1.本发明属于燃气轮机燃烧室技术领域，具体涉及一种基于爆震燃烧的燃气轮机环形燃烧室。


背景技术：

2.燃气轮机广泛应用于船舶动力、发电和石油开采等多个领域，在现代工业体系中占有非常重要的地位。压气机、燃烧室和涡轮是燃气轮机的三大基本部件，其中，燃气轮机燃烧室通常采用基于等压循环的缓燃燃烧方式，其技术成熟度高，通过进一步优化燃烧室结构，提高热循环效率非常困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于爆震燃烧的燃气轮机环形燃烧室，拟提高燃气轮机燃烧室的热循环效率，缩小燃烧室的结构尺寸，减轻燃烧室的质量，提高其作为动力装置的灵活性。本发明可以应用于舰船燃气轮机和工业燃气轮机等领域。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
5.一种基于爆震燃烧的燃气轮机环形燃烧室，包括燃烧室进气腔、rdc燃烧室、环形燃烧腔、冷却气中心通道和气膜冷却孔；
6.所述的燃烧室进气腔位于燃烧室头部，由燃烧室进气腔外环和燃烧室进气腔内环组成，燃烧室进气腔外环为空心的圆台结构，左侧即燃烧室进气腔的入口处与燃气轮机压气机的出口连接，经过压气机增压后的空气从燃烧室进气腔进入燃烧室；燃烧室进气腔内环为空心的圆台结构，与燃烧室进气腔外环沿相同轴线分布；燃烧室进气腔外环和内环之间的气流通道为燃烧室进气环腔，从入口至出口，燃烧室进气腔的外径不断增大；
7.所述的rdc燃烧室位于燃烧室进气腔出口一侧，由rdc盖板、旋流器叶片、旋流器中心锥和rdc外环组成；其中，rdc盖板位于rdc燃烧室的头部，为圆柱形薄板结构；rdc盖板的外缘与燃烧室进气腔内环连接；相较于安装孔半径位置较小处，预留了12个旋流器空气通道，沿燃烧室周向均匀分布，旋流器叶片和旋流器中心锥位于旋流器空气通道中；rdc外环位于rdc盖板的右侧，与rdc盖板固定连接，同时安装在燃烧室进气腔内环预留的旋转爆震燃烧腔安装孔中，rdc外环为圆环结构，中心的圆柱形空腔为rdc燃烧腔；
8.所述的环形燃烧腔位于rdc燃烧腔出口一侧，由环形燃烧腔外环和环形燃烧腔内环组成，且燃烧室进气腔外环和内环沿相同轴线分布，两者之间的气流通道为环形燃烧腔，从环形燃烧腔入口至出口，燃烧腔外径不断减小；燃烧腔出口一侧与燃气轮机透平第一级喷嘴环连接，高温燃气通过环形燃烧腔出口进入透平叶片；
9.所述的冷却气中心通道为空心的圆柱形结构，位于燃烧室中心，靠近环形燃烧腔一侧，布置了冷却气中心供给孔，通过冷却气中心供给孔供给燃烧室所需的冷却气体；
10.所述的气膜冷却孔为直圆孔结构，分别分布在rdc外环、环形燃烧腔外环和环形燃烧腔内环的壁面上。
11.本发明进一步的改进在于，rdc盖板的外缘处预留了12个螺钉安装孔，沿燃烧室周向均匀分布，与燃烧室进气腔内环通过螺钉进行连接。
12.本发明进一步的改进在于，燃烧室进气腔为变截面的环腔通道，燃烧室进气腔头部与压气机出口连接，燃烧室进气腔头部的外径较小；燃烧室进气腔出口与沿周向分布、径向位置较大的rdc燃烧腔连接，燃烧室进气腔出口处的外径较大；燃烧室进气腔外环的内壁面和燃烧室进气腔内环的外壁面均采用了曲面平滑过渡，减小气体的流动损失。
13.本发明进一步的改进在于，rdc燃烧腔沿燃烧室周向均匀分布，数量为20个，每个rdc燃烧腔的结构完全相同；对于单个rdc燃烧腔，是由rdc盖板和rdc外环组成的空桶形燃烧腔结构，12个旋流器空气通道位于rdc盖板、且靠近外缘一侧，沿rdc燃烧腔周向均匀分布，旋流器空气通道为圆形通孔结构，中心轴线方向与燃烧室轴线方向一致，入口一侧采用了渐缩型面结构，有利于空气在通道内沿轴向顺利流动。
