CN100529544C - 用于燃气轮机的燃烧器衬的多孔衬片 - Google Patents

用于燃气轮机的燃烧器衬的多孔衬片 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于燃气轮机(10)的燃烧器(16)的衬(34)，所述衬(34)包括：内衬内衬第一端(46)和第二端(60)，所述第一端(46)位于邻近于燃烧器(16)上游端的位置，所述第二端(60)位于邻近于燃烧器(16)下游端的位置，其中至少一个离散部位(72)经受热气体冲击的危害；多个形成于所述内衬内衬(34)中的冷却狭槽(56)，空气通过所述冷却狭槽(56)流动以便于沿所述内衬内衬的热侧(58)提供冷却膜；以及在所述内衬内衬中在所述离散部位(72)处形成的冷却孔(82，84)的冷却孔组(74)，用于增大所述冷却膜并对离散部位(72)提供对流孔冷却。

Description

用于燃气轮机的燃烧器衬的多孔衬片
技术领域
本发明总的涉及用在燃气轮机中的膜冷却燃烧器衬，本发明特别涉及这样一种燃烧器衬，所述燃烧器衬包括形成于其经受不良热梯度的区域内的冷却孔的多孔衬片。
背景技术
虽然这样的燃烧器衬也可用在使用增强器的航空发动机的排气部分，但是所述燃烧器衬通常用在位于压缩机和发动机的涡轮部分之间的燃气轮机的燃烧部分中。燃烧器通常包括：外部壳体和内部燃烧器，其中燃料在内部燃烧器中燃烧以在极高温度(例如，3000°F或更高)下产生热气体。为了防止该高温在排出到涡轮机之前损坏燃烧器壳体和周围的发动机，需要在燃烧器的内部中提供热护罩或燃烧器衬。
在现有技术中已披露了具有不同类型冷却方案的各种衬片设计。衬片设计的一个示例包括通过多个冷却块等等形成于其中的多个冷却狭槽(例如，美国专利)，其中沿着衬的热面提供了冷却空气膜。还提出了另一种衬设计，如Wakeman等人的美国专利5,181,379、Napoli的美国专利5,233,828以及Nicoll等人的美国专利5,465,572中所披露的设计，其中在环形整体衬中形成了多个冷却孔以便于沿衬的热面提供薄膜式冷却。此外，在Nicoll等人的美国专利5,483,794、Napoli的美国专利5,279,127、Nicoll等人的美国专利5,465,572、以及Vdoviak等人的美国专利4,833,881中已披露了一种多孔冷却和狭槽冷却的组合。
每个前述专利采用不同的方式，其中用于为衬提供期望的冷却膜同时时常试图使得所需要的冷却空气量最小化。因此，综合了多孔冷却和狭槽冷却的设计包含一个明显的分隔(即，如‘881专利中的只在衬的第一或上游部分使用狭槽冷却和只在衬的第二或下游部分使用多孔冷却)，为了有助于启动如‘127专利中所述的其他多孔冷却衬冷却膜，在衬的上游端提供了单一的冷却狭槽，或者如‘572和‘794专利中所述的在围绕衬沿周向延伸的各个多孔图案的上游提供多个间隔的冷却狭槽。然而，这些专利中没有一个披露了用于增大由带块的衬上的冷却狭槽提供的冷却膜的多孔离散衬片的使用。
应该注意的是，Patterson等人的美国专利6,205,789披露了一种多孔膜冷却燃烧器衬，所述燃烧器衬包括通常位于其中的第一组冷却孔和与第一组冷却孔结合的第二组更密集间隔的冷却孔。该第二组冷却孔被提供在衬的冷却膜削弱的各个位置处，诸如那些经受涡流冲击或刚好位于巨大开口下游的区域。虽然第二冷却孔组被限定在某些区域内，但是必须通过保持一致的轴向间距和孔尺寸而使得第二冷却孔组与第一冷却孔组相兼容。
应该理解的是，示范性的双环式的燃烧器包括：主拱顶中的被称为同步旋转的非文氏管(CONOVEN)涡旋式喷嘴。虽然该燃烧器能够使得发射最小化，但是我们也已发现过量的热气体撞击在其内衬上。我们已发现，这样的热气体冲击使前衬面板产生过早氧化，从而导致在恶劣情况下减少使用寿命和燃烧器烧蚀。为了解决这个问题，需要辅助空气以冷却受损面板。通过增加提供给冷却狭槽的冷却孔的尺寸和/或数量而在已加工的狭槽衬中获得辅助冷却流。该方法已应用于那些情况中，即，其中存在足够的用以钻出所需数量/尺寸的孔的空间，以便于将面板温度降低到可接受的程度，但是并非在任何情况下都存在所需空间。
