CN102654287A - 燃烧室混合接头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于相邻筒形燃烧室的燃烧室混合接头。所述混合接头可包括：第一筒形燃烧室，其具有第一燃烧流和第一燃烧室壁；第二筒形燃烧室，其具有第二燃烧流和第二燃烧室壁；以及流干扰表面，其围绕所述第一燃烧室壁和所述第二燃烧室壁设置，以促使所述第一燃烧流和所述第二燃烧流混合。

Description

燃烧室混合接头
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，更确切地说，涉及一种位于相邻环筒形燃烧室之间，以促使燃烧室下游的相应燃烧流在进入第一级涡轮机之前混合的接头。
背景技术
环形燃烧室通常用于燃气涡轮发动机。一般而言，环形燃烧室可具有多个单独的筒形燃烧室，这些筒形燃烧室在压缩机和涡轮机之间周向隔开。每个筒形燃烧室单独生成燃烧气体，燃烧气体朝下游方向流向第一级涡轮机。
这些单独的燃烧流是否混合很大程度上取决于发生混合时的自由流马赫数(free stream Mach number)，以及燃烧流之间的动量和能量差异。此外，由于接头钝化(bluntness of the joint)，低流速区域中的滞流区域(stagnant flow region)或尾流(wake)会存在于相邻筒形燃烧室之间的接头的下游。因此，不均匀的燃烧室流在离开筒形燃烧室时的马赫数仅约为0.1。在实际操作中筒形燃烧室的出口和第一级喷嘴的前缘之间的轴向距离相对较小，因此，在进入涡轮机之前，燃烧流实际上可能不会发生混合。
随后，燃烧室流的速度可在一级喷嘴中大大增加到约1.0马赫数。这种加速会增加流场中的不均匀性，并由此在其下游造成更多的混合损失。由于当前很不均匀的流场进入一级叶片，因而在来自筒形燃烧室接头中的尾流通过非恒流过程进行混合时，会产生大部分混合损失。
因此，需要一种改进的燃烧室设计，以最小化混合损失。减少此类混合损失可减少整个压力损失，而无需增加燃烧室和涡轮机之间的轴向距离。因此，此改进的燃烧设计会提高整体系统性能和效率。
发明内容
本发明提供一种用于相邻筒形燃烧室的混合接头。所述混合接头可包括第一筒形燃烧室，其具有第一燃烧流和第一燃烧室壁；第二筒形燃烧室，其具有第二燃烧流和第二燃烧室壁；以及流干扰表面，其围绕第一燃烧室壁和第二燃烧室壁设置，以促使第一燃烧流和第二燃烧流混合。
所述流干扰表面包括位于所述第一燃烧室壁上的第一组尖突，以及位于所述第二燃烧室壁上的第二组尖突；所述第一组尖突和所述第二组尖突具有不同的深度。所述第一组尖突和所述第二组尖突包括锯齿形尖突。所述流干扰表面也可包括位于所述第一燃烧室壁上的第一组圆突，以及位于所述第二燃烧室壁上的第二组圆突；所述第一组圆突和所述第二组圆突具有不同的深度。所述第一组圆突和所述第二组圆突包括正弦波形圆突。所述流干扰表面包括位于所述第一燃烧室壁和/或所述第二燃烧室壁上的多个喷口。所述混合接头进一步包括从所述多个喷口喷射出的流体；和位于所述第一燃烧室壁和所述第二燃烧室壁下游的低速区域，且所述第一燃烧流和所述第二燃烧流大体上在所述低速区域中混合。
本发明进一步提供一种限制燃气涡轮发动机中压力损失的方法。该方法可包括将具有流干扰表面的混合接头设置在多个筒形燃烧室上，在筒形燃烧室中生成多个燃烧流，在筒形燃烧室下游的低速区域中大体上混合燃烧流，以及将混合流输送至涡轮机。
本发明进一步提供一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机可包括多个筒形燃烧室、位于每对筒形燃烧室之间的混合接头以及位于筒形燃烧室下游的涡轮机。混合接头可包括位于其上的流干扰表面。
所述流干扰表面包括位于第一燃烧室壁上的第一组尖突，以及位于第二燃烧室壁上的第二组尖突；所述第一组尖突和所述第二组尖突具有不同的深度；所述第一组尖突和所述第二组尖突包括锯齿形尖突。所述流干扰表面也可包括位于第一燃烧室壁上的第一组圆突，以及位于第二燃烧室壁上的第二组圆突；所述第一组圆突和第二组圆突具有不同深度；所述第一组圆突和所述第二组圆突包括正弦波形圆突。所述流干扰表面包括位于第一燃烧室壁和/或第二燃烧室壁上的多个喷口。所述燃气涡轮发动机进一步包括位于所述多个筒形燃烧室下游的一个低速区域，且多个燃烧流在进入所述涡轮机之前大体上在所述低速区域中混合。
