CN116624894A - 一种紧凑式燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种紧凑式燃烧室，属于航空发动机和燃气轮机的燃烧和气动技术领域。本发明解决了现有的燃烧室和涡轮轴向尺寸大、燃烧室出口温度分布不均匀以及NOx排放量高的问题。进气通道与空气分配腔连通设置，盖板组件与燃料管底座之间沿燃烧室径向依次分隔设置有主燃料分配外腔、值班燃料分配腔及主燃料分配内腔，若干微混喷嘴的前部均插装在燃料管底座上，若干微混喷嘴的后部对应插设在若干空气分配孔中。燃料与氧化剂在微小尺度条件下内交叉射流预混，可提高燃料与氧化剂预混程度，提高燃烧室出口平均温度和温比，进而实现NOx排放量的降低。通过控制不同分区内燃料流量实现燃烧室出口温度分布随着透平叶片热应力分布需求和工况变化而可控可调节。

Description

一种紧凑式燃烧室

技术领域

本发明涉及一种紧凑式燃烧室，属于航空发动机和燃气轮机的燃烧和气动技术领域。

背景技术

燃气轮机广泛应用于航空、航天、船舶、电力、天然气输送、工业驱动等领域。随着燃气轮机技术的不断发展，对燃气轮机的结构紧凑性和燃烧性能要求也越来越高，特别是燃气温度分布、氮氧化物排放和总压损失的要求。

在传统燃烧室中，燃气一般沿着发动机轴向方向流动，以保证其燃烧效率；同时要求进入涡轮动叶的气流具有较大切向角度，以推动涡轮动叶做功；所以需要在燃烧室出口处设置涡轮静导叶对高温燃气进行整流。这种设计导致燃烧室和涡轮轴向长度增大，提高了高温燃气在高温区的停留时间，进而导致氮氧化物排放量无法进一步降低。而若是简单的将燃烧室进气方式改为斜向进气，受限于燃烧器安装板角度，喷嘴火焰极易烧毁相邻喷嘴安装板。

另外，传统高温升燃烧室设计中还存在着出口温度分布不均匀，涡轮的冷却空气量愈发减少等问题。因此，有必要提出一种新型的紧凑式燃烧室来解决上述问题。

发明内容

本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了一种紧凑式燃烧室。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种紧凑式燃烧室，其呈环形结构，包括机匣、火焰筒、点火枪、盖板组件、燃料管底座、空气分配板及若干微混喷嘴，所述机匣位于所述火焰筒外侧且机匣内壁与火焰筒之间设置有进气通道，火焰筒的出口布置有若干涡轮一级动叶，

所述盖板组件、所述燃料管底座及所述空气分配板由前到后依次平行布置，

所述燃料管底座与所述空气分配板之间形成空气分配腔，所述进气通道与所述空气分配腔连通设置，

所述盖板组件与所述燃料管底座之间沿燃烧室径向依次分隔设置有主燃料分配外腔、值班燃料分配腔及主燃料分配内腔，所述盖板组件上对应开设有外腔主燃料进口、值班燃料进口及内腔主燃料进口，

点火枪依次插装在盖板组件、燃料管底座及空气分配板上，

所述空气分配板上开设有若干空气分配孔，若干微混喷嘴的前部均插装在燃料管底座上，若干微混喷嘴的后部对应插设在若干空气分配孔中，且微混喷嘴与空气分配孔的内壁之间存在第一环形间隙，每个微混喷嘴的后部均沿其周向开设有若干燃料通孔，所述空气分配孔的中心轴线倾斜设置，且其倾斜方向垂直于涡轮一级动叶的叶片设置。

进一步地，所述微混喷嘴包括首尾连通固接的第一管段及第二管段，所述第二管段的中心轴线倾斜于第一管段的中心轴线设置，第一管段上远离第二管段的一端为燃料进口端，第二管段上远离第一管段的一端为封闭端，若干燃料通孔沿周向开设在第二管段的后部。

