CN103562643B - 用于燃气轮机燃烧室喷口盖组的结构框架 - Google Patents
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Abstract
一种中间支撑框架(68)，其在燃气轮机燃烧室喷口盖组(24)的支撑环(48)的长度的中间位置横跨该支撑环的内径。该中间支撑框架可具有收纳燃烧室喷口盖组的中央燃料预混管(44)的中央围圈(72)，还可具有分别收纳相应的外预混管(42)的外稳定环(70)的环形阵列。中央预混管可附接至中央围圈(72)上，例如通过焊接来附接。外预混管可滑动地接合在外稳定环(70)中，提供侧向稳定性，同时允许有差异的热膨胀。该中间支撑框架可具有用于冷却介质通过的孔(74)和用于附接至支撑环(48)的周边凸舌(76)。
Description
本专利申请要求于2011年5月20日提交的编号为61/488,204的美国专利申请的权益，该专利申请通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧室喷口盖组的结构特征。
背景技术
工业用燃气轮机的燃烧系统可包括多个独立的燃烧装置组件，例如在美国专利5,274,991中所述的组件。这些燃烧装置组件包含可由一组或多组燃料与氧化剂喷嘴混合腔构成的燃料与氧化剂供给装置。这些混合腔称为预混管。预混管的主要作用是为燃烧提供精确计量和混合的燃料与氧化剂比率。预混管常常从主进料结构以悬臂方式支撑，并穿过称为发散孔板的比较柔软的隔网。已知的是，预混管容易在焊接接头处脱开，导致严重的下游涡轮损坏。
发明内容
本发明的燃烧室喷口盖组内部结构框架的实施方式在结构上可使所有预混管彼此保持稳定并相对于周围支撑环保持稳定。这种布置形式提高了喷口盖组内的稳定性，从而防止管和支撑环之间发生过度的相对位移，因而减小预混管的有害动态位移以及在发散孔板上导致的负荷。本发明的内部结构框架的实施方式提高了燃烧系统的强度储备和燃烧系统的动态能力。
附图说明
下面将参照附图详述本发明。在附图中：
图1是可包含本发明的实施方式的一种示例性燃气轮机的示意图。
图2是可包含本发明的实施方式的一种示例性燃烧室喷口盖组的下游端的透视图。
图3是图2中所示的包含本发明的实施方式的燃烧室喷口盖组的截面侧视图。
图4是根据本发明的特征实现的一种示例性中间结构框架的透视图。
图5是根据本发明的特征实现的一种具有上游法兰的示例性外预混管的透视图。
图6是根据本发明的特征实现的具有上游法兰和中间法兰的一种示例性中央预混管的透视图。
具体实施方式
本发明人已认识到，由于预混管的动态响应，现有技术的燃烧室喷口盖组易受预混管和发散孔板之间传递的负荷的影响。而且，在各个预混管中可能发生由燃烧引起的振动，在预混管焊缝处产生有害的疲劳损坏，并可能使各个预混管脱开。
图1是一种示例性燃气轮机20的示意图，该燃气轮机20包括压缩机22、燃料喷嘴组件（又名燃烧室喷口盖组）24、燃烧室26、过渡气道28、涡轮段30、以及发动机轴32，涡轮30通过发动机轴32驱动压缩机22。在环管燃烧室设计中，多个燃烧室组件24、26、28可按环形阵列布置。在一种示例性实施方式中，按环管燃烧室设计布置的燃烧室组件24、26、28是本领域技术人员知道的逆流燃烧室组件，但是本发明的实施方式可针对各种类型的燃烧室组件进行改造。在工作时，压缩机22吸入空气33，通过扩散器34和燃烧室增压腔36向燃烧室入口23提供压缩空气流37。此压缩空气37还作为燃烧室26和过渡气道28的冷却介质。组件24内的燃料喷嘴（未示出）把燃料与压缩空气混合。此混合物在燃烧室26中燃烧，产生高温燃烧气体38（又称工作气体），高温燃烧气体38穿过过渡气道28，经由过渡气道的出口框架40和涡轮入口29之间的密封连接进入涡轮30。扩散器34和增压腔36可绕发动机轴32以环形方式延伸。燃烧室增压腔36中的压缩气流37的压力比燃烧室26和过渡气道28中的工作气体38的压力高。
