一种燃气轮机燃烧室过渡段的制作方法
【专利摘要】一种燃气轮机燃烧室过渡段，涉及燃气轮机燃烧室的结构设计。该过渡段包括入口圆环壳体、过渡段本体和出口环扇形壳体；在过渡段本体壁板上设有贯穿壁板的多排气膜冷却孔，所述气膜冷却孔的掺混角α在30°～90°之间，且掺混角α沿着过渡段内的燃气流动方向逐渐减小；过渡段本体沿水平方向分为长度不等的三段，各段的掺混角沿燃气流动方向线性减小。冷却气流从冷侧进入众多倾斜气膜冷却孔，在热侧形成气膜覆盖，为单层过渡段提供冷却。本实用新型有效改善了过渡段壁面温度过高及不均的问题，减少了壁面热应力，改善了冷却效果，从而减少了气膜冷却孔的个数，提高了过渡段壁面的结构强度。
【专利说明】一种燃气轮机燃烧室过渡段
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及燃气轮机燃烧室结构，特别涉及一种燃气轮机燃烧室过渡段的结构设计。
【背景技术】
[0002]典型的燃气轮机由压气机、燃烧室、透平和辅机系统组成，多个燃烧室呈环形围绕在转子周围。压气机压缩空气，进入燃烧室内与燃料混合燃烧，然后燃气进入透平做功。过渡段承接燃烧室火焰筒与透平，所通过的燃气经火焰筒掺混冷却后温度高达1400?1800K，并且，过渡段具有复杂独特的三维空间结构。其进口截面形状与火焰筒一致，为圆形；出口截面与若干燃烧室相连，构成所述透平一级静叶环形进口，单个过渡段出口则呈环扇形。空间分布上，燃烧室通常安装在燃气轮机的外侧，导致过渡段在半径方向上也有一定变化，两端截面型心高度不一，需要在有限轴向长度内完成由圆形到环扇形的形态转变。在过渡段的设计过程中须注意合理结构造型，防止几何上出现剧烈的变化，以避免出现较大的气动损失；同时，为承受燃烧室中燃气的高温，需采用空气进行冷却，冷却技术包括层板冷却、冲击冷却和发散冷却，从而减少热应力载荷及集中区域。
[0003]随着燃气轮机技术的发展，透平入口温度逐渐提高。而目前过渡段采用的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，因此必须采取冷却措施。以往公开的过渡段专利文献中，各冷却措施存在不同的优点与不足。层板式冷却消耗冷却空气的量小，具有很好的传热效率，其主要缺点为:机械强度低、易被氧化物及空气中的杂质堵塞等。冲击冷却的主要优点在于将机械载荷与热载荷分开，冲击壁承力，本体承热，充分利用冲击冷却换热系数高的特点，但主要缺点在于双层壁增加了结构的复杂性。发散冷却通过气膜覆盖在板壁内表面，可以有效将燃气与板壁隔开，起到很好的冷却效果，但常规的发散冷却由于气膜的厚度会沿流动方向增大，因而产生一定温度梯度，造成应力集中。已有事故中，存在过渡段由于不合理外形及内部空气冷却通道而出现严重破裂现象，从而导致燃机部件失效和停机。这种情况下需要更换维修过渡段或其它部件，才能使燃气轮机达到工作状态。因此，在有限的冷却空气前提下，为了解决冷却问题，除了不断发展新材料和新工艺外，决定性因素之一就是对过渡段采用先进的高效冷却技术。针对特定的过渡段结构，应用更好的气膜冷却几何结构是十分必要的，可以使气膜分布均匀，湍流强度低，减少热应力，从而避免在高温状态下过渡段出现裂纹、变形和烧蚀。
实用新型内容
[0004]为了解决上述问题，本实用新型采用一种新型燃气轮机燃烧室过渡段，使其具有良好的气膜冷却效果。
[0005]本实用新型的技术方案如下:
[0006]一种燃气轮机燃烧室过渡段，该过渡段包括入口圆环壳体和过渡段本体和出口环扇形壳体，所述过渡段本体壁板上设有贯穿壁板的多排气膜冷却孔，其特征在于:气膜冷却孔的掺混角α在30°?90°之间，所述掺混角α沿着过渡段内的燃气流动方向逐渐减小。