进一步地，第一管段的中心轴线与第二管段的中心轴线之间的夹角为30～60°。

进一步地，每个微混喷嘴上的燃料通孔数量均为2～10个。

进一步地，盖板组件、燃料管底座、空气分配板、火焰筒及机匣均呈环形结构布置，若干微混喷嘴以燃料管底座的圆心为中心呈多组圆周阵列分布，且多组圆周阵列等间距布置。

进一步地，所述燃料管底座上开设有若干喷嘴安装孔，且若干喷嘴安装孔与若干空气分配孔一一对应布置，若干微混喷嘴的前部一一对应插装在若干喷嘴安装孔内。

进一步地，所述机匣包括同轴布置的外机匣及内机匣，所述火焰筒包括同轴布置的火焰筒内壁及火焰筒外壁，外机匣与火焰筒外壁之间以及内机匣与火焰筒内壁之间均存在第二环形间隙，且所述第二环形间隙均与空气分配腔连通设置。

进一步地，外腔主燃料进口、值班燃料进口及内腔主燃料进口的数量均为2～6个且沿燃烧室周向均布设置。

进一步地，点火枪的数量为多个且沿周向均布。

进一步地，空气分配孔的内径为9mm～36mm。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

通过将空气分配孔的中心轴线倾斜设置，使得生成的高温燃气整体绕燃烧室和涡轮中心轴线旋流，在取消了涡轮一级静导叶的基础上，高温燃气以垂直于涡轮一级动叶叶片方向进入涡轮做功，缩短了燃烧室和涡轮轴向尺寸，降低了高温燃气在高温区的停留时间，进一步降低NOx的生成量。

燃料与氧化剂在微小尺度条件下内交叉射流预混，可提高燃料与氧化剂预混程度，进一步提高燃烧室出口平均温度和温比，进而实现NOx排放量的降低。同时通过主燃料分配外腔、值班燃料分配腔及主燃料分配内腔的径向布置，使燃烧室沿径向分区为外主燃区、值班分区、内主燃区，通过控制不同分区内燃料流量实现燃烧室出口温度分布随着透平叶片热应力分布需求和工况变化而可控可调节。

本发明结构集成化程度高、结构灵活、运行可靠。可通过不同的微混喷嘴布置关系、不同的微混喷嘴尺寸组合、不同的微混喷嘴间距关系来实现不同的燃烧特性和工况需求，同时其工作范围广泛、燃料适应性强，可以实现多种气体燃料的高效率低排放燃烧。

本发明的燃烧室结构取消了传统燃烧室结构中火焰筒上的冷却孔和掺混孔，进入燃烧室的空气全部投入到头部参与燃烧组织过程，使燃烧室出口温度分布实现可控可调节，进而解决涡轮冷却空气量不足和NOx排放量无法进一步降低的问题。

附图说明

图1为本发明的紧凑式燃烧室其中一个扇区的第一立体结构示意图；

图2为本发明的紧凑式燃烧室其中一个扇区的第二立体结构示意图；

图3为本发明的紧凑式燃烧室其中一个扇区的剖视示意图；

图4为微混喷嘴、燃料管底座及空气分配板的局部剖视图；

图5为燃料管底座其中一个扇区的主视示意图；

图6为空气分配板其中一个扇区的立体结构示意图；

图7为微混喷嘴的立体结构示意图；

图8为微混喷嘴的剖视示意图。

图中：

1、机匣；1-1、外机匣；1-2、内机匣；2、火焰筒；2-1、火焰筒内壁；2-2、火焰筒外壁；3、点火枪；4、盖板组件；4-1、外腔主燃料进口；4-2、值班燃料进口；4-3、内腔主燃料进口；4-4、主燃料外腔盖板；4-5、值班燃料腔盖板；4-6、值班燃料腔外壁；4-7、值班燃料腔内壁；4-8、主燃料内腔盖板；5、燃料管底座；5-1、喷嘴安装孔；6、空气分配板；6-1、空气分配孔；7、微混喷嘴；7-1、燃料通孔；7-2、第一管段；7-3、第二管段；9、涡轮一级动叶；10、空气分配腔；11、主燃料分配外腔；12、值班燃料分配腔；13、主燃料分配内腔；14、固定管。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式，基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明关于“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”“顶部”“底部”等方向上的描述均是基于附图所示的方位或位置的关系定义的，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述的结构必须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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种紧凑式燃烧室，其呈环形结构，包括机匣1、火焰筒2、点火枪3、盖板组件4、燃料管底座5、空气分配板6及若干微混喷嘴7，所述机匣1位于所述火焰筒2外侧且机匣1内壁与火焰筒2之间设置有进气通道，火焰筒2的出口布置有若干涡轮一级动叶9，

