CN111043624B - 一种燃烧室及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃烧室及燃气轮机，该燃烧室包括燃烧室机匣、及套装在燃烧室机匣内的火焰筒，燃烧室机匣具有至少一个燃烧室进气口，火焰筒上设置有旋流器，旋流器具有旋流器进气口。燃烧室还包括设置在燃烧室机匣内且隔离至少一个燃烧室进气口及旋流器进气口的第一孔板，第一孔板上设置有多个环绕火焰筒且用于整流的第一通孔。通过采用隔离旋流器进气口与至少一个燃烧室进气口的第一孔板，在助燃气体通过至少一个燃烧室进气口进入到燃烧室机匣内，并在流入旋流器进气口之前，先通过第一孔板上的多个第一通孔进行整流，使助燃气体更加均匀的进入到火焰筒内，改善火焰筒内的助燃气体与燃料混合的均匀性，改善火焰筒内的局部高温与局部低温现象。

Description

一种燃烧室及燃气轮机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种燃烧室及燃气轮机。

背景技术

微型燃气轮机具有结构紧凑、重量轻，维护费用低等特点可以广泛用于分布式发电领域。燃烧室是微型燃气轮机的三大部件之一，燃烧室整体性能的好坏直接影响微型燃气轮机的总体性能。在有些燃气轮机上，由于总体结构设计及空间限制等原因，采用单侧进气燃烧室。单侧进气燃烧室容易引起空气在燃烧室内周向分布不均匀，使得空气和燃料混合不均匀，使得燃烧不均匀充分，产生局部高温和低温区域。

发明内容

本发明提供了一种燃烧室及燃气轮机，用以改善助燃气体和燃料混合不均匀现象。

第一方面，本发明提供了一种燃烧室，该燃烧室包括燃烧室机匣、以及套装在燃烧室机匣内的火焰筒，其中，燃烧室机匣具有至少一个燃烧室进气口，火焰筒上设置有旋流器，旋流器具有旋流器进气口。上述燃烧室还包括设置在燃烧室机匣内且隔离至少一个燃烧室进气口及旋流器进气口的第一孔板，其中，第一孔板上设置有多个环绕火焰筒且用于整流的第一通孔。

在上述的方案中，通过采用隔离旋流器进气口与至少一个燃烧室进气口的第一孔板，在助燃气体通过至少一个燃烧室进气口进入到燃烧室机匣内，并在流入旋流器进气口之前，先通过第一孔板上的多个第一通孔进行整流，使助燃气体更加均匀的进入到火焰筒内。与现有技术中采用助燃气体进入燃烧室机匣后通过旋流器进气口直接流入到火焰筒内的设置方式相比，本发明提供的燃烧室可以使助燃气体更加均匀的流入到火焰筒内，从而改善火焰筒内的助燃气体与燃料混合的均匀性，改善火焰筒内的局部高温与局部低温现象。

在一个具体的实施方式中，多个第一通孔沿火焰筒的周向均匀分布，以提高第一孔板的整流效果。

在一个具体的实施方式中，多个第一通孔的有效面积之和为S1，旋流器进气口的有效面积之和为S2；其中，S1≥S2。通过采用上述设置方式，使助燃气体的流速逐渐加快，防止助燃气体的逆流。

在一个具体的实施方式中，多个第一通孔的有效面积之和S1与旋流器进气口的有效面积之和S2满足：S2≤S1≤4S2，以提高第一孔板的整流效果。

在一个具体的实施方式中，火焰筒还具有掺混孔，上述燃烧室还包括设置在燃烧室机匣内且隔离至少一个燃烧室进气口及掺混孔的第二孔板。其中，第二孔板上设置有多个环绕火焰筒且用于整流的第二通孔。通过设置的隔离掺混孔与至少一个燃烧室进气口的第二孔板，在助燃气体流入到掺混孔之前，先通过第二通孔进行整流，使助燃气体更加均匀的流入到火焰筒内。

在一个具体的实施方式中，多个第二通孔沿火焰筒周向均匀分布，以提高第二孔板的整流效果。

在一个具体的实施方式中，多个第二通孔的有效面积之和为S3，掺混孔的有效面积之和为S4，且S3≥S4，以使助燃气体的流速逐渐加快，防止助燃气体的逆流。

在一个具体的实施方式中，多个第二通孔的有效面积之和S3与掺混孔的有效面积之和S4满足：S4≤S3≤5S4，以提高第二孔板的整流效果。

在一个具有的实施方式中，旋流器进气口的有效面积之和S2与掺混孔的有效面积之和S4满足：S2≥S4。从而使助燃气体更多的从旋流器进气口进入火焰筒内。

在一个具体的实施方式中，第一进气口的个数为一个，以便于向燃烧室内通助燃气体。

第二方面，本发明还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括上述任意一种燃烧室，以改善助燃气体与燃料混合的均匀性，改善火焰筒内的局部高温与局部低温现象。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种燃烧室的内部结构图；

