CN101113820B - 燃烧器衬垫及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃烧器衬垫(12，14)，包括具有上游端(60)和下游端(62)的衬垫，所述上游端和下游端包括延伸穿过其中的纵轴线(11)；还包括形成于衬垫内的多个冷却孔(11)，冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排(46)，所述排沿纵轴线可变地间隔开。

Description

燃烧器衬垫及其制造方法
技术领域
本发明通常涉及用于燃气轮机的气膜冷却燃烧器衬垫，更具体而言涉及具有含密集冷却孔的区域的这种燃烧器衬垫。
背景技术
飞机发动机中使用的燃烧器典型地包含外内燃烧器衬垫，以保护燃烧器和周围的发动机组件免受燃烧过程产生的高温。针对燃烧器衬垫曾提出过多种解决办法以使衬垫可以承受更高的燃烧温度。这些方法之一是多孔气膜冷却，其中，通过穿过衬垫形成非常小的冷却孔的阵列，沿衬垫燃烧侧获得冷却空气的薄层。由于穿过冷却孔的质量流稀释了紧邻衬垫表面的热燃烧气体，所以多孔气膜冷却减小了衬垫上总的热负荷，而且穿过孔的流提供了衬壁的对流冷却。
然而，与纯天然金块冷却相比，由于受许多与多孔气膜冷却相关的限制，多孔气膜冷却更难设计，例如，孔间距、每个多孔排中孔数的限制，孔径的限制，进行优先冷却的困难。特别地，为提供足够的冷却，孔相互间应该间隔足够的间距以便将隔热涂层作用于燃烧器，而且相互间的间距还应该足够小以便形成良好的气膜和对流冷却。例如，为获得足够的燃烧器冷却，至少一个已知的燃烧器包含轴向等距间隔开的冷却孔，而且不会被试图控制周向间距。然而，由于许多衬垫轮廓具有变化的倾斜度，周向间距不受控制地变化，导致衬垫具有过度冷却的区域和不足冷却的其他区域。而且，因为周向优先多孔冷却要求周向可变地间隔开，这可能会在多孔排间产生干涉，所以难于制造。另外，对于周向优先冷却，孔径不同是有可能的，但要将孔间的轴向和周向距离保持在设计限制之内比较困难，而且还带来了附加的费用。
因此，在遭遇了不同寻常的高温，引起材料损坏的衬垫区域中，需要其冷却气膜效率增大的燃烧器衬垫。
发明内容
一方面，提供了燃烧器衬垫。燃烧器衬垫包括上游端和下游端，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线，还包括形成于衬垫内的多个冷却孔，冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排，所述排沿纵轴线可变地间隔开。
具体来说，本发明提供了一种燃烧器衬垫，包括：包括上游端和下游端的衬垫，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线；形成于所述衬垫内的多个冷却孔，所述冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排；稀释孔的第一排；和在所述稀释孔的第一排下游形成的稀释孔的第二排，所述多个冷却孔的所述多个周向延伸的排位于所述稀释孔的第一排和第二排间且沿纵轴线可变地间隔开，使得间距为从稀释孔的第一排向下游到稀释孔的第二排逐渐增加或逐渐减小。
另一方面，提供了燃气轮机组件。燃气轮机组件包括压缩机，以及与所述压缩机流连通接合的燃烧器，所述燃烧器包括至少一个具有上游端和下游端的燃烧器衬垫，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线，还包括形成于所述衬垫内的多个冷却孔，所述冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排，所述排沿纵轴线可变地间隔开。
具体来说，本发明提出了一种燃气轮机组件包括：压缩机；以及与所述压缩机流连通接合的燃烧器，所述燃烧器包括：至少一个具有上游端和下游端的燃烧器衬垫，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线；形成于所述衬垫内的多个冷却孔，所述冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排；稀释孔的第一排；和在所述稀释孔的第一排下游形成的稀释孔的第二排，所述多个冷却孔的所述多个周向延伸的排位于所述稀释孔的第一排和第二排间且沿纵轴线可变地间隔开，使得间距为从稀释孔的第一排向下游到稀释孔的第二排逐渐增加或逐渐减小。
