CN103306746A - 用于引导热气的设备和系统 - Google Patents

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CN103306746A CN201310074011XA CN201310074011A CN103306746A CN 103306746 A CN103306746 A CN 103306746A CN 201310074011X A CN201310074011X A CN 201310074011XA CN 201310074011 A CN201310074011 A CN 201310074011A CN 103306746 A CN103306746 A CN 103306746A
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陈伟
S.A.霍尔斯曼
K.C.贝尔索姆
R.J.基拉
R.M.迪钦蒂奥
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    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/46—Combustion chambers comprising an annular arrangement of several essentially tubular flame tubes within a common annular casing or within individual casings

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Abstract

本发明公开一种用于引导热气的设备和系统。在一项实施例中，后架具有呈翼型形状的出口表面。在一项实施例中，过渡连接件后出口具有翼型形状。

Description

用于引导热气的设备和系统
技术领域
本说明书中所揭示的本发明大体涉及燃烧系统，且更确切地说，涉及热气流。
背景技术
一种典型的燃气涡轮机包括多个燃烧器。燃烧器从燃料供给中接收可燃烧燃料而且从由轴驱动的压缩机中接收压缩空气。针对每个燃烧器，在燃烧室内，燃料在压缩空气中进行燃烧以产生热燃烧气体，所述燃烧室由燃烧室内衬限定，所述热燃烧气体穿过涡轮进行膨胀从而产生驱动轴的功。热燃烧气体通过过渡连接件或导管从燃烧室内衬输送到涡轮。流过过渡连接件的热燃烧气体使导管结构易受极高温度的影响。朝着过渡连接件后架往回循环的热气可能造成裂化等损害。
过渡连接件的产品使用寿命周期受到出现在后架中的裂化的限制。所述裂化可能产生极高的维修成本而且降低部件的总体循环寿命。
发明内容
本说明书揭示了用于引导离开过渡连接件的热气流的设备和系统。
在一项实施例中，一种设备，其包括：后架，其中所述后架的后架出口表面具有翼型形状。
进一步的，其中所述翼型形状为曲线形。
进一步的，其中所述翼型形状基于热气流与一级喷嘴轮叶的交互形成。
进一步的，所述后架出口表面的侧面轨道包括翼型形状。
进一步的，其中所述后架包括第一侧面轨道和第二侧面轨道，其中所述第一侧面轨道和所述第二侧面轨道不对称。
进一步的，其中所述后架出口表面具有背面冷却孔。
进一步的，其中所述后架具有经设计以降低热气再循环和热气吸入影响的部件。
进一步的，其中所述后架出口表面具有曲线形状和冷却孔角度，所述曲线形状和冷却孔角度在所述后架出口上造成薄膜冷却。
在另一项实施例中，过渡连接件后出口具有翼型形状。
进一步的，其中所述翼型形状为曲线形。
进一步的，其中所述翼型形状基于热气流与一级喷嘴轮叶的交互形成。
进一步的，其中所述后出口包括第一侧面轨道和第二侧面轨道，其中所述第一侧面轨道和所述第二侧面轨道不对称。
进一步的，其中所述后出口具有经设计以降低热气再循环和热气吸入影响的部件。
进一步的，其中所述后出口具有曲线形状和冷却孔角度，所述曲线形状和冷却孔角度在所述后出口上造成薄膜冷却。
在又一项实施例中，一种系统包括出口表面上具有翼型形状的第一后架和邻近第一后架的第二后架，其中第二后架在出口表面上具有翼型形状。
进一步的，所述第一后架的所述翼型形状基于热气流与一级喷嘴轮叶的交互形成。
进一步的，其中所述第一后架的所述翼型形状为曲线形。
进一步的，其中所述第一后架的所述表面具有与所述第二后架的所述表面不对称的翼型形状。
进一步的，其中所述后架具有经设计以降低热气再循环和热气吸入影响的部件。
进一步的，其中所述后架出口表面具有曲线形状和冷却孔角度，所述曲线形状和冷却孔角度在所述后架出口上造成薄膜冷却。
此发明内容用于以简化的形式介绍概念选择，所述概念选择将在下文具体实施方式中进一步进行描述。此发明内容并不意图确认本发明的关键特征或基本特征，也并非意图用于限制本发明的范围。此外，本发明并不只限于克服本发明任何部分中指出的任何或所有缺点的限制因素。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中：