图2为本发明实施例提供的一种燃烧室的纵向剖面图。

附图说明：

10-燃烧室机匣 11-燃烧室进气口 12-燃料进口

13-燃烧室出口 20-火焰筒 21-火焰筒进气口

22-掺混孔 30-旋流器 31-旋流器进气口

40-第一孔板 41-第一通孔

50-第二孔板 51-第二通孔

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

为了方便理解本发明实施例提供的燃烧室，首先说明一下其应用场景，该燃烧室具体应用于燃气轮机设备、以及其他需要燃料及助燃气体混合燃烧产生能量的设备上。其中，助燃气体可以为氧气。下面结合附图对本发明实施例提供的燃烧室进行详细的描述。

参考图1，本发明实施例提供了一种燃烧室，该燃烧室主要包括燃热室机匣、以及套装在燃烧室机匣10内的火焰筒20。下面结合附图分别对燃烧室机匣10及火焰筒20进行描述。

首先描述燃烧室机匣10，如图1及图2所示，燃烧室机匣10为一个内部中空的壳体结构，火焰筒20套装在燃烧室机匣10内。在设置燃烧室机匣10时，如图1所示，燃烧室机匣10包括一个直径较大的第一圆筒状结构、设置在第一圆筒状结构的上方(以图1示出的燃烧室为参考)的第一顶板、以及设置在第一圆筒状结构下方(以图1示出的燃烧室为参考)的第一锥形壳体。其中，第一顶板可以通过焊接、一体成型等方式与第一圆筒状结构密封连接，第一锥形壳体与套装在燃烧室机匣10内的火焰筒20通过焊接、一体成型等方式密封连接，从而在燃烧室机匣10的内壁与火焰筒20之间形成一个密封的空间。应当理解的是，上述仅仅示出了设置燃烧室机匣10的一种设置方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。例如，燃烧室机匣10为一个方形壳体结构。即只要是现有技术中常规的燃烧室机匣10的设置方式，都在本发明实施例的保护范围之内。

参考图1，燃烧室机匣10具有至少一个燃烧室进气口11，助燃气体通过至少一个燃烧室进气口11进入燃烧室机匣10内。在具体设置时，如图1及图2所示，在第一圆筒状结构上开设有一个圆形开口，圆形开口上通过焊接方式固定连接有一个管道结构，从而可通过管道结构向燃烧室内通助燃气体。应当理解的是，燃烧室进气口11的形状并不限于图1示出的圆形，除此之外，还可以采用诸如矩形、三角形、梯形等其他形状。应当注意的是，燃烧室进气口11的数量并不限于上述示出的一个，还可以在燃烧室机匣10上设置两个或两个以上的燃烧室进气口11。例如，可在燃烧室机匣10上设置两个燃烧室进气口11，两个燃烧室进气口11既可以沿燃烧室机匣10的周向均匀分布，两个燃烧室进气口11也可以沿燃烧室机匣10的周向非均匀分布。即只要是在燃烧室机匣10上设置有至少一个燃烧室进气口11的设置方式，都在本发明实施例的保护范围之内。

接下来介绍火焰筒20，参考图1，火焰筒20套装在燃烧室机匣10内。具体设置时，火焰筒20包含一个直径较小的第二圆筒状结构、设置在第二圆筒状结构上方(以图1示出的燃烧室为参考)的第二顶板、以及设置在第二圆筒状结构下方(以图1示出的燃烧室为参考)的第二锥形壳体。第二顶板与第二圆筒状结构通过焊接、一体成型等方式密封连接，第二锥形壳体与第二圆筒状结构通过焊接、一体成型等方式密封连接，从而使火焰筒20内部形成一个密封的空间，以使助燃气体及燃料在火焰筒20内燃烧。在将上述示出的火焰筒20套装在燃烧室机匣10内时，参考图1，直径较小的第二圆筒状结构套装在直径较大的第一圆筒状结构内，第一顶板与第二顶板相对设置。第二锥形壳体上密封连接有一个管道结构作为燃烧室出口13，使助燃气体及燃料燃烧后的产物及能量从燃烧室出口13排出。第二锥形壳体与第一锥形壳体相对设置，且第一锥形壳体与燃烧室出口13上的管道结构通过焊接方式密封连接。应当理解的是，上述仅仅示出了设置火焰筒20的一种方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。例如，可以采用套装在燃烧室机匣10内的一个方形壳体结构作为火焰筒20。即只要采用现有技术中常规的火焰筒20的设置方式都在本发明实施例的保护范围之内。

