一种燃气轮机燃烧室及其设计方法

1.本发明涉及地面燃气轮机燃烧室，尤其是涉及一种燃气轮机燃烧室及其设计方法。

背景技术：

2.近年来，微型动力系统已成为国内外研究热点，世界各国都在这方面投入了大量的研究，微型燃气轮机具有体积小、重量轻、成本低等优点，燃烧室是其重要的组成部分，是燃气轮机的动力来源，与常规尺度燃烧室相比，微型燃烧室有以下特点：燃烧室长度短，燃油的停驻时间短，雾化困难，易造成燃烧不充分；燃烧室体积小，主燃区容积小，给燃烧稳定造成不利影响；较大的表面积和体积比，使得传热损失增加，易造成燃烧室的熄火。目前微型燃烧室主要采用环形直流燃烧室结构形式，继承常规燃烧室的结构组成，主要包括燃烧室机匣、火焰筒、头部组件、燃油喷嘴以及点火装置等。
3.在燃烧室多年的发展中，微型燃烧室为了避免上述燃烧组织问题，大多采用天然气等气体燃料作为其燃烧介质，气体燃料的使用很好的解决了燃烧室燃烧不充分雾化困难的问题，具有其具有燃烧方法简单、点火和停火操作简单等特点，但同时该种燃烧室容热强度较低，无法满足燃气轮机越来越高的功率要求，因此，在继承和借鉴燃气微型燃烧室的经验和技术的基础上，对总体结构和部件技术上不断创新改进使其能满足更高的性能要求是非常必要的。
4.综合而言，为了提高燃气轮机燃烧室出口性能指标，完成燃烧介质从气体燃料向液体燃料的转化，势必要对现有燃烧室结构进行适应性改进。

技术实现要素：

5.本发明是基于燃气燃烧室的基本结构对燃烧组织的重要部位，即燃烧室头部进行改进设计，对目前燃气轮机燃烧室头部供油方式及组织燃烧技术进行改进以达到燃油使用要求并避免燃油雾化效果不好以及停留时间不足等问题，同时提出了燃气轮机燃烧室的设计方法以解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种燃气轮机爱燃烧室及其设计方法，其技术方案如下：
6.应用于燃气轮机燃烧室的火焰筒，包括火焰筒本体、火焰筒头部，其特征为：所述火焰筒本体通过火焰筒外环与火焰筒内环之间形成环形燃烧腔，在环形火焰筒本体周向方向均匀分布着若干个火焰筒头部；每个所述火焰筒头部采用由直孔和斜槽的组合模式设计的旋流器，其中直孔设置在头部中间呈圆形周向均布，所述斜槽设置于火焰筒头部的外侧圆周上。
7.本发明还公开一种燃气轮机燃烧室，包括燃烧室机匣、喷嘴组件、火焰筒，其特征为：所述火焰筒头部相应布置了喷嘴组件，该喷嘴组件通过喷嘴安装座固定在燃烧室机匣上；所述喷嘴安装座通过两个支撑环与机匣完成轴向定位，通过支撑环的位置调节喷嘴头和火焰筒头部的相对位置。
8.本发明还公开一种燃气轮机燃烧室设计方法，包括上述的燃气轮机燃烧室，其特征为：
9.步骤1：依照燃气轮机总体设计需要确定燃烧室具体指标：所述燃烧室在设计状态的进口总压、温度、空气流量以及燃烧室出口温度、出口总压参数；
10.步骤2：依照上述燃烧室确定的参数对燃烧室进行选型：采用多头部直流燃烧室；为降低燃烧室n0x对环境的影响，参与燃烧的空气拟主要由火焰筒头部进气；为保证火焰筒的使用寿命，环形火焰筒拟采用高效的多斜孔冷却方式；
11.步骤3：确定燃烧室机匣、火焰筒设计参数；
12.步骤4：根据燃烧室设计状态进口参数、进出口压力确定燃烧室火焰筒开孔有效面积；
13.步骤5：火焰筒头部冷却参数的确定；
14.步骤6：火焰筒外环冷却参数的确定；
15.步骤7：火焰筒内环冷却参数的确定；
16.步骤8：旋流器参数的确定；
17.步骤9喷嘴头参数确定；
18.步骤10：燃烧室点火方式确定。
19.有益效果：
20.采用航空煤油为燃烧介质，能够进一步提高燃烧室的性能上限，同时对燃烧室头部进行的针对性改进，稳定了燃烧室性能；本发明对以航空煤油为燃烧介质的微型燃气轮机燃烧室的设计流程进行了规范化设计，并依托该设计流程设计出了具有稳定性能的燃烧室结构，能够满足设计需求；对喷嘴组件进行详细设计，能够有效解决更改燃烧介质带来的安装及燃烧室雾化问题。
