CN102840599A - 用于在涡轮发动机中使用的燃烧器组件及其组装方法 - Google Patents

用于在涡轮发动机中使用的燃烧器组件及其组装方法 Download PDF

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CN102840599A CN2012102071303A CN201210207130A CN102840599A CN 102840599 A CN102840599 A CN 102840599A CN 2012102071303 A CN2012102071303 A CN 2012102071303A CN 201210207130 A CN201210207130 A CN 201210207130A CN 102840599 A CN102840599 A CN 102840599A
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K.W.麦马罕
R.J.基拉
D.R.约翰斯
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Abstract

本发明涉及用于在涡轮发动机中使用的燃烧器组件及其组装方法。一种用于涡轮发动机的燃烧器组件，涡轮发动机包括转子组件。燃烧器组件包括壳体和燃烧器衬套，壳体包括气室，燃烧器衬套与气室隔开一定距离，并且在其中限定燃烧室。过渡喷嘴在燃烧器衬套和转子组件之间延伸，以将燃烧气体从燃烧室引导到转子组件。过渡喷嘴包括过渡部分和与过渡部分一体地形成的喷嘴部分。环形流动套管联接在过渡喷嘴的径向外部，使得在流动套管和过渡喷嘴之间限定环形流径。流动套管包括延伸通过流动套管的外表面的多个开口，以在气室和环形流径之间提供流连通，以促进流动套管的冲击冷却。

Description

用于在涡轮发动机中使用的燃烧器组件及其组装方法
技术领域
本文描述的主题大体涉及涡轮发动机，并且更具体而言，涉及用于涡轮发动机的燃烧器组件。
背景技术
至少一些已知的燃气轮机发动机点燃燃烧器组件中的燃料-空气混合物而产生燃烧气体流，燃烧气体流通过热气路径而引导到涡轮。压缩空气从压缩机输送到燃烧器组件。已知的燃烧器组件包括燃烧器衬套，燃烧器衬套限定燃烧区，并且包括多个燃料喷嘴和过渡件，燃料喷嘴促进将燃料和空气输送到燃烧区，过渡件将燃烧气体流从燃烧区引导到涡轮。涡轮将燃烧气体流的热能转化成用来旋转涡轮轴的机械能。涡轮的输出可用来对例如发电机或泵的机器提供动力。
至少一些已知的燃气轮机发动机使用冷却空气来冷却燃烧器组件。通常从压缩机供应冷却空气。更具体而言，在至少一些已知的涡轮发动机中，冷却空气从压缩机排到气室中，气室至少部分地在燃烧器组件的燃烧器衬套和过渡件的周围延伸。已知的燃烧器组件还包括套管，套管包围燃烧器衬套，使得在套管和燃烧器衬套之间限定冷却通道。进入气室的空气被引导到过渡件的外表面上，并且被引导到限定在燃烧器衬套和冷却套管之间的冷却通道中。进入冷却通道的冷却空气向上游朝燃料喷嘴排出，以用于产生燃烧气体。
流过气室的冷却空气会冷却过渡件的外部。气室以不均匀的空气流型式来将冷却空气引导到过渡件的外表面上。但是，不均匀的流分布可在过渡件外表面上引起温度差异，并且可在过渡件和冷却空气之间导致不均匀的热传递。随着时间的过去，这种不均匀的热传递可对过渡件引起热裂化和/或损害，热裂化和损害两者均可减少过渡件的使用寿命，以及/或者提高涡轮发动机的维护和运营成本。
发明内容
在一方面，提供一种用于涡轮发动机的燃烧器组件，涡轮发动机包括转子组件。该燃烧器组件包括壳体和燃烧器衬套，壳体包括气室，燃烧器衬套与气室隔开一定距离，并且在其中限定燃烧室。过渡喷嘴在燃烧器衬套和转子组件之间延伸，以将燃烧气体从燃烧室引导到转子组件。过渡喷嘴包括过渡部分和与过渡部分一体地形成的喷嘴部分。环形流动套管联接在过渡喷嘴的径向外部，使得在流动套管和过渡喷嘴之间限定环形流径。流动套管包括延伸通过流动套管的外表面的多个开口，以在气室和环形流径之间提供流连通，以促进流动套管的冲击冷却。
