CN105937776B - 用于燃气涡轮燃烧器的顺序衬套 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气涡轮燃烧器的顺序衬套(10)，其包括顺序衬套外壁(12)，其与顺序衬套内壁(22)间隔开，以在顺序衬套外壁(12)和顺序衬套内壁(22)之间限定顺序衬套冷却通道。顺序衬套外壁(12)包括第一面(14)、第一相邻面(16)和第二相邻面(16)，第一相邻面(16)和第二相邻面(16)各自邻近第一面(14)，顺序衬套外壁(12)的第一面(14)包括邻近第一相邻面(16)的第一对流冷却孔(18)和邻近第二相邻面(16)的第二对流冷却孔(18)，各个对流冷却孔(18)布置成将对流冷却流引导到邻近各个相邻面(16)的顺序衬套冷却通道中。本发明还涉及一种使用顺序衬套(10)来进行冷却的方法和改造燃气涡轮的方法。

Description

用于燃气涡轮燃烧器的顺序衬套
技术领域
本公开涉及一种用于燃气涡轮燃烧器的顺序(sequential)衬套，并且更特别地，涉及顺序衬套中的对流冷却孔。
背景技术
在燃气涡轮罐式燃烧器中，使用具有冲击冷却的顺序衬套。当一组燃气涡轮罐式燃烧器围绕涡轮布置时，罐可靠近在一起，而且相邻罐彼此接近可阻碍冷却空气进入冲击冷却孔。已经了解到，可作出改进来改善此问题。
发明内容
在独立权利要求中限定本发明，现在应当参照独立权利要求。在从属权利要求中阐述本发明的有利特征。
根据本发明的第一方面，提供一种用于燃气涡轮燃烧器的顺序衬套，其包括顺序衬套外壁，顺序衬套外壁与顺序衬套内壁间隔开，以在顺序衬套外壁和顺序衬套内壁之间限定顺序衬套冷却通道，顺序衬套外壁包括第一面、第一相邻面和第二相邻面，第一和第二相邻面各自邻近第一面，顺序衬套外壁的第一面包括邻近第一相邻面的第一对流冷却孔和邻近第二相邻面的第二对流冷却孔，各个对流冷却孔布置成将对流冷却流引导到邻近各个相邻面的顺序衬套冷却通道中。
对顺序衬套侧壁上的冲击系统进行馈送可能是困难的，因为两个相邻顺序衬套之间的速度高(对冷却系统馈送的相关联的压力低)，而且离相邻顺序衬套的距离短还可导致冷却系统的馈送不稳定(冷却脉动)。将冷却空气进入的位置变成可具有较高静压降的位置可对冷却系统提供较高的驱动压降。
冲击冷却还需要某个冷却通道高度，这显著地影响在涡轮接口处在两个顺序衬套之间的非流动区域的大小。减小被对流冷却的区域中的通道高度可能是可行的，因为对流冷却可紧凑得多。这可允许将顺序衬套内的罐更紧密地放在一起，这可对更多罐提供空间。
由于与冲击冷却相比，可设有对流式(对流)冷却的温度域更均匀，所以部件变形和部件上的负载可更均匀地分布，这对使用期限也是有益的。
在一个实施例中，顺序衬套包括在顺序衬套内壁和第一相邻面的顺序衬套外壁之间的至少一个肋，以引导对流冷却流。肋或多个肋可帮助引导冷却流。添加肋还可具有以下优点：帮助提高顺序衬套侧壁的刚度，并且因此可帮助改进部件的抗蠕变力和HCF(高循环疲劳)寿命。肋结构还可改进顺序衬套内壁和外壁的导热性。
在一个实施例中，至少一个肋延伸跨过顺序衬套外壁和顺序衬套内壁之间的距离的一部分。在一个实施例中，一个或多个肋中的至少一个基本平行于燃气涡轮燃烧器热气流。在一个实施例中，顺序衬套包括多个肋，其中，各个肋相对于冷却空气流具有下游端和上游端，以及其中，与肋的下游端相比，肋的上游端彼此间隔开得更远。在一个实施例中，一个或多个肋是弯曲的。在一个实施例中，至少一个第一对流冷却孔包括至少两个彼此相邻的单独的孔。在一个实施例中，跨过至少一个第一对流冷却孔的最长距离为跨过所述对流冷却孔的最短距离的长度的至少两倍。优选地，第一对流冷却孔和第二对流冷却孔是相同的。这些实施例可帮助引导冷却流。
