CN101852132A - 热分离式环管型过渡件 - Google Patents

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CN101852132A CN201010156194A CN201010156194A CN101852132A CN 101852132 A CN101852132 A CN 101852132A CN 201010156194 A CN201010156194 A CN 201010156194A CN 201010156194 A CN201010156194 A CN 201010156194A CN 101852132 A CN101852132 A CN 101852132A
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Abstract

本发明涉及热分离式环管型过渡件。具体而言，一种涡轮机包括布置成环管型阵列(40)的多个喷射喷嘴(37，38)和包括限定燃烧流动通道(72)的至少一个壁(64)的过渡件(55)。稀释孔口(67)形成在该过渡件的至少一个壁中。稀释孔口引导稀释气体通向燃烧流动通道。热防护构件(80)在燃烧流动通道中安装到过渡件的至少一个壁中。热防护构件包括具有第一表面(136)和相对的第二表面(137)的本体(135)，其中，稀释通道(140-142)延伸穿过该本体。稀释通道与稀释孔口相偏离。热防护构件(80)与过渡件(55)的至少一个壁(64)间隔开，在至少一个壁(64)和第二表面之间限定了流动区域(100)。

Description

热分离式环管型过渡件
技术领域
本文所公开的主题涉及涡轮机领域，且更具体地涉及包括热分离式环管型过渡件的涡轮机。
背景技术
一般而言，燃气涡轮发动机燃烧燃料/空气混合物，其释放出热能以形成高温气流。高温气流经由热气通路引导至涡轮。涡轮将来自于高温气流的热能转换成使涡轮轴旋转的机械能。涡轮可用于多种应用场合，例如向泵或发电机提供动力。
许多燃气轮机包括环形燃烧器，在该环形燃烧器中形成产生高温气流的燃烧气体。其它涡轮机采用布置成环管型阵列的多个燃烧器。在此类涡轮机中，燃烧气体在该多个燃烧器的各者内形成，并经由过渡件输送至涡轮。除了提供通向涡轮的通道，过渡件提供了用以增强燃烧的附加机会。一些涡轮机采用布置在过渡件中的一系列稀释通道。一部分压缩机空气沿着过渡件传送，穿过稀释通道，并进入燃烧空气流。这部分压缩机空气，或稀释气体，用来增强燃烧气体的分布/模式系数(profile/pattern factor)。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种涡轮机包括：布置成环管型阵列的多个喷射喷嘴；以及过渡件，其包括限定燃烧流动通道的至少一个壁。稀释孔口形成在该过渡件的至少一个壁中。稀释孔口引导稀释气体通向燃烧流动通道。热防护部件在燃烧流动通道中安装到该过渡件的至少一个壁上。热防护部件包括具有第一表面和相对的第二表面的本体，稀释通道延伸穿过该本体。稀释通道与稀释孔口相偏离。热防护部件与过渡件的至少一个壁间隔开，在该至少一个壁和第二表面之间限定了流动区域。
根据本发明的另一方面，使过渡件与涡轮机中的燃烧气体热分离的方法包括：在涡轮机的压缩机部分中产生冷却气体，在布置成环管型阵列的多个燃烧室中生成燃烧气体，将燃烧气体引导到涡轮机的流动空腔(cavity)中。流动空腔将环管型阵列的燃烧室与涡轮的第一级流体地相连接。该方法还包括利用至少一个热防护部件防护过渡件的内部表面免受燃烧气体。该至少一个热防护部件与过渡件的内部表面间隔开以形成流动空腔。冷却空气流传送经过形成在过渡件中的至少一个稀释孔口。该稀释孔口流体地连接到流动空腔上。最后，该方法包括引导冷却空气流穿过形成在该至少一个热防护部件中的至少一个稀释通道。该至少一个稀释通道与该至少一个稀释孔口相偏离，以便产生传送经过该至少一个热防护部件的表面的流出空气流，用以使过渡件的内壁与燃烧气体热分离。
根据以下描述并结合附图，这些及其它的优点和特征将会变得更为清楚。
附图说明
在权利要求书中具体地指出和清楚地主张了视作为本发明的主题。根据以下详细描述并结合附图，本发明的前述及其它的特征和优点变得清楚，在附图中：
图1是包括根据示例性实施例的热分离式过渡件的涡轮机的局部截面图；
图2是图1的涡轮机的燃烧器部分的局部截面图；
图3是根据示例性实施例的第一方面的热防护部件的详细视图；
图4是根据示例性实施例的第二方面的热防护部件的详细视图；以及
图5是根据示例性实施例的又一方面的热防护部件的详细视图。
