CN101915422A - 紊流式后端衬套组件和相关冷却方法 - Google Patents

紊流式后端衬套组件和相关冷却方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及紊流式后端衬套组件和相关冷却方法。在用于涡轮的燃烧器中，盖套管(140)设置在燃烧器衬套(118)的后端部分和弹性密封结构(38)之间，以在它们之间限定空气流动通道。盖套管(140)在其前端处具有用于将冷却空气引导到空气流动通道中的多个进气供给孔(146)。限定空气流动通道的燃烧器衬套后端部分的径向外表面包括朝向盖套管(140)凸出但与其隔开的多个紊流器(52)，以及多个支承件(144)，支承件(144)延伸到盖套管且接合盖套管，以使盖套管与紊流器隔开，以限定空气流动通道。

Description

紊流式后端衬套组件和相关冷却方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机发动机内的内部冷却；且更具体地讲，涉及用于在燃烧器衬套和将燃烧气体引导到涡轮的第一级的过渡导管之间的过渡区中提供更好且更均匀的冷却的组件和方法。
背景技术
传统的燃气轮机燃烧器使用扩散(即非预混合)燃烧，其中燃料和空气单独地进入燃烧室。混合和燃烧的过程会产生超过3900°F的火焰温度。由于传统的燃烧器衬套和/或过渡件大体能够经受仅约1500°F(约820℃)的最大温度约一万个小时(10,000小时)，所以为了耐用性、抗蠕变性和密封完整性，必须采取措施来保护燃烧器衬套和/或过渡导管，以及燃烧器衬套和过渡件的交接处的密封构造。这通常是通过薄膜式冷却来完成的，薄膜式冷却涉及将相对冷的压缩机空气引导到由包围燃烧器的外部的燃烧器衬套形成的气室中。在此现有布置中，来自气室的空气穿过燃烧器衬套中的通气窗，且然后作为薄膜越过衬套的内表面，从而保持燃烧器衬套完整性。
因为二原子氮会在超过约3000°F(约1650℃)的温度下迅速分裂，所以扩散燃烧的高温会造成相对较大的NOx排放。降低NOx排放的一种方法是使最大可能的量的压缩机空气与燃料预混合。所得的贫预混合燃烧会产生较冷的火焰温度，并且从而产生较低的NOx排放。通过预混合燃烧降低NOx排放受到可用于燃烧的总压缩机空气的百分比的限制。虽然贫预混合燃烧比扩散燃烧更冷，但是火焰温度仍然太热，以至于现有的传统燃烧器构件不能承受。
此外，因为先进的燃烧器使最大可能的量的空气与燃料预混合来降低NOx，所以有很少冷却空气或没有冷却空气可用，从而使得对燃烧器衬套和过渡件进行薄膜式冷却不切实际。然而，燃烧器衬套需要主动的冷却，以使材料温度保持在极限以下。在干式低NOx(DLN)排放系统中，这种冷却仅可作为冷侧对流来提供。必须在热梯度和压力损失的要求内执行这种冷却。因此，考虑过诸如隔热涂层结合“后侧”冷却的手段来保护燃烧器衬套和过渡件不被这种高热损害。后侧冷却涉及在使空气与燃料预混合之前使压缩机排气越过过渡件和燃烧器衬套的外表面。
另一种现行的实践是对衬套进行冲击冷却，并且，可选地，在衬套的外表面上提供紊流器(参见例如美国专利NO.7,010,921)。又一种实践是在衬套的外表面或外部表面上提供一排凹陷(参见美国专利NO.6,098,397)。这些各种已知的技术会增强传热，但在热梯度和压力损失方面有不定的作用。
如共同拥有的美国专利NO.7,010,921中所描述的另一种技术在衬套和衬套的后端处的密封件之间径向地提供了特别为冷却该密封件而设计的笔直的轴向冷却空气槽道。
但是，仍然需要在燃烧器衬套/过渡件交接区中提供更有效的冷却，以进一步提高耐用性，并且由此提高燃烧器衬套和相关联的密封件的使用寿命。
发明内容
以上论述的和其它的缺点和缺陷在一个示例实施例中由用于冷却燃气轮机的燃烧器衬套和过渡件之间的交接区的装置至少部分地克服或消除。
