CN102434893A - 燃烧器衬里同心支撑和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧器衬里同心支撑和方法，具体而言，涉及用于减少造成燃烧器中的磨损的运动的系统和方法。该方法包括将燃烧器衬里(404)的第一端连接到包围了燃烧器衬里(404)的第一端的保持器(402)上；将保持器(402)连接到燃烧器外壳(406)上，其中保持器(402)充当燃烧器衬里(404)和燃烧器外壳(406)之间的弹簧；通过保持器(402)减少在燃烧器外壳(406)和燃烧器衬里(404)之间沿着燃烧器衬里(404)的纵向轴线和环向轴线的相对运动；并将燃烧器衬里(404)基本同心地定位在燃烧器外壳(406)内。

Description

燃烧器衬里同心支撑和方法

技术领域

本文公开的主题的实施例总体涉及减少磨损，且更具体地涉及减少燃气涡轮机系统的燃烧硬件方面的磨损。

背景技术

在燃气涡轮机中使用燃烧器将热的燃烧气体传送至涡轮机的第一级。用于燃气涡轮机中的各个燃烧器典型地包括燃料喷射系统，其具有一个或更多燃料喷嘴和燃烧室。典型的燃烧室可包括燃烧衬里、过渡件和流套筒，过渡件连接在燃烧室和涡轮机的第一级上并在它们之间延伸。在燃烧衬里和流套筒之间产生通道，其容许至少一部分压缩机排放空气被引入到燃烧衬里中，以便与通过燃料喷嘴喷射的燃料混合并用于冷却目的。另外，过渡件将热的燃烧气体引导和传送至涡轮机的第一级，以用于功率产生和膨胀。

更具体地，参照图1描述燃烧器和其相关联的过渡件。用于燃气涡轮机中的燃烧器2具有燃烧室4，其在燃烧器衬里6的内部，燃烧器衬里6在形状上可以是圆柱形的。燃料进入燃烧室4，并被燃嘴(burner)12点燃。具有与点火相关联的端盖部件16(其包括背板)，用于在燃烧衬里6中对火焰整形。燃烧衬里6被基本圆柱形的流套筒包围，其也被称为燃烧器外壳8。然而，在燃烧器衬里6和燃烧器外壳8之间存在径向间隙，其充当空气流动通道，以便将空气引入到燃烧室4中，从而与传送的燃料混合。在过渡件10连接在燃烧衬里6的情况下，呼拉密封件14环绕燃烧器衬里6的末端，并与过渡件10发生接触。另外，过渡件10将燃烧器衬里6与涡轮机的第一级(未显示)连接起来。

图2更详细地显示了传统的燃烧器衬里6。更具体地，燃烧器衬里6包括燃嘴套环202、三个外壳衬里挡块204和联焰套环206(燃烧器衬里6可具有更多联焰套环206，但在图2中只显示了一个)。在题名为“Wear Reduction Kit for Gas Turbine Combustors”的美国专利5,749,218号中可找到关于用于燃气涡轮机中的燃烧器的更多信息，其整个内容通过引用而结合在本文中。

在操作期间，一些燃烧部件受到由于例如硬件振动所引起的磨损的影响。通常，磨损的部件是与燃烧器衬里6的各种部件相关联的接触部件。例如，当燃烧器2处于操作时，随时间磨损的其中一些接触部件包括燃嘴套环202、外壳衬里挡块204、呼拉密封件14、联焰套环206和它们相应的配合部件。随着这些部件上的磨损增加，配合部件之间的间隙增加，其可能造成其它磨损问题。例如，随着外壳衬里挡块204磨损，存在使燃烧器衬里6在轴向或周向方向上移动的更多空间，因此在燃烧器衬里6和燃烧器外壳8之间的相对运动增加。另外，当这发生时，呼拉密封件14可在其与过渡件10相配合的情况下用作铰链，这又在呼拉密封件14上造成更特别的磨损，导致潜在的机械故障。

