CN102401383A - 用于冷却燃烧器的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于冷却燃烧器的装置和方法。具体而言，燃烧器(10)包括燃烧室(20)和周向地围绕燃烧室(20)的至少一部分并限定外表面(22)的内壁(16，18)。多个湍流器(28)位于外表面(22)上。燃烧器(10)还包括用于优先地引导流体流越过湍流器(28)的预定部分(34)的器件。用于冷却燃烧室(20)的方法包括将多个湍流器(28)定位到燃烧室(20)的外表面(22)上和优先地引导流体流越过多个湍流器(28)的预定部分(34)。

Description

用于冷却燃烧器的装置和方法
技术领域
本发明主要涉及用于冷却燃烧器的装置和方法。本发明的特定实施例可包括流动套筒和布置在燃烧器外表面上的预定位置处的湍流器的组合以改善来自燃烧器的热传递。
背景技术
燃气轮机广泛地用于工业和动力生成操作。典型的燃气轮机包括位于前方的轴向压缩机，包绕中部的一个或多个燃烧器，以及位于后方的涡轮。环境空气进入压缩机，且压缩机中的旋转叶片和静止导叶逐渐地将动能给予工作流体(空气)以产生处在高度增能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并流动经过燃烧器中的喷嘴，在燃烧器中，该工作流体与燃料混合并点燃以生成具有高的温度、压力和速度的燃烧气体。燃烧气体流至涡轮，在其中它们膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接到发电机上的轴旋转以产生电力。
广泛公知的是，燃气轮机的热动效率随着操作温度也即燃烧气体温度的提高而提高。超过3000°F的燃烧气体温度因此是符合需要的，且在行业中相当普遍。然而，常规燃烧室和导送燃烧气体离开燃烧器的过渡件典型地由通常能够耐受大约1500°F左右的最高温度持续约10000小时的材料制成。因此，期望的是对燃烧室和/或过渡件提供一定形式的冷却以保护其免受热损伤。
本领域中公知有多种技术用于对燃烧室提供冷却。例如，转让给本发明同一受让人的美国专利5724816，7010921和7373778分别描述了用于冷却燃烧器和/或燃烧器的过渡件的多种结构和方法。然而，在用于冷却燃烧器构件的结构和方法方面的持续改进仍将是有用的。
发明内容
本发明发明的方面和优点于下文在以下描述中进行了阐释，或可根据该描述而清楚，或可经由本发明的实施而懂得。
本发明的一个实施例为一种燃烧器，其具有燃烧室和周向地围绕燃烧室的至少一部分的内壁。内壁限定外表面和纵向中心线。多个湍流器位于内壁的外表面上。套筒周向地围绕内壁的至少一部分，且套筒限定位于内壁和套筒之间的仓室。套筒的终端形成包绕内壁的周界，且该周界具有包绕至少一部分周界的钟口形状。
本发明的另一实施例为一种燃烧器，其具有燃烧室和周向地围绕燃烧室的至少一部分的内壁。内壁限定外表面和纵向中心线。多个湍流器位于内壁的外表面上。燃烧器还包括用于优先地引导流体流越过该多个湍流器的预定位置的器件(means)。
本发明还可包括用于冷却燃烧室的方法。该方法包括将多个湍流器定位到燃烧室的外表面上以及优先地引导流体流越过该多个湍流器的预定位置。
研读说明书，本领域普通技术人员将会更好地理解这些实施例的特征和方面等。
附图说明
在余下说明书中包括参照附图向本领域的普通技术人员更为具体地阐述了本发明包括其最佳模式的完整和能够实施的公开内容，在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的燃烧器的简化截面图；
图2是根据本发明一个实施例的过渡件的透视图；
图3是根据本发明第二实施例的过渡件的透视剖面图；以及
图4是根据本发明第三实施例的过渡件的透视剖面图。
零件清单
10  燃烧器
12  喷嘴
14  端帽
16  衬套
18  过渡件
20  燃烧室
22  外表面
24  纵向中心线
26  密封件
28  湍流器
30  梯级突起
32  矩形基座
33  尖顶远端
34  预定位置
36  套筒
38  终端
40  仓室
42  钟口形状
44  开孔
46  扩大开口
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的现有实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。该详细描述采用数字和字母标记来指代图中的特征。图和描述中相同或相似的标记用来指代本发明的相同或相似的部分。
各实例均是通过阐释本发明的方式来提供的，而非限制本发明。实际上，本领域普通技术人员将会清楚在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可在另一实施例中使用，以产生又一个实施例。因此，期望的是本发明涵盖归入所附权利要求及其等同方案内的这些修改和变型。
