CN102052689A - 用于涡轮机喷射器的冲击插入件 - Google Patents

用于涡轮机喷射器的冲击插入件 Download PDF

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CN102052689A CN2010102864931A CN201010286493A CN102052689A CN 102052689 A CN102052689 A CN 102052689A CN 2010102864931 A CN2010102864931 A CN 2010102864931A CN 201010286493 A CN201010286493 A CN 201010286493A CN 102052689 A CN102052689 A CN 102052689A
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T·E·约翰逊
K·W·麦马汉
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Abstract

本发明涉及用于涡轮机喷射器的冲击插入件。具体而言，涡轮机(2)包括压缩机(4)、涡轮和燃烧组件，涡轮操作地与压缩机(4)联接，燃烧组件流体地连接压缩机(4)和涡轮。燃烧组件(5)包括具有燃烧器管(82)的至少一个喷射器，燃烧器管(82)包括外壁部分和限定混合区域的内壁部分。旋流器(40，41)安装在混合区域内。旋流器(40，41)包括多个导叶，且多个导叶中的至少一个具有壁部，壁部包括外表面和限定中空的内部部分的内表面。插入部件布置在中空的内部部分内。插入部件包括至少一个引导元件，至少一个引导元件设置且构造成将流体流输送至中空的内部部分，以溢出多个导叶中的至少一个的壁部。