通过参照附图和随附的权利要求书来阅读以下详细说明，所属领域的一般技术人员轻易就可了解本发明的这些和其他特征以及改进。
附图说明
图1为可用于本发明的已知的燃气涡轮发动机的示意图。
图2为可用于图1所示的燃气涡轮发动机的筒形燃烧室的侧视截面图。
图3为多个相邻筒形燃烧室的示意图。
图4为多个相邻筒形燃烧室以及位于筒形燃烧室下游的第一两排涡轮机翼片和尾流的示意图。
图5为多个相邻筒形燃烧室以及第一两排涡轮机翼片的示意图，其显示本发明中所述的筒形燃烧室混合接头的使用。
图6为本发明中所述的筒形燃烧室混合接头的示意图。
图7为本发明中所述的筒形燃烧室混合接头的一项替代实施例的示意图。
图8为本发明中所述的筒形燃烧室混合接头的一项替代实施例的示意图。
元件符号列表：
  参考标号   部件   参考标号   部件
  10   燃气涡轮发动机   15   压缩机
  20   气流   25   燃烧室
  30   燃料流   35   燃气流
  40   涡轮机   45   轴
  50   负载   55   头端
  60   端盖   65   燃料喷嘴
  70   燃烧区   75   内衬
  80   过渡件   85   接头
  90   尾流   92   低速区域
  95   翼片   96   一级喷嘴
  98   一级叶片   100   燃气涡轮发动机
  110   筒形燃烧室   120   第一筒形燃烧室
  125   第一燃烧流   130   第二筒形燃烧室
  135   第二燃烧流   140   第三筒形燃烧室
  145   第三燃烧流   150   混合接头
  155   流干扰表面   160   涡轮机
  170   翼片   180   一级喷嘴
  190   一级叶片   200   锯齿形混合接头
  210   第一组尖突   220   第二组尖突
  230   第一燃烧室壁   240   第二燃烧室壁
  250   钝齿形混合接头   260   第一组圆突
  270   第二组圆突   280   射流混合接头
  290   喷口   300   流体
  310   尾流   320   低速区域
  330   混合流
具体实施方式
现在参照附图，在附图中，相同数字指代多副附图中的相同元件，图1所示为本发明所用燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15用于压缩进入气流20。压缩机将压缩气流20传送到燃烧室25。燃烧室25将压缩气流20与压缩燃料流30混合，并点燃所述混合物以产生燃气流35。尽管图中仅显示了一个燃烧室25，但燃气涡轮发动机10可包括任何数量的燃烧室25。如将在下文详细说明地那样，在此实例中，燃烧室25可采用多个筒形燃烧室的形式。燃气流35转而传送到下游涡轮机40。燃气流35驱动涡轮机40，从而产生机械功。在涡轮机40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15，并驱动发电机和类似装置等外部负载50。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的合成气，和/或其他类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为位于纽约斯克内克塔迪的通用电气公司(General Electric Company)以及同类公司所提供的任意燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可具有不同配置，并可使用其他类型的部件。本发明也可使用其他类型的燃气涡轮发动机。本发明还可同时使用多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮机，以及其他类型的发电设备。
图2所示为筒形燃烧室25的一个实例。一般而言，筒形燃烧室25可包括头端55。头端55一般包括供应所需气流20和燃料流30的多个歧管。筒形燃烧室25还包括端盖60。多个燃料喷嘴65可设置在端盖60中。燃烧区70可在燃料喷嘴65的下游延伸，并可包围在内衬75中。过渡件80可在燃烧区70的下游延伸。本发明中所述的筒形燃烧室25仅用作示例性目的。本发明可使用许多其他类型的燃烧室设计。本发明还可使用其他部件或其他配置。
