CN103807023A - 用于冷却燃气涡轮机燃烧器的高温气体部件的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于冷却燃烧器的高温气体部件的系统，所述系统大体上包括冲击套管，所述冲击套管周向围绕所述高温气体通道部件的外表面。第一冷却室限定在所述冲击套管与所述高温气体通道部件的所述外表面的第一部分之间。第二冷却室置于所述第一冷却室的下游。所述第二冷却室限定在所述冲击套管与所述高温气体通道部件的所述外表面的第二部分之间。入口延伸穿过所述冲击套管，以便限定进入所述第一冷却室的第一流动通道。出口限定位于所述第一冷却室与所述第二冷却室之间的第二流动通道。

Description

用于冷却燃气涡轮机燃烧器的高温气体部件的系统

技术领域

本发明总体上涉及一种置于燃气涡轮机燃烧器内的高温气体通道部件。确切地说，本发明涉及冲击冷却所述高温气体部件的一部分。

背景技术

燃气涡轮机广泛用于工业和发电领域中。典型的燃气涡轮机包括压缩机部分、位于所述压缩机部分下游的燃烧部分，以及位于燃烧器下游的涡轮机部分。所述燃烧部分通常包括燃烧器，所述燃烧器具有多个环形高温气体通道部件，例如燃烧衬里和/或过渡管，所述部分至少部分限定延伸在所述燃烧衬里与所述涡轮机部分之间的高温气体通道。所述高温气体通道部件各自通常包括内表面和外表面。通常，所述燃烧部分进一步包括外壳，所述外壳围绕所述高温气体通道部件并且限定与所述压缩机部分流体连通的腔室。

在操作中，诸如环境空气等压缩工作流体从所述压缩机部分沿管道输送到所述燃烧部分的所述腔室中。所述压缩工作流体的一部分在燃烧室内与燃料混合形成可燃混合物，所述燃烧室通常限定在所述燃烧衬里内。所述可燃混合物燃烧以产生高温高速高温的气体，所述气体经由所述高温气体通道流入所述涡轮机部分中。所述压缩工作流体的一部分用作冷却介质，用于冷却多个高温气体通道部件的外表面和其他高温段。例如，可将所述冷却介质输送过多个高温气体通道部件的外表面，从而以对流和/或传导方式冷却这些表面。

所述高温气体通道部件的特定表面，例如所述燃烧衬里的后端或者所述过渡管的后端可能对热应力特别敏感。因此，这些表面可明显获益于将冷却介质集中喷射到所述高温气体通道部件的外表面，从而大幅增加所述冷却介质与所述高温气体通道部件之间的传热或冷却效率。这种冷却方法在所属领域中已知为冲击或喷射冲击冷却。

在当前的冲击冷却配置中，冷却介质沿通道流过一个或多个冷却通道，所述冷却通道配置用于将压缩工作流体冲击/聚集到一个高温气体通道部件外表面的特定区域中。通常情况下，所述冷却介质冲击一个高温气体通道部件的外表面，然后沿通道直接流入高温气体通道和/或回流到压缩工作流体流中，在其中与燃料混合以进行燃烧。

尽管这种冷却方法通常能够有效地冷却受到冷却空气冲击的特定区域，但是未能利用冷却空气的大部分冷却能力。例如，可以使用相同的冷却介质来进一步冷却高温气体部件。因此，所属领域中需要对高温气体通道部件以及用于冷却所述高温气体通道部件的方法做出改进。

发明内容

本发明的方面和优点在以下说明中进行描述，或者可以从说明书中显而易见，或者可以通过实践本发明而了解。

本发明的一个实施例是一种用于冷却燃烧器的高温气体通道部件的系统。所述系统通常包括冲击套管，所述冲击套管通常周向围绕所述高温气体通道部件的外表面。第一冷却室限定在所述冲击套管与所述高温气体通道部件的所述外表面的第一部分之间。第二冷却室置于所述第一冷却室的下游。所述第二冷却室限定在所述冲击套管与所述高温气体通道部件的所述外表面的第二部分之间。入口延伸穿过所述冲击套管，以便限定进入所述第一冷却室的第一流动通道。出口限定位于所述第一冷却室与所述第二冷却室之间的第二流动通道。

