CN101657682B - 用于涡轮发动机的挡溅板拱座组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮发动机的燃烧室衬套的挡溅板拱座组件(16)，包括具有外周边(26)的挡溅板(20)，该外周边(26)包括多个角部(27)。挡溅板还具有限定孔(24)和环形凸缘(30)的内周边(28)。挡溅板(20)可以包括从所述外周边延伸到所述内周边的多个第一流动引导部(32)。挡溅板还可以包括多个第二流动引导部(34)，每个所述第二流动引导部(34)从所述角部中的一个延伸到相对于所述外周边沿径向向内并且相对于所述内周边沿径向向外的位置。

Description

用于涡轮发动机的挡溅板拱座组件

技术领域

本发明总的涉及对燃气轮机的燃烧室衬套的改进，更具体地，涉及一种改进的挡溅板拱座组件。

背景技术

燃气轮机通常用作产业机械，例如在矿业、制造业、煤气工业和石油工业中使用的机械，以及在公用事业或商用中备用发电的功率源。典型的燃气轮机可以利用压缩机向燃烧部分提供压缩空气。在一些涡轮发动机中，燃烧部分可以包括环绕发动机的中心轴布置的多个燃烧室(即，“筒形燃烧室”)，每个燃烧室具有至少一个燃料喷射器。替代地，燃烧部分可以包括环形燃烧室，该环形燃烧室具有围绕燃烧室的环形拱座设置的多个喷射器。压缩空气在燃烧室中可以与来自燃料喷射器的燃料进行混合并且可以通过传统方式点燃以产生燃烧气体。燃烧气体可以从燃烧室排放到涡轮机中，涡轮机可以从气体吸取能量以向发动机和/或机械的各个部件提供动力。

在操作过程中，燃烧室内的温度由于燃料/空气混合物的放热燃烧而可以升高。最接近燃料喷射器的部件会承受最高的温度。因此，已经试图在燃烧室衬套内提供冷却涂层和/或隔热罩，用于保护燃烧室部件不受燃烧热效应的影响。燃烧室部件也已经通过冲击冷却方法或者通过薄膜冷却加以冷却，在冲击冷却方法中，冷却空气被直接喷射到燃烧室的热的部件上。

例如，授予Harrison等人的美国专利No.5490389(’389专利)描述了具有燃料喷射器的燃烧室，该燃料喷射器设置在安装到燃烧室的隔板或拱座上的隔热罩的中央。隔板具有多个用于在隔板和隔热罩之间提供空气流动的孔，这形成了向外的空气环流。隔热罩具有多个倾斜的冷却孔，用于引导一部分冷却空气通过隔热罩并且向外经过其下游面以便薄膜冷却隔热罩。隔热罩也通过安装到其上游面的多个基座冷却。

虽然’389专利提供对隔热罩进行一定冷却并且形成向外的空气环流，但其提供充分冷却且降低排放的能力会受到限制。具体地，隔板和隔热罩之间的向外流动可能是不够的。此外，隔热罩中的孔可能导致火焰熄灭和增加的排放，特别是在贫油预混合系统中。最后，’389专利的隔热罩由于具有众多基座和孔而昂贵且难于加工。

在另一个例子中，授予Stastny的美国专利No.6497105(’105专利)描述了一种燃烧室，该燃烧室具有安装到其隔板或拱座的隔热罩。冷却空气从围绕燃料喷射器的环形间隙被引导到隔热罩和隔板之间的间隙。隔热罩具有多个孔，用于引导加压冷却空气通过隔热罩进入燃烧室内，以便冷却隔板和隔热罩。隔热罩还具有多个销和远离屏蔽板向外延伸的内侧和外侧脊，分别用于增大空气接触表面和形成空气通道。

虽然’105专利提供对隔热罩进行一定冷却，但其提供充分冷却且降低排放的能力会受到限制。具体地，由于冷却空气并不是从隔热罩的周边引导，并且由于孔可以允许冷却空气直接进入燃烧室，因此可能发生火焰熄灭。同样，隔热罩的众多销、脊和孔可能需要昂贵且耗时的加工技术。

