CN113330190A - 用于向燃气涡轮机燃烧室提供压缩空气的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于将冷却空气引导到燃气涡轮机燃烧室中的系统。该系统包括耦接至流动套筒的过渡管道，其中，待用于燃烧室冷却并在燃烧过程中使用的空气进入过渡管道的喇叭口，穿过喇叭口内的多个支柱，并且分配到位于燃烧衬套与流动套筒之间的通道。

Description

用于向燃气涡轮机燃烧室提供压缩空气的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年11月2日提交的美国非临时专利申请号16/178,768的优先权。本申请还要求2018年11月2日提交的美国非临时专利申请号16/178,682的优先权。这些申请各自的公开内容通过引用以其全文并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及一种用于改善到燃气涡轮机燃烧室的气流供应和分配的系统。更具体地，本公开的实施例涉及燃气涡轮机燃烧室的过渡管道和流动套筒之间的重新配置的空气流动入口区域。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括经由轴向轴耦接至多级涡轮机的多级压缩机。空气通过压缩机进入燃气涡轮发动机，在该处当空气通过压缩机的后续级时其温度和压力增加。压缩空气然后被引导至一个或更多个燃烧室，在那里压缩空气与燃料源混合以产生可燃混合物。该混合物在一个或更多个燃烧室中被点燃以产生热燃烧气体流。这些气体被引导到涡轮机中，引起涡轮机旋转，从而驱动压缩机。燃气涡轮发动机的输出可以是经由来自涡轮机的排气的机械推力或来自轴向轴的旋转的轴动力，其中轴向轴可以驱动发电机以产生电力。

在典型的工业燃气涡轮发动机中，燃烧室区段包括多个环管型燃烧室。在该布置中，多个单独的燃烧室围绕燃气涡轮发动机的轴线布置。燃烧室中的每一个通常包括位于流动套筒内的燃烧衬套和位于燃烧衬套入口处的一个或更多个燃料喷嘴。压缩空气在与燃烧衬套中的燃料混合之前在流动套筒和燃烧衬套之间并且沿着燃烧衬套的外表面通过。通过将压缩空气引导到燃烧衬套上方，空气冷却燃烧衬套并且在燃烧之前被预加热，从而产生更有效的燃烧过程。来自发动机压缩机的空气还可以用于冷却过渡管道，如本领域技术人员所理解的，过渡管道用于将热的燃烧气体从燃烧衬套引导到涡轮机入口。

在现有技术的燃烧系统中，一部分压缩空气穿过流动套筒中的一系列注入口被喷射到燃烧衬套和流动套筒之间的通道中。该现有技术配置如图1所示，并包括具有多个开口12和注入口或管道14的流动套筒10。在流动套筒10内定位有与过渡管道18耦接的燃烧衬套16。过渡管道18包括外部冷却套筒20。来自发动机压缩机的空气进入形成在过渡管道18与外部冷却套筒20之间的通道22，并且沿着过渡管道18的外壁和燃烧衬套16的外壁流动，如图1中的箭头所示。流动套筒10的开口12和注入口14提供朝向燃烧衬套16的冷却空气射流。这种布置产生冷却空气的交叉流动，从而使穿过开口12和注入口14进入的空气与通道22中的空气之间产生不利的相互作用。这样，燃烧衬套的后端的冷却不是如所希望的那样有效。

发明内容

以下呈现了本公开的简化概述以提供对其某些方面的基本理解。本概述不是应用的广泛概述。其并不旨在标识本公开的关键元素或描绘本公开的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本公开的一些概念，作为本文其他地方呈现的更详细描述的序言。

本发明提供了用于改善到燃气涡轮机燃烧系统的冷却空气流的系统和方法，从而提供冷却空气沿着燃烧衬套的更均匀分布。

在本公开的实施例中，提供了用于燃气涡轮发动机的过渡管道，并且过渡管道包括入口环、连接至入口环的管道主体以及连接至管道主体的后框架。喇叭口定位在入口环的径向外侧并且包围入口环。多个支柱在喇叭口和入口环之间延伸，其中支柱具有前缘、相对的后缘和厚度。在这种配置中，用于燃气涡轮发动机中的燃烧的空气在多个支柱之间穿过喇叭口，并且被引导到耦接至过渡管道的燃烧系统。