在另一方面，提供一种涡轮发动机。该涡轮发动机包括转子组件和燃烧器，燃烧器与转子组件处于流连通，以将燃烧气体流引导到转子组件。燃烧器包括多个燃烧器组件。燃烧器组件中的至少一个包括壳体和燃烧器衬套，壳体包括气室，燃烧器衬套与气室隔开一定距离，并且在其中限定燃烧室。过渡喷嘴在燃烧器衬套和转子组件之间延伸，以将燃烧气体从燃烧室引导到转子组件。过渡喷嘴包括过渡部分和与过渡部分一体地形成的喷嘴部分。环形流动套管联接在过渡喷嘴的径向外部，使得在流动套管和过渡喷嘴之间限定环形流径。流动套管包括延伸通过流动套管的外表面的多个开口，以在气室和环形流径之间提供流连通，以促进流动套管的冲击冷却。
在又一方面，提供一种制造用于涡轮发动机中的燃烧器组件的方法。该方法包括将燃烧器衬套组件联接到壳体上，使得燃烧衬套定位在壳体内，以及使得燃烧室限定在燃烧衬套内。过渡喷嘴一体地形成为包括过渡部分和喷嘴部分。过渡喷嘴联接到燃烧器衬套上，以将燃烧气体从燃烧室引导到转子组件。形成环形流动套管，其包括相对于转子组件倾斜地定向的内表面。通过流动套管内表面而限定多个开口，以促进流动套管的冲击冷却。环形流动套管联接在过渡喷嘴的径向外部，使得在流动套管和过渡喷嘴之间限定环形流径。
附图说明
图1是示例性涡轮发动机的示意图。
图2可用于图1中显示的涡轮发动机的示例性燃烧器区段的示意图。
图3是用于图2中显示的燃烧器区段的示例性燃烧器组件的一部分的放大横截面图。
图4是图3中显示的燃烧器组件的一部分的沿着线4-4得到的示意图。
部件列表
10     涡轮发动机
12     进气区段
14     压缩机区段
16     燃烧器区段
18     涡轮区段
20     排气区段
22     转子组件
24     传动轴
26     中心线轴线
28     燃烧器组件
30     燃料喷嘴组件
32     负载
34     燃烧器衬套
36     过渡喷嘴
38     涡轮轮叶
40     转子盘
42     旋转方向
44     盘本体
46     内表面
48     外表面
50     上游表面
52     下游表面
54     中心膛孔
56     翼型件
58     燃烧气体
60     壳体
62     室
64     扩散器
66     气室
68     内表面
70     燃烧室
72     燃烧气体流径
74     燃烧器套管
76     腔体
78     通路
80     入口开口
82     外表面
84     内表面
86     导引腔体
88     过渡部分
90     喷嘴部分
92     过渡喷嘴框架
94     长度
96     内表面
98     内表面
100   轴向流向量
102   切向流向量
104   流动套管
106   流径
108   喷嘴外表面
110   前部部分
112   后部部分
114   内表面
116   腔体
118   前部开口
120   后部开口
122   流动套管长度
123   间隙
124   开口
126   排
128   前部部分内表面
130   内表面
132   周向距离
134   径向距离
136   第一径向距离
138   第二径向距离
140   空气。
具体实施方式
通过提供这样的流动套管，本文描述的示例性方法和系统克服了已知的燃烧器组件的至少一些缺点，即，该流动套管在过渡喷嘴的周围排出流分布基本均匀的冷却流体，以在冷却流体和过渡喷嘴外表面之间促进增强的热传递。另外，本文描述的过渡喷嘴相对于转子组件沿切向引导燃烧气体，以促进提高燃烧气体对转子组件施加的旋转力的量。此外，流动套管包括相对于转子组件倾斜地定向的内表面，以使得具有均匀的分布的冷却流体流能够分布在过渡喷嘴外表面的周围。另外，本文描述的流动套管包括将冷却流体引导向过渡喷嘴外表面的多个沿周向隔开的开口，以促进过渡喷嘴的冲击冷却。冷却流体的均匀分布会促进基本均匀地降低过渡喷嘴外表面的温度，这会促进增加燃烧器衬套的工作寿命。
