燃气轮机及燃烧室用火焰筒的制作方法

1.本发明涉及燃烧室用火焰筒冷却技术领域，具体地，涉及一种燃烧室用火焰筒和燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机的燃烧室内安装有燃料喷射装置、火焰筒、过渡段等，燃料喷射装置用于向火焰筒处喷入燃料并与燃烧室内的气体混合燃烧，燃烧产生的热燃气通过火焰筒和过渡段输送至透平处。由于火焰筒需要在高温工况下运行，火焰筒需要进行有效冷却以满足预期的维修寿命要求。但是，相关技术中火焰筒的冷却效果在不同燃气轮机不同工作状态差异较大，尤其对于低负荷点，火焰筒外环腔内流动速度偏低，部分区域仍然存在强高温区，这时冷却效果下降，影响燃气轮机寿命。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明实施例提出一种燃烧室用火焰筒，该燃烧室用火焰筒的冷却效果好、冷却效率高、延长了燃气轮机的使用寿命。
5.本发明实施例还提出一种应用上述燃烧室用火焰筒的燃气轮机。
6.根据本发明实施例的燃烧室用火焰筒包括：筒体，所述筒体内设有供热燃气流通的燃气通道，所述筒体具有第一端和第二端，所述筒体的第一端适于所述热燃气流入所述燃气通道，所述筒体的第二端适于所述热燃气流出所述燃气通道；肋片，所述肋片设在所述筒体的外周壁上，所述肋片沿着所述筒体的周向延伸闭合或所述肋片沿着从所述筒体的第一端至所述筒体的第二端的方向螺旋延伸，所述肋片上设有多个凹坑，多个所述凹坑沿着所述肋片的延伸方向间隔布置。
7.根据本发明实施例的燃烧室用火焰筒，该燃烧室用火焰筒的冷却效果好，冷却效率高，延长了燃气轮机的使用寿命。
8.在一些实施例中，所述肋片具有沿着所述筒体的第一端至所述筒体的第二端的方向相对布置的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面位于所述肋片的背风侧，所述第二侧面位于所述肋片的迎风侧，多个所述凹坑设在所述第二侧面上。
9.在一些实施例中，所述第一侧面和所述第二侧面均为弧形面，至少部分所述第一侧面向所述筒体的第一端弯曲延伸并与所述筒体的外周壁平滑连接，至少部分所述第二侧面向所述筒体的第二端弯曲延伸并与所述筒体的外周壁平滑连接。
10.在一些实施例中，所述第二侧面的曲率小于所述第一侧面的曲率。
11.在一些实施例中，所述凹坑为圆形凹坑或椭圆形凹坑。
12.在一些实施例中，所述筒体包括第一段和第二段，所述第一段外周侧的气流速度小于所述第二段外周侧的气流速度，所述第一段外周侧的肋片的高度尺寸h1大于所述第二段外周侧的肋片的高度尺寸h2。
13.在一些实施例中，所述第一段外周侧的肋片的高度尺寸h1为0.8毫米至1.2毫米。
14.在一些实施例中，至少部分所述肋片在沿所述肋片的延伸方向的高度剖面或至少部分所述肋片的横截面为锯齿状、城墙状、花边状的一种或组合。
15.在一些实施例中，所述肋片有多个，多个所述肋片沿着从所述筒体的第一端至所述筒体的第二端的方向间隔布置，所述肋片的宽度尺寸w为0.5毫米至1.5毫米，相邻两个所述肋片的间距l为5毫米至20毫米。
16.根据本发明实施例的燃气轮机包括燃烧室用火焰筒，所述燃烧室用火焰筒为根据上述任一项实施例中所述的燃烧室用火焰筒。
附图说明
17.图1是根据本发明实施例的火焰筒的整体结构立体示意图。
18.图2是图1中火焰筒的侧视示意图。
19.图3是图2中a处的局部放大示意图。
20.图4是图2中b处的局部放大示意图。
21.图5是图2中b处的剖视示意图。
22.图6是根据本发明另一实施例的图2中b处的剖视示意图。
23.图7是根据本发明实施例的锯齿状肋片示意图。
24.图8是根据本发明实施例的城墙状肋片示意图。
25.图9是根据本发明实施例的花边状肋片示意图。
26.图10是根据本发明实施例的组合型肋片示意图。
27.附图标记：
28.筒体1；燃气通道11；
29.肋片2；第一侧面21；第二侧面22；肋片外周面23；导流凹槽24；凹坑25。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.如图1至图5所示，根据本发明实施例的燃烧室用火焰筒包括筒体1和肋片2。
32.筒体1内设有供热燃气流通的燃气通道11，筒体1具有第一端和第二端，筒体1的第一端适于热燃气流入燃气通道11，筒体1的第二端适于热燃气流出燃气通道11。
