專利名稱：一種燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)擴(kuò)壓器，更具體地涉及用于提升工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室過渡段壁面冷卻效果、減小燃燒室腔內(nèi)氣流損失的擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)，屬于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中，常用的燃燒室結(jié)構(gòu)為環(huán)管形燃燒室，多個(gè)燃燒器圍繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子以環(huán)形陣列的方式布置。壓氣機(jī)出口的壓縮氣體在火焰筒內(nèi)與燃料混合，點(diǎn)火燃燒后形成高溫燃?xì)狻；鹧嫱矁?nèi)的高溫燃?xì)怆S后進(jìn)入透平，帶動(dòng)透平做功，其中部分功用于帶動(dòng)與之同軸相連的壓氣機(jī)，另一部分則驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃燒室內(nèi)的高溫燃?xì)馐墙?jīng)由過渡段進(jìn)入透平的。典型的火焰筒出口為圓形，而透平進(jìn)口為矩形，因此，過渡段的橫截面從進(jìn)口至出口由圓形光滑過渡至矩形。同時(shí)，通常火焰筒所處半徑大，而透平半徑小，過渡段還存在明顯的半徑變化。復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和非常高的燃?xì)鉁囟仁惯^渡段內(nèi)的工作條件極其復(fù)雜，為防止過渡段因過熱而燒毀，需要對過渡段的表面進(jìn)行冷卻。燃燒室內(nèi)參與燃燒和冷卻的氣流來源于其上游的壓氣機(jī)，擴(kuò)壓器位于壓氣機(jī)出口，其作用在于減小壓氣機(jī)出口的壓縮氣流流入燃燒室腔內(nèi)的速度，一方面可以減小高壓氣流在腔內(nèi)的損失，同時(shí)使燃燒室腔內(nèi)的壓力盡量均勻，便于燃燒器高溫壁面，尤其是過渡段的冷卻。對于先進(jìn)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，約有1/2的進(jìn)入燃燒室環(huán)形腔的氣流用于參與燃燒， 另有1/4氣流則用于稀釋燃?xì)?，調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)溫度分布，以滿足透平進(jìn)口級(jí)效率和壽命的要求，還有一部分需用于冷卻火焰筒壁面，因此，僅有少量氣流可用于冷卻過渡段。為用盡可能少的冷卻氣流實(shí)現(xiàn)過渡段的有效冷卻，現(xiàn)在較為先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)中過渡段采用了諸如沖擊冷卻、發(fā)散冷卻等冷卻方式。其中沖擊冷卻的主要機(jī)制是，擴(kuò)壓器出口的氣流撞擊在表面布有多個(gè)冷卻孔的沖擊過渡段冷卻襯套上，在內(nèi)、外壓差的作用下，氣流通過冷卻孔加速形成射流沖擊在過渡段壁面，從而達(dá)到冷卻過渡段的目的。擴(kuò)散冷卻與沖擊冷卻類似，只是在過渡段冷卻襯套與過渡段壁面之間布置有肋片，用于加強(qiáng)冷卻效果。傳統(tǒng)的擴(kuò)壓器出口徑向高度、角度均固定不變，氣流集中沖擊在過渡段冷卻襯套的下表面，隨后繞流至相鄰兩個(gè)過渡段之間所形成的間隙內(nèi)，使流動(dòng)在間隙內(nèi)加速，導(dǎo)致沖擊點(diǎn)周圍過度冷卻，而未被沖擊的過渡段兩側(cè)表面因氣流加速而導(dǎo)致壓差不足，冷卻效果差。由于過渡段兩側(cè)表面是溫度較高、應(yīng)力集中的區(qū)域，冷卻不足容易導(dǎo)致壁面出現(xiàn)裂紋。 尤其當(dāng)壓氣機(jī)出口速度較大時(shí)，例如大于130m/s時(shí)，擴(kuò)壓器出口氣流速度隨之升高，相鄰過渡段間隙內(nèi)的流動(dòng)加速更為明顯，甚至導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)冷卻孔的外部壓力小于內(nèi)部壓力， 形成冷卻氣的倒流。