CN101839486A - 具有混合孔柱桩的燃烧衬套 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有混合孔柱桩的燃烧衬套。具体而言，一种用于燃气轮机燃烧器的燃烧器衬套包括形成在衬套(12)中的冷却孔(34)，该冷却孔(34)将冷却空气输送到燃烧器的燃烧区中。柱桩(50)固定在冷却孔中，且构造成用以对冷却孔的内边缘提供附加的刚度。刚度增加会减少因热疲劳所造成的破裂，且提供了对高频率下的高周疲劳故障的抵抗。

Description

具有混合孔柱桩的燃烧衬套
技术领域
本发明主要涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及在其中的燃烧器。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中加压，且经引导通向燃烧器、与空气相混合，并经点燃用于产生热的燃烧气体，该燃烧气体经由一个或多个涡轮级向下游流动。在涡轮风扇发动机中，高压涡轮驱动压缩机，而跟随在高压涡轮之后的依次是低压涡轮，其驱动设置在压缩机上游的风扇。
典型的燃烧器为环形，且围绕发动机纵轴中心轴线成轴对称，且包括在其上游端处连结到燃烧器圆顶(dome)上的径向外侧燃烧衬套和径向内侧燃烧衬套。多个沿周向间隔开的汽化器安装在圆顶中，各汽化器均包括空气旋流器和中央燃料喷射器。燃料与来自于压缩机的压缩空气相混合，且经点燃来产生热的燃烧气体，该燃烧气体经由燃烧器且依次经由从其中获取能量的高压涡轮和低压涡轮向下游流动。
大部分压缩机空气在燃烧器中与燃料相混合来产生燃烧气体。另一部分压缩机空气引向燃烧器的外部或外侧用于冷却燃烧衬套，而还有一部分则沿径向引导穿过燃烧衬套作为渗混空气的射流，这两者都降低了流出燃烧器的燃烧气体的温度，且为了涡轮的最佳性能而控制其周向和径向的温度分布。
燃烧器通常通过形成在大致连续的边界层中的压缩机空气冷却膜或沿燃烧衬套内表面或内侧表面的空气盖层(blanket)来冷却，该燃烧衬套将燃烧气体限定于其中。膜冷却层在金属燃烧衬套与热的燃烧气体之间提供了有效屏障，用于保护衬套免受其中的热量和确保其适当的使用寿命。
在典型燃烧器中，膜冷却层形成在多个沿轴向间隔开的膜冷却区块(nugget)中，膜冷却区块为由多个入口孔进给的环形歧管，具有向下游延伸的环形唇部，该环形唇部限定用于将用作膜的冷却空气沿衬套的热侧排放的连续的周向出口槽口。成排的区块确保膜沿轴向逐排地被重新供能，用以保持适当厚的边界层来保护衬套。
近年来，在燃烧器设计的研发中，多孔膜冷却式燃烧器衬套消除了常规区块，且取而代之的是使用厚度大致均匀的具有密集多孔图案的单片式金属衬套来进行膜冷却。独立的多孔以大约20°的优选角度倾斜穿过衬套，在衬套的外侧冷表面上具有入口，而在衬套的内侧热表面上具有沿轴向下游与入口间隔开的出口。多孔的直径为大约20mil至30mil(0.51mm至0.76mm)。这对于多孔而言实现了显著更大的长度直径比，以便对围绕其的衬套提供内部对流冷却。更重要的是，小的倾斜角容许排放的冷却空气沿衬套的内侧表面附着用以形成冷却膜层，该冷却膜层由多排多孔进给，以达到最大的边界层厚度，该厚度沿燃烧器衬套在向后或下游方向上被逐排地进行重新供能和保持。
在一次混合/冷却孔区域中的燃烧器衬套的耐久性是一个考虑因素，因为混合孔附近的局部热点可导致衬套破裂。热点主要是由于来自于混合孔的冷射流对热气体的干扰使得高温燃烧空气与衬套壁相接触而引起。换言之，热燃烧气体可在冷却射流经由混合孔进入之后受到截留，从而导致在混合孔附近的衬套内温度上升。由于热疲劳和高频率下的高周疲劳(HCF)故障，这些热点可导致衬套破裂或其它破坏。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种用于燃气轮机燃烧器的燃烧器衬套包括形成在衬套中的冷却孔和固定在冷却孔中的柱桩(stub)。冷却孔将冷却空气输送到燃烧器的燃烧区中。柱桩构造成用以对冷却孔的内边缘提供附加的刚度。