图1示出了根据本发明一个实施例的燃烧器10的简化截面图。如图所示，燃烧器10大体上包括径向地布置在端帽14中的一个或多个喷嘴12。为清楚起见，喷嘴12在图中显示为圆柱体，而没有关于喷嘴12的类型、构造或内部构件的任何细节。本领域普通技术人员将容易明白，除非具体地记载在权利要求中否则本发明不限于任何具体的喷嘴类型、形状或设计。
衬套16和过渡件18周向地围绕端帽14下游的燃烧室20。衬套16和过渡件18限定外表面22和对于经过燃烧室20的压缩工作流体或空气流的纵向中心线24。衬套16和过渡件18可包括周向地围绕燃烧室20的单个连续部件。作为备选，如例如在图1中所示，衬套16和过渡件18均可包括通过密封件26连结的单独内壁，使得其分别周向地围绕燃烧室20的至少一部分。如在各图中所示，内壁16，18中的一个或二者都可具有逐渐减小的圆周，其聚集或集中离开燃烧器10的燃烧气体。
燃烧器10还包括位于内壁16，18中一个或两者的外表面22上的多个湍流器28。湍流器28可包括位于内壁16，18中一个或两者的外表面22上的成角的突起或凹陷，以便当压缩工作流体经过内壁16，18的外表面22时扰乱该压缩工作流体的层流。湍流器28因此增加了内壁16，18的外表面22的有效表面面积，且可在压缩工作流体中引发涡动。扰乱外表面22上的层流和增加外表面22的有效表面面积二者都有助于增加压缩工作流体在外表面22上的速度的涡流分量，以改善越过内壁16，18的传递系数和促进对内壁16，18的冷却。此外，由湍流器28引起的在压缩工作流体中增加的湍流可增强压缩工作流体与燃料的随后混合以加强在燃烧室20中燃烧。
湍流器28可为位于外表面22上的突起或凹陷，视觉上具有任何几何形状，包括圆形、矩形、三角形、梯形，或它们的任何组合。湍流器28可铸造、焊接、栓接，或使用本领域公知的任何适合方法而以其它方式附接到内壁16，18的外表面22上且能够耐受燃烧器10的高温环境。在具体实施例中，例如如图2中所示，湍流器28可包括从内壁16，18延伸的梯级突起30。梯级突起30可具有大体矩形基座32，其带有远离内壁16，18的尖顶端33，类似于具有小翼的翅片。梯级突起30可通过在内壁16，18的外表面22上产生涡旋或涡流而增强热传递。如图2中所示，湍流器28或梯级突起30可布置成行和列的阵列以使流过内壁16，18的外表面22的压缩工作流体改变方向而进一步增强由压缩工作流体所提供的冷却。此外，更高集中度的湍流器28或梯级突起30可定位在内壁16，18的外表面22上的预定位置34。预定位置34可为内壁16，18的外表面22上的区域，该区域通常具有基于经验测量结果和/或数学模型的较高操作温度。如此，由湍流器28或梯级突起30所提供的有益冷却效果可在公知或期望具有较高操作温度的预定位置34处增强。
燃烧器10还包括用于优先地引导流体流(例如，压缩工作流体流)越过多个湍流器28的预定位置34的器件。再次参看图1，用于优先地引导流体流的器件可包括套筒36，其具有与内侧壁16，18的纵向中心线24以大约90°对准的终端38。套筒36周向地围绕内壁16，18中一个或两者的至少一部分，且大体上与内壁16，18中的一个或两者同心。结果，套筒36限定位于内壁16，18和套筒36之间的仓室40。套筒36的终端38形成包绕内壁16，18的周界，以及还包括包绕周界至少一部分的钟口形状42。如图1中所示，例如，套筒36的终端38的周界具有包绕整个周界的连续钟口形状42。如此，套筒36、终端38、仓室40和钟口形状42相结合以优先地引导流体流经过仓室40和越过多个湍流器28。如图1中所示，在具体实施例中套筒36还可包括多个开孔44以进一步容许流体流越过湍流器28，但套筒36中存在开孔44并非对于用于引导流体流的器件的必要结构或对本发明的限制，除非在权利要求中具体地记载。
图3示出了根据本发明备选实施例的燃烧室10的过渡件18部分的透视剖面图。在此实施例中，用于优先地引导流体流的器件包括如前文关于图1所述的套筒36、终端38、仓室40和钟口形状42。然而，在该具体实施例中，终端38与内侧壁18的纵向中心线24以大约45°对准。如图3中所示，终端38的底部部分具有钟口形状42，而终端38的顶部部分大体为直的。此外，用于优先地引导流体流的器件在该具体实施例中包括位于套筒36中的至少一个扩大开口46。扩大开口46在套筒36中的大小和位置可选择为用以控制流体流的量和位置，且因此冷却，该流体流优先地引导在内壁18的外侧表面22上的特定湍流器28上或越过该特定湍流器28。例如，扩大开口46其尺寸可形成为使得用于优先地引导流体流的器件覆盖少于内侧壁18和/或湍流器28的大约90％，80％，70％，或60％。此外或作为备选，扩大开口46可定位成邻近前文关于图2所述的预定位置34，该预定位置具有较高集中度的湍流器28和/或公知或期望具有较高操作温度。
