CN110446829B - 具有用于双重利用燃气涡轮发动机的燃烧器部段中的冷却流体的导管布置结构的系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种有效地用于双重利用燃气涡轮发动机中的冷却流体的系统。冷却环（22、70）经受从燃烧器篮接收的高温燃烧流，并且可包括衬套（72），该衬套（72）包括至少一个供给通道（74），以接收冷却流体。供给歧管（76）与供给通道（74）流体连通，以将冷却流体供给到与多个离开孔口（80、90）流体连通的多个导管（78）。多个共振器（例如，42、92）与冷却环的离开孔口中相应的离开孔口流体连通。可替代地，分配器歧管（38）可包括多个歧管扇区（40），该多个歧管扇区（40）与布置成输送冷却流体的多个导管（32）流体连通。该多个共振器中的一些可以不同量的冷却流体来操作，并且冷却环的该多个离开孔口中的相应组可被构造成供应适合于相应的共振器的量的冷却流体，该相应的共振器与冷却环的该多个离开孔口中的该相应组流体连通。

Description

具有用于双重利用燃气涡轮发动机的燃烧器部段中的冷却流 体的导管布置结构的系统

本申请要求于2017年3月30日同日提交的美国临时申请62/478,826和62/478,799的权益，上述两个申请都通过引用结合于本文中。

技术领域

所公开的实施例总体上涉及一种燃烧涡轮发动机，并且更具体而言，涉及一种具有导管布置结构的系统，该导管布置结构有效地用于双重利用燃气涡轮发动机的燃烧器部段中的冷却流体。

背景技术

例如燃气涡轮发动机之类的燃烧涡轮发动机例如包括压缩机部段、燃烧器部段和涡轮部段。进入的空气在压缩机部段中被压缩，并随后与燃料混合，并且所产生的空气和燃料的混合物在燃烧器部段中被点燃，以产生高温和高压的燃烧流，该燃烧流被输送到发动机的涡轮部段，在那里热能被转换成机械能。

在涡轮发动机的操作期间，声压振荡可能以不期望的频率在燃烧器部段中形成。这样的压力振荡可损伤燃烧器部段中的部件。为了避免这样的损伤，可在涡轮发动机的燃烧器部段中布置一个或多个声阻尼装置。一种常用的声阻尼装置是共振器，例如亥姆霍兹共振器（Helmholtz resonator）等。在发动机操作期间，冷却流体，例如在燃烧器部段中压缩的一些空气，例如可通过共振器箱顶部上的孔来输送到共振器的内腔。该冷却流体可通过与燃烧区流体连通的衬套孔口来离开共振器，在该燃烧区，该冷却流体可与在燃烧器部段中被点燃的燃料和空气的混合物混合。美国专利号8,720,204和US 9,410,494中描述了共振器布置结构的示例。

附图说明

根据附图在下面的描述中解释本发明，这些附图示出了：

图1示出了现有技术的燃烧器部段的一部分的局部剖视图。

图2示出了所公开的系统的一个非限制性实施例的局部剖视图，该系统有效地用于双重利用燃气涡轮发动机中的冷却流体。

图3示出了所公开的冷却环（cooling annulus）的透视图，其图示了用于输送冷却流体的导管布置结构的一个非限制性实施例。

图4示出了可布置在图3中所示的所公开的冷却环中的导管的非限制性实施例的示意性细节。

图5和图6示出了可受益于所公开的系统的共振器的一个非限制性实施例的相应透视图。

图7是图2中所示的所公开系统的局部透视图。

图8示出了可受益于所公开的系统的共振器的另一个非限制性实施例的局部剖视图。

图9示出了所公开的冷却环的透视图，其图示了用于输送冷却流体并且包括供给歧管的导管布置结构的另一个非限制性实施例。

图10示出了与图9中所示的导管布置结构的一部分相关的示意性细节。

图11示出了可布置在冷却环的包括叠置的多板式布置结构的衬套中的导管的局部剖视图。

具体实施方式

图1示出了例如燃气涡轮发动机之类的燃烧涡轮发动机中的现有技术的燃烧器部段10的局部剖视图。燃烧器部段10可包括弹簧夹组件12和具有冷却通道16的冷却圈（cooling ring）14，该冷却通道16允许例如空气（通过箭头17示意性地表示）之类的冷却流体在冷却圈14的上游侧上进入并在冷却圈14的下游侧处离开，其中该冷却流体在燃烧器部段中的燃烧区下游的位置处被倾倒。