发明内容

在一个方面中，本发明涉及一种用于涡轮发动机的环形燃烧室拱座的挡溅板，其包括具有多个角部的外周边和限定孔和环形凸缘的内周边。挡溅板还还可以包括从所述外周边延伸到所述内周边的多个第一流动引导部。挡溅板还可以包括多个第二流动引导部，每个第二流动引导部从所述角部中的一个延伸到相对于所述外周边沿径向向内并且相对于所述内周边沿径向向外的位置。

在另一个方面中，本发明涉及一种用于涡轮发动机的环形燃烧室，其包括内部燃烧室衬套、外部燃烧室衬套、燃烧室拱座和挡溅板。该挡溅板可以包括具有多个角部的外周边和限定孔和环形凸缘的内周边。挡溅板还可以包括从所述外周边延伸到所述内周边的多个第一流动引导部。挡溅板还可以包括多个第二流动引导部，每个第二流动引导部从所述角部中的一个延伸到相对于所述外周边沿径向向内并且相对于所述内周边沿径向向外的位置。

附图说明

图1是示例性公开的涡轮发动机的燃烧室的剖视图；

图2A是示例性公开的挡溅板的下游视图；

图2B是示例性公开的挡溅板的侧视图；

图2C是示例性公开的挡溅板的上游视图；

图3A是示例性公开的环形燃烧室拱座的透视图；

图3B是图3A的环形燃烧室拱座的透视图，其中，环形燃烧室拱座具有安装在其上的环形布置的示例性公开的挡溅板；

图4是示例性公开的挡溅板拱座组件的剖视图；以及

图5是示例性公开的挡溅板拱座组件的装配图。

具体实施方式

图1示出了涡轮发动机的一种示例性的环形燃烧室10。通常，环形燃烧室10可以燃烧燃料和压缩空气的混合物，以产生机械功输出。如图1的剖视图所示，示例性的环形燃烧室10可以包括内部燃烧室衬套12、外部燃烧室衬套14、一个或多个罩13和至少一个燃料喷射器15。罩13例如可以包括安装在内部燃烧室衬套12和外部燃烧室衬套14上的一组内部和外部冲击罩。内部燃烧室衬套12和外部燃烧室衬套14中的每个都可以与在燃烧室的上游端部处的挡溅板拱座组件16连通。

挡溅板拱座组件16可以包括“隔板”或环形拱座18、多个挡溅板20和多个浮动遮蔽件21。拱座18可以是安装在外部燃烧室衬套14的外周边处和安装在内部燃烧室衬套12的内周边处的环形金属片。拱座18也可以被设置成承载燃烧室的每个燃料喷射器15，例如使得每个燃料喷射器15延伸通过拱座18的沿径向布置的孔。在一种实施方式中，拱座18还可以包括多个分布式的通孔(未示出)，所述通孔用于提供从拱座18的上游面到拱座18的下游面的空气通道。

每个挡溅板20可以安装到浮动遮蔽件21。浮动遮蔽件21可以是环形、大致T形的凸缘或垫圈，其可以固定到拱座18并且围绕燃料喷射器15设置。在一种实施方式中，浮动遮蔽件21可动地设置成沿轴向相对于燃料喷射器15并且沿径向相对于挡溅板拱座组件16的其它部分移动。因此，浮动遮蔽件21可以调节环形燃烧室10的部件之间由于超高温和超大应力引起的扩张和相对运动。挡溅板20可以安装到浮动遮蔽件21，以便在拱座18和挡溅板20之间形成间隙19。挡溅板20可以替代地安装到内部燃烧室衬套12和/或外部燃烧室衬套14，或者安装到任何其它附近的部件，该部件足以在拱座18和挡溅板20之间提供所需的间隙19。

一般而言，由于拱座18可以包括通孔17，因此来自挡溅板拱座组件16上游的冷却空气可以通过拱座18进入间隙19。进入间隙19的冷却空气然后可以被挡溅板20沿径向向外朝向环形燃烧室10的内部燃烧室衬套12和外部燃烧室衬套14引导。现在需要注意的是挡溅板20的具体特征和优点。

