CN102213425B - 用于涡轮发动机的燃烧器衬套 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮发动机的燃烧器衬套。具体而言，一种用于涡轮发动机燃烧器的燃烧器衬套，包括：单壁式的大致圆柱形衬套(20)，其从头端延伸到尾端；文丘里管(26)，其形成在衬套的内部位于头端和尾端之间，该文丘里管由单壁式衬套的第一倾斜部分(73)和单壁式衬套的第二倾斜部分(75)形成，该单壁式衬套的第一倾斜部分在向尾端方向上延伸时直径减小，该单壁式衬套的第二倾斜部分在向尾端方向上延伸时直径增加，其中，第一倾斜部分的尾端连结到第二倾斜部分的头端上。

Description

用于涡轮发动机的燃烧器衬套
技术领域
本发明涉及用于涡轮发动机的燃烧器衬套。
背景技术
用于动力生成(例如，发电)工业的涡轮发动机通常包括由多个燃烧器围绕的压缩机区段。这些燃烧器围绕压缩机的外部布置成同心环。来自压缩机区段的压缩空气进给到燃烧器中，在此其与燃料相混合。燃料-空气混合物然后在燃烧器中燃烧，且热的燃烧气体引入发动机的涡轮区段中，用以提供使涡轮运行的原动力。
典型的涡轮发动机燃烧器可包括燃烧器衬套，该衬套环绕燃料-空气混合物在其中燃烧的燃烧区域。一些类型的燃烧器包括在燃烧器衬套内的文丘里管(venturi)，该文丘里管基本上是燃烧器衬套内部的直径减小部分。
燃烧器衬套的形成文丘里管的直径减小部分通常需要专门冷却以防止构成文丘里管的材料被热燃烧气体损坏。这通常通过设置双壁式结构来实现，在双壁式结构中，冷却空气流经文丘里管区段的内壁和外壁之间的环形空间以冷却该文丘里管区段。遗憾的是，这种结构复杂，且对于制造而言可能很困难和昂贵。另外，双壁式文丘里管区段的复杂性通常导致空气泄漏，这会降低涡轮的总体效率，也会导致产生不希望的燃烧副产物。
发明内容
一方面，本发明体现在一种用于涡轮发动机燃烧器的燃烧器衬套，其中，燃烧器衬套由从头端延伸到尾端的单壁式的大致圆柱形衬套所形成。燃烧器衬套包括形成在衬套内部的位于头端和尾端之间的文丘里管。文丘里管由单壁式衬套的第一倾斜部分和单壁式衬套的第二倾斜部分所形成，其中，第一倾斜部分在向尾端方向(aft direction)上延伸时直径减小，而第二倾斜部分在向尾端方向上延伸时直径增大。第一倾斜部分的尾端连结到第二倾斜部分的头端上。
另一方面，本发明体现在一种用于涡轮发动机燃烧器的燃烧器衬套，其中，燃烧器衬套由从头端延伸到尾端的单壁式衬套所形成。在单壁式衬套内位于头端和尾端之间形成直径减小部分，该直径减小部分在衬套的内部形成文丘里管。空气偏导器(deflector)安装在单壁式衬套的外部以便在空气偏导器的内部和衬套的外部之间具有环形空间。空气偏导器将沿着衬套的外部从尾端向头端流过的部分空气流偏转到衬套直径减小部分的外部上。
附图说明
图1是包括燃烧器衬套的典型燃烧器的截面图，该燃烧器衬套具有双壁式文丘里管；
图2是包括单壁式燃烧器衬套的燃烧器截面图，该单壁式燃烧器衬套具有文丘里管；
图3是单壁式燃烧器衬套的一个实施例的一部分的截面图，该单壁式燃烧器衬套包括空气偏导器；
图4是单壁式燃烧器衬套的另一个实施例的一部分的截面图，该单壁式燃烧器衬套包括空气偏导器；
图5是单壁式燃烧器衬套的另一个实施例的一部分的截面图，该单壁式燃烧器衬套包括空气偏导器；
图6是单壁式燃烧器衬套的又一个实施例的一部分的截面图，该单壁式燃烧器衬套包括空气偏导器；以及
图7是单壁式燃烧器衬套的一部分的截面图，该单壁式燃烧器衬套包括文丘里管。
零件清单
过渡部件                10
压缩机区段              12
燃烧器衬套              20
外壁                    21，22
直径减小部分            22