在一个实施例中，顺序衬套包括顺序衬套外壁中的多个冲击冷却孔。这可有助于顺序衬套内壁冷却。
在一个实施例中，多个冲击冷却孔小于对流冷却孔。
根据本发明的第二方面，提供一种燃气涡轮，它包括上面描述的顺序衬套。
根据本发明的第三方面，提供一种冷却用于燃气涡轮燃烧器的顺序衬套的方法，顺序衬套包括顺序衬套外壁，其与顺序衬套内壁间隔开，以在顺序衬套外壁和顺序衬套内壁之间限定顺序衬套冷却通道，顺序衬套外壁包括第一面、第一相邻面和第二相邻面，第一和第二相邻面各自邻近第一面，顺序衬套外壁的第一面包括邻近第一相邻面的第一对流冷却孔和邻近第二相邻面的第二对流冷却孔，各个对流冷却孔布置成将对流冷却流引导到邻近各个相邻面的顺序衬套冷却通道中，方法包括：通过对流冷却孔将冷却空气馈送到顺序衬套冷却通道中；以及用冷却空气以对流的方式冷却顺序衬套内壁。
根据本发明的第四方面，提供一种改造燃气涡轮的方法，燃气涡轮包括顺序衬套，顺序衬套具有顺序衬套外壁，其与顺序衬套内壁间隔开，以在顺序衬套外壁和顺序衬套内壁之间限定顺序衬套冷却通道，该方法包括：移除顺序衬套外壁；以及添加新顺序衬套外壁，顺序衬套外壁包括第一面、第一相邻面和第二相邻面，第一和第二相邻面各自邻近第一面，顺序衬套外壁的第一面包括邻近第一相邻面的第一对流冷却孔和邻近第二相邻面的第二对流冷却孔，各个对流冷却孔布置成将对流冷却流引导到邻近各个相邻面的顺序衬套冷却通道中。
在一个实施例中，方法包括以下步骤：在添加新顺序衬套外壁之前，将至少一个肋连附连到续衬套内壁上。
附图说明
现在将仅以示例的方式且参照附图来描述本发明的实施例，其中：
图1显示顺序衬套的透视图；
图2A显示图1的部分A的部分地剖开的透视图；
图2B显示图2A的横截面B；
图3显示使用图1的顺序衬套的燃气涡轮燃烧器的一部分的透视图；
图4显示具有备选构造的对流冷却孔的顺序衬套冷却通道的一部分的剖开透视图；
图5显示对流冷却孔的另一个备选构造；
图6显示具有备选肋构造的图1的部分A的部分地剖开的透视图；以及
图7显示另一个备选肋构造的横截面。
部件列表
10顺序衬套
12顺序衬套外壁
14内侧面
16侧面
18对流冷却孔
20冲击冷却孔
22顺序衬套内壁
24肋
25肋
26肋
27肋的下游端
28肋的上游端
30冷却空气路径
32顺序衬套纵向轴线
34热气流方向
A区域
B横截面。
具体实施方式
在图1、2A和2B中显示顺序衬套10。顺序衬套10包括外壁12，外壁12分成内侧面14、两个侧面16和外侧面(未显示)。在内侧面14中有两个对流冷却孔18，并且在内侧面14、侧面16和外侧面18中有多个冲击冷却孔20。
图2A大致显示图1的部分A的局部剖开视图，其显示外壁12和内壁22之间的结构。在外壁12和内壁22之间存在顺序衬套冷却通道。显示了肋24、25、26在外壁12和内壁22之间延伸。这些肋是可选的。还显示了冷却空气路径30。
图2B显示图2A的横截面B。在这个示例中，肋24、25和26附连到外壁12上，并且延伸跨过外壁12和内壁22之间的顺序衬套冷却通道的距离的大约75%。注意，虽然在图2B显示了外壁12和内壁22是笔直的，但这不是必需的。
图3显示燃气涡轮燃烧器的一部分，并且显示顺序衬套紧挨着彼此呈典型构造的相对布置，顺序衬套彼此相邻，并且围绕中心轴线布置成环形。本文描述的顺序衬套将大体用来包围罐式燃烧器中的各个罐。热气通常将沿热气流方向34(参见图1)流过罐。显示了冷却孔在顺序衬套的内侧面14上；上面描述了对流冷却孔18在该应用中在外壁的内侧面14中，但也可在外侧面(未显示)中，而非在内侧面中，或者在内侧面和外侧面两者中。