具体实施方式参照附图以举例的方式阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
零件清单
2  涡轮机
4  压缩机
5  压缩机组件
6  压缩机
8  喷射喷嘴组件壳体
10 涡轮
12 压缩机/涡轮轴
22 扩散器
24 压缩机排放仓室(plenum)
30 端帽
37 预混和/喷射喷嘴
38 预混和/喷射喷嘴
39 预混和/喷射喷嘴
40 环管型阵列
46 压缩机壳体
47 压缩机衬套
48 燃烧室
49 冷却通道
55 过渡件
62 第一级涡轮喷嘴
64 内壁
65 外壁
66 开口
67 稀释孔口
68  环形流动通道
72  压缩机流动通道
80  热防护部件
81  热防护部件
82  热防护部件
83  热防护部件
84  热防护部件
85  热防护部件
90  本体(80)
92  第一表面
94  第二表面
96  稀释通道
97  第一端区段
98  第二端区段
100 流动区域
101 表面增强部分(enhancement)/突起
104 安装部件
105 安装部件
108 挂钩部件
109 挂钩部件
111 第一端
112 第一端
114 第二端
115 第二端
120 安装元件
121 安装元件
124 挂钩元件
125 挂钩元件
126 第一端
127 第一端
130 第二端
131 第二端
134 热防护部件
135 本体
136 第一表面
137 第二表面
140 稀释通道
141 稀释通道
142 稀释通道
144 第一端区段
145 第二端区段
146 倾斜的中间区段
151 第一端区段
152 第二端区段
153 倾斜的中间区段
157 第一端区段
158 第二端区段
159 倾斜的中间区段
161 挂钩部件
162 挂钩部件
164 挂钩元件
165 挂钩元件
170 热防护部件
171 本体
172 第一表面
173 第二表面
179 稀释通道
180 稀释通道
181 稀释通道
182 稀释通道
185 第一端区段
186 第二端区段
187 倾斜的中间区段
190 第一端区段
191 第二端区段
192 倾斜的中间区段
195 第一端区段
196 第二端区段
197 倾斜的中间区段
200 第一端区段
201 第二端区段
202 倾斜的中间区段
209 安装部件
211 开口
215 安装元件
218 突出体/柱桩
226 第一端部分
227 第二端部分
233 螺纹区段
238 紧固元件
240 紧固元件
具体实施方式
参看图1，根据示例性实施例所构成的涡轮机总体上以2表示。涡轮机2包括压缩机4和具有至少一个燃烧器6的燃烧器组件5，其中，燃烧器6设置有喷射喷嘴组件壳体8。涡轮机2还包括涡轮10和公共的压缩机/涡轮轴12。注意的是，本发明不限于任意一种具体的发动机并且可结合其它涡轮机一起使用。
如图2中最佳所示，燃烧器6与压缩机4和涡轮10联接成流动连通。压缩机4包括相互联接成流动连通的扩散器22和压缩机排放仓室24。燃烧器6还包括定位在其第一端的端盖30，以及帽盖部件34。燃烧器6还包括多个预混合器或喷射喷嘴，其中的两个以37和38表示。喷射喷嘴37和38布置在中央喷嘴39周围，形成环管型阵列40。尽管仅示出了三个喷射喷嘴，但将应理解的是，在环管型阵列40中所采用的喷射喷嘴的数目可有所变化。此外，燃烧器6包括燃烧器外壳46和燃烧器衬套47。如图所示，燃烧器衬套47定位成从燃烧器外壳46沿径向向内以便限定燃烧室48。环形燃烧室冷却通道49限定在燃烧器外壳46和燃烧器衬套47之间。
燃烧器6通过过渡件55联接至涡轮机2。过渡件55将来自燃烧室48的燃烧气体向下游引向第一级涡轮喷嘴62。为此，过渡件55包括内壁64和外壁或冲击套筒65。外壁65包括多个开口66，它们通向限定在内壁64和外壁65之间的环形流动通道68。通过这种布置，外壁65经由环形流动通道68内的压差来控制冷却空气的流动(和热交换)。类似的是，内壁64包括多个稀释孔口67，它们从环形流动通道68引入至延伸在燃烧室48和涡轮10之间的燃烧流动通道72中。流动通道72包括空间曲率(compound curvature)，其构建成以下文将更为全面地描述的方式将燃烧气体输送至第一涡轮级62。
在工作期间，空气流经压缩机4，进行压缩，并传送至燃烧器6，且更具体而言传送至喷射喷嘴37-39。同时，燃料传送至喷射喷嘴37-39，用以与压缩空气相混合来形成可燃混合物，该可燃混合物从环管型阵列40传送至燃烧室48并经点燃以形成燃烧气体。然后，经由过渡件55将燃烧气体引导至涡轮10。来自燃烧气体的热能转换成用来驱动压缩机/涡轮轴12的机械旋转能。