如本文所用，用语“上游”指的是涡轮发动机的前部端，而用语“下游”指的是涡轮发动机的后部端。
图1是示例性涡轮发动机10的示意图。涡轮发动机10包括进气区段12、在进气区段12的下游的压缩机区段14、在压缩机区段14的下游的燃烧器区段16、在燃烧器区段16的下游的涡轮区段18，以及在涡轮区段18的下游的排气区段20。涡轮区段18通过转子组件22联接到压缩机区段14上，转子组件22包括沿着中心线轴线26延伸的轴24。燃烧器区段16包括各自联接成与压缩机区段14处于流连通的多个燃烧器组件28。燃料喷嘴组件30联接到各个燃烧器组件28上。涡轮区段18可旋转地联接到压缩机区段14和负载32上，诸如(但不限于)发电机和/或机械驱动应用。
在运行期间，空气流过压缩机区段14，并且压缩空气排到燃烧器区段16中。燃烧器组件28将例如天然气和/或燃料油的燃料喷射到空气流中，点燃燃料-空气混合物而使燃料-空气混合物通过燃烧而膨胀，以及产生高温燃烧气体。燃烧气体从燃烧器组件28排向涡轮区段18，其中，气体中的热能转化成机械旋转能。燃烧气体对涡轮区段18和转子组件22施加旋转能，转子组件22随后对压缩机区段14提供旋转动力。
图2是燃烧器区段16的示意图。图3是燃烧器区段16的一部分的放大横截面图。图4是燃烧器组件28的一部分的沿着图3中显示的线4-4的示意图。在该示例性实施例中，燃烧器区段16包括在转子组件22的周围沿周向隔开的多个燃烧器组件28。各个燃烧器组件28包括燃烧器衬套34和过渡喷嘴36。燃烧器衬套34联接到燃料喷嘴组件30上，并且过渡喷嘴36联接在燃烧器衬套34和转子组件22之间，以将燃烧气体从燃烧器衬套34引导到转子组件22。
转子组件22包括各自从多个转子盘40沿径向向外延伸的多个涡轮轮叶38。各个转子盘40联接到传动轴24上，并且绕着传动轴中心线轴线26旋转。转子组件22绕着中心线轴线26沿旋转方向42旋转。各个转子盘40包括基本垂直于中心线轴线26而定向的环形盘本体44。盘本体44在径向内表面46和径向外表面48之间沿径向延伸，并且从上游表面50沿轴向延伸到相反的下游表面52。径向内表面46限定基本沿轴向延伸通过盘本体44的中心膛孔54。上游表面50和下游表面52各自在内表面46和外表面48之间延伸。各个涡轮轮叶38联接到盘外表面48上，并且在转子盘40的周围沿周向隔开。各个涡轮轮叶38包括从盘本体44沿径向向外延伸的翼型件56。
在该示例性实施例中，燃烧器组件28将箭头58所表示的燃烧气体引导向转子组件22，使得从燃烧器组件28中排出的燃烧气体58相对于转子组件22倾斜地定向。此外，燃烧器组件28大体沿着旋转方向42引导燃烧气体58。通过增加燃烧气体58接触到的涡轮轮叶38的表面积的量，相对于转子组件22倾斜地排出燃烧气体58会促进提高燃烧气体58对转子组件22施加的旋转能的量。
燃烧器区段16也包括在其中限定室62的壳体60。此外，压缩机区段14包括扩散器64，扩散器64联接成与室62处于流连通，以将压缩空气向下游从压缩机区段14引导到室62。气室66限定在室62内。各个燃烧器组件28定位在室62内，并且联接成与涡轮区段18和压缩机区段14处于流连通。
在该示例性实施例中，燃烧器衬套34包括在其中限定环形燃烧室70的基本圆柱形的内表面68。燃烧器衬套34联接到燃料喷嘴组件30上，使得燃料喷嘴组件30将燃料引导到燃烧室70中。燃烧室70限定从燃料喷嘴组件30延伸到涡轮区段18的燃烧气体流径72。