在本公开的替代实施例中，提供了一种用于燃气涡轮机燃烧室的流动入口装置。流动入口装置包括：入口环、喇叭口和多个支柱，喇叭口定位在入口环的径向外侧并且包围入口环，多个支柱在入口环与喇叭口之间延伸。入口环和喇叭口引导多个支柱之间的空气以用于燃气涡轮机燃烧室中。

在本公开的又一个实施例中，提供了一种增加通向燃气涡轮机燃烧室的气流的方法。该方法提供用于燃气涡轮发动机的过渡管道，该过渡管道具有入口环、连接到入口环上的管道主体、连接到管道主体上的后框架、喇叭口以及多个支柱，喇叭口径向向外定位并且围绕入口环，多个支柱定位在喇叭口与入口环之间，其中支柱具有前缘、相对的后缘和厚度。流动套筒耦接到过渡管道上，并且空气流被引导穿过喇叭口、多个支柱之间并且朝向燃气涡轮机燃烧室的入口。

本发明的目的在于提供一种改进的将冷却空气引导到燃气涡轮燃烧系统中并沿燃气涡轮燃烧系统引导冷却空气的方法，该方法包括对各种燃烧室硬件的改进，使得整个冷却空气分布得到改进。

从以下描述和权利要求中可以最好地理解本公开的这些和其他特征。

附图说明

下面参考附图详细描述本公开，在附图中：

图1是根据现有技术的燃气涡轮机燃烧室的一部分的横截面图。

图2是根据本公开的实施例的燃气涡轮机燃烧室的过渡管道的立体图。

图3是根据本公开的实施例的图2的过渡管道的替代透视图。

图4是根据本公开的实施例的图3的过渡管道的一部分的详细立体图。

图5是根据本公开的实施例的图2的过渡管道的正视图。

图6是根据本公开的实施例的图5的过渡管道的局部横截面图。

图7是根据本公开的实施例的图2的过渡管道的一部分的正视图。

图8是根据本公开的实施例的图7的过渡管道的局部横截面图。

图9是根据本公开的实施例的过渡管道、流动套筒和燃烧衬套的局部横截面图。

图10是根据本公开的实施例的过渡管道的替代透视图。

图11是根据现有技术的燃气涡轮机燃烧室的一部分的透视图。

图12是根据现有技术的图11的燃气涡轮机燃烧室的部分的横截面图。

图13是根据现有技术的图12的燃气涡轮机燃烧室的一部分的替代横截面图。

图14是根据现有技术的用于燃烧衬套的安装接片的正视图。

图15是根据现有技术的用于燃烧衬套的安装接片的替代正视图。

图16是根据本公开的实施例的燃气涡轮机燃烧室的一部分的立体图。

图17是根据本公开的实施例的图16的燃气涡轮机燃烧室的部分的横截面图。

图18是根据本公开的实施例的图16的燃气涡轮机燃烧室的部分的替代横截面图。

图19是根据本公开的实施例的用于燃烧衬套的安装接片的正视图。

图20是根据本公开的实施例的用于燃烧衬套的安装接片的替代正视图。

图21是根据本公开的实施例的图16的燃气涡轮机燃烧室的部分的替代横截面图。

图22是识别将燃烧衬套固定在燃气涡轮机燃烧室中的方法的图解。

具体实施方式

本公开旨在用于燃气涡轮发动机中，诸如用于飞机发动机和/或发电的燃气涡轮机。这样，本公开能够在多种涡轮机操作环境中使用，而不管制造商如何。

如本领域技术人员将容易理解的，燃气涡轮发动机绕发动机中心线或轴向中心线轴线周向布置。发动机包括压缩机、燃烧区段以及涡轮机，其中涡轮机经由发动机轴耦接至压缩机。如本领域所熟知的，在压缩机中压缩的空气与燃料混合，混合空气的燃料在燃烧区段中燃烧并且在涡轮机中膨胀。对于某些燃气涡轮发动机，诸如用于发电的工业燃气涡轮机等，燃烧系统包括多个互连的环管型燃烧腔室，每个燃烧腔室将热燃烧气体经由过渡管道引导至涡轮机入口。过渡管道通常具有变化的几何轮廓以便将圆柱形燃烧室连接到环形涡轮机入口的一部分上。

