CN101776013A - 用以增强燃气涡轮发动机中的过渡导管冷却的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用以增强燃气涡轮发动机中的过渡导管冷却的方法和装置。提供了一种用于与涡轮发动机(100)一起使用的过渡件(230)。过渡件包括燃烧器组件(104)的内壁(240)，以及包括第一端(233)和相对的第二端(235)的冷却套管(300)，冷却套管联接到内壁上，从而使得环形通道(238)限定在内壁冷却套管之间，第一端限定环形入口(237)，且第二端限定环形出口(306)。
Description
技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，且更具体地讲涉及用以增强燃气涡轮发动机内的过渡导管冷却的方法和系统。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机点燃燃烧器中的燃料-空气混合物，以产生通过热气流径引导到涡轮的燃烧气体流。压缩空气从压缩机引导到燃烧器。已知的燃烧器组件大体使用将燃料和空气引导到燃烧器的燃烧区的燃料喷嘴。涡轮机将燃烧气体流的热能转化成使涡轮轴旋转的机械能。可使用涡轮机的输出来为机器(例如发电机或泵)提供动力。
至少一些已知的燃烧器组件包括朝向涡轮组件引导来自燃烧器组件的燃烧气体的过渡导管或过渡件。至少一些已知的过渡导管包括有孔的冷却套管，该冷却套管包围过渡件，以引导用于冷却过渡件的冷却空气。但是，已知的冷却套管可能会导致过渡件的不均匀冷却，这会使温度梯度增大，温度梯度增大可使燃烧器硬件的运行寿命降低。因此，可能需要比在更均匀地冷却过渡件的情况下更加频繁地更换燃烧器的部分。为了补偿较高的温度和/或热梯度，一些已知的燃烧器包括由较耐热应力和/或磨损的材料制造的构件。但是，与具有不包括这样的构件的燃烧器的发动机相比，这样的构件会使发动机增加成本和/或重量。
其它已知的燃烧器组件包括用于过渡导管的、包括空心冷却套管的冷却系统。已知的冷却套管包括多个槽道和形成于其中的精细的冷却通道，冷却通道在过渡件周围引导冷却流，以有利于冷却过渡件。但是，这样的冷却套管通常难以制造，且会增加燃烧器组件的制造成本。另外，如果冷却通道中的任何一个被污染物阻碍或堵塞，则包括在这样的套管内的复杂的冷却回路就会降低冷却性能。降低的冷却效果可能会导致运行温度升高，热梯度增大，以及/或者过渡件中的热应力增加。为了适应较高的温度和/或热梯度，至少一些已知的燃烧器包括由较耐热疲劳的材料制造的构件。但是，与在没有这样的材料的情况下制造的构件相比，其它的这样的构件制造起来可能更昂贵。
发明内容
在一个方面中，提供了一种用于组装燃气涡轮发动机的方法。该方法包括将包括第一端和相对的第二端的冷却套管联接到燃烧器组件的内壁上，从而使得环形通道限定在内壁和冷却套管之间。在第一端的附近形成环形入口，且在第二端的附近形成环形出口。
在另一个方面中，提供了一种过渡件。该过渡件包括冷却套管，冷却套管包括第一端和相对的第二端。冷却套管联接到过渡件的内壁的外表面上，从而使得环形通道限定在内壁和冷却套管之间。第一端限定环形入口，且第二端限定环形出口。
在又一个方面中，提供了一种燃气涡轮发动机。该发动机包括压缩机和联接成与压缩机成流动连通的燃烧器。燃烧器包括至少一个过渡件，该过渡件进一步包括内壁和冷却套管。冷却套管包括第一端和相对的第二端，冷却套管联接到内壁上，从而使得环形通道限定在内壁和冷却套管之间。第一端限定环形入口，且第二端限定环形出口。
附图说明
图1是一个示例性燃气涡轮发动机的示意图；
图2是可与图1所示的燃气涡轮发动机一起使用的一个示例性燃烧器的截面示意图；
图3是包括可与图2所示的燃烧器一起使用的冷却套管的一个示例性过渡件的放大的截面示意图；
图4是可与图1所示的燃烧器一起使用的一个示例性冷却套管的透视组装视图；
图5是可与图1所示的燃烧器一起使用的一个示例性冷却套管的局部剖视图；
图6是可与图1所示的燃烧器一起使用的一个示例性的波纹状的冷却套管的透视组装视图；以及
图7是包括备选的冷却空气入口的一个示例性冷却套管的透视组装视图。
部件列表：
| 100 | 燃气涡轮发动机 |
| 102 | 压缩机组件 |
| 104 | 燃烧器组件 |
| 108 | 涡轮组件 |
| 110 | 压缩机/涡轮轴 |