本发明人已经认识到，由于冷却流体被倾倒在实际燃烧过程发生的位置的下游的位置处，那么该冷却流体实际上不能参与燃烧过程，这可导致更高的NOx排放和降低的发动机效率。

至少鉴于前述考虑，本发明人在所公开的实施例中提出了一种创新的系统，该系统有效地用于双重利用燃气涡轮发动机的燃烧器部段中的冷却流体。也就是说，一种用于满足共振器流体冷却和清除需求的再生利用冷却流体的系统，该冷却流体先前仅用于冷却待另外使用的冷却圈。无限制地，这可涉及重复使用先前在冷却圈的下游端处倾倒的冷却流体。例如，代替在冷却圈的下游端处倾倒这样的冷却流体，在所公开的实施例中，例如，出于共振器冷却的目的，该冷却流体可朝向共振器部段向上游重新引导。

将会理解的是，先前不能参与燃烧过程的先前在冷却圈的出口处倾倒的冷却流体现在可被有效地重新用于共振器冷却的目的，并且随后，在燃烧器部段中与燃料和空气的混合物混合，在那里这样的冷却流体现在可有效地参与燃烧过程。因此，与图1中所示的布置结构相比，预期所提出的系统有利地导致较低的NOx排放和提高的发动机效率。

本发明人已进一步认识到，在共振器布置结构的实际实施中，共振器中的至少一些可包含可能需要不同的冷却流体量的不同的共振器构造。因此，如果不管这样的共振器的实际冷却流体需求如何，都向不同的共振器构造提供相等量的冷却流体，如美国专利号8,720,204中所述，则具有较少冷却流体需求的共振器可能会被不必要地供应较大量的冷却流体。相反，具有较高流体冷却需求的共振器可能会经历至少一些冷却流体不足。

考虑到这种进一步的认识，所公开的实施例还提出一种系统，该系统可被构造成供应一定量的冷却流体，该量适合于满足每个相应的共振器的特定冷却流体需求。

在下面的详细描述中，阐述了各种具体细节以便提供对这样的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例，本发明不限于所描绘的实施例，并且可以在各种替代实施例中实践本发明。在其他情况下，没有详细描述本领域技术人员将很好地理解的方法、过程和部件，以避免不必要和繁琐的解释。

此外，可以将各种操作描述为以有助于理解本发明的实施例的方式来执行的多个离散的步骤。然而，除非另有指示，否则描述的顺序不应被解释为暗示这些操作需要按照它们被呈现的顺序来执行，也不应被解释为暗示它们甚至是依赖于顺序的。此外，表达“在一个实施例中”的重复使用不一定表示相同的实施例，尽管它可以表示相同的实施例。要注意的是，所公开的实施例不需要被解释为相互排斥的实施例，这是因为这些公开的实施例的各方面可以由本领域技术人员根据给定应用的需要来适当地组合。

如本申请中所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”等意在是同义的，除非另有指示。最后，如本文中所使用的，表达“构造成”或“布置成”包含如下概念，即：将表达“构造成”或“布置成”之前的特征有意和特别地设计成或使之以特定的方式动作或起作用，并且该特征不应被解释为意味着该特征仅具有以该指定的方式来动作或起作用的能力或适应性，除非如此指示。

图2示出了所公开的系统20的局部剖视图，该系统20有效地用于双重利用燃气涡轮发动机的燃烧器部段中的冷却流体。在一个非限制性实施例中，系统20包括冷却环22（例如，冷却圈），其经受从燃烧器篮（未示出）接收的高温燃烧流（通过箭头24示意性地表示）。

如图3中所见，高温燃烧流在冷却环22的上游侧26和下游侧28之间通过。如在图3中进一步看到的，在一个非限制性实施例中，冷却环22包括衬套30，该衬套30包括多个导管32，该多个导管32布置成将在多个进入孔口34处接收的冷却流体输送到多个离开孔口36。