[0007]本实用新型的优选技术方案是，所述过渡段本体沿水平方向依次分为第一段Lp第二段L2和第三段L3,三段的长度不等，均在O?0.5L之间，其中=L1=0.4L，L2=0.25L，L3=0.35L，其中L为所述过渡段的水平方向总长度。在所述的L1段内，掺混角α沿燃气流动方向从90°线性减小到70° ;在所述的L2段内，掺混角α从70。线性减小到55° ;在所述的L3段内，掺混角α从55。线性减小到30°。
[0008]本实用新型的另一优选技术方案是:气膜冷却孔的孔径在0.5?1.5mm之间。各排气膜冷却孔在燃气流动方向上沿过渡段本体表面的相隔距离为5?6mm，所述气膜冷却孔的周向间距为7?8mm。
[0009]采用本实用新型所述方案，可以在多个方面使过渡段的工作状况得到改善:①在保证过渡段冷却效果的前提下，减少了过渡段内冷却气用量，提高整机效率；②沿燃气流动方向逐渐降低从气膜冷却孔进入过渡段的冷却气的湍流度，减小了冷却气膜的厚度，提高了过渡段的容积利用率，提高了冷却效果减少了冷却孔的数量，避免过渡段筒壁强度降低过多，改善了气膜厚度不均匀导致冷却效果不均匀的问题，避免了过高的热应力，提高了使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为常规燃气轮机燃烧室结构原理示意图。
[0011]图2为本实用新型提供的过渡段实施例的立体图。
[0012]图3为图2所示过渡段的中心截面图。
[0013]图4为气膜冷却孔的掺混角示意图。
[0014]图5为过渡段本体上的气膜冷却孔的布置结构示意图。
[0015]图中符号说明如下:10_过渡段；11_过渡段本体入口 ；12_过渡段本体出口 ；13-过渡段本体；14_过渡段本体上壳；15_过渡段本体下壳；16-上下壳连接缝；17_气膜冷却孔；18-入口圆环壳体；19-出口环扇形壳体；20_燃烧室；21_透平一级静叶；22_火焰筒；23_喷嘴；30_冷却孔轴线；31_冷却孔轴线投影；32_冷却气流；33_高温燃气主流。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本实用新型的原理、结构和【具体实施方式】做进一步的说明，以下描述中周向是指过渡段垂直于轴线的圆周方向。
[0017]图1为常规燃气轮机燃烧室结构原理示意图，图1中为典型燃烧室20的结构，包括喷嘴23、火焰筒22和过渡段10等部件。燃料或燃料与空气混合气从喷嘴23喷出，在火焰筒22中燃烧，火焰温度高达1800?2400K，提前加入稀释剂稀释或经火焰筒掺混孔冷却后的燃气温度仍然高达1400?1800K，经过渡段10进入透平一级静叶21，推动透平做功。由于过渡段空间跨度及形状变化较大，同时其流通燃气温度超过通道筒壁材料正常工作温度，因此需要满足过渡段气动性能以及有效冷却设计。
[0018]图2为本实用新型提供的过渡段实施例的立体图，图3为该过渡段的中心截面图。所示过渡段10包含一个入口圆环壳体18，过渡段本体和出口环扇形壳体19。过渡段本体由过渡段本体上壳14和过渡段本体下壳15构成，在过渡段本体壁板上设有贯穿壁板的多排气膜冷却孔17。
[0019]本实施例中，过渡段本体沿水平方向总长为L，可分为第一段、第二段和第三段，分别为LpL2和L3,,三段长度不等，其中,L1为从过渡段本体入口到第一段末尾的长度，L2为从过渡段本体第一段末尾到第二段末尾的长度，L3为第二段末尾到过渡段本体出口的长度。U、L2, L3各段长度均在O~0.5L之间，Lp L2、L3各段上的气膜冷却孔17的掺混角α的角度大小在30~90°之间；沿燃气流动方向，掺混角α沿着过渡段10内的燃气流动方向逐渐减小，即上游孔的掺混角大于下游孔的掺混角。
[0020]在本实施例中，所述各排气膜冷却孔在燃气流动方向上沿过渡段本体表面的相隔距离优选为5~6mm，所述气膜冷却孔的周向间距优选为7~8mm，L1=0.4L，L2=0.25L，L3=0.35L0