如图3所示，多个筒形燃烧室25可设置成环形排列。同样地，如图4所示，相邻筒形燃烧室25可在接头85处接合。如上所述，燃气流35可在接头85的下游产生尾流(wake)90。在低速流区域92中，该尾流90可为滞流(stagnant flow)。尾流90会延伸至涡轮机40的翼片95中。具体而言，尾流90会延伸至一级喷嘴96的翼片95中，在翼片95中，燃烧气体35加速流动，从而会增大其中的不均匀性。随后，燃烧气体35排出一级喷嘴96并进入一级叶片97。燃烧气体35中的尾流90通常在其中进行混合，但是会导致较大的混合和压力损失。本发明可使用其他部件或其他配置。
如本发明所述，图5所示为燃气涡轮发动机100的一部分。燃气涡轮发动机100包括多个相邻筒形燃烧室110。在此实例中，三(3)个筒形燃烧室110分别图示为：具有第一燃烧流125的第一筒形燃烧室120、具有第二燃烧流135的第二筒形燃烧室130以及具有第三燃烧流145的第三筒形燃烧室140。本发明中可使用任何数量的相邻筒形燃烧室110。每对筒形燃烧室110均在混合接头150处接合。每个混合接头150上可具有流干扰表面155，这样就可促使燃烧流125、135、145进行混合。燃气涡轮发动机100进一步包括位于筒形燃烧室110下游的涡轮机160。涡轮机160包括多个翼片170。在此实例中，翼片170可配置成第一级喷嘴180和第一级叶片190。本发明中可使用任何数量的喷嘴和叶片。本发明可使用其他部件或其他配置。
如本发明中所述，图6至8所示为混合接头150的多个不同实施例，所述混合接头150位于相邻筒形燃烧室110之间。图6所示为锯齿形(chevron)混合接头200。锯齿形混合接头200可包括位于第一筒形燃烧室120中的第一组锯齿形尖突210，以及位于第二筒形燃烧室130中的第二组锯齿形尖突220，其中第一组锯齿形尖突210与第二组锯齿形尖突220配合，并作为流干扰表面155。第一和第二组锯齿形尖突210、220可形成在第一筒形燃烧室120的第一燃烧室壁230，以及相邻的第二筒形燃烧室130的第二燃烧室壁240中。如图所示，第一和第二组锯齿形尖突210、220的深度和角度因第一筒形燃烧室120和第二筒形燃烧室130的不同而不同。同样地，锯齿形尖突210、220的数量、大小、形状和配置也可以不同。本发明也可使用其他部件或其他配置。
如本发明中所述，图7所示为混合接头150的进一步实施例。在此实施例中，图示了一种钝齿形(lobed)混合接头250。钝齿形混合接头250可包括第一组圆突260，其位于第一筒形燃烧室120的第一燃烧室壁230中；以及第二组圆突270，其位于第二筒形燃烧室130的第二燃烧室壁240中，所述第一组圆突260和第二组圆突270可作为流干扰表面155。第一和第二组圆突260、270可具有较大的正弦波形，并可相互啮合。第一和第二组圆突260、270的深度和形状也可以不同。圆突260、270的数量、大小、形状和配置可以有变化。本发明还可使用其他部件或其他配置。
图8所示为混合接头150的进一步实施例。在此实例中，混合接头150可采用附图所示的射流混合接头280的形式。射流(fluidics)混合接头280可包括作为流干扰表面(flow disruption surface)155的多个喷口290。喷口290可在燃烧流125、135、145排出第一筒形燃烧室120和第二筒形燃烧室130时，将流体300喷射到燃烧流125、135、145中。喷口290的数量、大小、形状和配置可以不同。同样地，流体300的种类也可以不同。本发明可使用其他部件或其他配置。
再次参阅图5，使用本发明中所述的混合接头150会产生尾流310，该尾流310大大小于前述尾流90。具体而言，尾流310在混合接头150的下游并在进入第一级喷嘴180之前立即混合，从而使其在低速区域320中的损失较低。混合接头150的流干扰表面155促使来自相邻筒形燃烧室110的燃烧流125、135、145在低速区域320混合，从而形成混合流330，这样，与在第一级喷嘴180、第一级叶片190下游或其它位置进行混合相比，可显著减少混合损失。因此，此改进的混合从整体上减少燃气涡轮发动机100中的整个压力损失，而无需增加筒形燃烧室110和涡轮机160之间的轴向距离。
本发明中所述的混合接头150的实施例仅用作示例性目的。本发明还可使用有助于相邻筒形燃烧室110中的燃烧气流125、135、145在进入涡轮机160前混合的其他任何混合接头形状和其他类型的流干扰表面155。本发明也可同时使用不同类型的流干扰表面155。本发明还可使用其他部件或其他配置。