空气孔                  23
内壁                    24
文丘里管的环形空间      25
文丘里管区段            26
尾端                    27
流动套筒                30
燃烧器外壳              40
主燃料喷嘴              50
辅助燃料喷嘴            60
偏导器                  70
偏导器内的环形空间      72
稀释孔                  74
扰流器环                76
燃烧区域                95
具体实施方式
图1示出了用于涡轮发动机的典型燃烧器的截面图。燃烧器定位成邻近涡轮发动机的压缩机区段12。燃烧器包括过渡部件10，该过渡部件通向发动机的涡轮区段。燃烧器衬套20连接到过渡部件10上。燃烧器衬套20环绕燃料-空气混合物在其中燃烧的燃烧区域95。
在燃烧器的头端，多个主燃料喷嘴50围绕燃烧器的周边以环形模式定位。燃烧器还可包括位于燃烧器中央的辅助喷嘴60。燃料通过喷嘴50、60输送至燃烧器衬套20的内部。
流动套筒30围绕燃烧器衬套20的外部定位。燃烧器外壳40环绕流动套筒30的外部。在燃烧器衬套20的外部和流动套筒30的内部之间形成环形空间。如图1中箭头所示，来自涡轮发动机的压缩机区段12的压缩空气流入并通过该环形空间。
压缩空气进入燃烧器衬套20和流动套筒30之间的环形空间的尾端，且然后向燃烧器的头端行进。当压缩空气到达头端时，它转向180°且然后进入燃烧器衬套20的内部。压缩空气然后与通过燃料喷嘴50、60所输送的燃料相混合，且燃料-空气混合物在燃烧区域95中进行燃烧。
如图1所示，文丘里管26位于燃烧器衬套20的内部。文丘里管26由包括内壁24和成角式外壁21、22的双壁式结构所形成。空气孔23形成在成角式外壁21/22中从而允许流过燃烧器衬套20和流动套筒30之间的环形空间的空气流过孔23并进入形成在文丘里管26的成角式外壁21/22和内壁24之间的空间内。
文丘里管的双壁式结构设计为用以帮助冷却文丘里管26，从而防止文丘里管过热和受到损坏。如图1中箭头所示，流过成角式外壁21/22中的孔23的空气沿文丘里管的内壁和外壁之间的环形空间流动，且该空气最终在文丘里管内壁24的尾端27排出且加入在燃烧器衬套20内部中燃烧的燃料-空气混合物。结果，文丘里管的成角式外壁21/22中的孔23最终允许空气进入燃烧器衬套20的内部。
如上所述，为文丘里管设置这种双壁式结构较为昂贵。双壁式结构很难制造，且由于用来形成这种双壁式文丘里管的多个角度和部件，故会存在各个零件的泄漏和损坏。
图2示出了用于包括文丘里管的燃烧器衬套的一种备选结构。在该结构中，包括文丘里管的整个燃烧器衬套由单壁式结构形成，该单壁式结构从燃烧器的头端延伸到尾端。如图2所示，燃烧器衬套20仍然由流动套筒30所环绕，且来自压缩机区段12的压缩空气仍然流经燃烧器衬套20和流动套筒30之间的环形空间。
在图2所示的燃烧器衬套20中，文丘里管22由两个成角式壁形成，这两个成角式壁沿单壁式燃烧器衬套20的长度形成直径减小部分28。沿燃烧器衬套20和流动套筒30之间的环形空间流动的压缩空气将冷却燃烧器衬套20的外部，该燃烧器衬套20包括形成文丘里管的直径减小部分28。
为了确保空气流经引导向下到达直径减小部分28的外部，燃烧器可包括空气偏导器70。在图2所示的实施例中，空气偏导器70包括两个成角式壁，该两个成角式壁与形成燃烧器衬套20直径减小部分28的两个成角式壁大致平行且对准。空气偏导器偏转流过燃烧器衬套20和流动套筒30之间的环形空间的部分空气向下进入直径减小部分以冷却单壁式燃烧器衬套20的文丘里管部分的外壁。
