本發(fā)明屬于地面燃氣輪機領(lǐng)域，具體涉及一種軸向進氣的地面燃氣輪機單管燃燒室。

背景技術(shù)：

近十年來，地面燃氣輪機的使用價值以及應(yīng)用前景已經(jīng)被國內(nèi)外的學(xué)者充分證明。并且隨著能源消耗的日益增加，分布式電源也逐漸得到了重視。分布式供電有不需要遠距離輸配電設(shè)備，能夠就近利用能源，按照用戶要求方便實現(xiàn)熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn)并且具備能夠滿足特殊應(yīng)用環(huán)境的動力和用電需求的優(yōu)點。地面燃氣輪機是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿淖顬榭焖?、穩(wěn)定和方便的具有高功率密度的能量轉(zhuǎn)換裝置之一。地面燃氣輪機所使用的燃料可以是氣體燃料或者液體燃料，其中氣體燃料以天然氣為多，液體燃料包括柴油和重油等。地面燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用受到航空燃機技術(shù)和理論的發(fā)展、地面燃機自身技術(shù)的發(fā)展、相關(guān)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展以及市場需求的激勵。

目前國內(nèi)對地面燃氣輪機燃燒室的研究，主要參考國外較為成熟的技術(shù)，其中所使用的燃料多數(shù)為氣體燃料。氣體燃料不同于液體和固體燃料，燃燒過程包含三個階段：（1）燃料與空氣混合、（2）混合氣體加熱著火、（3）完成燃燒化學(xué)反應(yīng)。燃氣輪機燃燒室大多采用擴散式燃燒，混合后的可燃氣體是靠外部點火源點燃，為了防止脫火、熄火，除了應(yīng)是氣體的噴出速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣认噙m應(yīng)外，還應(yīng)該采取措施構(gòu)成強有力的點火源，靠自身產(chǎn)生的熱量實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的燃燒。為了提高地面燃氣輪機的整體性能，其燃燒室一般采用高溫合金材料，采用多級旋流的方式形成回流區(qū)穩(wěn)定火焰，結(jié)合主燃孔和摻混孔形成較為均勻的出口溫度場，采用合理的冷卻方式冷卻火焰筒壁面，從而保證火焰筒的壽命。對于地面燃氣輪機，大多采用回流環(huán)形和折流形式的燃燒室，尺寸相對于航空燃氣輪機燃燒室來講較長，具有對壓氣機出口流場不敏感和出口溫度較為均勻等優(yōu)點，且不用過分考慮燃燒室的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和重量。但是回流式燃燒室存在著火焰筒冷卻面積大、轉(zhuǎn)彎附加壓力損失和不對稱流動等缺點。尤其以天然氣為燃料的地面燃氣輪機，由于不同地區(qū)的天然氣的甲烷等含量不盡相同，這就導(dǎo)致了燃料的熱值等參數(shù)有一定的變化，這就要求其燃燒室應(yīng)該具有一定寬度的燃料熱值適應(yīng)性。在地面燃氣輪機燃燒室的設(shè)計過程中應(yīng)該充分考慮上述特點進行設(shè)計，發(fā)揮其長處，克服其短處。因此，設(shè)計一種能夠提高燃燒室整體的使用壽命，同時實現(xiàn)天然氣與空氣氣流之間的快速均勻摻混，并且火焰筒頭部形成穩(wěn)定的回流區(qū)，有利于燃燒室火焰穩(wěn)定的燃燒室一直是本領(lǐng)域技術(shù)人員待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出了一種軸向進氣的地面燃氣輪機單管燃燒室，能夠有利于燃料和空氣的快速均勻混合，并且火焰筒頭部利用旋流器形成穩(wěn)定的回流區(qū)，有利于燃燒室火焰穩(wěn)定并且提高了燃燒室整體的使用壽命。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種軸向進氣的地面燃氣輪機單管燃燒室，包括燃燒室進氣管道，機匣，燃燒室出口段，其特征在于，所述的機匣上端連接有燃燒室進氣管道，所述的機匣下端連接有燃燒室出口段，所述的燃燒室出口段上安裝有火焰筒；所述的火焰筒通過天然氣進口管道與燃燒室進氣管道連接；所述的火焰筒頭部頂端安裝有天然氣燒嘴，以及套在天然氣燒嘴上的一級旋流器組件、二級旋流器組件，并且存在空隙；當(dāng)火焰筒受熱膨脹時，天然氣燒嘴固定不動，火焰筒可以向上移動一定的軸向距離，從而消除燃燒室火焰筒的熱應(yīng)力；所述的天然氣燒嘴上設(shè)置多個天然氣噴孔；所述的火焰筒中段上側(cè)安裝有主燃孔，主燃孔的上端設(shè)置有點火器安裝組件；所述的火焰筒中段下側(cè)安裝有摻混孔；通過天然氣燒嘴與旋流器組件的設(shè)置，可以實現(xiàn)天然氣與頭部旋流器旋轉(zhuǎn)氣流之間的快速均勻摻混，有利于頭部燃燒的組織；主燃孔的設(shè)計可以對頭部回流區(qū)進行有效截斷，并補充頭部氧氣參與燃燒，使得噴嘴噴出的天然氣完全燃燒；摻混孔的設(shè)置可以使得空氣與主流高溫燃氣均勻混合，并形成滿足渦輪進口的溫度場，降低燃燒室出口高溫?zé)狳c，從而提高渦輪壽命；在火焰筒上沿圓周設(shè)計多個摻混孔，從而調(diào)節(jié)燃燒室出口溫度分布；一級旋流器組件、二級旋流器組件流出的空氣開始迅速向外高速旋轉(zhuǎn)擴張，從而造成火焰筒中心部位壓力降低，導(dǎo)致后面氣流逆流來補充，從而在燃燒室頭部形成穩(wěn)定的回流區(qū)，為形成穩(wěn)定的點火源提供了氣動條件。

