CN102589006A - 用于涡轮发动机的燃烧室装置及其组装方法 - Google Patents

用于涡轮发动机的燃烧室装置及其组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于涡轮发动机的燃烧室装置及其组装方法。本发明提供一种界定了燃烧室的燃烧室衬里。所述衬里包括前端和后端，其中所述后端包括延伸穿过整个后端的至少一个通道。所述通道相对于延伸穿过所述后端的中心线倾斜对准。多个燃料喷嘴连接到所述前端，使所述燃料喷嘴延伸穿过所述前端。包括至少一个开口的环形套管连接到所述后端，所述至少一个开口径向延伸穿过整个套管，其中所述套管大体包围所述后端，以在两者之间构成腔且使流经所述至少一个开口的流体首先冲击到所述后端的表面，然后再传输到所述燃烧室中。

Description

用于涡轮发动机的燃烧室装置及其组装方法
技术领域
本发明大体上涉及涡轮发动机，确切地说，涉及用于涡轮发动机的燃烧室装置。
背景技术
如燃气涡轮发动机等至少一些已知的涡轮发动机使用冷却空气来冷却发动机内的燃烧系统。通常，冷却空气由压缩机提供，所述压缩机位于燃烧系统的上游且以流连通的方式与燃烧系统连接。具体而言，在至少一些已知的涡轮发动机中，冷却空气由压缩机排入到一个至少部分围绕燃烧室装置的过渡件延伸的排气室(plenum)中。在冷却空气导送到设于冲击套管和过渡件之间的通道之前，进入排气室的部分冷却空气会被提供到包围过渡件的冲击套管。然后进入冷却通道的冷却气体被排入下游的设于燃烧室衬里和导流套管之间的第二通道中。
进入排气室的任何剩余空气在排入下游的第二通道之前，会通过设于导流套管内的进气口加以导送。流过第二通道的冷却空气用于冷却燃烧室衬里的外部部分。在涡轮发动机的运行过程中，有必要向燃烧室衬里提供冷却空气，因为与涡轮发动机的其他部件相比，衬里的运行温度可能是最高温度之一。具体而言，为防止热差应力的形成，冷却整个燃烧室衬里很重要。但是，向燃烧室衬里后端提供冷却空气是难以实现的，因为后端通常位于燃烧室衬里和过渡件的接口的径向内部。不能有效地冷却燃烧室衬里后端可能会导致燃烧室衬里发生热裂化、热差应力和/或造成损害，这些都会减少燃烧室衬里的整体使用寿命，和/或增加维护和运行涡轮发动机的成本。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种对用于涡轮发动机的燃烧室装置进行组装的方法。所述方法包括提供界定了燃烧室的燃烧室衬里。燃烧室衬里包括前端和后端，其中所述后端包括至少一个延伸穿过整个后端的通道。通道相对于延伸穿过后端的中心线沿倾斜方向对准/对齐。多个燃料喷嘴连接到前端，从而使燃料喷嘴延伸穿过前端。包括至少一个开口的环形套管连接到后端，所述至少一个开口径向延伸穿过整个套管，其中所述套管大体包围后端，以在两者之间形成一个腔、且使流经所述至少一个开口的流体首先冲击到后端的表面，然后再传输到燃烧室中。
将环形套管连接到所述后端的步骤进一步包括相对于所述至少一个通道大体沿倾斜方向对准所述至少一个开口。所述方法进一步包括，沿所述燃烧室衬里的径向向外方向连接导流套管；及将过渡件连接到所述燃烧室衬里。提供燃烧室衬里的步骤进一步包括提供所述燃烧室衬里，其后端包括外表面和内表面；及使所述至少一个通道的上游部分从所述后端外表面延伸至所述中心线，且使所述至少一个通道的下游部分从所述中心线延伸至所述后端内表面。
在另一个实施例中，本发明提供了一种用于涡轮发动机的燃烧室装置。所述燃烧室装置包括界定了燃烧室的燃烧室衬里。燃烧室衬里包括前端和后端，其中所述后端包括至少一个延伸穿过整个后端的通道。所述通道相对于延伸穿过后端的中心线沿倾斜方向对准/对齐。此外，燃烧室装置包括多个延伸穿过前端的燃料喷嘴。燃烧室装置还包括大体包围后端以在套管和后端之间形成一个腔的环形套管，其中所述套管包括至少一个径向延伸穿过整个套管的开口。开口定向成可以使流经整个开口的流体首先冲击到后端的表面，然后再传输到燃烧室中。