如上所述，并回来参看附图1，双壁式文丘里管结构最终导致来自压缩机区段的部分空气恰在文丘里管内壁24尾端27下游的位置处被输送到图1中所示实施例的燃烧区域95。为了在该位置处提供类似的空气流入，在图2所示的实施例中，穿过单壁式燃烧器衬套20可形成多个稀释孔74。
在图2所示的实施例中，稀释孔74围绕燃烧器衬套20的外部形成环状。这允许空气在一定位置处从燃烧器衬套20和流动套筒30之间的环形空间流入到燃烧器衬套20的内部中，该一定位置与用于冷却图1所示实施例中的文丘里管的冷却空气将已输送的位置大致类似。这样，包括在图2所示实施例中的稀释孔74导致如在图1所示实施例中将呈现出那样的大致类似的燃烧参数。
用于向下偏转冷却空气到单壁式燃烧器衬套20的直径减小部分28外部上的空气偏导器70可采用多种不同的形式。图3示出了一个实施例，其中，空气偏导器70形成为彼此成角度的两个直区段，且其中，这两个直区段大致平行于构成文丘里管的单壁式燃烧器衬套20直径减小部分的成角式区段73、75，该实施例大致与图2所示的实施例相似。
图3所示的燃烧器衬套还包括多个扰流器环76。扰流器环76为形成在单壁式燃烧器衬套20的外表面上的凸起。扰流器环76围绕燃烧器衬套20的外部延伸。如图3所示，多个此种扰流器环76可沿燃烧器衬套20的尾端部分彼此间隔开。
扰流器环用于促使流过燃烧器衬套20和流动套筒30之间的环形空间的压缩空气形成湍流空气流。湍流空气流有助于增强由该空气提供的冷却效果，从而降低燃烧器衬套20的总体温度。
虽然图3所示的实施例包括沿燃烧器衬套20的尾端部分均匀间隔开的五个扰流器环，但也可设置不同数量的扰流器环，且它们可以不同地间隔开。而且，代替在燃烧器衬套的外部上设置凸起，还将有可能的是，在燃烧器衬套20的表面中切槽以产生湍流空气流从而增强冷却效果。在一些实施例中，可采用槽与凸起的组合来产生湍流空气流。更进一步的是，不同于设置同心环，无论是凸起还是凹陷，还可以设置围绕燃烧器衬套的外部并不形成环的多个离散的凸起或凹陷。
图4所示的实施例与图3所示的实施例相似。然而，在图4所示的实施例中，空气偏导器70包括弯曲部分，而不是直的成角式部分。如图4所示那样弯曲空气偏导器可有助于压缩空气的流动，或降低流动阻力。
另外，在图4所示的实施例中，空气偏导器70的尾端和头端延伸超出形成文丘里管的成角式壁73/75的尾端和头端。还将可能的是，改变所公开的实施例的任何其它部分，使得空气偏导器的端部延伸超出文丘里管的头端和尾端。
在图5所示的实施例中，空气偏导器70由设置在文丘里管尾端处的单一直区段所形成。沿燃烧器衬套20和流动套筒30之间的环形空间流动的空气在图5提供的视图中将向左流动。这样，图5中的空气偏导器70将用来通过文丘里管的成角式部分73和75向下偏转部分空气流进入到形成在燃烧器衬套20外部上的凹陷内。一旦空气以这种方式向下偏转，则将会实现通过偏转的空气流所提供的大部分冷却效果。这样，可能没必要设置多于图5中所示的小空气偏导器70的任何物件以达到燃烧器衬套20直径减小部分的良好冷却。
图6示出了与图5所示相似的另一个实施例。然而，在图6所示的实施例中，空气偏导器70的尾端比文丘里管的后壁75进一步在向尾端方向上延伸。另外，空气偏导器70的头端并未如文丘里管的尾端成角式壁75那样在向头端方向上一直延伸。而且，图6中所示的空气偏导器稍微弯曲以帮助引导部分空气流以预期的方向到燃烧器衬套20的直径减小部分上。
图7示出了单壁式燃烧器衬套20的又一个实施例，该单壁式燃烧器衬套20包括由两个成角式壁73、75所形成的文丘里管。在该实施例中，没有设置空气偏导器。沿燃烧器衬套外部的空气流足以冷却即使是由该两个成角式壁73、75所形成的直径减小部分。