所述盖板组件4、所述燃料管底座5及所述空气分配板6由前到后依次平行布置，

所述燃料管底座5与所述空气分配板6之间形成空气分配腔10，所述进气通道与所述空气分配腔10连通设置，

所述盖板组件4与所述燃料管底座5之间沿燃烧室径向依次分隔设置有主燃料分配外腔11、值班燃料分配腔12及主燃料分配内腔13，所述盖板组件4上对应开设有外腔主燃料进口4-1、值班燃料进口4-2及内腔主燃料进口4-3，

点火枪3依次插装在盖板组件4、燃料管底座5及空气分配板6上，

所述空气分配板6上开设有若干空气分配孔6-1，若干微混喷嘴7的前部均插装在燃料管底座5上，若干微混喷嘴7的后部对应插设在若干空气分配孔6-1中，且微混喷嘴7与空气分配孔6-1的内壁之间存在第一环形间隙，每个微混喷嘴7的后部均沿其周向开设有若干燃料通孔7-1。

机匣1后端为开口设计，空气由机匣1后端以逆流的形式经由进气通道进入空气分配腔10，该过程中对火焰筒壁进行冷却。

主燃料分配外腔11、值班燃料分配腔12、主燃料分配内腔13三者互不连通。

值班燃料通过值班燃料进口4-2进入值班燃料分配腔12。

所述外腔主燃料进口4-1、值班燃料进口4-2及内腔主燃料进口4-3分别对应与主燃料分配外腔11、值班燃料分配腔12及主燃料分配内腔13连通设置，

燃料通过外腔主燃料进口4-1及内腔主燃料进口4-3分别进入主燃料分配外腔11及主燃料分配内腔13，再经过若干微混喷嘴7及微混喷嘴7上的燃料通孔7-1喷射进入空气分配孔6-1，与来自空气分配腔10中的逆流的空气在空气分配孔6-1中以内交叉射流方式预混后，进入火焰筒2燃烧，生成高温燃气，高温燃气直接推动涡轮一级动叶9做功。

燃料与氧化剂在微小尺度条件下内交叉射流预混，可提高燃料与氧化剂预混程度，进一步提高燃烧室出口平均温度和温比，进而实现NOx排放量的降低。同时通过主燃料分配外腔11、值班燃料分配腔12及主燃料分配内腔13的径向布置，使燃烧室沿径向分区为外主燃区、值班分区、内主燃区，通过控制不同分区内燃料流量实现燃烧室出口温度分布随着透平叶片热应力分布需求和工况变化而可控可调节。

本发明结构集成化程度高、结构灵活、运行可靠。可通过不同的微混喷嘴7布置关系、不同的微混喷嘴7尺寸组合、不同的微混喷嘴7间距关系来实现不同的燃烧特性和工况需求，同时其工作范围广泛、燃料适应性强，可以实现多种气体燃料的高效率低排放燃烧。

本发明的燃烧室结构取消了传统燃烧室结构中火焰筒2上的冷却孔和掺混孔，进入燃烧室的空气全部投入到头部参与燃烧组织过程，使燃烧室出口温度分布实现可控可调节，进而解决涡轮冷却空气量不足和NOx排放量无法进一步降低的问题。

空气分配孔6-1的内径为9mm～36mm。

所述盖板组件4包括主燃料外腔盖板4-4、值班燃料腔盖板4-5、值班燃料腔外壁4-6、值班燃料腔内壁4-7及主燃料内腔盖板4-8，其中主燃料外腔盖板4-4、值班燃料腔盖板4-5及主燃料内腔盖板4-8均为环形板且沿燃烧室径向依次拼接，值班燃料腔外壁4-6密封固装在值班燃料腔盖板4-5的外端与主燃料外腔盖板4-4之间，以将主燃料外腔及值班燃料腔分隔成独立的腔室，值班燃料腔内壁4-7密封固装在值班燃料腔盖板4-5的内端与主燃料内腔盖板4-8之间，以将主燃料内腔及值班燃料腔分隔成独立的腔室。

