CN101063422A - 用于降低燃气涡轮发动机内的压力损失的方法和系统 - Google Patents

用于降低燃气涡轮发动机内的压力损失的方法和系统 Download PDF

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Abstract

提供了组装燃烧器组件(104)的方法，其中方法包括提供具有中心线轴线且在其内限定燃烧室(152)的燃烧器衬里(150，350)，且从燃烧器衬里径向向外联接环形流动套管(148，200，250)使得环形流动路径大体上周向地限定在流动套管和燃烧器衬里之间。方法也包括定向流动套管，使得多个形成在流动套管内的入口(156，206)定位为在大体上轴向的方向将冷却空气喷射到环形流动路径内，以便于冷却燃烧器衬里。

Description

用于降低燃气涡轮发动机内的压力损失的方法和系统
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，且更特定地涉及与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器组件。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机使用冷却空气来冷却发动机内的燃烧组件。此外，冷却空气经常从与燃烧组件流动连通地联接的压缩机供给。更特定地，在至少一些已知的燃气涡轮发动机中，冷却空气从压缩机排放到至少部分地绕燃烧器组件的过渡件延伸的增压区(plenum)内。进入增压区的冷却空气的第一部分在进入限定在冲击套管和过渡件之间的冷却通道前供给到围绕过渡件的冲击套管。进入冷却通道的冷却空气排放到限定在燃烧器衬里和流动套管之间的第二冷却通道内。进入增压区的剩余的冷却空气在也被排放到第二冷却通道前被引导通过限定在流动套管内的入口。
在第二冷却通道内，冷却空气便于燃烧器衬里的冷却。至少一些已知的流动套管包括构造为以大体上垂直于进入第二冷却室内的冷却空气的第一部分的流动的角度将冷却空气排放到第二通道内的入口和套筒(thimble)。更特定地，因为不同的流动取向，冷却空气的第二部分失去轴向动量且可能造成对冷却空气的第一部分的动量的障碍。障碍可能导致在通过第二冷却通道的空气流内的相当大的动压力损失。
至少一个已知的降低压力损失的量的解决方法要求调整现有系统内的入口的尺寸。然而，此解决方法可能要求在发动机的多个部分处调整多个入口的尺寸。如此，则此解决方法的经济性可能超过任何潜在的利益。
发明内容
在一个方面中，提供了组装燃烧器组件的方法，其中方法包括提供具有中心线轴线且在其内限定燃烧室的燃烧器衬里，且从燃烧器衬里径向向外联接环形流动套管，使得环形流动路径大体上周向地限定在流动套管和燃烧器衬里之间。方法也包括定向流动套管，使得多个形成在流动套管内的入口定位为在大体上轴向的方向将冷却空气喷射到环形流动路径内，以便于增加动压力恢复。
在另一个方面中，提供了燃烧器组件，其中燃烧器组件包括具有中心线轴线且在其内限定燃烧室的燃烧器衬里。燃烧器衬里也包括从燃烧器衬里径向向外联接的环形流动套管，使得环形流动路径大体上周向地限定在流动套管和燃烧器衬里之间。流动套管包括多个构造为在大体上轴向的方向将冷却空气从它喷射到环形流动路径内的入口，以便于增加动压力恢复。
在进一步的方面中，提供了燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机包括燃烧器组件，燃烧器组件包括具有中心线轴线且在其内限定了燃烧室的燃烧器衬里。燃烧器组件也包括从燃烧器衬里径向向外联接的环形流动套管，使得环形流动路径大体上周向地限定在流动套管和燃烧器衬里之间。流动套管包括多个构造为在大体上轴向的方向将冷却空气从它喷射到环形流动路径内的入口，以便于增加动压力恢复。
附图说明
图1是典型的燃气涡轮发动机的示意性截面图示；
图2是可以与图1中示出的燃气涡轮发动机一起使用的典型的燃烧器组件的部分的放大的截面图示；
图3是已知的可与图2中示出的燃烧器组件一起使用的已知流动套管的透视图；
图4是可与图2中示出的燃烧器组件一起使用的典型的流动套管的透视图；
图5是可与图2中示出的燃烧器组件一起使用的典型的流动套管和冲击套管/流动套管界面的截面视图；和
图6是可与图2中示出的燃烧器组件一起使用的典型的燃烧器衬里的透视图。
具体实施方式
如在此所使用，“上游”指燃气涡轮发动机的前端，且“下游”指燃气涡轮发动机的尾端。
图1是典型的燃气涡轮发动机100的示意性截面图示。发动机100包括压缩机组件102、燃烧器组件104、涡轮机组件106和共用的压缩机/涡轮机转子轴108。应注意的是，发动机100仅是典型的，且本发明不限制于发动机100且可以作为替代实现在任何如在此描述地运行的燃气涡轮发动机内。
在运行中，空气流动通过压缩机组件102且已压缩的空气排放到燃烧器组件104。燃烧器组件104喷射例如天然气和/或燃油的燃料到空气流内，点燃燃料-空气混合物以使燃料-空气混合物通过燃烧膨胀且生成高温燃气流。燃烧器组件104与涡轮机组件106流动连通且排放高温已膨胀的气体流到涡轮机组件106内。高温已膨胀气体流将旋转能施加到涡轮机组件106，且因为涡轮机组件106可旋转地联接到转子108，所以转子108随后提供旋转动力到压缩机组件102。