图4示出了根据本发明又一备选实施例的燃烧室10的过渡件18部分的透视剖面图。在该实施例中，用于优先地引导流体流的器件包括如前文关于图1所述的套筒36、终端38、仓室40和钟口形状42。然而，在该具体实施例中，终端38与内侧壁18的纵向中心线24以大约135°对准。如图4中所示，终端38的顶部部分具有钟口形状42，而终端38的底部部分大体为直的。如同在图3中所示实施例的情况一样，用于优先地引导流体流的器件在该实施例中再次包括位于套筒36中的至少一个扩大开口46。扩大开口46在套筒36中的大小和位置可选择为用以控制流体流的量和位置，且因此冷却，该流体流优先地引导在内壁18的外侧表面22上的特定湍流器28上或越过该特定湍流器28。例如，扩大开口46其尺寸可形成为使得用于优先地引导流体流的器件覆盖少于在内侧壁18和/或湍流器28的大约90％，80％，70％，或60％之间。此外或作为备选，扩大开口46可定位成邻近前文关于图2所述的预定位置34，该预定位置具有较高集中度的湍流器28和/或公知或期望具有较高操作温度。
本领域普通技术人员将会清楚，图1至图4中所述和显示的各个实施例可用来提供用于冷却燃烧室20的方法。该方法可包括将多个湍流器28定位到燃烧室20的外表面22上和优先地引导流体流越过多个湍流器28的预定部分。该多个湍流器28的预定部分例如可存在于远端38的钟口形状42附近，位于扩大开口46下方，或位于内壁16，18中的一个或二者的外表面22上的任何其它的期望位置。该方法还可包括使多个湍流器28集中在燃烧室20的外表面22上的预定位置34处，例如如在图2中所示。
本书面描述使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的文字语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例处在权利要求的范围之内。

Claims (13)

1.一种燃烧器(10)，包括：
a.燃烧室(20)；
b.内壁(16，18)，其周向地围绕所述燃烧室(20)的至少一部分，其中，所述内壁(16，18)限定外表面(22)和纵向中心线(24)；
c.多个湍流器(28)，其位于所述内壁(16，18)的外表面(22)上；
d.套筒(36)，其周向地围绕所述内壁(16，18)的至少一部分，其中，所述套筒(36)限定位于所述内壁(16，18)和所述套筒(36)之间的仓室(40)；以及
e.所述套筒(36的终端(38)，其中，所述套筒(36)的终端(38)形成包绕所述内壁(16，18)的周界，且所述周界具有包绕所述周界的至少一部分的钟口形状(42)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述内壁(16，18)具有逐渐减小的圆周。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器(10)还包括位于所述内壁(16，18)的外表面(22)上的预定位置(34)处的较高集中度的所述多个湍流器(28)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述多个湍流器(28)包括从所述内壁(16，18)延伸的梯级突起(30)，所述梯级突起(30)具有远离所述内壁(16，18)的尖顶端(33)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器(10)还包括位于所述套筒(36)中的多个开孔(44)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述套筒(36)的所述终端(38)的周界具有包绕所述周界的连续钟口形状(42)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述套筒(36)的终端(38)以大约45°与所述内壁(16，18)的纵向中心线(24)对准。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述套筒(36)的终端(38)以大约90°与所述内壁(16，18)的纵向中心线(24)对准。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述套筒(36)的终端(38)以大约135°与所述内壁(16，18)的纵向中心线(24)对准。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器(10)还包括用于优先地引导流体流越过所述多个湍流器(28)的预定位置(34)的器件。
11.根据权利要求10所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述用于优先地引导流体流的器件覆盖少于所述多个湍流器(28)的大约90％。
12.一种用于冷却燃烧室(20)的方法，包括：
a.将多个湍流器(28)定位到所述燃烧室(20)的外表面(22)上；以及
b.优先地引导流体流越过所述多个湍流器(28)的预定部分(34)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述多个湍流器(28)集中在所述燃烧室(20)的外表面(22)上的预定位置(34)处。
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