一种基于爆震燃烧的燃气轮机环管型燃烧室

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室技术领域，具体涉及一种基于爆震燃烧的燃气轮机环管型燃烧室。

背景技术

燃气轮机广泛应用于航空发动机、船舶动力、发电和石油开采等领域，在现代工业体系中占有非常重要的地位，也是衡量国家工业发展水平的重要标志。压气机、燃烧室和涡轮是燃气轮机的三大基本部件，其中燃烧室通常采用基于等压循环的缓燃燃烧方式，技术成熟度高，进一步提高热循环效率非常困难。根据燃烧的剧烈程度区分，自然界中存在另一种燃烧方式——爆震燃烧，其传播特点是在燃烧区之前存在一道激波结构，激波和燃烧区耦合在一起传播。由于激波对未燃气体的压缩作用，爆震燃烧的压力更高，因此爆震燃烧是一种具有自增压特点的燃烧方式。因此，爆震燃烧具有熵增低和热释放速率快的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于爆震燃烧的燃气轮机环管型燃烧室，拟替代常规基于等压燃烧方式的燃气轮机燃烧室，以提高燃气轮机热循环效率，减小燃烧室体积和重量，提高其作为动力装置的灵活性。本发明可以应用于航空发动机、工业燃气轮机和舰船燃气轮机等领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于爆震燃烧的燃气轮机环管型燃烧室，包括燃烧室进气腔、燃料供给腔、旋流器、旋转爆震燃烧腔、已燃气体排气腔和环管型燃烧室环形通道；

所述的空气供给腔位于燃烧室头部，为空心圆柱形通道，外侧为圆环形结构的空气供给腔外环；其左侧为安装法兰，通过安装法兰上预留的螺栓安装孔与压气机出口进行连接，右侧与旋转爆震燃烧腔连接；

所述的燃料供给腔位于空气供给腔的中心，为圆锥形通道，外侧为薄壁圆锥形结构的燃料供给腔壁面，燃料供给腔的出口为圆孔结构的燃料供给孔，圆孔的中心轴线方向与燃烧室径向方向相同；燃料供给孔的出口为圆管形结构的燃料供给管路，靠近燃料供给孔的一端，燃料供给管路的轴线方向与燃烧室径向相同，燃料供给管路的另一端与旋流器连接，其轴线方向与燃烧室轴向相同；

所述的旋流器位于空气供给腔与旋转爆震燃烧腔之间，安装在位于旋转爆震燃烧腔头部的旋流器安装孔中，其入口一端与燃料供给管路连接，出口一端为旋转爆震燃烧腔，其由旋流器燃料腔、旋流器燃料腔壁面、旋流器燃料供给孔和旋流器叶片组成，旋流器的轴线方向与燃烧室轴向相同；

所述的旋转爆震燃烧腔是由旋转爆震燃烧室外环和内柱组成的环腔形通道，其轴线方向与燃烧室轴向相同；其中，旋转爆震燃烧室外环为圆环形结构，靠近旋转爆震燃烧腔一侧内部预留了环腔形结构的冷却气供给环腔，同时旋转爆震燃烧室外环靠近头部一侧，预留了两个沿径向的圆孔，分别为连焰管安装孔和燃烧室压力监测孔，相互之间间隔90°；旋转爆震燃烧室内柱为圆柱形结构，靠近旋转爆震燃烧腔一侧内部预留了环腔形结构的冷却气供给环腔；旋转爆震燃烧室外环和内柱的轴向长度相同，沿燃烧室的轴向位置也完全相同，旋转爆震燃烧腔的出口为燃烧室出口导流锥，其结构为实心的类圆锥形结构；

所述的已燃气体排气腔位于旋转爆震燃烧腔的出口一侧，结构为非规则的圆形转方形流道，其外侧为燃烧室排气段外壁面；

所述环管型燃烧室环形通道为圆环形结构，由环管型燃烧室环形通道外环和内环组成，为20个沿周向均匀分布的环管型燃烧室的安装通道，其入口一端与压气机连接，出口一端与透平的第一级静叶环连接。

本发明进一步的改进在于，燃料供给腔的外壁面为类圆锥结构，其左端为尖顶结构，右端为圆形结构，从左端至右端通过圆弧平滑过度，能够有效避免空气在燃料供给腔头部形成回流区，减小气体的流动损失。

本发明进一步的改进在于，燃料供给管路为变流通方向的圆管形结构，其入口一端与燃料供给孔连接，圆管的轴线方向与燃烧室径向相同，出口一端与旋流器连接，圆管的轴线方向与燃烧室轴向相同，从圆管的入口到出口一端采用了圆弧平滑过渡。