点火枪3为电点火枪，其通过固定管14固定在值班燃料腔盖板4-5上，并穿过燃料管底座5及空气分配板6，其端部处于火焰筒2中。

火焰筒2及机匣1的形状根据空气和燃气的流场流线、阻力损失、流量分配、速度场分布来确定。

平面式的空气分配板，有效避免因微混喷嘴7斜向布置而烧毁相临喷嘴的问题。

所述空气分配孔6-1的中心轴线倾斜设置，且其倾斜方向垂直于涡轮一级动叶9的叶片设置。如此设计，燃料从微混喷嘴7上的燃料通孔7-1喷射进入带有圆周切向角度的空气分配孔6-1，使得生成的高温燃气为带有一定切向速度的旋转气流，高温燃气在火焰筒2出口处的燃气余旋角与涡轮一级动叶9相匹配，高温燃气直接冲击涡轮一级动叶9压力面对外做功；因此，可舍弃传统燃气轮机中涡轮一级静叶，保证燃气热能和动能与涡轮一级动叶9机械能之间的高效转换的同时，取消涡轮一级静导叶以缩短燃烧室、涡轮以及燃气轮机整体的轴向长度。如此设计可降低燃气轮机自身重量，减少总压损失和涡轮冷却空气耗量，同时还可以降低燃气在高温区的停留时间，进而实现NOx排放量的大幅降低，有效提升燃气轮机效率。

所述微混喷嘴7包括首尾连通固接的第一管段7-2及第二管段7-3，所述第二管段7-3的中心轴线倾斜于第一管段7-2的中心轴线设置，第一管段7-2上远离第二管段7-3的一端为燃料进口端，第二管段7-3上远离第一管段7-2的一端为封闭端，若干燃料通孔7-1沿周向开设在第二管段7-3的后部。如此设计，第二管段7-3插设在空气分配孔6-1内，燃料通过第一管段7-2的一端进入，由第二管段7-3上的燃料通孔7-1喷出。第一管段7-2及第二管段7-3的壁厚均为1mm～3mm，第一管段7-2的内径为3mm～12mm，燃料通孔7-1的直径为0.5mm～2mm，若干燃料通孔7-1的中心轴线所在平面与空气分配孔6-1进口端之间的垂直距离为10mm～50mm，若干燃料通孔7-1的中心轴线所在平面与空气分配孔6-1出口端之间的垂直距离为3mm～15mm。

第一管段7-2的中心轴线与第二管段7-3的中心轴线之间的夹角为30～60°。

每个微混喷嘴7上的燃料通孔7-1数量均为2～10个。

盖板组件4、燃料管底座5、空气分配板6、火焰筒2及机匣1均呈环形结构布置，若干微混喷嘴7以燃料管底座5的圆心为中心呈多组圆周阵列分布，且多组圆周阵列等间距布置。如此设计，可以扩大燃烧室稳燃区间，增强燃烧室燃烧稳定性，特别是在燃烧室点火过程中，提高点火稳定性，缩短火焰联焰传播时间，防止燃烧室内局部燃料浓度过高而出现爆燃问题。

所述燃料管底座5上开设有若干喷嘴安装孔5-1，且若干喷嘴安装孔5-1与若干空气分配孔6-1一一对应布置，若干微混喷嘴7的前部一一对应插装在若干喷嘴安装孔5-1内。如此设计，通过开设喷嘴安装孔5-1以实现微混喷嘴7的安装固定。

所述机匣1包括同轴布置的外机匣1-1及内机匣1-2，所述火焰筒2包括同轴布置的火焰筒内壁2-1及火焰筒外壁2-2，外机匣1-1与火焰筒外壁2-2之间以及内机匣1-2与火焰筒内壁2-1之间均存在第二环形间隙，且所述第二环形间隙均与空气分配腔10连通设置。如此设计，所述外机匣1-1与火焰筒外壁2-2之间以及内机匣1-2与火焰筒内壁2-1之间的第二环形间隙即为进气通道。燃料管底座5的内、外边缘分别开设有若干定位螺纹孔，通过螺钉将燃料管底座5固定在外机匣1-1与内机匣1-2上。主燃料外腔盖板4-4与外机匣1-1连接，主燃料内腔盖板4-8与内机匣1-2连接。

外腔主燃料进口4-1、值班燃料进口4-2及内腔主燃料进口4-3的数量均为2～6个且沿燃烧室周向均布设置。如此设计，有效提高燃料沿燃烧室周向的分配均匀性。

点火枪3的数量为多个且沿周向均布。如此设计，有效提高燃烧室点火稳定性，在燃烧室周向建立多个稳定点火火焰，并有利于点火火焰向四周传播，进而使整个燃烧室内的燃料稳定燃烧。

具体实施方式二：结合图1～图8说明本实施方式，值班燃料腔盖板上沿周向均布有三个值班燃料进口，主燃料外腔盖板上沿周向均布有三个外腔主燃料进口，主燃料内腔盖板上沿周向均布有三个内腔主燃料进口；

