CN101220965B - 翼片、套筒及用于组装燃烧器组件的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于燃烧器组件(14)的套筒。套筒包括限定在套筒中的多个翼片突出部，每个翼片突出部构造为将冷却空气引通到燃烧器组件的冷却通道(64)内，每个翼片突出部包括一对在前缘(542)处和后缘(546)处联接在一起的相对的侧壁(550、552)，和限定在侧壁之间以引通冷却空气通过其的至少一个通路(502)。该至少一个通路构造为以大致垂直于冷却通道中围绕翼片(500、600)流动的空气方向的方向引导空气。

Description

翼片、套筒及用于组装燃烧器组件的方法
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，且更特定地涉及冷却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以在发动机内冷却燃烧组件。通常，冷却空气从联接为与燃烧组件流动连通的压缩机供应。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出到压力通风系统，其至少部分地围绕分别延伸过过渡件和燃烧器衬垫的冲击套筒和流动套筒延伸。冷却空气从压力通风系统流动通过这些套筒的进口且进入到限定在冲击套筒和过渡件之间(过渡通道)和燃烧器衬垫和流动套筒之间(衬垫通道)的冷却通道。流动通过过渡通道的冷却空气排出到衬垫通道内。冷却空气由过渡件和/或燃烧器衬垫的金属表面加热且然后与燃料混合以被燃烧器使用。
为了保护燃烧衬垫和过渡件的机械属性并延长其操作寿命，希望燃烧衬垫和过渡件被均匀地冷却。至少一些已知的流动套筒和冲击套筒包括进口，其成形或构造为利于冷却空气流动通过它们。其他进口用带开口端的套环填充，其构造为将冷却空气以大致垂直于已经在通路中的冷却空气流动的角度导向到冷却通道内。对于这些选择，由于相对的流动定向，流动通过通道的空气可能损失轴向动量，且也可能生成从压力通风系统进入的冷却空气的动量的障碍。
发明内容
一方面，提供用于组装燃烧器组件的方法。该方法包括提供具有多个进口的至少一个套筒，且将至少一个翼片联接到限定在该至少一个套筒中的多个进口的至少一个上。翼片包括一对在前缘处和后缘处联接在一起的相对的侧壁，和在翼片侧壁之间形成以引通冷却空气的至少一个通路。冷却空气导向为大致垂直于围绕待冷却的燃烧器组件的部分中的翼片流动的空气的方向流动。该方法也包括围绕待冷却的燃烧器组件的部分联接至少一个套筒。
另一方面，提供用于燃烧器组件的套筒。套筒包括限定在套筒中的多个翼片突出部，其中每个翼片突出部构造为引通冷却空气到燃烧器组件的冷却通道内。每个翼片突出部包括一对在前缘处和后缘处联接在一起的相对的侧壁，和限定在翼片侧壁之间以引通冷却空气通过其的至少一个通路。该至少一个通路构造为以大致垂直于冷却通道中围绕翼片流动的空气方向的方向引通空气。
又一方面，提供用于引通冷却空气到燃烧器组件的冷却通道的翼片。翼片包括一对在前缘处和后缘处联接在一起的相对的侧壁，使得翼片围绕延伸在相对的侧壁之间的中心平面大致对称。翼片也包括第一端部分和第二端部分，其中每个端部分大致垂直于相对的侧壁且延伸在其之间。翼片也包括至少一个通路以通过其引通冷却空气。该至少一个通路限定在侧壁之间且从第一端部分延伸到第二端部分。
再一方面，提供了一种能够插入到或联接到如前所述的套筒的用于将冷却空气引通到燃烧器组件的冷却通道的模板，该模板包括外部表面、内部表面和在外部表面和内部表面之间延伸的多个开口，该外部表面具有大致匹配所述套筒的部分的轮廓，该模板可移除地联接到所述套筒以引导冷却空气通过多个开口进入冷却通道。
附图说明