Description

用于涡轮机喷射器的冲击插入件
本发明在政府支持下以美国能源部(DOE)授予的合同No.DE-FC26-05NT42643做出。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
在文中公开的主题涉及涡轮机的领域，且更特别地，涉及用于涡轮机喷射器的冲击插入件。
背景技术
涡轮机喷射器(特别是预混合燃料喷射器)结合了旋流器导叶，以在燃烧前增大燃料/空气混合。在燃烧期间产生的热常常导致对旋流器导叶的热损坏。当增加燃料反应时，将燃料引入空气流可导致闪回(flashback)状况。当火焰结构从期望的位置向上游移动且进入燃料喷射器的预混合部时，发生闪回。如果发生闪回，或如果任何点火源进入喷射器，则可导致驻焰(flameholding)。当火焰结构在喷射器内找到定位点时，发生驻焰。如果驻焰发生，内部喷射器构件会遭受能够导致损坏的高的热负荷。
发明内容
根据本发明的一个方面，涡轮机包括压缩机、涡轮和燃烧组件，涡轮操作地与压缩机联接，燃烧组件流体地连接压缩机和涡轮。燃烧组件包括具有燃烧器管的至少一个喷射器，燃烧器管包括外壁部分、内壁部分和旋流器，内壁部分限定混合区域，旋流器布置在混合区域内。旋流器包括多个导叶，该多个导叶中的至少一个具有壁部，壁部包括外表面和限定中空的内部部分的内表面。插入部件布置在中空的内部部分内。插入部件包括至少一个引导元件，该至少一个引导元件设置且构造成从中空的内部部分输送流体流，以溢出多个导叶中的至少一个的壁部。
根据本发明的另一个方面，一种调节在涡轮机喷嘴中的旋流器导叶的方法包括：沿着多个旋流器导叶引导流体流；将流体流的一部分输入形成在多个旋流器导叶中的至少一个中的开口；将流体流的该部分引入插入部件的引导元件，插入部件布置在多个旋流器导叶中的至少一个内；将流体流的该部分从插入件引至多个旋流器导叶中的至少一个的内表面上。
根据本发明的又另一个方面，涡轮机喷射器包括燃烧器管，燃烧器管具有外壁部分、内壁部分和旋流器，内壁部分限定混合区域，旋流器布置在混合区域内。旋流器包括多个导叶，且多个导叶中的至少一个具有壁部，壁部包括外表面和限定中空的内部部分的内表面。插入部件布置在多个导叶中的至少一个的中空的内部部分内。插入部件包括至少一个引导元件，至少一个引导元件设置且构造成将流体流输送至中空的内部部分，以溢出多个导叶中的至少一个的壁部。
由联系附图而进行的以下说明，这些和其它优点及特征将变得更清楚。
附图说明
在说明书所附的权利要求书中，具体地指出且清楚地要求保护被认为是本发明的主题。根据联系附图而进行的以下详细说明，本发明的前述和其它特征及优点将显而易见，在附图中：
图1是涡轮机的局部横截面图，涡轮机包括具有旋流器的喷射器，旋流器设置有根据一个示例性实施例的冲击插入件；
图2是图1的涡轮机的燃烧器部分的局部横截面图；
图3是涡轮机喷射器的局部横截面图，喷射器包括旋流器，旋流器设置有根据一个示例性实施例的冲击插入件；
图4是图3的旋流器的右下透视图；
图5是图4的旋流器的局部横截面图，图示了穿过冲击插入件的流体流；
图6是图5的旋流器导叶和冲击插入件的分解图；
图7是旋流器导叶的横截面图，旋流器导叶包括根据一个示例性实施例的冲击插入件；
图8是旋流器导叶的横截面图，旋流器导叶包括根据另一个示例性实施例的冲击插入件；以及
图9是旋流器导叶的横截面图，旋流器导叶包括根据又一个示例性实施例的冲击插入件。
详细说明通过参考附图的示例，解释了本发明的实施例和优点及特征。
部件列表
2     涡轮机
4     压缩机
5     燃烧组件
6     燃烧器
8     燃料喷嘴或喷射器组件壳体
10    涡轮
12    压缩机/涡轮轴或转子
22    扩散器
24    压缩机排出气室
30    端盖
34    帽部件
35    第一表面
36    第二表面
38    燃料/喷射喷嘴组件
40    旋流器
41      旋流器
44      燃烧器外壳
46      燃烧器衬里
48      燃烧室
49      燃烧室冷却通路
55      过渡件
62      第一级涡轮喷嘴
64      内壁
65      外壁
68      环形通路
72      引导腔
82      燃烧器管
84      外壁部分
85      内壁部分
87      混合区域
90      第一壁部分
91      第二壁部分
93-98   多个导叶
104     外流部分
105     内流部分
107     中心体
110-115 插入部件
126     壁部
127     外表面
128     内表面
130     中空的内部部分
132     开口
133     开口
135  排出开口
138  密封覆板/帽部件
140  第一/外表面
142  第二/内表面
144  引导元件
146  第一端
147  第二端
148  凸缘
152  外壁元件
153  内壁元件
155  流通路
158  入口
162  开口
165  冷却流道
184  导叶
187  壁部
189  外表面
190  内表面
194  中空的内部部分
196  第一部
197  第二部
199  阻隔件
200  排出开口
202  插入部件
204  引导元件
206  外壁元件
207  内壁元件
208  流通路
210  开口
212  冷却流道
227  导叶
229  壁部
231  外表面
232  内表面
233  中空的内部
235  排出开口
237  插入件
238  插入件
239  引导元件
240  引导元件
242  流通路
243  流通路
具体实施方式
在本申请中使用的用语“轴向”和“轴向地”是指大致平行于燃烧器管组件的中心体的中心纵向轴线延伸的方向和定向。在本申请中使用的用语“径向”和“径向地”是指大致垂直于中心体的中心纵向轴线延伸的方向和定向。在本申请中使用的用语“上游”和“下游”是指相对于参考中心体的中心纵向轴线的轴向流方向的方向和定向。
首先参考图1和图2，以2大致表示根据本发明的示例性实施例而构造的涡轮机。涡轮机2包括压缩机4和燃烧器组件5，燃烧器组件5具有至少一个燃烧器6，燃烧器6设置有燃料喷嘴或喷射器组件壳体8。涡轮机2还包括涡轮10和共用的压缩机/涡轮轴或转子12。燃烧器6与压缩机4和涡轮10成流连通联接。压缩机4包括彼此成流连通联接的扩散器22和压缩机排出气室24。燃烧器6还包括端盖30和帽部件34，端盖30定位在燃烧器6的第一端处。帽部件34包括第一表面35和相反的第二表面36。第一表面35对多个燃料喷射器提供结构支撑，以38和39表示多个燃料喷射器中的两个。如以下将更充分地论述，各个喷射器包括对应的旋流器40和41。旋流器40和41有助于穿过喷射器38和39的燃料和空气的混合。
燃烧器6还被显示成包括燃烧器外壳44和燃烧器衬里46。如所示，从燃烧器外壳44径向向内定位燃烧器衬里46，以限定燃烧室48。环形的燃烧室冷却通路49限定在燃烧器外壳44和燃烧器衬里46之间。过渡件55将燃烧器6联接到涡轮10上。过渡件55向下游朝向第一级涡轮喷嘴62引导在燃烧室48中产生的燃烧气体。所以，过渡件55包括内壁64和外壁65。外壁65包括多个开口66，开口66通向在内壁64和外壁65之间限定的环形通路68。内壁64限定引导腔72，引导腔72在燃烧室48和涡轮10之间延伸。
在运行期间，空气流过压缩机4且压缩空气被供应至燃烧器6，且更具体地，至喷射器38和39。同时，将燃料输至喷射器38和39，以与空气混合且形成可燃烧的混合物。将该可燃烧的混合物引至燃烧室48，并且点燃以形成燃烧气体。然后将该燃烧气体引至涡轮10。将来自燃烧气体的热能转换成用于驱动轴12的机械转动能。