14.本发明进一步的改进在于，渐缩型面与燃烧室轴线的夹角为15
°
。
15.本发明进一步的改进在于，旋流器叶片位于旋流器空气通道内部，旋流叶片个数为12个，且沿旋流器空气通道的周向均匀分布；旋流器叶片的入口处，旋流叶片方向与燃烧室轴向方向一致；从旋流器叶片入口到出口，叶片的角度不断变化，在旋流器叶片的出口处，旋流叶片方向与燃烧室轴线的夹角为45
°
在旋流器叶片的内侧为旋流器燃料腔，外部型面采用橄榄球形状，能够减小空气流过旋流器燃料腔的流动阻力，内部为圆柱形空腔结构；旋流器燃料喷孔位于旋流器燃料腔靠近出口一侧，沿旋流器燃料腔周向均布了12个，为圆形通孔结构，且通孔的轴线方向与燃烧室轴线的夹角为60
°
。
16.本发明进一步的改进在于，环形燃烧腔分为三部分，分别为入口直圆环段、过渡段和出口直圆环段；入口直圆环段的中心径向位置与rdc燃烧腔中心径向位置相同；出口直圆环段的作用是与透平的第一级静叶环连接；由于透平第一级静叶环的直径小，因此在入口直圆环段和出口直圆环段之间采用过渡段结构，过渡段的壁面为平滑的圆弧型面。
17.本发明进一步的改进在于，在rdc外环、环形燃烧腔外环和环形燃烧腔内环的内部分别设置有rdc外环冷却腔和环形燃烧室冷却腔，在冷却腔和燃烧腔之间布置了气膜冷却孔，通过气膜冷却孔将冷却气体供给到燃烧腔进行冷却，冷却气膜孔为圆形通孔结构，冷却气膜孔的轴线方向与燃烧腔轴线的夹角为45
°
，且气膜孔的射流方向沿已燃气体的逆流方向。
18.本发明至少具有如下有益的技术效果：
19.本发明提供的一种基于爆震燃烧的燃气轮机环形燃烧室，将rdc与燃气轮机环形燃烧室进行了组合，燃料和空气主要在rdc中燃烧后，已燃气体进入环形燃烧室。首先，由于爆震燃料的自增压作用，相同输出功率条件下，能够减少压气机级数；相同压比条件下，能够提高燃气轮机的热循环效率。其次，由于爆震燃烧的热释放速率高，能够减小燃气轮机燃烧室的体积，减轻燃烧室的质量，提高动力装置的灵活性。再次，由于燃烧室头部采用了20个rdc燃烧腔，能够提高燃烧室工作的稳定性，单个rdc燃烧腔熄火后，燃气轮机依旧可以工作。最后，由于rdc出口为环形燃烧室结构，爆震燃烧后的已燃气体，流经环形燃烧室后，出口的压力和温度分布更加均匀。相较于传统的燃气轮机环形燃烧室，本发明优化了燃气轮机燃烧室的结构形式，设计合理，能够改善燃气轮机燃烧室工作的稳定性，同时减小了燃烧室体积。
附图说明
20.图1为基于爆震燃烧的燃气轮机环形燃烧室结构示意图；
21.图2为基于爆震燃烧的燃气轮机环形燃烧室a-a截面示意图；
22.图3为rdc燃烧腔结构示意图，其中图3(b)为图3(a)的c-c截面示意图；
23.图4为旋流器叶片与燃料供给腔结构示意图，其中图4(a)为立体图，图4(b)为正视图；
24.图5旋流器叶片与燃料供给腔d-d截面示意图；
25.图6气膜冷却孔结构示意图；
26.图7为燃气轮机环形燃烧室内环结构示意图，其中图7(b)为图7(a)的b-b截面示意图。
27.附图标记说明：
28.1为燃烧室进气腔外环，2为燃烧室进气腔内环，3为燃烧室进气腔，4为rdc燃烧室，5为环形燃烧腔，6为环形燃烧腔外环，7为环形燃烧腔内环，8为法兰盘，9为旋转爆震燃烧腔安装孔，10为冷却气供给孔，11为冷却气供给腔，12为冷却气膜孔,13为冷却气中心通道罩壳，14为冷却气中心通道，15为中心冷却气供给孔，4-1为rdc燃烧腔，4-2为rdc外环，4-3为旋流器叶片，4-4为旋流器中心锥，4-5为旋流器燃料喷孔，4-6为旋流器燃料腔，4-7为旋流器空气通道，4-8为rdc盖板，4-9为螺栓安装孔，4-10为rdc外环冷却腔，4-11为rdc冷却气膜孔，4-12为rdc点火器安装孔。