| 112 | 扩散器 |
| 114 | 压缩机排放腔室 |
| 220 | 端盖 |
| 222 | 燃料喷嘴组件 |
| 224 | 燃烧器壳体 |
| 226 | 燃烧器衬套 |
| 228 | 燃烧室 |
| 229 | 燃烧室冷却通道 |
| 100 | 燃气涡轮发动机 |
| 230 | 导管或过渡件 |
| 232 | 涡轮喷嘴 |
| 233 | 入口端 |
| 235 | 出口端 |
| 236 | 外壁 |
| 237 | 通道入口 |
| 238 | 过渡件环形通道 |
| 240 | 内壁 |
| 242 | 引导腔体 |
| 244 | 燃料喷嘴凸缘 |
| 300 | 冷却套管 |
| 302 | 前架 |
| 304 | 后架 |
| 306 | 环形通道出口 |
| 308 | 圆形入口管 |
| 400 | 第一部件 |
| 402 | 第二部件 |
| 404 | 接缝 |
| 500 | 轴向肋条 |
| 502 | 外表面 |
| 100 | 燃气涡轮发动机 |
| 504 | 冷却套管内表面 |
| 506 | 周向肋条 |
| 508 | 外表面 |
| 600 | 波峰 |
| 602 | 波谷 |
| 604 | 冷却通道 |
| 606 | 折皱 |
| 700 | 孔口 |
| 702 | 保持槽口 |
具体实施方式
图1是一个示例性燃气涡轮发动机100的示意图。发动机100包括压缩机102和燃烧器组件104。发动机100还包括涡轮108和共同的压缩机/涡轮轴110(有时称为转子)。
在运行时，空气流过压缩机102，从而使得压缩空气供应到燃气器组件104。燃料被引导到限定在燃烧器组件104内的燃烧区(未示出)，在燃烧区中，使燃料与空气混合，且点燃混合物。所产生的燃烧气体被引导到涡轮108，其中热能转化成机械旋转能。涡轮108可旋转地联接到轴110上。
图2是燃烧器组件104的一部分的截面示意图。燃烧器组件104联接成与涡轮组件108以及与压缩机组件102成流动连通。压缩机组件102包括联接成彼此成流动连通的扩散器112和压缩机排放腔室(plenum)114。
在该示例性实施例中，燃烧器组件104包括对多个燃料喷嘴222提供结构支承的端盖220。端盖220用保持硬件(图2中未显示)联接到燃烧器壳体224上。燃烧器衬套226自壳体224径向向内地联接，从而使得衬套226限定燃烧室228。环形燃烧室冷却通道229在燃烧器壳体224和燃烧器衬套226之间延伸。
过渡导管或过渡件230联接到燃烧室228上，以朝涡轮喷嘴232引导在室228中产生的燃烧气体。在该示例性实施例中，过渡件230被制造成包括外壁236和径向内壁240的双壁式导管。过渡件230还包括限定在内壁240和外壁236之间的环形通道238。内壁240还限定用于燃烧气体的引导腔体242。更具体地，在该示例性实施例中，过渡件230在各个燃烧室228的燃烧室出口端235和涡轮喷嘴232的入口端233之间延伸，以将燃烧气体引导到涡轮108中。
在运行时，涡轮组件108通过轴110(如图1所示)驱动压缩机组件102。当压缩机组件102旋转时，压缩空气被排入扩散器112中，如图2中用箭头所显示。在该示例性实施例中，通过压缩机排放腔室114朝燃烧器组件104引导从压缩机组件102中排出的空气的大部分，且向下游引导压缩空气的剩余部分，以用于冷却发动机100构件。更具体地，通过通道238将在腔室114内的加压的压缩空气引导到过渡件230中。然后在将空气从通道229排入燃料喷嘴222中之前，将空气从过渡件环形通道238引导到燃烧室冷却通道229中。
在燃烧室228内混合及点燃燃料和空气。壳体224有利于使燃烧室228与外部环境(例如周围的涡轮机构件)隔离。通过过渡件引导腔体242将所产生的燃烧气体自室228朝向涡轮喷嘴232引导。在一个示例性实施例中，燃料喷嘴组件222通过燃料喷嘴凸缘244联接到端盖220上。
图3是包括冷却套管300的过渡件230的放大的截面图。冷却套管300大小设置成以便围绕过渡件230的内壁240，从而使得环形通道238限定在其间。或者，环形通道238可根据具体的冷却应用的要求限定其它空间间隙。在该示例性实施例中，冷却套管300自前架302延伸到后架304。在其它实施例中，可根据本文所述的冷却套管300来使用各种构造和结构的后架(未示出)。环形通道入口237限定在后架304的附近。入口237外接于环形通道238。对应的环形通道出口306限定在前架302的附近。冷却套管300在构造上基本为实体的，且沿着其长度和周边大体没有孔口。在该示例性实施例中，圆形入口管308设置在通道入口237的附近，以对入口237提供结构支承，并且有利于将冷却空气流引导到通道238中。
