CN102192525B - 在燃烧室流动套筒中的成角度的叶片 - Google Patents

在燃烧室流动套筒中的成角度的叶片 Download PDF

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Abstract

本申请涉及在燃烧室流动套筒中的成角度的叶片。其中，一种涡轮燃烧室衬套组件包括：燃烧室衬套(32)，其具有上游端和下游端；过渡管(40)，其附连到燃烧室衬套(32)的上游端；第一流动套筒(38)，其包围燃烧室衬套(32)，且在第一流动套筒(38)与燃烧室衬套(32)之间有第一径向流动通路；以及，在流动套筒(38)的后端的第一环形入口，该入口具备多个在周向间隔开的成角度的流动叶片(54)，该成角度的流动叶片(54)被布置成使经由环形入口进入第一径向流动通路的空气涡旋。

Description

在燃烧室流动套筒中的成角度的叶片
技术领域
本发明大体而言涉及燃气涡轮燃烧室(gas turbine combustor)技术，且涉及一种空气流动布置，其通过在燃烧室衬套()与周围流动套筒之间的轴向延伸的环形通路将压缩机排放空气重新导向至燃烧室的燃烧器(combustor burner)，对燃烧室衬套有增强的冷却和减小压降。
背景技术
在一些燃气涡轮燃烧室中，在包围燃烧室衬套的流动套筒处提供多个开口以通过流动套筒将空气在大体上径向喷射到流动套筒与燃烧室衬套之间径向的环形通路内以冲击冷却该衬套。空气通常垂直于冲击冷却空气的自由流在径向喷射，冲击冷却空气的自由流在流动套筒内流动，源于在过渡管(其将燃烧气体从燃烧室衬套运送到涡轮第一级)与周围冲击套筒之间的类似的轴向连接的环形通路。这重新导向的压缩机排放空气与燃料在燃烧室的后端混合且燃料/空气混合物然后在衬套内燃烧。
冲击冷却空气通过流动套筒开口在径向喷射且到自由流内，这冲击冷却空气与轴向流动的空气进行动量交换且必须被轴向流动的自由流空气加速直到交叉流动的空气到达自由流速度。这个过程造成到燃烧室的流动中的不合需要的压降。为了减小压降，更改空气供应配置以在与已在该流中流动的空气相同的轴向将压缩机排放空气引入到该通路内。但这种布置导致喷射流动倾向于吸到该通路的外壁(即，流动套筒的内壁)上，所谓的科安达效应的表现，其降低冷却效率。
因此，需要在非径向将空气喷射到流动套筒通路内，但以此方式排除或至少最小化科安达效应并增强对衬套的冷却。
发明内容
根据本发明的一示范性但非限制性方面，提供一种涡轮燃烧室衬套组件，其包括：燃烧室衬套，其具有上游端和下游端；过渡管，其附连到燃烧室衬套的下游端；流动套筒，其包围燃烧室衬套且在燃烧室衬套与流动套筒之间在径向形成第一环形流动通路；以及，在所述流动套筒的后端的到所述第一环形流动通路的第一环形入口，所述第一环形入口具备绕第一环形流动通路在周向(circumferentially)布置的多个第一流动叶片以使进入第一环形入口的空气绕燃烧室衬套涡旋(swirl)。
在另一示范性但非限制性方面，本发明提供一种涡轮燃烧室衬套组件，其包括：燃烧室衬套，其具有上游端和下游端；过渡管，其附连到衬套的下游端；第一流动套筒，其包围燃烧室衬套，且在它们之间具有第一径向流动通路；在流动套筒的后端的到第一径向流动通路的第一环形入口，其具备多个在周向间隔开的成角度的流动叶片，这些流动叶片被布置成使经由第一环形入口进入第一径向流动通路的空气涡旋；冲击套筒，其包围过渡管，在过渡管与冲击套筒之间在径向形成第二环形流动通路且第二环形流动通路与第一环形流动通路连通；到第一环形流动通路的第二环形入口，其相对于流动方向在第一环形入口的上游；第二环形入口具备多个第二流动叶片，这些流动叶片绕燃烧室衬套在周向布置以使通过第二环形入口进入第一环形流动通路的空气涡旋，多个第二流动叶片在燃烧室衬套与冲击套筒之间在径向延伸。
在本发明的又一示范性但非限制性方面，提供一种涡轮燃烧室衬套组件，其包括：燃烧室衬套，其具有上游端和下游端；过渡管，其附连到衬套的下游端；第一流动套筒，其包围燃烧室衬套，且在它们之间具有第一径向流动通路；在流动套筒的后端的到第一径向流动通路的第一环形入口，其具备多个在周向间隔开的成角度的流动叶片，这些流动叶片被布置成使经由第一环形入口进入第一径向流动通路的空气涡旋；冲击套筒，其包围过渡管，在过渡管与冲击套筒之间在径向形成第二环形流动通路且第二环形流动通路与第一环形流动通路连通；到第一环形流动通路的第二环形入口，其相对于流动方向在第一环形入口的上游；第二环形入口具备多个第二流动叶片，这些流动叶片绕第一环形流动通路在周向布置以使通过第二环形入口进入第一环形流动通路的空气涡旋；其中，多个第一流动叶片在流动套筒与环形联接件之间在径向延伸且与流动套筒和环形联接件接合，环形联接件使流动套筒附连到冲击套筒上，冲击套筒包围过渡管；多个第二流动叶片在燃烧室衬套与冲击套筒之间在径向延伸；以及，其中多个第一流动叶片和多个第二流动叶片中的每一个包括前端部和尾端部，前端部相对于进入到第一环形流动通路的流动方向位于尾端部的上游。
