的剖面呈内侧流速低、外侧流速高的特点。并且，在混合通道的出口处还会产生台阶脱落涡和由旋流产生的回流流场，即，高温燃气有可能会沿混合通道的壁面向上回流，从而进一步加剧回火。
[0009]而在混合通道壁面开设通流孔的方案中，对主燃级中的流量分配提出比较高的要求。并且，该方案本身并无法预防回火现象，而只是在回火现象发生后，通过流经通流孔的空气的冷却作用，在一定程度上延长主燃级对回火的承受时间。
[0010]因此，仍然需要一种改进的燃烧室头部结构，其能够有效地防止回火现象，同时，即使回火现象发生，也能延长主燃级的承受时间，从而在保证燃烧室的排放指标合格的同时，使处于LPP燃烧模式的燃烧室稳定工作。
实用新型内容
[0011]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，尤其是对该燃烧室的头部结构的改进，使尤其是头部结构主燃级处的回火现象得到有效的控制。
[0012]本实用新型的上述目的通过一种燃气轮机的燃烧室来实现，该燃烧室的头部结构包括主燃级和预燃级，在该头部结构中，从内向外同轴地设置有预燃级壁、主燃级内壁和主燃级外壁，在主燃级内壁和主燃级外壁之间形成主燃级混合区，其中，主燃级内壁与燃烧室的轴线呈一定角度地向外扩张，使得所述主燃级混合区流道沿出口方向渐缩，并且，预燃级壁的出口端处沿径向向外凸出形成预燃级挡板，在主燃级内壁的出口端和预燃级挡板之间形成有隔离槽。
[0013]通过设置隔离槽，可以利用主燃级混合区内外之间的正压力梯度，将头部结构的一部分进气作为隔离气引入混合区中，该隔离气可以破坏壁面附近的边界层流场，抑制台阶涡系等分流现象朝着气流的上游传播，从而消除火焰沿边界层向上传播的可能性。该结构无需对原有的头部结构进行过多的改造。并且，由于主燃级混合区内外的正压力梯度大小有限，因此隔离气进入混合区的深度也有限，对混合区内部流场的影响微乎其微。
[0014]较佳地，可以将主燃级内壁与燃烧室的轴线所呈的角度设置为5°?20°。
[0015]在一种实施方式中，主燃级内壁的出口端上设置有多个定位销，定位销与预燃级挡板上的对应凹部相配合，通过调节定位销的长度来调节隔离槽的宽度。由此，可以根据实际的火焰淬熄、混合区流场、流量分配等因素来适当地设置隔离槽的宽度。
[0016]此外，主燃级可包括主燃级旋流器，主燃级旋流器的旋流器叶片呈流线型。该流线型的叶片可以最大程度地消除叶片尾迹区附近形成的脱落涡、角涡等流动分离现象。
[0017]较佳地，主燃级旋流器的旋流数为0.3?0.6。该范围内的旋流数属于弱旋流。弱旋流可减弱回流强度，减少回流流场的影响，同时弱旋流还可抑制振荡燃烧的发生
[0018]进一步地，在主燃级内壁的处于出口端附近的部分上形成有隔离孔。从隔离孔进入混合区的隔离气可以进一步地破坏边界层流场。
[0019]较佳地，隔离孔的延伸方向相对于主燃级内壁的延伸方向倾斜，且其倾斜角度为30°?60°。这样，从隔离孔引入的隔离气可以在主燃级内壁上形成气膜。由此，在发生回火现象时，该气膜能起到冷却壁面的作用。
[0020]为了确保隔离气能够破坏边界层流场，隔离孔的孔径应足够大，例如，隔离孔的孔径可为0.5?I臟。
[0021]一般来说，隔离气可以直接采用头部结构的进气。不过，在条件允许的情况下，也可设置有额外的气源和管路，以专门用来供应隔离气，该管路的一端与气源相连，而管路的另一端则定位在形成于所述主燃级和所述预燃级之间的空间中。
[0022]在一种较佳的隔离孔布置形式中，隔离孔包括多排隔离孔，其中离燃烧室混合区的出口端最近的一排隔离孔与燃烧室混合区的出口端之间的距离为混合区的高度的I?1.5 倍。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1示出了一种典型的旋流流场的示意图。
[0024]图2是本实用新型的燃烧室中的头部结构的纵截面图。
[0025]图3是本实用新型的燃烧室中头部结构的主燃级混合区出口处的内壁和预燃级的挡板的局部展开图。
[0026]图4是本实用新型的燃烧室中的头部结构的横截面图。
【具体实施方式】
[0027]下面，将结合附图2?4对本实用新型的具体实施例进行详细说明。应当了解，附图所示的只是本实用新型的较佳实施例，其不应被理解为对本实用新型的范围的限制，本领域技术人员可在所述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。
[0028]图2示出了本实用新型的燃烧室中的头部结构的纵截面图。如图2所示，头部结构I包括主燃级10和预燃级20。预燃级20包括预燃级壁21和设置在预燃级壁21中的喷嘴22和预燃级旋流器23。除了图2中所示的结构之外，本实用新型的燃烧室头部结构I中的预燃级20还可为其它常规的结构。