图2-图10中描绘了本公开的不同实施例。首先参见图2，提供了能够将燃烧衬套连接到涡轮机的过渡管道200。过渡管道200包括连接至管道主体204的入口环202，入口环202和管道主体204一起形成用于将热燃烧气体引导至涡轮机的气体路径轮廓。管道主体204通常由于过渡管道200的操作温度而被主动冷却。对于图2中所描绘的实施例，多个冷却孔206放置在管道主体204中。冷却孔206的尺寸、形状、取向和间距可变化，以便向管道主体204提供所需的冷却流，因为管道主体204的各种表面将需要不同量的冷却空气。

后框架208连接至管道主体204的相对端部。后框架208的形状被形成为对应于涡轮机区段(未示出)入口的一部分。对于过渡管道200，入口环202是大致圆柱形的，后框架是弧形矩形开口，并且管道主体204在这两个开口之间过渡。

喇叭口210定位在入口环202的径向外侧并且包围入口环202。喇叭口210提供入口212，冷却空气穿过入口212提供至燃烧系统，如图9所示。即，用于冷却和燃烧的空气穿过喇叭口210。入口212还促进压缩空气进入具有张开的入口214的喇叭口210。向外张开并且远离喇叭口210的张开的入口通过提供较宽的开口以接纳压缩空气来帮助将压缩空气从管道主体204周围的区域引导到喇叭口210中。

多个支柱216在入口环202和喇叭口210之间径向地延伸并且附接至入口环202和喇叭口210。入口环202、喇叭口210和多个支柱216的组件固定到管道主体204，并且可以是一体的组件，诸如焊件、钎焊连接件或一体的单件式铸件等。支柱216的每一个进一步包括前缘218、相对的后缘220以及在它们之间具有厚度的主体222。支柱216的前缘218朝向张开的入口214定位。由于支柱216被定位在相对冷却的空气的区域中并且因此不需要被冷却，所以支柱216是实心的。然而，在本公开的替代配置中，支柱216可以是中空的以便减轻重量或如果希望通过支柱注入流体。

支柱216的配置可以取决于具体的发动机和燃烧室操作条件而变化。例如，在本公开的实施例中，多个支柱216具有倒圆的前缘218和倒圆的后缘220，在它们之间具有支柱216的恒定厚度。在图4中描绘了这种配置。在本发明的替代实施例中，前缘218可以是倒圆的，其中支柱的厚度渐缩，使得后缘220比前缘218薄。在本发明的又一个实施例中，支柱216的厚度在接近前缘218和后缘220处渐缩至减小的厚度。

对于图2-图10中描绘的本公开的实施例，多个支柱216相对于轴线A-A大致平行地取向。即，空气流进入入口212，穿过支柱216，然后沿大致平行于支柱216的取向的方向流动。该空气离开喇叭口210，冷却燃烧系统，并注入燃烧衬套中，在燃烧衬套中，该空气用于燃烧过程。在替代实施例中，多个支柱216可以相对于延伸穿过入口环202的轴线A-A成角度地取向，因此多个支柱216向经过支柱216之间的气流施加涡旋。在本公开的另一个实施例中，支柱216可以是弯曲的，其中支柱216中的每一个具有翼状横截面形状，该翼状横截面形状还可以用于向气流赋予涡旋。

除了支柱216的定向取向之外，入口环202和喇叭口210之间的支柱216的数量和间距也可以变化。在图2-图10所示的本公开的实施例中，多个支柱216绕入口环202的周边等距地间隔开。然而，在替代配置中，支柱216之间的间隔可以是不均匀的。例如，根据进入入口212的压缩空气流和冷却流的期望分布，一种配置可包括支柱216之间的大间隙或具有支柱216被移除的某些区域。支柱216之间的这种较大的间隙可以允许更多的空气流过这些区域，从而增加了围绕燃烧室的某些区域的冷却流。