所述至少一个开口大体相对于所述至少一个通道沿倾斜方向进行定向。所述燃烧室装置进一步包括一个沿所述燃烧室衬里的径向向外方向连接的导流套管。所述至少一个通道包括多个大体围绕所述后端沿周向延伸的通道，所述至少一个开口包括大体围绕所述套管沿周向间隔分布的多个开口。所述后端包括外表面和内表面。所述至少一个通道包括从所述后端外表面延伸至所述中心线的上游部分和从所述中心线延伸至所述后端内表面的下游部分。所述通道上游部分从所述中心线以相对于所述中心线约45度的角度延伸，所述通道下游部分从所述中心线以相对于所述中心线约45度的角度延伸。所述燃烧室装置进一步包括一个连接到所述燃烧室衬里的过渡件。
在另一个实施例中，本发明提供了一种涡轮发动机。所述涡轮发动机包括压缩机和以流连通的方式连接到压缩机的燃烧室。燃烧室包括至少一个燃烧室装置。所述燃烧室装置包括界定了燃烧室的燃烧室衬里。燃烧室衬里包括前端和后端，其中所述后端包括至少一个延伸穿过整个后端的通道。所述通道相对于延伸穿过后端的中心线沿倾斜方向对准/对齐。此外，燃烧室装置包括延伸穿过前端的多个燃料喷嘴。燃烧室装置还包括大体包围后端以在套管和后端之间构成腔的环形套管，其中套管包括至少一个径向延伸穿过整个套管的开口。所述开口定向成可以使流经整个开口的流体首先冲击到后端的表面，然后再传输到燃烧室中。
所述至少一个燃烧室装置进一步包括沿所述燃烧室衬里的径向向外方向连接的导流套管。所述至少一个通道包括多个大体围绕所述后端沿周向延伸的通道，所述至少一个开口包括大体围绕所述套管沿周向间隔分布的多个开口。所述后端包括外表面和内表面。所述至少一个通道包括从所述后端外表面延伸至所述中心线的上游部分和从所述中心线延伸至所述后端内表面的下游部分。所述通道上游部分从所述中心线以相对于所述中心线约45度的角度延伸，所述通道下游部分从所述中心线以相对于所述中心线约45度的角度延伸。
附图说明
图1所示为示例性涡轮发动机的截面示意图；
图2为可用于图1所示的涡轮发动机的示例性燃烧室装置的一部分的放大截面示意图；
图3为图2所示燃烧室装置的一部分沿区域3截得的放大的局部分解透视图；以及
图4为图3所示燃烧室装置的沿线4-4截得的一部分的放大截面示意图。
元件符号列表：
  参考标号   部件   参考标号   部件
  3   区域   4   线
  100   涡轮发动机   112   进气部分
  114   压缩机部分   116   燃烧室部分
  118   涡轮部分   120   排气部分
  122   转子组件   128   轴
  130   燃烧室装置   136   燃料喷嘴组件
  232   扩散器   234   压缩机排气室
  236   穹形板   238   燃料喷嘴
  240   燃烧室导流套管   242   外表面
  244   前部分   246   后部分
  248   燃烧室外壳   250   燃烧室
  252   外壳内表面   254   燃烧室衬里
  256   冷却通道   257   燃烧室衬里前端
  258   燃烧室衬里内表面   259   包围衬里后端
  260   燃烧室   264   外表面
  266   进气口   268   过渡件
  270   内表面   272   导向腔
  274   涡轮机喷嘴   276   燃烧流路
  278   上游端   282   冲击套管
  284   下游端   286   冷却通道
  288   冲击套管开口   288   开口
  290   上游端   292   加压后的压缩空气
  294   第一流   296   第二流
  298   燃烧气体   304   通道
  306   后端套管   307   排
  308   开口   310   排
  380   后端外表面   382   后端内表面
  402   腔   403   第一方向
  405   第二方向   410   中心线
  412   后端上游部分   414   后端下游部分
  416   倾斜的流路   420   通道上游部分
  422   通道下游部分
