CN101839480A - 燃气涡轮发动机中使用的燃烧器组件及其组装方法 - Google Patents

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CN101839480A CN201010119104A CN201010119104A CN101839480A CN 101839480 A CN101839480 A CN 101839480A CN 201010119104 A CN201010119104 A CN 201010119104A CN 201010119104 A CN201010119104 A CN 201010119104A CN 101839480 A CN101839480 A CN 101839480A
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D·W·西蒙斯
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Abstract

本发明提供一种在燃气涡轮发动机(100)中使用的燃烧器组件(102)。该燃烧器组件(102)包括具有槽(502)的燃烧器衬套(102)，该槽(502)至少部分地包围燃烧器衬套，该槽被限定为邻近限定在衬套内的文丘里喉部区域(146)，以及限制板(150，501)，该限制板(150，501)包括限定在其中的至少一个孔(142，154，308)，限制板以可拆除方式联接在燃烧器组件内，使得限制板插入槽内并且至少部分地延伸跨越文丘里喉部区域。

Description

燃气涡轮发动机中使用的燃烧器组件及其组装方法
技术领域
本发明大致涉及在燃气涡轮发动机中使用的燃烧系统，并且更具体而言，涉及一种限定在燃气涡轮发动机燃烧系统中的文丘里喉部区域。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机包括燃烧器组件，该燃烧器组件包括将燃料引导到限定在燃烧器组件中的燃烧区的多个燃料喷嘴组件。一些已知燃烧器组件包括通过文丘里喉部区域分隔的主燃烧区和次级燃烧区。文丘里喉部区域用来以流体动力学方式分隔主燃烧区和次级燃烧区并且优化燃烧器组件内的流特性。
为了有利于优化至少一些已知燃烧器组件的操作，可变地调节文丘里喉部区域的位置和尺寸。然而，调节至少一些文丘里喉部区域的位置和尺寸可能是昂贵的和/或耗时的。此外，通常为了执行这种调节，燃气涡轮发动机在延长的时间段停止运转并且可能需要复杂的制造工艺来制造用于文丘里喉部区域中的构件。
发明内容
在一方面，描述一种组装燃烧器组件的方法。该方法包括将燃烧器衬套联接在燃气涡轮发动机内，以便限定主燃烧区和次级燃烧区。该燃烧器衬套包括至少部分地包围燃烧器衬套并且限定在其中的槽。槽定位为邻近限定在主燃烧区和次级燃烧区之间的文丘里喉部区域。该方法还包括在槽内插入限制板，该限制板包括限定在其中的至少一个孔。该方法还包括将限制板联接在燃烧器衬套内，使得限制板至少部分地延伸跨越文丘里喉部区域，以限制从主燃烧区到次级燃烧区的流。
在另一方面，描述了一种在燃气涡轮发动机中使用的燃烧器组件。燃烧器组件包括具有槽的燃烧器衬套，该槽至少部分地包围燃烧器衬套。槽被限定为邻近限定在衬套内的文丘里喉部区域。燃烧器组件还包括限制板，该限制板具有限定在其中的至少一个孔。限制板以可拆除方式联接在燃烧器组件内，使得限制板插入槽内并且至少部分地延伸跨越文丘里喉部区域。
在另一方面，描述了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括压缩机和燃烧器组件。燃烧器组件联接在压缩机下游。燃烧器组件包括具有槽的燃烧器衬套，该槽至少部分地包围燃烧器衬套。该槽被限定为邻近限定在燃烧器衬套内的文丘里喉部区域。燃烧器组件还包括限制板，该限制板具有限定在其中的至少一个孔。限制板以可拆除方式联接在燃烧器衬套槽内，使得限制板至少部分地延伸跨越文丘里喉部区域。
附图说明
图1是示例性燃气涡轮燃烧器组件的局部横截面图；
图2是图1所示的燃气涡轮燃烧器组件的局部透视图；
图3是与图2所示的燃气涡轮燃烧器组件一起使用的示例性文丘里喉部区域的局部透视横截面图；
图4是包括限制板的文丘里喉部区域的局部透视横截面图；
图5是图3所示并且包括备选的限制板的文丘里喉部区域的局部透视横截面图；
图6A是可用于图3所示的文丘里喉部区域内的另一备选限制板的平面图；
图6B是可用于图3所示的文丘里喉部区域内的限制板的又一备选实施例的平面图；以及
