CN105264294B - 具有交替旋转主燃烧器的不对称基板冷却 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃烧器布置(10)，其包括：具有先导锥体(62)的先导燃烧器(22)；多个顺时针(130)主旋转器，其插入在多个逆时针(132)主旋转器之间并且围绕先导燃烧器同心地布置；以及横向于主旋转器的基板(40)。流入区域(134)存在于其中通过主旋转器的邻近流(108)的邻近部分(106)朝向所述先导锥体流动的地方，并且在插入所述流入区域之间，流出区域(136)存在于其中邻近流的邻近部分远离所述先导锥体流动的地方。此布置构造为优选地与流出区域相比将更多的冷却流体传送到流入区域。

Description

具有交替旋转主燃烧器的不对称基板冷却

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年6月5日提交的美国临时专利申请号61/831,403的权益。

技术领域

本发明涉及用于基板的优化的冷却布置，该基板构造为优选地传送冷却流体到利用交替旋转源的罐环形燃烧器中的容易受到闪回与火焰保持的区域，其中优化的冷却布置减少了NO_x和CO排放。

背景技术

用于燃气涡轮发动机的罐环形燃烧器可以包括燃烧器组件，此燃烧器组件具有中心先导燃烧器与布置在先导燃烧器周围的多个预先混合主燃烧器。先导燃烧器通常地接收从压缩机接收的压缩空气的流的一部分并且将先导燃烧器流与燃料混合以形成先导燃烧器空气与燃料混合物。可以通过在先导燃烧器中的流控制表面旋转先导燃烧器混合物，其将周向运动给予到轴向运动的先导燃烧器混合物。此旋转的流在偏离先导锥体内继续并且此布置产生膨胀，螺旋地流动先导混合物，其被点燃并且用于锚定燃烧器火焰。

此主燃烧器可以保持在先导燃烧器周围的适当位置中并且延伸通过横向于主燃烧器定位的基板。与先导燃烧器类似，每个主燃烧器都接收从压缩机接收的压缩空气的流的相应部分。压缩空气的各流流动通过其相应主燃烧器，在那里与燃料混合以形成主燃烧器空气与燃料混合物。可以通过在主燃烧器中的流控制表面旋转主燃烧器混合物，其将周向运动给予到轴向运动主燃烧器混合物。此旋转的混合物向下游继续直到主燃烧器流与先导燃烧器流在通过先导火焰点燃的主燃烧器流的点处混合。主燃烧器混合物通常比先导燃烧器混合物更稀薄并且由此稳定的燃烧依赖于先导燃烧器混合物的锚定效应。

主燃烧器流的预先混合旨在减少燃料消耗与排放。在预先混合燃烧器中的燃烧火焰的稳定性依赖于由主燃烧器中的旋转器的旋转作用提供的适当的预先混合。适当旋转与混合的流降低了燃烧不稳定性并且这继而减少了较低的NO_x与CO排放。

在传统燃烧器中，主燃烧器构造为将旋转沿着相同方向给予到各主燃烧器流。当沿着燃烧器轴线观察时，各主燃烧器流可见为与其它沿着相同方向旋转。例如，各主燃烧器流可以顺时针旋转。然而，在此布置中，相邻流的相邻部分沿着相反方向前进。这形成剪切与漩涡，这增加了热量释放速度与在混合区域中的排放。为了对此缓解，已经提出了使给予到主燃烧器流的旋转方向交替使得它们在顺时针与逆时针之间交替。这在属于瑞恩的美国公开号20100071378中进行公开，其整体地包含于此。