具体实施方式
本说明书中所述的示例性方法和系统通过提供一种可有效冷却燃烧室衬里，确切地说，冷却燃烧室衬里后端的燃烧室装置来克服已知的燃烧室装置的至少一些缺点。具体而言，本说明书中所述的各实施例提供一种包括至少一个延伸穿过衬里后端的通道的燃烧室衬里，其中所述通道相对于延伸穿过后端的中心线沿倾斜方向或倾斜地对齐。此外，包括至少一个开口的环形套管大体包围燃烧室衬里后端，以在套管和后端之间形成一个腔。套管开口可以先输送空气等流体，并使流体流过开口而冲击到后端，然后再将流体输送到燃烧室中。当流体冲击到后端时，会在后端表面发生偏转(deflects off)、并分散到整个腔中，从而使燃烧室衬里后端的温度明显降低。
图1为涡轮发动机100的截面示意图。在示例性实施例中，涡轮发动机100为燃气涡轮发动机。虽然示例性实施例所示为燃气涡轮发动机，但本发明不限于任何一种特定的发动机，且所属领域一般技术人员应了解，本发明可与其他涡轮发动机结合使用。
在示例性实施例中，涡轮发动机100包括进气部分112、位于进气部分112下游的压缩机部分114、位于压缩机部分114下游的燃烧室部分116、位于燃烧室部分116下游的涡轮部分118和位于涡轮部分118下游的排气部分120。涡轮部分118经由包括轴128的转子组件122连接到压缩机部分114。燃烧室部分116包括至少一个以流连通的方式连接到压缩机部分114的燃烧室装置130。燃料喷嘴组件136连接到燃烧室装置130。涡轮部分118以可转动的方式连接到压缩机部分114和负载(未图示)，例如但不限于发电机和/或机械驱动应用。
在运行过程中，空气流过压缩机部分114，然后压缩空气排入燃烧室部分116。燃烧室装置130将天然气和/或燃料油等燃料注入气流中，点燃燃料空气混合物，燃料空气混合物因燃烧而膨胀，从而产生高温燃烧气体。燃烧气体由燃烧室装置130中排入涡轮部分118中，并在涡轮部分118中将气体的热能转化为机械转动能。燃烧气体向涡轮部分118和转子组件122传递转动能，并因此随后向压缩机部分114提供转动电力。
图2为燃烧室装置130的一部分的放大截面示意图。在示例性实施例中，燃烧室装置130以流连通的方式连接到涡轮部分118和压缩机部分114。此外，在示例性实施例中，压缩机部分114包括以流连通的方式连接到排气室234的扩散器232。排气室234将压缩机部分114下游的空气传输到燃烧室装置130。
在示例性实施例中，燃烧室装置130包括大体为圆形的穹形板236，所述穹形板236至少部分支撑多个燃料喷嘴238。穹形板236连接到大体为圆柱形的燃烧室导流套管240，所述导流套管240具有在前部分244和后部分246之间延伸的外表面242。燃烧室外壳248连接到外表面242，导流套管240至少部分置于外壳内表面252所界定的室250内。具体而言，在示例性实施例中，燃烧室外壳248连接到前部分244和后部分246之间的导流套管240。此外，前部分244连接到穹形板236，以使室250与排气室234流连通，从而将气流从压缩机部分114传输到导流套管240。位于导流套管240内的大体为圆柱形的燃烧室衬里254连接到导流套管240，且受其支撑。具体而言，在示例性实施例中，沿燃烧室衬里254的径向向外的方向连接导流套管240，以在导流套管240和燃烧室衬里254之间形成环形冷却通道256。导流套管240和燃烧室外壳248大体将燃烧室衬里254及其相关的燃烧过程与周围的涡轮机部件隔开。
在示例性实施例中，燃烧室衬里254包括界定环形燃烧室260的大体为圆柱形的内表面258。燃烧室衬里254具有前端257和后端259。在示例性实施例中，衬里前端257连接到燃料喷嘴238，以使燃料喷嘴238延伸穿过前端257，从而将燃料传输到燃烧室260中。环形冷却通道256将通过燃烧室衬里254的外表面264的冷却流体导送到燃料喷嘴238中。在示例性实施例中，导流套管240包括构成通向冷却通道256的流路的进气口266。