虽然在图1中显示为单个燃烧器，但典型的燃气涡轮发动机将具有多个燃烧器。图3a显示了两个燃烧器衬里及联焰管302，并且图3b显示了装配在机器中的燃烧器排列。典型地有十二个燃烧器2(图3b中通过连接在过渡件10上的燃烧器外壳8的各种构造显示)，它们通过联焰管302而彼此联接，联焰管是对联焰套环206的配合件。联焰管302用于容许火焰移动到已经失去了正在进行的燃烧所需要的火焰的燃烧器2中。所以在燃气涡轮发动机中将有多个燃烧器2，这意味着在燃气涡轮发动机中与考虑单个燃烧器的预期相比将有更多发生磨损的机械部件。

上述各种部件上的此机械磨损产生了与停机和更换部件相关的维护和费用成本。一种用于减少在燃气涡轮机中的两个配合的燃烧构件之间磨损的方法是喷涂涂层。例如，已经使用高速氧气燃料(HVOF)涂层来改善已经发现具有磨损损伤的部件上的磨损特征。这些喷涂涂层虽然改善了磨损特性，但不能提供，或成本有效地提供厚的涂层，而相反典型地用于厚度大约0.5mm或更小的涂层应用。另外，这些喷涂涂层机构以相对所需涂层表面大约90°的角度来执行。一些希望涂层的部件几何形状，例如转角和各种曲线不容许(在涂层喷嘴和部件表面之间)获得所需要的倾斜度，这导致薄的涂层或可能根本没有涂层。

因此，需要用于减少磨损和增加与燃气涡轮机燃烧器相关联的部件寿命并降低成本的系统和方法。

发明内容

根据一个示例性实施例，有一种用于减少造成燃烧器中的磨损的运动的方法。该方法包括：将燃烧器衬里的第一端连接到保持器上，保持器包围燃烧器衬里的第一端；将保持器连接到燃烧器外壳上，其中保持器充当燃烧器衬里和燃烧器外壳之间的弹簧；通过保持器减少燃烧器外壳和燃烧器衬里之间沿着燃烧器衬里的纵向轴线和环向轴线的相对运动；并将燃烧器衬里基本同心地定位在燃烧器外壳内。

根据另一示例性实施例，有一种为减少磨损而构造的燃烧器。该燃烧器包括燃烧器衬里、燃烧器外壳和保持器，燃烧器衬里具有连接在保持器上的第一端，保持器包围燃烧器衬里的第一端；其中燃烧器衬里基本同心地定位在燃烧器外壳内；保持器连接在燃烧器外壳上，并构造成充当燃烧器衬里和燃烧器外壳之间的弹簧；并且保持器构造成减少燃烧器外壳和燃烧器衬里之间沿着燃烧器衬里的纵向轴线和环向轴线的相对运动，其中保持器包括第一部段、第二部段和弹簧状部段，第一部段构造成将保持器连接到燃烧器外壳的内部，第二部段构造成将保持器连接到燃烧器衬里的外表面上，而弹簧状部段构造成使燃烧器衬里基本同心地定位在燃烧器外壳内，其中弹簧状部段设置在第一部段和第二部段之间。

根据另一示例性实施例，有一种用于将燃烧器内构件的位置基本固定就位的保持器。该保持器包括第一部段、第二部段和弹簧状部段，第一部段构造成将保持器连接到燃烧器外壳的内部；第二部段构造成将保持器连接到燃烧器衬里的外表面上；而弹簧状部段构造成将燃烧器衬里基本同心地定位在燃烧器外壳内，其中弹簧状部段设置在第一部段和第二部段之间。

根据另一示例性实施例，有一种用于将燃烧器内的构件的位置基本固定就位的保持器。该保持器包括构造成将保持器连接到燃烧器外壳内部的第一部段；以及在装配时构造成将燃烧器衬里基本同心地定位在燃烧器外壳内的两个部段，其中该两个部段的一部分还构造成将保持器连接到燃烧器衬里的外表面上。