因此，需要提供一种燃烧器衬，该燃烧器衬可与燃气轮机燃烧器结合使用，所述燃烧器衬在衬的离散部位提供所经受的热梯度所需的辅助冷却。还期望提供这样一种多孔冷却衬片，所述多孔冷却衬片可与具有狭槽冷却或者具有多孔冷却的衬结合使用。
发明概述
在本发明的第一示范性实施例中，披露了一种用于燃气轮机燃烧器的内衬，所述内衬包括：第一端和第二端，所述第一端位于邻近于燃烧器上游端的位置，所述第二端位于邻近于燃烧器下游端的位置，其中至少一个离散部位经受热气体冲击的危害；形成于所述内衬中并且沿所述内衬均匀隔开的多个冷却狭槽，空气通过所述冷却狭槽流动以便于沿所述内衬的热侧提供冷却膜，所述离散部位位于与之邻接的一个冷却狭槽和另一个冷却狭槽之间；以及在所述内衬中在所述离散部位处形成的冷却孔组，用于增大所述冷却膜并对离散部位提供对流孔冷却。
在本发明的第二示范性实施例中，披露了一种用于燃气轮机燃烧器的内衬，所述内衬包括：第一端和第二端，所述第一端位于邻近于燃烧器上游端的位置，所述第二端位于邻近于燃烧器下游端的位置，其中至少一个离散部位经受热气体冲击的损害；形成于内衬中的多个第一冷却孔，空气通过所述第一冷却孔流动以便于沿所述内衬的热侧提供冷却膜；以及在所述内衬中在所述离散部位处形成的第二冷却孔组，用于增大所述冷却膜并对离散部位提供对流孔冷却，其特征在于，第二冷却孔是作为从上游排到下游排的多个排的形式形成的，使得所述下游排中的冷却孔的尺寸大于所述其他排中的冷却孔的尺寸。
附图的简要说明
图1是包括本发明所涉及的燃烧器衬的燃气轮机的横截面图；
图2是图1中所示的燃烧器的放大的横截面图；
图3是图1和图2中所示的内衬的局部顶视图；以及
图4是图1到图3中所示的燃烧器的内衬的局部截面图，其中示出了本发明所涉及的冷却孔的多孔衬片。
具体实施方式
下面将详细参照附图，其中在全部附图中相同的附图标记表示相同的元件，图1示出了示范性燃气轮机10，所述燃气轮机10具有按顺序流体连通的叶片12、高压压缩机1 4和燃烧器16。燃烧器16通常产生燃烧气体，所述燃烧气体通过高压涡轮喷嘴组件18从其中排出，所述燃烧气体从所述高压涡轮喷嘴组件18中被引导到传统高压涡轮机20中，接着被引导到传统低压涡轮机22中。高压涡轮机20通过适合的轴24驱动高压压缩机14，而低压涡轮机22通过另一个适合的轴26驱动叶片12，所述组件都相对于纵向或轴向中心线28被同轴布置。
如从图2中所看到的，燃烧器16还包括燃烧室30，所述燃烧室30由外衬32、内衬34和位于其上端处的拱顶(dome)36所限定。将看到的是，第一燃料/空气混合器38位于外部拱顶40之内，而第二燃料/空气混合器42位于内部拱顶44之内，以便于引入所期望的燃料和空气混合物。然后点火器(未示出)将燃料和空气混合物点燃并形成了用以分别驱动高压涡轮机20和低压涡轮机22的燃烧气体。尽管出于示范性的目的示出了双环式的燃烧器，但是本发明的内衬34同样适用于任何类型的燃烧器，包括使用狭槽冷却的单环式的燃烧器。
根据本发明，如图3和图4中所示，内衬34在形状上最好是环形的。更具体地，内衬34包括第一端46，所述第一端46位于邻近于燃烧器16上游端的位置，其中通过机械连接(诸如螺栓52与螺母54)、焊接连接或其他类似的连接方式使得第一端46与外盖48和拱顶36相连接。热护罩50也可与外盖48、拱顶36和内衬34相连接。将看到的是，热护罩50向下径向地延伸到内衬34上游部分的内侧中。在内衬34中最好例如通过独立的块57提供多个冷却狭槽56，以便于沿内衬34的热侧58形成冷却膜。内衬34还包括第二端60，所述第二端60位于邻近于燃烧器16下游端的位置，其中第二端60最好与密封组件62相连接。在这种方式中，内衬34能够随着所经受的任何热增长和/或压力波动而轴向移动。
应该理解的是，相邻的块57之间的内衬34的区域被称作面板，其中面板0(由附图标记64表示)位于第一或上游块65的上游并且其中提供了冷却狭槽66，面板1(由附图标记68表示)位于第一块65和与之邻接的第二块67(具有形成于其中的冷却狭槽70)之间，诸如此类。