图4显示顺序衬套冷却通道的一部分的剖开透视图，从顺序衬套冷却通道内的顺序衬套纵向轴线32往外看。不是在邻近侧面16的内侧面14中的单个对流冷却孔，而是提供三个对流冷却孔，它们在顺序衬套纵向轴线方向上并排。从最接近侧面16的孔进入的冷却空气将更多地与侧面16相互作用，从而基本引起较大的摩擦，以及使冷却空气移向冷却空气出口(未显示)(即，平行于顺序衬套纵向轴线而移动)，而不跨过侧面16而移动得过于远。相比之下，来自最远离侧面16的孔的空气将与侧面16具有较少相互作用，并且因此在移向冷却空气出口之前，将跨过侧壁而行进远得多(即，垂直于顺序衬套纵向轴线而更远)。大体上，顺序衬套冷却通道中的冷却空气流与顺序衬套内壁内部的热气流的方向相反。
在一些情况下，与图4中显示的类似的作用可由单个对流冷却孔实现，单个对流冷却孔具有形状合适的孔(例如，单个孔延伸跨过图4中显示的三个孔的总宽度)。
在使用上面描述的顺序衬套来进行冷却的方法中，冷却空气通过对流冷却孔18馈送。然后冷却空气传送通过顺序衬套冷却通道，通常最初沿主要平行于垂直于顺序衬套纵向轴线的平面的方向，然后转向而向上传送通过顺序衬套冷却通道(大体沿与热气流方向34相反的方向)到达冷却空气出口(未显示)。
在改造燃气涡轮的方法中，燃气涡轮包括顺序衬套，顺序衬套具有顺序衬套外壁和顺序衬套内壁，首先移除顺序衬套外壁，然后添加新顺序衬套外壁，如上面描述的那样。如有必要，方法可另外包括以下步骤：在添加新顺序衬套外壁之前，将至少一个肋附连到顺序衬套内壁上，如本申请别处描述的那样。
顺序衬套10可在例如罐式燃烧器或管状燃烧器上使用。
对流冷却孔18可如图中显示的那样为卵形，或者它们可备选地为长方形、菱形，或者另一个规则或不规则形状。优选地，与在垂直于顺序衬套纵向轴线的平面中相比，对流冷却孔沿顺序衬套纵向轴线方向延伸得更远。优选地，对流冷却孔在顺序衬套纵向轴线方向上比在垂直于顺序衬套纵向轴线的平面中更长，其中跨过对流冷却孔的最长距离优选地至少两倍于，最优选地三倍于跨过对流冷却孔的最短距离的长度。
在图4中，显示了成组的三个对流冷却孔，但也可提供两个、四个或更多个冷却对流冷却孔。还可在顺序衬套纵向轴线方向上提供两个或更多个对流冷却孔，诸如在图5中。这在侧面上期望有较大截面的对流冷却时可为有利的。各种其它组合是可行的，诸如移除图5中的四个对流冷却孔中的任何一个或两个。在选择使用哪个实施例时，结构问题可为有关的；制造具有超过一个对流冷却孔的实施例可能更复杂，但它也可提供具有若干个较小的对流冷却孔，而非一个大对流冷却孔的结构优点。
冲击冷却孔20在外壁的外侧上可具有戽斗(scoop)，以将空气引导到顺序衬套冷却通道中。在显示的示例中，侧面16的邻近对流冷却孔20的区域没有冲击冷却孔，因为它被以对流的方式冷却，但在一些实施例中，也可在这个区域中提供冲击冷却孔，而且与在无对流冷却的区域中相比，这里可具有更少冲击冷却孔。无冲击冷却孔的区域典型地是最接近相邻顺序衬套的区域(例如参见图3)。因此，侧面将典型地比内侧面和外侧面具有更少冲击冷却孔。
冲击冷却孔20布置成将对流冷却流引导到邻近各个相邻面的顺序衬套冷却通道。如图2B中显示的那样，孔优选地邻近顺序衬套冷却通道，使得空气直接进入到冷却通道中。也就是说，孔位于外壁的不直接面向内壁而是面向与相邻面相关联的冷却通道的部分中。相反，冲击冷却孔通常设置在外壁中，在那里，冲击冷却孔直接与内壁相对(参见例如图1和2B)。