图1为示范性的燃气涡轮发动机的示意性截面图；
图2为可以与图1中显示的燃气涡轮发动机使用的示范性燃烧器组件的部分的放大截面图；
图3为当压缩的冷却空气进入通道时衬垫通道的截面图；
图4图示可以形成在图3中显示的衬垫通道中的空气平行流动；
图5图示可以形成在图3中显示的衬垫通道中的湍流空气流；
图6为与图3中显示的衬垫通道使用的翼片的示范性实施例的截面图；
图7图示图6中显示的翼片的透视图；
图8为与图3中显示的衬垫通道使用的多通路翼片的进一步实施例的截面图；
图9图示图8中显示的多通路翼片的透视图；
图10为模板的示范性实施例的透视图；
图11为图10中显示的模板的截面图。
具体实施方式
图1为示范性的燃气涡轮发动机10的示意性截面图。发动机10包括压缩机组件12、燃烧器组件14、涡轮机组件16和共用的压缩机/涡轮机转子轴18。应当注意的是，发动机10仅为示范性的，且本发明的实施例并不限于发动机10且可以替代地实施在要求以在此描述的类似方式冷却的任何燃气涡轮发动机或者受热系统内。
操作中，空气流动通过压缩机组件12且压缩的空气排出到燃烧器组件14以与燃料混合并冷却燃烧器组件14的零件。燃烧器组件14喷射燃料到空气流动内，例如天然气和/或燃料油，点燃燃料-空气混合物以通过燃烧膨胀燃料-空气混合物且产生高温燃烧气体流。燃烧器组件14与涡轮机组件16流动连通，且将高温膨胀气体流排出到涡轮机组件16内。高温膨胀气体流将旋转能量传给涡轮机组件16，且由于涡轮机组件16可旋转地联接到转子18，转子18随后提供旋转动力给压缩机组件12。
图2为燃烧器组件14的部分的放大截面图。燃烧器组件14联接为与涡轮机组件16且与压缩机组件12流动连通。压缩机组件12包括彼此流动连通联接的扩散器50和排气压力通风系统52，以将空气如以下进一步讨论的引通通过燃烧器组件14。
燃烧器组件14包括大致圆形的圆顶板54，其至少部分地支撑多个燃料喷嘴56。圆顶板54用保持硬件(图2中未显示)联接到大致圆柱形燃烧器流动套筒58。大致圆柱形燃烧器衬垫60定位在流动套筒58内且经由流动套筒58支撑。衬垫60限定大致圆柱形的燃烧器室62。更具体地，衬垫60从流动套筒58径向向内地间隔，使得环形燃烧衬垫冷却通道64限定在流动套筒58和燃烧器衬垫60之间。流动套筒58限定多个进口66，其使来自压缩机排气压力通风系统52的空气流的部分能够流动进入衬垫冷却通道64。
冲击套筒68在冲击套筒68上游端69处联接到燃烧器流动套筒58且与其大致同心。过渡件70联接到冲击套筒68的下游端67。过渡件70与衬垫60一起利于将室62中产生的燃烧气体向下游引通到涡轮机喷嘴84。过渡件冷却通道74限定在冲击套筒68和过渡件70之间。限定在冲击套筒68内的多个开口76使来自压缩机排气压力通风系统52的空气流动的部分能够被引通到过渡件冷却通道74内。
操作中，压缩机组件12经由轴18(图1中所示)被涡轮机组件16驱动。当压缩机组件12旋转时，它压缩空气且将压缩的空气排出到扩散器50内，如图2所示(空气流由箭头指示)。在示范性的实施例中，从压缩机组件12排出的空气的部分引通通过压缩机排气压力通风系统52朝向燃烧器室62，且从压缩机组件12排出的空气的另一部分向下游引通以用于冷却发动机10部件。更具体地，压力通风系统52内的增压压缩空气的第一流动支线78经由冲击套筒开口76引通到过渡件冷却通道74内。空气然后在过渡件冷却通道74内向上游引通且排出到燃烧衬垫冷却通道64。此外，压力通风系统52内的增压压缩空气的第二流动支线80围绕冲击套筒68引通且经由进口66喷射到燃烧衬垫冷却通道64内。进入进口66的空气和来自过渡件冷却通道74的空气然后在衬垫冷却通道64中混合且然后从衬垫冷却通道64排出到燃料喷嘴56，其中它与燃料混合且在燃烧室62内点燃。