图2A-2C示出了示例性的挡溅板20，该挡溅板20具有图2A中所示的上游“冷侧”、图2B中所示的侧面图和图2C中所示的下游“热侧”。挡溅板20的冷侧可以面向拱座18。挡溅板20的热侧可以面向环形燃烧室10的燃烧室。在一种实施方式中，挡溅板20可以包括金属板，在一些情况下，该金属板的尺寸类似于拱座18的一部分的尺寸。例如，挡溅板20可以包括具有中间孔24的冲压、铸造或锻造的金属板22。挡溅板20可以具有由外周边26和内周边28限定的大致环形形状，其中，外周边26具有多个角部27。在一种实施方式中，外周边26可以由通过两条侧边缘连接的上弧和下弧限定，使得两条弧的半径和所述侧边理论上相交于共同的远点(例如，燃烧室的中心点)。因此，相邻的挡溅板20的组件可以形成对应于拱座18的环形形状。内周边28可以包括环形凸缘30，该环形凸缘30限定中间孔24的周长。类似于拱座18的每一部分，挡溅板20的孔24可以被构造成在其中设置燃料喷射器15。

如图2A所示，挡溅板20的冷侧可以包括多个第一流动引导部32。第一流动引导部32可以从挡溅板20的外周边26延伸到挡溅板20的内周边28。更具体地，第一流动引导部32可以与在外周边26处的金属板22形成一体并且与在内周边28处的环形凸缘30形成一体。第一流动引导部32可以与挡溅板20铸造或锻造成一体。在一种示例性的实施方式中，挡溅板20可以包括大量第一流动引导部，该数量为6至18个。在另一种示例性的实施方式中，挡溅板20可以包括大量第一流动引导部，该数量为10至12个。

挡溅板20还可以包括多个第二流动引导部34。每个第二流动引导部34可以从在挡溅板20的外周边26处的角部27延伸到从外周边26沿径向向内且从内周边28沿径向向外的位置。在图2A的实施方式中，挡溅板20可以包括四个角部27和四个对应的第二流动引导部34。与第一流动引导部32一样，第二流动引导部34可以与挡溅板20的金属板22铸造或锻造成一体。因此，第一和第二流动引导部32、34可以形成图2A中所示的示例性的“毂和辐条”布置。

如图2B所示，挡溅板20可以具有被构造成与拱座18的一部分匹配的稍成型的轮廓。例如，环形凸缘30可以被稍下压，或者低于挡溅板20的周边。因此，围绕环形凸缘30的区域可以向下倾斜以获得该几何构型。挡溅板20的特定角度可以有利于间隙19中的气流，如下将要更加详细描述的。

如图2C所示，挡溅板20的热侧可以是大致平滑的并且被构造成耐燃烧环境。例如，挡溅板20的热侧可以包括热障涂层。在一种实施方式中，挡溅板20的热侧可以被喷砂处理，为施加涂层做准备。喷砂处理或任何类似的适当的方法可以清洁表面和使表面粗糙，以利于更加容易且持久地施加涂层。由于该过程引起的刚性的任何下降都可以通过第一和第二流动引导部32、34的结构性支撑而最小化。

图3A示出了拱座18的一部分，其中，环形拱座的每个相邻部分可以被构造成用于容纳相应的燃料喷射器和相应的挡溅板20。如图所示，拱座18可以包括多个通孔17，所述通孔17可以被构造成用于提供从拱座18的上游面到每个挡溅板20的冷侧的流体入口。图3B示出了已被保护性挡溅板20的环形布置罩住的拱座18，每个挡溅板20安装到拱座18的对应部分并且被构造用于容纳其各自的燃料喷射器(未示出)。

图4示出了示例性的挡溅板拱座组件16的局部剖视图，其中，拱座18可以包括通孔17，挡溅板20可以包括一体的流动引导部32。具体地，图4示出了通过与挡溅板20(例如如图1的上半部分所示)形成一体的流动引导部32的中间的剖视图。挡溅板20可以经由浮动遮蔽件21(如图所示)或经由任何相邻的部件安装到拱座18，以便在拱座18和挡溅板20之间形成适当的间隙19。因此，冷却空气可以经由通孔17进入间隙19并且沿着从点38到周边出口40的方向径向向外地行进通过由流体引导部32形成的通道。间隙19的宽度和孔17的直径的尺寸可以被设计成基于待利用的冷却气流量获得所需的冲击传热系数。在一种实施方式中，第一流动引导部32和第二流动引导部34可以是越厚越好。更特别地，流动引导部可以只比间隙19浅一定量，该一定量是为解决由于热的燃烧气体引起的流动引导部和挡溅板20的热增长所需的量。在一种实施方式中，第一和第二流动引导部32、34的厚度可以相等并且小于环形凸缘30的厚度。在另一种实施方式中，第一和第二流动引导部32、34的厚度可以是大约0.25英寸。

