CN102242673A - 涡轮机喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及涡轮机喷嘴。其中，涡轮机(2)包括压缩机(4)、涡轮(10)、在操作上联接到压缩机(4)和涡轮(10)的燃烧器(6)以及安装在燃烧器(6)中的喷射喷嘴组件(38)。喷射喷嘴组件(38)包括旋流器构件(117)，旋流器构件(117)设有具有内表面(121)的轮毂部分(120)。喷射喷嘴组件(38)还包括喷嘴部段(85)和喷嘴顶端构件(124)，喷嘴顶端构件(124)流体地联通到喷嘴部段(85)和旋流器构件(117)。喷嘴顶端构件(124)包括主体，主体具有从喷嘴部段(85)延伸到第二端部段(134)的第一端部段(133)，第二端部段(134)布置在旋流器构件(117)的轮毂部分(120)中。喷嘴顶端构件(124)包括外表面(111)和排放端口(138)。喷嘴顶端构件(124)的外表面(111)和旋流器构件(117)轮毂部分(120)的内表面(83)中的至少一个设有多个凹槽(180)。

Description

涡轮机喷嘴
技术领域
本文所公开的主题涉及涡轮机(turbomachine)的领域，且更特定而言涉及涡轮机喷嘴。
背景技术
一般而言，燃气涡轮机发动机燃烧燃料/空气混合物，其释放热能以形成高温气体流。经由热气体路径将高温气体流导送到涡轮(turbine)。涡轮将来自高温气体流的热能转变成机械能，机械能使涡轮轴杆旋转。涡轮可用于多种应用中，诸如向泵或发电机提供动力。
目前，需要降低涡轮机排放。降低排放的一种途径在于降低供应的燃料且利用更贫燃料/空气混合物(leaner fuel/air mixture)来操作涡轮机。虽然贫燃料/空气混合物导致更低排放，但燃料喷嘴温度更高。即，通过降低供应燃料的量，火焰位于更靠近喷嘴处。因此，在喷嘴端部和邻接的旋流器轮毂上的温度升高。在旋流器轮毂上的升高的温度导致裂纹和裂缝。裂纹/裂缝通常形成于套筒部分与喷嘴的旋流器部分之间的界面处。
发明内容
根据本发明的一方面，一种涡轮机包括压缩机，涡轮，在操作上联接(operatively coupled)到压缩机和涡轮的燃烧器，以及安装在燃烧器中的喷射喷嘴组件。喷射喷嘴组件包括旋流器构件，旋流器构件设有轮毂部分，轮毂部分包括内表面。喷射喷嘴组件还包括：喷嘴部段，其包括延伸到第二端的第一端；以及，喷嘴顶端构件，其流体地联通(fluidly coupled)到喷嘴部段的第二端和旋流器构件。喷嘴顶端构件包括主体，主体具有从喷嘴部段延伸到第二端部段的第一端部段，第二端部段布置在旋流器构件的轮毂部分中。喷嘴顶端构件包括外表面和排放端口。喷嘴顶端构件的外表面和旋流器构件轮毂部分的内表面中的至少一个设有多个凹槽。多个凹槽被配置和安置成冷却喷嘴顶端构件。
根据本发明的另一方面，一种用于涡轮机的喷射喷嘴组件包括：旋流器构件，其设有轮毂部分，轮毂部分具有内表面；喷嘴部段，其包括延伸到第二端的第一端；以及，喷嘴顶端构件，其流体地联通到喷嘴部段的第二端和旋流器构件。喷嘴顶端构件包括主体，主体具有从喷嘴部段延伸到第二端部段的第一端部段，第二端部段布置在旋流器构件的轮毂部分中。喷嘴顶端构件包括外表面和排放端口。喷嘴顶端构件的外表面和旋流器构件轮毂部分的内表面中的至少一个设有多个凹槽。多个凹槽被配置和安置成冷却喷嘴顶端构件。
通过下文的描述并结合附图理解，这些和其它优点和特点将变得更明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在所附的权利要求中特别地指出且明确地主张。通过结合附图的下文的详细描述，本发明的前述和其它特点和优点将是明显的，其中：
图1是涡轮机的截面侧视图，其包括根据本发明的示范性实施例形成的喷嘴；
图2是图1的涡轮机的燃烧器部分的截面图；
图3是根据示范性实施例的涡轮机喷嘴的局部截面侧视图；
图4是根据示范性实施例的包括多个凹槽的喷嘴顶端部分的透视图；
图5是图4的多个凹槽的细节图；
图6是根据另一示范性实施例的包括多个凹槽的喷嘴顶端部分的透视图；且
图7是图6的多个凹槽的细节图。
详细描述参照附图以举例说明的方式解释了本发明的实施例，以及优点和特点。
部件列表：
2             涡轮机
4             压缩机
5             燃烧器组件