图2是燃烧器组件104的部分的放大的截面图示。燃烧器组件104流动连通地与涡轮机组件106和压缩机组件102联接。压缩机组件102包括扩散器140和排放增压区142，它们流动连通地相互联接以便于将空气向下游引导到燃烧器组件104，如在下文中进一步讨论。
在典型的实施例中，燃烧器组件104包括至少部分地支承了多个燃料喷嘴146的大体上圆形的穹顶板144。穹顶板144联接到大体上圆柱形的带有保持硬件(在图2中未示出)的燃烧器流动套管148。大体上圆柱形的燃烧器衬里150定位在流动套管148内且通过流动套管148支承。大体上圆柱形的燃烧器室152由衬里150限定。更特定地，衬里150从流动套管148径向向内间隔开，使得在燃烧器流动套管148和燃烧器衬里150之间限定了环形燃烧衬里冷却通路154。流动套管148包括多个提供了到冷却通路154内的流动路径的入口156。
冲击套管158在其上游端159处大体上同心地联接到燃烧器流动套管148，且过渡件160联接到冲击套管158的下游端161。过渡件160便于将在室152内生成的燃气向下游引导到涡轮机喷嘴174。过渡件冷却通路164限定在冲击套管158和过渡件160之间。限定在冲击套管158内的多个开口166使得来自压缩机排放增压区142的空气流的部分能被引导到过渡件冷却通路164内。
在运行中，压缩机组件102由涡轮机组件106通过轴108(在图1中示出)驱动。当压缩机组件102旋转时，它压缩空气且将已压缩的空气排放到扩散器140内，如在图2内以多个箭头指示。在典型的实施例中，从压缩机组件102排放的空气的大部分被通过压缩机排放增压区142引导向燃烧器组件104，且从压缩机组件102排放的空气的较小部分被引导向下游用于冷却发动机100的部件。更特定地，在增压区142内的已加压的已压缩空气的第一支流168通过冲击套管开口166被引导到过渡件冷却通路164内。空气然后在过渡件冷却通路164内被引导向上游且排放到燃烧衬里冷却通路154内。另外，在增压区142内的已加压的已压缩空气的第二支流170被引导为围绕冲击套管158且通过入口156喷射到燃烧衬里冷却通路154内。进入入口156的空气和来自过渡件冷却通路164的空气然后在通路154内混合且然后从通路154排放到燃料喷嘴146内，其中它与燃料混合且在燃烧室152内被点燃。
流动套管148大体上将燃烧室152及其相关的燃烧过程与外部环境，例如周围的涡轮机部件隔离。作为结果的燃气从室152被引导向且通过过渡件燃气流导向腔160，它将燃气流引导向涡轮机喷嘴174。
图3是已知的流动套管200的透视图，它可以与燃烧器组件104一起使用。流动套管200大体上是圆柱形的且包括上游端202和下游端204。上游端202联接到穹顶板144(在图2中示出)且下游端204联接到冲击套管158(在图2中示出)。燃烧器衬里150(在图2中示出)从流动套管200径向向内联接，使得冷却通路154(在图2中示出)限定在流动套管200和燃烧器衬里150之间。
流动套管200也包括多个入口206和限定为邻近下游端204的套筒208。入口206和套筒208大体上是圆形的且大体上垂直于流动套管中心轴线210定向。进一步地，套筒208大体上从流动套管200径向向内延伸，使得空气流从套筒208和入口206从冲击套管158周围径向向内通过流动套管200排放，且排放到燃烧衬里冷却通路154内。通过入口206和套筒208进入通路154的空气流的径向流动方向大体上降低了空气流的轴向动量且造成了对通路154内的来自过渡件冷却通路164的空气流动的障碍。此外，套筒208的径向长度造成了对从过渡件冷却通路164引导来的空气流的阻塞。如此，导致了在燃烧冷却通路154内的空气流的压降。作为结果的压降可能导致绕燃烧器衬里150的不成比例的冷却。
图4是流动套管250的典型实施例的透视图，它可以与燃烧器组件104一起使用。流动套管250大体上是圆柱形的且包括上游端252和下游端254。上游端252联接到穹顶板144(在图2中示出)且下游端254联接到冲击套管158(在图2中示出)。燃烧器衬里150(在图2中示出)从流动套管250径向向内联接，使得燃烧衬里冷却通路154(在图2中示出)限定在流动套管250和燃烧器衬里150之间。
流动套管250也包括多个在从下游端254向上游距离258处的绕流动套管250周向间隔开的喷射器256。在典型的实施例中，喷射器256大体上是圆形的且每个具有大的长度/直径比。在替代实施例中，喷射器256大体上是宽度大于其高度的矩形槽。此外，喷射器256构造为大体上将空气流从冲击套管158周围通过流动套管250轴向地喷出，且进入燃烧衬里冷却通路154内。更特定地，从喷射器256喷出的空气流一般地以轴向方向进入通路154，该轴向方向大体上与从自通路164引导到通路154内的空气流排放到通路154内的流动的方向相切，且与从通路164引导到通路154内的空气流的方向大体上相同。此外，喷射器256构造为加速从它喷出的空气流。环形间隙(未示出)限定在距离258内的流动套管250和燃烧器衬里150之间。喷射器256和环形间隙便于调节进入燃烧衬里冷却通路154的空气流的压力。