更具体而言，涡轮10经由压缩机/涡轮轴12驱动压缩机4(图1中所示)。随着压缩机4旋转，压缩空气如由相关箭头所示排放到扩散器22中。在该示例性实施例中，从压缩机4所排放的大部分压缩空气经过压缩机排放仓室24引向燃烧器6。任何剩余的压缩空气经引导用于冷却发动机构件。排放仓室24内的压缩空气经由外壁开口66引入过渡件55并进入环形流动通道68中。在不采用环形流动通道的构造中，无需由外壁65所产生的压差，压缩机排放空气传送经过开口66。然而，在所示的示例性实施例，压缩空气的第一或稀释部分经引导从环形流动通道68经过稀释孔口67进入流动通道72。压缩空气的第二部分经引导经过环形燃烧室冷却通道49并到达喷射喷嘴37-39。燃料和空气相混合以形成可燃混合物。可燃混合物经点燃以在燃烧室48内形成燃烧气体。燃烧器外壳46有助于防护燃烧室48及其相关联的燃烧过程免受举例来说例如包绕涡轮构件的外部环境。燃烧气体经引导从燃烧室48经过引导空腔72并朝向涡轮喷嘴62。冲击第一级涡轮喷嘴62的热气体产生旋转力，其最终产生来自涡轮机2的功。对此而言应当理解的是，上述构成代表了对示例性实施例更为完全的理解。此外，应当理解的是，尽管上述示例性实施例采用了冲击套筒，但其它示例性实施例既可采用也可不采用冲击套筒。
为了保护内壁64免受热燃烧气体的影响，过渡件55包括多个热防护部件80-85。由于各个热防护部件80-85均包括类似结构，故接下来将参考图3详细描述根据第一示例性实施例所构建的热防护部件80，同时理解的是，热防护部件81-85基本上也类似地形成。如图所示，热防护部件80包括稀释通道96延伸穿过其的本体90，该本体90具有相对于相对的第二表面94延伸的第一表面92。本体90由例如镍合金或陶瓷形成并且其形状形成为与过渡件55的空间曲率相一致。此外，本体90可包括施加到第一表面92和/或第二表面94上的热障涂层。稀释通道96包括延伸至第二端区段98的第一端区段97。根据所示的示例性实施例，稀释通道96偏离稀释孔口67，以便促使流动沿着第二表面94。此外，热防护部件80与过渡件55的内壁64间隔开，以便限定流动区域100。流动区域100的具体尺寸可根据设计要求而变化。进一步根据所示的示例性实施例，热防护部件80包括多个表面增强部分或突起，其中的一个以101表示，从第二表面94向外延伸。突起101在经过流动区域100传送的稀释空气内产生湍流。
如上所述，热防护部件80安装成仍然与过渡件55的内壁64间隔开。为此，过渡件55包括多个安装部件，其中的两个以104和105表示，从内壁64向外突出。在所示的示例性实施例中，安装部件104和105采用挂钩部件108和109的形式。各个挂钩部件108，109还包括延伸至第二端区段114和115的相应的第一端区段111和112。相应的是，热防护部件80包括多个安装元件，其中的两个以120和121表示，从第二表面94向外突出。
在所示的示例性实施例中，安装元件120和121采取挂钩元件124和125的形式。各个挂钩元件124，125均包括相应的第一端126和127，其在终止于挂钩(未单独标示)之前延伸至各自的第二端130和131。挂钩元件124和125与挂钩部件108和109相接合以将热密封部件80安装到过渡件55上，以便限定流动通道100。利用这种布置，流经燃烧器流动通道72的冷却空气传送经过稀释孔口67进入流动区域100以形成稀释空气。稀释空气沿着流动区域100传送并经过稀释通道96进入燃烧器流动通道72。因此，热防护部件对于过渡件55的内壁64提供了热障。热障给予内壁64各个部分一定水平的保护。例如，通过使内壁64与流动通道72中的燃烧气体分离，内壁64(尤其是围绕稀释孔口67的区域)的破裂得到减轻。更具体而言，摄取到与稀释空气一起形成的缩流断面(vena contracta)中的热气体与燃烧气体相混合，引起内壁64的在邻近稀释孔口67的区域中的破裂。通过提供在稀释孔口67和稀释通道96之间的偏离，消除了对热气体的摄取，使得热防护部件80延长了过渡件55的总体工作寿命。
现在将参照图4(其中，相同的标号表示在单独视图中的相应部分)来描述根据示例性实施例的另一方面所构建的热防护部件134。如图所示，热防护部件134包括具有第一表面136和相对的第二表面137的本体135。热防护部件134包括延伸穿过本体135的多个稀释通道140-142。以类似于上述方式，各个稀释通道140-142均与形成在过渡件55的内壁64中的其中一个相应的稀释孔口67相偏离。如下文将全面论述的那样，各个稀释通道140-142均构造成用以增强对热防护部件134的冷却。更具体而言，稀释通道140包括第一端区段144，其经过倾斜的中间区段146延伸至第二端区段145。也就是，第一端区段144与第二端区段145偏离，以便增加稀释通道140的总体流动长度。这样，该稀释空气，其形成穿过热防护部件134传送的流出流，便提供有额外的时间来交换热，从而增强了热交换。类似的是，稀释通道141包括第一端区段151，其经过倾斜的中间区段153延伸至第二端区段152，而稀释通道142包括第一端区段157，其经过倾斜的中间区段159延伸至第二端区段158。以类似于上述方式，各第一端区段151和157均与第二端区段152和158中的相应的一者相偏离，以便增加稀释通道141和142的总体流动长度。以同样类似于上述的方式，热防护部件134包括第一和第二挂钩元件164和165，它们构造成用以接合过渡件55上的挂钩部件108和109。