附图说明

在下面的描述中参照附图说明本发明，附图中示出：

图1示出了罐环形燃气涡轮发动机的现有技术燃烧器布置。

图2示出了基板、现有技术冷却穿孔、以及现有技术旋转器布置的旋转。

图3示出了基板与图2的现有技术冷却穿孔以及另选现有技术旋转器布置的旋转。

图4示出了利用基板、现有技术冷却穿孔、以及图3的另选现有技术旋转器布置的燃烧器布置的端视图。

图5示出了基板与具有这里公开的冷却布置的交替旋转源。

图6示出了燃烧器布置以及这里公开的冷却布置的另选示例性实施方式的端视图。

具体实施方式

本发明人认识到利用围绕先导燃烧器的预先混合主燃烧器的燃烧布置当主燃烧器中的旋转器给予主燃烧器流交替的旋转时，可能在燃烧器中产生不同燃料富度的区域。发明人已经确定，在其中相邻主燃烧器流的相邻部分流入(到先导火焰中)的区域中，可能形成富燃料区域。在这些流入区域中的高燃料含量增加了闪回与火焰保持的倾向。相比之下，发明人确定在其中相邻主燃烧器流流出(远离先导火焰)的相邻区域中可能形成燃料稀薄区域。发明人进一步确定流动通过基板的冷却流体夹带在主燃烧器流中。发明人已经利用此知识并且已经设计出独特的装置，其构造为降低在此交替旋转布置中的闪回与保持火焰的机会。

具体地说，这里描述的改进的燃烧器装置优选地将增加的冷却气流传送到富燃料流入区域以减少在这些区域中的燃料与空气的混合水平。减少在这些流入区域中的燃料的量降低了火焰通过这些区域闪回以及在不期望的地方保持的能力。为了补偿到流入区域的增加的冷却流体的数量，改进的燃烧器装置可以优选地将减少的冷却空气流传送到燃料稀薄流出区域。此冷却流的相关减少协助抵消到流入区域的增加的冷却剂的流，并且由此替代增加通过燃烧器的总冷却剂流，基本上保持通过燃烧器的冷却流的整体速度。保持相同或类似的整体总冷却流协助保持发动机效率并且减少可能另外地与总冷却空气流的增加相关的NOx和CO的排放。

图1示出了现有技术的罐环形燃气涡轮发动机的燃烧器布置10。从压缩机(未示出)接收的压缩空气12基本上从燃烧器布置10的上游端14沿着燃烧器布置纵轴18朝向下游端16流动。多个预先混合主燃烧器20周向地布置在先导燃烧器22周围并且与燃烧器布置纵轴18同心。每个主燃烧器20都接收压缩空气12的一部分，此部分由此成为通过每个主燃烧器20的相应主燃烧器流24。同样地，先导燃烧器接收成为先导流(未示出)的压缩空气12的一部分。在各主燃烧器20内是旋转器组件28(不可见)以及燃料喷射器(未示出)，其将燃料引入到压缩空气中以形成主燃烧器燃料与空气混合物。每个旋转器组件26都给予周向移动到相应的主燃烧器流24。因此从主燃烧器出口28排放的各主燃烧器流24都轴向地且周向地移动以形成螺旋流(未示出)。主燃烧器出口28可以布置在所示的选择性主燃烧器后延伸部30的端部，或者当不存在选择性主燃烧器后延伸部30时略微地更上游。

基板40横向于燃烧器布置纵轴10与各主燃烧器20的纵轴42定向，并且协助支撑各主燃烧器20。基板40包括主燃烧器20延伸通过那里的主燃烧器穿孔44。基板40使燃烧器布置10分离，由此形成其中发生燃烧的上游区域46与下游区域48。具有均匀尺寸与对称式样的冷却穿孔50围绕并且通过基板40布置以允许压缩空气12用作冷却流体52并且流动通过基板40以提供现有技术冷却布置中中必要的冷却。

先导燃烧器22同样地可以包括在基板40附近的将旋转给予到先导流的先导旋转器(未示出)，以及将燃料引入到压缩空气中以形成先导流空气燃料混合物的燃料喷射器。旋转先导流通过先导燃烧器锥体布置60界定，先导燃烧器锥体布置60可以包括内先导锥体62与围绕内先导锥体62的外先导锥体64并且在其间限定环形间隙66。压缩空气12可以在环形间隙66中流动并且排出环形间隙出口68。环形间隙出口68可以发生在先导锥体布置下游端70上游或者与先导锥体布置下游端70平齐。先导燃烧器流经由在邻近先导锥体布置下游端70的先导火焰区域74中存在的先导火焰锚定燃烧。各主燃烧器旋转流从相应的主燃烧器出口28前进直到其达到其中它通过先导火焰点燃的先导火焰区域74。连同旋转先导流与旋转主燃烧器流在类似于先导火焰区域74(尽管更大)的燃烧火焰区域76中形成燃烧火焰。可以看到相对于燃烧器布置纵轴18，旋转主流通过燃烧器内衬80界定在径向向外侧面78上。在径向向内侧82上通过外先导锥体64界定旋转的主流。此径向不对称的界定导致下面进一步说明的径向不对称的空气动力学。