图5是流动套管250和冲击套管/流动套管界面300的截面视图。特别地，图5图示了限定在流动套管250和冲击套管158的联接之间的界面300。此外，图5图示了喷射器256的轴向喷射几何形状的截面视图。特别地，流动套管250定向为使得喷射器256定位在距界面300的上游轴向距离302处。如此，限定在流动套管250和冲击套管158的相交区域处的环形间隙304具有轴向长度302。环形间隙304便于调节来自过渡件冷却通路164的空气流动。
图6是典型的燃烧器衬里350的透视图，它可以与燃烧器组件104一起使用。燃烧器衬里350大体上是圆柱形的且包括上游端352和下游端354。在典型的实施例中，上游端352的半径R1大体上大于下游端354的半径R2。上游端352接收来自燃料喷嘴146的燃料/空气混合物，且将燃料/空气混合物排放到过渡件160内。燃烧器衬里350在流动套管250内定向为使得流动套管250和燃烧器衬里350限定了燃烧衬里冷却通路154。接收在燃烧衬里冷却通路154内的冷却空气被引导向上游且越过燃烧器衬里350的表面356以便于冷却燃烧器衬里350。
燃烧器衬里表面356构造为带有多个限定在其上的沟槽358，沟槽便于周向分配来自喷射器256的空气流越过衬里表面356。在典型的实施例中，沟槽358构造为越过燃烧器衬里表面356的长度L1的交叉图案，使得菱形突起的部分359限定在沟槽358之间。在替代的实施例中，沟槽358可以构造为其他几何图案。
在发动机100运行期间，冷却空气从增压区142排放，使得它大体上围绕冲击套管158。第一支流168通过开口166进入过渡件冷却通路164。第一支流168由通过过渡件冷却通路164向上游的行进冷却了过渡件160。第一支流168继续通过环形间隙304且排放到燃烧衬里冷却通路154内。第二支流170绕冲击套管158流动且通过喷射器256进入燃烧衬里冷却通路154。在燃烧衬里冷却通路154内，第一支流168和第二支流170混合且继续向上游，以便于冷却燃烧器衬里350。
喷射器256的构造增加了在第二支流170内的冷却空气的速度。增加的速度便于提高冷却空气和燃烧器衬里350之间的热传递。环形间隙304便于调节到燃烧冷却通路154内的第一支流168的流动。如此，喷射器256和环形间隙304便于平衡两个支流168和170的压力和速度，使得由两个流动路径的混合导致平衡的流动路径。
此外，因为喷射器256的轴向构造，第二支流170不造成限制第一支流168的流动的空气阻尼。作为结果，喷射器256的轴向构造便于增加在作为结果的流动路径内的动压力恢复。通过平衡燃烧衬里冷却通路154内的压力损失和速度，喷射器256和环形间隙304便于大体上在燃烧器衬里350和冷却空气之间的均一的热传递。
此外，燃烧器衬里表面356的沟槽358便于提高冷却空气和燃烧器衬里350之间的热传递。特别地，沟槽358便于从喷射器256周向分配冷却空气且便于造成越过燃烧器衬里350的长度和圆周的均一的热传递系数分配。另外，沟槽358便于允许高速冷却空气以便于改进热传递。
以上描述的设备和方法便于提供在冷却空气和燃烧器衬里之间的恒定的热传递而同时维持燃气涡轮发动机的总压力。特别地，喷射器便于通过轴向地喷射第二支流的冷却空气降低压力损失，使得在第一支流和第二支流之间的动压力恢复增加。此外，对燃烧器衬里的增强便于在燃烧器衬里和冷却空气之间的更大的热交换。
如在此所使用，使用为单数的且带有词“a”或“an”的元件或步骤应被理解为不排除多个所述的元件或步骤，除非明显地叙述了这样的排除。此外，参考本发明的“一个实施例”不意图于解释为排除另外的也合并了叙述的特征的实施例的存在。
虽然在此描述的设备和方法在用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件的上下文中描述，理解的是设备和方法不限制于燃烧器组件或燃气涡轮发动机。类似地，图示的燃烧器组件部件不限制于在此描述的特定实施例，而是燃烧器组件的部件可以被单独地利用且与其他在此描述的部件分开地利用。
虽然本发明已经根据多种特定实施例描述，但本领域技术人员应认识到本发明可以以在权利要求书的精神和范围内的修改来实践。
零件列表
发动机  100
压缩机组件   102
燃烧器组件   104
涡轮机组件   106
涡轮机转子轴 108
扩散器  140
增压区  142
穹顶板  144
燃料喷嘴  146
流动套管  148
燃烧器衬里  150
燃烧室  152
燃烧室冷却通路  154
入口  156
上游端  159
冲击套管  158
过渡件  160
下游端  161
涡轮机喷嘴  162
过渡件冷却通路  164
开口 166
第一支流  168
第二支流  170
燃气流导向腔  172
流动套管  200
上游端  202
下游端  204
入口  206
套筒  208
流动套管轴线  210
流动套管  250
上游端  252
下游端  254
喷射器  256
距离  258
界面  300
距离  302
环形间隙  304
燃烧器衬里  350
上游端  352
下游端  354
燃烧器衬里表面  356
沟槽  358
上游端半径  R1
下游端半径  R2
燃烧器衬里长度  L1