参考图1，火焰筒20上具有火焰筒进气口21。具体设置时，如图1所示，在第二顶板上开设一个开口作为火焰筒进气口21。为使燃烧室机匣10内的助燃气体均匀的通入到火焰筒20内，参考图1，在火焰筒进气口21上采用焊接方式密封连接有一个旋流器30。旋流器30上具有旋流器进气口31，且旋流器进气口31与火焰筒进气口21连通，使助燃气体能够通过旋流器进气口31流入到火焰筒进气口21处，并通入火焰筒20内。如图1示出的旋流器30，在旋流器30上周向均匀分布有多个旋流器叶片，且相邻的两个旋流器叶片之间存在间隙作为旋流器进气口31。在助燃气体及燃烧在火焰筒20内燃烧后，所产生的产物及能量通过设置在第二锥形壳体处的燃烧室出口13排出燃烧室。应当理解的是，图1仅仅示出了旋流器30的一种方式，除此之外，还可以采用现有技术中常规的其他类型的旋流器。

为使助燃气体更加均匀地从火焰筒进气口21通入到火焰筒20内，参考图1，在燃烧室机匣10的内壁与火焰筒20的外壁之间设置有用于整流的第一孔板40，且第一孔板40将至少一个燃烧室进气口11与旋流器进气口31隔开，使通入到燃烧室机匣10内的助燃气体先通过第一孔板40整流，之后再通过旋流器进气口31进入到火焰筒20内。在设置第一孔板40时，如图1所示，第一孔板40上设置有多个环绕火热筒20且用于整流的第一通孔41。在助燃气体通过第一孔板40时，由于助燃气体40只能通过第一孔板40上的第一通孔41流过第一孔板40，相等于使助燃气体流通的有效面积减少，从而对助燃气体起到一定的阻流作用。并使助燃气体内部的压强增加，使距离燃烧室进气口13位置较近的助燃气体向远离燃烧室进气口13位置流动，从而使助燃气体更加均匀地通过第一孔板40，从而实现第一孔板40对助燃气体的一次整流。第一通孔41的数量可以为6个、8个、12个等至少两个中的任意值。在具体排列多个第一通孔41时，可以使多个第一通孔41沿火焰筒20的周向均匀排列，以提高第一孔板41的整流效果。多个第一通孔41也可以沿火焰筒20的周向非均匀分布，例如在距离燃烧室进气口11距离较近的位置，第一通孔41的排布较稀疏，在距离燃烧室进气口11距离较远的位置，第一通孔41的排布较密集等。即只要是能够实现对助燃气体整流的设置方式，都在本发明实施例的保护范围之内。

具体设置时，参考图1及图2，第一孔板40包括夹设在第一圆筒状结构与第二圆筒状结构之间的第一环形板，且在第一环形板上开设有多个圆形的第一通孔41。应当理解的是，第一通孔41的形状并不限于图1示出的圆形，其还可以为诸如方形、三角形、梯形等其他形状。通入燃烧室机匣10内的助燃气体通过第一孔板40进行整流后，使助燃气体沿火焰筒20的周向分布更加均匀。与现有技术采用助燃气体进入燃烧室机匣后通过旋流器进气口直接流入到火焰筒内的设置方式相比，本发明实施例提供的燃烧室可以使助燃气体更加均匀通过旋流器进气口31通入到火焰筒20内，从而使助燃气体与燃料混合更加均匀，改善火焰筒20内的局部高温或局部低温现象。应当理解的是，上述仅仅示出了设置第一孔板40的一种方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，在燃烧室机匣10及火焰筒20的横截面为矩形时，第一孔板40的形状也为矩形。