返回到图2，在一个非限制性实施例中，系统20还包括分配器歧管38，在一个非限制性实施例中，该分配器歧管38可靠近冷却环22的上游端26设置。在一个非限制性实施例中，分配器歧管38可被概念化为限定多个周向延伸的歧管扇区（manifold sector）（两个这样的歧管扇区在图7中通过双头箭头40来示意性地表示），这些歧管扇区与冷却环22的所述多个离开孔口36流体连通，以接收通过导管32输送的冷却流体。将会理解的是，分配器歧管38可以是单件式或多件式结构。

多个共振器42（在图2中看到一个这样的共振器的局部视图）与分配器歧管38流体连通。如上所述，在实际的实施例中，如在图5和图6中可以理解的，该多个共振器42中的至少一些（以它们相应的罩盖的局部视图示出）可包含可能需要不同的冷却流体量的不同的共振器构造。如在图5和图6中可进一步理解的，在一个非限制性实施例中，该多个共振器可包括共同的周向延伸的壁44（例如，下游端壁），该壁44包括与分配器歧管38（在图5和图6中未示出）流体连通的壁孔口46，以接收冷却流体。在一个非限制性实施例中，该多个共振器42可使用适当的制造技术来构造在燃烧器篮的衬套中，所述适当的制造技术例如机加工、激光切割等。

在一个非限制性实施例中，分配器歧管38的多个歧管扇区40中的相应一个（图7）可被构造成供应适合于该多个共振器42中相应的一个共振器的量的冷却流体，该相应的一个共振器与分配器歧管38的该多个歧管扇区40中的该相应一个流体连通。例如，分配器歧管38的该多个歧管扇区40中的该相应一个可包含不同数量的壁孔口和/或不同的孔口几何形状，以供应适合于该多个共振器42中该相应的一个共振器的量的冷却流体，该相应的一个共振器与分配器歧管的该多个歧管扇区40中的该相应一个流体连通。例如，相对于流体耦接到需要较少量的冷却流体的共振器的歧管扇区，流体耦接到需要较多量的冷却流体的共振器的歧管扇区可包括更多数量的孔口。

如图4中所示，在一个非限制性实施例中，所述多个导管32中的相应一个可包括第一导管段48（例如，直的导管段），该第一导管段48沿下游方向从相应的进入孔口34延伸到第二导管段50（例如，弯曲段）的起点，该第二导管段50从下游方向引导到上游方向。导管32还可包括第三导管段52（例如，直的导管段），该第三导管段52沿上游方向从第二导管段50的端部延伸到与分配器歧管38流体连通的相应的离开孔口36。无限制地，第一导管段48、第二导管段50和第三导管段52相结合可被概念化为限定了J形导管。在一个非限制性实施例中，第一导管段48、第二导管段50和第三导管段52可在冷却环中沿共面的轴线延伸。

在图11中所示的另一个非限制性实施例中，其中冷却环的衬套可包括叠置的多板式布置结构60，在图4的背景下论述的导管段（例如，第一导管段48、第二导管段50和第三导管段52）可在冷却环中沿非共面的轴线延伸，如图11中的箭头62示意性地表示的。也就是说，这样的导管不需要是共面的。

如图4中进一步示出的，在一个非限制性实施例中，所述多个导管中的另一导管54可包括导管段（例如，直的导管段），该导管段从相应的进入孔口56沿上游方向延伸到与分配器歧管38流体连通的相应的离开孔口58，例如，该相应的进入孔口56可与第一导管段48的相应的进入孔口34在上游隔开。

图9示出了所公开的冷却环70的透视图，其图示了用于输送冷却流体的导管布置结构的另一个非限制性实施例。图10示出了与图9中所示的导管布置结构的一部分相关的放大细节图。在该实施例中，冷却环70包括衬套72，该衬套72包括至少一个供给通道74，该供给通道74例如可具有设置在冷却环的上游侧26和下游侧28之间的入口75，以接收冷却流体。

冷却环70还包括与供给通道74流体连通的供给歧管76，以将冷却流体供给到多个导管78，该多个导管78沿上游方向延伸，并且与冷却环的多个离开孔口80流体连通。在一个非限制性实施例中，供给歧管76可接近冷却环70的下游侧28设置，并且冷却环的该多个离开孔口80可被设置在冷却环的上游侧26处。供给歧管76和与冷却环的该多个离开孔口流体连通的该多个导管可被布置在冷却环70的周向扇区（例如，在图9中通过双头箭头82示意性地表示）之上。