喇叭口210在本文中被描述为过渡管道200整体的部分。然而，应理解的是，喇叭口210还可以是附接至过渡管道200上的单独部件。在使用单独的喇叭口的情况下，喇叭口可以通过滑动配合附接至过渡管道的入口，该滑动配合包括在喇叭口的内径与过渡管道的外径之间的弹簧。

本公开还提供了一种增加通向燃气涡轮机燃烧室的气流的方法。因此，提供了具有入口环202的过渡管道200、连接至入口环202的管道主体204以及连接至管道主体204的后框架208。管道主体204还包括喇叭口210和多个支柱216，喇叭口210定位在入口环202的径向外侧并且包围入口环202，多个支柱216定位在喇叭口210与入口环202之间。现在参照图9，流动套筒230被提供并耦接到过渡管道200，使得喇叭口210接合流动套筒后端232。燃烧衬套240接合过渡管道200的入口环202，从而在燃烧衬套240和流动套筒230之间形成通道242。

在操作中，将来自发动机压缩机的空气流提供到压缩机排出增压室(未示出)。该空气可用于冷却过渡管道200，然后在入口212处被引导到喇叭口210中，在入口212处，空气在支柱216之间经过，支柱216用于适当地定向和分配通道242中的压缩空气流。然后，该空气流沿着燃烧衬套240的外表面继续通过通道242，并到达燃烧室的入口。

由于喇叭口210和耦接至入口环202上的多个支柱216，用于冷却燃烧衬套240的空气沿着燃烧衬套240的外表面更均匀地分布，从而消除了对图1的现有技术的流动套筒中的开口12和注入口14的需要。消除流动套筒中的这些开口和注入口允许进一步减小整个燃烧系统的压降，并且避免如现有技术和其他燃烧室设计中所见的不同冷却空气流的交叉流动。气流也更均匀地分布到燃烧室的入口，这将提高燃烧效率并降低燃烧动态。

如所指出的，在典型的工业燃气涡轮发动机中，燃烧室区段包括多个环管型燃烧室。代表性的燃烧室区段100在图11-图15中描绘。在这种配置中，燃烧室壳体102包围流动套筒104，该流动套筒被设计成沿着燃烧衬套106的外表面帮助引导冷却空气，燃烧衬套106包含在流动套筒104内。在该配置中，燃烧室壳体102、流动套筒104和燃烧衬套106各自为大致圆柱形形状，其中流动套筒104在燃烧室壳体102内滑动，燃烧衬套106在流动套筒104内滑动。燃烧衬套106通过流动套筒塞108被轴向和径向地保持在期望位置，流动套筒塞108接纳衬套接片110，其中衬套接片110承受燃烧衬套106的载荷。

然后将燃烧室盖112固定在燃烧衬套106和流动套筒104上。燃烧室盖112还包括朝向燃烧衬套接片110延伸的轴向延伸部113。然而，轴向延伸部113不接触燃烧衬套接片110。这样，燃烧衬套106能够相对于流动套筒104略微轴向运动，从而在燃烧衬套106、流动套筒104和燃烧室盖112之间产生磨损和不希望的振动运动。

现在参见图13，该图描绘了向前看向燃烧室盖112的视图，燃烧衬套接片110位于流动套筒塞108内并且在燃烧衬套106与流动套筒104之间形成通道114。由于流动套筒塞108和燃烧衬套接片110的几何形状，流动套筒塞108阻塞通道114的一部分，因此限制压缩空气流向燃烧室盖112。

众所周知，燃烧系统通过过渡管道连接至涡轮机，其中，过渡管道沿着其轴向长度改变径向和周向轮廓以从燃烧系统过渡至涡轮机入口。

图16至图22中描绘了本公开的实施例。首先参照图16，描绘了用于燃气涡轮机燃烧系统的安装系统600。安装系统600包括多个安装接片602，多个安装接片602在入口端部605附近被固定到燃烧衬套604上。安装接片602包括具有第一宽度W1的顶部接触表面606和具有第二宽度W2的底部接触表面608，其中第一宽度W1大于第二宽度W2。系统600还包括固定到流动套筒612的多个塞610，其中，多个塞610各自具有配置成接纳多个安装接片602中的一个安装接片的槽614。