本发明的另一个实施例是一种用于燃气涡轮机的燃烧器，所述燃烧器具有外壳以及被所述外壳周向围绕的环形高温气体通道部件。所述高温气体通道部件与所述外壳径向隔开，以便至少部分限定两者之间的流动通道。所述高温气体通道部件包括主体，所述主体沿所述主体的外表面限定第一冷却室和第二冷却室。所述第二冷却室置于所述第一冷却室的下游。冲击套管周向围绕所述第一冷却室和所述第二冷却室。入口延伸穿过所述冲击套管。所述入口限定位于所述流动通道与所述第一冷却室之间的第一流动通道。出口延伸穿过位于所述入口下游的冲击套管。所述出口限定位于所述第一冷却室与所述第二冷却室之间的第二流动通道。

本发明的另一个实施例包括一种方法，用于冷却置于燃气涡轮机燃烧器内的高温气体通道部件的外表面的一部分。所述方法包括将冷却介质输送过延伸穿过冲击套管的入口。所述冷却介质冲击所述高温气体通道部件的所述外表面的第一部分。将所述冷却介质输送过延伸穿过所述冲击套管的出口。所述冷却介质再冲击所述高温气体通道部件的所述外表面的第二部分。

在阅读以下说明之后，所属领域中的普通技术人员将更好地了解这些实施例及其他内容的特征和方面。

附图说明

本说明书参考附图，针对所属领域的技术人员，完整且可实现地公开了本发明，包括其最佳模式，在附图中：

图1是在本发明多个实施例范围内的示例性燃烧器的简化截面图；

图2是图1所示燃烧器的一部分的局部透视截面图；

图3是根据本发明一个实施例的系统的放大截面图，所述系统用于冷却图2所示高温气体通道部件的后端部分；

图4是图3所示高温气体通道部件冷却系统的冲击套管部分的放大截面透视图；

图5是根据本发明至少一个实施例的图3所示燃烧衬里的后端的放大截面透视图；以及

图6是根据本发明一个实施例的冷却系统的放大截面图，所述系统用于冷却图3所示高温气体通道部件的后端部分。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，这些实施例的一个或多个实例在附图中图示。具体实施方式部分使用数字和字母来指代附图中的特征。附图和说明中使用类似或相同的标记来指代本发明的类似或相同部分。本说明书中所用术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分不同部件，但不用于指示各个部件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”是指流体通道内部件的相对位置。例如，如果流体从部件A向部件B流动，则部件A位于部件B的上游。相反地，如果部件B接纳来自部件A的流体，则流体B位于部件A的下游。

每个实例均用于解释本发明，而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员清楚地了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到另一个实施例。因此，本发明应涵盖在随附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。

本发明的多个实施例包括一种用于冷却诸如燃烧衬里或过渡管等燃烧器高温气体通道部件的系统。所述系统通常包括周向围绕所述高温气体部件的冲击套管。第一冷却室置于第二冷却室的上游。所述第一冷却室和第二冷却室被冲击板围绕。冷却介质经由入口流入所述第一冷却室，并且冲击所述高温气体通道部件的外表面的一部分。随后沿通道将所述冷却介质输送过延伸穿过所述冲击板的出口。所述冷却介质重新聚集、并冲击所述高温气体通道部件的外表面的第二部分，从而进一步利用所述冷却介质来冷却所述高温气体通道部件。

现在参见附图，图1提供了示例性燃烧部分10的简化截面图，例如，所述示例性燃烧部分可以包括在燃气涡轮机中，并且图2提供了图1所示燃烧部分的燃烧器12的一部分的局部透视截面图。如图1所示，燃烧部分10通常包括外壳14，所述外壳围绕燃烧器12。端盖16在燃烧器12的一端处连接到外壳14的一部分。至少一个燃料喷嘴18从端盖16向下游延伸。至少一个燃料喷嘴18延伸穿过盖组件20，所述盖组件在外壳14内径向延伸。

多个高温气体通道部件22从盖组件20向下游延伸，从而限定穿过燃烧器12的高温气体通道24。高温气体通道部件22通常包括环形燃烧衬里26和环形过渡管28。燃烧衬里26从盖组件20向下游延伸。燃烧室30至少部分将限定在至少一个燃料喷嘴18下游的燃烧衬里26内。过渡管28从燃烧衬里26向下游延伸，并止于第一级喷嘴32附近，所述第一级喷嘴置于涡轮机36的入口34附近。

第一流动套管38至少部分围绕过渡管28，并且第二流动套管40至少部分围绕燃烧衬里26。环形流动通道42限定在第一流动套管38与过渡管28之间，以及第二流动套管40与燃烧衬里26之间。第一流动套管38通常包括多个冷却通道44，所述多个冷却通道限定位于燃烧部分外壳14内的腔室46与环形冷却通道42之间的流动通道。此外，第二流动套管40可以包括一个或多个冷却通道48，所述冷却通道限定位于腔室46与环形冷却通道42之间的流动通道。