在另一个示例性实施例中，一种在燃气轮机燃烧器衬套中减少由于冷却孔附近的热疲劳所引起的破裂的方法包括将柱桩固定到冷却孔中的步骤，其中，柱桩对冷却孔的内边缘提供附加的刚度。
在又一个示例性实施例中，一种用于燃气轮机燃烧器的燃烧器衬套包括形成在衬套中的冷却孔，该冷却孔将冷却空气输送到燃烧器的燃烧区中。柱桩固定到冷却孔中，且包括大致包绕冷却孔设置的多个冷却通道。冷却通道在对应于经过衬套的热气流方向的方向上相对于冷却孔的轴线成一定角度。
附图说明
图1为燃烧器衬套的常规燃烧器过渡件后部的简化的侧截面；
图2为连结到过渡件上的常规燃烧器衬套和导流套筒的局部透视图；
图3为具有固定到衬套冷却/混合孔中的柱桩的衬套的透视图；以及
图4为经过衬套和柱桩的透视截面视图。
零件清单
10过渡件
12燃烧器衬套
14涡轮第一级
16轴向扩散器
18压缩机排放壳体
20开孔
22冲击套筒
24环形空间
26安装凸缘
28燃烧器导流套筒
30导流环形空间
32流动箭头
34冷却孔
36流动箭头
46过渡区域
50柱桩或加强部件
52冷却通道
54冷却孔轴线
56热气流方向
具体实施方式
参看图1和图2，典型的燃气轮机包括过渡件10，来自于由燃烧器衬套12所代表的上游燃烧器中的热燃烧气体通过过渡件10传递至在14处表示的涡轮第一级。来自于燃气轮机压缩机的气流离开轴向扩散器16并进入压缩机排放壳体18中。大约50％的压缩机排放空气穿过沿着且围绕过渡件冲击套筒22所形成的开孔20，以便流入在过渡件10与径向外侧的过渡件冲击套筒22之间的环形区域或环形空间24(或第二导流环形空间)中。剩下的大约50％的压缩机排放气流进入上游燃烧衬套冷却套筒(未示出)的导流套筒孔34中，且进入冷却套筒与衬套之间的环形空间中，且最后在环形空间24中与空气相混合。这种组合的空气最后在燃烧室中与燃气轮机燃料相混合。
图2示出了在过渡件10与燃烧器导流套筒28之间的连接，如同其将出现在图1远端左手侧处的那样。具体而言，过渡件10的冲击套筒22(或第二导流套筒)以伸缩关系收容在燃烧器导流套筒28(或第一导流套筒)后端上的安装凸缘26中，且过渡件10还以伸缩关系收容燃烧器衬套12。燃烧器导流套筒28包绕燃烧器衬套12，在其间形成导流环形空间30(或第一导流环形空间)。从图2中的流动箭头32可看出，在环形空间24中行进的该横向流动的冷却空气继续沿垂直于流经冷却孔34(见流动箭头36)的冲击冷却空气的方向流入环形空间30，其中，冷却孔34围绕导流套筒28的圆周形成(尽管图2中示出了三排，但导流套筒可具有任一排数的此类孔)。
仍参看图1和图2，示出了典型的环管状逆流式燃烧器，该燃烧器由来自于燃料的燃烧气体驱动，其中，具有高能含量的流动介质，即燃烧气体，由于经安装在转子上的叶片环进行偏转而产生旋转运动。在工作中，来自于压缩机(压缩至大约250至400磅/平方英寸(lb/in2)的数量级的压力)的排放空气在其经过燃烧器衬套(在12处示出了一个)外侧时以及再次在其在途中进入燃烧器衬套12而到达涡轮(14处指出了第一级)时倒转方向。压缩空气和燃料在燃烧室中点燃，产生温度在大约1500℃至大约2800℉之间的气体。这些燃烧气体以较高的速度经由过渡件10流入涡轮区段14中。
在燃烧器衬套12中来自于燃烧区段的热气体自其流入区段16中。这两个区段之间具有在图2中大体以46示出的过渡区域。如前文所述，在区段12后端处(区域46的入口部分)的热气体温度处在大约2800℉的数量级。然而，在区域46出口部分下游的衬套金属温度优选处在1400℉至1550℉的数量级。为了有助于将衬套冷却至较低的金属温度范围，在加热气体经过区域46期间，提供了冷却空气穿过其流动的衬套12。冷却空气用于从衬套吸收热量，且从而相对于热气体的温度显著降低衬套金属的温度。