6             燃烧器
8             燃料喷嘴/喷射器组件外壳
10            涡轮
12            压缩机/涡轮轴杆
22            扩散器
24            压缩机排放集气室
30            端部覆盖物
34            帽构件
35            第一表面
36            第二表面
38，39        喷射喷嘴组件
44            燃烧器壳体
46            燃烧器衬套
48            燃烧腔室
49            冷却通路
55            过渡件
62            第一级涡轮喷嘴
64            内壁
65            外壁
66            开口
68               环形通路
72               引导腔
82               衬套
83               内腔
85               喷嘴部段
87               传递/第三顶端部分
89               通路
90               出口
94               内套筒部分
95               第一端
96               第二端
106              先导顶端构件
108              第一端部
109              第二端部
111              外表面
114，147，180    凹槽
117              旋流器构件
118              叶片
120              轮毂部分
121              内表面
124，161         喷嘴顶端构件
130，164         主体
133，166         第一端部段
134，167         第二端部段
136，169         中间部段
138，174         排放端口
142，176         外表面
具体实施方式
参看图1，根据示范性实施例构造的涡轮机总体上以2示出。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设有燃料喷嘴或喷射器组件外壳8。涡轮机发动机2还包括涡轮10和共同压缩机/涡轮轴杆12。值得注意的是，本文所述的公开的示范性实施例可合并到多种涡轮机内。本文所示和描述的涡轮机2仅是一种示范性布置。
如在图2中最佳地示出的那样，燃烧器6与压缩机4和涡轮10流动连通地联接。压缩机4包括彼此流动连通地联接的扩散器22和压缩机排放集气室(discharge plenum)24。燃烧器6包括定位于其第一端的端部覆盖物30以及帽构件34。帽构件34包括第一表面35和对置的第二表面36。如将在下文中更全面地讨论的那样，帽构件34(尤其是，第一表面35)向多个燃料或喷射喷嘴组件38和39提供结构支承。燃烧器6还包括燃烧器壳体44和燃烧器衬套46。
如图所示，燃烧器衬套46位于燃烧器壳体44的径向内部以便限定燃烧腔室48。环形燃烧腔室冷却通路49限定于燃烧器壳体44与燃烧器衬套46之间。过渡件55将燃烧器6联接到涡轮10。过渡件55导送燃烧腔室48中生成的燃烧气体向下游朝向第一级涡轮喷嘴62。为此，过渡件55包括内壁64和外壁65。外壁65包括多个开口66，多个开口66通往环形通路68，环形通路68限定于内壁66与外壁65之间。内壁64限定引导腔72，引导腔72在燃烧腔室48与涡轮10之间延伸。
在操作期间，空气流经压缩机4且压缩的空气被供应到燃烧器4且更具体而言，供应到喷射器组件38和39。同时，燃料被传递到喷射器组件38和39以与空气混合且形成可燃混合物。可燃混合物被导送到燃烧腔室48且被点燃以形成燃烧气体。燃烧气体然后被导送到涡轮10。来自燃烧气体的热能被转变成机械旋转能，该机械旋转能用于驱动轴杆12。