本领域技术人员可以理解，虽然图4示出了挡溅板拱座组件16的一种示例性的实施方式，但在本发明的范围内可以设想用于将拱座18和挡溅板20附加成与浮动遮蔽件21和/或燃烧室衬套12、14相对接合的任何适当的布置。

图5示出了示例性的挡溅板拱座组件16的下游视图，其中，挡溅板20和流动引导部32、34被以虚线示出为设置在拱座18的后面或者拱座18的下游。在一种实施方式中，拱座18的通孔17可以被设置成在靠近挡溅板20的外周边的位置处的密度增大。此外，所示挡溅板20具有限定其角部27中的每一个的半径r。相邻挡溅板20的每个角部27的半径r可以减小以减小相邻挡溅板的角部之间的局部间隙。此外，当装配时，距离d可以限定相邻布置的挡溅板20之间的间隙，如图5所示。在一种实施方式中，d可以小于0.25英寸。替代地，d可以由拱座18和挡溅板20之间的间隙19的宽度来限定，如图4A和4B所示。

工业实用性

根据本发明的挡溅板、挡溅板拱座组件和燃烧室可以应用到需要提高燃料效率和降低NO_X排放的任何涡轮发动机。现在描述环形燃烧室10、挡溅板拱座组件16和挡溅板20的操作。

在涡轮发动机的操作过程中，空气可以经由压缩机部分(未示出)吸入并被压缩。该压缩空气然后可以被引导到包括环形燃烧室10的燃烧室部分以待与燃料混合用于燃烧。当燃料和空气的混合物进入燃烧室时，其可以点燃并充分燃烧。热膨胀废气然后可以被排入涡轮部分(未示出)中，在这里，燃烧气体的热能可以转换成涡轮转子叶片和中心轴的转动能。

更具体地，参照图1和4，来自上游位置，例如涡轮机的压缩机部分的压缩空气可以通过拱座18的孔17进入间隙19。因此，孔17可以限定一列冲击挡溅板20的上游冷侧的冲击式冷却喷嘴。在挡溅板20的周边处增大孔17的密度可以根据需要沿特定方向偏置气流的引入。间隙19中的冷却空气可以被限制在拱座18和挡溅板20之间，并且至少部分地由流动引导部32、34来约束。由于流动引导部32、34沿径向延伸，流动引导部32、34可以使空气在间隙19中的径向涡流的自然趋势最小化。此外，由于流动引导部32、34在间隙19中占据容积，因此，流动引导部32、34减小了冷却空气在朝着挡溅板20的周边通过时所能经过的横截面积。在实际的体积气流未相应减少的情况下，间隙19中可用容积减小会导致流动速度增大。气流速度的这种增大可具有多个优点。

首先，沿径向排出气流的速率增大会使拱座18和挡溅板20的冷却对流速率增大。此外，气流速度增大会引起沿周边排出的气流(即，在图4A中从点38到周边出口40)的压力下降。由于流动速度和压力下降的增大，可以使之前存在的在挡溅板的周边处的静压分布的不规则性最小化或者消除。具体地，第一和第二流动引导部32、34可以通过使捕获的空气的“死区”或凹窝最小化的方式向外引导气流通过挡溅板20的整个半径。这可以防止主区的热燃烧气体被吸入到间隙19中。在冷却方面的这些改进可以防止拱座和挡溅板中的过高金属温度(例如2100°F及以上)。