然而，可能会出现问题的是，热燃烧气体可能在冷却射流经过冷却孔34之后受到截留。这些热点会由于热疲劳或可能在高频率下的HCF故障而造成破裂。参看图3和图4，柱桩或加强部件50固定在衬套12中的位于衬套12冷侧上的一个或多个冷却孔34中。柱桩可由任何适合的材料形成，如与衬套相同的材料。如图所示，柱桩50的厚度优选为大于衬套12的厚度。柱桩50通过焊接等(但也可使用铜焊、粘合剂、机械连接件等)在内边缘上固定到冷却孔34中，且在该边缘处提供了附加的刚度，以防止因热疲劳而造成破裂。附加的刚度还通过消除一些局部模式而提供对高频率下的HCF故障的抵抗。
各柱桩50均可包括大致包绕冷却孔34设置的一个或多个冷却通道52。冷却通道52优选为在对应于经过衬套12的热气流方向(由箭头56代表)的方向上相对于冷却孔轴线(由箭头54代表)成角α定向。也就是说，如图4中所示，冷却通道52相对于冷却孔轴线54成一定角度，使得经过冷却通道52的冷却空气在与经过衬套的热气流方向56相同的方向上具有至少一个方向分量。利用倾斜的冷却通道52，优选的是包括穿过柱桩的两排倾斜的通道52，用以推动热气体远离衬套壁。角α可为直至为大约30°的任何角度，超过30°的话，流经冷却通道52的空气可能难以推动热气体远离衬套壁。
将柱桩或加强部件加装到燃烧衬套的冷却孔中会增加冷却孔边缘处的刚度，用以减少因热疲劳造成的破裂。附加的刚度还提供了对高频率下的HCF故障的抵抗。倾斜的冷却通道用于推动热气体远离衬套壁，从而冷却衬套壁和柱桩。结果，衬套的耐用性可得到改善。
尽管本发明已结合当前认作是最为实用和优选的实施例进行了描述，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而相反的是旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和同等布置。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机燃烧器的燃烧器衬套，包括：
形成在所述衬套(12)中的冷却孔(34)，所述冷却孔将冷却空气输送到所述燃烧器的燃烧区中；以及
固定在所述冷却孔中的柱桩(50)，所述柱桩构造成用以对所述冷却孔的内边缘提供附加的刚度。
2.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述柱桩(50)焊接在所述冷却孔(34)中。
3.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述柱桩(50)的厚度大于所述衬套(12)的厚度。
4.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述柱桩(50)包括至少一个冷却通道(52)。
5.根据权利要求4所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述至少一个冷却通道(52)相对于所述冷却孔的轴线成一定角度。
6.根据权利要求5所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述至少一个冷却通道(52)沿对应于经过所述衬套的热气流方向(56)的方向成一定角度。
7.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述柱桩(50)包括大致包绕所述冷却孔设置的多个冷却通道(52)。
8.根据权利要求7所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述冷却通道(52)相对于所述冷却孔(54)的轴线成一定角度。
9.根据权利要求8所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述冷却通道(52)沿对应于经过所述衬套的热气流方向的方向成一定角度。
10.根据权利要求8所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述冷却通道(52)相对于所述冷却孔的轴线成直至30°的角度。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20100922