在操作中，沿通道将诸如压缩空气50等工作流体从诸如位于燃烧部分10上游的轴向压缩机等压缩机（未图示）输送到燃烧部分10的腔室46中。如图1所示，将压缩空气50的主要部分（primary portion）经由冷却通道44、48输送到环形流动通道中。通过这种方式，压缩空气50用作冷却介质52，以向过渡管28的外表面54（如图2所示）和/或燃烧衬里26的外表面56（如图2所示）提供冲击冷却、对流冷却、和/或传导冷却。

如图1所示，冷却介质52沿环形流动通道42流动，然后在端盖16处逆向流动。冷却介质52随后流过一个或多个燃料喷嘴18和端盖20，在其中与燃料混合并在燃烧室30内燃烧，从而产生高温气体58，所述高温气体经由高温气体通道24、穿过第一级喷嘴32流动到涡轮机36的入口34中。高温气体58对燃烧衬里26和/或过渡管28施加高热应力，从而限制这些高温气体通道部件22的机械寿命。具体来说，如图2所示，燃烧衬里26的后端60、和/或过渡管28的后端62可能对高温气体58产生的高热应力尤为敏感。

如图2所示，燃烧衬里26通常包括环形主体64以及与后端60轴向隔开的前端66。燃烧衬里的外表面56通常延伸在前端66与后端60之间。过渡管28通常包括环形主体68、以及位于后端62上游的前端70。如图2所示，燃烧衬里26的后端60通常安置在过渡管28的前端70内。

图3示出了根据本发明一个实施例的冷却系统的截面侧视图，所述系统用于冷却多个高温气体通道部件72，在本说明书中称为“系统72”。图4示出了图3所示系统72的冲击套管74部分的截面透视图，并且根据本发明的一个实施例，图5示出了图2所示燃烧衬里26的后端60的一部分的截面透视图。如图2所示，系统72可以部署在燃烧衬里和/或过渡管28的后端60处。

在一个实施例中，如图3所示，系统72设置在燃烧衬里26的后端60处。如图所示，系统72通常包括冲击套管74，所述冲击套管具有上部76和下部78。冲击套管74至少部分周向围绕燃烧衬里26的外表面56。第一冷却室80限定在冲击套管74的上部76、与燃烧衬里26的外表面56的第一部分82之间。第二冷却室84界定于冲击套管74的下部78与燃烧衬里26的外表面56的第二部分86之间、并位于第一冷却室80的下游。第二冷却室84大体置于燃烧衬里26的后端60附近。

在特定实施例中，如图3和5所示，燃烧衬里26的环形主体64至少部分限定第一冷却室80或第二冷却室84中的至少一个。例如，第一冷却室80或第二冷却室84中的至少一个可以铸造和/或机械加工到燃烧衬里26的主体64中。在替代实施例中，系统72可以包括单独部件，例如衬里延伸部，其至少部分限定第一冷却室80或第二冷却室84中的至少一个。所述单独部件可以焊接或以其他方式连接到燃烧衬里26的后端60。

在特定实施例中，如图3和5所示，横向延伸导轨构件88至少部分将第一冷却室80与第二冷却室84隔开。导轨构件88可以至少部分提供支持面，用于支撑、和/或将冲击套管74连接到燃烧衬里26的主体64。

在多个实施例中，如图3所示，第一径向延伸支撑构件90在外表面56的第一部分80与冲击套管74的上部76之间延伸。第一支撑构件90提供冲击套管74的上部76与导轨构件88之间的径向隔开。第一支撑构件90可以至少部分限定支持面，用于支撑和/或将冲击套管74连接到燃烧衬里26的主体64。第二径向延伸支撑构件92在燃烧衬里26的外表面56的第二部分86与冲击套管74的端部94之间延伸。如图3所示，第二支撑构件92可以提供冲击套管74的下部78和/或端部94与外表面56的第二部分86之间的径向隔开。第二支撑构件92可以至少部分提供支持面，用于支撑和/或将冲击套管74连接到燃烧衬里26。

如图3和4所示，冲击套管74的下部78与冲击套管74的上部76径向隔开。在特定实施例中，如图3所示，下部78从导轨构件88大体轴向向下游延伸，并且大体上平行于冲击套管74的上部76。流动通道95至少部分限定在冲击套管74的上部76与下部78之间。