因此，在一个方面中，本发明涉及燃烧器衬套，其包括具有前端和后端的、端部开口的大体圆柱形的主体，后端形成有多个沿轴向延伸的槽道，槽道由多个沿轴向延伸的沿周向隔开的肋限定；各个槽道设有多个沿轴向隔开的横向紊流器，肋比紊流器具有更大的高度。
在另一个方面中，本发明涉及用于涡轮的燃烧器，其包括：燃烧器衬套；包围燃烧器衬套的第一流动套管，在燃烧器衬套与第一流动套管之间具有第一流动环室，第一流动套管具有形成于其周边周围以将压缩机排气引导到第一流动环室中的多个冷却孔口；连接到燃烧器衬套上的过渡件主体，过渡件主体适于将热的燃烧气体运送到涡轮；包围过渡件主体的第二流动套管，第二流动套管具有用于将压缩机排气引导到第二流动套管和过渡件主体之间的第二流动环室中的第二组多个冷却孔口，第一流动环室连接到第二流动环室上；径向地设置在燃烧器衬套的后端部分和过渡件主体的前端部分之间的弹性密封结构；径向地设置在燃烧器衬套的后端部分和弹性密封结构之间的盖套管，在盖套管和燃烧器衬套的后端部分之间的多个沿轴向延伸的沿周向隔开的空气流动槽道；以及朝向盖套管凸出但与盖套管隔开的、各个空气流动槽道中的多个沿轴向隔开的沿横向定向的紊流器。
在又一个实施例中，本发明涉及对燃气轮机燃烧器中的、介于燃烧器衬套的后端部分和过渡件的前端部分之间的过渡区进行冷却的方法，燃烧器衬套具有包围燃烧器衬套的第一流动套管，在燃烧器衬套与第一流动套管之间有第一流动环室，第一流动套管具有形成于其周边周围以将压缩机排气引导到第一流动环室中的第一组多个冷却孔口，过渡件连接到燃烧器衬套上且适于将热的燃烧气体运送到涡轮；第二流动套管包围过渡件，该第二流动套管具有用于将压缩机排气引导到第二流动套管和过渡件之间的第二流动环室中的第二组多个冷却孔口，第一流动环室连接到第二流动环室上；过渡区包括径向地设置在燃烧器衬套的后端部分和过渡件的前端部分之间的弹性密封结构；该方法包括：(a)将燃烧器衬套的后端部分构造成包括多个沿轴向定向的流动槽道，以及在各个流动槽道中的多个沿径向向外凸出的横向紊流器；(b)将盖套管设置在燃烧器衬套的后端部分和弹性密封结构之间，以便封闭流动槽道的径向外侧；横向紊流器朝向盖套管凸出但与其隔开；以及(c)将压缩机排气供应通过第一组多个冷却孔口和第二组多个冷却孔口中的至少一些并且通过流动槽道，以从而冷却弹性密封件。
现在将结合下面标识的附图对本发明进行更加详细的描述。
附图说明
图1是示出了在燃烧器衬套的后端和过渡件的前端处的交接区的燃气轮机燃烧器的局部示意性剖面图；
图2是图1的交接区的局部但更加详细的视图；
图3是在燃烧器衬套的后端处且适于由过渡件接合的密封构造的分解局部视图；
图4是根据本发明的一个示例性实施例的燃烧器衬套的后端的示意性正视图；
图5是图4中所示的燃烧器衬套的端视图；以及
图6是图4和5中所示的衬套的后端的局部透视图。
具体实施方式
图1示意性地描绘了在环管型燃气轮机燃烧器10中的燃烧器衬套的后端和过渡件的前端之间的交接区。如可在此实例中看到的，过渡件12包括径向内侧的过渡件主体14和与过渡件主体14隔开的径向外侧的过渡件冲击套管16。在过渡件12的上游的是燃烧衬套18和限定为与衬套成包围关系的燃烧器流动套管20。
来自燃气轮机压缩机(未示出)的流进入壳体24中。约50％的压缩机排气穿过沿着过渡件冲击套管16形成且形成于过渡件冲击套管16周围的孔口(没有详细显示)，以在过渡件主体14和径向外侧的过渡件冲击套管16之间的环形区或环室26中流动。剩余的约50％的压缩机排气传送进入上游燃烧衬套流动套管20的流动套管孔28中，且进入流动套管20和衬套18之间的环室30中，并且最终与来自下游环室26的空气混合。组合后的空气最终在燃烧室中与燃气轮机燃料混合。