图6C是可用于图3所示的文丘里喉部区域内的另一备选限制板的平面图。零件清单100燃气涡轮发动机；102燃烧器组件；104涡轮；106第一级喷嘴；108压缩空气；110过渡管道；112出口端；114进口端；116燃烧气体；118燃烧器外壳；120前端；122端盖组件；124导流套筒；126燃烧器衬套；128后端；130前端；132燃烧器衬套罩组件；134后端；136外壁；138前端；140空气通道；142孔；144燃烧区；146文丘里喉部区域；148次级燃烧区；150限制板；154孔；156主燃料喷嘴组件；157次级燃料喷嘴组件；158中心线；160管组件；162后部；164燃烧器进口端；200周向槽；202覆盖板；300主表面；302第二表面；304外表面；306内表面；308孔；400衬套；402前端；404后端；406扩散端；500突出片；501限制板；502槽；600孔结构；602星形孔；604椭圆形孔；
具体实施方式
图1是与包括次级燃料喷嘴组件157的燃气涡轮发动机100一起使用的示例性燃烧器组件102的局部横截面图。燃气涡轮发动机100还包括压缩机(未示出)和涡轮104。在图1中仅示出了涡轮104的第一级喷嘴106。在示例性实施例中，涡轮104经由单个共用转子轴(未示出)联接在压缩机上。压缩机在进气108被引导至燃烧器组件102以用于燃烧过程之前加压进入发动机100的进气108。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机100包括在发动机外壳(未示出)内周向隔开的多个燃烧器组件102。在一个实施例中，燃烧器组件102包括多个环管式燃烧器。
在示例性实施例中，燃气涡轮发动机100包括在燃烧器组件102的出口端112与涡轮104的进口端114之间延伸的过渡管道110，以使燃烧气体116可被向下游引导到涡轮104。此外，在示例性实施例中，燃烧器组件102包括大致圆柱形燃烧器外壳118。燃烧器外壳118联接在发动机外壳上。更具体而言，在示例性实施例中，燃烧器外壳118的前端120联接在端盖组件122上。端盖组件122包括供给管、歧管、用于将燃料、空气和/或其它流体引导到燃烧器组件102的阀、和/或能够使燃气涡轮发动机100如文中所述工作的任何其它构件。
在示例性实施例中，大致圆柱形导流套筒124联接在燃烧器外壳118上使得导流套筒124与燃烧器外壳118大致同心地对准。燃烧器衬套126大致同心地联接在导流套筒124内。更具体而言，燃烧器衬套126在后端128联接在过渡管道110上，而在前端130联接在燃烧器衬套罩组件132上。导流套筒124在后端134联接在燃烧器衬套126的外壁136上，而在前端138联接在燃烧器外壳118上。备选地，可使用能够使燃气涡轮发动机100如文中所述工作的任何适当的联接机构/组件将导流套筒124联接在外壳118和/或燃烧器衬套126上。在示例性实施例中，空气通道140被限定在燃烧器衬套126与导流套筒124之间。导流套筒124包括能够使压缩空气108从压缩机进入空气通道140的限定在导流套筒124中的多个孔142。
燃烧器衬套126限定主燃烧区144、文丘里喉部区域146和次级燃烧区148。更具体而言，在示例性实施例中，主燃烧区144在次级燃烧区148的上游。主燃烧区144和次级燃烧区148被文丘里喉部区域146隔开。在示例性实施例中，文丘里喉部区域146具有小于各燃烧区144和148的直径D1和D2的直径Dv。更具体而言，喉部区域146包括如下面更详细地描述的限定直径Dv的限制板150。此外，文丘里喉部区域146的作用是作为有利于减少从次级燃烧区148到主燃烧区144的回火的空气动力学分隔件或隔离件。在示例性实施例中，主燃烧区144包括能够使空气108从空气通道140进入主燃烧区144的限定在主燃烧区144中的多个孔154。
此外，在示例性实施例中，燃烧器组件102还包括多个火花塞(未示出)和多个横越火焰管(未示出)。火花塞和横越火焰管在主燃烧区144内延伸通过限定在燃烧器衬套126中的端口(未示出)，以使各燃烧器组件102内的燃料和空气能够被点燃。
在示例性实施例中，至少一个次级燃料喷嘴组件157联接在端盖组件122上。更具体而言，在示例性实施例中，燃烧器组件102包括一个次级燃料喷嘴组件157和多个主燃料喷嘴组件156。在示例性实施例中，主燃料喷嘴组件156绕燃烧器组件102的中心线158以大致圆形排列方式布置。备选地，主燃料喷嘴组件156可以以非圆形排列方式布置。在备选实施例中，燃烧器组件102可包括超过一个的次级燃料喷嘴组件157。虽然文中仅描述了主燃料喷嘴组件156和次级燃料喷嘴组件157，但是备选地，燃烧器组件102可包括其它类型的喷嘴组件或燃料喷嘴。在示例性实施例中，次级燃料喷嘴组件157包括基本包围延伸通过主燃烧区144的次级燃料喷嘴组件157的部分的管组件160。