如图3和4所示，入口或冷却通道96延伸穿过冲击套管74的上部76。如图3所示，入口96限定位于环形流动通道42与第一冷却室80之间的冷却流动通道98。在操作中，环形流动通道42通常维持在高于第一冷却室80的较高压力下。因此，冷却介质52沿冷却流动通道98流动到第一冷却室80中。在特定实施例中，如图3和4所示，入口经配置用于在高速下将冷却介质52聚集或冲击到燃烧衬里26外表面56的第一部分82中的较小区域中，从而增加冷却介质52的传热速率。例如，如图3所示，入口96可以从冲击套管74的上部76的上表面100逐渐变细、倒角或者下凹。通过这种方式，冷却介质52可以集中到冷却射流中，以便在第一冷却室80内更有效地冷却外表面56的第一部分82。

在替代实施例中，如图4所示，凹处或其他流体捕集装置102可以从入口96径向向外延伸、并且至少部分围绕所述入口。凹处102通常面向流过环形流动通道42的冷却介质52的流动方向（如图3所示）。随着冷却介质52流过环形通道42，摩擦将减小在最接近过渡管28和/或燃烧衬里26的外表面54、56处流动的、冷却介质52的一部分的速度。凹处102将捕集与表面54、56径向隔开的冷却介质52部分，从而增加流入第一冷却室80中的冷却介质52的速度（如图3所示）。因此，冷却介质52的传热速率得到增加，从而改进对置于第一冷却室80内的燃烧衬里26外表面56的第一部分82的冷却。

如图3和4所示，出口或冷却通道104延伸穿过冲击套管74的下部78。如图3所示，出口104限定冷却流动通道106，所述冷却流动通道在第一冷却室80与第二冷却室84之间延伸。在操作中，第一冷却室80通常处于高于第二冷却室84的较高压力下。因此，冷却介质52沿冷却流动通道106从第一冷却室80流动到第二冷却室84内。

在特定实施例中，如图3和5所示，出口104配置用于从第一冷却室80将冷却介质52聚集或冲击到燃烧衬里26的外表面56的第二部分86的较小或集中区域中，从而增加冷却介质52的传热速率。例如，如图3所示，出口104可以从冲击套管74的下部78的外表面107（如图4所示）向内径向逐渐变细、倒角或下凹。通过这种方式，冷却介质52可以集中到冷却射流中，并且在第二冷却室84内重新冲击外表面56的第二部分86，从而进一步利用来自第一冷却室80的冷却介质52的冷却能力。

如图3所示，排气出口108至少部分限定在冲击套管74的端部94和/或下部78与燃烧衬里26的外表面56的第二部分86之间。在特定实施例中，排气出口108限定位于第二冷却室84与过渡管28之间的流动通道110。通过这种方式，冷却介质52从排气通道110沿过渡管28的内表面112流动，从而向过渡管28内表面112提供薄膜冷却。

在系统72被设置在过渡管后端的替代实施例中，排气出口108沿通道将冷却介质52从第二冷却室84输送到设于过渡管28后端62处的第一级固定叶片32处（如图1所示）。通过这种方式，冷却介质52可以向第一级固定喷嘴32提供薄膜冷却（如图1所示）。

在操作中，如图6所示，冷却介质52从环形流动通道42沿流动通道98穿过入口98，所述入口延伸穿过冲击套管74的上部76。冷却介质52冲击燃烧衬里26的外表面56的第一部分82，并且热量从外表面56的第一部分82传递到冷却介质52中。随后冷却介质52从第一冷却室80沿延伸在第一冷却室80与第二冷却室84之间的流动通道106流动。随着冷却介质52经由冲击套管74的下部78的出口104流入第二冷却室84中，冷却介质52得以聚集，以便重新或再次冲击燃烧衬里26的外表面56的第二部分86。通过这种方式，热量从外表面56的第二部分86传递到冷却介质52中。冷却介质52随后经由排气通道108流入高温气体通道24内、和/或沿过渡管28的内表面112流动，从而提供沿过渡管28的内表面112流动的冷却薄膜。

图3到6中所示的多个实施例还提供了一种用于冷却多个高温气体通道部件22，例如燃烧衬里26和/或过渡管28的后端，的方法。所述方法通常包括：使冷却介质52经由延伸穿过冲击套管74的入口96流动到第一冷却室80中。随后，使冷却介质52冲击高温气体通道部件22的外表面56的第一部分82。随后，使冷却介质52从第一冷却室流过延伸穿过冲击套管74的出口104。随后，使冷却介质52冲击置于第二冷却室84内的高温气体通道部件22的外表面56的第二部分86。所述方法可以进一步包括使冷却介质52流过排气通道108、并将冷却介质52薄膜覆盖到高温气体通道部件22的内表面上。所述方法可以进一步包括使冷却介质52从第二冷却室84经由排气通道108流入高温气体通道24内。