现将结合下文所指出的附图来描述本发明。
附图说明
图1是涡轮燃烧室衬套与过渡管组件的截面图；
图2是根据本发明的示范性但非限制性的实施例的部分剖视的燃烧室衬套的透视图且示出在流动套筒与轴向相邻的过渡件冲击套筒之间的界面(interface)；
图3是从图2所取得的放大细节图；
图4是在图2和图3的流动套筒/冲击套筒界面处利用的叶片的平面截面；以及
图5是类似于图3的细节，但示出替代但非限制性实施例。
具体实施方式
现参看图1，其示出用于燃气涡轮的燃烧室10。燃烧室10包括在燃烧室后端的燃烧器12、燃烧室衬套14和周围流动套筒16。过渡件或管18连接到衬套后端，且冲击套筒20包围过渡件且连接到流动套筒。应了解包围流动套筒14和冲击套筒20的区域被供应压缩机排放空气，而压缩机排放空气流动通过冲击套筒20中的开口(未图示)和流动套筒中的开口22，其中，压缩机排放空气在大体上轴向流动方向被重新导向或反向流动朝向轴向连接的环形通路26、28内的燃烧室的后端。所供应的空气与燃烧器12中的燃料混合，且燃料/空气混合物在衬套16内燃烧。燃烧气体流动通过过渡件18到涡轮的第一级(未图示)。
如图1所示，由箭头24所示的压缩机排放空气在大体上径向向内的方向通过开口22供应。应了解开口22绕流动套筒以在轴向和在周向间隔开的间隔设置。径向喷射的空气与通路28中轴向流动的流动交叉。虽然径向喷射的空气向衬套提供冲击冷却，但交叉流动导致能量净损失。
在另一布置(未图示)中，提供空气入口布置，其在大体上平行于环形通路中空气流动的方向将空气引入到环形通路28内。如已所提到的那样，这种布置导致喷射流动倾向于吸到通路的外壁(即，到流动套筒的内表面)上，所谓的科安达效应的不合需要的表现，这会不利地影响衬套14的冲击冷却。
现参看图2，根据本发明的示范性但非限制性实施例的燃烧室30包括燃烧室衬套32，燃烧室衬套32具有外表面，任选地具备多个湍流器，湍流器可呈浅肋状物34的轴向间隔开的行的形式(示意性地示出)，如在图3中更清楚地看出的那样。衬套的后端36具备常规呼啦圈密封(hula seal)组件36，衬套由呼啦圈密封组件36与过渡件或过渡管40密封地接合，类似于图1所示的过渡件18。
燃烧室衬套32由流动套筒38(且在流动套筒16中无冷却孔)包围且过渡件40由冲击套筒42包围。流动套筒38与冲击套筒42由环形联接件44连接，在图3中最佳地看出。联接件44在其后端具有钩部46，钧部46适于接合在冲击套筒42上的径向凸缘48。联接件44的相对端或前端50以下文所述的方式联结到流动套筒38的后端52。
联接件44的前端50由多个在周向间隔开的支柱54附连到流动套筒的后端52，在示范性但非限制性实施例中，支柱54形成为空气流动叶片，空气流动叶片具有图4所示的形状(以平面图)。叶片54被布置成使得其前端部55朝向如图3所示的流动，且尾端部57在流动的下游。在此示范性实施例中，尾端部57相对于衬套的轴向中心线以大约10°与大约80°之间的角度延伸。对于此布置，在流动套筒38和冲击套筒42外部的压缩机排放空气经由在流动套筒的后端52与联接件44的前端58之间的径向空间自由流动到燃烧室衬套32与流动套筒38之间的通路56内。但进入此位置的空气由成角度的叶片54迫使转弯，导致空气绕衬套涡旋。
同时，类似配置的叶片60(也示意性地示出)插置于冲击套筒42的前端62与呼啦圈密封36附近的燃烧室衬套之间。这些叶片具有类似形状且因此对在轴向流入到冲击套筒42与过渡件40之间的通路内的空气具有涡旋作用。
在这些情形下，在联接件44与流动套筒38之间的所有支承支柱实际上为流动叶片54，流动叶片是固定的(例如焊接)，且无个别调整能力。但在流动叶片与固定径向支柱组合(例如，交替)的那样的情形下，可绕径向延伸的枢轴销64个别地或一起地调整流动叶片54，如在图3的虚线所示。通过使流动叶片可调整，可根据需要改变涡旋程度。对于在冲击套筒42与过渡件40之间延伸的流动叶片60也能有这种相同的布置。
还应了解在衬套中的燃烧气体将在给定方向中涡旋，根据气体流动在衬套壁中形成热点。对于本发明，可调整的流动叶片54允许冷却空气在与衬套内气体的涡旋方向相反的涡旋反向中成角度地流动，从而促进传热同时冷却热点。
进一步参看图3，联接件44可根据需要修改以(例如)相对于流动套筒38的后端52调整该联接器的前端的径向位置。如虚线所示，前端可偏移以增加或减小开口大小和因此的经过叶片54且流到环形空间56的空气体积。
如图5所示，联接件68被配置成利用离散的在周向间隔开的管或传递元件72而使压缩机排放空气进入环形空间70，经过叶片54。这种布置允许通过改变绕衬套74圆周的管或传递元件71的大小(直径)和数量而更好地控制进入通路70的空气体积。若需要，传递元件或管72可成角度以基本上匹配叶片54的尾端部57。
虽然结合目前被认为是最实用且优选的实施例描述了本发明，但应了解本发明并不限于所公开的实施例，而是本发明预期涵盖包括于所附权利要求的精神和范畴内的各种修改和等效布置。