Claims (10)

1.一种燃烧器组件(104)，其包括：
具有中心线轴线且在其内限定了燃烧室(152)的燃烧器衬里(150，350)；和
从所述的燃烧器衬里径向向外联接的环形流动套管(148，200，250)，使得环形流动路径大体上周向地限定在所述的流动套管和所述的燃烧器衬里之间，所述的流动套管包括多个构造为在大体上轴向的方向将冷却空气从其喷射到所述的环形流动路径内的入口(156，206)，以便于冷却所述的燃烧器衬里。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件(104)，进一步包括：
联接到所述的燃烧器衬里(150，350)的过渡件(160)；和
从所述的过渡件径向向外联接的冲击套管(158)，使得环形过渡件冷却流动路径限定在所述的过渡件和所述的冲击套管之间，所述的过渡件冷却流动路径构造为便于增加在所述的流动路径内的动压力恢复。
3.根据权利要求2所述的燃烧器组件(104)，进一步包括限定在所述的燃烧器衬里(150，350)和所述的流动套管(148，200，250)之间的环形流动间隙，所述的环形流动间隙构造为调节从所述的过渡件(160)冷却流动路径到所述的环形流动路径内的流动。
4.根据权利要求1所述的燃烧器组件(104)，其中所述的多个入口(156，206)便于降低在所述的环形流动路径内的入口损失。
5.根据权利要求1所述的燃烧器组件(104)，其中所述的多个入口(156，206)便于增加在所述的环形流动路径内的所述的过渡件(160)的冷却。
6.根据权利要求1所述的燃烧器组件(104)，其中所述的多个入口(156，206)每个大体上是圆形的且便于增加从它们排放的冷却空气的速度。
7.根据权利要求2所述的燃烧器组件(104)，其中所述的燃烧器衬里(150，350)的外表面包括表面增强，它便于增加在所述的燃烧器衬里和流动通过所述的环形流动路径的冷却空气之间的热传递。
8.一种燃气涡轮发动机(100)，其包括：
燃烧器组件(104)，其包括：
具有中心线轴线且在其内限定了燃烧室(152)的燃烧器衬里(150，350)；和
从所述的燃烧器衬里径向向外联接的环形流动套管(148，200，250)，使得环形流动路径大体上周向地限定在所述的流动套管和所述的燃烧器衬里之间，所述的流动套管包括多个构造为在大体上轴向的方向将冷却空气从其喷射到所述的环形流动路径内的入口(156，206)，以便于增加所述的流动路径的动压力恢复。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(100)，其中所述的燃烧器组件(104)进一步包括：
联接到所述的燃烧器衬里(150，350)的过渡件(160)；和
从所述的过渡件径向向外联接的冲击套管(158)，使得环形过渡件冷却流动路径限定在所述的过渡件和所述的冲击套管之间，所述的过渡件冷却流动路径构造为便于冷却所述的燃烧器衬里。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机(100)，其中所述的燃烧器组件(104)进一步包括限定在所述的燃烧器衬里(150，350)和所述的流动套管(148，200，250)之间的环形流动间隙，所述的环形流动间隙构造为调节从所述的过渡件(160)冷却流动路径到所述的环形流动路径内的流动。
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