CN101936532A - 冷却一件式筒形燃烧器和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冷却一件式筒形燃烧器和相关方法。具体而言，一种用于冷却基本上被封套在环绕的导流套筒内的单件式组合燃烧器衬套/过渡件(10)的冷却装置，其具有径向地处在导流套筒与单件式组合燃烧器衬套/过渡件之间的冷却环状空间(22)，该冷却装置包括：位于导流套筒中的第一多个冲击冷却孔(40)，该多个冲击冷却孔具有第一直径并被布置成用以引导冷却空气到单件式组合燃烧器衬套/过渡件的指定区域上；以及处在单件式组合燃烧器衬套/过渡件中的第二多个泻流冷却孔(36)，其具有小于第一直径的第二直径，并且定位成通过泻流来冷却单件式组合燃烧器衬套/过渡件的其它区域。

Description

冷却一件式筒形燃烧器和相关方法
技术领域
本发明主要涉及涡轮构件，并且更具体地涉及冷却燃气轮机燃烧器。
背景技术
工业燃气轮机燃烧器通常设计成包括成阵列地围绕涡轮转子圆周的多个分立的燃烧室或“筒(can)”。常规而言，工业燃气轮机筒形燃烧室的壁由两个主要部件形成：接合燃烧器的圆头端的圆柱形或圆锥形金属板材衬套(liner)；以及将热气体流路从衬套的圆形截面过渡至通向涡轮第一级的进口的弧形区段(sector)的金属板材过渡件。这两个燃烧器构件借助于柔性连接件成端对端的关系连接在一起，这需要在冷却流中消耗一部分压缩机排出空气和在连接部位发生泄漏。
在共同拥有的美国专利No.7,082,766中，公开了一种筒形燃烧器，其包括从燃烧器前端或头端直接延伸到涡轮第一级进口的管道，即现有技术的燃烧器衬套和过渡件组合成单个的管道。在一个示例性实施例中，相组合的燃烧器衬套/过渡件(文中有时也称为“单件式管道”)无接缝，并且导流套筒(flow sleeve)以与其成大致同心关系地环绕该单件式管道，在其间形成用于输送空气到燃烧器的导流环状空间(flow annulus)。通过在环绕的导流套筒中设置冲击冷却孔，使得一部分压缩机排出空气还径向地穿过冲击冷却孔流进在单件式管道与导流套筒之间的环状空间，从而通过冲击和对流冷却来冷却管道而实现冷却。
然而，仅强制对流不可能有效地冷却单件式管道。由于冷却流的压降局限性和/或不均匀的分布而可能存在未被冷却的区域(即，热点)。
因此，对于结合了燃气轮机燃烧器的现有技术的燃烧器衬套和过渡件的单件式管道而言，需要更有效和高效的冷却技术。
发明内容
根据本文所述的示例性但非限制性的实施例，本发明采用泻流冷却(effusion cooling)来冷却相组合的燃烧器衬套/过渡件中冲击冷却不足的区域。因此，在一方面，本发明涉及一种用于冷却大体上被封套在环绕的导流套筒内的单件式组合燃烧器衬套/过渡件的冷却装置，其具有径向地处在导流套筒与单件式组合燃烧器衬套/过渡件之间的冷却环状空间，该冷却装置包括：位于冲击导流套筒中的第一多个冲击冷却孔，该多个冲击冷却孔具有第一直径并被布置成用以引导冷却空气到单件式组合燃烧器衬套/过渡件的指定区域上；以及位于单件式组合燃烧器衬套/过渡件中的第二多个泻流冷却孔，其具有小于第一直径的第二直径，并被定位成通过泻流来冷却单件式组合燃烧器衬套/过渡件的其它区域。
在另一方面，本发明涉及一种冷却单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件的方法，其包括：(a)利用导流套筒环绕单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件，从而在单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件与导流套筒之间构成环形流动通道；(b)在导流套筒中设置多个适于供应冷却空气到单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件的指定区域上的冲击冷却孔；以及(c)在单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件中设置多个适于供应冷却空气到单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件的其它指定区域的泻流冷却孔。
现将结合以下标明的附图详细地描述本发明。
附图说明
图1是根据公知构造的由导流套筒所环绕的单件式组合燃烧器衬套/过渡件的示意图；以及