第一管段的中心轴线与第二管段的中心轴线之间的夹角为45°，第一管段与第二管段的壁厚均为1mm，每个微混喷嘴上的燃料通孔数量均为6个；

第一管段的内径为4mm，燃料通孔的直径为0.6mm，若干燃料通孔的中心轴线所在平面与空气分配孔进口端之间的垂直距离为40mm，若干燃料通孔的中心轴线所在平面与空气分配孔出口端之间的垂直距离为10mm，空气分配孔的内径为10mm。其它组成与连接关系与具体实施方式一相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑式燃烧室，其特征在于：其呈环形结构，包括机匣(1)、火焰筒(2)、点火枪(3)、盖板组件(4)、燃料管底座(5)、空气分配板(6)及若干微混喷嘴(7)，所述机匣(1)位于所述火焰筒(2)外侧且机匣(1)内壁与火焰筒(2)之间设置有进气通道，火焰筒(2)的出口布置有若干涡轮一级动叶(9)，

所述盖板组件(4)、所述燃料管底座(5)及所述空气分配板(6)由前到后依次平行布置，

所述燃料管底座(5)与所述空气分配板(6)之间形成空气分配腔(10)，所述进气通道与所述空气分配腔(10)连通设置，

所述盖板组件(4)与所述燃料管底座(5)之间沿燃烧室径向依次分隔设置有主燃料分配外腔(11)、值班燃料分配腔(12)及主燃料分配内腔(13)，所述盖板组件(4)上对应开设有外腔主燃料进口(4-1)、值班燃料进口(4-2)及内腔主燃料进口(4-3)，

点火枪(3)依次插装在盖板组件(4)、燃料管底座(5)及空气分配板(6)上，

所述空气分配板(6)上开设有若干空气分配孔(6-1)，若干微混喷嘴(7)的前部均插装在燃料管底座(5)上，若干微混喷嘴(7)的后部对应插设在若干空气分配孔(6-1)中，且微混喷嘴(7)与空气分配孔(6-1)的内壁之间存在第一环形间隙，每个微混喷嘴(7)的后部均沿其周向开设有若干燃料通孔(7-1)，所述空气分配孔(6-1)的中心轴线倾斜设置，且其倾斜方向垂直于涡轮一级动叶(9)的叶片设置。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：所述微混喷嘴(7)包括首尾连通固接的第一管段(7-2)及第二管段(7-3)，所述第二管段(7-3)的中心轴线倾斜于第一管段(7-2)的中心轴线设置，第一管段(7-2)上远离第二管段(7-3)的一端为燃料进口端，第二管段(7-3)上远离第一管段(7-2)的一端为封闭端，若干燃料通孔(7-1)沿周向开设在第二管段(7-3)的后部。

3.根据权利要求2所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：第一管段(7-2)的中心轴线与第二管段(7-3)的中心轴线之间的夹角为30～60°。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：每个微混喷嘴(7)上的燃料通孔(7-1)数量均为2～10个。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：盖板组件(4)、燃料管底座(5)、空气分配板(6)、火焰筒(2)及机匣(1)均呈环形结构布置，若干微混喷嘴(7)以燃料管底座(5)的圆心为中心呈多组圆周阵列分布，且多组圆周阵列等间距布置。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：所述燃料管底座(5)上开设有若干喷嘴安装孔(5-1)，且若干喷嘴安装孔(5-1)与若干空气分配孔(6-1)一一对应布置，若干微混喷嘴(7)的前部一一对应插装在若干喷嘴安装孔(5-1)内。

7.根据权利要求1所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：所述机匣(1)包括同轴布置的外机匣(1-1)及内机匣(1-2)，所述火焰筒(2)包括同轴布置的火焰筒内壁(2-1)及火焰筒外壁(2-2)，外机匣(1-1)与火焰筒外壁(2-2)之间以及内机匣(1-2)与火焰筒内壁(2-1)之间均存在第二环形间隙，且所述第二环形间隙均与空气分配腔(10)连通设置。

8.根据权利要求1所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：外腔主燃料进口(4-1)、值班燃料进口(4-2)及内腔主燃料进口(4-3)的数量均为2～6个且沿燃烧室周向均布设置。

9.根据权利要求1所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：点火枪(3)的数量为多个且沿周向均布。

10.根据权利要求1所述的一种紧凑式燃烧室，其特征在于：空气分配孔(6-1)的内径为9mm～36mm。