具体实施方式
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.参阅图1和图2所示，本发明提供的一种基于爆震燃烧的燃气轮机环形燃烧室，由燃烧室进气腔3、旋转爆震燃烧室(rotating detonation combustor，简称rdc)4、环形燃烧腔5、冷却气中心通道罩壳13和冷却气膜孔12组成。
31.燃烧室进气腔3位于燃气轮机环形燃烧室的最左端，是由燃烧室进气腔外环1和燃烧室进气腔内环2组成的环腔形通道，其作用是将压气机出口的高压空气供给到rdc燃烧室4中。燃烧腔进气腔3的入口处与压气机出口进行连接，出口与rdc燃烧室4连接；由于压气机出口的直径小于rdc燃烧室4所在位置的直径，因此，从燃烧室进气环腔3的入口到出口，环腔形通道的外径不断增大。燃烧室进气腔外环1为空心的圆台结构，左端与燃气轮机压气机出口连接，右端与环形燃烧腔外环6连接；燃烧室进气腔内环2同样为空心的圆台结构，位于燃烧室进气腔外环1的内侧，两个部件的中心轴线相同，燃烧室进气腔内环2中心处嵌套了冷却气中心通道罩壳13，外部型面则为光滑曲面，能够有效减小气体的流动损失。
32.参阅图3～图6所示，rdc燃烧室4位于燃烧室进气腔3和环形燃烧腔5之间，由rdc燃烧腔4-1、rdc外环4-2、旋流器叶片4-3、旋流器中心锥4-4、rdc盖板4-8、rdc冷却气膜孔4-11组成，其作用是组织空气和燃料燃烧，将化学能转变为热能。rdc燃烧腔4-1是由rdc盖板4-8
和rdc外环4-2组成的空桶形结构，rdc盖板4-8位于rdc燃烧腔4-1的最左端，为圆柱形平板结构。rdc外环4-2位于rdc燃烧腔的外侧，为圆环形结构。
33.靠近rdc盖板4-8外缘一侧，预留了12个旋流器空气通道4-7和1个rdc点火器安装孔4-12，旋流器空气通道4-7的作用是将燃烧室进气腔3出口的空气供给到rdc燃烧室4，旋流器空气通道4-7均为通孔结构，且入口处采用了收缩型面，有利于空气在通道内沿轴向顺利流动，收缩型面与燃烧室轴线的夹角为15
°
。每个旋流器空气通道4-7内部均布置了旋流器叶片4-3和旋流器中心锥4-4；其中，旋流器叶片4-3位于旋流器空气通道4-7和旋流器中心锥4-4之间，数量为12个，沿旋流器空气通道4-7的周向均匀分布，其作用是引导进入旋流器空气通道4-7内的空气产生旋流，旋流器叶片4-3入口处叶片的方向与燃烧室轴线方向相同，出口处叶片的方向与燃烧室轴线方向的夹角为45
°
；旋流器中心锥4-4位于旋流器空气通道4-7中心处，为橄榄球形结构，能够有效减小气体的流动损失，旋流器燃料腔4-6位于旋流器中心锥4-4内部，为圆柱形空腔结构，在靠近旋流器燃料腔4-6右侧，预留了沿周向分布的12个旋流器燃料喷孔4-5，为圆形通孔结构，且通孔的轴线方向与燃烧室轴线的夹角为60
°
。
34.rdc外环4-2嵌套在旋转爆震燃烧腔安装孔9中，内部设计了外环冷却腔4-10，为圆环形空腔结构，其作用是供给rdc燃烧室4冷却所需的冷却空气。在外环冷却腔4-10靠近rdc外环4-2内壁面一侧，设计了rdc冷却气膜孔4-11，沿燃烧腔周向均布了18列，沿燃烧腔轴向均布了11行，即总数为198个，rdc冷却气膜孔4-11为圆形通孔结构，其轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45
°