Claims (20)

1.一种涡轮燃烧室衬套组件，包括：
燃烧室衬套，其具有上游端和下游端；
过渡管，其附连到所述燃烧室衬套的下游端；
流动套筒，其包围所述燃烧室衬套，且在所述燃烧室衬套与所述流动套筒之间在径向形成第一环形流动通路；以及
在所述流动套筒的后端的到所述第一环形流动通路的第一环形入口，所述第一环形入口具备多个第一流动叶片，所述多个第一流动叶片绕所述第一环形流动通路在周向布置以使进入所述环形入口的空气绕所述燃烧室衬套涡旋。
2.根据权利要求1所述的燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第一流动叶片在所述流动套筒与环形联接件之间在径向延伸且与所述流动套筒和环形联接件接合，所述环形联接件将所述流动套筒附连到冲击套筒，所述冲击套筒包围所述过渡管。
3.根据权利要求1所述的燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第一流动叶片中的每一个包括前端部和尾端部，所述前端部相对于进入到所述第一环形入口的流动方向位于所述尾端部的上游。
4.根据权利要求3所述的燃烧室衬套组件，其特征在于，所述尾端部相对于所述衬套的轴向中心线以大约10°与大约80°之间的角度延伸。
5.根据权利要求1所述的燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第一流动叶片中的至少一些可绕相应的径向定向的枢轴线调整。
6.根据权利要求1所述的燃烧室衬套组件，其特征在于还包括：冲击套筒，所述冲击套筒包围所述过渡管，在所述过渡管与所述冲击套筒之间形成第二环形流动通路，且所述第二环形流动通路与所述第一环形流动通路连通；到所述第一环形流动通路的第二环形入口，所述第二环形入口相对于流动方向在所述第一环形入口的上游；所述第二环形入口具备多个第二流动叶片，所述多个第二流动叶片绕所述燃烧室衬套在周向布置，被布置成使通过所述第二环形入口进入所述第一环形流动通路的空气涡旋。
7.根据权利要求6所述的燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第二流动叶片中的至少一些可绕相应的径向定向的枢轴线调整。
8.根据权利要求7所述的燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第一流动叶片沿一定方向成角度以便使得流动通过所述第一环形入口的空气在与流动通过所述燃烧室衬套的燃烧气体的涡旋方向相反的反向上涡旋。
9.根据权利要求1所述的燃烧室衬套组件，其特征在于，所述第一环形入口包括周向间隔开的管的环形排列，所述周向间隔开的管延伸通过所述流动套筒且通向所述第一环形流动通路。
10.根据权利要求9所述的燃烧室衬套组件，其特征在于，所述周向间隔开的管的环形排列成角度设置，以便基本上平行于所述多个第一流动叶片的成角度的尾端部延伸。
11.一种涡轮燃烧室衬套组件，包括：
燃烧室衬套，其具有上游端和下游端；
过渡管，其附连到所述衬套的下游端；
第一流动套筒，其包围所述燃烧室衬套，且在所述第一流动套筒与所述燃烧室衬套之间有第一径向流动通路；
在所述流动套筒的后端的到所述第一径向流动通路的第一环形入口，所述第一环形入口具备多个在周向间隔开的成角度的流动叶片，所述成角度的流动叶片被布置成使经由所述第一环形入口进入所述第一径向流动通路的空气涡旋；
冲击套筒，其包围所述过渡管，在所述过渡管与所述冲击套筒之间在径向形成第二环形流动通路，且所述第二环形流动通路与所述第一环形流动通路连通；