流动套筒58大致将燃烧室62和它的相关燃烧过程从外侧环境，例如环绕的涡轮机部件隔离。得到的燃烧气体从室62向将燃烧气体流向涡轮机喷嘴84引通的过渡件70的腔引通且通过该腔。
图3为当压缩的空气经由进口66通过流动套筒58进入衬垫冷却通道64时衬垫冷却通道64的截面图。至少一些已知的系统采用一个直的套环86或多个套环86，其定位在进口66内且覆盖进口66，以将压缩空气导向到衬垫冷却通道64内。通过将压缩空气进一步导向到衬垫冷却通道64内且生成冷却压缩空气将到达衬垫60(也称为冲击衬垫60)的更大的可能性，套环86利于热传递。尽管图3图示压缩空气通过带有和不带有套环86的进口进入衬垫冷却通道64，类似的构造可以用于将压缩空气导向到过渡件冷却通道74内。
当压缩空气进入过渡件冷却通道74或衬垫冷却通道64时，可能发生压力损失。由于它最大化热传递，一些这种压力损失是有用的，例如当空气流与通道空气流混合和/或在衬垫60或过渡件70上冲击时发生的损失。然而，由于排空(dump)损失或转向损失，其他压力损失是浪费的。
为了利于最大化有用的压力损失且最小化浪费的压力损失，套环86、衬垫冷却通道64和过渡件冷却通道74可以构造为维持Taylor-Gortler型流动(也称为湍流空气流)。图4和图5分别图示空气平行流动和湍流流动，箭头指示空气流方向。平行流动可以比湍流空气流导致与通道空气流更少的混合和与衬垫60或过渡件70更小的冲击。
本发明的实施例也可以用于通过提高热传递利于冷却燃烧器组件且能够用于利于减少压力损失的数量。
图6-9图示可以与套筒106，例如流动套筒58或冲击套筒68使用的翼片。例如，当横向流动(即通道流动)动量与通路流动动量比非常高时，可以使用翼片，且当希望减少由于尾流(wake)形成的压力损失时也能够使用翼片。图6图示翼片500的示范性实施例的截面图。翼片500限定通路502，其构造为允许冷却空气在其之间通过。尽管通路502为大致圆形的过道，通路502可以具有允许空气通过的任何形状或构造。
此外，翼片500包括凸缘部分504，其当翼片500安放在套筒106中时接合套筒106。凸缘部分从相对的侧壁550和552延伸且具有外部宽度。通道部分560由每个相对侧壁550和552的外部表面限定且具有外部宽度。通道部分560联接到凸缘部分504且在其下游(相对于通路502)。凸缘部分504的外部宽度大于通道部分560的外部宽度，使得凸缘部分504不会被推动通过套筒106。
图7图示翼片500的底部透视图。翼片500具有大致空气动力学形状，包括第一侧壁550和第二侧壁552，其限定前缘542和后缘546。前缘542将通道107的空气流转向。在一些实施例中，如图6所示，前缘542包括翅片部分543，其构造为将通道空气流向下导向进一步向衬垫或过渡件进入通道107。在一些实施例中，前缘542包括尖端544(图6和7所示)以利于进一步减少尾流形成。在其他实施例中，前缘542为大致三角形。
同样如图7所示，由线549指示的中心平面在侧壁550和552之间延伸，使得翼片500关于中心平面对称。同样如图6和7所示，翼片500包括第一端部分541和第二端部分540，其中每个端部分540和541大致垂直于相对的侧壁550和552且在其之间延伸。在一些实施例中，端部分540和541大致是平的。在其他实施例中，端部分540和541的至少一些是空气动力学构造。
翼片500的后缘546也构造为减少尾流形成。后缘546限定为翼片500的部分，其中侧壁550和552随着侧壁向下游延伸开始变窄。后缘546比前缘542长。在一个实施例中，侧壁550和552渐缩到端点548。