安装系统600还包括多个衬套止挡托架616，其中托架616固定到流动套筒612的凸缘618。为了进一步减少对穿过通道620的气流的任何扰动或冲击，凸缘618包括凹陷部分622，衬套止挡托架616的第一部分容纳在凹陷部分622中并固定到流动套筒612。

衬套止挡托架616具有在一个方向上延伸的臂617，使得当如图16-图17所示安装时，衬套止挡托架616紧邻或接触安装接片602的顶部接触表面606。每个衬套止挡托架616还包括托架宽度W3，如图21所示，其中托架宽度W3与安装接片的第一宽度W1相当。考虑到替代的安装接片配置和衬套止挡托架，本公开增加到相对于现有技术的实施例的大约四倍的界面接触面积。

由于衬套止挡托架616将安装接片602保持在塞610中，衬套止挡托架616必须可从流动套筒612移除。因此，衬套止挡托架616通过多个紧固件626可移除地固定到流动套筒凸缘618，紧固件626可以是螺栓，该紧固件延伸穿过流动套筒凸缘618中的一个或更多个相应的孔。

安装接片602与现有技术的燃烧衬套接片110相比具有减小的轮廓(W2)。如从图18可以看出，当与现有技术(见图13)相比时，安装接片602在被放置在塞610中时也具有减小的轮廓，因此减少了穿过通道620的气流的堵塞。

燃烧衬套604和流动套筒612的具体几何形状和配置可以取决于整体发动机设计、性能要求和其他燃烧室硬件配置而变化。本公开结合了多个塞610、多个安装接片602以及多个衬套止挡托架616。对于本公开，使用了三个等间隔的塞、安装接片以及衬套止挡托架。然而，可以利用多于三个的安装点。

在本公开的实施例中，衬套止挡托架616可进一步包括在臂617中的托架槽628。托架槽628对于接纳燃烧系统的其他部件可能是必要的，这取决于具体的燃烧室配置。

在本发明的替代实施例中，提供了用于将燃烧衬套604保持在流动套筒612内的衬套止挡托架616。衬套止挡托架616包括具有凸缘高度H1的第一部分或安装凸缘624和远离安装凸缘624延伸的臂617，并且具有弯曲部分，如图16和图17所看到的。托架主体630从臂617的弯曲部分延伸到底部接触表面632。

衬套止挡托架616可由多种材料制造，但优选的材料类似于流动套筒612。衬套止挡托架616可以由材料块机加工而成，或者可以是铸造部件或铸造与机加工的组合加工而成。

如上所述，如图17所示，衬套止挡托架616紧邻安装接片602，以帮助限制燃烧衬套604相对于流动套筒612的任何运动。更具体地，衬套止挡托架616的底部接触表面632紧邻安装接片602的顶部接触表面606。

在本公开的另一个实施例中，提供了一种将燃烧衬套固定在燃气涡轮机燃烧室的流动套筒中的方法1200。图22描绘了本公开的这个替代实施例。在步骤1202中，提供具有多个流动套筒塞的流动套筒，每个塞中具有槽。然后，在步骤1204中，提供燃烧衬套，其中燃烧衬套具有远离燃烧衬套的外表面延伸的多个安装接片。在步骤1206中，将燃烧衬套插入流动套筒中，使得多个安装接片位于多个流动套筒塞的槽内。在步骤1208中，衬套止挡托架被放置在流动套筒的凸缘上，使得衬套止挡托架的底部接触表面紧邻安装接片的顶部接触表面。然后，在步骤1210中，将衬套止挡托架固定至流动套筒，其中可使用多个可移除的紧固件将衬套止挡托架固定至流动套筒。燃烧衬套被固定到流动套筒中时，燃烧室盖可以安装在燃烧衬套和流动套筒上，其中盖的一部分可以在衬套止挡托架中的托架槽内延伸。