本发明进一步的改进在于，12个旋流器分别安装在旋转爆震燃烧腔头部沿周向均匀分布的12个旋流器安装孔中，旋流器安装孔为圆形通孔结构，圆孔入口的出口的壁面均采用了倒圆角处理，保证空气流入和流出旋流器，圆孔的内径与旋流叶片的外径相同。

本发明进一步的改进在于，单个旋流器的旋流器叶片位于旋流器燃料腔和旋流器安装孔之间，每个旋流器的旋流器叶片的数量为10个，且沿旋流器安装孔的周向均匀分布；旋流器叶片的入口与燃烧室轴向方向一致，旋流器叶片的出口方向与燃烧室轴线的夹角为60°，从入口到出口，旋流器叶片的角度不断变化，保证空气和燃料的混合物在旋流器叶片出口处形成沿一定角度偏转的旋流运动。

本发明进一步的改进在于，旋流器燃料腔位于旋流器中心，其靠近出口一侧为圆台形结构，保证旋流器叶片出口的空气沿圆弧流向中心处，与燃料快速混合；在旋流器燃料腔的中心，且靠近出口一侧为圆形通孔结构的旋流器燃料供给孔，圆孔的轴线方向与燃烧室轴向相同。

本发明进一步的改进在于，在旋转爆震燃烧室外环靠近燃烧腔头部一侧，预留了2个圆形通孔结构的连焰管安装孔，相互之间间隔180°，连焰管安装孔的中心轴线方向与燃烧室径向相同。

本发明进一步的改进在于，旋转爆震燃烧室外环预留了1个燃烧室压力监测孔，为圆形通孔结构，燃烧室压力监测孔与连焰管安装孔的轴线位置相同，周向方向与连焰管安装孔之间间隔90°，燃烧室压力监测孔中可以安装压力传感器，在燃烧室工作过程中可以实时监测旋转爆震波的传播状态。

本发明进一步的改进在于，旋转爆震燃烧室外环和内柱靠近旋转爆震燃烧腔一侧内部分别设计了圆腔形结构的冷却气供给环腔，在气膜冷却孔和旋转爆震燃烧腔之间为160个气膜冷却孔，燃烧室外环和内柱的气膜冷却孔分布相同，沿周向分布了20列，沿轴向分布了8行；气膜冷却孔内气体的流动方向与燃烧腔轴线的夹角为30°，气膜孔内流出的冷却空气沿旋转爆震燃烧腔的顺流方向。

本发明进一步的改进在于，已燃气体排气腔的入口与旋转爆震燃烧室外环的出口连接，截面为圆形；出口与透平的第一级静叶环连接，截面为接近18°的扇形环；从已燃气体排气腔的入口到出口，其截面从圆形平滑过渡到扇形结构；其材料需采用耐高温合金材料，且内部壁面需喷涂隔热涂层；

环管型燃烧室环形通道为环形通道，由环管型燃烧室环形通道外环和内环组成，其入口一端与压气机出口连接，出口与透平的第一级静叶环连接，20个旋转爆震燃烧腔沿周向均匀安装在环形通道内部。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明一种基于爆震燃烧的燃气轮机环管型燃烧室，将旋转爆震燃烧腔应用于燃气轮机，以替代现有常规的环管型等压燃烧室。由于爆震燃烧的自增压作用，与基于等压燃烧的燃烧室相比，相同压气机压比条件下，燃烧室出口的已燃气体压力更高，可以提高燃气轮机的热循环效率；相同燃烧室排气压力条件下，可以降低压气机的排气压力，有利于减少压气机级数。同时，由于爆震燃烧的火焰传播速率更高，在更小的旋转爆震燃烧腔内快速完成燃烧，有利于减小燃气轮机燃烧室体积，提高动力装置的灵活性。最后，采用环管型燃烧室结构时，一方面，沿周向均布的20个燃烧室能够保证燃烧室出口的燃气压力和温度分布更加均匀；另一方面，单个燃烧室损坏后更容易维修和替换。相较于传统的燃气轮机环管形燃烧室，本发明优化了燃气轮机燃烧室的结构形式，设计合理，能够提高燃气轮机的热循环效率，同时减小了燃烧室体积。