主燃料喷嘴组件156部分地延伸到主燃烧区144中，而次级燃料喷嘴组件157延伸通过主燃烧区进入到邻近限制板150的喉部区域146的后部162中。由此，从主燃料喷嘴组件156喷射的燃料(未示出)基本在主燃烧区144内燃烧，而从次级燃料喷嘴组件157喷射的燃料(未示出)基本在次级燃烧区148内燃烧。
在示例性实施例中，燃烧器组件102联接在用于通过燃料喷嘴组件156和/或157供给燃料到燃烧器组件102的燃料供给部(未示出)。例如，引燃燃料(未示出)和/或主燃料(未示出)可通过燃料喷嘴组件156和/或157供给。在示例性实施例中，通过控制流向主燃料喷嘴组件156和次级燃料喷嘴组件157的燃料的流量来通过主燃料喷嘴组件156和次级燃料喷嘴组件157二者供给引燃燃料和主燃料二者。如文中所用，“引燃燃料”是指供给到引燃火焰的燃料，而“主燃料”是指为了在非起动操作期间产生燃烧气体116而供给的燃料。燃料可为天然气、石油产品、煤、生物质和/或任何其它燃料，其为能使燃气涡轮发动机100起到如文中所述的作用的固态、液态和/或气态形式。通过控制通过燃料喷嘴组件156和/或157的燃料流，可将燃烧器组件102内的火焰(未示出)调节到预定形状、长度和/或强度以控制燃烧器组件102的排放和/或功率输出。
在操作中，空气108通过发动机进口(未示出)进入燃气涡轮发动机100并在压缩机中被压缩。压缩空气108朝着燃烧器组件102从压缩机排出。空气108通过孔142进入燃烧器组件102并且朝着端盖组件122引导通过空气通道140。流过空气通道140的空气108被强制在燃烧器进口端164倒转流方向并且被引导到燃烧区144和/或148中和/或通过喉部区域146。燃料通过端盖组件122和燃料喷嘴组件156和/或157供给到燃烧器组件102中。当控制系统(未示出)开始燃气涡轮发动机100的起动序列时开始实现点火，并且一旦火焰已持续形成，火花塞然后就从主燃烧区144缩回。在后端128，热燃烧气体116被引导通过过渡管道110和涡轮喷嘴106，向涡轮104引导。
图2是燃气涡轮燃烧器组件102的局部透视图。图3是文丘里喉部区域146的局部透视横截面图。在示例性实施例中，燃烧器组件102包括燃烧器衬套126，该燃烧器衬套126包括部分地绕燃烧器衬套126延伸的周向槽200。周向槽200邻近文丘里喉部区域146。槽200的尺寸和定向使限制板150能够插入通过槽200，以使限制板150能够如文中所述定位在文丘里喉部区域146中。在另一个示例性实施例中，覆盖板202可联接在燃烧器衬套126上使得周向槽200被至少部分地物理覆盖和/或密封。可使用任何数量的机械紧固件例如但不局限于铆钉、螺钉、螺栓、销或它们的结合将覆盖板202联接在燃烧器衬套126上。此外，可使用任何其它紧固方法例如但不限于焊接将覆盖板202联接在燃烧器衬套126上。
在示例性实施例中，限制板150包括主表面300、相对的第二表面302、外表面304和内表面306。主表面300朝着主燃烧区144定向而第二表面302朝着次级燃烧区148定向。外表面304限定限制板150的大致圆形外表面。限制板150的外表面304具有基本匹配燃烧器衬套126的内径的外径。由此，内表面306在限制板150的中部区域限定孔308。
图4是包括限制板150的文丘里喉部区域146的局部透视横截面图。在一些实施例中，燃烧器组件102包括固定在次级燃烧区148内的双壁衬套400。衬套400包括前端402和相对的后端404。限制板150定位在文丘里喉部区域146内使得孔308与扩散端406基本同心地对准。在示例性实施例中，在将第二表面302焊接在衬套400的前端402上或备选地在将外表面304焊接在燃烧器衬套126的内表面上时，限制板150被联接在文丘里喉部区域146内。在另一个实施例中，限制板150沿着轴向方向A1联接在文丘里喉部区域146内使得孔308相对于扩散端406的相对位置可被可变地调节，以有利于优化燃烧器组件102内的火焰特性。在这种实施例中，限制板150可经由至少一个或多个间隔件(未示出)沿着轴线A1联接以按要求定位板150。可将隔离件(未示出)焊接在板150与燃烧器衬套126或衬套400之间。
在操作中，限制板150插入通过周向槽200使得孔308与次级燃料喷嘴157的扩散端406基本同心地对准。限制板150提供必要的文丘里效应并且作为有利于减少从次级燃烧区148到主燃烧区144的回火的空气动力学分隔件或隔离件而起作用。被点燃的燃料/空气混合物形成沿下游方向从主燃烧区144流到次级燃烧区148的火焰。在火焰离开主燃烧区144时，火焰被引导通过限制板150中减小的直径Dv，然后进入次级燃烧区148。