这对于在直径减小部分的尾端处设置扰流器环76(或其它相似结构)以在该位置产生湍流空气流可能是有利的。在该位置产生湍流空气流可有助于使得部分空气流被向下偏转到由文丘里管的成角式壁73、75所形成的直径减小部分上。
尽管本发明已结合目前认为是最实用和优选的实施例进行了描述，但应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是与此相反，本发明旨在涵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同布置。

Claims (9)

1.一种用于涡轮发动机燃烧器的燃烧器衬套，包括：
从头端延伸到尾端的单壁式的大致圆柱形衬套；
形成在所述衬套的内部位于所述头端和所述尾端之间的文丘里管，所述文丘里管由如下部分构成：
所述单壁式衬套的第一倾斜部分，其在向尾端方向上延伸时直径减小；以及
所述单壁式衬套的第二倾斜部分，其在向尾端方向上延伸时直径增加，其中，所述第一倾斜部分的尾端连接到所述第二倾斜部分的头端上；
所述燃烧器衬套还包括安装在所述单壁式的大致圆柱形衬套的外部上的空气偏导器，使得在所述空气偏导器和所述大致圆柱形衬套之间具有环形空间，其中，所述空气偏导器构造成用以将沿着所述圆柱形衬套的外部从所述尾端向所述头端流过的部分空气流偏转到由所述第一倾斜部分和所述第二倾斜部分所形成在所述衬套的外部上的环形凹陷上。
2.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述大致圆柱形衬套包括连接到所述第二倾斜部分的尾端上的尾端圆柱形部分，以及其中，在所述尾端圆柱形部分中形成多个稀释孔。
3.根据权利要求2所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述多个稀释孔布置成围绕所述尾端圆柱形部分的圆周延伸的环，以及其中，由稀释孔形成的环在向尾端方向上远离所述第二倾斜部分的尾端间隔开。
4.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述大致圆柱形衬套包括连接到所述第二倾斜部分的尾端上的尾端圆柱形部分，以及其中，至少一个扰流器环位于所述尾端圆柱形部分上，各至少一个扰流器环均从所述尾端圆柱形部分的外部凸出且围绕所述尾端圆柱形部分的圆周延伸。
5.根据权利要求4所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述至少一个扰流器环包括沿所述尾端圆柱形部分彼此间隔开的多个扰流器环。
6.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述空气偏导器包括：
第一倾斜部分，其在向尾端方向上延伸时直径减小，其中，所述空气偏导器的第一倾斜部分与所述衬套的第一倾斜部分对准；以及
第二倾斜部分，其在在向尾端方向上延伸时直径增加，其中，所述空气偏导器的第一倾斜部分的尾端连接到所述空气偏导器的第二倾斜部分的头端上，以及其中，所述空气偏导器的第二倾斜部分与所述衬套的第二倾斜部分对准。
7.根据权利要求6所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述空气偏导器的第一倾斜部分的头端在向头端方向上延伸超出所述圆柱形衬套的第一倾斜部分的头端。
8.根据权利要求7所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述空气偏导器的第二倾斜部分的尾端在向尾端方向上延伸超出所述圆柱形衬套的第二倾斜部分的尾端。
9.根据权利要求6所述的燃烧器衬套，其特征在于，所述空气偏导器的第二倾斜部分的尾端在向尾端方向上延伸超出所述圆柱形衬套的第二倾斜部分的尾端。
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