更具体地，涡轮10经由轴12而驱动压缩机4(图1中所示)。当压缩机4转动时，如由相关的箭头所示，压缩空气被排入扩散器22。在该示例性实施例中，从压缩机4排出的空气的大多数被引导穿过压缩机排出气室24且引向燃烧器6，而剩余的压缩空气被引导用于冷却发动机构件。经由外壁开口66将在排出气室24内的压缩空气引入过渡件55，并且进入环形通路68。然后，引导空气从环形通路68穿过环形燃烧室冷却通路49，并且至喷射器38和39。混合燃料和空气，形成可燃烧的混合物，可燃烧的混合物被点燃以在燃烧室48内形成燃烧气体。燃烧器外壳44促进将燃烧室48和相关的燃烧过程从外界环境屏蔽开，外界环境比方说，例如周围的涡轮机构件。引导燃烧气体从燃烧室48穿过引导腔72，并且通向涡轮喷嘴62。撞击第一级涡轮喷嘴62的热气体产生转动力，转动力最终产生了来自涡轮机2的功。
在这一点上，应该理解的是上述结构是为更充分理解本发明的示例性实施例而被提出的，示例性实施例指向喷射器38和39的特定结构，尤其是旋流器40和41。然而，由于各个喷射器38、39被类似地形成，在理解喷射器39被类似地形成下，详细说明将参考喷射器38。
如在图3和图4中最佳所示，喷射器38包括燃烧器管82，燃烧器管82具有外壁部分84和限定混合区域87的内壁部分85。通过该布置，将旋流器40布置在混合区域87的上游，并且旋流器40构造成在穿过喷射器38的流体流中产生紊流。更具体地，旋流器40包括第一壁部分90和第二壁部分91，在它们之间延伸了多个导叶93至98。各个导叶93-98均包括对穿过旋流器40的流体流给予紊流的翼型形状。除了支撑导叶93-98之外，第一壁部分90和第二壁部分91限定了对应的外流部分104和内流部分105。外流部分104通向混合区域87，而内流部分105流体地连接至将燃料排入混合区域87的中心体107。
根据一个示例性实施例，各个导叶93-98均包括对应的插入部件110-115。如以下将更充分地论述的，各个插入部件110-115将调节流体流引至导叶93-98的其中对应一个的内部部分。在这点上，在理解其它导叶94-98和插入部件111-115被类似地形成的情况下，描述导叶93和对应的插入部件110的说明将参考图5至图7。
如在图3至图6中所示，导叶93包括壁部126，壁部126具有外表面127和限定中空的内部部分130的内表面128。导叶93还被显示成包括布置在第二壁部分91上的第一开口132和布置在第一壁部分90上的第二开口133。通过该布置，中空的内部部分130在第一开口132和第二开口133之间延伸。另外，壁部126被显示成包括多个排出开口，其中一个以135表示，其在中空的内部部分130和混合区域87之间延伸。通过该布置，以如下将被更充分描述的方式将插入件115安装至外壁部分90，穿过开口133且进入中空的内部部分130。
插入部件110包括密封覆板或帽部件138，密封覆板或帽部件138具有第一或外表面140和第二或内表面142。内表面142轮廓设置成对应旋流器40的第一壁部分90的轮廓。插入部件110还被显示成包括从帽部件138的内表面142延伸的引导元件144。更具体地，引导元件144包括第一端146，第一端146从内表面144延伸至在凸缘148中终止的第二端147。引导元件144还被显示成包括外壁元件152和内壁元件153，内壁元件153限定在第一端146和第二端147之间延伸的流通路155。引导元件144还被显示成包括安装在第二端147处的入口158。
在所示的示例性实施例中，入口158对应于形成在第二壁部分91中的开口132。更具体地，凸缘148构造成在中空的内部部分130内且在第二壁部分91处密封，入口158与开口132对准。引导元件144包括多个开口162，多个开口162在外壁元件152和内壁元件153之间延伸，从而将流通路155和中空的内部部分130流体地连接。更具体地，外壁元件152从壁部126的内表面128隔开，以限定调节流道165。通过该布置，流动穿过内流部分105的流体进入入口158并且进入流通路155。然后，流体穿过多个开口162，且撞击内表面128，以溢出壁部126。以该方式，如果火焰移至混合区域87中，由于调节流，对相关的热损坏的暴露不会损坏导叶93-98。无论如何，在进入调节流道165之后，调节流穿过排出开口135流出，退回至混合区域87中，以与另一流体在燃烧前混合。
现在将参考图7，其中，在描述根据另一个示例性实施例的导叶184中，相同标号表示在各自附图中的对应的部件。如所示，导叶184包括壁部187，壁部187具有外表面189和限定中空的内部部分194的内表面190。在所示的示例性实施例中，中空的内部部分194包括第一部196和第二部197，它们由阻隔件199分开。阻隔件199在中空的内部部分194内提供流阻抗。通过该布置，调节流从导叶184经由排出开口200离开。阻隔件199提供流阻抗，确保了调节流在中空的内部部分194内驻留一段时间。
导叶184还被显示成包括具有引导元件204的插入部件202，引导元件204在中空的内部部分194的第一部197内延伸。引导元件204包括外壁元件206和限定流通路208的内壁元件207。以与以上所述相似的方式，引导元件204包括多个开口210，多个开口210在外壁元件206和内壁元件207之间延伸，以将流通路208与中空的内部部分194流体地连接。以也与上述类似的方式，将外壁元件206从壁部187的内表面190隔开，从而限定调节流道212。通过该布置，进入插入部件202的调节流移动穿过引导元件204，穿过开口210且进入调节流道212。然后，在经由排出开口200离开进入混合区域87前，流从第二部197移动至第一部196。图8图示了类似的装置，但未结合阻隔件。就是说，在图8中图示的装置中，以与上述类似的方式，调节流在从排出开口200退回至混合区域87前，直接从引导元件204穿过中空的内部部分194。
现在将参考图9，其中，在描述根据又一个示例性实施例而构造的导叶227中，相似标号代表在各自的图中的对应的部件。导叶227包括壁部229，壁部229具有外表面231和限定中空的内部部分233的内表面232。导叶227还包括在壁部229的内表面231和外表面232之间延伸的多个排出开口，以235表示多个排出开口中的一个。在该示例性实施例中，导叶227包括延伸入中空的内部部分233的第一插入件237和第二插入件238。第一插入件237包括第一引导元件239，而第二插入件238包括第二引导元件240。各个引导元件239、240包括对应的流通路242和243，流通路242和243将流体流从内流部分105引入中空的内部部分233。尽管显示为包括各自的引导元件的多个插入件，但应该理解的是引导元件239和240可结合到单个插入件中。无论如何，应该容易清楚的是示例性实施例的各个方面对旋流器导叶的内部部分提供了空气流的调节，以确保与在涡轮机喷射器内的闪回和/或驻焰相关的热容易散失，从而限制/最小化对喷射器构件的损坏。另外，根据示例性实施例的空气流的调节导致了降低的燃烧动态变化和增强的燃烧性能。
尽管仅联系了有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应该容易理解的是本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可被改型，以结合迄今为止未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、变更、替代或等同装置。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，应该理解的是本发明的各个方面可仅包括一些所述的实施例。因此，本发明不应视为被前述说明书限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。