图2是一种示例性燃料喷嘴组件或燃烧室喷口盖组24的下游端的透视图，该组件具有环绕中央预混管44的外侧燃料/空气预混管42的环形阵列。在完全组装好时，燃料喷嘴（未示出）安装在这些管中。喷口盖组24可具有主支撑结构，该结构可包括由支架52互连的内支撑环和外支撑环48、50。管42、44的下游端可环绕有发散孔板54，发散孔板54可为穿孔型，所述穿孔用于内环48内的压缩空气进行喷流冷却，内环48通过穿孔向燃烧室26排气。环形弹簧密封圈56可围绕内支架环的下游端，用于把内支架环48连接至燃烧室26的衬层。
图3是根据本发明的特征实现的一种实施方式中的燃烧室喷口盖组24的截面侧视图，该燃烧室喷口盖组24可包括根据本发明的特征实现的环绕主预混管44的示例性外侧燃料/空气预混管42的环形阵列。图中示出了燃料和燃烧空气的流动方向43，以表明本文中所述的"上游"或前向和"下游"或后向的含义。在完全组装好时，燃料喷嘴（未示出）安装在这些预混管42、44中。每个预混管42、44可分别用于隔离燃料喷射源，从而使燃料和氧化剂以调节好的比例混合。每个预混管42、44的下游端可滑入附于发散孔板54的弹簧密封圈58中。每个预混管42、44的上游端可附接至主进料板66上，例如通过焊接来附接。主进料板66可以横跨的方式附接在内支撑环48的上游端。在内支撑环48中可具有冷却介质入口孔67，使流出发散孔板54中的穿孔的压缩空气37能够流过。
请参阅图3。每个预混管42、44的上游端可具有上游法兰60、62，所述上游法兰60、62用于相对于主进料板66保持和对正相应的预混管42、44。中央预混管44和/或其它预混管42可在其长度的中间位置具有中间法兰64，所述中间法兰64相对于中间结构框架68或加强环保持和对准相应预混管。中央预混管44或每个预混管42、44可附接至中间结构框架68上，例如通过在法兰64周围焊接来附接。
在图3所示的实施方式中，中央预混管44通过中间结构框架68的围圈72插入，而中间法兰64坐在中间结构框架68上。外侧预混管42无需固定至中间结构框架68上，但可滑动地接合在中间结构框架68的相应围圈或稳定环70的孔中。这种滑动接合限制了外管42的相对侧向运动，同时允许有差异的热膨胀。
图4是根据本发明的特征实现的一种用于燃气轮机的燃烧室喷口盖组的示例性支撑框架的透视图，在此示例性实施方式中，大致平面的中间结构框架68可包括用于每个外预混管42的相应稳定环或围圈70以及用于中央预混管44的中央围圈72。在中间结构框架68的多个部分中可具有孔74，用于减轻重量，并作为冷却介质的通路。框架68配置成附接至内支撑环48上，从而在管42、44和支撑环48之间提供必要的机械互连。在图中所示的实施方式中，在中间结构框架68的周边表面上形成有周边凸舌76，用于把框架68附接至内支撑环48的内表面上。
所示的几何构造仅是具有形成用于每个预混管42、44的完整围圈的相应孔的示例性框架或板。其它实施方式可包括用于一个或多个管的一个或多个局部围圈，因为不需要为每个管采用全360°支架，仅需沿垂直于流动方向43的平面的两个移动轴线支撑好每个管。支撑程度优选地足够以有益的方式改变管和组件的动态响应，从而减小峰值应力并延长疲劳寿命。通常，支架的实施方式可包括外围部分和内部部分，所述外围部分能够附接至内支撑环48（在所示的实施方式中为凸舌76）上，而所述内部部分附接至外围部分上并在至少两个点（在所示的实施方式中为围圈70、72）与每个管接触。一部分或全部燃烧室喷口盖组冷却介质入口孔67（图3）可位于中间结构框架68的上游。若是如此，则可能需要冷却介质通路孔74和/或其它流通空腔，以便为冷却介质37提供向发散孔板54流动的通路，特别是在如图4所示的为每个管采用完整围圈的实施方式中。本领域技术人员能够理解，与管的接触范围小于360°的围圈在提供足够的机械支撑的同时能使冷却介质37的流通面积增加。
图5是具有上游法兰60的一种示例性预混管42的透视图。图6是具有上游法兰62和中间法兰64的一种示例性预混管44的透视图。
虽然本发明在上文中是通过各种实施方式来展示和说明的，但显而易见的是，这些实施方式仅是示例性的。在不脱离本发明的精神的前提下，能够进行无数的变更、更改和替换。因此，本发明仅受所附权利要求书的精神和范围的限定。
Claims (13)
1.一种用于燃气轮机的燃烧室喷口盖组(24)，具有燃料和燃烧空气的流动方向(43)，并且包括：