在一个实施例中，如图4所示，冷却套管300可制造成组装在过渡件内壁240周围的多件式组件。在这种实施例中，冷却套管300包括第一部件400和相对的第二部件402。更具体地，在该示例性实施例中，第二部件402是第一部件400的镜像构件。如图4所示，第一部件400在过渡件230的大约一半周围延伸，且第二部件402在过渡件230的第二半部周围延伸。当联接在一起时，第一和第二部件(400和402)两者形成基本沿着过渡件230的中心轴线延伸的接缝404。第一部件400和第二部件402可在接缝404处由一种或多种机械紧固方法连接，例如但不限于栓接、缝焊、金属成形(压接)，或者它们的任意组合。在其它实施例中，接缝404可相对于过渡件230形成于其它位置处。例如，冷却套管300可包括在过渡件230的周围沿周边延伸且对过渡件230提供结构支承的多个环形部件(未示出)。
图5示出了可与图1所示的燃烧器一起使用的一个示例性冷却套管的局部剖面图。在该示例性实施例中，套管300包括设置在环形通道238内以对冷却套管300提供结构支承的多个轴向肋条500。轴向肋条500可联接到过渡件230的外表面502上，或者备选地，轴向肋条500可联接到冷却套管300的内表面504上。基于具体的冷却要求、压降要求和结构要求来可变地选择轴向肋条500的数量、高度和间隔。
冷却要求定义为(但不限于)产生所需的材料绝对温度和温度梯度所需的流体属性、质量流率、流速和所得的热传递特性。压降要求定义为(但不限于)为了满足系统性能要求而所需的入口和出口压力之间的差。结构要求定义为(但不限于)绝对材料温度能力、热梯度疲劳能力、热偏转、振动偏转和振动疲劳能力。
在另一个实施例中，周向肋条506可与冷却套管300整体地形成。例如，周向肋条506可自冷却套管300的外表面508向外延伸，且外接于该外表面508。或者，周向肋条506可自环形通道238内的冷却套管内表面504延伸。基于具体的冷却要求、压降要求和结构要求来可变地选择肋条506的数量、高度和间隔。
图6示出了可与图1所示的燃烧器一起使用的一个示例性的波纹状冷却套管的透视组装视图。在该示例性实施例中，冷却套管300是波纹状的，且包括形成有交替的波峰600和波谷602的波浪形外表面。冷却通道604形成于波峰600和波谷602之间，从而使得多个折皱606围绕冷却套管300沿周边隔开。基于具体的冷却要求、压降要求和结构要求来可变地选择折皱606的数量、高度和间隔。
图7是包括备选的冷却空气入口的一个示例性冷却套管的透视组装视图。在该示例性实施例中，冷却套管300形成为使得通道237包括限定在其中的多个孔口700。孔口700限定在后架304的附近。在该示例性实施例中，冷却套管300延伸到形成于后架304中的保持槽口702中。孔口700围绕冷却套管300沿周边隔开，且邻近后架304。各个孔口700延伸穿过冷却套管300，且延伸到环形通道238中。基于套管300的具体的冷却要求、压降要求和结构要求来可变地选择孔口700的数量、形状和间隔。
在运行期间，冷却套管300提供环形通道238，以冷却流过其中的流体。在该示例性实施例中，冷却流体通过环形入口237和/或孔口700从压缩机排放腔室114(图1中示出)流入通道238中。然后冷却流体流过通道238，以有利于在过渡导管230和冷却流体之间进行对流热传递。在一个实施例中，设置在环形通道内的轴向肋条500提供冷却套管300的结构加固，且有利于增强冷却流体和过渡导管之间的热传递。在运行时，孔口700使得能够将冷却流体流引导到环形通道238中。周向肋条506为冷却套管300提供结构支承。在运行期间，当肋条506设置在通道238内时，形成改变通道238内的流体动力学流动且增强其中的热传递的空气动力学行程。