其次，气流速率和挡溅板20角度的增大会导致冷却气流被进一步沿着内部燃烧室衬套12和外部燃烧室衬套14引导。由于冷却气流的该次级方向可以用作火焰和燃烧室衬套之间的屏障，因此可以防止拱座18的下游位置处的火焰附着(flame attachment)和过高的热负载，或使其最小化。因此，在该下游位置处重复利用冷却气流可以避免在该位置处需要另外供应冷却气流。

因此，上述根据本发明的挡溅板和组件可以降低对冷却气流的需要。由于过多的冷却气流可能会引起火焰熄灭(特别是贫油熄火)和CO排放的增加，因此本发明的挡溅板可以尤其有利。

此外，本发明的挡溅板和组件可以防止不期望的气流移动。具体地，由于角部27的半径r可以变小或减小，因此在相邻挡溅板的角部之间的间隙可以减小。相邻挡溅板之间的更紧密的组合还可以阻止主区的热燃烧气体被吸入间隙19中。除了该目标外，在角部27处结合入第二流动引导部34可以加强角部27，以在相邻挡溅板之间保持如所指定的小的间隙公差。第二流动引导部34还可以防止冷却空气在拱座和挡溅板之间横向流动，这种横向流动(例如在挡溅板的周边处)最普遍。

除了加强流动之外，流动引导部32、34在各种加工过程中，例如喷砂处理和涂层处理中可以有利于加强挡溅板20。对挡溅板20的加强也有利于环形燃烧室10在高温状态下的操作。因此，挡溅板20尤其可以抵抗从其原始指定的设计轮廓发生变形。

根据本发明的挡溅板和组件还具有加工更加方便且成本低的优点。例如，将流动引导部一体地铸造到挡溅板20中明显可以更容易且成本更低，这是因为流动引导部不必单独加工而是可以铜焊到拱座或挡溅板上。同时也可以不必在挡溅板中形成流动引导部连接槽。此外，通过将流动引导部32、34与挡溅板20铸造成一体，可以不中断通孔17在拱座18中的分布。

对于本领域普通技术人员来说可以想到的是，可以对本发明的环形燃烧室和挡溅板进行各种变型和变化。本领域技术人员从说明书的描述和根据本发明的燃烧室和涡轮发动机的实际应用中可想到其他实施方式。说明书和实施例仅仅是示例性的，本发明的真实保护范围可以通过后附的权利要求书并按照等同原则加以确定。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的燃烧室拱座(18)的挡溅板(20)，包括：

具有多个角部(27)的外周边(26)；

限定了孔(24)和环形凸缘(30)的内周边(28)；

从所述外周边延伸到所述内周边的多个第一流动引导部(32)；以及

多个第二流动引导部(34)，每个所述第二流动引导部(34)从所述角部中的一个延伸到相对于所述外周边沿径向向内并且相对于所述内周边沿径向向外的位置。

2.根据权利要求1所述的挡溅板，其特征在于，所述多个角部包括四个角部并且所述多个第二流动引导部包括四个第二流动引导部。

3.根据权利要求1所述的挡溅板，其特征在于，所述挡溅板、环形凸缘、第一流动引导部和第二流动引导部通过铸造形成一体。

4.根据权利要求1所述的挡溅板，其特征在于，所述第一流动引导部和第二流动引导部沿径向延伸，以形成毂和辐条布置。

5.根据权利要求1所述的挡溅板，其特征在于，所述第一流动引导部和第二流动引导部的厚度相等并且小于所述环形凸缘的厚度。

6.根据权利要求1所述的挡溅板，其特征在于，围绕所述环形凸缘的区域是倾斜的，使得所述环形凸缘从所述挡溅板的外周边被下压。

7.根据权利要求1所述的挡溅板，其特征在于，所述多个第一流动引导部包括数量在6至18个之间的第一流动引导部。

8.根据权利要求7所述的挡溅板，其特征在于，所述多个第一流动引导部包括数量在10至12个之间的第一流动引导部。

9.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述挡溅板的轮廓与所述燃烧室拱座的一部分的轮廓大致相似。

10.一种用于涡轮发动机的燃烧室，包括：

内部燃烧室衬套(12)；

外部燃烧室衬套(14)；

燃烧室拱座(18)；以及

根据权利要求1至9中任意一项所述的挡溅板。

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