燃烧器套管74联接到壳体60上，并且包括大小和形状设置成在其中接收燃烧器衬套34和燃料喷嘴组件30的腔体76。燃烧器套管74联接在燃烧器衬套34的径向外部，使得在燃烧器套管74和燃烧器衬套34之间限定环形通路78。燃烧器套管74包括入口开口80，入口开口80限定进入通路78中的流径。通路78大小和形状设置成将空气从气室66引导向燃料喷嘴组件30，以用于产生燃烧气体58，以及将空气流引导到燃烧器衬套34的外表面82上，以通过外表面82和空气流之间的热传递来促进冷却燃烧器衬套34。
过渡喷嘴36联接到燃烧器衬套34上，将燃烧气体58从燃烧器衬套34引导到涡轮区段18。过渡喷嘴36包括内表面84，内表面84限定导引腔体86，导引腔体86将燃烧气体58向下游从燃烧室70引导向转子组件22。内表面84在过渡部分88和喷嘴部分90之间延伸，使得导引腔体86限定在过渡部分88和喷嘴部分90之间。过渡部分88与喷嘴部分90一体地形成，使得过渡喷嘴36形成为单个构件或整体式构件。过渡部分88联接到燃烧器衬套34上，使得燃烧室70与导引腔体86处于流连通，以及使得燃烧室70和导引腔体86基本与气室66隔离开。喷嘴部分90从过渡部分88延伸，并且定位在涡轮区段18的附近，以使得导引腔体86能够将燃烧气体58从燃烧器衬套34引导到转子组件22。喷嘴部分90包括联接到壳体60上且定位在涡轮区段18的附近的过渡喷嘴框架92。过渡喷嘴36联接在燃烧器衬套34和转子组件22之间，并且具有从燃烧器衬套34延伸到转子组件22的长度94。
在该示例性实施例中，喷嘴部分90包括相对于盘上游表面50倾斜地定向的内表面96。过渡部分88包括相对于内表面96倾斜地定向的内表面98。此外，过渡喷嘴36构造成排出燃烧气体58，其特征在于由沿着中心线轴线26的箭头100所表示的轴向流向量，以及由箭头102所表示的、相对于盘径向外表面48沿切向定向的切向流向量。
在该示例性实施例中，燃烧器组件28包括流动套管104，流动套管104联接到过渡喷嘴36上，并且沿径向向外与过渡喷嘴36隔开，使得在过渡喷嘴36和流动套管104之间限定环形流径106。流径106大小和形状设置成将空气从气室66引导到过渡喷嘴36的外表面108上，以通过外表面108和空气流之间的热传递来促进冷却过渡喷嘴36。流动套管104包括前部部分110和从前部部分110向外延伸的后部部分112。流动套管104也包括内表面114，内表面114限定在前部部分110所限定的前部开口118和后部部分112所限定的后部开口120之间延伸的腔体116。
过渡喷嘴36定位在腔体116内，使得流动套管内表面114基本包围过渡喷嘴外表面108。后部部分112联接到过渡喷嘴框架92上，以从过渡喷嘴36支承流动套管104。流动套管104从过渡喷嘴框架92向外延伸，并且包括限定在后部部分112和前部部分110之间的长度122。在该示例性实施例中，流动套管长度122小于过渡喷嘴长度94。备选地，流动套管长度122可大于或等于长度94。在该示例性实施例中，流动套管104定向成使得在流动套管104和燃烧器套管74之间限定间隙123。后部开口120构造成在气室66和流径106之间提供流连通。在一个实施例中，流动套管104可联接到燃烧器套管74上，使得流动套管104在燃烧器套管74和过渡喷嘴框架92之间延伸。
在该示例性实施例中，流动套管104包括延伸通过内表面114且在气室66和流径106之间提供流连通的多个开口124。各个开口124大小和形状设置成将空气从气室66引导向流径106，以促进降低过渡喷嘴36的温度。在该示例性实施例中，各个开口124将空气射流从气室66排向外表面108，以促进过渡喷嘴36的冲击冷却。在一个实施例中，流动套管104包括多个沿轴向隔开的排126，多个沿轴向隔开的排126各自包括定向在流动套管的周围的多个沿周向隔开的开口124。
