燃烧室制造技术

本发明专利技术涉及一种环形燃烧室，它主要由一个主燃烧区、一个混合段和一个二次级组成，在混合段内固定有涡流发生器，它们用来形成涡旋。混合段和涡流发生器均制有通流孔，掺混空气经这些孔流入混合段内部，并在那里与主流混合。被掺入的掺混空气的量是可以改变的；它可以相对于主流具有超临界或亚临界送风率，其中，甚至在亚临界送风率的情况下，也至少能对通道壁和涡流发生器进行气膜冷却。若以超临界送风率为基础，则掺混空气侵入由涡流发生器引发的旋涡边缘区中，结果导致掺混空气与主流的迅速混合。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种主要由一个主燃烧区和一个沿流动方向设在后面的二次级组成的燃烧室。本专利技术还涉及一种此燃烧室的工作方法。在燃气轮机的燃烧室中，通过相应的燃烧器流动并在混合区内准备好的热燃气流，通常在涡轮前通过掺混未经燃烧器流动的质量流而调整到适合涡轮的温度分布。这种掺混的质量一般通过空气进口的横截面尺寸和数量来控制。这些同时起掺混空气喷嘴作用的空气进口，一方面使流过它们的冷空气在热燃气流中有必要的侵入深度，并因而造成为快速掺混所需的一种宏观的紊流，与此同时在另一个方面使得沿燃烧室壁供入的冷空气足够均匀的分布。然而这两种效果是互相矛盾的，大尺寸的喷嘴导致更大的侵入深度，但与此同时恶化均匀分布，从而导致在热燃气流中有过热或过冷的条纹，所以限制了可达到的掺混均匀性，这种限制的结果是增加了有害物质的排放量，降低了效率。本专利技术将消除上述缺点。本专利技术的目的是要对本文开始所述类型的燃烧室及其工作方法加以改进，以提高掺混质量和降低燃烧室的热负荷；与此同时，本专利技术还有一个目的是要保证尽可能减少有害物质排放量以及最大程度地提高效率。为了改善掺混质量(这同时也能达到其他目的)，将上述两种效果彼此分开，使它们分别考虑其本身时都能达到最佳化。为了在热燃气流中造成宏观的涡旋运动，采用涡流发生元件来达到(下文简称涡流发生器)，它们最好固定在一次区(主燃烧区)下游的混合段中燃烧室一个或几个壁上。这些涡流发生器用来在热燃气与其形式上为二次流的要掺入的掺混空气之间，产生所需强度的大范围混合运动，与传统的方法相比，它具有相对于掺混空气流独立的特性。掺混空气现在通过在燃烧室壁上的许多小孔均匀地供入热燃气中，谋求达到一种超临界的送风率，与此同时它保证喷射冷却。为了所谋求的超临界送风率，掺混空气侵入由涡流发生器引发的涡旋边缘区，从而被涡旋从壁处带走，然后与热燃气迅速混合。由于涡流发生器直接受到热燃气的作用，所以由此可获得的充分的冷却是这类混合段必不可少的先决条件。喷射冷却效果主要建立在掺混空气通过通孔时造成的内部对流冷却以及热燃气一侧上可能形成冷空气膜的基础之上。若掺混空气流的动量与热燃气流动量之比足够小，则在热燃气一侧上的流动边界层未被掺混空气刺破，并能以最佳方式形成冷空气膜。此送气比超过一个临界值时，掺混空气流侵入热燃气流而不再形成此冷空气膜。通过适当的设计，随着送风比增加但与此同时加强了壁内部的冷却效果，从而可将总的冷却效果大体保持不变。在超临界范围内，掺混空气流侵入热燃气流的深度在涡流发生器附近可以保持得比较小，至少可以比在传统的空气进口的情况下为低的数量级，因为它只需要大到能使掺混空气进入涡旋，但并不要求掺混空气流本身提供必要的大范围紊流。因此不需大的直径，而掺混空气的供入却可大面积地进行。所建议的混合段还可以适应燃气轮机不同的负荷状态。若将提供用于掺混的压力降设计为可变的，例如采用一个可调的预节流器，便也可控制要掺入的掺混空气流。在这种情况下若送风率从超临界范围转变为亚临界范围，则尽管掺混空气流发生了大的改变，仍可在一个大的负荷范围内保持喷射冷却的效果不变。以此方式，既可以大面积地向混合过程供入要掺混的空气并因而提高了总的混合质量，又可使混合段的壁与混合量无关的防止产生过高的温度。这类可变的混合段既可用于传统的扩压和预混燃烧室中，也可用于分级燃烧的燃烧室设计方案中。下面借助于附图表示本专利技术的实施例并作进一步的说明。所有对于直接理解本专利技术不需要的构件均舍去。介质的流动方向用箭头表示。同样的构件在不同的附图中采用相同的符号表示。