附图说明
21.图1为燃烧室周向分布示意图；
22.图2为燃烧室结构总图；
23.图3火焰筒头部设计示意图；
24.图4喷嘴组件安装定位示意图；
25.图5喷嘴头及安装座示意图；
26.图6火焰筒头部冷却设计示意图。
27.其中：1喷嘴组件；2火焰筒；21火焰简外环；22火焰筒内环；23 火焰筒头部；3燃烧腔；11喷嘴头；12喷嘴支撑环；13喷嘴座；4 燃烧室机匣；5点火电嘴；231直孔；232斜槽。
具体实施方式
28.本发明提供一种燃气轮机燃烧室，如图1和图2所示，所述燃烧室包括燃烧室机匣4、环形火焰筒2、喷嘴组件1以及点火电嘴5。更具体地，在所示的实施例中，火焰筒2包括在火焰筒外环21和火焰筒内环22，在火焰筒外环21与火焰筒内环22之间形成环形燃烧腔3，环形燃烧腔3通过内外环的约束呈现沿轴线方向收缩的形状；喷嘴组件1通过喷嘴座组件固定在燃烧室机匣4上，其头部通过火焰筒头部进入环形燃烧腔3内，其进入头部的距离可
通过支撑环进行调节；燃油通过喷嘴组件1的雾化进入环形燃烧腔3内与头部进入的空气进行掺混并在主燃区由点火电嘴5点燃进行燃烧反应。
29.应用于燃气轮机燃烧室的火焰筒，包括火焰筒本体、火焰筒头部，其特征为：所述火焰筒本体通过火焰筒本体外环与火焰筒本体内环之间形成环形燃烧腔，在环形火焰筒本体周向均匀分布着若干个火焰筒头部；每个所述火焰筒头部采用直孔和斜槽的组合模式，其中直孔设置在头部中间呈圆形周向均布，斜槽设置在火焰筒头部的外侧圆周上；为了满足燃油燃烧需要的回流区结构和强度，火焰筒头部23采用直孔和斜槽的组合模式，其中直孔231设置在头部中间呈圆形周向均布，分度圆为直径为32mm，数量为12个，每个直径为4mm，通过头部直孔设计提高火焰筒头部位置进气占比；斜槽设置于火焰筒头部23的外侧圆周上，开槽数量20个，槽宽2.7mm，槽深3mm，通过优化选取槽与中心线夹角为55度，在该种设计下，气流通过旋流槽进行加速旋转，火焰筒头部旋转气流速度梯度大，与中心头部进气之间剪切作用强烈，有利于燃料的混合作用，参考图3。
30.本实施例中，燃气轮机燃烧室还包括喷嘴组件1，喷嘴组件1作为燃烧室设计的重要部分，通过和火焰筒头部23的配合来控制头部的油气比进而影响燃油在环形燃烧腔3内的燃烧，燃烧发生震荡燃烧往往与喷嘴组件1以及火焰筒头部23的相对位置有关，本实施例中，通过两个喷嘴支撑环12对喷嘴组件1进行轴向定位，进而对喷嘴组件1和头部的相对位置可调，此定位方式结构简单可靠。
31.如图4和图5所示，喷嘴组件1包括喷嘴头11及通过螺纹连接的喷嘴座13。喷嘴头11设计采用直射式雾化喷嘴用以实现以航空煤油为燃料，根据燃油流量以及雾化要求出口设置直径为0.7mm的小孔，喷雾为空心锥型，雾化均匀；喷嘴座13内部通道为直圆管状，考虑结构装配限制以及尽可能降低燃油速度故将喷嘴座13总长设为 120.4mm，燃油最后通过喷口喷出，喷嘴座进口与燃油总管相连，此种布置保证了使用性能以及喷嘴结构的简单可靠。
32.本发明还公开一种燃气轮机燃烧室及其设计方法，包括如下步骤：
33.步骤一：明确总体需求：依照燃气轮机总体设计需要确定燃烧室具体指标：所述燃烧室在设计状态下的进口总压、温度、空气流量以及燃烧室出口温度、出口总压参数；
34.燃气轮机总体提出需求，燃烧室在设计点进口总压为431.341kpa，温度为477.45k，空气流量为3.136kg/s时，燃烧室出口温度必须达到1203.0k，出口总压不低于414.087kpa，燃料要求为航空煤油。
35.步骤二：确定燃烧室的基本选型。
36.航空煤油作为燃气轮机燃烧室选用的优质燃料，具有高热值，高效率等特点，其用于燃烧室时主要采用采用扩散燃烧的燃烧组织方式，图1、图2为本实例采用的燃烧室基本结构，采用多头部直流燃烧室；为降低燃烧室nox对环境的影响，参与燃烧的空气拟主要由火焰筒头部进气；为保证火焰筒的使用寿命，环形火焰筒拟采用高效的多斜孔冷却方式。