[0021]其中，在L1段内，掺混角α沿燃气流动方向从90°线性减小到70° ;在1^2段内，掺混角α沿燃气流动方向从70°线性减小到55° ;在L3段内，掺混角α沿燃气流动方向从55。线性减小到30°。
[0022]图4为气膜冷却孔的掺混角示意图，所述掺混角α是指冷却孔轴线投影31与冷却孔轴线30的夹角。根据本实用新型，气膜冷却孔可为圆柱形通孔，其孔径在0.5~1.5mm之间。
[0023]图5为过渡段本体上的气膜冷却孔的布置结构示意图。过渡段本体板壁的两侧分别为高温燃气主流33和冷却气流 32，冷却气流32通过板壁上的气膜冷却孔17进入高温燃气主流33。气流在气膜冷却孔17内与壁内表面进行对流换热，带走过渡段本体壁的热量；流出板壁后，在贴近主流区域的过渡段本体板壁的热侧附近形成一层温度较低的气膜，使板壁与燃气不直接接触。在本实施例中，过渡段本体上的掺混角α的大小沿着过渡段内部燃气流动的方向逐渐减小，即掺混角Q1)掺混角α2>掺混角α3>掺混角α 4。当然，也可存在部分区域掺混角α相同的情形，但总的趋势上沿燃气气流方向掺混角逐渐减小。
[0024]对于传统的冷却壁结构，在冷却气流进入过渡段不断叠加后，会导致气膜不断变厚，沿燃气流动方向冷却效果不均匀，产生较大的热应力。而本实用新型的技术方案改善了气膜厚度不均匀导致冷却效果不均匀的问题，避免了过高的热应力，避免引起壁面翘曲和裂纹等故障，提高了过渡段的使用寿命。采用这种气膜冷却孔的布置方式可以减少过渡段内冷却气用量，提高整机效率；可以沿燃气流动方向逐渐降低从气膜冷却孔进入过渡段的冷却气的湍流度，减小冷却气膜的厚度，从而降低过渡段筒壁的热应力，并提高了过渡段的容积利用率；改善了冷却效果，从而减少了冷却孔的数量，降低了制造的成本。
【权利要求】
1.一种燃气轮机燃烧室过渡段，该过渡段(10)包括入口圆环壳体(18)、过渡段本体和出口环扇形壳体(19)，所述过渡段本体壁板上设有贯穿壁板的多排气膜冷却孔(17)，其特征在于:气膜冷却孔(17)的掺混角α在30°?90°之间，所述掺混角α沿着过渡段(10)内的燃气流动方向逐渐减小，即上游孔的掺混角大于下游孔的掺混角。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室过渡段，其特征在于:所述过渡段本体沿水平方向依次分为第一段L1、第二段L2和第三段L3,三段的长度不等，均在O?0.5L之间，其中I1=0.4L，L2=0.25L，L3=0.35L，其中L为所述过渡段的水平方向总长度。
3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机燃烧室过渡段，其特征在于:在所述的L1段内，掺混角α沿燃气流动方向从90°线性减小到70° ;在所述的L2段内，掺混角α从70。线性减小到55° ;在所述的L3段内，掺混角α从55。线性减小到30°。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种燃气轮机燃烧室过渡段，其特征在于:所述气膜冷却孔(17)的孔径在0.5mm?1.5mm之间。
5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机燃烧室过渡段，其特征在于:所述各排气膜冷却孔(17)在燃气流动方向上沿所述过渡段本体表面的相隔距离为5mm?6mm，周向间距为7 mm ?8 mm η
【文档编号】F23R3/04GK203464332SQ201320548244
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】刘小龙, 吴晶峰 申请人:北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司