本说明书使用了各种实例来披露本发明，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，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限定，并可包含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，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于冷却燃烧器的高温气体通道部件的系统，所述系统包括：

a.冲击套管，所述冲击套管周向围绕所述高温气体通道部件的外表面；

b.第一冷却室，所述第一冷却室限定在所述冲击套管与所述高温气体通道部件的所述外表面的第一部分之间；

c.位于所述第一冷却室下游的第二冷却室，所述第二冷却室限定在所述冲击套管与所述高温气体通道部件的所述外表面的第二部分之间；以及

d.入口，所述入口延伸穿过所述冲击套管以限定进入所述第一冷却室的第一流动通道，以及出口，所述出口限定位于所述第一冷却室与所述第二冷却室之间的第二流动通道。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述高温气体通道部件是燃烧衬里或过渡管中的一个。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述入口经配置用于使冷却介质冲击到所述高温气体通道部件的所述外表面的所述第一部分上。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述出口经配置用于使来自所述第一冷却室的所述冷却介质重新冲击到所述高温气体通道部件的所述外表面的所述第二部分上。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述冲击套管包括与下部径向隔开的上部。

6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括限定在所述冲击套管的所述上部与所述下部之间的冷却通道。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述入口延伸穿过所述冲击套管的所述上部，并且所述出口延伸穿过所述冲击套管的所述下部。

8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括横向延伸的导轨构件，所述导轨构件沿所述高温气体通道部件的所述外表面设置，并且所述导轨构件至少部分将所述第一冷却室与所述第二冷却室隔开。

9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括位于所述出口下游的排气通道，所述排气通道限定在所述冲击套管与所述高温气体通道部件的所述外表面的所述第二部分之间。

10.一种用于燃气涡轮机的燃烧器，所述燃烧器包括：

a.外壳；以及

b.被所述外壳周向围绕的环形高温气体通道部件，所述高温气体通道部件与所述外壳径向隔开，以便限定两者之间的流动通道，所述高温气体通道部件包括：

i.主体，所述主体沿所述主体的外表面限定第一冷却室和第二冷却室，所述第二冷却室位于所述第一冷却室的下游；

ii.冲击套管，所述冲击套管周向围绕所述第一冷却室和所述第二冷却室；

iii.延伸穿过所述冲击套管的入口，所述入口限定位于所述流动通道与所述第一冷却室之间的第一流动通道；以及

iv.在所述入口的下游延伸穿过所述冲击套管的出口，所述出口限定位于所述第一冷却室与所述第二冷却室之间的第二流动通道。

11.根据权利要求10所述的燃烧器，其中所述高温气体部件是燃烧衬里或过渡管中的一个。

12.根据权利要求10所述的燃烧器，其中所述入口经配置用于使冷却介质从所述燃烧器的所述流动通道冲击到所述主体的所述外表面的第一部分上。

13.根据权利要求12所述的燃烧器，其中所述出口经配置用于使来自所述第一冷却室的所述冷却介质冲击到所述主体的所述外表面的第二部分上。

14.根据权利要求10所述的燃烧器，进一步包括横向延伸的导轨构件，所述导轨构件沿所述高温气体通道部件的所述主体的外表面设置，并且所述导轨构件至少部分将所述第一冷却室与所述第二冷却室隔开。

15.根据权利要求10所述的燃烧器，进一步包括限定在所述冲击套管与所述第二冷却室之间的排气流动通道，所述排气流动通道位于所述冲击套管的所述第二冷却通道的下游。

16.根据权利要求10所述的燃烧器，其中所述冲击套管包括与下部径向隔开的上部、以及限定于两者之间的冷却通道。

17.根据权利要求16所述的燃烧器，其中所述入口延伸穿过所述冲击套管的所述上部，并且所述出口延伸穿过所述冲击套管的所述第二部分。

18.一种用于冷却置于燃气涡轮机的燃烧器内的高温气体通道部件的外表面的一部分的方法，所述方法包括：

a.使冷却介质流过延伸穿过冲击套管的入口；

b.使所述冷却介质冲击到所述高温气体通道部件的所述外表面的第一部分上；

c.使所述冷却介质流过延伸穿过所述冲击套管的出口；以及

d.使所述冷却介质重新冲击到所述高温气体通道部件的所述外表面的第二部分上。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括使所述冷却介质经由所述高温气体通道部件的排气通道流动到第二高温气体通道部件的内表面上。

20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括使所述冷却介质从所述高温气体通道部件的所述外表面的所述第二部分流动到位于所述燃烧器内的高温气体通道中。

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