图1为燃气涡轮机过渡连接件的侧视图；
图2为过渡连接件后架的透视图；
图3为翼型形状后架出口的剖视透视图；
图4为后架的正视图；
图5为沿着线401-401截取的截面；
图6为相邻过渡连接件的正视图，其中尾部朝向前方；
图7为沿着601-601截取的截面；
图8为相邻后架的截面；
图9为具有钝面的相邻后架的示例性热气溢流口；
图10为具有翼型形状的相邻后架的示例性热气溢流口；
图11为具有翼型形状的相邻后架的示例性热气溢流口；
图12为相邻后架的截面；
图13为后架的正视图；
图14为沿着线1301-1301截取的截面；
图15为沿着线1302-1302截取的截面；
图16为带有冷却孔的翼型形状后架的部分截面；
图17为具有翼型形状的相邻后架的截面；以及
图18为带有阻流板（spoiler）的相邻后架的截面。
具体实施方式
图1示出示例性过渡连接件。过渡连接件100可以在上游端处连接到燃烧器而在下游端或后端处连接到涡轮。过渡连接件100将热气流从燃烧器传送到涡轮。后架105为位于过渡连接件的出口或后端处的部件，从而用作过渡连接件100与1级喷嘴之间的界面。后架105暴露于流入1级喷嘴的热气。
图2是后架的示例性现有技术的实施例。后架200具有后表面212和内壁210。内壁210与表面212以约90度的锐角相交。后架200具有顶部轨道205和底部轨道215以及左侧轨道207和右侧轨道220。
引起现有技术后架的侧面轨道热损坏的一个潜在原因可能是吸入离开过渡连接件的热气，吸收热气并使热气在一级喷嘴轮叶与后架的后表面之间再循环。
例如，参考作为现有技术中的典型的图2，上述热气的吸入可能往回转向过渡连接件后架200的后表面212，因为一级喷嘴轮叶在周向上邻近后架200而且后表面212具有钝体效果，所述后表面212在过渡连接件出口流方向上垂直于后架内壁210。如本说明书中所揭示，后架侧面轨道的形状（或后架的整个周长）可以进行改变以将热气再循环最小化。
在一项实施例中，过渡连接件后架表面和垂直的后架内壁的现有技术的形状可以进行改变，以在每个后架侧面轨道上形成翼型形状。图3为具有曲线形（contoured）或圆形的翼型表面的后架的示例性拐角透视图。图4为具有曲线形后表面的后架400的示例性正视图。图5为沿着图4中的线401-401截取的截面。
燃气涡轮机配置可以允许有相邻的过渡连接件和对应的后架。参考图6，过渡连接件600和对应的后架605可以与过渡连接件607和对应的后架610相邻。图7为沿着图6中的线601-601截取的示例性截面。在图7中，705对应于后架605而710对应于后架610。图8为根据现有技术的相邻后架的示例性截面，其中内壁垂直于后架前出口。
当在燃气涡轮机内并排进行组装时，如图8所示进行配置的过渡连接件后架可以用它们的侧面翼展形成大钝体。如本说明书中所述，此后架配置可以形成再循环区域，当所述再循环区域的位置设定在一级喷嘴上游时，可以将热气往回朝着过渡连接件后架进行循环并造成损坏。如图7所示，具有翼型形状（例如，轮廓（contour））的后架可以减小再循环区域。图9和图10表示计算流的动态轮廓。图9为平坦后架表面（例如，图2和图8示出）的尾流的示例性图解。图10为曲线形状的后架表面（例如，图3和图7示出）的尾流的示例性图解。图10中带有曲线形后架表面的相邻后架的尾流比图9中平坦表面后架的尾流更加稳定。图11为相邻曲线形后架的截面和示出示例性冷却流矢量的箭头的示例性图解。冷却空气将热气从硬件之间的腔室中驱散。
图12为相邻后架的不对称翼型形状截面的一项示例性实施例。为了进一步将流场最优化并将吸入最小化，相邻后架中两个相邻侧面轨道的内直径在相同方向上可以逐渐减小（形成不对称的后架）。相邻后架可以基于一级喷嘴轮叶逐渐变细也逐渐变细。
图13为后架正视图的示例性图解。图14为沿着后架1300中的线1301-1301截取的示例性截面。图15为沿着后架1300中的线1302-1302截取的示例性截面。如通过截面1400和截面1500示出，单个后架1300可以在侧面轨道上具有不对称轮廓。单个后架出口的不对称轮廓可以以面向一级喷嘴的方式呈波状。
目前，典型的后架配置添加了具有环形截面的冷却孔，从而将穿过冲击套管（所述冲击套管包围过渡连接件）的流的一部分转移到这些孔中以冷却后架。本说明书中所述的后架表面的各项实施例使用翼型形状后架出口，所述实施例提供一种降低后架金属温度的替代性方法。可以不再需要侧面轨道上的冷却孔。可以添加对后架翼型进行额外背面冷却，以保护外部热障层。去除平坦的后架表面并形成翼型形状可以简化制造工艺。可以在侧面轨道上移除冷却孔，这可以降低电火花加工（EDM）孔的百分数。此外，可以沿着过渡连接件主体以及在翼型表面上涂覆热障层（TBC）达到侧密封，这可以覆盖暴露于热气中的整个过渡连接件表面。图16为翼型形状的后架截面的示例性图解。如图16所示，曲线形状和冷却孔角度的组合可以在过渡连接件后端上造成薄膜冷却。