主进料板(66)；
发散孔板(54)；
位于主进料板(66)和发散孔板(54)之间的中间结构框架(68)；和
环绕中央预混管(44)的外侧预混管(42)的阵列，
其中，中央预混管(44)和外侧预混管(42)的上游端均附接至主进料板(66)；
中央预混管(44)和外侧预混管(42)的下游端均滑入附于发散孔板(54)的弹簧密封圈(58)中；
在中间结构框架(68)中形成中央围圈(72)，该中央围圈(72)配置成收纳中央预混管(44)；并且在中间结构框架(68)中形成外稳定环(70)的阵列，每个外稳定环(70)配置成收纳相应的外侧预混管(42)，
其中，外侧预混管(42)无需固定至中间结构框架上，但可滑动地接合在中间结构框架(68)的相应外稳定环(70)中。
2.如权利要求1所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，中央预混管(44)和外侧预混管(42)的上游端均具有相对于主进料板(66)保持和对正相应的中央预混管(44)和外侧预混管(42)的上游法兰(60,62)。
3.如权利要求2所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，中央预混管(44)和/或外侧预混管(42)在其长度的中间位置具有中间法兰(64)，该中间法兰(64)相对于中间结构框架(68)保持和对准相应的预混管(42,44)。
4.如权利要求3所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，中央预混管(44)或每个预混管(42,44)通过在中间法兰(64)周围焊接来附接至中间结构框架(68)上。
5.如权利要求1-4中任一项所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，主进料板(66)以横跨的方式附接在内支撑环(48)的上游端。
6.如权利要求5所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，中间结构框架(68)配置成附接至内支撑环(48)上。
7.如权利要求6所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，在中间结构框架(68)的周边表面上形成有周边凸舌(76)，用于把中间结构框架(68)附接至该燃烧室喷口盖组(24)的内支撑环(48)的内表面上。
8.如权利要求1-4中任一项所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，该燃烧室喷口盖组(24)具有主支撑结构，该主支撑结构包括由支架(52)互连的内支撑环(48)和外支撑环(50)。
9.如权利要求1-4中任一项所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，中央围圈(72)和外稳定环(70)为每个相应的预混管(42,44)提供360°支撑。
10.如权利要求1-4中任一项所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，每个中央围圈(72)和外稳定环(70)包括形成在所述中间结构框架(68)中并用于收纳预混管(42,44)中的相应一个的相应孔。
11.如权利要求1-4中任一项所述的燃烧室喷口盖组(24)，还包括在中央围圈(72)和外稳定环(70)之间形成在所述中间结构框架(68)中的冷却介质通路。
12.如权利要求1-4中任一项所述的燃烧室喷口盖组(24)，其中，环形弹簧密封圈(56)围绕该燃烧室喷口盖组(24)的内支撑环(48)的下游端，用于把该内支撑环(48)连接至燃烧室(26)的衬层。
13.一种包括燃烧室(26)的燃气轮机，所述燃烧室(26)具有衬层和如权利要求1-11中任一项所述的燃烧室喷口盖组，其中，环形弹簧密封圈(56)围绕该燃烧室喷口盖组(24)的内支撑环(48)的下游端，并把该内支撑环(48)连接至燃烧室(26)的衬层。
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