37.步骤三：燃烧室总体方案设计，确定燃烧室机匣、火焰筒设计参数。
38.根据总体要求确定燃烧室机匣外轮廓直径为563mm，内机匣直径为286mm，为保证燃烧室二股通道内流速稳定并未火焰筒提供足够的冷却气流，火焰筒参考横截面积设计为燃烧室参考横截面积的51.8％，则火焰筒的横截面积为95585mm2取火焰筒外径为
490mm，内径为 344mm，外环二股流面积为799172，内环二股流面积为322312。
39.利用chemkin软件对燃油流量进行反复迭代，要求满足燃烧室在进口温度为477.45k，压力为431.341kpa条件下，3.136kg/s空气与燃油燃烧后出口温度达到1203k，得到航空煤油(c12h23)设计流量为63g/s，满足设计要求且nox排放较低。因此，本实例燃烧室设计点油气比为0.02，因为该型燃烧室属于地面微型燃气轮机，重点偏向于低污染和高稳定性，所以保证火焰筒进口端壁和火焰筒内外环有足够冷却用气外，其余空气均从火焰筒头部进入以保证燃烧室主燃区为贫油燃烧。
40.步骤四：总开孔面积设计
41.根据燃烧室进口参数，可算得进口空气密度：
[0042][0043]
式中：为燃烧室进口压力，为燃烧室进口气流温度，r为常数(一般取值287.15)
[0044]
根据燃烧室进出口压力，可知燃烧室总压恢复系数0.96，则火焰筒的射流速度：
[0045][0046]
式中：δp为气流进入火焰筒总压变化值
[0047]
火焰筒开孔有效面积：
[0048][0049]
由于火焰筒出口要与涡轮联接，所以火焰筒出口径向尺寸由总体确定，火焰筒轴向长度必须满足燃气停留时间，即不小于12ms，所以火焰筒长度确定为150mm，内火焰筒外环的基本构型确定，如图2 中21和22；根据初步设计的火焰筒轮廓，火焰筒头部端壁需冷却面积约68942.2mm2，火焰筒外环需冷却面积约156891.1mm2，火焰筒内环需冷却面积约122804.9mm2。
[0050]
步骤五：火焰筒头部冷却参数的确定：
[0051]
头部空气冷却的gc按照0.5kg/(s
·
m2
·
bar)设计，采用直孔冷却。根据公式(2-4)，在设计点时火焰筒头部端壁的冷却空气量为 0.149kg/s。此时头部冷却开孔有效面积为451.1mm2，取孔流量系数为0.8，几何面积为563.9mm2，开孔孔径取2mm，经计算头部冷却需开孔179.5个，选取开孔180个。
[0052][0053]
式中：gc为设计参数，取值o.5kg/(s
·
m2
·
bar)，a为火焰筒头部端壁开孔面积
[0054]
在头部端壁沿径向分为5排孔布置，第1排60个孔，第2排20 个孔，第3排20个孔，第四排20个孔，第五排60个孔，分布如图 6所示，此时开孔总有效面积为452.4mm2。
[0055]
步骤六：火焰筒外环21冷却参数设计
[0056]
火焰筒外环21冷却的gc按照0.8kg/(s
·
m2
·
bar)设计，除靠近火焰筒头部一排为垂直火焰筒壁面布置的直孔外，其余四排采用与壁面夹角30度的斜孔。
[0057]
根据公式(2-4)，在设计点时火焰筒外环21的冷却空气量为 0.541kg/s；此时火焰筒外环21冷却开孔有效面积为1642.6mm2，取孔流量系数为0.6，几何面积为2737.7mm2，开孔孔径取2mm，经计算需开孔871.5个，选取开孔900个；每排180个孔，分5排布置；火焰筒外环21冷却孔开孔如图2所示。此时开孔总有效面积为 2261.9mm2。
[0058]
步骤七：火焰筒内环22冷却参数设计
[0059]
火焰筒内环22冷却的gc按照0.8kg/(s
·
m2
·
bar)设计，除靠近火焰筒头部一排为垂直火焰筒壁面布置的直孔外，其余四排采用与壁面夹角30度的斜孔。根据公式(2-4)，在设计点时火焰筒内环22 的冷却空气量为0.379kg/s；此时火焰筒内环22冷却开孔有效面积为1149.9mm2，取孔流量系数为0.6，几何面积为1916.6mm2，开孔孔径取2mm，经计算需开孔610.1个，选取开孔600个；每排120个孔，分5排布置。火焰筒内环22冷却孔开孔如图2-3所示。此时开孔总有效面积为1508.0mm2；