另外，第一孔板40上的多个第一通孔41的有效面积之和S1大于或等于旋流器30上的旋流器进气口31的有效面积之和S2。助燃气体在通过第一孔板40上的多个第一通孔41时，由于助燃气体粘性导致的损失和助燃气体保持惯性运动导致流线收缩等原因，助燃气体实际通过第一孔板40上的多个第一通孔41的有效面积之和小于第一孔板40上的多个第一通孔41的几何面积之和。理论上，多个第一通孔41的有效面积之和等于多个第一通孔41的几何面积之后乘于一个大于0且小于1的流量系数。其中，流量系数与流体的种类、进气口的设置位置等因素有关。具体确定流量系数时，可通过实验的方式测得流量系数，也可通过模拟计算的方式确定。基于同样的原因，助燃气体在通过旋流器30通入到火焰筒20内时，助燃气体实际通过旋流器30上的旋流器进气口31处的有效面积与旋流器进气口31的几何面积并不相等，且旋流器进气口31的有效面积小于旋流器进气口31的几何面积。理论上，旋流器进气口31的有效面积等于旋流器进气口31的几何面积乘于一个大于0且小于1的流量系数。第一孔板40上的多个第一通孔41的流量系数可能等于旋流器30的进气口的流量系数，第一孔板40上的多个第一通孔41的流量系数也可能不等于旋流器30的进气口的流量系数。通过采用上述的设置方式，使通过第一孔板40的助燃气体在流经旋流器30的进气口时，流速加快，从而防止助燃气体的逆流。在具体设置第一孔板40的多个第一通孔41的有效面积时，多个第一通孔41的有效面积之和S1与旋流器进气口31的有效面积之和S2满足：S2≤S1≤4S2，以提高第一孔板40的整流效果。

继续参考图1，燃烧室机匣10具有一个用于通入燃料的燃料进口12。具体设置时，参考图1及图2，在第一顶板上与火焰筒进气口21相对的位置开设一个圆形通孔，一个管道结构穿过圆形通孔插入到旋流器进气口31及火焰筒进气口21处，使燃料通过燃料进口12进入到火焰筒20内。在燃料在火焰筒20内燃烧后，燃烧后的产物及能量从燃烧室出口13排出。应当理解的是，燃料进口12的设置方式并不限于图1示出的一种方式，除此之外，还可以采用其他能够将燃料通入到火焰筒20的设置方式。

参考图1，在火焰筒20上还设置有掺混孔22，以便于更多的助燃气体通入火焰筒20内，使燃料燃烧的更充分。掺混孔22的数量可以为4个、6个、8个、16个等至少一个。在设置时，参考图1，掺混孔22的个数为多个，且多个掺混孔22沿火焰筒20的周向均匀分布在第二锥形壳体上。助燃气体在通过至少一个燃烧室进气口11流入到燃烧室机匣10内后，一部分向燃烧室机匣10的上方流动，通过旋流器进气口31流入火焰筒20内；另一部分向燃烧室机匣10的下方流动，通过火焰筒20上的掺混孔22流入到火焰筒20内，使即将排出燃烧室的燃料与助燃气体再次混合，进行燃烧，从而使燃料燃烧的更加充分。应当理解的是，掺混孔22的设置方式并不仅仅限于上述示出的设置方式，除此之外，掺混孔22还可以采用其他的设置方式。

参考图1及图2，在燃烧室机匣10的内壁与火焰筒20的外壁之间还设置有用于整流的第二孔板50，且第二孔板50将掺混孔22与至少一个燃烧室进气口11隔开，使进入到燃烧室机匣10的助燃气体在通过掺混孔22进入到火焰筒20之前，先通过第二孔板50进行整流，从而使助燃气体更加均匀的进入到火焰筒20内。其中，实现整流的原理与第一孔板40的整流原理相同，在此不再赘述。在设置第二孔板50时，参考图1，第二孔板50上设置有多个环绕火焰筒20且用于整流的第二通孔51，助燃气体在流经第二孔板50上的第二通孔51后，使助燃气体更加均匀的通过掺混孔22流入到火焰筒20内。其中，第二通孔51的个数具体可以为6个、8个、12个、24个等至少两个。具体排列多个第二通孔51时，多个第二通孔51可以沿火焰筒20的周向均匀分布，以提高第一孔板40的整流效果。多个第二通孔51也可以沿火焰筒20的周向非均匀分布，例如在距离燃烧室进气口11距离较近的位置，第二通孔51的排布较稀疏，在距离燃烧室进气口11距离较远的位置，第二通孔51的排布较密集等。即只要是能够实现对助燃气体整流的设置方式，都在本发明实施例的保护范围之内。