此時(shí)，加大冷卻用氣量，例如增大冷卻孔的直徑，或者輔以氣膜冷卻的方法，也難以達(dá)到理想的冷卻效果。為避免相鄰過渡段之間的間隙內(nèi)流動(dòng)過度加速而影響冷卻效果，控制擴(kuò)壓器出口氣流沖擊過渡段的位置和速度異常關(guān)鍵。簡單地增大擴(kuò)壓器出口的徑向角度，可使氣流沖擊過渡段的位置往燃燒器進(jìn)口移動(dòng)，從而減小流經(jīng)相鄰過渡段間隙內(nèi)的氣流流量和速度， 但極容易導(dǎo)致參與過渡段冷卻的用氣量不夠。也有某些擴(kuò)壓器，出口徑向角度較大，為了兼顧過渡段的冷卻需求，在擴(kuò)壓器內(nèi)壁面開孔引出一部分氣流至過渡段，然而為使擴(kuò)壓器內(nèi)壁面孔引出的氣流更為均勻地沖擊到過渡段壁面，通常還需在內(nèi)壁孔后一定距離內(nèi)配置一種帶有密布孔的平板，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在擴(kuò)壓器內(nèi)加導(dǎo)流板，形成兩個(gè)甚至三個(gè)通道，也可以有效地控制氣流沖擊點(diǎn)和沖擊速度，但這需要在擴(kuò)壓器中增加導(dǎo)流板和相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也增大了擴(kuò)壓器的損失，且這種結(jié)構(gòu)在功率等級(jí)為150MW以上的大尺寸燃?xì)廨啓C(jī)上才能達(dá)到較好的效果。在已經(jīng)公開的專利文獻(xiàn)CN101839256A中，采用了一種開槽的擴(kuò)壓器，這種擴(kuò)壓器可將部分氣流導(dǎo)向過渡段用于冷卻過渡段，而另一部分經(jīng)過擴(kuò)壓器外壁面的開槽，直接進(jìn)入導(dǎo)流襯套與火焰筒之間的通道，從而一定程度上平衡了過渡段冷卻和燃燒室腔內(nèi)流動(dòng)損失，其缺點(diǎn)在于擴(kuò)壓器外壁面槽為非流線型結(jié)構(gòu)，且在開槽處流速較高，由此造成了額外損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器，使其不僅結(jié)構(gòu)簡單，且能較好地兼顧過渡段冷卻和減少燃燒室腔內(nèi)的流動(dòng)損失。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器，該擴(kuò)壓器的上游為軸流式壓氣機(jī)，下游為燃燒室腔， 該燃燒室腔內(nèi)包含若干個(gè)圍繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子以環(huán)形陣列布置的燃燒器，該燃燒器的火焰筒與透平進(jìn)口之間通過過渡段連接；所述擴(kuò)壓器的進(jìn)口端與壓氣機(jī)的出口相連，出口端與燃燒室腔相連，擴(kuò)壓器包括內(nèi)壁面和外壁面，其特征在于所述內(nèi)壁面和外壁面在繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的圓周方向上具有波浪形型線，該波浪形型線為光滑連接波峰和波谷的周期性曲線， 在過渡段中心對應(yīng)的周向位置，半徑達(dá)到最小，處于波浪的波谷，在相鄰過渡段所形成間隙的中心對應(yīng)的周向位置，半徑達(dá)到最大，對應(yīng)波浪的波峰；波浪的周期數(shù)與燃燒器的個(gè)數(shù)相同。波浪形型線的幅值從擴(kuò)壓器的進(jìn)口至出口線性地增大，出口處幅值A(chǔ)為波長L的 0. 05 0. 4倍，其中波長L為每個(gè)波浪平均半徑位置所占據(jù)的周向弧長。所述周期性曲線優(yōu)選為正弦曲線。所述擴(kuò)壓器的內(nèi)壁面和外壁面沿軸向的型線為直線；也可以是外壁面沿軸向的型線為斜率逐漸增大的曲線，內(nèi)壁面沿軸向的型線為直線或斜率逐漸增大的曲線。