附图说明

图1和图2分别为燃气轮机环管型燃烧室结构示意图；

图3为燃气轮机环管型燃烧室主视图；

图4为单个环管型燃烧室结构示意图；

图5为单个环管型燃烧室结构剖面图；

图6和图7分别为燃料供给结构示意图；

图8和图9分别为旋转爆震燃烧室结构示意图；

图10和图11分别为旋流器结构示意图。

附图标记说明：

1为空气供给腔，2为燃料供给腔，3为旋流器，4为旋转爆震燃烧腔，5为已燃气体排气腔，6为环管型燃烧室环形通道，7为安装法兰，8为空气供给腔外环，9为燃料供给腔壁面，10为燃料供给孔，11为燃料供给管路，12为旋流器燃料腔，13为旋流器燃料腔壁面，14为旋流器燃料供给孔，15为旋流器叶片，16为旋转爆震燃烧室外环，17为冷却气供给环腔，18为旋转爆震燃烧室内柱，19为旋流器安装孔，20为气膜冷却孔，21为连焰管安装孔，22为燃烧室压力监测孔，23为燃烧室出口导流锥，24为燃烧室排气段外壁面，25为环管型燃烧室环形通道外环，26为环管型燃烧室环形通道内环。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1～图5所示，本发明一种基于爆震燃烧的燃气轮机环管型燃烧室，由燃烧室进气腔1、燃料供给腔2、旋流器3、旋转爆震燃烧腔4、已燃气体排气腔5和环管型燃烧室环形通道6组成。

燃烧室进气腔1位于环管型燃烧室的最左端，是由空气供给腔外环8组成的圆柱形通道，其作用是将压气机产生的高压空气供给到旋流器3中，通过燃烧室进气腔1的最左端为安装法兰2与压气机进行连接。

参阅图5、图6和图7所示，燃料供给系统由燃料供给腔2、燃料供给腔壁面9、燃料供给孔10和1燃料供给管路11组成。其中，燃料供给腔2位于燃烧室进气腔1的中心处，是由燃料供给腔壁面9组成的类圆锥结构，其作用主要是为燃料供给系统储存足量的燃料。燃料供给腔2的出口为沿周向均布的12个燃料供给孔10，为圆形通孔结构，其轴线方向与环管型燃烧室的径向方向相同。对应的12个燃料供给管路11与燃料供给孔10进行连接，将燃料供给腔2中的燃料供给到旋流器3中，燃料供给管路11入口的轴线方向与环管型燃烧室的径向方向相同，出口的轴线方向与环管型燃烧室的轴向相同，从燃料供给管路11的入口到出口采用了1/4圆弧过渡。

参阅图5、图8、图9、图10和图11所示，旋流器3由旋流器燃料腔12、旋流器燃料腔壁面13、旋流器燃料供给孔14和旋流器叶片15组成，每个旋转爆震燃烧腔4均有12个旋流器3，沿燃烧室周向均匀分布，相邻旋流器3之间的间隔为30°，12个旋流器3均安装在对应的12个旋流器安装孔19中。其中，旋流器燃料腔12是由圆环形结构的旋流器燃料腔壁面13组成的圆柱形通道，入口一端与燃料供给管路11连接，出口一端则为1个旋流器燃料供给孔14，通过改变旋流器燃料供给孔14的直径调整旋流器燃料的供给流量。在旋流器燃料腔壁面13的外侧为旋流器叶片15，每个旋流器3均设计了10个旋流器叶片15，沿旋流器3的周向均匀分布，其旋流器叶片15入口处的方向与燃烧室轴向一致，旋流器叶片15出口处的方向与燃烧室轴向的夹角为60°，从旋流器叶片15的入口到出口采用了光滑的圆弧过渡，通过空气在旋流器叶片15内流动方向的改变，使得空气在旋流器叶片15的出口处产生沿一定角度偏转的旋流运动。

旋转爆震燃烧腔4位于旋流器3出口，是由旋转爆震燃烧室外环16和旋转爆震燃烧室内柱18组成的环腔形通道。其中，旋转爆震燃烧室内柱18的出口与半球形结构的燃烧室出口导流锥23连接，其目的在于通过圆弧过渡结构，避免在旋转爆震燃烧腔4的出口形成回流区，进而造成已燃气体的流动损失。旋转爆震燃烧室外环16靠近燃烧腔头部一侧，预留了2个连焰管安装孔21，相互间隔180°，其中心轴线方向与环管型燃烧室的径向方向相同，目的在于在相邻旋转爆震燃烧腔之间安装连焰管；连焰管的目的是为了在燃烧室起爆阶段，部分旋转爆震燃烧腔产生的稳定传播的旋转爆震波，快速扩散至其他燃烧室，使得所有旋转爆震燃烧腔均实现快速起爆，通过连焰管安装孔21安装的连焰管，可以使得部分旋转爆震燃烧腔4内形成的旋转爆震波快速扩散至其它旋转爆震燃烧腔，进而实现快速起爆。与连焰管安装孔21相同轴线位置，其沿周向间隔90°处，预留了1个燃烧室压力监测孔22，可以安装压力传感器，进而实时监测每个旋转爆震燃烧腔4内旋转爆震波的传播状态。