将隔热涂层69和71涂覆于面板64和68上，以有助于克服热气体的冲击，但是已经发现，内衬34上的某些离散部位或区域72依然经受氧化的危害并导致使用寿命上的减少或潜在的烧蚀。因此，本发明包括一组冷却孔，另外在文中被称为多孔衬片并且整体用附图标记74来表示，所述冷却孔形成于内衬34中的离散部位72处，以便于增加冷却膜并对离散部位72提供对流孔冷却。优选的是，以近似于内衬34所经受的热梯度图案的图案的形式(如由点线分界线75所限定的)形成冷却孔组74。如从图3中可看到的，图案75基本上是梯形的，其中冷却孔组74包括从上游排78到下游排80的多排76。
应该理解的是，冷却孔组74的每个冷却孔最好具有从大约0.015-0.035英寸范围内的尺寸。此外，下游排80中的冷却孔84的尺寸最好大于其他排中的冷却孔82的尺寸。更好的是，从上游排78到下游排80的冷却孔82的尺寸是逐渐地增大的。同样地，邻近于穿过冷却孔组74的中心线86的冷却孔82和84最好具有最大尺寸，并且每排随着从中心线86处周向延伸而在尺寸上逐渐减小。
关于多孔衬片74中冷却孔82和84之间的间隔，最好是如图3中所示的使得各个排沿周向交错排列。而且最好沿轴向和周向使得这样的冷却孔以等于约4.0孔径的量相间隔。由于冷却孔82的直径为近似于0.015-0.025英寸，而冷却孔84的直径为近似于0.025-0.035英寸，因此间隔的范围是近似于3.0-4.0孔径。如同其他多孔冷却结构的情况一样，最好将冷却孔82和84定向为相对于内衬34约15-25°的入射角。
由于第二燃料/空气混合器42所施加的涡流，我们已经发现，需要多孔衬片74的一个这样的离散部位72位于紧靠第二冷却块67的上游的面板68上并且中心线86与通过燃烧器16的各个燃料/空气混合器42的中心线89偏移预定量87。由于存在相对于纵向轴28沿周向所提供的多个燃料/空气混合器42，因此多孔衬片74最好位于邻近每个这样的燃料/空气混合器42的位置处并且具有如上所述近似于与87相同偏移量。
我们发现，需要具有第二结构的多孔衬片90的第二离散部位88位于第一块65上游的面板64中。为了改进冷却块65的过高温度，最好使得冷却孔94的排92位于第二离散部位88中，其中穿过排92的中心线96与穿过各燃料/空气混合器42的中心线89和多孔衬片74的中心线86各偏移了预定量98和100。应该理解的是，虽然在整个排92中冷却孔94可具有大约相同的尺寸，但是如果沿中心线96其尺寸最大并且当冷却孔94从中心线96处周向延伸时其尺寸减小是优选的。应该注意的是，第二离散部位88，以及冷却孔94的排92最好只是部分地在燃烧器16的相邻罩之间延伸。
上面已经示出并描述了本发明的优选实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明保护范围的情况下可通过适当的改进而实现燃烧器16的内衬34的进一步的适应性。具体地说，应该理解的是，文中所描述和主张的关于狭槽冷却衬的原理可被利用于具有多孔冷却并依然与本发明相适应的衬中。此外，既可相对于内衬34上的其他离散部位提供本发明的多孔衬片，又可在外衬32上相同的离散部位提供本发明的多孔衬片。
零件列表
10    燃气轮机(总体上)
12    低压压缩机
14    高压压缩机
16    燃烧器
18    高压涡轮喷嘴组件
20    高压涡轮机
22    低压涡轮机
24    高压轴
26    低压轴
28    纵向轴
30    燃烧室
32    外衬
34    内衬
36    拱顶
38    外部燃料/空气混合器(总体上)
40    外部拱顶
42    内部燃料/空气混合器(总体上)
44    内部拱顶
46    内衬的上游端
48    外盖
50    热护罩
52    螺栓
54    螺母
56    冷却狭槽(总体上)
57    冷却块(总体上)
58    内衬的热侧
60    内衬的下游端
62    密封组件(总体上)
64    面板0
65    上游冷却块
66    上游冷却块中的冷却狭槽
67    第二冷却块
68    面板1
69    面板64上的隔热涂层
70    第二冷却块中的冷却狭槽