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明所提供的燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器，可將來自其上游壓氣機(jī)的氣流減速，在擴(kuò)壓器出口處形成半徑、徑向角度與燃燒器位置相配合的周期性變化，能夠根據(jù)燃燒室不同部位的冷卻需求，針對性地調(diào)節(jié)氣流在周向上的分配和沖擊位置，從而減小過渡段周圍氣流速度和壓力的不均勻程度，對于不同過渡段冷卻方式，例如沖擊冷卻、發(fā)散冷卻、氣膜冷卻或?qū)α骼鋮s等，均能有效地改善過渡段的冷卻，同時(shí)降低氣流在燃燒室腔內(nèi)的流動(dòng)損失。


圖1是現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是帶有波浪形擴(kuò)壓器的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3是本發(fā)明提供的波浪形擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖2中的I-I截面剖視圖。圖5是波浪形擴(kuò)壓器和燃燒室的三維側(cè)視圖。部件列表10-燃燒器；11-火焰筒；12-導(dǎo)流襯套；13-過渡段；14-過渡段冷卻襯套；15-冷卻孔；16-燃燒室；17-燃燒室腔；18-擴(kuò)壓器；19-內(nèi)壁面；20-外壁面；21-壓氣機(jī)；22-透平；23-燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子；28-相鄰過渡段之間窄縫。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和工作過程做進(jìn)一步的說明。圖2是帶有波浪形擴(kuò)壓器18的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室16結(jié)構(gòu)原理示意圖，該擴(kuò)壓器的上游為軸流式壓氣機(jī)21，下游為燃燒室腔17，燃燒室腔17內(nèi)包含若干個(gè)圍繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子 23以環(huán)形陣列形式布置的燃燒器10 ；波浪形擴(kuò)壓器18的進(jìn)口端與壓氣機(jī)21的出口相連， 出口端與燃燒室腔17相連，過渡段13為燃燒器10的子部件，用于連接火焰筒11出口和透平22進(jìn)口。過渡段13從進(jìn)口至出口存在一定的高度差，并且其橫截面從進(jìn)口至出口由圓形逐漸過渡至矩形。壓氣機(jī)21出口的高壓氣流經(jīng)過波浪形擴(kuò)壓器18減速擴(kuò)壓后，進(jìn)入燃燒室腔17內(nèi)，分成兩股，其中一部分氣流直接通過火焰筒11與導(dǎo)流襯套12之間的環(huán)形通道進(jìn)入燃燒器10前端，與燃料摻混后燃燒。另一部分氣流在壓差的作用下，經(jīng)由過渡段冷卻襯套14上的冷卻孔15，形成射流沖擊在過渡段13的壁面，實(shí)現(xiàn)對過渡段13壁面的冷卻， 該部分氣流隨后也進(jìn)入火焰筒11和導(dǎo)流襯套12之間的環(huán)形通道。圖3為波浪形擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)示意圖，擴(kuò)壓器18包括內(nèi)壁面19和外壁面20，內(nèi)壁面19和外壁面20在繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子23的圓周方向上具有波浪形型線；波浪形型線在相鄰過渡段之間窄縫觀的中心對應(yīng)的周向位置，內(nèi)壁面19和外壁面20的半徑和徑向角度均達(dá)到最大，位于波浪的峰值，從而將氣流導(dǎo)向靠近燃燒器10前端處，更易進(jìn)入火焰筒11和導(dǎo)流襯套12之間的環(huán)形通道，縮短流體在燃燒室腔17內(nèi)的流程，流阻損失可以大幅減小。