图2示出了从燃烧器布置10移除并且沿着燃烧器布置纵轴18从下游端16朝向上游端14观察的图1的基板40以及相关的冷却布置。在此构造中，旋转器组件(未示出)将旋转沿着相同方向102给予到各主燃烧器流24，这在此视图中是逆时针，由此形成旋转的主流104。在发动机操作过程中，当相邻旋转主流108的相邻部分106沿着燃烧器布置纵轴18轴向地前进时，它们当沿着相反的线性方向前进时最终地相遇。顺时针旋转的主流130沿着线性流出方向112远离燃烧器布置纵轴18和以其为中心的先导燃烧器22前进，并且相邻的第二旋转流132朝向先导燃烧器22以这个线性流入方向116前进。在此区域中相反流动方向的碰撞造成剪切与漩涡并且这些造成燃烧不稳定性以及增加的脉动与增加的NOx和CO排放等。

为了减轻由碰撞造成的剪切与漩涡，已经提出了图3中示出并且用于基板40的旋转构造以及图2的相关冷却布置，其中旋转器组件将旋转沿着交替方向给予到各主燃烧器流24。例如，每隔一个旋转主流104可以是顺时针旋转主流130，同时插入的旋转主流104可以是逆时针的旋转主流132。在此构造中，在发动机操作过程中，由于相邻旋转主流108的相邻部分106沿着燃烧器布置纵轴18轴向地前进，它们最终地相遇，但是与图2的构造相反，当它们相遇时它们都沿着相同方向前进。在流入区域134中顺时针旋转主流130与逆时针旋转主流132的邻近部分106均沿着流入方向116前进。在该视图中，当逆时针旋转的主流132邻近并且周向于顺时针旋转主流130的右侧布置时在顺时针旋转主流130与逆时针旋转主流132之间形成流入区域。在流出区域136中逆时针旋转主流132与顺时针旋转主流130的邻近部分106均沿着流出方向112行进。在该视图中，当逆时针旋转的主流132邻近并且周向于顺时针旋转主流130的左侧布置时在逆时针旋转主流132与顺时针旋转主流130之间形成流出区域。

图4示出了如沿着燃烧器布置纵轴18从下游端16朝向上游端14所观察，基板40、冷却布置、以及图3的交替旋转连同主燃烧器20以及内先导锥体62、外先导锥体64、以及环形间隙66。在该视图中可以看到在流入区域134中螺旋行进的顺时针旋转的主流130与逆时针旋转的主流132将从径向向外侧78朝向径向向内侧82旋转。其中外先导锥体64存在的地方，其阻挡流的流入部分进一步流入行进，留下流入部分沿着外先导锥体64轴向地向下游前进。对于先导锥体布置下游端70的轴向下游的位置来说，流的流入部分遇到旋转先导流并且旋转先导流对着扩展的流入侵入作用。预先混合的流入部分与预混合先导流的外周混合并且随着预先混合先导流轴向地流动。相比之下，当从径向向内侧82朝向径向向外侧78旋转时还将通过偏离内部先导锥体62径向向外地引导主流的流出部分，增强流出区域136中的流出效应。因此，在各流入区域134中，先导火焰接收促进燃烧火焰的燃料与空气混合物的汇集。相比之下，在各流出区域136中先导火焰不接收燃料与空气混合物的汇集，而是替代地在流出区域中的燃料与空气被引导远离先导火焰。

在操作中，来自流入区域的燃料与先导火焰的外周混合形成趋于允许燃烧火焰的闪回与火焰保持的条件。在这些条件中，火焰可能驻留在先导锥体上和/或在旋转器上导致硬件受损。可能促进火焰驻留在先导锥体上的趋势的一个因素可以是相对缓慢移动的冷却流体从那里排放的环形间隙出口68。来自环形间隙66的相对缓慢移动的冷却流体与流入区域中的燃料与空气混合物混合，并且这使融合的冷却空气与燃料与空气混合物的整体速度减慢，这使得对于火焰更容易驻留。

