[实用新型]燃气轮机波浪形扩压器

说明书

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机压气机扩压器，更具体地涉及用于提升工业燃气轮机燃烧室过渡段壁面冷却效果、减小燃烧室腔内气流损失的扩压器结构，属于燃气轮机燃烧室技术领域。

背景技术

工业燃气轮机中，常用的燃烧室结构为环管形燃烧室，多个燃烧器围绕燃气轮机转子以环形阵列的方式布置。压气机出口的压缩气体在火焰筒内与燃料混合，点火燃烧后形成高温燃气。火焰筒内的高温燃气随后进入透平，带动透平做功，其中部分功用于带动与之同轴相连的压气机，另一部分则驱动发电机发电。

燃烧室内的高温燃气是经由过渡段进入透平的。典型的火焰筒出口为圆形，而透平进口为矩形，因此，过渡段的横截面从进口至出口由圆形光滑过渡至矩形。同时，通常火焰筒所处半径大，而透平半径小，过渡段还存在明显的半径变化。复杂的几何结构和非常高的燃气温度使过渡段内的工作条件极其复杂，为防止过渡段因过热而烧毁，需要对过渡段的表面进行冷却。

燃烧室内参与燃烧和冷却的气流来源于其上游的压气机，扩压器位于压气机出口，其作用在于减小压气机出口的压缩气流流入燃烧室腔内的速度，一方面可以减小高压气流在腔内的损失，同时使燃烧室腔内的压力尽量均匀，便于燃烧器高温壁面，尤其是过渡段的冷却。

对于先进的工业燃气轮机，约有1/2的进入燃烧室环形腔的气流用于参与燃烧，另有1/4气流则用于稀释燃气，调节燃烧室内温度分布，以满足透平进口级效率和寿命的要求，还有一部分需用于冷却火焰筒壁面，因此，仅有少量气流可用于冷却过渡段。为用尽可能少的冷却气流实现过渡段的有效冷却，现在较为先进的燃气轮机中过渡段采用了诸如冲击冷却、发散冷却等冷却方式。其中冲击冷却的主要机制是，扩压器出口的气流撞击在表面布有多个冷却孔的冲击过渡段冷却衬套上，在内、外压差的作用下，气流通过冷却孔加速形成射流冲击在过渡段壁面，从而达到冷却过渡段的目的。扩散冷却与冲击冷却类似，只是在过渡段冷却衬套与过渡段壁面之间布置有肋片，用于加强冷却效果。

传统的扩压器出口径向高度、角度均固定不变，气流集中冲击在过渡段冷却衬套的下表面，随后绕流至相邻两个过渡段之间所形成的间隙内，使流动在间隙内加速，导致冲击点周围过度冷却，而未被冲击的过渡段两侧表面因气流加速而导致压差不足，冷却效果差。由于过渡段两侧表面是温度较高、应力集中的区域，冷却不足容易导致壁面出现裂纹。尤其当压气机出口速度较大时，例如大于130m/s时，扩压器出口气流速度随之升高，相邻过渡段间隙内的流动加速更为明显，甚至导致该区域内冷却孔的外部压力小于内部压力，形成冷却气的倒流。此时，加大冷却用气量，例如增大冷却孔的直径，或者辅以气膜冷却的方法，也难以达到理想的冷却效果。

为避免相邻过渡段之间的间隙内流动过度加速而影响冷却效果，控制扩压器出口气流冲击过渡段的位置和速度异常关键。简单地增大扩压器出口的径向角度，可使气流冲击过渡段的位置往燃烧器进口移动，从而减小流经相邻过渡段间隙内的气流流量和速度，但极容易导致参与过渡段冷却的用气量不够。也有某些扩压器，出口径向角度较大，为了兼顾过渡段的冷却需求，在扩压器内壁面开孔引出一部分气流至过渡段，然而为使扩压器内壁面孔引出的气流更为均匀地冲击到过渡段壁面，通常还需在内壁孔后一定距离内配置一种带有密布孔的平板，结构较为复杂。在扩压器内加导流板，形成两个甚至三个通道，也可以有效地控制气流冲击点和冲击速度，但这需要在扩压器中增加导流板和相应的支承结构，结构复杂，也增大了扩压器的损失，且这种结构在功率等级为150MW以上的大尺寸燃气轮机上才能达到较好的效果。在已经公开的专利文献CN101839256A中，采用了一种开槽的扩压器，这种扩压器可将部分气流导向过渡段用于冷却过渡段，而另一部分经过扩压器外壁面的开槽，直接进入导流衬套与火焰筒之间的通道，从而一定程度上平衡了过渡段冷却和燃烧室腔内流动损失，其缺点在于扩压器外壁面槽为非流线型结构，且在开槽处流速较高，由此造成了额外损失。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种燃气轮机波浪形扩压器，使其不仅结构简单，且能较好地兼顾过渡段冷却和减少燃烧室腔内的流动损失。

本实用新型的技术方案如下：