同時(shí)，也減小了通過相鄰過渡段之間窄縫觀處的氣流流量，使氣流在相鄰過渡段之間窄縫觀內(nèi)的加速減弱，而在過渡段13中心對應(yīng)的周向位置，內(nèi)壁面19和外壁面20的半徑和徑向角度均達(dá)最小，處于波浪的波谷，從而將足夠的氣流導(dǎo)向過渡段13，這股氣流首先撞擊到過渡段冷卻襯套14的下表面，其中部分氣流在內(nèi)外壓差的作用下通過過渡段冷卻襯套14的冷卻孔15形成射流沖擊至過渡段13，實(shí)現(xiàn)對過渡段13底部的冷卻，另一部分則繞流至相鄰過渡段之間窄縫觀內(nèi)，用于過渡段13兩側(cè)表面的冷卻。由于僅有部分氣流導(dǎo)向至過渡段 13，所以氣流在相鄰過渡段之間窄縫觀中的加速并不明顯，使過渡段冷卻襯套14兩側(cè)表面的壓力分布更為均勻，有效地改善了過渡段13兩側(cè)面的冷卻效果。從圖3中可以看出，內(nèi)壁面19和外壁面20在不同周向位置的凹、凸布置，很自然地形成了波浪型線，該波浪形型線可以為正弦曲線，或其它光滑連接波峰和波谷的周期性曲線。在整個(gè)圓周方向，波浪的周期數(shù)與燃燒器10的個(gè)數(shù)應(yīng)相同，波長L為每個(gè)波浪平均半徑位置所占據(jù)的周向弧長。波浪形型線的幅值是影響擴(kuò)壓器18出口氣流沖擊過渡段13 位置和速度的重要參數(shù)，其數(shù)值可根據(jù)燃燒室16的結(jié)構(gòu)和過渡段13的冷卻需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且內(nèi)壁面19和外壁面20的幅值可以進(jìn)行分別的優(yōu)化。幅值過小時(shí)，擴(kuò)壓器18調(diào)節(jié)出口氣流沖擊位置和過渡段13冷卻流量分配的效果不明顯，而幅值過大時(shí)，將會(huì)增大擴(kuò)壓器18 內(nèi)的流動(dòng)損失。幅值從擴(kuò)壓器18進(jìn)口至出口逐漸增大。通常，擴(kuò)壓器18出口處幅值A(chǔ)在波長L的0. 05 0. 4倍之間取值。擴(kuò)壓器18的內(nèi)壁面和外壁面沿軸向型線可以為直線，也可以為曲線，采用曲線可以使出口獲得較大的徑向角度，例如，采用鐘型線，徑向角度在出口明顯增大。內(nèi)壁面19和外壁面20的軸向型線根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，可以有不同的組合形式，例如，內(nèi)壁面19和外壁面 20均為直線；或者內(nèi)壁面19和外壁面20均為曲線；也可以內(nèi)壁面19為直線，外壁面20為曲線。由于內(nèi)壁面20為曲線，而外壁面20為直線的組合形式無法形成恰當(dāng)?shù)牧髁糠峙?，并不采用。作為一個(gè)示例性的實(shí)施例，圖3所示擴(kuò)壓器18壁面沿軸向型線為直線。圖4為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。該實(shí)施例中，共有六個(gè)燃燒器10圍繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子23以環(huán)形陣列形式均勻布置，擴(kuò)壓器18的波浪型線采用了正弦曲線，其周期數(shù)為六， 與燃燒器10的個(gè)數(shù)相同，擴(kuò)壓器18的軸向型線采用了最為簡單的直線。從擴(kuò)壓器18進(jìn)口至出口，內(nèi)壁面19和外壁面20波浪的幅值線性地增大。擴(kuò)壓器18出口處波浪的幅值A(chǔ)根據(jù)燃燒室腔17內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化選取，在本實(shí)施例中，當(dāng)內(nèi)壁面19出口處波浪的幅值為其波長L的0. 18倍，而外壁面20出口處波浪的幅值為其波長L的0. 15倍時(shí)，能夠使過渡段 13周圍壓力分布與燃燒室腔17內(nèi)流阻損失達(dá)到較好平衡，為最佳幅值取值。圖5為波浪形擴(kuò)壓器18和燃燒室16的三維側(cè)視圖，示意了波浪形擴(kuò)壓器、燃燒器 10和過渡段冷卻襯套14(或過渡段13)之間的空間位置關(guān)系。