[實用新型]燃氣輪機的燃燒室

有效

• 申請號: 201320825610.6
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN203671654U
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 喬英杰;毛榮海
• 申請（專利權）人: 中航商用航空發動機有限責任公司
• 主分類號: F23R3/28
• 分類號: F23R3/28
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 朱立鳴

技術領域

本實用新型涉及一種燃氣輪機的燃燒室，尤其是涉及該燃燒室頭部的結構。特別地，設置有本實用新型的燃燒室的燃氣輪機可以是航空發動機。

背景技術

在航空發動機中，目前通常采用的是燃氣輪機，其包括壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管。對于此種燃氣輪機，為了減少燃燒過程氮氧化合物（NOx）的生成，開發出貧油預混預蒸發（LPP）燃燒方式來逐漸取代傳統的擴散燃燒方式。

LPP燃燒技術還存在一些亟待解決的技術問題。其中之一就是回火的問題。常規的，在燃氣輪機的燃燒室的進口處會設置有燃燒室頭部結構，該頭部結構中通常包括噴嘴、混合器、旋流器等裝置，由此可以提供燃油，并將燃油與空氣相混合，從而向燃燒室中供應均質的空氣-燃油混合物。

頭部結構的一種類型為包括主燃級和預燃級。其中，主燃級在小功率條件下關閉，在大功率條件下開啟；而預燃級在小功率條件和大功率條件下都開啟，從而用于燃氣輪機的起動以及穩定火焰。在采用LPP燃燒技術的此種構造的頭部結構中，主要是在主燃級中容易發生回火現象。燃氣輪機的壓氣機的喘振、流場的不穩定都有可能使燃燒室腔體中的火焰不能穩定在固定的位置處，并有可能使火焰向空氣和燃油流動方向的上游傳播，并進入主燃級的結構中，即發生回火現象。通常來說，在燃燒室頭部的主燃級中不會設置冷卻結構，這樣，在發生回火現象的時候，回火產生的高溫會在短時間內對主燃級的結構造成破壞，進而會影響整個燃燒系統的結構，危及安全。

根據Lewis和Von?Eble關于回火的經典回火理論，當火焰的傳播速度大于空氣-燃油混合流的流動速度時，即會發生回火現象。根據此理論可知，火焰傳播速度、局部的流場結構、空氣和燃油的摻混比例等都是影響回火的因素。

在本領域中，根據上述的回火理論，已開發出幾種用來防止回火產生的結構和方法。例如，在燃燒室頭部結構的主燃級混合區的出口處采用收斂構造。這樣，通過逐漸減小氣流的流動面積，使氣流的流動速度逐漸提高，由此抑制回火現象。

再例如，在主燃級的混合通道的壁面上開設有通流孔，空氣可經由該通流孔流入混合通道中，與空氣-燃油的主流相混合。對于此種結構，當在亞臨界的送風條件下，流經通流孔的空氣可以對混合通道的壁面起到冷卻作用，而在超臨界的送風條件下，流經通流孔的空氣可進一步參與空氣-燃油的摻混。

但是，上述結構仍不能有效地解決回火的問題。例如，對于主燃級混合區出口處的收斂構造的方案中，忽略了流動邊界層處以及旋流流場的流動特性。如圖1所示，在由實線所示意的流動邊界層處，其靠近壁面處的流動速度會無限地接近于0，因此在此處，火焰的傳播速度仍有可能大于空氣-燃油混合物的流動速度。在圖1中清楚地示出，通道的出口流動速度的剖面呈內側流速低、外側流速高的特點。并且，在混合通道的出口處還會產生臺階脫落渦和由旋流產生的回流流場，即，高溫燃氣有可能會沿混合通道的壁面向上回流，從而進一步加劇回火。

而在混合通道壁面開設通流孔的方案中，對主燃級中的流量分配提出比較高的要求。并且，該方案本身并無法預防回火現象，而只是在回火現象發生后，通過流經通流孔的空氣的冷卻作用，在一定程度上延長主燃級對回火的承受時間。

因此，仍然需要一種改進的燃燒室頭部結構，其能夠有效地防止回火現象，同時，即使回火現象發生，也能延長主燃級的承受時間，從而在保證燃燒室的排放指標合格的同時，使處于LPP燃燒模式的燃燒室穩定工作。

實用新型內容

本實用新型是為了解決上述技術問題而作出的，其目的是提供一種燃氣輪機的燃燒室，尤其是對該燃燒室的頭部結構的改進，使尤其是頭部結構主燃級處的回火現象得到有效的控制。

本實用新型的上述目的通過一種燃氣輪機的燃燒室來實現，該燃燒室的頭部結構包括主燃級和預燃級，在該頭部結構中，從內向外同軸地設置有預燃級壁、主燃級內壁和主燃級外壁，在主燃級內壁和主燃級外壁之間形成主燃級混合區，其中，主燃級內壁與燃燒室的軸線呈一定角度地向外擴張，使得所述主燃級混合區流道沿出口方向漸縮，并且，預燃級壁的出口端處沿徑向向外凸出形成預燃級擋板，在主燃級內壁的出口端和預燃級擋板之間形成有隔離槽。

通過設置隔離槽，可以利用主燃級混合區內外之間的正壓力梯度，將頭部結構的一部分進氣作為隔離氣引入混合區中，該隔離氣可以破壞壁面附近的邊界層流場，抑制臺階渦系等分流現象朝著氣流的上游傳播，從而消除火焰沿邊界層向上傳播的可能性。該結構無需對原有的頭部結構進行過多的改造。并且，由于主燃級混合區內外的正壓力梯度大小有限，因此隔離氣進入混合區的深度也有限，對混合區內部流場的影響微乎其微。