[0060]
步骤八：旋流器参数设计
[0061]
旋流器是燃烧室稳定燃烧最重要的保障，该燃烧室头部采用直孔加斜槽的组合方式来中心回流区稳定火焰。火焰筒总开孔面积为 9515mm2，则头部旋流器的开孔面积为 9515-452.4-2261.9-1508＝5292.7mm2，根据火焰筒头部中心线长度与头部高度，确定头部数量，经计算头部最多可布置22个，考虑到火焰筒内各头部联焰要求和经济性确定选取火焰筒头部数量为20个，单个头部开孔有效面积为264.6mm2。
[0062]
火焰筒头部采用直孔孔和斜槽的组合模式：设置直孔数量为12个，每个直径为4mm，孔中心与中心线夹角为30度，取流量系数0.8，有效面积为120.6mm2；设置斜槽数量20个，槽宽2.7mm，槽深3mm，槽与中心线夹角-55度，取流量系数0.75，有效面积为145.8mm2。火焰筒头部如图3所示。
[0063]
本实例根据上述设计，燃烧室主燃区当量比约为0.52，火焰筒流量分配如下表1所示，流量分配的基本原则是满足燃烧室主燃区内当量比需求以及为火焰筒壁面提供足够的冷却气量，并保证出口温度场分布，因此头部气量占比大用于维持燃烧，燃烧室后端收缩结构使得高温区会向外环壁面靠近，因此外环冷却气量要略高于内环，以保证火焰筒壁面不被高温燃气烧蚀而产生裂纹甚至掉块。
[0064]
表1火焰筒流量分配
[0065]
序号项目流量分配1火焰筒头部55.8％2头部端壁冷却4.7％3火焰筒外环冷却23.7％5火焰筒内环冷却15.8％总量 100％
[0066]
步骤九：喷嘴头参数设计。
[0067]
采用单油路的压力雾化喷嘴，根据需求可直接选取成品燃油喷嘴，设计流量为3g/s，喷雾锥角在110～130度之间，smd不大于12微米。
[0068]
步骤十：确定燃烧室的点火方式。
[0069]
采用电火花打火器，可直接选取配套系统，主要包括高压电缆、点火器以及电嘴，点火器储能12j，输入电压ac220v，输入功率2.2kw，火花频率10sps，输出电压2500v。
[0070]
本发明针对现有技术进行改进，改变微型燃气轮机燃烧室燃烧反应物质，将燃气燃烧室改为燃油燃烧室，因此，对燃烧室关键部位即火焰筒头部进行适应性改进，这主要是由于航空煤油作为液态燃料，其进入燃烧室燃烧存在雾化、蒸发、掺混、点燃以及燃烧的过程，相比气态燃料，在点燃前的雾化、蒸发以及掺混需要时间和空间，且航空煤油稳定燃烧需要更强的回流区。基于以上的技术需求，将通过增加火焰筒头部旋流槽角度来实现回流区旋流强度的增加，同时旋转气流与中心直孔进气之间的强剪切作用可以促进燃油的雾化、蒸发和掺混，避免燃烧室为达到满足燃烧需要的停留时间而增加轴向长度
[0071]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：

1.应用于燃气轮机燃烧室的火焰筒，包括火焰筒本体、火焰筒头部，其特征为：所述火焰筒本体通过火焰筒本体外环与火焰筒本体内环之间形成环形燃烧腔，在环形火焰筒头部周向均匀分布着若干个火焰筒头部；每个所述火焰筒头部采用直孔和斜槽的组合模式，其中直孔设置在头部中间呈圆形周向均布，斜槽设置在火焰筒头部的外侧圆周上。2.根据权利要求1所述的火焰筒，其特征在于：所述火焰筒头部共计20个，每一个头部均采用直孔加斜槽的结构，直孔共12个，其直径4mm，沿直径为32mm的圆周均布，斜槽均布于火焰筒头部圆周上，开槽数量20个，槽宽2.7mm，槽深3mm。3.根据权利要求1所述的火焰筒，其特征为：所述斜槽与中心线夹角为55度。4.