雖然本發(fā)明已就目前認(rèn)為最為實(shí)用且優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行說明，但應(yīng)知道，本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例，而應(yīng)覆蓋被包含在權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍之內(nèi)的各種修改和等同配置。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器，該擴(kuò)壓器的上游為軸流式壓氣機(jī)(21)，下游為燃燒室腔(17)，該燃燒室腔(17)內(nèi)包含若干個(gè)圍繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子以環(huán)形陣列布置的燃燒器 (10)，該燃燒器(10)的火焰筒(11)與透平0 進(jìn)口之間通過過渡段(1 連接；所述擴(kuò)壓器(18)的進(jìn)口端與壓氣機(jī)的出口相連，出口端與燃燒室腔(17)相連，擴(kuò)壓器包括內(nèi)壁面(19)和外壁面(20)，其特征在于所述內(nèi)壁面(19)和外壁面OO)在繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子 (23)的圓周方向上具有波浪形型線；所述的波浪形型線為光滑連接波峰和波谷的周期性曲線，該波浪形型線在過渡段(13)中心對應(yīng)的周向位置，半徑達(dá)到最小，處于波浪的波谷， 在相鄰過渡段之間窄縫08)的中心對應(yīng)的周向位置，半徑達(dá)到最大，對應(yīng)波浪的波峰；波浪的周期數(shù)與燃燒器(10)的個(gè)數(shù)相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器，其特征在于波浪形型線的幅值從擴(kuò)壓器(18)的進(jìn)口至出口線性地增大，出口處幅值A(chǔ)為波長L的0. 05 0. 4倍，其中波長 L為每個(gè)波浪平均半徑位置所占據(jù)的周向弧長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器，其特征在于所述周期性曲線為正弦曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器，其特征在于所述內(nèi)壁面(19) 和外壁面OO)沿軸向的型線為直線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器器，其特征在于所述外壁面 (20)沿軸向的型線為斜率逐漸增大的曲線，內(nèi)壁面(19)沿軸向的型線為直線或斜率逐漸增大的曲線。
全文摘要
一種燃?xì)廨啓C(jī)波浪形擴(kuò)壓器，涉及燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該擴(kuò)壓器包括內(nèi)壁面和外壁面，內(nèi)壁面和外壁面在繞燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的圓周方向上具有波浪形型線；該波浪形型線在過渡段中心對應(yīng)的周向位置，半徑達(dá)到最小，處于波浪的波谷，在相鄰過渡段之間窄縫的中心對應(yīng)的周向位置，半徑達(dá)到最大，對應(yīng)波浪的波峰。該波浪形擴(kuò)壓器將來自其上游壓氣機(jī)的氣流減速，在擴(kuò)壓器出口處形成半徑、徑向角度與燃燒器位置相配合的周期性變化，從而針對性地調(diào)節(jié)氣流在周向上的分配和沖擊位置，減小過渡段周圍氣流速度和壓力的不均勻程度，可以有效提高過渡段冷卻效率，同時(shí)減小氣流在燃燒室腔內(nèi)的流阻損失。
文檔編號(hào)F02C7/12GK102444476SQ20111042160
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者余春華, 楊帆, 闕曉斌 申請人:北京華清燃?xì)廨啓C(jī)與煤氣化聯(lián)合循環(huán)工程技術(shù)有限公司