过渡件268连接到用于将燃烧气体从燃烧室衬里254导送到涡轮部分118的燃烧室衬里254。在示例性实施例中，过渡件268包括界定导向腔272的内表面270，所述导向腔272将燃烧气体从燃烧室260导送到下游的涡轮机喷嘴274。燃烧流路276设于燃烧室衬里的内表面258内。燃烧室260内生成的燃烧气体经由流路276向过渡件268传输。过渡件268的上游端278连接到衬里后端259。在一个实施例中，燃烧室衬里254至少部分嵌入上游端278中，这种定位方式可使燃烧室260与导向腔272流连通，从而将燃烧室260和导向腔272与排气室234大体隔开。
冲击套管282沿过渡件268的径向向外方向与其间隔设置。具体而言，冲击套管282的下游端284连接到过渡件268，以使冲击套管282位于过渡件268的径向向外方向，从而在冲击套管282和过渡件268之间构成过渡件冷却通道286。多个开口288延伸穿过冲击套管282，以将从压缩机排气室234排出的部分气体被导送到冷却通道286中。在示例性实施例中，冲击套管282上游端290大体相对于导流套管240同轴对齐，以将冷却流体从冷却通道286传输到冷却通道256中。
在运行过程中，压缩机部分114经由轴128(如图1所示)受涡轮部分118驱动。随着压缩机部分114转动，压缩空气292被排入扩散器232中。在示例性实施例中，从压缩机部分114排入扩散器232中的大部分压缩空气292通过压缩机排气室234向燃烧室装置130传输。从压缩机部分114排出的小部分压缩空气292向下游传输，用于冷却涡轮发动机100的部件。具体而言，排气室234内的加压压缩空气292的第一流294通过冲击套管开口288导送到冷却通道286中。然后在空气294被排入冷却通道256之前，将其传输通过冷却通道286。此外，传输加压压缩空气292的第二流296围绕冲击套管282流动，然后通过进气口266将排入至冷却通道256中。然后，进入进气口266的空气296和从过渡件冷却通道286中流出的空气294在冷却通道256内混合，然后从冷却通道256排入至燃料喷嘴238中。空气292与从燃料喷嘴238中注入的燃料混合，并在燃烧室260内点燃从而形成燃烧气体298。燃烧气体298从燃烧室260经过过渡件导向腔272向涡轮机喷嘴274传输。
图3为沿区域3(如图2所示)截得的燃烧室装置130的一部分的放大的局部分解透视图。燃烧室衬里254包括前端257和后端259。衬里后端259包括至少一个延伸穿过后端259的通道304。在示例性实施例中，后端259包括多个通道304，其定向成可以使两排307的通道304大体围绕后端259沿周向延伸。或者，后端259可包括任意个通道304和任意排307的通道304，从而使燃烧室装置130如本说明书所述那样运行。此外，通道304可以任何方式围绕后端259间隔分布和/或定向，从而使燃烧室装置130如本说明书所述那样运行。
此外，在示例性实施例中，燃烧室装置130包括环形后端套管306，所述环形后端套管306以大体包围衬里后端259的方式连接到后端259。具体而言，后端套管306大体包围衬里后端259，以在后端套管306和后端259之间构成一个腔(图3中未显示)。
在示例性实施例中，后端套管306包括至少一个大体径向延伸穿过后端套管306的开口308。在示例性实施例中，后端套管306包括多个开口308，其定向成可以使三排310的开口308大体围绕后端套管306沿周向间隔分布。或者，后端套管306可包括任意个开口308和任意排310的开口308，从而使燃烧室装置130如本说明书所述那样运行。此外，开口308可以任何方式围绕后端套管306间隔分布和/或定向，从而使燃烧室装置130如本说明书所述那样运行。
图4为沿线4-4(如图3所示)截得的燃烧室装置130的一部分的放大截面示意图。后端259包括外表面380和内表面382。后端套管306大体包围衬里后端259，以在后端套管306和后端外表面380之间构成腔402。
在示例性实施例中，每个通道304从外表面380延伸至后端内表面382。此外，在示例性实施例中，每个开口308大体相对于每个通道304沿倾斜方向/或倾斜地进行定向。具体而言，每个开口308相对于每个通道304进行定向，以使传输通过开口308的流体首先冲击到后端外表面380，然后再传输到燃烧室260中。在流体进入燃烧室260之前，这种冲击会促使流体偏转且沿第一方向403和不同的第二方向405大体分散在腔402内。