，且沿已燃气体的逆流方向，能够达到更好的冷却效果。
35.参阅图1、图2和图7所示，环形燃烧腔5位于燃气轮机环形燃烧室的最右端，是由环形燃烧腔外环6和环形燃烧腔内环7组成的环腔结构，其作用是将rdc燃烧室4中产生的高温高压已燃气体输送至透平；入口与rdc燃烧腔4-1的出口连接，出口与透平的第一级静叶环连接，由于透平第一级静叶环的直径明显小于rdc燃烧腔4-1所在位置的直径，因此从环形燃烧腔入口到出口设计了平滑过渡的过渡段，能够有效减小已燃气体的流动损失。
36.环形燃烧腔内环7的最左端为法兰盘8，20个旋转爆震燃烧腔安装孔9沿周向均匀的分布在法兰盘8上，20个rdc外环4-2分别嵌套在对应的旋转爆震燃烧腔安装孔9中，并且相互之间通过螺栓安装孔4-9进行连接。
37.环形燃烧腔外环6和环形燃烧腔内环7内部均设计了环腔形结构的冷却气供给腔11，其作用是将冷却空气供给到冷却气膜孔12中；冷却气体由冷却气供给孔10；在环形燃烧腔外环6的内侧和环形燃烧腔内环7的外侧壁面上，均沿轴向均布了22排，沿周向均布了30列，总数均为660个圆形通孔结构的气膜冷却孔，其轴线方向与燃烧室轴向的夹角为45
°
，且沿已燃气体的逆流方向，能够达到更好的冷却效果。
38.参阅图1和图2所示，冷却气中心通道罩壳13位于燃气轮机环形燃烧室的中心位置，为空心的圆管结构，内部为冷却气中心通道14，其作用是将冷却气体分别通过中心冷却气供给孔15和冷却气供给孔10供给至冷却气供给腔11。
39.1为燃烧室进气腔外环，2为燃烧室进气腔内环，3为燃烧室进气腔，4为rdc燃烧室，5为环形燃烧腔，6为环形燃烧腔外环，7为环形燃烧腔内环，8为法兰盘，9为旋转爆震燃烧腔安装孔，10为冷却气供给孔，11为冷却气供给腔，12为冷却气膜孔,13为冷却气中心通道罩壳，14为冷却气中心通道，15为中心冷却气供给孔，4-1为rdc燃烧腔，4-2为rdc外环，4-3为
旋流器叶片，4-4为旋流器中心锥，4-5为旋流器燃料喷孔，4-6为旋流器燃料腔，4-7为旋流器空气通道，4-8为rdc盖板，4-9为螺栓安装孔，4-10为rdc外环冷却腔，4-11为rdc冷却气膜孔，4-12为rdc点火器安装孔。
40.本发明的工作循环过程如下：
41.本发明一种基于爆震燃烧的燃气轮机环形燃烧室。燃烧室开始工作时，首先，通过盘车带动压气机工作，将压气机产生的高压空气，通过燃烧室进气腔3供给至rdc燃烧室4中，开启燃料供给阀门，将燃料通过旋流器燃料腔4-6供给至rdc燃烧室4中；同时，将冷却气体通过rdc外环冷却腔4-10和冷却气供给腔11，分别供给至rdc燃烧腔4-1和环形燃烧腔5对应的rdc冷却气膜孔4-11和冷却气膜孔12中。当rdc燃烧腔4-1内填充足量的燃料和空气反应物时，开启rdc点火器安装孔4-12中的点火器，点火后rdc燃烧腔4-1形成稳定传播的缓燃波，缓燃波沿rdc燃烧腔4-1周向传播过程中，受燃烧腔壁面和rdc冷却气膜孔4-11的扰流作用，逐渐发展为稳定传播的旋转爆震波；缓燃燃烧或爆震燃烧产生的高温高压已燃气体，通过环形燃烧腔5输送至透平做功，进而产生轴功带动压气机和发电机转动，燃气轮机环形燃烧室进入稳定工作阶段。
42.当燃烧室工作结束时，关闭燃料供给阀门，燃料无法继续供给至rdc燃烧室4，由于rdc燃烧腔4-1中缺少可燃混合物维持旋转爆震波的继续传播，旋转爆震波解耦变为缓燃波，随后火焰逐渐熄灭，同时关闭冷却气中心通道罩壳13中冷却气体的供给，燃烧室结束工作。
43.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。