33.具体地，如图1和图2所示，筒体1内设有燃气通道11，筒体1的第一端为筒体1的前端，筒体1的第二端为筒体1的后端，使用过程中，热燃气可以通过从筒体1的前端流入燃气通道11内，然后从筒体1的后端流出。
34.肋片2设在筒体1的外周壁上，肋片2沿着筒体1的周向延伸闭合或肋片2沿着从筒体1的第一端至筒体1的第二端的方向螺旋延伸，肋片2上设有多个凹坑25，多个凹坑25沿着肋片2的延伸方向间隔布置。
35.具体地，如图1和图2所示，肋片2可以为环形，肋片2设在筒体1的外周侧并沿着筒体1的周向闭合为一周，肋片2可以有多个，多个肋片2沿着筒体1的轴向间隔布置，各肋片2上均设有多个凹坑25，如图3所示，各肋片2上的多个凹坑25均沿着肋片2的延伸方向间隔排
布。
36.可以理解的是，在其他一些实施例中，筒体1上的肋片2可以螺旋盘绕在筒体1的外周侧，例如，筒体1上的各肋片2可以沿着筒体1的周向间隔排布，且各肋片2均沿着从筒体1的第一端至筒体1的第二端的方向螺旋盘绕。各肋片2上也均设有多个凹坑25，多个凹坑25沿着肋片2的螺旋盘绕方向间隔布置。
37.根据本发明实施例的燃烧室用火焰筒，肋片外周面23的下游能够形成分离涡，分离涡能够破坏火焰筒外侧面的主流结构，从而可以加强火焰筒外周侧的换热。另外，如图8所示，相邻两个肋片2之间会形成导流凹槽24，导流凹槽24内会形成湍流，由于相邻两个导流凹槽24被肋片2分隔开，导流凹槽24内湍流相对独立，彼此不会相互干扰，当局部主流发生变化时，不会影响临近导流凹槽24内的湍流结构，因此冷却效果更加稳定。
38.另外，由于在肋片2上增设了凹坑25，凹坑25一方面具有增大肋片2和主流换热面积的作用，从而可以进一步增强火焰筒的冷却效果和冷却效率；另一方面当气流流过凹坑25处时，凹坑25内能够形成湍流，从而能够延缓气流的流动，使得肋片2和主流的换热更加充分，进一步增强了火焰筒的冷却效果和冷却效率。其次，凹坑25还具有增强肋片2局部结构强度的效果，从而保证了火焰筒的良好运行。
39.在一些实施例中，肋片2具有沿着筒体1的第一端至筒体1的第二端的方向相对布置的第一侧面21和第二侧面22，第一侧面21位于肋片2的背风侧，第二侧面22位于肋片2的迎风侧，多个凹坑25设在第二侧面22上。
40.具体地，如图3所示，第一侧面21即为肋片2的前侧面，第二侧面22即为肋片2的后侧面，由于使用过程中，火焰筒外周侧的主流沿着从后至前的方向流动，第一侧面21即为肋片2的背风侧面，第二侧面22即为肋片2的迎风侧面，各肋片2上的凹坑25均设置肋片2的第二侧面22上。
41.由于第二侧面22上设有凹坑25，凹坑25能够与导流凹槽24内的湍流作用，起到进一步扰动气流流动的效果，由此，可以进一步增强换热以提高冷却效率。
42.在一些实施例中，第一侧面21和第二侧面22均为弧形面，至少部分第一侧面21向筒体1的第一端弯曲延伸并与筒体1的外周壁平滑连接，至少部分第二侧面22向筒体1的第二端弯曲延伸并与筒体1的外周壁平滑连接。
43.具体地，如图3和图4所示，第一侧面21即为肋片2的前侧面，第二侧面22即为肋片2的后侧面，第一侧面21和筒体1的外周壁之间圆角过渡，第二侧面22和筒体1的外周壁之间圆角过渡。由此，一方面可以保证肋片2和筒体1的连接强度，另一方面还避免了导流凹槽24内产生死角的情况，使得导流凹槽24内的湍流能够顺畅流动，有利于提高散热。
44.在一些实施例中，第二侧面22的曲率小于第一侧面21的曲率。
45.具体地，如图4所示，第一侧面21的曲率整体上大于第二侧面22的曲率，即第一侧面21具有较大的弯曲量，第二侧面22则相对平整，由此，由于火焰筒外周侧的气流沿着从后至前的方向流动，肋片2后方的导流凹槽24内的湍流会作用在第二侧面22上，由于第二侧面22比较平缓，使得湍流能够大体沿着从后至前的方向流动，有利于提高冷却效率。
46.其次，肋片2前方的导流凹槽24内的湍流会作用在第一侧面21上，第一侧面21会引导湍流沿着筒体1的径向方向向外流动并对主流造成冲击，起到增强气流扰动以增强换热的效果。
47.在一些实施例中，如图3和图4所示，凹坑25可以为圆形凹坑25或椭圆形凹坑25。由此，使得凹坑25内无棱角，使得气流的流动更加顺畅。可以理解的是，在其他一些实施例中，凹坑25也可以为圆柱型凹坑25、矩形凹坑25等。
48.在一些实施例中，筒体1包括第一段和第二段，第一段外周侧的气流速度小于第二段外周侧的气流速度，第一段外周侧的肋片2的高度尺寸h1大于第二段外周侧的肋片2的高度尺寸h2。