進一步，所述的噴孔與軸向具有一定的夾角；所述的天然氣燒嘴上天然氣噴孔的孔徑為0.3～3.5mm；數(shù)量為6～20；所述的燒嘴上的天然氣噴孔噴射的角度為30°～150°。

進一步，所述的燃燒室進氣管道通過燃燒室進口法蘭以及燃燒室進氣段法蘭與機匣連接；所述的燃燒室出口段通過渦輪進口法蘭以及燃燒室出口法蘭與機匣連接。

進一步，所述的點火器安裝組件在火焰筒外壁上可以移動；考慮到火焰筒受熱膨脹和部件加工及安裝誤差，在火焰筒外壁設(shè)計的有點火器安裝組件，點火器安裝組件可以沿圓周360°方向均有一定的移動空間，從而方便點火器安裝以及燃燒后的受熱自由膨脹。

進一步，所述的火焰筒頭部表面安裝有火焰筒頭部氣膜冷卻小孔，火焰筒中段表面安裝有火焰筒中段氣膜冷卻小孔，火焰筒尾部表面安裝有火焰筒收縮段氣膜冷卻小孔；在火焰筒壁面上設(shè)計了全覆蓋氣膜冷卻小孔可以提高火焰筒壽命。

進一步，所述的與火焰筒頭部與天然氣進口管道通過一定的間隙進行配合；所述的天然氣進口管道與燃燒室進氣管道通過焊接連接或者法蘭連接；保證密封，防止燃燒室進氣管道中的高壓空氣漏出。

進一步，所述的燃燒室出口段與火焰筒尾部的連接處依次設(shè)有火焰筒支撐板以及渦輪支撐板；整個燃燒室設(shè)計為豎直放置在渦輪進口支撐板上，通過火焰筒支撐板來固定火焰筒，其中尾部的火焰筒支撐板是主要的受力部件，整個火焰筒的重力由火焰筒支撐板傳遞給渦輪支撐板來承受；火焰筒頭部與天然氣燒嘴之間由一定的間隙進行固定，從而保證火焰筒受熱后自由向上膨脹。

本發(fā)明還公開了一種軸向進氣的地面燃氣輪機單管燃燒室，所述的一級旋流器組件、二級旋流器組件為雙軸向旋流器組合、雙徑向旋流器組合或斜切徑向旋流器組合。

進一步，所述的一級旋流器和二級旋流器還可以合并為單級軸向旋流器。

進一步，所述的單管燃燒室的一級旋流器組件、二級旋流器組件上分別安裝有一級旋流器葉片、二級旋流器葉片；所述的一級旋流器葉片、二級旋流器葉片為直葉片式或者螺旋式，安裝角度為20°～80°，葉片數(shù)目為6～30。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于：