图17为带有翼型形状的过渡连接件后架表面的相邻后架的示例性图解，所述后架表面具有更多有角形状。图18为相邻后架的示例性图解，其中后架侧面翼展经设计以降低热气再循环和热气吸入的影响。后架出口的阻流板1801可以将流分离并减小再循环区域。此外，冷却或净化孔可以添加到阻流板的后侧，从而进一步分解再循环区域。
涡轮和压缩机设计可以不同，因此用于将多组计算流体动力学（CFD）和其他分析技术组合在一起的实验设计（design-of-experiments，DOE）方法可以用于将各种几何结构（例如，后架轮廓的半径）优化，所述各种几何结构将特定系统的结果最大化。尽管讨论了后架的侧面轨道，但是后架表面的整个周长可以具有翼型形状。此外，尽管讨论了后架，但是本说明书中所揭示的各项实施例可以应用于任何设备，所述设备在与过渡连接件后端出口处的后架类似的位置中从过渡连接件分离或与过渡连接件一体化。
描述本发明的优选实施例时，如图示出，为清晰起见使用具体术语。然而，本发明并非意图限制于如此选择的具体术语，但是应理解，每个具体元件都包括以类似方式运行，以达到类似目标的所有技术等效物。
本说明书使用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施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及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，并且可以包括所属领域的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，或者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实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种设备，其包括：
后架，其中所述后架的后架出口表面具有翼型形状。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述翼型形状为曲线形。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述翼型形状基于热气流与一级喷嘴轮叶的交互形成。
4.根据权利要求1所述的设备，所述后架出口表面的侧面轨道包括翼型形状。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述后架包括第一侧面轨道和第二侧面轨道，其中所述第一侧面轨道和所述第二侧面轨道不对称。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述后架出口表面具有背面冷却孔。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述后架具有经设计以降低热气再循环和热气吸入影响的部件。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述后架出口表面具有曲线形状和冷却孔角度，所述曲线形状和冷却孔角度在所述后架出口上造成薄膜冷却。
9.一种过渡连接件，其包括具有翼型形状的后出口。
10.根据权利要求9所述的过渡连接件，其中所述翼型形状为曲线形。
11.根据权利要求9所述的过渡连接件，其中所述翼型形状基于热气流与一级喷嘴轮叶的交互形成。
12.根据权利要求9所述的过渡连接件，其中所述后出口包括第一侧面轨道和第二侧面轨道，其中所述第一侧面轨道和所述第二侧面轨道不对称。
13.根据权利要求9所述的过渡连接件，其中所述后出口具有经设计以降低热气再循环和热气吸入影响的部件。
14.根据权利要求9所述的过渡连接件，其中所述后出口具有曲线形状和冷却孔角度，所述曲线形状和冷却孔角度在所述后出口上造成薄膜冷却。
15.一种系统，其包括：
第一后架，其包括所述第一后架表面的翼型形状；以及
邻近所述第一后架的第二后架，其包括所述第二后架表面的翼型形状。
16.根据权利要求15所述的系统，所述第一后架的所述翼型形状基于热气流与一级喷嘴轮叶的交互形成。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一后架的所述翼型形状为曲线形。
18.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一后架的所述表面具有与所述第二后架的所述表面不对称的翼型形状。
19.根据权利要求15所述的系统，其中所述后架具有经设计以降低热气再循环和热气吸入影响的部件。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述后架出口表面具有曲线形状和冷却孔角度，所述曲线形状和冷却孔角度在所述后架出口上造成薄膜冷却。
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