71    面板68上的隔热涂层
72    经受危害的内衬的第一离散部位或区域
74    冷却孔/多孔衬片组
75    多孔衬片图案
76    冷却孔排
78    冷却孔的上游排
80    冷却孔的下游排
82    下游排旁边的排中的冷却孔
84    下游排中的冷却孔
86    穿过第一多孔衬片的中心线
87    中心线85和89之间的偏移量
88    经受危害的内衬的第二离散部位或区域
89    穿过燃料/空气混合器42的中心线
90    第二多孔衬片
92    第二多孔衬片中的排
94    排92中的冷却孔
96    穿过排92的中心线
98    中心线96和89之间的偏移量
100   中心线96和85之间的偏移量

Claims (15)

1.一种用于燃气轮机(10)的燃烧器(16)的内衬(34)，所述内衬(34)包括：
(a)第一端(46)和第二端(60)，所述第一端(46)位于邻近于所述燃烧器(16)上游端的位置，所述第二端(60)位于邻近于所述燃烧器(16)下游端的位置，所述内衬(34)的多个离散部位(72)经受热气体冲击的危害；
(b)多个形成于所述内衬中并且沿所述内衬均匀隔开的冷却狭槽(56)，空气通过所述冷却狭槽(56)流动以便于沿所述内衬(34)的热侧(58)提供冷却膜，所述离散部位位于与之邻接的一个冷却狭槽和另一个冷却狭槽之间，其中至少一个离散部位位于与之邻接的一个冷却狭槽和另一个冷却狭槽之间且靠近每一燃料/空气混合器(42)；以及
(c)在所述内衬(34)中在所述离散部位(72)处形成的冷却孔(82，84)的一冷却孔组(74)，用于增大所述冷却膜并对离散部位(72)提供对流孔冷却。
2.如权利要求1中所述的内衬(34)，其特征在于，以对应于所述内衬(34)所经受的热梯度图案的图案(75)的形式形成冷却孔(82，84)的所述冷却孔组(74)。
3.如权利要求2中所述的内衬(34)，其特征在于，所述图案(75)成形为梯形。
4.如权利要求2中所述的内衬(34)，其特征在于，所述图案(75)是以从上游排(78)到下游排(80)的多个排(76)的形式形成的。
5.如权利要求4中所述的内衬(34)，其特征在于，所述下游排(80)中的冷却孔(84)的尺寸大于所述其他排(76)中的冷却孔(82)的尺寸。
6.如权利要求4中所述的内衬(34)，其特征在于，所述冷却孔(82，84)从所述上游排(78)到所述下游排(80)在尺寸上是增加的。
7.如权利要求4中所述的内衬(34)，其特征在于，所述冷却孔(82，84)从穿过所述图案(75)的中心线(86)沿周向向外的方向上在尺寸上是减小的。
8.如权利要求4中所述的内衬(34)，其特征在于，所述排(76)沿周向是交错排列的。
9.如权利要求1中所述的内衬(34)，其特征在于，所述冷却孔(82，84)之间沿周向上的间隔等于3.0-4.0孔径。
10.如权利要求1中所述的内衬(34)，其特征在于，所述冷却孔(82，84)之间沿轴向上的间隔等于3.0-4.0孔径。
11.如权利要求1中所述的内衬(34)，其特征在于，穿过冷却孔(82，84)的所述冷却孔组(74)的中心线(86)与穿过所述燃烧器(16)的燃料/空气混合器(42)的中心线(89)偏移预定量。
12.如权利要求1中所述的内衬(34)，其特征在于，所述冷却孔(82，84)是与所述内衬(34)成15-25°的入射角而形成的。
13.如权利要求1中所述的内衬(34)，其特征在于，所述离散部位(72)就位于上游冷却块(65)与其下游的冷却块(67)之间。
14.如权利要求1中所述的内衬(34)，其特征在于，所述离散部位(72)就位于上游冷却块(65)的上游，所述上游冷却块(65)位于另一个冷却块(67)的上游。
15.如权利要求14中所述的内衬(34)，其特征在于，以间隔的冷却孔(94)的单排(92)的形式形成冷却孔(82，84)的所述冷却孔组(74)，所述冷却孔(94)在所述燃烧器(16)的相邻燃料/空气混合器(42)之间部分地延伸。
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