图8和9图示具有多个通路的翼片600。翼片600构造为类似于上文讨论的翼片500。翼片600包括凸缘部分604，其当翼片600安放在套筒106的开口之间时接合套筒106。翼片600具有大致空气动力学形状，包括第一侧壁650和第二侧壁652，其限定前缘642、后缘644、第一通路643和第二通路645。前缘642联接到第一通路643或定位在其附近，且后缘644联接到第二通路645或定位在其附近。前缘642和后缘644构造为类似于前缘542和后缘546(上文讨论的)。此外，尽管图9中通路643和645相对于彼此和通道空气流方向对齐，本发明的实施例也可以包括不与彼此和通道空气流方向成直线的通路。
此外，在一些实施例中，翼片600包括结合两个通路的凹口段648。尽管图8和9图示结合第一通路643和第二通路645的凹口段648，本发明的实施例也可以包括三个或更多通路，可选择地具有结合通路的附加凹口段648。在一个实施例中，凹口段648的至少部分延伸到冷却通道中的深度比第一通路643和第二通路645的深度、或前缘642或后缘644最深的深度浅。此外，在一些实施例中，对于凹口段648的至少部分，凹口段648的相对侧壁650和652以三角形或尖端状形状相交在一起。该部分在衬垫或过渡件方向指向下游(相对于通路空气流)。
如图9所示，由线649指示的中心平面在侧壁650和652之间延伸，使得翼片600相对于中心平面对称。同样如图8和9所示，翼片600包括第一端部分641和第二端部分640，其中每个端部分640和641大致垂直于相对的侧壁650和652且在其之间延伸。在一些实施例中，端部分640和641大致是平的。在其他实施例中，端部分640和641的至少一些是空气动力学构造。
由于翼片可以具有长的长度，套筒106中的曲线可能要求在翼片中水平调节。如图8所示，凸缘部分604可以包括多个水平以符合套筒106的设计。尽管图8图示翼片600的多个水平，多个水平也可以用于翼片500。这些水平可以具有不同的厚度。在可替换的实施例中，凸缘部分604(或504)轻微地倾斜直到它与套筒106平齐或相平。在其他实施例中，翼片600和500制造为具有与套筒106相等的曲率，从而减少或消除水平调节的需要。
尽管翼片500和600看起来从套筒106分离或可移除，本发明的实施例也包括集成到套筒106内(即联接或固定到套筒106)的翼片和制造为限定或形成形状类似于在此描述的翼片的翼片突出部的套筒106。翼片500和600、套筒106或模板740(下文讨论)可以从能够经受热、压力、和燃烧器组件的振动的任何合适材料制造，包括用于制造流动套筒或冲击套筒的材料。
本发明的实施例也包括能够插入到或联接到套筒106，例如流动套筒58和冲击套筒68的部分的模板740。图10为模板740的透视图，且图11为模板740的截面图。模板740构造为利于将冷却空气引通到燃烧器组件14的过渡件冷却通道74。模板740包括外部表面742、内部表面744和在外部表面742和内部表面744之间延伸的多个开口746。外部表面742成形且设计为大致匹配流动套筒58或冲击套筒68的部分的轮廓。
模板740可以安放在任何位置，然而，在热传递未确定、压力场大致变动、或预期有压力波动的地方，模板740特别有用。例如，图1图示定位在冲击套筒68的下游端附近的模板740。模板740使燃烧器组件14的操作者能够优化用于套筒106的部分的热传递、压力损失减少、或燃烧动态减少的一个。
模板740可以固定地联接或可移除地联接到套筒以导向冷却空气通过开口。开口746可以定尺寸为配合套环，例如套环86，或可以定位为配合翼片，例如翼片500和600(图11中所示)。翼片或定轮廓的套环可以装配到模板740以满足热传递、燃烧动态或压降的要求。