此外，在示例性实施例中，中心线410轴向延伸穿过后端259。中心线410将后端259分为二等分，从而界定后端259的上游部分412和后端259的下游部分414。具体而言，在示例性实施例中，后端上游部分412从后端外表面380延伸至中心线410，后端下游部分414从中心线410延伸至后端内表面382。此外，在示例性实施例中，后端上游部分412大体相对于中心线410与后端下游部分414对称。此外，每个通道304从后端上游部分412延伸至后端下游部分414。此外，每个通道304具有上游部分420和下游部分422，二者定向成可以使通道上游部分420从后端外表面380延伸至中心线410，通道下游部分422从中心线410延伸至后端内表面382。
在示例性实施例中，每个通道304相对于中心线410沿倾斜方向/或倾斜地对齐，以在通道中形成倾斜的流路416。具体而言，通道上游部分420的方向相对于中心线410的角为α1，通道下游部分422的方向相对于中心线410的角为α2。或者，每个通道304可具有一个圆周角。例如，通道上游部分420和通道下游部分422可界定周向的角度。此外，在示例性实施例中，角α1和角α2是全等角。具体而言，在示例性实施例中，角α1和角α2均约等于45度。或者，角α1和角α2可等于使燃烧室装置130如本说明书中所述那样运行的任意角度。
在运行过程中，压缩机部分114(如图1和图2所示)经由轴128(如图1所示)受涡轮部分118(如图1和图2所示)驱动。随着压缩机部分114转动，压缩空气292(如图2所示)被排入扩散器232(如图2所示)中。在示例性实施例中，从压缩机部分114排入扩散器232的大部分压缩空气292通过压缩机排气室234(如图2所示)向燃烧室装置130传输。随着空气292向燃烧室装置130传输，部分空气292经由排气室234向衬里后端259传输。
在示例性实施例中，当空气292向衬里后端259传输时，部分空气292通过套管开口308径向流入腔402中。然后空气292会冲击到衬里后端259的外表面380，因而发生偏转、且分别沿第一方向403和第二方向405大体轴向分散在腔402内。然后空气292通过每个通道304被导送到燃烧室260中，空气292在燃烧室260中使燃烧室衬里254内的温度明显降低。具体而言，空气292使衬里后端259内的运行温度明显降低。此外，通常连接到后端259的环形密封件(未显示)不必再位于后端259上，而可连接到燃烧室衬里254的另一部分上。没有这个密封件，可使更多的空气292在后端259内流动。
上述燃烧室装置可与涡轮发动机结合使用，以大体冷却燃烧室衬里，确切地说是大体冷却燃烧室装置内所包含的燃烧室衬里的后端。具体而言，本说明书中所述的各实施例提供一种包括延伸穿过衬里后端的至少一个通道的燃烧室衬里。与已知的燃烧室装置形成对比的是，本说明书中所述的通道相对于延伸穿过后端的中心线沿倾斜方向对准/对齐。此外，包括至少一个开口的环形套管大体包围燃烧室衬里后端，以在套管和后端之间形成一个腔。与已知的燃烧室装置形成对比的是，本说明书中所述的套管开口可使空气等流体通过开口首先冲击到后端，然后再传输到燃烧室中。当流体冲击后端时，会使流体在后端表面发生偏转、并分散在整个腔中，从而使燃烧室衬里后端内的温度降低。因此，与已知的燃烧室装置相比，所述燃烧室装置可有效地冷却燃烧室衬里后端。此外，通过有效地冷却燃烧室衬里后端，可大体减少和/或防止燃烧室衬里发生热裂化、热差应力和/或造成损害。
本说明书详细描述了燃烧室装置的各示例性实施例及其组装方法。燃烧室装置及其组装方法并不限于本说明书中所述的各特定实施例，然而燃烧室装置的部件和/或组装燃烧室的步骤可独立于本说明书中所述的其他部件和/或步骤单独使用。例如，所述燃烧室装置还可以与其他机器和方法结合使用，并不限于仅通过本说明书中所述的涡轮发动机进行实践。实际上，示例性实施例可与许多其他系统结合实施和使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可能在某些附图中进行了显示，但并未在其他附图中显示，这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原则，附图中的任何特征可结合其他任何附图中的任何特征来进行参照和/或提出权利主张。