通过利用流体动态模型等调查，发明人能够认识此现象。发明人还认识到流动通过基板40的冷却穿孔50的冷却流体52变得夹带在主旋转流104中。尤其应该指出的是流动通过冷却穿孔50的冷却流体52的某些部分变得以这样的方式被夹带使得其将夹带的流引导到流入区域中。通过此，发明人推论出可以通过修剪用于冷却穿孔50的新式样来改进图4中示出的现有技术的均匀冷却孔式样。由于可获得燃料的丰富和/或相对缓慢的流速，新的式样可以优选地将冷却流体52传送到燃烧布置的更易于闪回与火焰保持的部分，诸如流入区域134。发明人进一步认识到可以调节模式的不使冷却流体52传送到流入区域134的其它部分以允许较少的冷却流体通过那里。冷却流的此减少可以用于抵消用于将冷却流体52引导到流入区域134的冷却流的增加。此抵消允许通过燃烧器布置10的冷却流体52的总流保持相同或接近相同。保持相同或类似的总冷却流防止了与冷却空气流增加相关的发动机操作效率的降低，并且防止了通常与冷却流体增加相关的额外NOx和CO排放的形成。

图5示出了具有通过基板40的高流量冷却穿孔152与低流量冷却穿孔154的新型基板冷却布置150的示例性实施方式。高流量冷却穿孔152限定基板40的相对较高流量区域156，同时低流量冷却穿孔154限定基板40的相对较低流量区域158(与区域156相比)。在此示例性实施方式中，基板40分成通过平面162界定的均匀的弧形部分160，燃烧器布置纵轴18与主燃烧器纵轴164(其平行于燃烧器布置纵轴18)定位在其中。换种说法，平面162从燃烧器布置纵轴18径向地延伸并且平分在燃烧器布置纵轴18的相对侧上的主燃烧器20。在该视图中，存在四个平面162，每个平面都平分两个主旋转器20。基板40的高流量区域156是包括高流量冷却穿孔152的弧形部分160。同样地，基板40的低流量区域158是包括低流量冷却穿孔154的弧形部分160。在此示例性实施方式中，高流量区域156在修改的流入区域134’上游并且与修改的流入区域134’周向地对准，并且低流量区域158在修改的流出区域136'上游并且与修改的流出区域136'周向地对准。在修改的流入区域134'中，此修改包括相对稀薄的混合物。在修改的流出区域136'中，此修改包括相对富含的混合物。

因为观察到在此位置处流动通过基板40的冷却流体52被夹带并且传送到流入区域134，所以选择该配置。还观察到在低流量区域158中的冷却流体52的减少未负面地影响流出区域136'，因为流出区域136’已经相对稀薄，并且减少引导到流出区域136’的冷却流体52的量趋向于减小流出区域136'中混合物的稀薄度，由此促进在燃烧器布置10中更加均匀的混合。这继而促进更好的燃烧同时还保存通过燃烧器布置10的总冷却流。在图5中示出的实施方式中，高流量冷却穿孔152的大部分径向向外于主燃烧器纵轴164布置因为此位置方便冷却流体52夹带并且传送到如所期望的流入区域。此构造已经证实并且证明减小了闪回与火焰保持的可能性。

可以通过除了改变冷却穿孔的直径的多种其它方式实现在高流量区域156中的相对高的流速。例如，在高流量区域156中可能仅简单地存在更多的冷却穿孔，或者较大与较多穿孔的任何组合有效地提供了在那个区域中的相对较大的流速。同样地，为了减小流速，可以使用较小或较少的穿孔或者二者。此外有效地缓解了闪回与火焰保持的高流量区域与低流量区域的其它构造是可以设想的并且在本公开的范围内。例如，尽管示出的区域是具有全部弧长度的1/8的弧形长度的弧形部分，但是它们可以采用诸如更短或更长弧形长度的任何形状。另选地，高或低流量区域可以是圆形、正方形、或者基板40的界限内的其它形状。此区域的形状可以形成为与目标的流入区域的形状匹配。例如，如果目标的流入区域特征在于球形形状，那么高流量区域可以是圆形。同样地，如果目标流入区域特征在于任何其它形状，那么高流区域可以以任何必要尺寸与此形状匹配以适应流动通过高流区域的冷却流体当其朝向流入区域前进时的任何流聚合和/或偏离。通过此种方式，当冷却流体达到流入区域时流动通过高流区域的冷却流体的横截面形状将与流入区域的横截面的形状和/或尺寸匹配，并且流入区域的最大数量将通过冷却流体渗透。可以以任意多种方式实现高流区域的成形，包括简单地将几个相同或类似尺寸和/或成形的冷却穿孔以适当形状布置在适当位置中。另选地，具有不同尺寸与形状的单个冷却穿孔可以在高流量区域中装配在一起，其在操作过程中，形成用于流动通过高流量区域的冷却流体的期望形状。