图2是根据本发明的一个示例性实施例的设置有泻流冷却孔的单件式组合燃烧器衬套/过渡件的局部透视图；以及
图3示出了图2所示的单件式组合燃烧器衬套/过渡件的泻流冷却区域中的冷却流模式的示意性截面。
具体实施方式
参照图1，本发明的示例性但非限制性的实施例包括复合形状的圆柱形单件式组合燃烧器衬套/过渡件(或单件式管道)10，其从圆形燃烧器头端12直接延伸到总体上呈矩形但为弓形的区段14上，该区段14连接到涡轮16的第一级上。单件式管道10可由焊接或连接在一起的两个半部或若干构件形成，以易于组装或制造。同样，单件式导流套筒18从圆形燃烧器头端12直接过渡到后构架20。单件式导流套筒18也可由两个半部形成并焊接或连接在一起，以易于组装。在导流套筒18与后构架20之间的连接部位对径向地位于导流套筒18与单件式管道10之间的冷却环状空间22形成基本上封闭的端部。
与现有技术中所采用的那些相似，附加的燃气轮机燃烧器构件包括圆形罩盖(cap)24以及支承多个燃料喷嘴28的端盖26。单件式管道10还支承前套筒30，该前套筒30可通过例如焊接通过径向支柱32固定地附接在单件式管道10上。
在其前端，单件式管道10由附接在罩盖24上径向地处于罩盖与管道10之间的常规的密封圈(hula seal)34支承。虽然上述示例性实施例代表了一种技术方案，但存在将会实现单件式筒燃烧器意图的其它设想到的构造。例如，密封圈34可倒转并附接在管道10上。在另一个实例中，前套筒30任选地通过例如铸造或其它适当的制造工艺与管道10一体地制成。
在使用中，压缩机排出空气借助于形成在导流套筒中的冲击冷却孔、槽或其它开口(参见图3中的冲击孔40)流入由环绕单件式管道10的导流套筒18所形成的冷却环状空间22并沿着其流动，以及这些冲击冷却孔、槽或其它开口允许一部分压缩机排出空气沿径向流过这些孔洞，以在单件式管道10上产生冲击并因此对其进行冷却，且之后沿着环状空间22流到燃烧器的前端，在此，空气反向流到燃烧室中。
冲击孔可采用各种模式布置，例如，轴向地间隔开、对齐或偏离的环形排等，或甚至采用任意的阵列。
然而，由于邻近的冲击孔冷却射流之间典型的大的间距距离(pitch spacing)，单件式管道10的冷却并不理想。为了补充和增强冲击冷却，已对单件式管道10增设了泻流冷却开孔36。更具体而言，一个或多个阵列38的泻流冷却开孔36形成在单件式管道10周围冲击冷却不足的选定位置中。
例如，如图2所示，有序阵列38的泻流冷却开孔36定位成更靠近管道10的前端或头端12并且紧邻密封圈的位置，至少一些开孔36位于在邻近的、轴向间隔开的成排的冲击冷却孔40之间。阵列38可采用在管道10的圆周周围的连续或不连续的开孔模式的形式，并且可有相似或不同的阵列沿轴向处在各对邻近的成排的冲击孔40之间，或在未通过流经冲击冷却孔40的空气射流充分冷却的任何其它空间中。阵列模式，即矩形、正方形、不规则形状等，可由冷却要求确定。这样，可减轻冲击冷却不足的那些区域中的高温(即，热点)，同时还最大限度地减小了热梯度。更具体而言，如图3中的流动箭头所示，沿着并经过环形通道22流动的冷却空气，其基本上垂直于经由冲击孔40进入通道22的冲击射流，将流过泻流开孔36并且沿着管道10的内侧表面构成冷却空气膜，从而增强对管道的冷却，尤其是在未通过冲击冷却充分冷却的区域中。如果需要，泻流孔36可倾斜以在燃烧气体在衬套中的流动方向上引导泻流冷却空气。
在一个示例性但非限制性的实施方案中，冲击孔40可具有在从约0.10英寸到约1.0英寸的范围中的直径(或者如果为非圆形，则为基本上相等的截面面积)。更小的泻流孔36可具有在从约0.02英寸到约0.04英寸的范围中的直径(或者如果为非圆形，则为基本上相等的截面面积)。
冲击和泻流冷却的结合可应用于其中冲击射流间距距离产生不利的热状态的任何构件。
虽然已结合目前认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但应该理解，本发明并不局限于所公开的实施例，相反而言，本发明意图涵盖包括在所附权利要求的精神和范围之内的各种改型和等同装置。

Claims (11)

1.一种用于冷却基本上封套在环绕的导流套筒(18)内的单件式组合燃烧器衬套/过渡件(10)的冷却装置，具有径向地处在所述导流套筒与所述单件式组合燃烧器衬套/过渡件之间的冷却环状空间(22)，所述冷却装置包括：