图2更加详细地示出了过渡件14/冲击套管16与燃烧器衬套18/流动套管20之间的过渡区(或连接处)22。特别地，过渡件14的冲击套管16(或第二流动套管)以可伸缩的关系接收在燃烧器流动套管20(或第一流动套管)的后端上的安装凸缘32中。过渡件14还以可伸缩的关系接收燃烧器衬套18。燃烧器流动套管20包围燃烧器衬套18，从而在它们之间建立流动环室30(或第一流动环室)。可从图2中的流动箭头34看出，在环室26中行进的横向流动冷却空气继续沿垂直于流过冷却孔28(见流动箭头36)的冲击冷却空气的方向流入环室30中，冷却孔28形成于流动套管20的周边周围(虽然图2中显示了三排冷却孔，但是流动套管可具有任何排数的这种孔)。
如上所述，在衬套18的后端和连接处或交接区22处的热气温度为约2800°F。但是，在交接区22的下游出口部分处的衬套金属温度优选地为约1400-1550°F。如下面更加详细地论述的，为了帮助在加热了的气体穿过交接区22期间将衬套18冷却到此较低的金属温度范围，衬套18的后端已经形成有轴向通道，冷却空气流过该轴向通道。此冷却空气用来从衬套中抽取热，且从而相对于热气的温度显著地降低衬套金属温度。
更具体地，且如在图3中最佳地看到的，衬套18具有安装在衬套后端50的环形盖套管或板40和过渡件14之间的相关联的压缩型密封件38，其通常称为“呼拉圈式密封件(hula seal)”。更具体地，盖板40安装在衬套后端50上，以形成用于压缩密封件的安装表面。衬套18具有由多个沿轴向延伸的凸起的区段或肋44形成的多个轴向槽道42，其在衬套18的后端50的周围沿周向延伸。盖套管40和肋44共同限定了在衬套的后端周围沿周向排列的相应的基本平行的气流槽道42。冷却空气分别通过进气槽46和/或开口47被引导到槽道42中，并且通过开口48离开衬套。
根据本发明的示例性但非限制性的实施例，将图3所示的冷却布置修改成在沿轴向延伸的肋44之间包括紊流凸脊。如在图4-6(其中保留了对应于图3中所示的燃烧器元件的参考标号，但添加了前缀“1”)中最佳地看到的，限定冷却流动槽道142的沿轴向延伸的肋144仍然由盖板或套管140封闭。但是，这里，横向(或沿周向延伸的)紊流器52以基本平行的、沿轴向隔开的关系引入各个槽道142内。注意，紊流器52也是肋的形式，但其具有比肋144的高度更小的高度，从而当盖套管140位于衬套的后端118周围时，冷却空气能够流过槽道142，同时“行”过紊流器52，并且从而增大局部传热系数，并且从而提高冷却能力。虽然显示了紊流器52的形状为大体长方形，但将理解的是，紊流器52的确切高度、截面形状和轴向间隔可随具体应用改变。另外，制造技术(机械加工、铸造等)可确定一个槽道中的紊流器152是否是与相邻槽道中的紊流器沿周向对齐的。
至今还在进行的一项分析显示，在交接区中温度降低了50°F-100°F。因此，通过提供如本文所提出的横向紊流器52，与无紊流的流动槽道相比，应该能够用相同量的冷却空气实现较大的传热(或用较少的冷却空气实现相同量的传热)。这种额外的冷却能力提高了使用寿命和/或在较高的温度下点燃燃气轮机的能力，以及/或者使得能够降低NOx排放。
虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例的内容对本发明进行了描述，但将理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (10)

1.一种燃烧器衬套(118)，包括具有前端和后端(150)的、端部开口的大体圆柱形的主体，所述后端形成有由多个沿轴向延伸、沿周向隔开的肋(144)限定的多个沿轴向延伸的槽道(142)；各个槽道设有多个沿轴向隔开的横向紊流器(52)，所述肋(144)比所述紊流器(52)具有更大的高度。
2.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述横向紊流器(52)彼此基本平行。
3.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，相邻槽道中的所述横向紊流器(52)沿周向对齐。
