CN101660768A - 热顺应式燃烧盖装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热顺应式燃烧盖装置及系统。具体而言，公开了一种燃烧盖板(40)。该燃烧盖板(40)包括：具有平坦表面(46)且构造成用以固定到连接在涡轮机燃烧室(28)上的组件上的板件，该板件限定垂直于平坦表面(46)的中心轴线(48)；穿过板件的多个开口(44)；以及由板件形成的多个凸起部分。各凸起部分均在中心轴线(48)的方向上远离平坦表面(46)延伸，且具有与在燃烧过程期间在板件上所产生的热梯度相适应的形状。

Description

热顺应式燃烧盖装置及系统
技术领域
本文所公开的主题涉及燃气涡轮机，并且更具体地涉及在燃气涡轮机中使用的燃烧盖(cap)组件。
背景技术
燃烧盖组件在燃气涡轮机中用来将燃料和空气从燃料喷嘴输送至涡轮机内的燃烧室中。燃烧盖组件通常包括盖板，燃料喷嘴穿过该盖板输送燃料和空气。
现有的盖板具有低循环寿命极限和高循环寿命极限。寿命极限在盖板中呈裂纹的形式。由于靠近燃烧室中的火焰而引起剧烈的热梯度，故所经受的一些开裂是源于低循环疲劳。还有一些开裂由高循环疲劳引起，这是因为盖板相对较低的刚度容许其因燃烧压力脉动而偏转。
试图延长寿命极限的一些设计包括使板件加厚，以使其具有较长的寿命和较高的刚度。这种增大的厚度使其难以制造，且使成本增加。增大的厚度还可导致厚板与薄板相附接的不连续性。其它设计使用附接到盖上的护盖板或护罩。在这些设计中，较热的护罩可独立于较冷的盖结构增长。包括此类护罩的装置比具有单个盖板的系统需要更多零件、更加复杂及更高的成本。因此，需要一种盖组件，其具有改善的耐用性和寿命而不会明显增加成本和提高复杂性。
发明内容
一种根据本发明示例性实施例所构造的燃烧盖板，包括：具有平坦表面且构造成用以固定到连接在涡轮机燃烧室上的组件上的板件，该板件限定垂直于该平坦表面的中心轴线；穿过板件的多个开口；以及由板件所形成的多个凸起部分，各凸起部分均在中心轴线的方向上远离平坦表面延伸，且具有与在燃烧过程期间产生在板件上的热梯度相适应的形状。
本发明的其它示例性实施例包括用于将可燃材料供送给燃气涡轮机的系统。该系统包括：可连接到燃气涡轮机中的燃烧室上的外套筒；具有平坦表面且限定垂直于该平坦表面的中心轴线的板件，该板件包括穿过板件的多个燃料喷嘴开口；以及固定成与多个开口对齐的多个燃料喷嘴杯体(cup)。板件具有多个凸起部分，各凸起部分均在中心轴线的方向上远离平坦表面延伸，且具有与在燃烧过程期间产生在板件上的热梯度相适应的形状。
通过本发明示例性实施例的技术实现了另外的特征和优点。本发明的其它实施例和方面在本文中进行了详细描述，且视作为要求得到保护的本发明的一部分。参看说明和附图，以更好地理解具有其优点和特征的本发明。
附图说明
图1为根据本发明示例性实施例的燃气涡轮机的侧部截面图；
图2为图1中的燃气涡轮机组件的示例性燃烧器组件的放大截面图；
图3为燃烧盖的示例性实施例的前透视图；
图4为图3中的燃烧盖的近距离前透视图；
图5为图3中的燃烧盖的近距离后透视图；
图6为燃烧盖的另一个示例性实施例的前透视图；
图7为图6中的燃烧盖的近距离前透视图；
图8为图6中的燃烧盖的近距离后透视图；
图9为燃烧盖的另一个示例性实施例的前透视图；
图10为图9中的燃烧盖的近距离前透视图；以及
图11为图9中的燃烧盖的近距离后透视图。
零件清单
10燃气涡轮机
12压缩机组件
14燃烧器组件
16涡轮组件
18转子轴
38大致为圆形的护盖组件
22燃料喷嘴
24燃烧器外壳
26圆柱形燃烧器衬套
28燃烧室
20圆形盖组件
30过渡部分(过渡件)
32涡轮喷嘴
34燃烧气体
36气流导腔
40燃烧盖板
42，44燃料喷嘴开口
46平坦圆形本体(表面)
48中心轴线
50凸起部分(棱锥形隆起)
具体实施方式
参看图1，根据本发明的示例性实施例所构造的燃气涡轮机组件总体上以10标示。燃气涡轮机10包括压缩机组件12、燃烧器组件14、与燃烧器组件14和压缩机组件12流体连通的涡轮组件16，以及附接到压缩机组件12和涡轮组件16上的转子轴18。在工作中，空气流过压缩机组件12，且排放到燃烧器组件14中，该燃烧器组件14将燃料喷射到空气流中，并点燃燃料/空气混合物，以产生高温燃烧气流。燃烧气流朝向涡轮组件16排放，该燃烧气流使涡轮组件16旋转。