当燃烧器组件14的操作条件改变时，模板740使操作者能够再构造燃烧器组件14的冷却。例如，在联接到套环86或翼片500和600之外，在燃烧器组件试验或操作期间，开口746可以被覆盖或封闭。此外，开口746可以以网格模式排列，例如以两排，且排列为利于冷却燃烧器组件14、减少压力损失、和减轻燃烧动态的一个。
本发明也提供用于燃烧器组件的套筒。套筒包括限定在套筒中的多个翼片突出部，其中每个翼片突出部构造为引通冷却空气到燃烧器组件的冷却通道。每个翼片突出部包括一对在前缘处和后缘处联接在一起的相对的侧壁，和限定在翼片侧壁之间以引通冷却空气通过其的至少一个通路。该至少一个通路构造为以大致垂直于冷却通道中围绕翼片流动的空气方向的方向引导空气。
本发明也提供用于组装燃烧器组件的方法。该方法包括提供具有多个进口的至少一个套筒，且将至少一个翼片联接到限定在该至少一个套筒中的多个进口的至少一个上。翼片包括一对在前缘处和后缘处联接在一起的相对的侧壁，和在翼片侧壁之间形成以引通冷却空气的至少一个通路。冷却空气导向为大致垂直于在待冷却的燃烧器组件的部分中围绕翼片流动的空气方向流动。该方法也包括围绕待冷却的燃烧器组件的部分联接该至少一个套筒。
如在此使用的，以单数叙述且紧随“一”或“一个”的元件或步骤应当理解为并不排除多个所述元件或步骤，除非清楚叙述这样的排除。此外，参见本发明的“一个实施例”并不意味着解释为排除也合并所述特征的附加实施例的存在。
在此描述的为用于翼片、套筒和模板的实施例，其允许优化过渡件70和燃烧器衬垫60的冷却，从而有减少的温度梯度。类似地，本发明的实施例利于减少压力损失。此外，由于在此描述的套环、翼片和模板的一些是可移除的，如果进行燃烧过程的任何变化(例如载荷计划、着火温度、燃料等变化)，可以改变排列。
尽管在此描述的设备和方法在燃气涡轮发动机的燃烧器组件的上下文中描述，应当理解的是，设备和方法并不限于燃烧器组件或燃气涡轮发动机。类似地，图示的部件并不限于在此描述的具体实施例，但相反，翼片和套筒的部件能够从在此描述的其他部件独立且分离地使用。
尽管本发明已经关于不同具体实施例描述，本领域中的技术人员将认识到，本发明能够以在权利要求书的精神和范围内的修改实施。
零件列表
燃气涡轮发动机10
压缩机组件12
燃烧器组件14
涡轮机组件16
转子轴18
扩散器50
排气压力通风系统52
圆顶板54
燃料喷嘴56
流动套筒58
衬垫60
燃烧器室62
冷却通道64
进口66
下游端67
冲击套筒68
上游端69
过渡件70
过渡件冷却通道74
开口76
第一流动支线78
第二流动支线80
涡轮机喷嘴84
套环86
套筒106
通道107
翼片500
通路502
凸缘部分504
第二端部分540
端部分540
第一端部分541
前缘542
翅片部分543
尖端544
后缘546
端点548
线549
侧壁550
相对侧壁552
通道部分560
翼片600
凸缘部分604
第二端部分640
第一端部分641
前缘642
第一通路643
后缘644
第二通路645
凹口段648
线649
第一侧壁650
第二侧壁652
模板740
外部表面742
内部表面744
开口76

Claims (18)

1.一种用于组装燃烧器组件的方法，所述方法包括：
提供具有多个进口的至少一个套筒；
将至少一个翼片联接到限定在所述至少一个套筒中的多个进口的至少一个，其中翼片包括一对在前缘处和后缘处联接在一起的相对的侧壁，和在翼片侧壁之间形成以引通冷却空气的至少一个通路，冷却空气导向为大致垂直于围绕待冷却的燃烧器组件的部分中的翼片流动的空气的方向；以及
