[实用新型]多斜孔火焰筒壁板、火焰筒及燃气轮机燃烧室

说明书

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机工业领域，特别涉及一种多斜孔火焰筒壁板和由该多斜孔火焰筒壁板形成的火焰筒以及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室。

背景技术

燃气轮机的最高温度区是燃烧室，燃烧室的主燃区燃气温度可高达2400K，而目前火焰筒壁金属材料正常工作温度不超过1300K，材料无法承受在远超过其正常工作温度的恶劣环境下长时间工作，因此必须对燃烧室火焰筒进行冷却，以防止火焰筒被烧坏而降低燃烧室寿命，进而降低发动机寿命。目前用于燃烧室火焰筒冷却的基本冷却方式有气膜冷却、对流气膜冷却、冲击气膜冷却、发散冷却和层板冷却等，其基本冷却原理都是冷气从燃烧室内外环腔进入火焰筒内，在火焰筒内壁表面形成一层气膜，气膜紧贴火焰筒内壁面流动，气膜起到冷却壁面和隔离燃气冲刷火焰筒壁面的作用。高品质的气膜可以有效地利用冷却气，并获得高的气膜冷却效率，其中气膜接近二维流的程度即气膜的贴壁效果是表征气膜品质的主要指标。

随着航空发动机技术的发展，航空发动机压气机增压比和燃烧室进出口温度均大幅提高。先进燃烧室的工作压力和温度不断增加，这必然导致燃烧室火焰筒所受到的热负荷急剧增加。随着设计参数的提高，压气机出口空气温度可高达800～900K。用这种高温压缩空气作为冷却气，其潜在的冷却能力已经下降，因而所需冷却气流量增加。为了使燃气轮机获得更高的效率，通常要尽可能提高燃烧室的出口温度，现今在燃烧室出口的燃气温度高达1300K至1800K。燃烧室的出口温度的提高，使得涡轮叶片冷却气的用量增加，这部分冷却气直接进入涡轮，没有通过火焰筒，因而降低了火焰筒气膜冷却的可用空气流量。目前的高温升燃烧室的可用冷却气量只有总空气量的20％～30％，先进燃烧室火焰筒冷却所需冷却气量的增加与可用冷却气量的减少之间存在矛盾。为解决这个问题，除了不断发展新材料和新工艺外，决定性因素之一就是对火焰筒采用先进的高效冷却技术，实用新型、应用更好的气膜冷却几何结构。通过几何结构的改进，在达到预期冷却效果的同时，有效降低冷却气的流量。气膜冷却结构应力求气膜分布均匀，湍流强度低，沿火焰筒轴向冷却效果均匀，减小热应力，以避免在高温状态下火焰筒出现裂纹和弯曲变形。

图1a-1c示出了采用传统气膜冷却结构的火焰筒壁板100，火焰筒壁板100上的气膜孔200有序排列并垂直于火焰筒壁面，从气膜孔进入火焰筒的气流不断叠加，引起火焰筒内壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，影响火焰筒内的燃烧组织，同时导致沿轴向火焰筒冷却效果不均。具体来说，存在以下几方面问题：

1.传统气膜冷却结构的火焰筒壁消耗冷却气量相对较多，沿火焰筒轴向下游冷却气浪费严重，导致整机效率降低较大；

2.从气膜孔进入火焰筒的气流不断叠加，引起火焰筒内壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，气膜厚度沿轴向逐渐增加，占用了燃烧室较多的燃烧容积，使有效燃烧容积变小；

3.传统气膜冷却结构的火焰筒壁开孔数量较多，导致火焰筒壁结构强度降低，同时导致加工成本较高；

4.传统气膜冷却结构的火焰筒壁壁温沿火焰筒轴向迅速下降，导致较高的火焰筒壁温梯度，产生较高的热应力，过大的热应力会引起壁面的翘曲和裂纹等故障，影响火焰筒使用寿命，降低火焰筒使用的可靠性。

总之，为了改进火焰筒冷却效果和延长火焰筒的使用寿命，还需要开发优化的气膜冷却结构，提高气膜冷却的效率和冷却均匀性，改善气膜的贴壁效果，减小所需冷却气流量、降低火焰筒压力损失。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种新型火焰筒壁结构，其具有优化的气膜冷却结构。

根据本实用新型的第一个方面，提供一种多斜孔火焰筒壁板，所述火焰筒壁板上具有均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多个斜孔，所述斜孔的掺混角沿着所述火焰筒壁板的长度方向逐渐减小。

其中，所述斜孔的掺混角在0～90°之间。

其中，所述斜孔的孔径在0.1～2mm之间。

根据本实用新型的第二个方面，提供一种火焰筒，所述火焰筒采用前面所述的火焰筒壁板形成，所述斜孔的掺混角沿着所述火焰筒内气流的流动方向逐渐减小。

其中，所述斜孔在所述火焰筒的轴向上划分成第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述火焰筒的长度为L，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域的长度分别为L1＝0.2L、L2＝0.2L、L3＝0.1L、L4＝0.5L。

在所述第一区域内，所述斜孔的掺混角从90°递减到65°；

在所述第二区域内，所述斜孔的掺混角从65°递减到45°；