具体设置时，参考图1及图2，第二孔板50包括夹设在第一圆筒状结构及第二圆筒状结构之间的第二环形板、以及设置在第二环形板上的多个圆形的第二通孔51。应当理解的是，第二通孔51的形状并不限于图1示出的圆形，第二通孔51的形状还可以为诸如矩形、三角形、椭圆形等其他形状。另外，第二孔板50的设置方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。例如，在燃烧室机匣10及火焰筒20的横截面的形状为矩形时，第二孔板50的形状为矩形。

另外，第二孔板50上的多个第二通孔51的有效面积之和S3大于或等于掺混孔22的有效面积之和S4。其中，多个第二通孔51的有效面积之和S3的具体确定方式参考上述对多个第一通孔41的有效面积之和S1的描述，掺混孔22的有效面积之和S4的具体确定方式参考上述对旋流器进气口31的有效面积S2的描述，在此不再赘述。通过采用上述的设置方式，使流过第二孔板50的助燃气体在流经掺混孔22进入到火焰筒20内时，流速加快，从而防止助燃气体的逆流。在具体设置第二孔板50的多个第二通孔51时，多个第二通孔51的有效面积之和S3与掺混孔22的有效面积之和S4满足：S4≤S3≤5S4，以提高第二孔板50的整流效果。

通过采用隔离旋流器进气口31与至少一个燃烧室进气口11的第一孔板40，在助燃气体通过至少一个燃烧室进气口11进入到燃烧室机匣10内，并在流入旋流器进气口31之前，先通过第一孔板40上的多个第一通孔41进行整流，使助燃气体更加均匀的进入到火焰筒20内。与现有技术中采用助燃气体进入燃烧室机匣后通过旋流器进气口直接流入到火焰筒内的设置方式相比，本发明实施例提供的燃烧室可以使助燃气体更加均匀的流入到火焰筒20内，从而改善火焰筒20内的助燃气体与燃料混合的均匀性，改善火焰筒20内的局部高温与局部低温现象。

另外，本发明实施例还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括上述任意一种燃烧室，以改善助燃气体与燃料混合的均匀性，改善火焰筒内的局部高温与局部低温现象。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种燃烧室，其特征在于，包括：

燃烧室机匣，所述燃烧室机匣包括第一圆筒状结构、设置在所述第一圆筒状结构上方的第一顶板、以及设置在所述第一圆筒状结构下方的第一锥形壳体；所述燃烧室机匣具有至少一个燃烧室进气口；所述至少一个燃烧室进气口为所述第一圆筒状结构上开设的开口；所述开口上固定连接有管道结构；所述至少一个燃烧室进气口沿所述燃烧室机匣的周向均匀分布，或者，沿所述燃烧室机匣的周向非均匀分布；

套装在所述燃烧室机匣内的火焰筒，所述火焰筒上设置有旋流器，所述旋流器具有旋流器进气口；

设置在所述燃烧室机匣内且隔离所述至少一个燃烧室进气口及所述旋流器进气口的第一孔板，其中，所述第一孔板设置于所述燃烧室机匣的内壁与所述火焰筒的外壁之间，且所述第一孔板将所述至少一个燃烧室进气口与所述旋流器进气口隔开；所述第一孔板上设置有多个环绕所述火焰筒且用于整流的第一通孔；所述多个第一通孔沿所述火焰筒的周向均匀排列，或者，沿所述火焰筒的周向非均匀分布；所述多个第一通孔的有效面积之和S1与所述旋流器进气口的有效面积之和S2满足：S2≤S1≤4S2。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述火焰筒还具有掺混孔；

所述燃烧室还包括设置在所述燃烧室机匣内且隔离所述至少一个燃烧室进气口及所述掺混孔的第二孔板，其中，所述第二孔板设置于所述燃烧室机匣的内壁与所述火焰筒的外壁之间，且所述第二孔板将掺混孔与所述至少一个燃烧室进气口隔开；所述第二孔板上设置有多个环绕所述火焰筒且用于整流的第二通孔。

3.如权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述多个第二通孔的有效面积之和为S3，所述掺混孔的有效面积之和为S4；其中，S3≥S4。

4.如权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述多个第二通孔的有效面积之和与所述掺混孔的有效面积之和满足：S4≤S3≤5S4。

5.如权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述旋流器进气口的有效面积之和S2与所述掺混孔的有效面积之和S4满足：S2≥S4。

6.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室进气口的个数为一个。

7.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的燃烧室。