專利名稱：一種燃氣輪機波浪形擴壓器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及燃氣輪機壓氣機擴壓器，更具體地涉及用于提升工業(yè)燃氣輪機燃燒室過渡段壁面冷卻效果、減小燃燒室腔內(nèi)氣流損失的擴壓器結(jié)構(gòu)，屬于燃氣輪機燃燒室技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
工業(yè)燃氣輪機中，常用的燃燒室結(jié)構(gòu)為環(huán)管形燃燒室，多個燃燒器圍繞燃氣輪機轉(zhuǎn)子以環(huán)形陣列的方式布置。壓氣機出口的壓縮氣體在火焰筒內(nèi)與燃料混合，點火燃燒后形成高溫燃氣。火焰筒內(nèi)的高溫燃氣隨后進入透平，帶動透平做功，其中部分功用于帶動與之同軸相連的壓氣機，另一部分則驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。燃燒室內(nèi)的高溫燃氣是經(jīng)由過渡段進入透平的。典型的火焰筒出口為圓形，而透平進口為矩形，因此，過渡段的橫截面從進口至出口由圓形光滑過渡至矩形。同時，通?；鹧嫱菜幇霃酱?，而透平半徑小，過渡段還存在明顯的半徑變化。復雜的幾何結(jié)構(gòu)和非常高的燃氣溫度使過渡段內(nèi)的工作條件極其復雜，為防止過渡段因過熱而燒毀，需要對過渡段的表面進行冷卻。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，擴壓器位于壓氣機出口，其作用在于減小壓氣機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。對于先進的工業(yè)燃氣輪機，約有1/2的進入燃燒室環(huán)形腔的氣流用于參與燃燒， 另有1/4氣流則用于稀釋燃氣，調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)溫度分布，以滿足透平進口級效率和壽命的要求，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現(xiàn)過渡段的有效冷卻，現(xiàn)在較為先進的燃氣輪機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制是，擴壓器出口的氣流撞擊在表面布有多個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，從而達到冷卻過渡段的目的。擴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，用于加強冷卻效果。傳統(tǒng)的擴壓器出口徑向高度、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過渡段之間所形成的間隙內(nèi)，使流動在間隙內(nèi)加速，導致沖擊點周圍過度冷卻，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、應力集中的區(qū)域，冷卻不足容易導致壁面出現(xiàn)裂紋。 尤其當壓氣機出口速度較大時，例如大于130m/s時，擴壓器出口氣流速度隨之升高，相鄰過渡段間隙內(nèi)的流動加速更為明顯，甚至導致該區(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，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)流動過度加速而影響冷卻效果，控制擴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口移動，從而減小流經(jīng)相鄰過渡段間隙內(nèi)的氣流流量和速度， 但極容易導致參與過渡段冷卻的用氣量不夠。也有某些擴壓器，出口徑向角度較大，為了兼顧過渡段的冷卻需求，在擴壓器內(nèi)壁面開孔引出一部分氣流至過渡段，然而為使擴壓器內(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)較為復雜。在擴壓器內(nèi)加導流板，形成兩個甚至三個通道，也可以有效地控制氣流沖擊點和沖擊速度，但這需要在擴壓器中增加導流板和相應的支承結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜，也增大了擴壓器的損失，且這種結(jié)構(gòu)在功率等級為150MW以上的大尺寸燃氣輪機上才能達到較好的效果。在已經(jīng)公開的專利文獻CN101839256A中，采用了一種開槽的擴壓器，這種擴壓器可將部分氣流導向過渡段用于冷卻過渡段，而另一部分經(jīng)過擴壓器外壁面的開槽，直接進入導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)流動損失，其缺點在于擴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氣輪機波浪形擴壓器，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)的流動損失。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種燃氣輪機波浪形擴壓器，該擴壓器的上游為軸流式壓氣機，下游為燃燒室腔， 該燃燒室腔內(nèi)包含若干個圍繞燃氣輪機轉(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口之間通過過渡段連接；所述擴壓器的進口端與壓氣機的出口相連，出口端與燃燒室腔相連，擴壓器包括內(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氣輪機轉(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， 在過渡段中心對應的周向位置，半徑達到最小，處于波浪的波谷，在相鄰過渡段所形成間隙的中心對應的周向位置，半徑達到最大，對應波浪的波峰；波浪的周期數(shù)與燃燒器的個數(shù)相同。波浪形型線的幅值從擴壓器的進口至出口線性地增大，出口處幅值A為波長L的 0. 05 0. 4倍，其中波長L為每個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)點及突出性效果本發(fā)明所提供的燃氣輪機波浪形擴壓器，可將來自其上游壓氣機的氣流減速，在擴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，同時降低氣流在燃燒室腔內(nèi)的流動損失。