本公开用于防止燃烧衬套相对于流动套筒的不期望运动。此外，通过在流动套筒与燃烧衬套之间的空气通道中延伸的减小的轮廓安装配置，减少了空气通道中的阻塞。

尽管已经提供了本公开的优选实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些修改将在本公开的范围内。为此，应研究所附权利要求以确定本公开的真实范围和内容。由于在不脱离本公开的范围的情况下可对本公开做出许多可能的实施例，所以应当理解，本文中阐述的或在附图中示出的所有内容应被解释为是说明性的而不是限制性的。

根据前述内容，将看到，本公开是很好地适配成用于获得上文所阐述的所有目的和目标以及其他明显的并且是结构固有的优点。

将理解的是，某些特征和子组合是实用的并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下被采用。这是由权利要求设想的并且在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮发动机的过渡管道，包括：

入口环；

管道主体，所述管道主体连接至所述入口环；

后框架，所述后框架连接至所述管道主体；

喇叭口，所述喇叭口径向向外定位并且包围所述入口环；以及，

多个支柱，所述多个支柱定位在所述喇叭口与所述入口环之间，所述多个支柱具有前缘、相对的后缘和具有厚度的主体；

其中，用于在所述燃气涡轮发动机中燃烧的空气穿过所述喇叭口并且被引导到耦接至所述过渡管道的燃烧系统。

2.根据权利要求1所述的过渡管道，其中，所述多个支柱附接至所述喇叭口和所述入口环。

3.根据权利要求1所述的过渡管道，其中，所述入口环、喇叭口和多个支柱是一体的组件。

4.根据权利要求1所述的过渡管道，其中，所述多个支柱相对于延伸穿过所述入口环的轴线大致平行地取向。

5.根据权利要求1所述的过渡管道，其中，所述多个支柱相对于延伸穿过所述入口环的轴线成角度地取向。

6.根据权利要求1所述的过渡管道，其中，所述多个支柱围绕所述入口环的周边等距地间隔开。

7.根据权利要求1所述的过渡管道，其中，所述多个支柱中的每一个还包括倒圆的前缘和倒圆的后缘。

8.根据权利要求7所述的过渡管道，其中，所述多个支柱中的每一个支柱的厚度在接近所述前缘和所述后缘处渐缩至减小的厚度。

9.根据权利要求1所述的过渡管道，还包括在所述管道主体中的多个冷却孔。

10.一种用于燃气涡轮机燃烧室的流动入口装置，包括：

入口环；

喇叭口，所述喇叭口定位在所述入口环的径向外侧并且包围所述入口环；以及，

多个支柱，所述多个支柱在所述入口环与所述喇叭口之间延伸；

其中所述入口环和所述喇叭口引导在所述多个支柱之间的所有空气以用于所述燃气涡轮机燃烧室中。

11.根据权利要求10所述的流动入口装置，其中，所述入口环、所述喇叭口和所述多个支柱形成为一体的铸件。

12.根据权利要求10所述的流动入口装置，其中，所述喇叭口耦接至所述燃气涡轮机燃烧室的流动套筒。

13.根据权利要求10所述的流动入口装置，其中，所述多个支柱相对于延伸穿过所述入口环的轴线大致平行地取向。

14.根据权利要求10所述的流动入口装置，其中，所述多个支柱是实心的。

15.根据权利要求10所述的流动入口装置，其中，所述多个支柱中的每一个支柱等距地间隔开。

16.根据权利要求10所述的流动入口装置，其中，所述喇叭口具有张开的入口。

17.一种增加通向燃气涡轮机燃烧室的气流的方法，包括：

提供用于燃气涡轮发动机的过渡管道，所述过渡管道包括入口环、连接到所述入口环的管道主体、连接至所述管道主体的后框架、径向向外定位并且围绕所述入口环的喇叭口以及定位在所述喇叭口与所述入口环之间的多个支柱，所述多个支柱具有前缘、相对的后缘和具有厚度的主体；

提供耦接到所述过渡管道的流动套筒；以及，

引导空气流穿过所述喇叭口以及所述多个支柱之间并且到达所述燃气涡轮机燃烧室的入口。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述入口环、所述多个支柱和所述喇叭口是一体的组件。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述一体的组件是铸件。

20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在燃烧衬套的外表面上方引导所述空气流。

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