（1）通過旋流器、主燃孔和摻混孔結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使得頭部兩股旋轉(zhuǎn)氣流進入火焰筒后形成剪切層，有利于燃料和空氣的快速均勻混合，并且火焰筒頭部形成穩(wěn)定的回流區(qū)，有利于燃燒室火焰穩(wěn)定；

（2）通過設(shè)計天然氣燒嘴結(jié)構(gòu)和天然氣噴孔數(shù)量、角度，從而實現(xiàn)天然氣與頭部旋流器旋轉(zhuǎn)氣流之間的快速均勻摻混，有利于頭部燃燒的組織；

（3）合理設(shè)計主燃孔和摻混孔的大小和數(shù)量。通過改變主燃孔的大小來調(diào)節(jié)射流深度，截斷燃燒中心回流區(qū)，縮短燃燒長度。通過改變摻混孔大小來調(diào)節(jié)射流深度，并與主流高溫燃氣均勻混合，形成滿足渦輪進口的溫度場，降低燃燒室出口高溫?zé)狳c，從而提高渦輪壽命

（4）通過豎直放置燃燒室的設(shè)計，具備了合理的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力受力機構(gòu)，保證火焰筒的承力和受熱的自由膨脹，因此整個火焰筒的重力通過火焰筒尾部焊接的支撐板來承受；而整體火焰筒的受熱膨脹，向上伸縮，通過在頭部燒嘴與旋流器組件之間的自由移動來實現(xiàn)受熱自由膨脹。

（5）火焰筒壁面設(shè)計有全覆蓋冷卻小孔，在火焰筒的內(nèi)壁面附近形成空氣薄膜，冷卻火焰筒壁面，降低火焰筒壁面溫度和溫度梯度，從而提高燃燒室整體的使用壽命。

（6）通過一級軸向旋流器和二級軸向旋流器設(shè)計成兩級軸向旋流器，氣流旋向相反，可以形成較強的氣流剪切層，有利于燃料與空氣的快速混合，使得氣態(tài)燃料和空氣的快速均勻混合，混合可燃氣體經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)后在火焰筒的頭部形成穩(wěn)定的回流區(qū)，起到了穩(wěn)定火焰的作用，通過點火器點燃可燃氣體進行穩(wěn)定燃燒；或者進行合并為單級軸向旋流器，保證頭部回流區(qū)結(jié)構(gòu)以及與天然氣的摻混不變條件下，實現(xiàn)單管燃燒室頭部結(jié)構(gòu)簡單，從而降低加工成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種軸向進氣的地面燃氣輪機單管燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一種軸向進氣的地面燃氣輪機單管燃燒室的地面燃氣輪機燃燒室旋流器結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-燃燒室進氣管道，2-天然氣進氣管道，3-一級旋流器組件，4-二級旋流器組件，5-天然氣燒嘴，6-點火器安裝孔組件，7-主燃孔，8-火焰筒，9-摻混孔，10-火焰筒支撐板，11-渦輪進口支撐板，12-燃燒室出口段，13-渦輪進口法蘭，14-燃燒室出口法蘭，15-火焰筒收縮段氣膜冷卻小孔，16-機匣，17-火焰筒中段氣膜冷卻小孔，18-火焰筒頭部氣膜冷卻小孔，19-燃燒室進口法蘭，20-燃燒室進氣段法蘭，21-一級旋流器葉片，22-二級旋流器葉片，23-天然氣噴孔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種軸向進氣的地面燃氣輪機單管燃燒室包括燃燒室進氣管道1，機匣16，燃燒室出口段12所述的機匣16上端連接有燃燒室進氣管道1，所述的機匣16下端連接有燃燒室出口段12，三者所圍成的中空端安裝有火焰筒8，所述的火焰筒8安裝在燃燒室出口段12上端；所述的火焰筒8通過天然氣進口管道2與燃燒室進氣管道1進行固定；所述的火焰筒8頭部頂端安裝有天然氣燒嘴5；天然氣進口管道2的一端與天然氣燒嘴5相連接；一級旋流器組件3、二級旋流器組件4 套在天然氣燒嘴5上，并且存在空隙；所述的天然氣燒嘴5上設(shè)置多個天然氣噴孔23，天然氣噴孔與軸向進氣氣流具有一定的夾角，天然氣噴孔23的孔徑在0.3～3.5mm之間、數(shù)量在6～20個之間以及噴射的角度在30°～150°之間，甚至是噴嘴的結(jié)構(gòu)形式都可以根據(jù)所需的工作狀態(tài)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而達到噴射的燃料盡快與空氣混合均勻?；鹧嫱?中段上側(cè)安裝有主燃孔7，主燃孔7的上端設(shè)置有點火器安裝組件6；火焰筒8中段下側(cè)安裝有摻混孔9；火焰筒8頭部表面安裝有火焰筒頭部氣膜冷卻小孔18，火焰筒8中段表面安裝有火焰筒中段氣膜冷卻小孔17，火焰筒8尾部表面安裝有火焰筒收縮段氣膜冷卻小孔15。