[0029]主燃级10包括主燃级外壁13和主燃级内壁15，在主燃级外壁13和主燃级内壁15之间形成有主燃级通道，在该通道中包括主燃级混合区12。在主燃级混合区12的上游设置主燃级喷嘴16，而在主燃级喷嘴16的上游设置有主燃级旋流器11。在一种实施方式中，主燃级喷嘴16包括沿头部结构I的周向设置的多个直喷式喷射点，从而呈多点喷射构造。当通过喷嘴16将燃油喷入主燃级通道中时，由于喷嘴中的压力大于通道中的环境压力，因此在压力差的作用下，燃油被依次雾化。然后，来自旋流器11的主流空气形成旋流，在该空气旋流的作用下，燃油被二次雾化，从而在混合区12中与空气混合在一起，形成部分预混的空气-燃油混合物。
[0030]在图2所示的结构中，主燃级内壁15与燃烧室的轴线19呈一定角度地径向向外扩张。这样，被包围在主燃级外壁13和主燃级内壁15之间的主燃级混合区12向着混合区出口的方向呈渐缩的构型。这种渐缩的构型可使被喷出头部结构I的气流速度提高，以防止回火。并且，气流速度的提高还有助于减少流动分离。较佳地，混合区12的长度L可以是混合区通道的高度H的3?5倍，而主燃级内壁15相对于轴线19所呈的角度为5?20°。
[0031]此外，可以在主燃级通道的转弯部14处适当地设置弧形部，以进一步抑制流动分离的现象。
[0032]在预燃级壁21的出口端(S卩，处于气流流动方向的下游的端部)处形成有径向向外的凸缘，该凸缘即为预燃级挡板24。可选地，预燃级挡板24与头部结构I的轴线19呈一定的角度。在主燃级内壁15的出口端和预燃级挡板24之间形成有隔离槽18。在来自主燃级旋流器11的气体进入混合区12之后，由于在气体输送过程中、尤其是经过旋流器11的过程中会产生压力损失，因此在混合区12的内外之间会产生压力下降，从而在混合区内外之间有压力梯度。此处，所谓的“混合区外”主要是预燃级壁21和主燃级内壁15之间所限定的空间。此空间中的空气由于没有流经诸如旋流器之类的部件，因此其压力下降相对较少。由此可见，混合区12外的气压大于混合区12内的气压，由此形成正压力梯度。在该正压力梯度的作用下，空气可从混合区12的外部经隔离槽18进入混合区12中，且流经隔离槽18的气流方向与头部结构I的轴线19呈一定角度，因而与混合区12中的气流方向成一定的角度，例如成90°。这样，在主燃级混合区12的出口处形成气帘。
[0033]在此，预燃级挡板24是头部结构I中最接近燃烧区的部位，因此所承受的温度也最高。为此，预燃级挡板24可选择带有热障涂层的高温合金，或者可以由陶瓷材料制成。
[0034]进一步参考图3，该图示出的是展开后的主燃级内壁15和预燃级挡板24的局部的视图，其中示出了主燃级内壁15和预燃级挡板24之间的配合。从中可以看到，从主燃级内壁15的端部，具体来说是从主燃级内壁处于气流下游处的端部、即出口端处延伸出多个定位销112，该定位销112与挡板24上的对应凹部相配合。由此，定位销112的长度在一定程度上决定了隔离槽18的宽度。换言之，通过调节定位销112的长度，可以调节隔离槽18的宽度。对于隔离槽宽度的设置可考虑如下因素，如火焰淬熄、混合区流动的流畅性、流量的分配等。
[0035]结合图2和3可见，主燃级内壁15的出口端(即位于气流方向的下游处的端部)附近的部分上形成有多排隔离孔17。如以上所述，由于在混合区12的内外之间存在正压力梯度，因此空气会经这些隔离孔17流入混合区12中。在主燃级内壁的出口端附近流入混合区12的空气可以破坏内壁面附近的边界层，从而提高内壁面附近气流的流速。此外，在发生回火的情形中，由于从隔离孔17流入混合区12的空气在主燃级内壁15的壁面上形成气膜，因而能起到降低壁面温度的作用。
[0036]图3中示出了较佳的隔离孔布局。其中，隔离孔17呈多排地布置于混合区的出口附近，第一排的隔离孔17离开混合区12的出口的距离约为混合区高度的I?1.5倍，并且，至少在第3?5排中，相邻孔排中的隔离孔17相互交错地排列。
[0037]隔离孔17可以是圆形、椭圆形等各种形状的孔，孔径可选地在0.5?Imm的范围内。较佳地，隔离孔17的延伸方向相对于主燃级内壁15的延伸方向倾斜，其倾斜角度可以使30?60°。
[0038]图4示出了本实用新型的燃烧室头部结构I的横截面图。其中示意性地示出了主燃级10中的主燃级旋流器11。如图4所示，主燃级旋流器11呈径向旋流器的形式，由多个旋流器叶片110组成。叶片的设计应符合不透光准则。这可以通过适当地选择叶片尺寸、数量和安装角度来实现。例如，旋流器叶片的数量可以在8?24片的范围内，而叶片安装角度可以在30?40°的范围内。