附图说明

附图显示了示例性实施例，其中：

图1描绘了燃烧器和过渡件；

图2显示了燃烧器衬里；

图3a显示了由联焰管连接的两个燃烧器衬里；

图3b显示了装配在机器中的燃烧器排列；

图4显示了带有根据示例性实施例的保持器的燃烧器；

图5和图6显示了燃烧器的成角度视图，其带有根据示例性实施例的保持器；

图7显示了带有根据示例性实施例的另一保持器的燃烧器；

图8-10描绘了保持器的截面图，其带有孔，以容许空气穿过根据示例性实施例的保持器；且

图11显示了根据示例性实施例的用于减少造成燃烧器中的磨损的运动的方法的流程图。

具体实施方式

以下示例性实施例的详细描述参照了附图。不同图纸中的相同的标号标识相同或相似的元件。另外，图纸并不一定按比例绘制。同样，以下详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求来限定。

整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及意味着结合实施例所述的特定的特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”出现在整个说明书的各个地方并不一定都是指相同的实施例。此外，在一个或更多实施例中可将特定的特征、结构或特性以任何合适的方式组合。

燃烧器衬里6典型地由燃烧器衬里6前端上的三个轴向挡块204和燃烧器衬里6后端上的呼拉密封件14来支撑(见图1和图2)。燃烧器衬里挡块204与它们燃烧器外壳8上的配合挡块具有相对较松的间隙，燃烧器衬里挡块由于振动而随着时间侵蚀，这导致更大的磨损和甚至更大的间隙。这容许燃烧器衬里6移动，这会使呼拉密封件14在其开始充当燃烧器衬里6和燃烧器外壳8之间的铰链时被置于更高磨损的位置。根据示例性实施例，燃烧器衬里6上的轴向挡块204和它们在燃烧器外壳8上的配合挡块(未显示)可被除去并用所谓鼠笼设计或保持器替换，鼠笼设计或保持器极大地减少了在燃烧器外壳8和燃烧器衬里6之间的相对运动，这又如以下更详细论述的那样减少了各种相关联的配合部件的磨损。

根据示例性实施例，燃烧器400可具有保持器402，保持器可如图4-6中所示将燃烧器衬里404连接到燃烧器外壳406上。保持器402可以是将燃烧器衬里404保持与燃烧器外壳406同心单个整体件。保持器402可利用与燃烧器衬里材料相容的材料制成，其具有容许轻易制造、焊接和装配的属性，同时仍具有在燃气涡轮机环境中起作用所需要的材料属性。此类材料的示例包括但不限于钴基合金、HAST-X、FSX-414和L-605。根据一个示例性实施例，保持器402可被认为具有三个部段：用于连接在燃烧器外壳406上的部段412、弹簧状部段410和用于连接在燃烧器衬里404外面的部段408。例如通过将部段412利用螺栓联接到燃烧器外壳406的凸缘部段414上，部段412可连接在燃烧器外壳406的凸缘部段414上。然而还可使用其它连接方法，例如其它机械连接方法和/或焊接。部段408通过例如焊接、铆接、螺栓连接或任何其它期望的连接方法而连接在燃烧器衬里404(和/或盖部段422)上。弹簧状部段410可具有预定的弹性常数。另外，如图5中所示，部段410的一些侧面区域将是实心的(例如见区域424)，并且弹簧状部段410的一些侧面区域将被切掉，以容许空气流动(例如见区域426)。部段426的尺寸和形状可根据需要而变化。因而如果透过区域426观察将看到部段408的一部分。

保持器402相对于燃烧器衬里404和燃烧器外壳406的这种设计消除了对于具有传统燃烧器中所使用的轴向挡块的需求。保持器402减少或消除了燃烧器衬里404相对于燃烧器外壳406的纵向、轴向和圆周运动，这减少了安装时各种接触点上的磨损。弹簧状部段410起作用以将燃烧器衬里404同心地定位在燃烧器外壳内，这进一步减少了各种接触点上的磨损。此磨损减少将增加燃烧器的可使用寿命周期。另外，根据示例性实施例，这些保持器可根据需要改型翻新到一些现存的燃烧器上，并且可除去传统燃烧器上的轴向挡块。