更进一步的方面，提供制造燃气轮机燃烧器衬垫的方法。方法包括提供具有上游端和下游端的燃烧器衬垫，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线，和在衬垫内形成多个冷却孔，以便多个孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排，所述排沿纵轴线可变地间隔开。
具体来说，本发明提出了一种制造燃气轮机燃烧器衬垫的方法，所述方法包括：提供包括上游端和下游端的衬垫，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线；在所述衬垫内形成多个冷却孔，所述冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排；在所述衬垫内形成稀释孔的第一排；和在所述稀释孔的第一排下游形成稀释孔的第二排，所述多个冷却孔的所述多个周向延伸的排位于所述稀释孔的第一排和第二排间且沿纵轴线可变地间隔开，使得间距为从稀释孔的第一排向下游到稀释孔的第二排逐渐增加或逐渐减小。
附图说明
图1是包括本发明的燃烧器衬垫的燃气轮机燃烧室的剖视图；
图2是用于图示倾斜多孔冷却孔的燃烧器衬垫一部分的透视图；
图3是用于图示本发明的多孔冷却孔排列的燃烧器衬垫一部分的俯视图；以及
图4是图3中所示冷却孔的可变间距排的图解说明。
具体实施方式
图1说明了适合在燃气轮机中使用的类型的燃烧器10。燃烧器10包括布置在外燃烧器壳体16和内燃烧器壳体18之间的外衬垫12和内衬垫14。外内衬垫12和14彼此径向隔开，从而定义了燃烧室20。外衬垫12和外壳16形成了位于它们之间的外通道22，内衬垫14和内壳18形成了位于它们之间的内通道24。整流罩组件26安装至外内衬垫12和14的上游端。环形开口28形成于整流罩组件26中，用于将压缩空气引入燃烧器10。压缩空气由压缩机(未示出)沿通常图1箭头A所示方向提供。压缩空气主要穿过环形开口28以支持燃烧，部分进入用于冷却衬垫12和14的外内通道22和24。
在外内衬垫12和14的上游端附件布置在它们之间并与它们互连的是环形拱顶板30。多个周向间隔的漩流器组件32安装于环形拱顶板30内。每个漩流器组件32从环形开口28获得压缩空气，从相应的燃料喷嘴34获得燃料。燃料和空气靠漩流器组件32形成漩涡并混合，最后得到的燃料/空气混合物排放到燃烧室20。燃烧器具有上游端60和下游端62，它们限定有延伸穿过其中的纵轴线(图1中未示出)，就环形燃烧器而言，该轴线与发动机的纵轴线重合。应该注意，尽管图1说明了单个环形燃烧器的一个优选实施例，本发明同样适用于任何类型的燃烧器，包括使用多孔气膜冷却的双环形燃烧器或环管燃烧器。
每个外内衬垫12和14都包括单壁金属外壳，具有通常沿周向和轴向延伸布置。外衬垫12具有朝向燃烧室20内的热燃烧气体的热侧36，和与外通道22内相对较冷的空气接触的冷侧38。同样，内衬垫14具有朝向燃烧室20内的热燃烧气体的热侧40，和与内通道24内相对较冷的空气接触的冷侧42。衬垫12和14均包括许多形成于其中的密集间隔的冷却孔44。
稀释空气通过多个周向间隔的稀释孔48进入燃烧室20，这些稀释孔布置在每一个外内衬垫12和14内。在数目上稀释孔48通常远远小于冷却孔44，每个稀释孔48的截面积远远大于一个冷却孔44的截面积。稀释孔48用于使稀释空气进入燃烧室20。稀释孔布置在周向延伸的带或排50中，这些带或排环绕衬垫12和14的周长。稀释孔48最靠前的带被称为主稀释孔。
在装配好的燃烧器中，某些主稀释孔48对准喷射点，这些喷射点靠燃料喷嘴34和漩流器组件32中心的周向位置来限定。在操作过程中，流经这些周向位置的燃烧气体流可能产生使材料温度局部升高的“热流层”。这些流层并不严格在纵向；因为漩流器组件32在燃烧器里引起了漩涡流，所以沿着燃烧器的长度方向看流层在圆周方向成曲线状。尽管现有的冷却供应为燃烧器衬垫12和14的其他部分提供了足够的冷却，但遭遇热流层的燃烧器衬垫12和14的部分可能显示出氧化、腐蚀和现场使用产生的低循环疲劳(LCF)失效。