现在将参照图5来描述根据又一示例性实施例所构建的热防护部件170。如图所示，热防护部件170包括本体171，其具有对于相对的第二表面173延伸的第一表面172。热防护部件170包括在流动区域100和燃烧器流动通道72之间延伸的多个稀释通道179-182。以同样类似于上述的方式，各稀释通道179-182均构造成用以增强在经过流动通道100朝向燃烧器流动通道72传送的冷却空气之间的传热。也就是，稀释通道179包括第一端区段185，其经过倾斜区段187延伸至第二端区段186。同样，稀释通道180包括第一端区段190，其经过倾斜区段192延伸至第二端区段191，稀释通道181包括第一端区段195，其经过倾斜区段197延伸至第二端区段196，以及稀释通道182包括第一端区段200，其经过倾斜的中间区段202延伸至第二端区段201。利用这种布置，各第一端区段185、190、195和200均与第二端区段186、191、196和201中的相应的一者相偏离，以便在本体171内提供延长的流动，用以增强来自热防护部件170的传热。
进一步根据所示的示例性实施例，热防护部件170安装成仍然与过渡件55的内壁64间隔开，以便限定流动通道100。更具体而言，内壁64包括以开口211的形式示出的安装部件209。外壁65还包括与开口211对准的开口(未单独地标示)。热防护部件170包括安装元件215，其示出为从第二表面173延伸的突出体或柱桩(stud)218的形式。柱桩218构造成用以延伸穿过开口211，以便将热防护部件170固定到过渡件55上。更具体而言，柱桩218包括延伸至第二端部分227的第一端部分226，并包括构造成用以接收紧固件238的螺纹区段233。紧固件238，其示出为具有构造成用以接合螺纹区段233的多个内螺纹(未示出)的螺母的形式，固定到柱桩218上，从而将热防护部件170安装到过渡件55上。第二紧固件240可用来提供距内壁64的所需间距，以便保证在相邻的热防护部件之间的对准和提供对于流动通道100的一致性。
对此，应当理解的是，热防护部件根据示例性实施例构建成用以提供一定的结构来减少过渡件55内壁64的受热。如上文所注意的是，通过使内壁64与流动通道72中的燃烧气体相分离，内壁64(尤其是围绕稀释孔口67的区域)的破裂得到减轻。更具体而言，摄入到与稀释空气一起形成的缩流断面中的热气体与燃烧气体相混合，引起邻近稀释孔口67的区域中的内壁64破裂。通过提供在稀释孔口67和稀释通道96之间的偏离，消除了对热气体的摄取，使得热防护部件80延长了过渡件55的总体工作寿命。也就是，通过在过渡件55内提供作出牺牲的构件，热防护部件增强了可服务性和保养，同时延长了涡轮机2的总体服务寿命。
尽管本发明已结合了仅有限数量的实施例进行了详细描述，但应当容易理解的是，本发明不限于这些所公开的实施例。相反，本发明可修改成用以结合此前并未描述但与本发明的精神和范围相称的任一数量的变型、变更、替代方案或同等布置。此外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但将应理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例的一部分。因此，本发明不应视作为受限于上述实施例，而是由所附权利要求的范围来限制。

Claims (10)

1.一种涡轮机(2)，包括：
燃烧器组件(5)，其包括布置成环管型阵列(40)的多个喷射喷嘴(37，38)；
过渡件(55)，其包括限定燃烧流动通道(72)的至少一个壁(64)；
至少一个稀释孔口(67)，其形成在所述过渡件(55)的至少一个壁(64)中，所述至少一个稀释孔口(67)引导稀释气体通向所述燃烧流动通道(72)；以及