如上所述，根据示例性实施例，当利用保持器402时可减少燃烧器中的磨损。图5和图6中显示了可能磨损，但现在由于纵向、轴向运动的减少而以降低的速率磨损的这些接触点中的一些，它们包括燃嘴套环420，以及联焰管416和联焰套环418之间的接触。燃烧器外壳406在燃烧器衬里404内的同心定位将减少燃嘴套环420和燃嘴(未显示)之间的磨损。燃烧器内的此磨损减少可延长燃烧器的有效服务寿命。保持器402的使用容许燃烧器的设计从磨损工况改变至疲劳工况，其可导致设计燃烧器构件上的其它改变，以利用此设计特征。

根据一个备选的示例性实施例，保持器402可由多个独立的子部段制成，例如两个子部段、三个或更多个子部段。例如，保持器402的子部段408，410和412可彼此独立地制成。然后在用于连接并将燃烧器衬里404同心地定位于燃烧器外壳406之前或在该过程期间可将这些子部段408，410和412装配起来。

根据示例性实施例，图7中将另一鼠笼形式示出为保持器702。根据一个示例性实施例，保持器702可被认为具有三个部段：部段704、部段706和部段708，部段704用于连接在燃烧器外壳406上，部段706与部段708协作而用作弹簧。部段706和708可以是凸起的，然而还可使用其它形状。连接的部段706和708可具有预定的弹性常数。部段704可连接在燃烧器外壳406的凸缘部段414上，例如通过利用螺栓而将部段704联接到燃烧器外壳406的凸缘部段414上。然而还可使用其它连接方法，例如其它机械连接方法和/或焊接。部段708通过例如焊接、铆接、螺栓连接或任何其它所需的连接方法而连接在燃烧器衬里404(和/或盖部段422)上。

根据示例性实施例，图8-10显示了用于部段706和708的各种设计，以容许空气通过保持器702，从而促进在燃烧器外壳406和燃烧器衬里404之间所需的空气流动。虽然图8-10显示了三种可能的设计，但是用于容许所需空气流动，同时保持保持器702的结构完整性和所需弹簧状性能的其它形状和形式也是可能的。根据一个示例性实施例，保持器702的各个部段704，706和708是独立制造的，之后通过例如焊接而装配起来。另外，保持器702提供了与保持器402相似的结果，例如纵向运动的减少、圆周运动的减少、消除对于具有传统燃烧器中所使用轴向挡块的需求、以及在配合的燃烧构件之间的磨损减少。根据示例性实施例，为了改型翻新，保持器702的部段708可焊接或用螺栓联接到盖部段422上。

利用上述示例性实施例，图11的流程图中显示了一种用于减少造成燃烧器中的磨损的运动的方法。该方法包括：在步骤1102将燃烧器衬里的第一端连接到包围了燃烧器衬里的第一端的保持器上；在步骤1104将保持器连接到燃烧器外壳上，其中保持器充当燃烧器衬里和燃烧器外壳之间的弹簧；在步骤1106通过保持器减少燃烧器外壳和燃烧器衬里之间沿着燃烧器衬里的纵向轴线和环向轴线的相对运动；并且在步骤1108将燃烧器衬里基本同心地定位在燃烧器外壳中。

上述示例性实施例意图在本发明的所有方面都是说明性的而非限制性的。因而本发明在详细实施方式方面能够有许多变化，其可从本文包含的细节描述中由本领域技术人员得出。所有此类变化和修改都被认为处于所附权利要求所限定的精神和范围内。除非明确地描述，否则本申请的细节描述中使用的要素、动作或指令都不应被理解为对本发明是至关重要或是必须的。另外，本文所用的用词“一个”意图包括一个或多个事物。