现在参照图2，其中更详细地展示了分布于外衬垫12一部分的冷却孔44。尽管图2描述了外衬垫12中的冷却孔，但可以理解内衬垫14的冷却孔布置实质上与外衬垫12一致。同样地，下述说明也将适用于内衬垫14。图2包括标有XYZ轴的参考系，其中X是沿燃烧器10的纵轴线11向下游(同样由箭头B示出)的轴向距离，Y是周向，Z是径向。冷却孔44从冷侧38向热侧36以下游角度A轴向倾斜，该角度优选在大约15度到大约20度范围内。冷却孔44布置在一系列周向延伸的排46中，其中每排相邻孔44各自的中心线间存在周向孔间距S。特别地，在典型实施例中，每个冷却孔44都具有直径(d)，而且与相邻的冷却孔44在周向(Y)以距离(S)间隔。同样地，这里所述的典型燃烧器包括在周向均近似等距间隔的冷却孔44，即在Y方向上S为常量，而且这些孔具有大致相同的直径(d)。
在典型实施例中，冷却孔44的排46在轴向(X)上可变地间隔开。更准确地说，冷却孔44通常布置在多个排46中，例如，第一排70，第二排72，第三排74，第四排76，和第n排78，这些排在整个外衬垫12上轴向可变地间隔开。如图2所示，第一排70与第二排72间距X1，第二排72与第三排74间距X2，第三排74与第四排76间距X3，第四排76与第n排78间距XN。在典型实施例中，冷却孔44的排46的轴向间距不同，例如，X1≠X2≠X3≠XN，以允许增加的冷却气流被引向需要有增加的冷却空气的燃烧器区域。
举例来说，图3示出了燃烧器衬垫12，其中冷却孔44的排46可变地间隔开，从而或者增加或者减小了流向燃烧器衬垫12所选部分的冷却气流。图4是对连同图3讨论的沿纵轴线11的孔间距的图解说明，用以说明图3所示的冷却孔间距。
在这个实施例中，排46的第一组80可变地间隔开，以使相邻排46之间的间距XG1从燃烧器衬垫12的上游端60至少部分向后地朝燃烧器衬垫12下游端62在轴向(X)上逐渐减小。例如，如图4所示，第一组80的排距X/d逐渐减小，即排逐渐密集，使得通过第一组80中的冷却孔的排46供给的冷却气流逐渐增加，以便于将增加的冷却气流供给潜在过热点，这些过热点可能出现在稀释孔48的第一排的上游。
排46的第二组82可变地间隔开，使得相邻排46之间的间距XG2从形成于燃烧器衬垫12的排的第一组80至少部分向后地朝燃烧器衬垫12下游端62在轴向(X)上逐渐增加。例如，如图4所示，第二组82的排距X/d逐渐增加，即排逐渐相距更远，使得通过第二组82中冷却孔的排46供给的冷却气流逐渐减小，以便于将减小的冷却气流供应至不含潜在过热点的燃烧器衬垫12的区域。
排46的第三组84可变地间隔开，使得相邻排46之间的间距XG3从形成于整个燃烧器衬垫12的冷却孔的第二组82至少部分向后地朝燃烧器衬垫12下游端62在轴向(X)上逐渐减小。例如，如图4所示，第三组84的排距X/d在稀释孔48的排之间逐渐减小，即排逐渐密集，以致于通过第三组84中冷却孔的排46供应的冷却气流逐渐增加，这便于将增加的冷却气流供给潜在过热点，所述过热点可能出现在稀释孔48的排之间。
排46的第四组86可变地间隔开，使得相邻排46之间的间距XG4从形成于燃烧器衬垫12的冷却孔的第三组84至少部分向后地朝燃烧器衬垫12下游端62在轴向(X)上逐渐减小。例如，如图4所示，第四组86的排距X/d在稀释孔48下游逐渐增加，即排逐渐相隔更远，使得通过第四组86中冷却孔的排46供给的冷气流逐渐减小，以响应从稀释孔48向下游气流冷却需求的减小。而且，排46的第五组88可变地间隔开，使得相邻排46之间的间距XG5沿轴向(X)从孔的第四组86向下游进一步增加，这说明朝向燃烧器衬垫12的下游端62冷却需求进一步减小。
这里描述了包含多排冷却孔的燃烧器衬垫，这些排沿轴向可变地间隔开。更准确地说，为便于增加在有更多冷却需求的轴向位置的多孔冷却，至少有些排46之间的轴向间距有所改变。这通过在轴向(X)沿燃烧器衬垫平滑分布轴向孔间距(X/d)来实现，如图4所示，采用平滑函数，例如正弦或线性函数。同样地，平滑函数便于减小任何冷却孔44相邻排46之间间距的突变。例如，可以采用的一个平滑函数是Asin(Bx-C)，其中基于衬垫过热点的位置选择A，B，和C使孔距泰勒化，尽管还应该认识到也可能采用其他平滑函数。
