[实用新型]燃气轮机的燃烧室

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种燃气轮机的燃烧室，尤其是涉及该燃烧室头部的结构。特别地，设置有本实用新型的燃烧室的燃气轮机可以是航空发动机。

背景技术

在航空发动机中，目前通常采用的是燃气轮机，其包括压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。对于此种燃气轮机，为了减少燃烧过程氮氧化合物（NOx）的生成，开发出贫油预混预蒸发（LPP）燃烧方式来逐渐取代传统的扩散燃烧方式。

LPP燃烧技术还存在一些亟待解决的技术问题。其中之一就是回火的问题。常规的，在燃气轮机的燃烧室的进口处会设置有燃烧室头部结构，该头部结构中通常包括喷嘴、混合器、旋流器等装置，由此可以提供燃油，并将燃油与空气相混合，从而向燃烧室中供应均质的空气-燃油混合物。

头部结构的一种类型为包括主燃级和预燃级。其中，主燃级在小功率条件下关闭，在大功率条件下开启；而预燃级在小功率条件和大功率条件下都开启，从而用于燃气轮机的起动以及稳定火焰。在采用LPP燃烧技术的此种构造的头部结构中，主要是在主燃级中容易发生回火现象。燃气轮机的压气机的喘振、流场的不稳定都有可能使燃烧室腔体中的火焰不能稳定在固定的位置处，并有可能使火焰向空气和燃油流动方向的上游传播，并进入主燃级的结构中，即发生回火现象。通常来说，在燃烧室头部的主燃级中不会设置冷却结构，这样，在发生回火现象的时候，回火产生的高温会在短时间内对主燃级的结构造成破坏，进而会影响整个燃烧系统的结构，危及安全。

根据Lewis和Von Eble关于回火的经典回火理论，当火焰的传播速度大于空气-燃油混合流的流动速度时，即会发生回火现象。根据此理论可知，火焰传播速度、局部的流场结构、空气和燃油的掺混比例等都是影响回火的因素。

在本领域中，根据上述的回火理论，已开发出几种用来防止回火产生的结构和方法。例如，在燃烧室头部结构的主燃级混合区的出口处采用收敛构造。这样，通过逐渐减小气流的流动面积，使气流的流动速度逐渐提高，由此抑制回火现象。

再例如，在主燃级的混合通道的壁面上开设有通流孔，空气可经由该通流孔流入混合通道中，与空气-燃油的主流相混合。对于此种结构，当在亚临界的送风条件下，流经通流孔的空气可以对混合通道的壁面起到冷却作用，而在超临界的送风条件下，流经通流孔的空气可进一步参与空气-燃油的掺混。

但是，上述结构仍不能有效地解决回火的问题。例如，对于主燃级混合区出口处的收敛构造的方案中，忽略了流动边界层处以及旋流流场的流动特性。如图1所示，在由实线所示意的流动边界层处，其靠近壁面处的流动速度会无限地接近于0，因此在此处，火焰的传播速度仍有可能大于空气-燃油混合物的流动速度。在图1中清楚地示出，通道的出口流动速度的剖面呈内侧流速低、外侧流速高的特点。并且，在混合通道的出口处还会产生台阶脱落涡和由旋流产生的回流流场，即，高温燃气有可能会沿混合通道的壁面向上回流，从而进一步加剧回火。

而在混合通道壁面开设通流孔的方案中，对主燃级中的流量分配提出比较高的要求。并且，该方案本身并无法预防回火现象，而只是在回火现象发生后，通过流经通流孔的空气的冷却作用，在一定程度上延长主燃级对回火的承受时间。

因此，仍然需要一种改进的燃烧室头部结构，其能够有效地防止回火现象，同时，即使回火现象发生，也能延长主燃级的承受时间，从而在保证燃烧室的排放指标合格的同时，使处于LPP燃烧模式的燃烧室稳定工作。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述技术问题而作出的，其目的是提供一种燃气轮机的燃烧室，尤其是对该燃烧室的头部结构的改进，使尤其是头部结构主燃级处的回火现象得到有效的控制。

本实用新型的上述目的通过一种燃气轮机的燃烧室来实现，该燃烧室的头部结构包括主燃级和预燃级，在该头部结构中，从内向外同轴地设置有预燃级壁、主燃级内壁和主燃级外壁，在主燃级内壁和主燃级外壁之间形成主燃级混合区，其中，主燃级内壁与燃烧室的轴线呈一定角度地向外扩张，使得所述主燃级混合区流道沿出口方向渐缩，并且，预燃级壁的出口端处沿径向向外凸出形成预燃级挡板，在主燃级内壁的出口端和预燃级挡板之间形成有隔离槽。

通过设置隔离槽，可以利用主燃级混合区内外之间的正压力梯度，将头部结构的一部分进气作为隔离气引入混合区中，该隔离气可以破坏壁面附近的边界层流场，抑制台阶涡系等分流现象朝着气流的上游传播，从而消除火焰沿边界层向上传播的可能性。该结构无需对原有的头部结构进行过多的改造。并且，由于主燃级混合区内外的正压力梯度大小有限，因此隔离气进入混合区的深度也有限，对混合区内部流场的影响微乎其微。