本说明书使用了各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无大体差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机(100)的燃烧室装置(130)，所述燃烧室装置包括：
一个界定了燃烧室(260)的燃烧室衬里(254)，所述燃烧室衬里包括前端(257)和后端(259)，其中所述后端包括至少一个延伸穿过整个后端的通道(304)，所述至少一个通道相对于延伸穿过所述后端的中心线(410)沿倾斜方向对准；
多个延伸穿过所述前端的燃料喷嘴(238)；以及
一个大体上包围所述后端以在所述套管和所述后端之间形成一个腔(402)的环形套管(306)，其中所述套管包括至少一个径向延伸穿过整个套管的开口(308)，所述至少一个开口定向成可以使流经整个开口的流体首先冲击到所述后端的表面，然后再传输到所述燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的燃烧室装置(130)，其特征在于，所述至少一个开口(308)大体倾斜于所述至少一个通道(304)沿倾斜方向进行定向。
3.根据权利要求1所述的燃烧室装置(130)，其特征在于，进一步包括一个沿所述燃烧室衬里(254)的径向向外方向连接的导流套管(240)。
4.根据权利要求1所述的燃烧室装置(130)，其特征在于，所述至少一个通道(304)包括多个大体上围绕所述后端(259)沿周向延伸的通道，所述至少一个开口(308)包括多个大体上围绕所述套管(306)沿周向间隔分布的开口。
5.根据权利要求1所述的燃烧室装置(130)，其特征在于，所述后端(259)包括外表面(380)和内表面(382)。
6.根据权利要求5所述的燃烧室装置(130)，其特征在于，所述至少一个通道(304)包括一个从所述后端外表面(380)延伸至所述中心线(410)的上游部分(420)，和一个从所述中心线延伸至所述后端内表面(382)的下游部分(422)。
7.根据权利要求6所述的燃烧室装置(130)，其特征在于，所述通道上游部分(420)从所述中心线(410)以相对于所述中心线约45度的角度延伸，所述通道下游部分(422)从所述中心线以相对于所述中心线约45度的角度延伸。
8.根据权利要求1所述的燃烧室装置(130)，其特征在于，进一步包括一个连接到所述燃烧室衬里的过渡件。
9.一种涡轮发动机(100)，其包括：
一个压缩机；以及
一个以流连通的方式连接到所述压缩机的燃烧室，所述燃烧室包括至少一个燃烧室装置(130)，所述燃烧室装置包括：
一个界定了燃烧室(250)的燃烧室衬里(254)，所述燃烧室衬里包括前端(257)和后端(259)，其中所述后端包括至少一个延伸穿过整个后端的通道(304)，所述至少一个通道相对于延伸穿过所述后端的中心线(410)沿倾斜方向对准；
多个延伸穿过所述前端的燃料喷嘴(238)；以及
一个大体包围所述后端以在所述套管和所述后端之间形成一个腔(402)的环形套管(306)，其中所述套管包括至少一个径向延伸穿过整个套管的开口(308)，所述至少一个开口定向成可以使流经整个开口的流体首先冲击到所述后端的表面，然后再传输到所述燃烧室中。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机(100)，其特征在于，所述至少一个燃烧室装置(130)进一步包括一个沿所述燃烧室衬里(254)的径向向外方向连接的导流套管(240)。
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