热防护部件(80)，其在所述燃烧流动通道(72)中安装到所述过渡件(55)的至少一个壁(64)上，所述热防护部件(80)包括具有第一表面(136)和相对的第二表面(137)的本体(135)，至少一个稀释通道(140-142)延伸穿过所述本体(135)，所述至少一个稀释通道(140-142)与所述至少一个稀释孔口(67)相偏离，所述热防护部件(80)与所述过渡件(55)的至少一个壁(64)间隔开以便在所述至少一个壁(64)和所述第二表面(137)之间限定流动区域(100)，所述流动区域(100)使所述过渡件(55)与由所述环管型阵列(40)的喷射喷嘴所产生的燃烧气体热分离。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡轮机(2)还包括：
设置在所述过渡件(55)上的至少一个安装部件(104)；以及
设置在所述热防护部件(80)的第二表面(137)中的至少一个安装元件(120)，所述至少一个安装部件(104)适于与所述至少一个安装元件(120)相互作用，以将所述热防护部件(80)安装到所述过渡件(55)上。
3.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个安装部件(104)包括从所述过渡件(55)的至少一个壁(64)朝向所述燃烧流动通道(72)向外延伸的挂钩部件(108)，以及所述至少一个安装元件(120)包括从所述热防护部件(80)的第二表面(137)基本上垂直地向外延伸的挂钩元件(124)，所述挂钩元件(124)构造成与所述至少一个挂钩部件(108)相联接用以将所述热防护部件(80)安装到所述过渡件(55)的至少一个壁(64)上。
4.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个安装部件(104)包括延伸穿过所述过渡件(55)的至少一个壁(64)的开口(211)，以及所述至少一个安装元件(120)包括具有从所述第二表面(137)朝向第二端部分(227)延伸的第一端部分(226)的突出体(218)，所述第二端部分(227)适于延伸穿过所述开口(211)以将所述热防护部件(80)安装到所述过渡件(55)上。
5.根据权利要求4所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡轮机(2)还包括：设置在所述突出体(218)的第二端部分(227)上的紧固元件(238)。
6.根据权利要求5所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述突出体(218)的所述第二端部分(227)包括螺纹区段(233)。
7.根据权利要求5所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述紧固元件(238)包括具有构造成用以与所述突出体(218)的螺纹区段(233)相接合的多个内螺纹的螺母。
8.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述稀释通道(140-142)包括延伸至第二端区段的第一端区段(97)，所述第一端区段(97)与所述第二端区段(98)相偏离。
9.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个稀释孔口(67)包括多个稀释孔口，以及所述至少一个稀释通道(140-142)包括多个稀释通道(140-142)，所述多个稀释通道(140-142)中的各者均与所述多个稀释孔口中的各者相偏离，且其中，所述热防护部件(80)的第二表面(137)包括多个突起，所述多个突起(101)调节传送经过所述流动区域(100)的空气流。
10.一种使过渡件(55)与涡轮机(2)中的燃烧气体热分离的方法，所述方法包括：
在所述涡轮机(2)的压缩机部分中产生冷却气体；
在布置成环管型阵列(40)的多个燃烧室中生成燃烧气体；
引导所述燃烧气体进入到所述涡轮机(2)的流动空腔中，所述流动空腔将所述环管型阵列(40)的燃烧室与涡轮的第一级流体地相连接；
利用至少一个热防护部件(80)来防护所述过渡件(55)的内部表面免受所述燃烧气体，所述至少一个热防护部件(80)与所述过渡件(55)的内部表面间隔开以便形成流动空腔；
穿过形成在所述过渡件(55)中的至少一个稀释孔口(67)传送所述冷却空气流，所述稀释孔口(67)流体地连接至所述流动空腔；以及
引导所述冷却空气流穿过形成在所述至少一个热防护部件(80)中的至少一个稀释通道(140-142)，所述至少一个稀释通道(140-142)与所述至少一个稀释孔口(67)相偏离，以便产生传送经过所述至少一个热防护部件(80)的表面的流出空气流，用以使所述过渡件(55)的内壁(64)与所述燃烧气体热分离。
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