一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套的制作方法
【专利摘要】一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，属于燃气轮机燃烧室的结构设计。本发明的技术特点是在导流衬套筒体内壁面设置有导流片，导流片包括直流段和弯曲段；按照导流衬套内空气流动方向，直流段起始位置位于火焰筒掺混孔的上游端，且其末端不超过最后一排主燃孔与导流衬套筒体所对应的轴向位置；导流片弯曲段起始位置与导流片直流段的末端平滑过渡连接，导弯曲段的终止位置位于定位块上游与主燃孔下游之间，弯曲段的弯曲方向与火焰筒内燃气旋转的方向相同，弯曲段末端切线方向与火焰筒中心线夹角α5°～70°。该发明可使导流衬套内部气流均匀流动，增强导流衬套的机械强度，提高运行的安全性和使用寿命，同时可有效改善火焰筒表面的冷却效果。
【专利说明】一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃气轮机燃烧室的结构设计，尤其涉及燃烧室的导流衬套的结构，属于燃气轮机【技术领域】。
【背景技术】
[0002]燃气轮机是当今世界清洁利用化石能源的重要设备。燃气轮机的寿命主要取决于其热端部件的寿命，比如燃烧室火焰筒的寿命。而火焰筒的寿命又主要受其表面的温度分布的影响，因此各国学者花费了大量人力物力试图来解决火焰筒壁温这个难题，目前主要有二个大的方向，一是寻找更好的材料，以能在更高的温度下长时间工作；二是设计更好的冷却结构。前者受限于材料科学发展的进展，材料耐温极限的突破极为困难，后者则主要集中在火焰筒表面的结构形式上，如气膜孔、发散孔、鱼鳞孔等。后者在过去的几十年内取得了巨大的进步，但是随之而来的结构复杂性也令火焰筒的加工成本急剧增加，这对提升燃气轮机市场竞争力是不利的。
[0003]燃烧室中另外一个重要部件便是导流衬套，传统设计中导流衬套多是由一段或多段薄壁圆筒连接而成，主要起空气流动通道的作用。这种薄壁圆筒不仅功能单一，而且在实际运行中也容易出现结构强度不足的情况。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术中的不足和缺陷，本发明提出了一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，使其不仅可使导流衬套内部气流均匀流动，增强导流衬套的机械强度，提高运行的安全性和使用寿命，而且可以大幅改善火焰筒表面的冷却效果，从而克服其功能单一的缺陷。
[0005]本发明所采用的技术方案是:
[0006]一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，该导流衬套设置在火焰筒的外侦U，并通过设置在火焰筒头部定位块与火焰筒连接；在火焰筒外壁面上沿周向设置有多排掺混孔和主燃孔，其特征在于:在所述的导流衬套筒体内壁面设置有导流片，所述的导流片包括导流片直流段和导流片弯曲段；按照导流衬套内空气流动方向，导流片直流段起始位置位于火焰筒掺混孔的上游端，导流片直流段的末端不超过最后一排主燃孔与导流衬套筒体所对应的轴向位置；导流片弯曲段起始位置与导流片直流段的末端平滑过渡连接，导流片弯曲段的终止位置位于定位块上游与主燃孔下游之间，导流片弯曲段的弯曲方向与火焰筒内燃气旋转的方向相同。
[0007]本发明的另一技术特征在于:导流片弯曲段的弯曲程度为平滑过渡，导流片弯曲段末端切线方向与火焰筒中心线夹角α为5°?70° ;导流片弯曲段末端切线方向与火焰筒中心线夹角α优选为10°、20°、30°、40°、50°或60°。
[0008]本发明所述导流片的个数为每排主燃孔数目的N倍，N为正整数，且I彡N彡5 ;所述导流片的个数为每排主燃孔数目优选为1、2或3倍。
[0009]本发明所述的导流片采用直薄板结构，厚度为0.1?4mm ;导流片的厚度优选为1mm、2mm 或 3mm η