参看图2，示出了燃烧器组件14的示例性实施例，该燃烧器组件包括大致为圆形的护盖组件38，其对多个燃料喷嘴22提供至少部分支承。护盖组件38利用保持器件(未示出)联接到燃烧器外壳24上。大致为圆柱形的燃烧器衬套26定位在外壳24内，且通过外壳24得到支承。衬套26限定燃烧室28。大致为圆形的盖组件20限定燃烧室28的一端，且提供用于燃料喷嘴22的进入开口。
过渡部分30，也称为过渡件30，联接到燃烧器外壳24上，且便于将室28中所产生的燃烧气体引导至涡轮喷嘴32中。燃料和空气在燃烧室28内进行混合且被点燃。所得到的燃烧气体34从室28朝向燃烧气流导腔36且经由该导腔受到引导，导腔36将燃烧气流朝向涡轮喷嘴32引导。
盖组件20包括燃烧盖板40，其包括用于收容燃料喷嘴22的多个开口。盖板40包括多个燃料喷嘴开口42，44。多个燃料喷嘴杯体或管固定成与燃料喷嘴开口42，44对齐。
参看图3至图5，燃烧盖组件20包括具有多个开口的盖板40，燃料喷嘴穿过这些开口输送燃料和空气。盖板40包括平坦的圆形本体46和多个开口42，44。
参看图6至图8，示出了盖板40的实施例。在该实施例中，盖板40为包括平坦表面46的平坦板件，该平坦表面46在其上具有多个燃料喷嘴开口42，44。在该实施例中，燃料喷嘴开口42，44包括五个初级燃料喷嘴开口或外部燃料喷嘴开口44，也称为“周边开口”，以及中央燃料喷嘴开口42，也称为“中央开口”。本文的实施例中所述的燃料喷嘴开口42，44，其数目和位置是示例性的，而未受到限制。同样在该实施例中，燃料喷嘴开口42，44具有圆形形状，但如果需要的话也可采用其它适合的形状。在一个实施例中，盖板40由适于在涡轮机10所形成的情况中使用的任何金属材料制成。
平坦表面46限定垂直于中心轴线48的平面。在一个实施例中，中央开口42关于中心轴线48对称。在一个实施例中，周边开口44周向地定位在表面46上，也就是说，各周边开口的中心定位在围绕中心轴线48对称地形成的圆周上。
在一个实施例中，表面46包括多个凸起部分50，其在偏离从中心轴线48发射出的径向线的方向上远离表面46延伸。在一个实施例中，凸起部分50的厚度保持与板件40的至少平坦部分的厚度大致相同。
通过将盖板40形状改变成更加顺应由燃烧过程所引起的热偏转(thermal deflection)方向的形状，凸起部分50降低了由燃烧过程所引入的热状况引起的应力。该设计还引起板件40变刚硬，以使其对由燃烧引起的驱动力所产生的共振的敏感度较低。凸起部分50的形状构造成用以通过容许平面外的热增长(即远离平坦表面46增长)来吸收热负载。该形状基于所存在的热负载图象(thermal pattern)来构造，但它们可适于匹配其它热图象。在一个实例中，凸起部分50的形状与热偏转相适应。
盖板40由于其靠近涡轮机燃烧室中的火焰以及使火焰燃灭所产生的循环热负载而经受剧烈的热梯度。金属板40的热力学上的热区域形成为邻近热力学上的冷区域。在现有的板件中，热力学上的热区域拉紧热力学上的冷区域，这称为“热对抗(thermal fight)”。包括凸起部分50的盖板40减小或消除了热对抗。
例如，在燃烧期间，板件40形成“热”部分和“冷”部分。热部分为表面46上具有明显高于表面46的其它部分即冷部分的温度的任何区域。热部分所经受的热负载高于冷部分。凸起部分50定形为至少部分地与相应热部分的形状相适应，该热部分容许热部分中的材料远离表面46膨胀，且防止热部分与冷部分之间的热对抗。通过防止热对抗，明显减少或消除了裂纹的风险和发生。
在一个示例性实施例中，多个凸起部分50形成了多个长形隆起50，如图6至图8中所示的长形凹槽。在另一个实施例中，长形隆起50成对，形成“V”形，其关于在平坦表面46上与中心轴线48垂直延伸的径向方向对称。在一个实施例中，一对长形的隆起50设置在各对周边开口44之间。
在一个示例性实施例中，当板件40组装在涡轮机10上时，长形隆起50向内凸起，即在朝向燃烧室28和朝向板件40后部的方向上。这在图7的前视图和图8的后视图中示出。在其它实施例中，当板件40组装在涡轮机10上时，长形隆起50向外凸起，即在远离燃烧室28和朝向板件40前方的方向上。
参看图9至图11，示出了板件40的另一个示例性实施例。在该实施例中，凸起部分50为从表面46伸出的多个棱锥形隆起50。各棱锥形隆起50的形状总体上与各相应热部分的全部或部分相适应。在一个实施例中，各棱锥形隆起50均关于径向对称，该径向在平坦表面46上与中心轴线48垂直地延伸。在一个实施例中，棱锥形隆起50设置在各对周边开口44之间。