应了解，上述说明仅涉及本发明的某些实施例，所属领域的一般技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做多种变化和修改，本发明的精神和范围由随附的权利要求书及其等效物定义。

Claims (20)

1.一种用于相邻筒形燃烧室的混合接头，所述混合接头包括：
第一筒形燃烧室，所述第一筒形燃烧室具有第一燃烧流和第一燃烧室壁；
第二筒形燃烧室，所述第二筒形燃烧室具有第二燃烧流和第二燃烧室壁；以及
流干扰表面，所述流干扰表面围绕所述第一燃烧室壁和所述第二燃烧室壁设置，以促使所述第一燃烧流和所述第二燃烧流混合。
2.根据权利要求1所述的混合接头，其特征在于，所述流干扰表面包括位于所述第一燃烧室壁上的第一组尖突，以及位于所述第二燃烧室壁上的第二组尖突。
3.根据权利要求2所述的混合接头，其特征在于，所述第一组尖突和所述第二组尖突具有不同的深度。
4.根据权利要求2所述的混合接头，其特征在于，所述第一组尖突和所述第二组尖突包括锯齿形尖突。
5.根据权利要求1所述的混合接头，其特征在于，所述流干扰表面包括位于所述第一燃烧室壁上的第一组圆突，以及位于所述第二燃烧室壁上的第二组圆突。
6.根据权利要求5所述的混合接头，其特征在于，所述第一组圆突和所述第二组圆突具有不同的深度。
7.根据权利要求5所述的混合接头，其特征在于，所述第一组圆突和所述第二组圆突包括正弦波形圆突。
8.根据权利要求1所述的混合接头，其特征在于，所述流干扰表面包括位于所述第一燃烧室壁和/或所述第二燃烧室壁上的多个喷口。
9.根据权利要求8所述的混合接头，其特征在于，进一步包括从所述多个喷口喷射出的流体。
10.根据权利要求1所述的混合接头，其特征在于，进一步包括位于所述第一燃烧室壁和所述第二燃烧室壁下游的低速区域，且所述第一燃烧流和所述第二燃烧流大体上在所述低速区域中混合。
11.一种限制燃气涡轮发动机中压力损失的方法，所述方法包括：
将具有流干扰表面的混合接头设置在多个筒形燃烧室上；
在所述多个筒形燃烧室中生成多个燃烧流；
在所述多个筒形燃烧室下游的低速区域中大体上混合所述多个燃烧流；以及
将混合流输送至涡轮机。
12.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：
多个筒形燃烧室；
混合接头，所述混合接头位于所述多个筒形燃烧室中的每对筒形燃烧室之间；
所述混合接头包括流干扰表面；
以及涡轮机，所述涡轮机位于所述多个筒形燃烧室的下游。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述流干扰表面包括位于第一燃烧室壁上的第一组尖突，以及位于第二燃烧室壁上的第二组尖突。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一组尖突和所述第二组尖突具有不同的深度。
15.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一组尖突和所述第二组尖突包括锯齿形尖突。
16.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述流干扰表面包括位于第一燃烧室壁上的第一组圆突，以及位于第二燃烧室壁上的第二组圆突。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一组圆突和第二组圆突具有不同深度。
18.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一组圆突和所述第二组圆突包括正弦波形圆突。
19.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述流干扰表面包括位于第一燃烧室壁和/或第二燃烧室壁上的多个喷口。
20.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括位于所述多个筒形燃烧室下游的一个低速区域，且多个燃烧流在进入所述涡轮机之前大体上在所述低速区域中混合。
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