[0010]本发明具有以下优点及突出性的技术效果:①由于导流片弯曲段的存在，形成了弯曲扇形通道，这样就迫使在通道中流动的气流按照弯曲段的弯曲方向进行流动，即逆着火焰筒内火焰的旋转方向进行流动，也即是逆着火焰筒壁面高温区的方向进行流动，因此与传统的导流衬套相比，气体的流动距离增加了，并增大了与气体进行换热的面积，从而提高了换热效率，进而改善了火焰筒壁面高温区的冷却效果，降低火焰筒的温度，延长了火焰筒的使用寿命。②由于本发明在导流衬套的内壁面设置了多个导流片，大大增强了导流衬套的机械强度，从而使导流衬套在燃气轮机工作过程中进一步提高了运行的安全性和使用寿命。③本发明提供的导流衬套不仅可限制导流衬套内气流的周向流动，实现导流衬套内部气流的均匀流动，进而使火焰筒内部燃烧更加稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为含有本发明提出的导流衬套的燃气轮机燃烧室的燃烧室结构示意图。
[0012]图2为图1的立体剖视图。
[0013]图中标号:1_导流衬套；2_火焰筒；3_端盖；4_定位块；5_喷嘴；6_来流空气；
7-燃料气；11-导流片；21_主燃孔；22_掺混孔；23_头部空气孔；110-直流段；111-弯曲段。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明的原理、结构和实施方式做进一步的说明。
[0015]图1为含有本发明提出的导流衬套的燃气轮机燃烧室的燃烧室结构示意图，含有导流衬套1、火焰筒2、端盖3、定位块4和喷嘴5 ;导流衬套由一段或多段圆筒连接而成，导流衬套I在前端与端盖3连接。
[0016]该导流衬套设置在火焰筒2的外侧，并通过设置在火焰筒头部定位块4与火焰筒连接；在火焰筒外壁面上沿周向设置有多排掺混孔22和主燃孔21 ;在所述的导流衬套筒体内壁面设置有导流片11，可与导流衬套筒体内壁面焊接或一体化铸造；所述的导流片包括导流片直流段110和导流片弯曲段111 ;按照导流衬套内空气流动方向，导流片直流段起始位置位于火焰筒掺混孔22的上游端，导流片直流段的末端不超过最后一排主燃孔21与导流衬套筒体所对应的轴向位置；导流片弯曲段起始位置与导流片直流段的末端平滑过渡连接，导流片弯曲段的终止位置位于定位块4上游与主燃孔21下游之间，即导流片11不应与定位块4干涉，并且导流片在径向的投影不能落在主燃孔21或掺混孔22所在区域。导流片弯曲段的弯曲方向应与火焰筒内燃气旋转的方向相同。
[0017]导流片弯曲段的弯曲程度为平滑过渡，导流片弯曲段末端切线方向与火焰筒中心线夹角α为5°?70° ;导流片弯曲段末端切线方向与火焰筒中心线夹角α优选为10°、20°、30°、40°、50°或60°。述导流片的个数为每排主燃孔数目的N倍，N为正正数，且I < NS 5 ;优选方案为:所述导流片的个数为每排主燃孔数目优选为1、2或3倍，且沿周向均匀分布。所述的导流片采用直薄板结构，厚度为0.1?4mm ;导流片的厚度优选为1mm、2mm或3mm ;导流片11与火焰筒2外表面的外表面的径向间距为I?10mm。
[0018]本发明的工作机理和工作过程如下:
[0019]如图1所示，导流片11将导流衬套筒体和火焰筒2之间的环形通道分割为与导流片11数目相同的扇形通道。又由于导流片直流段110和导流片弯曲段111的存在，扇形通道又可分为直流扇形通道和弯曲扇形通道。来流空气6流入导流衬套筒体与火焰筒之间的环形通道中，逆向流向燃烧室头部，而后流入由导流片直流段110所分割形成的直流扇形通道中，在这个过程中，部分气流从掺混孔22流入火焰筒内部；随后又流入由导流片弯曲段111所分割形成的弯曲扇形通道中，在这个过程中，部分气流从主燃孔21流入火焰筒内部；最后剩余的空气从头部空气孔23流入火焰筒头部。来流空气6进入火焰筒内部后与通过喷嘴5进入火焰筒头部的燃料气7进行掺混和燃烧。