在一个示例性实施例中，当板件40组装在涡轮机10上时，棱锥形隆起50向内凸起，即在朝向燃烧室28和朝向板件40后部的方向上。这在图9的前视图和图10的后视图中示出。在其它实施例中，当板件40组装在涡轮机10上时，棱锥形隆起50向外凸起，即在远离燃烧室28合朝向板件40前方的方向上。
尽管本文的示例性实施例描述了长形形状和棱锥形形状，但凸起部分50的形状不限于这些实施例。凸起部分可采用包绕表面46热部分的全部或部分的任何期望的形状。
本文所述的装置和系统提供了优于现有技术系统的许多优点。例如，该装置和系统在不需要改变厚度或附加构件的情况下提供了改善盖组件板的坚固性和耐用性以及相应寿命的技术效果。该装置和系统减小了由经受不同负载的部分之间的热对抗所引起的盖板上的应力。此外，盖板增大的刚度可对在燃烧过程期间所产生的压力波动提供增大的抵抗能力。因此，本文所述的装置和系统在不引入显著的复杂性或增加成本的情况下延长了寿命。
本文所公开的实施例的性能可在软件、固件、硬件或它们的一些组合中实现。作为一个实例，所公开的实施例的一个或多个方面可包括在例如具有计算机可用介质的制品(例如，一个或多个计算机程序产品)中。该介质例如嵌入在计算机可读程序代码装置中，用于提供和促进本发明的性能。该制品可归为计算机系统的一部分，或单独销售。此外，可提供机器可读的至少一个程序存储装置，其切实地实现机器可执行的至少一种指令程序，以执行所公开的实施例的性能。
总的来说，本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例与权利要求中的书面语言并无不同，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件，则将意味着这样的实例落在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃烧盖板(40)，包括：
板件，其具有平坦表面(46)且被构造成用以固定到连接在涡轮机燃烧室(28)上的组件上，所述板件限定垂直于所述平坦表面(46)的中心轴线(48)；
穿过所述板件的多个开口(42，44)；
由所述板件形成的多个凸起部分(50)，各所述凸起部分(50)均在所述中心轴线(48)的方向上远离所述平坦表面(46)延伸，且具有与在燃烧过程期间产生在所述板件上的热梯度相适应的形状。
2.根据权利要求1所述的燃烧盖板(40)，其特征在于，所述板件具有多个热部分和多个冷部分，所述热部分在燃烧期间比所述冷部分经受更高的热负载，以及所述多个凸起部分(50)中的各个凸起部分的形状与各个热部分的形状相适应。
3.根据权利要求1所述的燃烧盖板(40)，其特征在于，所述多个开口包括中央开口(42)和周向地定位成围绕所述中心轴线(48)的多个周边开口(44)。
4.根据权利要求3所述的燃烧盖板(40)，其特征在于，所述多个凸起部分(50)中的各个凸起部分均周向地定位在一对所述周边开口之间。
5.根据权利要求3所述的燃烧盖板(40)，其特征在于，所述多个部分(50)限定多个棱锥形隆起(50)。
6.根据权利要求3所述的燃烧盖板(40)，其特征在于，所述多个凸起部分(50)限定多个长形隆起(50)。
7.一种用于将可燃材料供送给燃气涡轮机(10)的系统，所述系统包括：
可连接到所述燃气涡轮机(10)中的燃烧室(28)上的外套筒；
板件，其具有平坦表面(46)和限定垂直于所述平坦表面(46)的中心轴线(48)，所述板件包括穿过所述板件的多个燃料喷嘴开口(42，44)；以及
固定成与所述多个开口对齐的多个燃料喷嘴杯体，
所述板件具有多个凸起部分(50)，各所述凸起部分(50)均在所述中心轴线(48)的方向上远离所述平坦表面(46)延伸，且具有与在燃烧过程期间产生在所述板件上的热梯度相适应的形状。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述板件具有多个热部分和冷部分，所述热部分在燃烧期间比所述冷部分经受更高的热负载，以及所述多个凸起部分(50)中的各个凸起部分的形状与各个热部分的形状相适应。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个开口包括中央开口(42)和周向地定位成围绕所述中心轴线(48)的多个周边开口(44)。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个凸起部分(50)中的各个凸起部分均周向地定位在一对所述周边开口(44)之间。
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