圖1是現(xiàn)有燃氣輪機燃燒室的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是帶有波浪形擴壓器的燃氣輪機燃燒室結(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-擴壓器；19-內(nèi)壁面；20-外壁面；21-壓氣機；22-透平；23-燃氣輪機轉(zhuǎn)子；28-相鄰過渡段之間窄縫。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和工作過程做進一步的說明。圖2是帶有波浪形擴壓器18的燃氣輪機燃燒室16結(jié)構(gòu)原理示意圖，該擴壓器的上游為軸流式壓氣機21，下游為燃燒室腔17，燃燒室腔17內(nèi)包含若干個圍繞燃氣輪機轉(zhuǎn)子 23以環(huán)形陣列形式布置的燃燒器10 ；波浪形擴壓器18的進口端與壓氣機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進口。過渡段13從進口至出口存在一定的高度差，并且其橫截面從進口至出口由圓形逐漸過渡至矩形。壓氣機21出口的高壓氣流經(jīng)過波浪形擴壓器18減速擴壓后，進入燃燒室腔17內(nèi)，分成兩股，其中一部分氣流直接通過火焰筒11與導流襯套12之間的環(huán)形通道進入燃燒器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，實現(xiàn)對過渡段13壁面的冷卻， 該部分氣流隨后也進入火焰筒11和導流襯套12之間的環(huán)形通道。圖3為波浪形擴壓器的結(jié)構(gòu)示意圖，擴壓器18包括內(nèi)壁面19和外壁面20，內(nèi)壁面19和外壁面20在繞燃氣輪機轉(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到最大，位于波浪的峰值，從而將氣流導向靠近燃燒器10前端處，更易進入火焰筒11和導流襯套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，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最小，處于波浪的波谷，從而將足夠的氣流導向過渡段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。在整個圓周方向，波浪的周期數(shù)與燃燒器10的個數(shù)應相同，波長L為每個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的冷卻需求進行調(diào)節(jié)，并且內(nèi)壁面19和外壁面20的幅值可以進行分別的優(yōu)化。幅值過小時，擴壓器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，將會增大擴壓器18 內(nèi)的流動損失。幅值從擴壓器18進口至出口逐漸增大。通常，擴壓器18出口處幅值A在波長L的0. 05 0. 4倍之間取值。擴壓器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)設計的需要，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?shù)牧髁糠峙?，并不采用。作為一個示例性的實施例，圖3所示擴壓器18壁面沿軸向型線為直線。圖4為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。該實施例中，共有六個燃燒器10圍繞燃氣輪機轉(zhuǎn)子23以環(huán)形陣列形式均勻布置，擴壓器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的個數(shù)相同，擴壓器18的軸向型線采用了最為簡單的直線。從擴壓器18進口至出口，內(nèi)壁面19和外壁面20波浪的幅值線性地增大。擴壓器18出口處波浪的幅值A根據(jù)燃燒室腔17內(nèi)的流動進行優(yōu)化選取，在本實施例中，當內(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，能夠使過渡段 13周圍壓力分布與燃燒室腔17內(nèi)流阻損失達到較好平衡，為最佳幅值取值。圖5為波浪形擴壓器18和燃燒室16的三維側(cè)視圖，示意了波浪形擴壓器、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)明已就目前認為最為實用且優(yōu)選的實施例進行說明，但應知道，本發(fā)明并不限于所公開的實施例，而應覆蓋被包含在權(quán)利要求書所限定的保護范圍之內(nèi)的各種修改和等同配置。
權(quán)利要求
1.一種燃氣輪機波浪形擴壓器，該擴壓器的上游為軸流式壓氣機(21)，下游為燃燒室腔(17)，該燃燒室腔(17)內(nèi)包含若干個圍繞燃氣輪機轉(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 進口之間通過過渡段(1 連接；所述擴壓器(18)的進口端與壓氣機的出口相連，出口端與燃燒室腔(17)相連，擴壓器包括內(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)在繞燃氣輪機轉(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)中心對應的周向位置，半徑達到最小，處于波浪的波谷， 在相鄰過渡段之間窄縫08)的中心對應的周向位置，半徑達到最大，對應波浪的波峰；波浪的周期數(shù)與燃燒器(10)的個數(shù)相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機波浪形擴壓器，其特征在于波浪形型線的幅值從擴壓器(18)的進口至出口線性地增大，出口處幅值A為波長L的0. 05 0. 4倍，其中波長 L為每個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所述的一種燃氣輪機波浪形擴壓器，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所述的一種燃氣輪機波浪形擴壓器，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所述的一種燃氣輪機波浪形擴壓器器，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
一種燃氣輪機波浪形擴壓器，涉及燃氣輪機壓氣機擴壓器的結(jié)構(gòu)設計。該擴壓器包括內(nèi)壁面和外壁面，內(nèi)壁面和外壁面在繞燃氣輪機轉(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的周向位置，半徑達到最小，處于波浪的波谷，在相鄰過渡段之間窄縫的中心對應的周向位置，半徑達到最大，對應波浪的波峰。該波浪形擴壓器將來自其上游壓氣機的氣流減速，在擴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，同時減小氣流在燃燒室腔內(nèi)的流阻損失。
文檔編號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:北京華清燃氣輪機與煤氣化聯(lián)合循環(huán)工程技術(shù)有限公司