而且，选择多孔排46的数目和每排46中孔44的数目，连同可变的X/d函数一起来控制S/d，每排的S/d固定不变。完全的X/d控制和受限的S/d控制的组合使设计者能以任何希望的方式轴向分布单位面积的冷却空气。通过计算和限制孔间距的纵横比(S/x)，优选地使之接近数值1，设计过程还确保了相邻孔44之间不会发生干涉。而且，由于平滑轴向多孔间距，所以仅需要一个孔径尺寸，这样便于制造。另外，这里所述的衬垫制造方法允许一定限度可控制的优先冷却，并且消除了多孔干涉的危险。它还提供轴向可变的单位面积冷却空气至目标过热点或控制衬垫轮廓，减少了设计和制造过程的费用。这种方法已经经计算流体动力学(CFD)证实。经证明优先冷却有助于局部减小过热点处的气体温度。上述概念在高压部燃烧器测试装置和全环形燃烧器测试装置中被证明是成功的。
制造燃烧器衬垫的方法包括提供具有上游端和下游端的衬垫，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线，在衬垫内形成多个冷却孔，以使多个孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排，这些排沿纵轴线可变地间隔开。同样地，为便于设计制造，这里所述的衬垫能够使用一个多孔尺寸进行优先冷却。然而，应该认识到这里所述的衬垫可以采用其他优先冷却的方式，例如多个孔径尺寸。
前述说明了多孔气膜冷却燃烧器衬垫，该衬垫改进了冷却孔的布置以减小燃烧器内的温度、温度梯度和热流层。虽然根据各种特定的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以认识到本发明可以在权利要求的主旨和范围内修改实施。
部件列表
  10   燃烧器
  11   纵轴线
  12   燃烧器外衬垫
  14   燃烧器内衬垫
  16   外燃烧器壳体
  18   内燃烧器壳体
  20   燃烧室
  22   外通道
  24   内通道
  26   整流罩组件
  28   环形开口
  30   环形拱顶板
  32   漩流器组件
  34   燃料喷嘴
  36   燃烧器外衬垫热侧
  38   燃烧器外衬垫冷侧
  40   燃烧器内衬垫热侧
  42   燃烧器内衬垫冷侧
  44   冷却孔
  46   冷却孔的排
  48   稀释孔
  50   稀释孔的带或排
  60   燃烧器上游端
  62   燃烧器下游端
  70   冷却孔的第一排
  72   冷却孔的第二排
  74   冷却孔的第三排
  76   冷却孔的第四排
  78   冷却孔的第n排
  80   冷却孔排的第一组
  82   冷却孔排的第二组
  84   冷却孔排的第三组
  86   冷却孔排的第四组
  88   冷却孔排的第n组

Claims (16)

1.一种燃烧器衬垫(12，14)，包括：
包括上游端(60)和下游端(62)的衬垫，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线(11)；
形成于所述衬垫内的多个冷却孔(44)，所述冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排(46)；
稀释孔(48)的第一排(50)；和
在所述稀释孔的第一排下游形成的稀释孔的第二排，所述多个冷却孔(44)的所述多个周向延伸的排(46)位于所述稀释孔的第一排和第二排间且沿纵轴线可变地间隔开，使得间距为从稀释孔的第一排向下游到稀释孔的第二排逐渐增加或逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的燃烧器衬垫(12，14)，其特征在于，所述多个冷却孔(44)中的每一个都有相同的直径。
3.根据权利要求1所述的燃烧器衬垫(12，14)，其特征在于，所述多个冷却孔(44)在单个排(46)内沿周向等距间隔。