在图6中示出的另选示例性实施方式中，替代或除了改变基板中的穿孔以外，先导锥体可以构造为使冷却流体的流偏转。在一个示例性实施方式中，环形间隙66的形状可以改变以优选地将来自环形间隙66的更多的冷却流体传送到流入区域134并且将来自环形间隙88的更少的冷却流体传送到流出区域136。这可以通过改变外先导锥体64的形状使得其看起来周边地起伏在示例性实施方式中实现。这可以形成环形间隙66，其中间隙的宽度170随着起伏周向地改变。宽度170可以使得流入区域134附近存在相对较大宽度172以允许更多环形间隙冷却流体流入到流入区域134中。在流出区域136附近存在相对较小的宽度174以允许较少环形间隙的冷却流体流入到流出区域136中。另选地，或另外地，内先导锥体62可以是类似地起伏的。

可以以任何数量的其它方式实现修改环形间隙冷却剂流的周向分布。例如，流引导件180可以布置在环形间隙66内，在环形间隙出口68和/或其上游处，以优选地将环形间隙冷却流体引导到流入区域134中。这些流动引导件180可以单独或者与穿孔结合使用，改变和/或优选地环形间隙尺寸设计为优选地传送额外的冷却流体到流入区域134并且较少地到流出区域136。

另选地，外部先导锥体64可以在流入区域134附近切回，使得当从侧面观察时，外先导锥体64可以类似冠状，后切区域接近流入区域134，这将有效地使相对更多的环形间隙冷却流体供给到流入区域134中。轴向突出部可以布置在流出区域136附近并且可以有效地将相对少的环形间隙冷却流体供给到流出区域136中。未详细描述但是其优选地传送更多的环形间隙冷却流体到流入区域134并且较少地到流出区域138的多种其它构造也被认为在本公开的范围内。

通过上述可以看出发明人已经认识到用于潜在改进燃烧器中的区域，确定影响燃烧器在此区域中的性能的参数，并且开发了提供改进同时在材料与制造方面非常小的成本并且不要求额外的总冷却流的改进的设计。因此，这里公开的冷却布置表示本技术的改进。

尽管这里已经示出与描述了本发明的多个实施方式，将会显而易见的是仅通过实例的方式提供此实施方式。可以在不偏离这里本发明的情况下进行多种变型、改变与替换。因此，期望的是本发明仅通过所附权利要求的精神与范围限定。

Claims (20)

1.一种燃烧器布置，其包括：

先导燃烧器，其包括先导锥体；

多个顺时针主旋转器，其插入在多个逆时针主旋转器之间并且围绕所述先导燃烧器同心地布置；以及

横向于所述主旋转器的基板；

其中流入区域存在于其中通过主旋转器的邻近流的邻近部分朝向所述先导锥体流动的地方，并且插入在所述流入区域之间的流出区域存在于其中邻近流的邻近部分远离所述先导锥体流动的地方；并且

其中所述布置构造为经由相对于所述燃烧器布置的纵轴布置在所述流入区域的上游的高流量区域，与所述流出区域相比将相对多的冷却流体传送到所述流入区域。

2.根据权利要求1所述的燃烧器布置，其中所述先导锥体包括外先导锥体，所述外先导锥体围绕内先导锥体并且在其间限定环形间隙以有效地将环形间隙冷却流体传送到所述流入区域与流出区域，其中所述环形间隙的宽度变化以形成相应的高流量区域与低流量区域。