X、Y和Z轴各自基本垂直地延伸通过流动套管前部开口118，以限定三维笛卡儿坐标系，该坐标系定向成使得Z轴基本平行地对准中心线轴线26，以及使得X轴相对于盘外表面48基本沿切向对准。在该示例性实施例中，前部部分110相对于转子组件22倾斜地定向。此外，前部部分110包括内表面128，内表面128在X-Z平面中相对于盘上游表面50倾斜地定向，并且在Y-Z平面中相对于盘径向外表面48基本平行地定向。后部部分112相对于前部部分110而定向成使得后部部分112的内表面130在X-Z平面中相对于前部部分内表面128倾斜地定向，以及在Y-Z平面中相对于前部部分内表面128倾斜地定向。在该示例性实施例中，流动套管104定向成使得前部开口118沿着X轴相对于后部开口120偏开周向距离132，并且前部开口118沿着Y轴相对于后部开口120偏开径向距离134。前部开口118定位成与盘外表面48相距第一径向距离136，而后部开口120则定位成与盘外表面48相距大于第一径向距离136的第二径向距离138。
在该示例性实施例中，过渡喷嘴36定向成使得喷嘴部分90在X-Z平面中相对于盘上游表面50倾斜地定向，并且在Y-Z平面中相对于盘径向外表面48基本平行地定向。过渡部分88在X-Z平面中相对于喷嘴部分90倾斜地定向，并且过渡部分88在Y-Z平面中相对于喷嘴部分90倾斜地定向。
在运行期间，压缩机区段14将受加压的压缩空气140排到气室66中。气室66内的压缩空气140的至少一部分通过流动套管开口124而引导到冷却流径106中，以促进过渡喷嘴36的冲击冷却。进入流径106的空气140然后从流径106排到通路78且排向燃料喷嘴组件30。然后空气140与从燃料喷嘴组件30中排出的燃料混合，并且在燃烧室70内点燃而形成燃烧气体流58。燃烧气体58通过过渡喷嘴导引腔体86从燃烧室70引导向转子组件22。过渡喷嘴36相对于转子组件22倾斜地排出燃烧气体58，并且相对于旋转方向42而定向成使得燃烧气体58的特征在于具有轴向流向量100和切向流向量102。
选择流动套管内表面114相对于转子组件22的定向，以促进冷却流体在流动套管104和过渡喷嘴36之间有基本均匀的流分布。另外，选择开口124的定向、大小和形状，以促进过渡喷嘴外表面108的冲击冷却。均匀的冷却流分布会促进增强过渡喷嘴36和被引导通过流径106的冷却流体之间的热传递，并且促进减小过渡喷嘴外表面108的不均匀的冷却对过渡喷嘴36造成的损害。
通过提供这样的流动套管，上面描述的设备和方法克服了已知的燃烧器组件的至少一些缺点，即，该流动套管在过渡喷嘴的周围排出流分布基本均匀的冷却流体，以在冷却流体过渡喷嘴外表面之间促进增强的热传递。另外，促进增加在过渡喷嘴的周围的基本均匀的流分布。另外，通过提供多个沿周向隔开的开口，本文描述的实施例促进均匀地降低过渡喷嘴的外表面上的温度，该多个沿周向隔开的开口将空气射流引导向外表面，这促进增加过渡喷嘴的工作寿命。因而，促进降低维护燃气轮机发动机系统的成本。
在上面详细地描述了用于涡轮发动机中的燃烧器组件及其组装方法的示例性实施例。方法和设备不限本文描述的具体实施例，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立地并且与本文描述的其它构件和/或步骤分开来使用。例如，方法和设备也可与其它燃烧系统和方法结合起来使用，并且不限于仅用本文描述的涡轮发动机组件来实践。相反，示例性实施例能与许多其它燃烧系统应用结合起来实施和使用。
虽然可在一些图中显示本发明的多种实施例的具体特征，而未在其它图中显示，但这仅是为了方便。此外，在以上描述中对“一个实施例”的参照不意图解释为排除也结合了所叙述的特征的另外的实施例的存在。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其它图的任何特征来参照和/或声明。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得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实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机(10)的燃烧器组件(28)，所述涡轮发动机(10)包括转子组件(22)，所述燃烧器组件包括：