可修改肋的各种属性和尺寸，并且现在将描述这些修改中的一些。这些属性和尺寸中的大部分彼此不排斥，而是可按许多不同的方式混合在一起。在图2B中，显示了肋24、25、26附连到外壁上，并且延伸跨过顺序衬套冷却通道的距离的大约75%。但是，设想到各种其它实施例，其中肋不同程度地延伸跨过顺序衬套冷却通道。肋可延伸跨过顺序衬套冷却通道的整个宽度，并且可仅附连到外壁上(这可使改造简化)，仅附连到内壁上，或者附连到它们两者上。在包括超过一个肋的实施例中，肋可为不同的，例如一个肋附连到外壁12上，并且另一个肋附连到内壁22上。将肋附连到内壁上可帮助提高内壁的刚性和蠕变寿命，而且还可帮助改进来自内壁的热传递。
可通过例如CMT(冷金属迁移)、硬钎焊或传统的焊接将肋应用到外壁和/或内壁上。在使用了不可焊接的金属的情况下，也可使用激光金属成形。
与图2B中显示的相比，肋可更小程度地延伸跨过顺序衬套冷却通道，例如跨过通道的距离的大约50%或大约25%。优选地，肋延伸跨过通道的距离的至少25%，更优选地至少50%，以及最优选地至少75%。在一些实施例中，与后面的肋相比，最接近对流冷却孔的肋(图2B中的肋26)延伸更小的程度。例如，第一肋延伸大约25%(图2B中的肋26)，第二肋延伸50%(图2B中的肋25)和第三肋延伸75%(图2B中的肋24)。改变肋延伸跨过顺序衬套冷却通道的程度可改变冷却流路径。
在图2A和2B中，显示了肋24、25、26彼此平行。但是，肋也可如图6中显示的那样会聚，使得肋在冷却空气流中朝它们的下游端会聚。也就是说，肋的下游端27比上游端28更彼此接近。这可使流加速，以及改进热传递。肋典型地布置成平行于或基本平行于顺序衬套内部的喷燃器中的热气流方向34。一个或多个肋还可为弯曲的。图7显示这样的实施例：肋弯曲，使得肋之间的通道在肋的弯曲部分之间的通道的部分中连续地会聚。连续会聚的通道可防止在弯曲部的内弯处有流分离(即，弯曲部的内侧壁中弯曲得更厉害)。
在图2A中，显示了肋在纵向方向上具有不同的长度，并且最接近对流冷却孔的肋是最短肋。但是，肋全部都可具有相同长度，或者最短肋可为除了最接近对流冷却孔的肋之外的肋。
在图4中显示的实施例中，未显示肋，但也可包括肋。图2A和2B显示了三个肋，但可使用一个、两个、四个或更多个肋。
在本文描述的示例中，使用冷却空气来提供冷却流体流，但也可使用其它冷却流体。
对所描述的实施例的各种修改是可行的，而且本领域技术人员将想到各种修改，而不偏离所附权利要求限定的本发明。

Claims (14)

1.一种用于燃气涡轮燃烧器的顺序衬套(10)，包括
-顺序衬套外壁(12)，其与顺序衬套内壁(22)间隔开，以在所述顺序衬套外壁(12)和所述顺序衬套内壁(22)之间限定顺序衬套冷却通道，
-所述顺序衬套外壁(12)包括第一面(14)、第一相邻面和第二相邻面，所述第一相邻面和所述第二相邻面各自邻近所述第一面(14)，
-所述顺序衬套外壁(12)的第一面(14)包括邻近所述第一相邻面的第一对流冷却孔(18)和邻近所述第二相邻面的第二对流冷却孔(18)，各个第一对流冷却孔和第二对流冷却孔(18)布置成将对流冷却流引导到邻近各个相邻面的顺序衬套冷却通道中。
2.根据权利要求1所述的顺序衬套(10)，其特征在于，所述顺序衬套(10)包括在所述顺序衬套内壁(22)和所述顺序衬套外壁(12)之间的至少一个肋(24，25，26)，以引导所述对流冷却流。
3.根据权利要求2所述的顺序衬套(10)，其特征在于，所述至少一个肋(24，25，26)延伸跨过所述顺序衬套外壁(12)和所述顺序衬套内壁(22)之间的距离的一部分。