4.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述横向紊流器(52)的形状基本为长方形。
5.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述后端(150)封闭在套管(140)内，所述套管(140)与所述肋(144)接合，但不与所述横向紊流器(52)接合。
6.一种用于涡轮的燃烧器，包括：
燃烧器衬套(118)；
包围所述燃烧器衬套的第一流动套管(140)，在所述燃烧器衬套和所述第一流动套管(140)之间有第一流动环室，所述第一流动套管(140)具有形成于该第一流动套管(140)周边周围以将压缩机排气引导到所述第一流动环室中的多个冷却孔口(146)；
连接到所述燃烧器衬套(118)上的过渡件主体(14)，所述过渡件主体适于将热的燃烧气体运送到所述涡轮；
包围所述过渡件主体(14)的第二流动套管(16)，所述第二流动套管具有用于将压缩机排气引导到所述第二流动套管和所述过渡件主体之间的第二流动环室中的第二组多个冷却孔口，所述第一流动环室连接到所述第二流动环室上；
径向地设置在所述燃烧器衬套(118)的后端部分和所述过渡件主体(14)的前端部分之间的弹性密封结构(38)；
径向地设置在所述燃烧器衬套(118)的所述后端部分和所述弹性密封结构(38)之间的盖套管(140)，在所述盖套管(140)和所述燃烧器衬套(118)的所述后端部分之间的多个沿轴向延伸、沿周向隔开的空气流动槽道(142)；以及朝向所述盖套管(140)凸出但与所述盖套管(140)隔开的、所述空气流动槽道的各个中的多个沿轴向隔开沿横向定向的紊流器(52)。
7.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述横向紊流器(52)彼此基本平行。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，相邻的空气流动槽道中的所述横向紊流器(52)沿周向对齐。
9.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述横向紊流器(52)的形状基本为长方形。
10.一种对燃气轮机燃烧器中的、介于燃烧器衬套(118)的后端部分和过渡件(12)的前端部分之间的过渡区(22)进行冷却的方法，所述燃烧器衬套(118)具有包围所述燃烧器衬套的第一流动套管(140)，在所述燃烧器衬套(118)和第一流动套管(140)之间有第一流动环室，所述第一流动套管(140)具有形成于该第一流动套管周边周围以将压缩机排气引导到所述第一流动环室中的第一组多个冷却孔口(146)；所述过渡件(12)连接到所述燃烧器衬套(118)上且适于将热的燃烧气体运送到涡轮；第二流动套管(16)包围所述过渡件(12)，所述第二流动套管(16)具有用于将压缩机排气引导到所述第二流动套管和所述过渡件之间的第二流动环室中的第二组多个冷却孔口，所述第一流动环室连接到所述第二流动环室上；所述过渡区(22)包括径向地设置在所述燃烧器衬套(118)的所述后端部分和所述过渡件(12)的所述前端部分之间的弹性密封结构(38)；
所述方法包括：
(a)将所述燃烧器衬套(118)的所述后端部分构造成包括多个沿轴向定向的流动槽道(142)，以及在所述流动槽道的各个中的多个沿径向向外凸出的横向紊流器(52)；
(b)将盖套管(140)设置在所述燃烧器衬套(118)的所述后端部分和所述弹性密封结构(38)之间，以便封闭所述流动槽道的径向外侧；所述横向紊流器(52)朝向所述盖套管(140)凸出但与所述盖套管(140)隔开；以及
(c)将压缩机排气供应通过所述第一组多个冷却孔口和所述第二组多个冷却孔口中的至少一些并且通过所述流动槽道，以从而冷却所述弹性密封件。
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