更具体而言，涡轮10经由轴杆12驱动压缩机4(在图1中示出)。随着压缩机4旋转，压缩空气被排放到扩散器22，如由相关联的箭头所示的那样。在示范性实施例中，导送从压缩机4排放的大部分空气通过压缩机排放集气室24朝向燃烧器6，且导送其余压缩空气用于冷却发动机部件。在排放集气室24内的压缩空气经由外壁开口66导送到过渡件55内且到环形通路68内。然后从环形通路68导送空气通过环形燃烧腔室冷却通路49且到喷射喷嘴组件38和39。燃料与空气混合形成可燃混合物，可燃混合物在燃烧腔室48内被点燃，形成燃烧气体。燃烧器壳体44便于屏蔽燃烧腔室48和其相关联的燃烧过程与外部环境(诸如，周围涡轮部件)隔开。燃烧气体从燃烧腔室48导送通过引导腔72且朝向涡轮喷嘴62。冲击第一级涡轮喷嘴62的热气体形成旋转力，该旋转力最终从涡轮2做功。
这里，应了解展示上述构造是为了更全面地了解示范性实施例，示范性实施例针对于喷射喷嘴组件38和39的结构。但是，由于每个喷射喷嘴组件38、39同样地形成，下文的详细描述参考喷射喷嘴组件38，应了解喷射喷嘴组件39同样地形成。
如在图3中最佳地示出的那样，喷嘴组件38包括衬套82，衬套82限定内腔83。喷嘴组件38还包括延伸穿过内腔83的喷嘴部段85。喷嘴部段85包括传递/第三顶端部分(tertiary tip portion)87，传递/第三顶端部分87限定具有出口90的通路89。喷嘴部段85还包括内套筒部分94，内套筒部分94布置在第三顶端部分87内侧。内套筒部分94包括延伸到第二端96的第一端95。喷嘴部段85还包括先导顶端构件(pilot tip member)106，先导顶端构件106布置在内套筒部分94的内侧。先导顶端构件106包括延伸到第二端部109的第一端部108。如图所示，第二端部109包括外表面111，外表面111具有多个凹槽，其中之一以114示出。还示出喷嘴组件38包括布置在喷嘴部段85下游的旋流器构件117。旋流器构件117包括多个叶片，其中之一以118示出，其从中央轮毂部分120延伸。中央轮毂部分120包括内表面121，内表面121(将在下文更全面地讨论)流体地连通(fluidly connected)到喷嘴部段85。
喷嘴部段85包括喷嘴顶端构件124。如在图4中最佳地示出的那样，喷嘴顶端构件124包括主体130，主体130具有通过中间部段136延伸到第二端部段134的第一端部段133。第二端部段134包括排放端口138，排放端口138流体地连通到先导顶端构件106的第二端部109。中间部段136包括外表面142，外表面142上形成多个凹槽147。凹槽147对应于先导顶端构件106上的多个凹槽114。在示出的示范性实施例中，凹槽147包括非圆形截面(non-circular cross-section)。更具体而言，且如在图5中最佳地示出的那样，多个凹槽147中的每一个包括大体上矩形截面。另外根据所示出的示范性实施例，多个凹槽147中的每一个包括会聚轮廓。即，多个凹槽中的每一个从第一端部段133朝向第二端部段134逐渐变窄。
对于此布置，喷嘴顶端构件124布置在旋流器构件117的中央轮毂部分120内。多个凹槽114和多个凹槽147限定在喷嘴部段85与中央轮毂部分120的内表面121之间延伸的多个通路。多个通路提供管道或通道，流体流动可通过管道或通路传递。流体流动降低轮毂部分120的温度以减小到旋流器构件117的任何热应力。更具体而言，当涡轮机2以贫模式(lean mode)运行时，热应力倾向于形成于轮毂部分120处。通过提供在轮毂部分120与喷嘴部段85之间的通路，流体沿着先导构件106的外表面111和喷嘴顶端构件124的外表面142流动以提供冷却效果。这里，应了解虽然示出在喷嘴顶端构件124上，但多个凹槽也可形成于旋流器构件117的内表面(未单独地标注)上。
现参看图6和图7，描述根据另一示范性实施例构造的喷嘴顶端构件161。喷嘴顶端构件161包括主体164，主体164具有通过中间部段169延伸到第二端部段167的第一端部段166。第二端部段167包括排放端口174，排放端口138流体地连通到先导顶端构件106。以类似于上文所述的方式，中间部段169包括外表面176，外表面176上形成多个凹槽180。根据示出的示范性实施例，凹槽180包括大体上圆形的截面。更具体而言，凹槽180包括半圆形截面。半圆形截面促进流体沿着外表面176流动且避免将过量几何应力集中引入到喷嘴顶端构件161内。