4.根据权利要求2所述的顺序衬套(10)，其特征在于，一个或多个所述肋(24，25，26)中的至少一个平行于燃气涡轮燃烧器热气流(34)。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的顺序衬套(10)，其特征在于，所述至少一个肋(24，25，26)是多个肋(24，25，26)，其中，各个肋(24，25，26)相对于冷却空气流具有下游端(27)和上游端(28)，以及其中，相对于所述肋(24，25，26)的下游端(27)，所述肋(24，25，26)的上游端(28)彼此间隔开更远。
6.根据权利要求2至4中的任一项所述的顺序衬套(10)，其特征在于，所述肋(24，25，26)中的一个或多个是弯曲的。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的顺序衬套(10)，其特征在于，第一对流冷却孔和第二对流冷却孔(18)包括至少两个彼此相邻的单独的孔。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的顺序衬套(10)，其特征在于，跨过所述第一对流冷却孔(18)中的至少一个的最长距离为跨过所述第一对流冷却孔(18)的最短距离的长度的至少两倍。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的顺序衬套(10)，其特征在于，所述顺序衬套(10)包括在所述顺序衬套外壁(12)中的多个冲击冷却孔(20)。
10.根据权利要求9所述的顺序衬套(10)，其特征在于，所述多个冲击冷却孔(20)小于所述第一对流冷却孔(18)。
11.一种燃气涡轮，包括根据权利要求1至10中的任一项所述的顺序衬套(10)。
12.一种冷却用于燃气涡轮燃烧器的顺序衬套(10)的方法，所述顺序衬套(10)包括顺序衬套外壁(12)，其与顺序衬套内壁(22)间隔开，以在所述顺序衬套外壁(12)和所述顺序衬套内壁(22)之间限定顺序衬套冷却通道，所述顺序衬套外壁(12)包括第一面(14)、第一相邻面和第二相邻面，所述第一相邻面和所述第二相邻面各自邻近所述第一面(14)，所述顺序衬套外壁(12)的第一面(14)包括邻近所述第一相邻面的第一对流冷却孔(18)和邻近所述第二相邻面的第二对流冷却孔(18)，各个第一对流冷却孔和第二对流冷却孔(18)布置成将对流冷却流引导到邻近各个相邻面的顺序衬套冷却通道中，所述方法包括：
-通过所述第一对流冷却孔和所述第二对流冷却孔将冷却空气馈送到所述顺序衬套冷却通道中；以及
-用所述冷却空气以对流的方式冷却所述顺序衬套内壁。
13.一种改造燃气涡轮的方法，所述燃气涡轮包括顺序衬套(10)，所述顺序衬套具有顺序衬套外壁(12)，其与顺序衬套内壁(22)间隔开，以在所述顺序衬套外壁(12)和所述顺序衬套内壁(22)之间限定顺序衬套冷却通道，所述方法包括：
-移除所述顺序衬套外壁；以及
-添加新顺序衬套外壁，所述顺序衬套外壁(12)包括第一面(14)、第一相邻面和第二相邻面，所述第一相邻面和所述第二相邻面各自邻近近所述第一面(14)，所述顺序衬套外壁(12)的第一面(14)包括邻近所述第一相邻面的第一对流冷却孔(18)和邻近所述第二相邻面的第二对流冷却孔(18)，各个第一对流冷却孔和第二对流冷却孔(18)布置成将对流冷却流引导到邻近各个相邻面的顺序衬套冷却通道中。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在添加新顺序衬套外壁(12)之前，将至少一个肋(24，25，26)附连到所述顺序衬套内壁(22)上。
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