图5是包括备选的限制板501的文丘里喉部区域的局部透视横截面图。在示例性实施例中，限制板501包括从板径向向外延伸的突出片(tab)500。在这种实施例中，燃烧器衬套126包括槽502，该槽502的尺寸和定向使突出片500容纳在其中以使限制板501能够被联接在燃烧器组件102内。在其它实施例中，限制板501可包括多于一个的突出片500。突出片500通过将限制板501限制在特定的和预定的位置和定向上而有利于进行墨菲验证(Murphy-proofing)组件、限制板501在燃烧器组件102的文丘里喉部区域146内的定向和保持。
图6A至图6C示出限制板150的备选实施例以包括各种孔结构。在图6A中，限制板150包括呈圆形排列的孔600。图6B示出了星形孔602，图6C示出了椭圆形孔604。孔结构600、602和604可用来优化燃烧器组件102内的流特性。然而，本领域技术人员应该理解其它几何形状的孔结构可用于流优化。
上述文丘里喉部区域包括联接在喉部区域内的可拆除的限制板使得可在相关联的燃烧器组件内优化流特性。更具体而言，文丘里喉部区域能实现具有备选孔结构的各种限制板的方便拆除和更换。结果，可调节或修改文丘里喉部区域而无需复杂的维护和/或制造昂贵和复杂的文丘里构件。
上文详细描述了文丘里喉部区域设备和用于组装燃烧器组件的方法的示例性实施例。这些设备和方法并不局限于文中所述的特定实施例，相反，该组件的构件和/或该方法的步骤可与文中所述的其它构件和/或步骤单独和分开地利用。此外，所述组件构件和/或方法步骤也可与其它组件和/或方法相结合地限定或使用，并且不局限于仅使用文中所述的组件和方法来实施。
虽然已通过各种特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该认识到，本发明可使用在权利要求的精神和范围内的改型来实施。

Claims (10)

1.一种在燃气涡轮发动机(100)中使用的燃烧器组件(102)，所述燃烧器组件包括：
包括槽(502)的燃烧器衬套(126)，所述槽(502)至少部分地包围所述燃烧器衬套，所述槽被限定为邻近限定在所述衬套内的文丘里喉部区域(146)；以及
限制板(150，501)，所述限制板(150，501)包括限定在其中的至少一个孔(142，154，308)，所述限制板以可拆除方式联接在所述燃烧器组件内，使得所述限制板插入所述槽内并且至少部分地延伸跨越所述文丘里喉部区域。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件(102)，其特征在于，所述限制板(150，501)还包括多个孔和椭圆形孔中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的燃烧器组件(102)，其特征在于，所述限制板(150，501)联接到定位在所述燃烧器组件内的双壁衬套。
4.根据权利要求1所述的燃烧器组件(102)，其特征在于，所述燃烧器组件(102)还包括覆盖板(202)，所述覆盖板(202)配置成联接到所述燃烧器衬套(126)，用于基本密封所述周向槽(502)。
5.根据权利要求1所述的燃烧器组件(102)，其特征在于，所述限制板(150，501)还至少包括从所述限制板的外表面径向向外延伸的突出片(500)。
6.根据权利要求5所述的燃烧器组件(102)，其特征在于，所述至少一个突出片(500)插入限定在所述燃烧器组件中的至少一个相应的槽(502)中。
7.根据权利要求1所述的燃烧器组件(102)，其特征在于，所述限制板(150，501)定位为邻近联接在次级燃料喷嘴(157)内的扩散端(406)。
8.根据权利要求1所述的燃烧器组件(102)，其特征在于，所述限制板(150，501)可变化地定位在所述文丘里喉部区域(146)内。
9.一种燃气涡轮发动机(100)，包括：
压缩机；以及
联接在所述压缩机下游的燃烧器组件(102)，所述燃烧器组件包括：
包括槽(502)的燃烧器衬套(126)，所述槽(502)至少部分地包围所述燃烧器衬套，所述槽被限定为邻近限定在所述燃烧器衬套内的文丘里喉部区域(146)；
限制板(150，501)，所述限制板(150，501)包括限定在其中的至少一个孔(142，154，308)，所述限制板以可拆除方式联接在所述燃烧器衬套槽内，使得所述限制板至少部分地延伸跨越所述文丘里喉部区域。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述限制板还包括多个孔(142，154，308)和椭圆形孔中的至少一个。
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