其中附图说明图1有一次区、混合段和二次级的燃烧室，该燃烧室设计为环形燃烧室；图2通过Ⅱ-Ⅱ剖切面的视图，其中，涡流发生器固定在燃烧室内、外壁上；图3固定在内壁上的涡流发生器结构；图4涡流发生器的透视图；图5涡流发生器的一种实施方案；图6按图5的涡流发生器的结构方案；图7在混合段中的涡流发生器；图8-14通过涡流发生器供入混合空气的变型；以及图15各侧均打有孔的涡流发生器。由图1中表示的轴线15可以得知，图中所涉及的燃烧室是一种环形燃烧室100，它基本上具有连续环形圆筒或准环形的圆筒形状。此外，这种燃烧室也可以由一些轴向、准轴向或螺旋形排列的各自封闭的多个燃烧腔组成。这种燃烧室也可由单管燃烧室组成。除此之外，这种燃烧室可以是燃气轮机唯一的燃烧级，或可以是一种顺序点火的燃气轮机一个燃烧级。按图1的环形燃烧室100沿入流方向包括一个主燃烧区1，与之相接的是混合段2，在混合段2后面工作的是二次级3，它最好设计为一个涡轮的入流口。燃烧器以及燃料供入和一次空气的供入都基本上位于主燃烧区1的开始处，在此图1中用箭头13象征性表示。主燃烧区1用一个隔开间距的同心管11包围；在此间距中沿逆流动方向流过一股冷空气12，它保证主燃烧区1的对流冷却。这一股空气在通过这里后例如可流过燃烧器。来自主燃烧区1的热燃气4流入混合段2；混合段2的内壁6和外壁5上配备有一系列涡流发生器200，它们沿上述壁的周向可以按不同的方式排列。后面还要详细介绍涡流发生器200的各种形状、工作方式和排列。在涡流发生器200的所在区内，混合段2被一个腔10包围，腔10中经调节机构9流入掺混空气8，然后掺混空气在那里经内壁6和外壁5上不同的孔以及通过涡流发生器200分配，以便紧接着流入混合段2。所提及的这些孔可例如在图8、10、12、14和15中看出；对这些图在后面还要进一步说明。掺混空气8的量比较大，例如高达总质量流量的50％或更多。在这样的掺混空气量的情况下，在混合段2中的送风率是超临界的，因此沿壁5、6不能形成冷空气膜。显然，在通过调节机构9使掺混空气8强烈节流时，可以掺入的空气8显著减少，于是热燃气流4的量增大。一旦此掺混空气量8达到亚临界送风率，便始终沿壁5、6形成冷空气膜，从而始终能保证充分的壁冷却。但是，按规定目的是要力图达到超临界送风率，因为这样掺混空气8可以穿入在该处所设涡流发生器200引发的涡旋的边缘区。这些涡旋把流入的掺混空气8从壁5、6处带走，从而使它们与经燃烧室100流入的热燃气4迅速混合。此外，在涡流发生器200各侧的孔(参见后面的图15)足以冷却面朝热燃气4的涡流发生器200。超临界的送风率还保证在涡流发生器200所在区内掺混空气8侵入热燃气4的深度可以保持得比较小。此侵入深度只要大到使掺混空气8虽然能侵入由涡流发生器200引发的涡旋中去，但并不需要流入的掺混空气8造成大范围的紊流。因此，这些孔没有大的横截面或直径，在这种情况下，掺混空气8可以大面积地引入混合段2内。显然，掺混空气8引入混合段2可根据设备的负荷来调整。涡流发生器200的垂直连接边(是图4-7中位置216)同时构成了从混合段2向二次级3的过渡，在这里造成了混合区2的断面收缩，其结果是导致在二次级3起始处横截面14的直接突变14。根据设备的负荷状态改变质量流量4、8的分配，在掺混空气8穿过壁时造成的冷却效果，或单独通过孔内的热传导或结合冷空气膜来达到。前一种情况涉及的是一种具有高质量流量和高预压力的超临界情况，第二种情况涉及的是具有低质量流量和低预压力的亚临界情况。因此，如此设计的混合配置，从掺混空气流8可根据负荷强烈变化这一点看，其意图在于不使材料过热，本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃烧室，它主要由一个主燃烧区（１）、一个沿流动方向设在后面的二次级（３）组成，其中，用于燃烧的这两个级在工作上互相连系，其特征为：在主燃烧区和二次级之间，居中设有混合段（２）；混合段配备有涡流发生器（２００、２０１、２０２）；混合段和涡流发生器具有通流孔（２２０、２２１、２２３；２２５、２２６、２２７），经由这些孔可将掺混空气（８）喷入主流（４）中。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B舒特沃宁，
申请(专利权)人：阿尔斯通公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]