Claims (10)

1.一种涡轮机(2)，包括：
压缩机(4)；
涡轮，其操作地联接到所述压缩机(4)上；以及
燃烧组件(5)，其流体地连接所述压缩机(4)和所述涡轮，所述燃烧组件(5)包括至少一个喷射器，所述喷射器具有：
燃烧器管(82)，其包括外壁部分(84)和限定混合区域的内壁部分(85)；
旋流器(40，41)，其布置在所述混合区域内，所述旋流器(40，41)包括多个导叶(93-98)，所述多个导叶(93-98)中的至少一个具有壁部，所述壁部包括外表面(127)和限定中空的内部部分(130)的内表面(128)；以及
插入部件(202)，其布置在所述中空的内部部分(130)内，所述插入部件(202)包括至少一个引导元件(144)，所述至少一个引导元件(144)设置且构造成将流体流输送至所述中空的内部部分(130)，以溢出所述多个导叶(93-98)中的至少一个的所述壁部。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述旋流器(40，41)包括外流部分(104)和内流部分(105)，所述多个导叶(93-98)在所述外流部分(104)和所述内流部分(105)之间延伸。
3.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述中空的内部部分(130)在所述外流部分(104)和所述内流部分(105)之间延伸。
4.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述内流部分(105)包括通向所述中空的内部部分(130)的开口。
5.根据权利要求4所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述插入部件(110，115)包括与在所述内流部分(105)中的所述开口对准的入口。
6.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述插入部件(110，115)在所述外流部分和所述内流部分(105)之间延伸。
7.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个引导元件(144)包括外壁元件(152)和限定流通路(155)的内壁元件(153)。
8.根据权利要求7所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个引导元件(144)包括在所述流通路(155)和所述外壁元件(152)之间延伸的多个开口。
9.根据权利要求7所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡轮机(2)还包括：在所述外壁元件(152)和所述壁部件的所述内表面(126)之间延伸的调节流道。
10.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个引导元件(144)包括两个引导元件(144)。
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