到所述第一环形流动通路的第二环形入口，所述第二环形入口相对于流动方向在所述第一环形入口的上游；所述第二环形入口具备多个第二流动叶片，所述多个第二流动叶片绕所述燃烧室衬套在周向布置以使通过所述第二环形入口进入所述第一环形流动通路的空气涡旋，所述多个第二流动叶片在所述燃烧室衬套与所述冲击套筒之间在径向延伸。
12.根据权利要求11所述的涡轮燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第一流动叶片在所述流动套筒与环形联接件之间在径向延伸且与所述流动套筒和环形联接件接合，所述环形联接件将所述流动套筒附连到冲击套筒，所述冲击套筒包围所述过渡管。
13.根据权利要求11所述的涡轮燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第一流动叶片和多个第二流动叶片中的每一个包括前端部和尾端部，所述前端部相对于进入到所述第一环形流动通路的流动方向位于所述尾端部的上游。
14.根据权利要求11所述的涡轮燃烧室衬套组件，其特征在于，所述尾端部相对于所述衬套的轴向中心线以大约10°与大约80°之间的角度延伸。
15.根据权利要求11所述的涡轮燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第一流动叶片中的至少一些可绕相应的径向定向的枢轴线调整。
16.根据权利要求11所述的涡轮燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第二流动叶片中的至少一些可绕相应的径向定向的枢轴线调整。
17.根据权利要求11所述的涡轮燃烧室衬套组件，其特征在于，所述多个第一流动叶片沿一定方向成角度以便使得流动通过所述第一环形入口的空气在与流动通过所述燃烧室衬套的燃烧气体的涡旋方向相反的反向上涡旋。
18.根据权利要求11所述的涡轮燃烧室衬套组件，其特征在于，所述第一环形入口包括周向间隔开的管的环形排列，所述周向间隔开的管延伸通过所述流动套筒且通向所述第一环形流动通路。
19.根据权利要求18所述的涡轮燃烧室衬套组件，其特征在于，所述周向间隔开的管的环形排列成角度设置，以便基本上平行于所述多个第一流动叶片的成角度的尾端部延伸。
20.一种涡轮燃烧室衬套组件，包括：
燃烧室衬套，其具有上游端和下游端；
过渡管，其附连到所述衬套的下游端；
第一流动套筒，其包围所述燃烧室衬套，且在所述第一流动套筒与所述燃烧室衬套之间有第一径向流动通路；
在所述流动套筒的后端的到所述第一径向流动通路的第一环形入口，所述第一环形入口具备多个在周向间隔开的成角度的流动叶片，所述成角度的流动叶片被布置成使经由所述第一环形入口进入所述第一径向流动通路的空气涡旋；
冲击套筒，其包围所述过渡管，在所述过渡管与所述冲击套筒之间在径向形成第二环形流动通路，且所述第二环形流动通路与所述第一环形流动通路连通；
到所述第一环形流动通路的第二环形入口，所述第二环形入口相对于流动方向在所述第一环形入口的上游；所述第二环形入口具备多个第二流动叶片，所述多个第二流动叶片绕所述第一环形流动通路在周向布置以使通过所述第二环形入口进入所述第一环形通路的空气涡旋；
其中，所述多个第一流动叶片在所述流动套筒与环形联接件之间在径向延伸且与所述流动套筒和环形联接件接合，所述环形联接件将所述流动套筒附连到冲击套筒，所述冲击套筒包围所述过渡管；
所述多个第二流动叶片在所述燃烧室衬套与所述冲击套筒之间在径向延伸；并且
所述多个第一流动叶片和多个第二流动叶片中的每一个包括前端部和尾端部，所述前端部相对于进入到所述第一环形流动通路的流动方向位于所述尾端部的上游。
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