49.具体地，如图2所示，沿着从前至后的方向，筒体1可以包括第一段(未示出)和第二段(未示出)，第一段和第二段均为筒体1轴向的一段，在火焰筒使用过程中，第一段外周侧的气体流速要小于第二段外周侧气体流速，需要说明的是，第一段和第二段位置可以根据经验和/或通过传感器监测的方式的确认，例如，在设计阶段，可以首先将火焰筒安装在燃烧室内，然后在火焰筒的外周侧设置多个传感器，传感器可以感应气流速度，然后模拟燃气轮机运行工况，通过监测筒体1各段的气流速度确认筒体1上第一段的位置，筒体1上除了第一段的其余位置均可视为第二段。
50.如图6所示，与第一段对应的肋片2的高度尺寸h1大于与第二段对应的肋片2的高度尺寸h2。肋片2的高度尺寸越大，肋片2的扰流效果越明显，在该处的冷却效果和冷却效率越好，由此，通过将第一段外周侧肋片2高度尺寸h1的增高可以改善筒体11外周侧部分负荷(流速低)条件下的冷却性能。
51.在一些实施例中，第一段外周侧的肋片2高度沿着肋片2的延伸方向高低变化。
52.具体地，第一段外周侧的肋片2的高度尺寸可以沿着从前至后的方向逐渐变大，也可以逐渐变小，也可以先增大后减小。由于肋片2的高度尺寸随着肋片2的延伸方向逐渐变化，高度尺寸的变化会进一步增大对主流结构的扰动，并形成扰流和二次流涡旋，进一步提高了火焰筒的冷却效率。由于火焰筒的冷却效果和冷却效率增强，火焰筒的使用寿命得以增加且运行的更加稳定，由此，有利于燃气轮机的使用寿命的延长。
53.在一些实施例中，第一段外周侧的肋片2的高度尺寸h1为0.8毫米至1.2毫米。
54.具体地，如图6所示，第一段的外周侧的肋片2的高度尺寸h1可以为0.8毫米至1.2毫米之间的任意数值，例如，高度尺寸h1可以为0.8毫米、0.9毫米、1毫米、1.1毫米、1.2毫米等。高度尺寸h1设计在上述范围内一方面可以起到扰流效果，另一方面还避免肋片2高度较高而干扰主流流动的情况。
55.在一些实施例中，至少部分肋片2在沿肋片2的延伸方向的高度剖面或至少部分肋片2的横截面为锯齿状、城墙状、花边状的一种或组合。
56.具体地，如图5所示，图中所展示的即为肋片2的横截面，肋片2延伸方向的高度剖面即为与肋片2的横截面垂直的剖面，肋片2延伸的剖面可以为锯齿状、城墙状、花边状的其中一种，也可以为锯齿状、城墙状、花边状的两种以上的组合，具体如图7至图10所示。相似的，肋片2的横截面可以为锯齿状、城墙状、花边状的其中一种，也可以为锯齿状、城墙状、花边状的两种以上的组合，具体如图7至图10所示。
57.由此，可以进一步增强对主流结构的扰流，进一步增强冷却效果和冷却效率。
58.在一些实施例中，肋片2的宽度尺寸w为0.5毫米至1.5毫米。具体地，如图5所示，肋片2的宽度尺寸w可以为0.5毫米至1.5毫米之间的任意数值，例如，宽度尺寸w可以为0.5毫米、0.6毫米、0.7毫米、0.8毫米、0.9毫米、1毫米、1.1毫米、1.2毫米、1.3毫米、1.4毫米、1.5
毫米等。
59.在一些实施例中，肋片2有多个，多个肋片2沿着从前至后的方向间隔布置，相邻两个肋片2之间的间距l可以为5毫米至20毫米之间的任意数值，例如，间距l可以为5毫米、6毫米、7毫米、8毫米、9毫米、10毫米、11毫米、12毫米、13毫米、14毫米、15毫米、17毫米、18毫米、19毫米、20毫米等。
60.下面描述根据本发明实施例的燃气轮机。
61.根据本发明实施例燃气轮机包括火焰筒，火焰筒可以为上述实施例中描述的火焰筒。具体地，燃气轮机包括燃烧室、火焰筒、燃料喷射装置和过渡段，火焰筒设在燃烧室内，燃料喷射装置设在火焰筒的前端，过渡段连接在火焰筒的后端，过渡段即为一根过渡管，过渡段连接在火焰筒和透平之间。压气机压缩的空气一部分沿火焰筒外周侧从后至前流动，在火焰筒外周侧与所述筒体及肋片进行热交换，从而实现对火焰筒的冷却，然后经由火焰筒前端装置折返流入火焰筒内，进而与燃料喷射装置喷射的燃料混合燃烧。
62.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
63.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
64.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
66.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
67.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。