本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所含方法。本发明可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果它们在权利要求字面语言中包括等效的结构元件，那么此类其它示例都属于权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于减少造成燃烧器(400)中的磨损的运动的方法，所述方法包括：

将燃烧器衬里(404)的第一端连接到包围了所述燃烧器衬里(404)的第一端的保持器(402)上；

将所述保持器(402)连接到燃烧器外壳(406)上，其中所述保持器(402)充当所述燃烧器衬里(404)和所述燃烧器外壳(406)之间的弹簧；

通过所述保持器(402)减少在所述燃烧器外壳(406)和所述燃烧器衬里(404)之间沿着所述燃烧器衬里(404)的纵向轴线和环向轴线的相对运动；且

将所述燃烧器衬里(404)基本同心地定位在所述燃烧器外壳(406)内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保持器构造成容许空气流通过所述保持器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述保持器的弹簧状部段中定位有孔。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述弹簧状部段具有预定的弹性常数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保持器制造成装配在一起的多个件。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述保持器连接到所述燃烧器外壳上的步骤通过将所述保持器用螺栓联接到所述燃烧器外壳上来执行。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧器衬里在所述燃烧器衬里的外表面上不包括三个轴向挡块。

8.一种构造为减少磨损的燃烧器(400)，所述燃烧器(400)包括：

燃烧器衬里(404)，其具有连接在包围了所述燃烧器衬里(404)的第一端的保持器(402)上的第一端；

燃烧器外壳(406)，其中所述燃烧器衬里(404)基本同心地定位在所述燃烧器外壳(406)内；

所述保持器(402)连接在所述燃烧器外壳(406)上，并构造成充当所述燃烧器衬里(404)和所述燃烧器外壳(406)之间的弹簧；且

所述保持器(402)构造成减少在所述燃烧器外壳(406)和所述燃烧器衬里(404)之间沿着所述燃烧器衬里(404)的纵向轴线和环向轴线的相对运动，其中所述保持器(402)包括第一部段(412)、第二部段(408)和弹簧状部段(410)，所述第一部段(412)构造成将所述保持器(402)连接到所述燃烧器外壳(406)的内部，所述第二部段(408)构造成将所述保持器(402)连接到所述燃烧器衬里(406)的外表面上，并且所述弹簧状部段(410)构造成将所述燃烧器衬里(406)基本同心地定位在所述燃烧器外壳(404)内，其中所述弹簧状部段(410)设置在所述第一部段(412)和所述第二部段(408)之间。

9.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述保持器构造成容许空气流通过所述保持器。

10.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述弹簧状部段具有预定的弹性常数。

11.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述保持器制造成单个件。

12.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述保持器制造成装配在一起的多个件。

13.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器衬里在所述燃烧器衬里的外表面上不包括三个轴向挡块。

14.一种用于将燃烧器(400)内的构件的位置基本固定就位的保持器(402)，所述保持器(402)包括：

第一部段(412)，其构造成将所述保持器(402)连接在燃烧器外壳(406)的内部；

第二部段(408)，其构造成将所述保持器(402)连接在燃烧器衬里(406)的外表面上；和

弹簧状部段(410)，其构造成将所述燃烧器衬里(406)基本同心地定位在所述燃烧器外壳(404)内，其中所述弹簧状部段(410)设置在所述第一部段(412)和所述第二部段(408)之间。

15.一种用于将燃烧器(400)内的构件的位置基本固定就位的保持器(702)，所述保持器(702)包括：

第一部段(704)，其构造成将所述保持器(702)连接在燃烧器外壳(406)的内部；和

两个部段(706和708)，其装配并构造成将燃烧器衬里(406)基本同心地定位在所述燃烧器外壳(404)内，并且其中所述两个部段的一部分还构造成将所述保持器(702)连接到所述燃烧器衬里(406)的外表面上。

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