本文所述的发明提供了优于已知的过渡导管冷却套管的几个优点。例如，热应力由于冷却套管的简单性提高而得以降低。此外，因为在环形通道内有均匀的冷却流体流，所以本文所述的冷却套管具有增大的平均热传递和更均匀的冷却。另外，起到有利的作用而降低了由应力集中和/或不均匀的冷却造成的高循环疲劳。此外，通过在冷却套管和过渡导管之间提供简单的导管流，起到有利的作用而降低了整体燃烧器系统压降。另外，因为增大的和更均匀的热传递冷却流体流，所以冷却套管有利于更加可控制的和更加可计量的热传递率。
以上详细地描述了用以增强燃气涡轮发动机中的过渡导管冷却的方法和系统的示例性实施例。该方法和系统不限于本文所述的具体实施例，而是相反，可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地及分开地使用系统的构件和/或方法的步骤。例如，方法也可与其它冷却系统和方法结合起来使用，且不限于仅仅利用在本文中描述的过渡导管冷却系统和方法进行的实践。相反，可与许多其它冷却应用结合起来实现和使用示例性实施例。
尽管本发明的各实施例的具体特征可能显示在一些附图中，而没有显示在其它附图中，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征都可结合任何其它附图的任何特征来参照和/或要求保护。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装备或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有无异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。
虽然已经关于各种具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，可利用在权利要求书的精神和范围内的修改来实践本发明。
Claims (10)
1.一种用于与涡轮发动机(100)一起使用的过渡件(230)，所述过渡件包括：
燃烧器组件(104)的内壁(240)；以及
包括第一端(233)和相对的第二端(235)的冷却套管(300)，所述冷却套管联接到所述内壁上，从而使得环形通道(238)限定在所述内壁与所述冷却套管之间，所述第一端限定环形入口(237)，所述第二端限定环形出口(306)。
2.根据权利要求1所述的过渡件(230)，其特征在于，所述冷却套管(300)包括各自沿着至少一个接缝(404)在所述内壁(240)的周围基本沿周边联接的第一部件(400)和第二部件(402)，所述第一部件使用机械紧固件、压接过程和焊接过程中的至少一种联接到所述第二部件上。
3.根据权利要求1所述的过渡件(230)，其特征在于，所述环形通道(238)包括自至少一个壁至少部分地延伸到所述环形通道中的至少一个轴向肋条(500)。
4.根据权利要求1所述的过渡件(230)，其特征在于，所述环形通道(238)包括沿周边延伸通过所述环形通道的限定在所述环形通道中的至少一个肋条(500)。
5.根据权利要求1所述的过渡件(230)，其特征在于，所述冷却套管(300)包括与所述冷却套管整体地形成的至少一个肋条(500)。
6.根据权利要求4所述的过渡件(230)，其特征在于，所述至少一个肋条(500)有利于增强所述内壁和所述冷却套管之间的热传递。
7.根据权利要求1所述的过渡件(230)，其特征在于，所述环形通道入口(237)包括联接到所述环形通道入口上的入口管(308)，所述入口管将冷却流体流引导到所述环形通道(238)中。
8.根据权利要求1所述的过渡件(230)，其特征在于，所述冷却套管(300)由波纹状的表面限定，所述波纹状的表面有利于提高所述冷却套管的结构强度。
9.根据权利要求7所述的过渡件(230)，其特征在于，所述环形通道入口(237)包括限定在其中的至少一个孔口(700)，所述至少一个孔口有利于将冷却流体流引导到所述环形通道(238)中。
10.一种燃气涡轮发动机组件(100)，包括：
压缩机(102)；和
联接成与所述压缩机成流动连通的燃烧器(104)，所述燃烧器包括至少一个过渡件(230)，所述过渡件包括：
内壁(240)；和
包括第一端(233)和相对的第二端(235)的冷却套管(300)，所述冷却套管联接到所述内壁上，从而使得环形通道限定在所述内壁与所述冷却套管之间，所述第一端限定环形入口(237)，所述第二端限定环形出口(306)。
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