來自離心壓氣機的高壓氣體經(jīng)過蝸殼收集后，從軸向燃燒室進氣管道1進入單管燃燒室后，分為4部分流路進入燃燒室火焰筒，分別是流經(jīng)一級旋流器組件3、二級旋流器組件4、火焰筒上的主燃孔7、摻混孔9以及火焰筒壁面上的全覆蓋氣膜冷卻小孔，即火焰筒收縮段氣膜冷卻小孔15、中段表面安裝有火焰筒中段氣膜冷卻小孔17以及火焰筒頭部氣膜冷卻小孔18進入火焰筒。燃燒室進氣管道1通過燃燒室進口法蘭19以及燃燒室進氣段法蘭20與機匣16連接；燃燒室出口段12通過渦輪進口法蘭13以及燃燒室出口法蘭14與機匣16連接，可以保證密封，防止漏氣；頭部的天然氣進口管道2設(shè)有螺紋，方便與天然氣管道連接，可以保證密封，防止漏氣，且天然氣進口管道2與燃燒室進氣管道1焊接連接或者通過法蘭連接，保證密封，防止燃燒室進氣管道中的高壓空氣漏出；由于整個燃氣輪機總體設(shè)計要求，整個燃燒室設(shè)計為豎直放置在渦輪進口支撐板11上，因此需要考慮其機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的承力件設(shè)計，主要由頭部的一級旋流器組件3、二級旋流器組件4與天然氣燒嘴5的連接，以及火焰筒8尾部的火焰筒支撐板10來固定，其中尾部的火焰筒支撐板10是主要的受力部件，整個火焰筒的重力由火焰筒支撐板傳遞給渦輪支撐板11來承受；保證火焰筒的承力和受熱的自由膨脹；整個火焰筒的重力通過火焰筒尾部焊接的支撐板來承受；而整體火焰筒的受熱膨脹，通過在頭部設(shè)計的燒嘴與旋流器組件之間的軸向自由移動來保證其自由膨脹。

一級旋流器組件3、二級旋流器組件4套在天然氣燒嘴5上并且有一定的空隙空間，當(dāng)火焰筒受熱膨脹時，天然氣燒嘴5固定不動，火焰筒8可以向上移動一定的軸向距離，從而消除燃燒室火焰筒的熱應(yīng)力?？紤]到火焰筒受熱膨脹和部件加工及安裝誤差，在火焰筒中部的前段設(shè)計有點火器安裝組件6，點火器安裝組件6可以在火焰筒8外壁上可以移動，并且在圓周360°方向均有一定的移動空間，從而方便點火器安裝。

10%～40％左右的空氣從一級旋流器組件3、二級旋流器組件4進去，與燒嘴噴出的天然氣進行充分混合，在兩級旋流氣流作用下形成穩(wěn)定的回流區(qū)，經(jīng)壁面上點火器點燃后，形成穩(wěn)定的燃燒火焰；10%～40％左右的空氣從主燃孔進入主流區(qū)，通過主燃孔的射流來截斷頭部高溫回流區(qū)，從而控制回流區(qū)長度，并補充新鮮空氣，使燒嘴噴出的天然氣完全燃燒；10%～40%左右的空氣從摻混孔進入，調(diào)節(jié)出口溫度分布，使其溫度場滿足渦輪設(shè)計要求，從而提高渦輪的壽命；從火焰筒上的全覆蓋氣膜冷卻小孔進入的空氣，在火焰筒內(nèi)壁面上形成全覆蓋氣膜，從而提高火焰筒壽命。