[0020]目前的燃烧室设计中，火焰筒头部的空气和燃料气大多以一定旋流形式流动，以更好的组织燃烧和保持燃烧稳定性，因此火焰筒内部的火焰也以同样旋转方向的形式存在。但是这样的火焰形式会造成火焰筒壁面存在与火焰结构相匹配分布的高温区，高温区主要集中在主燃孔21附近的火焰筒壁面。本发明提出的技术方案中，由于导流片弯曲段111的存在，形成了弯曲扇形通道，这样就迫使在通道中流动的气流按照弯曲段111的弯曲方向进行流动，是逆着火焰筒2内火焰的旋转方向进行流动，也既是逆着火焰筒壁面高温区的方向进行流动，这现对于传统的导流衬套的流动来说，有三个方面得到改善:1)气体的流动距离增长，与热壁面的换热时间会增加；2)气体与火焰筒壁面的导热系数会增大；3)导流片增大了与气体进行换热的面积。这样一来，会大大改善火焰筒壁面高温区的冷却效果，从而降低火焰筒的温度，延长火焰筒2的寿命，从而是导流衬套具有冷却功能，与此同时，由于导流片的存在，也大大增强了导流衬套的结构强度，从而使导流衬套在燃气轮机工作过程中有更好的安全性和长寿命。
【权利要求】
1.一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，该导流衬套设置在火焰筒(2)的外侧，并通过设置在火焰筒头部定位块(4)与火焰筒连接；在火焰筒外壁面上沿周向设置有多排掺混孔(22)和主燃孔(21)，其特征在于:在所述的导流衬套筒体内壁面设置有多个导流片(11)，所述的导流片包括导流片直流段和导流片弯曲段；按照导流衬套内空气流动方向，导流片直流段起始位置位于火焰筒掺混孔(22)的上游端，导流片直流段的末端不超过最后一排主燃孔(21)与导流衬套筒体所对应的轴向位置；导流片弯曲段起始位置与导流片直流段的末端平滑过渡连接，导流片弯曲段的终止位置位于定位块(4)上游与主燃孔(21)下游之间，导流片弯曲段的弯曲方向与火焰筒内燃气旋转的方向相同。
2.按照权利要求1所述的一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，其特征在于:导流片弯曲段的弯曲程度为平滑过渡，导流片弯曲段末端切线方向与火焰筒中心线夹角α为5°?70。。
3.按照权利要求1所述的一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，其特征在于:所述的导流片(11)与火焰筒(2)外表面的径向间距为I?10mm。
4.按照权利要求按照权利要求1所述的一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流 衬套，其特征在于:所述的导流片为直薄板结构，厚度为0.1?4mm。
5.按照权利要求1所述的一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，其特征在于:所述导流片的个数为每排主燃孔数目的N倍，N为正正数，且I彡N彡5。
6.按照权利要求1?5任一权利要求所述的一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，其特征在于:导流片弯曲段末端切线方向与火焰筒中心线夹角α为10°、20°、30。、40。、50。或 60°。
7.按照权利要求1?5任一权利要求所述的一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，其特征在于:所述导流片的个数为每排主燃孔数目的1、2或3倍。
8.根据权利要求1?5任一权利要求所述的一种具有冷却功能的燃气轮机燃烧室的导流衬套，其特征在于:导流片的厚度为或3mm。
【文档编号】F23R3/16GK104296160SQ201410487031
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】井文明, 谢法 申请人:北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司