燃料供给管路11为变流通方向的圆管形结构，其入口一端与燃料供给孔连接，圆管的轴线方向与燃烧室径向相同，出口一端与旋流器连接，圆管的轴线方向与燃烧室轴向相同，从圆管的入口到出口一端采用了圆弧平滑过渡。采用变流通方向的燃料供给管路目的在于，使燃料供给腔在燃烧室的半径位置小于旋流器的半径位置，避免燃料供给腔对进入旋流器的空气进行阻挡，使空气顺利进入旋流器。燃料供给管路的材料需采用耐压材料。

旋流器3叶片的材料需采用高强度耐压合金材料。

在旋转爆震燃烧室外环16和旋转爆震燃烧室内柱18的内部，靠近旋转爆震燃烧腔4一侧均设计了环腔形结构的冷却气供给环腔17，其储存了旋转爆震燃烧腔4内所需的冷却空气。气膜冷却孔17内的冷却空气通过气膜冷却孔20供给到旋转爆震燃烧腔4，在旋转爆震燃烧室外环16和旋转爆震燃烧室内柱18两侧均布置了160个气膜冷却孔20，沿周向分布了20列，沿轴向分布了8行。每个气膜冷却孔20的轴线方向与旋转爆震燃烧腔4的轴向夹角为30°。气膜孔内流出的冷却空气沿旋转爆震燃烧腔的顺流方向，保证冷却空气随已燃气体排除旋转爆震燃烧腔，减小了冷却空气的流动损失。旋转爆震燃烧室外环和内柱的材料需采用耐高温合金材料，且旋转爆震燃烧室外环的内壁面和旋转爆震燃烧室内柱的外壁面分别需喷涂隔热涂层。

参阅图1～图5所示，已燃气体排气腔5位于旋转爆震燃烧腔4的出口，是由燃烧室排气段外壁面24组成的变截面通道，其入口一端与旋转爆震燃烧室外环16连接，由于旋转爆震燃烧室外环16的出口截面为圆形，因此已燃气体排气腔5的入口截面为圆形；其出口一端与透平的第一级静叶环连接，截面为接近18°的扇形环结构，因此已燃气体排气腔5的入口截面也为18°的扇形环；为了减小已燃气体在已燃气体排气腔5内的流动损失，从已燃气体排气腔5的入口到出口，采用了平滑的曲面过渡。

参阅图1和图3所示，环管型燃烧室环形通道6是由环管型燃烧室环形通道外环25和环管型燃烧室环形通道内环26组成的环腔形通道，20个沿周向均匀分布的环管型燃烧室安装在环管型燃烧室环形通道6内，其入口一端与压气机出口环腔进行连接，出口一端与透平第一级静叶环连接。由于环腔形燃烧室头部的空气供给腔1和旋转爆震燃烧腔4的截面均为圆形，环腔形燃烧室尾部的已燃气体排气腔5出口截面为扇形环，圆形截面的径向宽度大于扇形环截面，因此环管型燃烧室环形通道6头部的宽度大于尾部的宽度，即环管型燃烧室环形通道6靠近尾部一侧为收缩型通道。

本发明的工作循环过程如下：

本发明一种基于爆震燃烧的燃气轮机环管型燃烧室。在燃烧室工作的起始阶段，首先通过盘车带动压气机工作，压气机压缩的高压气体通过燃烧室进气腔1和旋流器3进入旋转爆震燃烧腔4。打开燃料供给阀门，燃料通过燃料供给腔2和旋流器3进入旋转爆震燃烧腔4，与空气进行混合。同时，将部分压气机压缩的高压空气供给至冷却气供给环腔17，随后冷却空气通过气膜冷却孔20进入旋转爆震燃烧腔4，对燃烧腔壁面进行冷却。在起爆阶段，选取一个环管型燃烧室，在其1个连焰管安装孔中安装点火器，开启点火器点火，在该旋转爆震燃烧腔4中形成缓燃波，缓燃波沿旋转爆震燃烧腔4的周向传播过程中，受燃烧腔壁面和气膜冷却孔20的扰流作用，逐渐发展为稳定传播的旋转爆震波，随后旋转爆震波通过连焰管传播至相邻的环管型燃烧室。依次重复上述过程，旋转爆震波快速扩散至每个环管型燃烧室对应的旋转爆震燃烧腔4，实现每个燃烧腔的起爆。通过缓燃燃烧或爆震燃烧产生的高温高压已燃气体，通过已燃气体排气腔5流动至透平各级静动叶片做功，进而产生轴功带动压气机和发电机转动，燃气轮机环管型燃烧室进入稳定工作阶段。

当燃烧室工作结束时，关闭燃料供给阀门，燃料无法继续供给至旋转爆震燃烧腔4，由于缺少可燃混合物维持旋转爆震波的继续传播，旋转爆震波解耦变为缓燃波，随后火焰逐渐熄灭，燃烧室结束工作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。