4.根据权利要求1所述的燃烧器衬垫(12，14)，其特征在于，冷却孔(44)的所述排(46)布置在至少一个组(82，86，88)内，所述至少一个组(82，86，88)的冷却孔的相邻排之间的轴向间距沿纵轴线(11)向下游方向逐渐增加。
5.根据权利要求1所述的燃烧器衬垫(12，14)，其特征在于，所述多个冷却孔(44)以在大约15度到大约20度之间的角度轴向倾斜。
6.根据权利要求1所述的燃烧器衬垫(12，14)，其特征在于，所述多个冷却孔(44)的所述排(46)布置在至少一个组(80，84)内，所述至少一个组(80，84)的冷却孔的相邻排之间的轴向间距从衬垫上游端(60)至少部分朝衬垫下游端(62)逐渐减小。
7.一种燃气轮机组件包括：
压缩机；以及
与所述压缩机流连通接合的燃烧器(10)，所述燃烧器包括：
至少一个具有上游端(60)和下游端(62)的燃烧器衬垫(12，14)，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线(11)；
形成于所述衬垫内的多个冷却孔(44)，所述冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排(46)；
稀释孔(48)的第一排(50)；和
在所述稀释孔的第一排下游形成的稀释孔的第二排，所述多个冷却孔(44)的所述多个周向延伸的排(46)位于所述稀释孔的第一排和第二排间且沿纵轴线可变地间隔开，使得间距为从稀释孔的第一排向下游到稀释孔的第二排逐渐增加或逐渐减小。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机组件，其特征在于，所述多个冷却孔(44)中的每一个都有相同的直径。
9.根据权利要求7所述的燃气轮机组件，其特征在于，所述多个冷却孔(44)在单个排(46)内沿周向等距间隔。
10.根据权利要求7所述的燃气轮机组件，其特征在于，冷却孔(44)的所述排(46)布置在至少一个组(82，86，88)内，所述至少一个组(82，86，88)的冷却孔的相邻排之间的轴向间距沿纵轴线(11)向下游方向逐渐增加。
11.根据权利要求7所述的燃气轮机组件，其特征在于，所述多个冷却孔(44)以在大约15度到大约20度之间的角度轴向倾斜。
12.根据权利要求7所述的燃气轮机组件，其特征在于，所述多个冷却孔(44)的所述排(46)布置在至少一个组(80，84)内，所述至少一个组(80，84)的冷却孔的相邻排之间的轴向间距从衬垫上游端(60)至少部分朝衬垫下游端(62)逐渐减小。
13.一种制造燃气轮机燃烧器衬垫的方法，所述方法包括：
提供包括上游端和下游端的衬垫，所述上游端和下游端具有延伸穿过其中的纵轴线；
在所述衬垫内形成多个冷却孔，所述冷却孔沿纵轴线布置为多个周向延伸的排；
在所述衬垫内形成稀释孔的第一排；和
在所述稀释孔的第一排下游形成稀释孔的第二排，所述多个冷却孔的所述多个周向延伸的排(46)位于所述稀释孔的第一排和第二排间且沿纵轴线可变地间隔开，使得间距为从稀释孔的第一排向下游到稀释孔的第二排逐渐增加或逐渐减小。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括使所述多个冷却孔形成为所述多个冷却孔沿周向等距间隔，并且具有相同的直径。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括使所述多个冷却孔形成为所述多个冷却孔以在大约15度到大约20度之间的角度轴向倾斜。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个冷却孔的所述排的部分排布置在至少一个组(80，84)内，使得所述至少一个组(80、84)的冷却孔的相邻排之间的轴向间距从衬垫上游端至少部分朝衬垫下游端逐渐减小，所述多个冷却孔的所述排的部分排布置在至少另一个组(82，86，88)内，使得所述至少另一个组(82、86、88)的冷却孔的相邻排之间的轴向间距从衬垫上游端至少部分朝衬垫下游端逐渐增加。
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