3.根据权利要求1所述的燃烧器布置，其中所述先导锥体包括：外先导锥体，所述外先导锥体围绕内先导锥体并且在其间限定环形间隙以有效地将环形间隙冷却流体传送到所述流入区域与流出区域；以及流动引导件，所述流动引导件布置在所述环形间隙内以有效地通过将环形间隙冷却流体引导到所述流入区域中而形成所述高流量区域。

4.根据权利要求1所述的燃烧器布置，其中所述基板包括限定所述高流量区域的穿孔，冷却流体以相对较高流速流动通过所述高流量区域中的每个，并且其中所述穿孔还限定多个低流量区域，所述冷却流体以相对较低流速流动通过所述低流量区域中的每个。

5.根据权利要求4所述的燃烧器布置，其中相应的高流量区域与各流入区域周向地对准。

6.根据权利要求5所述的燃烧器布置，其中限定所述高流量区域的所述穿孔允许所述冷却流体流动通过所述基板，并且其中在各高流量区域中限定所述高流量区域的所述穿孔的大部分径向向外于相应邻近主旋转器的纵轴布置。

7.一种燃烧器布置，其包括：

先导燃烧器；

多个预先混合的主旋转器，其关于所述先导燃烧器同心地设置，所述主旋转器在给予顺时针旋转的主旋转器与给予逆时针旋转的主旋转器之间交替；以及

基板，所述主旋转器延伸通过所述基板，其中所述基板包括：多个高流量区域，冷却流体以相对较高的流速流动通过所述高流量区域中的每个；以及多个低流量区域，所述冷却流体以相对较低流速通过所述低流量区域中的每个；

其中所述高流量区域设置的位置使得在流动通过那里的冷却流体将被传送到相应的流入区域，所述流入区域形成在其中相邻的主旋转器流的相邻部分流入到所述先导燃烧器中的地方。

8.根据权利要求7所述的燃烧器布置，其中所述低流量区域周向地置于相邻高流量区域之间。

9.根据权利要求8所述的燃烧器布置，其中相应的高流量区域被径向于先导燃烧器纵轴并且平分围绕相应流入区域的相应邻近主旋转器的平面划分。

10.根据权利要求9所述的燃烧器布置，其中低流量区域是所述基板的所述高流量区域之间的这些部分。

11.根据权利要求7所述的燃烧器布置，其中相应的高流量区域与各流入区域周向地对准。

12.根据权利要求7所述的燃烧器布置，其中通过所述基板并且与相应高流量区域相关的穿孔定位为使得流动通过相应高流量区域的所述冷却流体流入到邻近所述先导燃烧器的先导锥体的相应流入区域中。

13.根据权利要求7所述的燃烧器布置，其中所述先导燃烧器包括：内锥体；外锥体，其围绕所述内锥体并且在其间限定环形间隙，其中所述环形间隙限定用于冷却流体流动通过那里的通道，并且其中离开所述环形间隙的冷却流体进入所述流入区域。

14.一种燃烧器布置，其包括：

多个交替旋转的主旋转器，其围绕包括先导锥体的先导燃烧器布置，其中由相邻主旋转器形成的聚合流相对于所述先导锥体形成交替的流入流区域与流出流区域；以及

冷却流体流布置，有效地传送与所述流出流区域相比较高流速的冷却流体到所述流入流区域。

15.根据权利要求14所述的燃烧器布置，还包括：

支撑所述主旋转器的基板；和

形成在所述基板中的在所述流入流区域的上游区域中的与在所述流出流区域的上游区域相比较高数量的冷却流体穿孔。

16.根据权利要求14的燃烧器布置，还包括：

支撑所述主旋转器的基板；以及

形成在所述基板中的在所述流入流区域的上游区域中的与在所述流出流区域的上游区域相比较相对较大的冷却流体穿孔。

17.根据权利要求14所述的燃烧器布置，其中所述先导锥体构造为与所述流出流区域相比将所述较高流速的冷却流体传送到所述流入流区域。

18.根据权利要求17所述的燃烧器布置，其中所述先导锥体包括环形间隙，所述环形间隙包括围绕其周边的变化的宽度。

19.根据权利要求17所述的燃烧器布置，其中所述先导锥体包括环形间隙，所述环形间隙包括围绕其周边变化的几何形状。

20.根据权利要求17所述的燃烧器布置，其中所述先导锥体包括有效地引导所述冷却流体的流引导件。