[0039]除了图4所示的旋流器结构之外，主燃级旋流器11还可以采用轴向旋流器和组合旋流器的形式。当选用组合旋流器的形式时，两个旋流器的转动方向较佳地为相反的，这样更有利于对燃油液滴的雾化。
[0040]较佳地，图4中的旋流器叶片110采用流线型的设计，这样可最大程度地消除叶片尾迹区中的脱落涡、角涡等流动分离现象。叶片的数量可以是主燃级喷嘴16的喷射点数量的倍数。较佳地，如图4所示，主燃级喷嘴16的喷射点可以位于图4中用虚线所表示的相邻的两根叶片型线延长线所限定出的通道111中。
[0041]较佳地，主燃级旋流器11的旋流数可以在0.3?0.6之间。具有这一范围旋流数的旋流为弱旋流。弱旋流可减弱回流强度，减少回流流场的影响，同时弱旋流还可抑制振荡燃烧的发生。
[0042]可选地，在混合区12中可以布置温度传感器。当发生回火现象时，温度传感器所感测到的温度会上升，从而提醒操作人员采取措施来控制回火现象。
[0043]在以上所公开的内容中提到的流经隔离槽18和隔离孔17的气流可以直接采用头部结构的进气。这样，无需对燃烧室的结构作额外的变动。不过，在条件许可时，也可为隔离气专门设置额外的气源、管路等。其中，该气源可以根据技术现状而设置在任何合适的位置处，诸如设置在燃气轮机之外，或者，如果条件允许的话，也可设置在燃气轮机内的任何合适的部位上。管路的一端与气源相连，而另一端可处于如图2所示的头部结构I的主燃级10和预燃级20之间的空间中。进一步地，在一种较佳方式中，该管路的另一端可以在主燃级10和预燃级20之间的空间中一直延伸到与隔离槽和隔离孔中的至少一个直接连接。此外，用作隔离气的气体也可不必是空气，而可以是C02、N2或其它惰性气体等。这些气体可以使抑制回火的效果更好。
【权利要求】
1.一种燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室包括头部结构，所述头部结构包括主燃级和预燃级，在所述头部结构中，从内向外同轴地设置有预燃级壁、主燃级内壁和主燃级外壁，在所述主燃级内壁和所述主燃级外壁之间形成主燃级混合区，其特征在于，所述主燃级内壁与所述燃烧室的轴线呈一定角度地向外扩张，使得所述主燃级混合区流道沿出口方向渐缩，在所述预燃级壁的出口端处沿径向向外凸出形成预燃级挡板，在所述主燃级内壁的出口端和所述预燃级挡板之间形成有隔离槽。
2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级内壁与所述燃烧室的所述轴线所呈的角度为5°?20°。
3.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级内壁的出口端上设置有多个定位销，所述定位销与所述预燃级挡板上的对应凹部相配合，通过调节所述定位销的长度来调节所述隔离槽的宽度。
4.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级包括主燃级旋流器，所述主燃级旋流器的旋流器叶片呈流线型。
5.如权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级旋流器的旋流数为0.3?0.6。
6.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，在所述主燃级内壁的处于出口端附近的部分上形成有隔离孔。
7.如权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，所述隔离孔的延伸方向相对于所述主燃级内壁的延伸方向倾斜，且其倾斜角度为30°?60°。
8.如权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，所述隔离孔的孔径为0.5?1mm。
9.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，还设置有额外的气源和管路，以专门用来供应隔离气，所述管路的一端与所述气源相连，而所述管路的另一端定位在形成于所述主燃级和所述预燃级之间的空间中。
10.如权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，所述隔离孔包括多排隔离孔，其中离所述燃烧室混合区的出口端最近的一排隔离孔与所述燃烧室混合区的所述出口端之间的距离为所述混合区的高度的I?1.5倍。
【文档编号】F23R3/28GK203671654SQ201320825610
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】乔英杰, 毛荣海 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司