位于所述导流套筒中的第一多个冲击冷却孔(40)，所述多个冲击冷却孔具有第一直径并被布置成用以引导冷却空气到所述单件式组合燃烧器衬套/过渡件(10)的指定区域上；以及
位于所述单件式组合燃烧器衬套/过渡件(10)中的第二多个泻流冷却孔(36)，其具有小于所述第一直径的第二直径，并且定位成通过泻流来冷却所述单件式组合燃烧器衬套/过渡件的其它区域。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第二多个冷却孔(36)在所述单件式组合燃烧器衬套/过渡件(10)中布置在偏离所述第一多个冲击冷却孔(40)的至少一个区域中。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第二多个泻流冷却孔(36)倾斜，以在燃烧气体在所述单件式组合燃烧器衬套/过渡件(10)中的流动方向上引导泻流冷却空气。
4.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述第二多个泻流冷却孔(36)倾斜，以在燃烧气体在所述单件式组合燃烧器衬套/过渡件(10)中的流动方向上引导泻流冷却空气。
5.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，所述第一多个冲击孔(40)具有在从约0.10英寸到约1.0英寸的范围中的直径，以及所述第二多个泻流孔(36)具有在从约0.02英寸到约0.04英寸的范围中的直径。
6.一种冷却单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件(10)的方法，包括：
(a)利用导流套筒(18)环绕所述单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件(18)，从而在所述单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件与所述导流套筒之间构成环形流动通道(22)；
(b)在所述导流套筒中设置多个适于供应冷却空气到所述单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件的指定区域上的冲击冷却孔(40)；以及
(c)在所述单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件中设置多个适于供应冷却空气到所述单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件的其它指定区域上的泻流冷却孔(36)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括在至少一个偏离所述多个冲击冷却孔(40)的区域中成有序阵列地将所述多个泻流冷却孔(36)布置在所述单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件(10)中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括使所述多个泻流冷却孔(36)倾斜，以在燃烧气体在所述单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件(10)中的流动方向上引导泻流冷却空气。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个冲击冷却孔(40)具有指定的截面面积，以及其中，所述多个泻流冷却孔(36)具有相对小于所述多个冲击孔的截面面积。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个冲击冷却孔(40)呈圆形，分别由指定的截面面积所限定，以及其中，所述多个泻流冷却孔(36)呈圆形并且具有相对小于所述多个冲击孔的截面面积。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多个冲击孔(40)具有在从约0.10英寸到约1.0英寸的范围中的直径，以及所述多个泻流孔(36)具有在从约0.02英寸到约0.04英寸的范围中的直径。
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