一种燃气轮机燃烧室，包括喷嘴匣、组件燃烧室机以及权利要求1-3任一所述的火焰筒，其特征为：所述火焰筒头部相应布置了喷嘴组件，该喷嘴组件通过喷嘴座固定在燃烧室机匣上；所述喷嘴座通过两个支撑环与机匣完成轴向定位，通过支撑环的位置调节喷嘴头和火焰筒头部的相对位置。5.根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于：所述喷嘴组件包括喷嘴头及通过螺纹连接的喷嘴座；喷嘴头采用直射式雾化喷嘴用以实现以航空煤油为燃料，根据燃油流量以及雾化要求出口设置直径为0.7mm的小孔，喷雾为空心锥型，雾化均匀；喷嘴座内部通道为直圆管状，喷嘴座进口与燃油总管相连。6.根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于：所述燃烧室采用航空煤油为燃烧介质。7.一种燃气轮机燃烧室设计方法，包括权利要求4-5任一所述的燃气轮机燃烧室，其特征为：步骤1：依照燃气轮机总体设计需要确定燃烧室具体指标：所述燃烧室在设计状态下的进口总压、温度、空气流量以及燃烧室出口温度、出口总压参数；步骤2：依照上述燃烧室确定的参数对燃烧室进行选型：采用多头部直流燃烧室；为降低燃烧室nox对环境的影响，参与燃烧的空气拟主要由火焰筒头部进气；为保证火焰筒的使用寿命，环形火焰筒拟采用高效的多斜孔冷却方式；步骤3：确定燃烧室机匣、火焰筒设计参数；步骤4：根据燃烧室设计状态进口参数、进出口压力确定燃烧室火焰筒开孔有效面积；步骤5：火焰筒头部冷却参数的确定；步骤6：火焰筒外环冷却参数的确定；步骤7：火焰筒内环冷却参数的确定；步骤8：旋流器参数的确定；步骤9喷嘴头参数确定；步骤10：燃烧室点火方式确定。8.根据权利要求7所述的燃气轮机燃烧室设计方法，其特征为：所述燃烧室火焰筒开孔有效面积方法包括如下内容：根据燃烧室进口参数，算得进口空气密度：
式中：为燃烧室进口压力，为燃烧室进口气流温度，r为常数，一般取值287.15；根据燃烧室进出口压力，可知燃烧室总压恢复系数δ，则火焰筒的射流速度：式中：
△
p为气流进入火焰筒总压变化值，火焰筒开孔有效面积：式中：q为燃烧室进口气流质量流量，a为火焰筒开孔面积，cd为开孔流量系数。9.根据权利要求7所述的燃烧室设计方法，其特征在于：所述步骤5进一步包括：头部空气冷却采用直孔冷却，则火焰筒头部端壁的开孔与头部冷却空气流量的关系如下：式中：gc为设计参数，取值0.5kg/(s
·
m2
·
bar)，a为火焰筒头部端壁开孔面积；通过上式确定在设计点时火焰筒头部端壁的冷却空气量、头部冷却开孔面积。10.根据权利要求7所述的燃烧室设计方法，其特征在于：所述火焰筒内、外环采用冲击冷却方式；在设计点时火焰筒头部冷却气量为0.149kg/s，火焰筒外环冷却气量为0.541kg/s，火焰筒内环冷却气量为0.379kg/s。11.根据权利要求7所述的燃烧室设计方法，其特征在于：所述燃烧室流量分配如下，火焰筒头部气量高占比为55.8％，头部端壁冷却占比4.7％，火焰筒外环冷却占比23.7％，火焰筒内环冷却占比15.8％。12.根据权利要求7所述的燃烧室设计方法，其特征在于：火焰筒头部采用直孔加斜槽组合旋流方式，开孔面积共为5292.7mm2，选取头部数量为20，单头部有效开孔面积264.6mm2。

技术总结

一种燃气轮机燃烧室及其设计方法，包括燃烧室机匣、环形火焰筒、火焰筒头部、喷嘴组件、喷嘴安装座及其设计方法，火焰筒头部沿周向方向均布，并相应布置了喷嘴组件通过喷嘴安装座固定在燃烧室机匣上。通过火焰筒头部以及喷嘴组件的设计，得到了较强的回流区、良好的燃油雾化蒸发以及油气掺混燃烧，相比目前的燃气轮机燃烧室，容热强度高，可提高燃气轮机工作负荷，其次直孔和斜槽配合的旋流器在保证燃烧稳定性的同时强化了燃气掺混，有效降低了污染排放。燃烧室设计方法，基于火焰筒的射流速度确定总开孔面积，在保证燃烧室冷却需求的基础上挖掘头部大进气量的燃烧潜能，该方法能够快速有效的设计出可承受高热负荷的地面微型燃气轮机燃烧室。轮机燃烧室。