另外的供给歧管84可被布置成与相应的另外的供给通道86流体连通，以接收另外的冷却流体。例如，该另外的供给歧管84可被布置成将该另外的冷却流体供给到与冷却环的相应的另外多个离开孔口90流体连通的相应的另外多个导管88。

多个共振器92（为简化图示，图8中示出了一个这样的共振器，其可被焊接或以其他方式固定到衬套）与冷却环70的离开孔口80、90中的相应的离开孔口流体连通。如上所述，在实际的实施例中，该多个共振器92中的至少一些可包含可能需要不同的冷却流体量的不同的共振器构造。在一个非限制性实施例中，冷却环70的该多个离开孔口80、90中的相应组可被相应地构造成供应适合于该多个共振器92中相应的一个共振器的量的冷却流体，该相应的一个共振器与冷却环的该多个离开孔口中的该相应组流体连通。例如，冷却环的该多个离开孔口80、90中的相应组可包括不同数量的壁孔口和/或不同的孔口几何形状，以供应适合于该多个共振器中该相应的一个共振器的量的冷却流体，该相应的一个共振器与冷却环的该多个离开孔口中的该相应组流体连通。例如，相对于流体耦接到需要较少量的冷却流体的共振器的离开孔口组，流体耦接到需要较多量的冷却流体的共振器的离开孔口组可包括更多数量的孔口。

在一个非限制性实施例中，如图8中所示，冷却环的该多个离开孔口80、90中的该相应组可与腔室94流体连通，该腔室94由该多个共振器92中的该相应一个的壳体96限定。腔室94又可与该多个共振器中的该相应一个的腔98流体连通。将会理解的是，所公开的有效地用于双重利用燃气涡轮发动机的燃烧器部段中的冷却流体的系统实施例不限于任何特定类型的共振器或共振器构造形式。因此，具有特定共振器实施方式的附图中所示的所公开的系统实施例应当以示例的意义而非以限制性的意义来解释。

在操作中，预期所公开的实施例以具有成本效益的方式来提供有效地用于双重利用燃气涡轮发动机的燃烧器部段中的冷却流体的稳健且可靠的系统。预期所公开的实施例有利地提供较低的NOx排放和提高的发动机效率，同时还为所涉及的部件提供高效的冷却性能。

虽然本文已示出和描述了本发明的各种实施例，但将显而易见的是，这样的实施例仅作为示例提供。可在不脱离本文中的发明的情况下作出许多变型、改变和替换。因此，本发明意在仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种有效地用于双重利用燃气涡轮发动机中的冷却流体的系统，所述系统包括：

冷却环（70），其经受从燃烧器篮接收并且在所述冷却环（70）的上游侧（26）和下游侧（28）之间通过的高温燃烧流，所述冷却环（70）包括衬套（72），所述衬套（72）包括至少一个供给通道（74、86），以接收所述冷却流体；

供给歧管（76、84），其与所述至少一个供给通道（74、86）流体连通，以将所述冷却流体供给到沿上游方向延伸的多个导管（78、88），所述多个导管（78、88）与所述冷却环（70）的多个离开孔口（80、90）流体连通；以及

多个共振器（92），其与所述冷却环（70）的所述离开孔口（80、90）中相应的离开孔口流体连通，所述多个共振器（92）中的至少一些构造成以不同量的所述冷却流体来操作，其中，所述冷却环（70）的所述多个离开孔口（80、90）中的相应组被相应地构造成供应适合于所述多个共振器（92）中相应的一个共振器的量的所述冷却流体，所述相应的一个共振器与所述冷却环（70）的所述多个离开孔口（80、90）中的所述相应组流体连通，