这里，应了解本示范性实施例提供用于冷却涡轮机喷嘴组件内部的系统。更具体而言，示范性实施例提供在喷嘴顶端部分与旋流器构件的内轮毂部分之间的冷却通路以减轻热应力。当然，虽然示出多个凹槽包括大体上矩形和大体上圆形的截面，但在不偏离所要求保护的实施例的范围的情况下，也可采用其它几何形状。
虽然仅关于有限的几个实施例描述了本发明，但应易于了解本发明并不限于这些公开的实施例。而是，可修改本发明以合并之前未描述的任意多个变型、更改、替代或等效布置，但这些仍与本发明的精神和范围相符。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，但应了解本发明的方面可仅包括所描述实施例中的某些。因此，本发明不应视作受前文的描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种涡轮机(2)，包括：
压缩机(4)；
涡轮(10)；
燃烧器(6)，其在操作上联接到所述压缩机(4)和所述涡轮(10)；和
安装在所述燃烧器(6)中的喷射喷嘴组件(38，39)，所述喷射喷嘴组件(38，39)包括：
旋流器构件(117)，其包括具有内表面(121)的轮毂部分(120)；
喷嘴部段(85)，其包括延伸到第二端(96)的第一端(95)；以及
喷嘴顶端构件(124)，其流体地联通到所述喷嘴部段(85)的第二端(96)和所述旋流器构件(117)，所述喷嘴顶端构件(124)包括主体(130)，所述主体(130)具有从所述喷嘴部段(85)延伸到第二端部段(134)的第一端部段(133)，所述第二端部段(134)布置在所述旋流器构件(117)的轮毂部分(120)中，所述喷嘴顶端构件(124)包括外表面(142)和排放端口(138)，所述喷嘴顶端构件(124)的外表面(142)和所述旋流器构件轮毂部分(120)的内表面(121)中的至少一个设有多个凹槽(147)，所述多个凹槽(147)被配置和安置成冷却所述喷嘴顶端构件(124)。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述喷射喷嘴组件(38，39)包括衬套(82)和第三顶端部分(87)，所述衬套(82)限定内腔(83)，所述第三顶端部分(87)布置在所述内腔(83)中与所述衬套(82)间隔开，所述喷嘴部段(85)布置在所述第三顶端部分(87)内。
3.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述旋流器构件(117)布置在所述第三顶端部分(87)下游。
4.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于还包括先导顶端构件(106)，所述先导顶端构件(106)包括延伸到第二端部(109)的第一端部(108)，所述第二端部(109)具有外表面(111)，所述第一端部(108)布置在所述喷嘴部段(85)内。
5.根据权利要求4所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述先导顶端构件(106)接合所述喷嘴顶端构件(124)与所述喷嘴部段(85)。
6.根据权利要求5所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述先导顶端构件(106)包括布置在所述外表面上的多个凹槽，所述多个凹槽(114)对应于在所述喷嘴顶端构件(124)的外表面(142)和所述旋流器轮毂部分(120)的内表面(121)之一上的多个凹槽(147)。
7.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述多个凹槽(147)布置在所述喷嘴顶端构件(124)的外表面(142)上。
8.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述多个凹槽(147)包括大体上圆形截面。
9.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述多个凹槽(147)包括非圆形截面。
10.根据权利要求8所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述非圆形截面包括矩形截面。
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