围绕待冷却的燃烧器组件的部分联接至少一个套筒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将至少一个翼片联接到多个进口的至少一个还包括：联接至少一个翼片使得前缘和后缘与待冷却的燃烧器组件的部分中的空气流动方向大致对齐。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将至少一个翼片联接到多个进口的至少一个包括：将多个翼片联接到多个进口，其中所述多个翼片的每个翼片均包括用于所述多个进口中的每个进口的一个通路。
4.根据权利要求1所述的方法，其中联接多个翼片包括：联接翼片使得所述翼片利于冷却通道中的空气的湍流流动。
5.一种用于燃烧器组件(14)的套筒，所述套筒包括限定在所述套筒中的多个翼片突出部，每个翼片突出部构造为将冷却空气引通到所述燃烧器组件的冷却通道(64)内，每个翼片突出部包括：
一对在前缘(542)处和后缘(546)处联接在一起的相对的侧壁(550、552)；和
限定在所述侧壁之间以引通冷却空气通过其的至少一个通路(502)，所述至少一个通路构造为以大致垂直于在所述冷却通道中围绕所述翼片(500、600)流动的空气方向的方向引导空气。
6.根据权利要求5所述的套筒，其中所述翼片突出部围绕延伸在所述相对的侧壁(550、552)之间的中心平面大致对称。
7.根据权利要求5所述的套筒，其中每个翼片突出部的所述前缘(542)为尖端形。
8.根据权利要求5所述的套筒，其中每个翼片突出部包括限定在所述一对相对的侧壁(550、552)之间的多个通路(643、645)。
9.根据权利要求8所述的套筒，其中用于每个翼片突出部的所述多个通路(643、645)的每个所述通路具有空气流方向，其中每个所述通路空气流方向与其它通路空气流方向平行。
10.一种用于将冷却空气引通到燃烧器组件(14)的冷却通道(64)的翼片(500、600)，所述翼片包括：
一对在前缘(642)处和后缘(644)处联接在一起的相对的侧壁(550、552)，所述翼片围绕延伸在所述相对的侧壁之间的中心平面大致对称；
第一端部分(641)和第二端部分(640)，每个所述端部分大致垂直于所述相对的侧壁且延伸在其之间；和
至少一个通路(502)，以通过其引通冷却空气，所述至少一个通路限定在所述侧壁之间且从所述第一端部分延伸到所述第二端部分。
11.根据权利要求10所述的翼片(500、600)，其中所述前缘(642)为尖端形。
12.根据权利要求10所述的翼片(500、600)，其中所述翼片包括限定在所述一对相对的侧壁(550、552)之间的多个通路(643、645)。
13.根据权利要求12所述的翼片(500、600)，其进一步包括限定在所述多个通路(643、645)的两个相邻通路之间的至少一个凹口部分(648)。
14.根据权利要求12所述的翼片，其中所述多个通路的每个所述通路具有空气流方向，其中每个所述空气流方向与其它空气流方向平行。
15.根据权利要求10所述的翼片，还包括凸缘部分和通道部分，所述凸缘部分从所述相对的侧壁延伸且具有外部宽度，所述通道部分由每个所述相对的侧壁的外部表面限定且具有外部宽度，其中所述通道部分联接到所述凸缘部分且在其下游，所述凸缘部分的所述外部宽度大于所述通道部分的所述外部宽度。
16.一种能够插入到或联接到如权利要求5-9中任一项所述的套筒的用于将冷却空气引通到燃烧器组件的冷却通道的模板，所述模板包括外部表面、内部表面和在外部表面和内部表面之间延伸的多个开口，所述外部表面具有大致匹配所述套筒的部分的轮廓，所述模板可移除地联接到所述套筒以引导冷却空气通过所述多个开口进入冷却通道。
17.根据权利要求16所述的模板，其中所述多个开口以网格模式排列。
18.根据权利要求17所述的模板，其中所述多个开口以至少两排排列。
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