其中，所述冷却环（70）的所述多个离开孔口（80、90）中的所述相应组包括不同数量的离开孔口（80、90）和/或不同的孔口几何形状，以供应适合于所述多个共振器（92）中所述相应的一个共振器的所述量的所述冷却流体，所述相应的一个共振器与所述冷却环（70）的所述多个离开孔口（80、90）中的所述相应组流体连通。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供给歧管（76、84）接近所述冷却环（70）的所述下游侧（28）设置，其中，所述冷却环（70）的所述多个离开孔口（80、90）被设置在所述冷却环（70）的所述上游侧处，并且其中，所述供给通道（74 、 86 ）的入口被设置在所述冷却环（70）的所述上游侧（26）和所述下游侧（28）之间。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供给歧管（76、84）和与所述冷却环（70）的所述多个离开孔口（80、90）流体连通的所述多个导管（78、88）被布置在所述冷却环（70）的周向扇区之上。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个导管（78、88）在所述冷却环（70）中沿共面的轴线延伸。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却环（70）的所述衬套（72）包括叠置的多板式布置结构，并且其中，所述多个导管（78、88）中的至少一些在所述冷却环（70）中沿非共面的轴线延伸。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却环（70）的所述多个离开孔口（80、90）中的所述相应组与由所述多个共振器（92）中所述相应的一个共振器的壳体（96）限定的腔室（94）流体连通，并且其中，所述腔室（94）又与所述多个共振器（92）中所述相应的一个共振器流体连通。

7.一种有效地用于双重利用燃气涡轮发动机中的冷却流体的系统，所述系统包括：

冷却环（22），其经受从燃烧器篮接收并且在所述冷却环（22）的上游侧（26）和下游侧（28）之间通过的高温燃烧流，所述冷却环（22）包括衬套（30），所述衬套（30）包括多个导管（32），所述多个导管（32）布置成将在多个进入孔口（34）处接收的冷却流体输送到多个离开孔口（36）；

分配器歧管（38），其包括与所述冷却环（22）的所述多个离开孔口（36）流体连通的多个歧管扇区（40），以接收通过所述导管（32）输送的所述冷却流体；

多个共振器（42），其与所述分配器歧管（38）流体连通，所述多个共振器（42）中的至少一些构造成以不同量的所述冷却流体来操作，其中，所述分配器歧管（38）的所述多个歧管扇区（40）中相应的一个歧管扇区被构造成供应适合于所述多个共振器（42）中相应的一个共振器的量的所述冷却流体，所述相应的一个共振器与所述分配器歧管（38）的所述多个歧管扇区（40）中所述相应的一个歧管扇区流体连通，

其中，所述分配器歧管（38）的所述多个歧管扇区（40）中所述相应的一个歧管扇区包括不同数量的离开孔口（36）和/或不同的孔口几何形状，以供应适合于所述多个共振器（42）中所述相应的一个共振器的所述量的所述冷却流体，所述相应的一个共振器与所述分配器歧管（38）的所述多个歧管扇区（40）中所述相应的一个歧管扇区流体连通。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述分配器歧管（38）接近所述冷却环（22）的所述上游侧（26）设置。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个共振器（42）包括共同的周向延伸的壁（44），所述壁（44）包括与所述分配器歧管（38）流体连通的壁孔口（46），以接收所述冷却流体。

10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个导管（32）中相应的一个导管包括第一导管段（48），所述第一导管段（48）沿下游方向从相应的进入孔口（34）延伸到第二导管段（50）的起点，所述第二导管段（50）从所述下游方向引导到上游方向，其中，所述多个导管（32）中所述相应的一个导管还包括第三导管段（52），所述第三导管段（52）沿所述上游方向从所述第二导管段（50）的端部延伸到与所述分配器歧管（38）流体连通的相应离开孔口（36）。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述多个导管（32）中的另一导管包括导管段（54），所述导管段（54）沿所述上游方向从与所述第一导管段（48）的相应进入孔口（34）在上游隔开的相应进入孔口（56）延伸到与所述分配器歧管（38）流体连通的相应离开孔口（58）。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一导管段（48）和所述第三导管段（52）包括直的导管段，并且所述第二导管段（50）包括弯曲的导管段。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一导管段（48）、所述第二导管段（50）和所述第三导管段（52）相结合限定了J形导管。

14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一导管段（48）、所述第二导管段（50）和所述第三导管段（52）在所述冷却环（22）中沿共面的轴线延伸。

15.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述冷却环（22）的所述衬套（30）包括叠置的多板式布置结构（60），并且其中，所述第一导管段（48）、所述第二导管段（50）和所述第三导管段（52）在所述冷却环（22）中沿非共面的轴线延伸。

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