如圖2所示，燃燒室頭部的主要結(jié)構(gòu)為兩級旋流器結(jié)構(gòu)，包括一級旋流器組件3和二級旋流器組件4，一級旋流器組件3和二級旋流器組件4可以為雙軸向旋流器組合、雙徑向旋流器組合或斜切徑向旋流器組合。將一級旋流器組件3主要設(shè)計成軸向旋流器，二級旋流器組件4設(shè)計成軸向旋流器，其葉片為螺旋形葉片或直葉片，并且兩級旋流器的進氣旋向相反或相同，兩級旋流器進氣形成剪切層，保證天然氣與空氣快速均勻的混合。從一級旋流器組件3、二級旋流器組件4流出的空氣開始迅速向外高速旋轉(zhuǎn)擴張，從而造成火焰筒中心部位壓力降低，導(dǎo)致后面氣流逆流來補充，從而在燃燒室頭部形成穩(wěn)定的回流區(qū)，為形成穩(wěn)定的點火源提供了氣動條件；混氣在燃燒室頭部經(jīng)點火器組件6點燃后迅速燃燒，釋放熱量，氣流加速，從燃燒室火焰筒出口段12高速噴出，推動燃燒室后的渦輪做功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。

一級旋流器組件3可以通過整體鑄造或機械加工方式進行加工，二級旋流器組件4可以通過整體機械加工、整體鑄造或焊接等方式進行加工，旋流器葉片等部件可以通過焊接方式與旋流器內(nèi)外壁面進行連接，兩級旋流器之間通過焊接連接；一級旋流器組件3、二級旋流器組件4與燃燒室火焰筒8通過焊接相連接；火焰筒壁面上火焰筒收縮段氣膜冷卻小孔15、中段表面安裝有火焰筒中段氣膜冷卻小孔17以及火焰筒頭部氣膜冷卻小孔18可以通過激光打孔或機械打孔技術(shù)進行加工，主燃孔7和摻混孔9比較大的孔可以通過機械加工的方式進行加工；通過設(shè)計合理的主燃孔和摻混孔的大小和數(shù)量，從而組織合理的主燃孔射流深度和進氣量，主燃孔射流能夠截斷回流區(qū)，使燃燒化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在回流區(qū)內(nèi)。組織好合理的摻混孔射流深度和氣量，形成滿足渦輪進口要求的溫度場，從而降低高溫?zé)狳c?；鹧嫱仓伟?0通過焊接方式與火焰筒出口段12連接，使得火焰筒整體承重通過支撐板10坐在渦輪進口支撐板11上。

一級旋流器3為軸向旋流器，旋流角度在20°～80°之間、葉片數(shù)量在6～30個之間，這些設(shè)置均可以做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，氣流旋向沿氣流方向可為順時針或者逆時針；二級旋流器4也設(shè)計為軸向葉片式旋流器，葉片安裝角度在20°～80°之間和葉片數(shù)目在6～30個之間均可以做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。一級旋流器組件3、二級旋流器組件4的氣流旋向相反，可以形成較強的氣流剪切層，有利于燃料與空氣的快速混合，并且兩級旋流器葉片可以為直葉片式或螺旋葉片式；火焰筒8上面的火焰筒壁面上火焰筒收縮段氣膜冷卻小孔15、中段表面安裝有火焰筒中段氣膜冷卻小孔17以及火焰筒頭部氣膜冷卻小孔18與來流壁面之間的夾角在15°～45°之間、復(fù)合角在30°～60°之間，這些設(shè)置根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而達到最佳冷卻效果。

在保證兩級旋流器流通面積不變條件下，工程上也可以把一級旋流器3和二級旋流器4合并為單級軸向旋流器，通過設(shè)計單級旋流器的旋流數(shù)，并與天然氣燒嘴進行匹配，保證燃燒室頭部形成穩(wěn)定的燃燒流場，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，并降低其加工成本。

燃燒室頭部的空氣量，其中包括一級旋流器3、二級旋流器4進氣量和火焰筒頭部冷卻孔18的冷卻空氣量占到進口總空氣量的12%～40%左右，燃燒室頭部總體為偏富油燃燒，從而保證有較好的燃燒穩(wěn)定性。