包括气室(66)的壳体(60)；
燃烧器衬套(34)，其与所述气室隔开一定距离，并且在其中限定燃烧室(70)；
过渡喷嘴(36)，其在所述燃烧器衬套和所述转子组件之间延伸，以将燃烧气体从所述燃烧室引导到所述转子组件，所述过渡喷嘴包括过渡部分(88)和与所述过渡部分一体地形成的喷嘴部分(90)；以及
环形流动套管(104)，其联接在所述过渡喷嘴的径向外部，使得在所述流动套管和所述过渡喷嘴之间限定环形流径(106)，所述流动套管包括延伸通过所述流动套管的外表面的多个开口(124)，以在所述气室和所述环形流径之间提供流连通，以促进所述流动套管的冲击冷却。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件(28)，其特征在于，所述流动套管(104)进一步包括前部部分(110)和从所述前部部分延伸的后部部分(112)，所述前部部分包括相对于所述转子组件(22)倾斜地定向的内表面(128)。
3.根据权利要求2所述的燃烧器组件(28)，其特征在于，所述前部部分内表面(128)相对于所述转子组件(22)的径向外表面(48)基本平行地定向。
4.根据权利要求3所述的燃烧器组件(28)，其特征在于，所述后部部分(112)包括相对于所述前部部分内表面(128)倾斜地定向的内表面(130)。
5.根据权利要求1所述的燃烧器组件(28)，其特征在于，所述流动套管(104)在前部开口(118)和后部开口(120)之间延伸，所述前部开口相对于所述后部开口偏开一定周向距离。
6.根据权利要求5所述的燃烧器组件(28)，其特征在于，所述前部开口(118)定位成与转子组件(22)相距第一径向距离，所述后部开口(120)定位成与所述转子组件(22)相距大于所述第一径向距离的第二径向距离。
7.根据权利要求1所述的燃烧组件(28)，其特征在于，所述多个开口(124)中的各个开口(124)构造成将空气射流从所述气室(66)排到所述过渡喷嘴(36)的外表面(108)，以促进所述过渡喷嘴的冲击冷却。
8.一种涡轮发动机(10)，包括：
转子组件(22)；以及
燃烧器(16)，其与所述转子组件处于流连通，以将燃烧气体流引导到所述转子组件，所述燃烧器包括多个燃烧器组件(28)，所述燃烧器组件中的至少一个包括：
        包括气室(66)的壳体(60)；
        燃烧器衬套(34)，其与所述气室隔开一定距离，并且在其中限定燃烧室(70)；
        过渡喷嘴(36)，其在所述燃烧器衬套和所述转子组件之间延伸，以将燃烧气体从所述燃烧室引导到所述转子组件，所述过渡喷嘴包括过渡部分(88)和与所述过渡部分一体地形成的喷嘴部分(90)；以及
        环形流动套管(104)，其联接在所述过渡喷嘴的径向外部，使得在所述流动套管和所述过渡喷嘴之间限定环形流径(106)，所述流动套管包括延伸通过所述流动套管的外表面的多个开口(124)，以在所述气室和所述环形流径之间提供流连通，以促进所述流动套管的冲击冷却。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述流动套管(104)进一步包括前部部分(110)和从所述前部部分延伸的后部部分(112)，所述前部部分包括相对于所述转子组件(22)倾斜地定向的内表面(128)。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述前部部分内表面(128)相对于所述转子组件(22)的径向外表面(48)基本平行地定向。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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