CN1609427B - 膜式冷却燃气轮机燃烧器的方法和装置 - Google Patents

膜式冷却燃气轮机燃烧器的方法和装置 Download PDF

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Abstract

燃气轮机(10)的一种燃烧器(16)，包括一个燃烧室(54)，它具有一个贯穿其间的中心轴(110)，一个外支撑(42)，一个内支撑(46)，和一个拱顶罩装置(48)。该拱顶罩装置包括一个拱形板(72)，它在内外支撑之间延伸，并把一个内支撑和一个外支撑连接到该拱顶罩装置上。该拱形板包括至少一个冷却槽唇边(202)和至少一个填隙突起(206)，其中该至少一个冷却槽在径向上与该至少一个填隙突起相隔，使在其间限定一个间隙(210)。该间隙具有一个高度(HG)，是在该至少一个冷却槽唇边与该至少一个填隙突起之间测量的，并且在整个间隙内基本上是不变的。

Description

膜式冷却燃气轮机燃烧器的方法和装置
关于联邦资助的研究或开发的声明
按照DAAE07-00-C-N086号合同，美国政府在本发明中可以享有某些权利。
技术领域
本发明总的涉及燃气轮机，尤其涉及燃气轮机所用的燃烧器。
已知燃气轮机包括一个压气机，用于对空气进行压缩，这空气与燃料适当混合并通到一个燃烧器中，在那里的燃烧室内这混合物被点燃以产生热的燃气。更具体地说，至少有一些已知的燃烧器包括一个拱顶罩装置它把空气引导通向下游并在圆周方向围绕每个燃料喷射器流动。更具体地说，至少有一些已知的拱顶罩装置包括一个旋流器装置，它从一个拱形板向上游延伸，以及一个导流板，它从拱形板向下游延伸并进入该燃烧室。
在回流换热型燃气轮机内，燃烧室被连接到该拱形板上的多孔的内、外套所形成。这两个套的冷却性能被使用一个膜式冷却的启动器槽而得到加强，该膜式冷却启动器槽位于拱形板内并且与至少一个通过拱形板的孔在流动上是可以互通的。该膜式冷却启动器槽把从拱形板孔出来的冷却空气引向下游以对内套和外套的内表面进行膜式冷却。虽然该膜式冷却启动器槽有助于改变冷却空气的方向以有助于进行内外套的膜式冷却，但在某些运转条件下，这样的槽的结构可能也会使喷射进燃烧器的燃料进入槽内。另外，膜式冷却槽的形状也使这些槽对火焰稳定(flameholding)敏感，这种火焰稳定超过一定时间可能会缩短燃烧器套的使用寿命。
发明概述
一方面，提出了组装燃气轮机燃烧器的一种方法。该方法包括提出一种拱顶罩装置，它包括至少一个冷却槽唇边及至少一个填隙突起，其中在该冷却槽唇边与至少一个填隙突起之间所形成的间隙具有一个该冷却槽唇边与至少一个填隙突起之间所限定的高度，这个高度在整个间隙上是均匀一致的。该方法还包括把一个衬套装置连接到拱顶罩装置上，使得该衬套装置限定了一个燃烧室，以及把一个内支撑和一个外支撑连接到拱顶罩装置上，使得该拱顶罩装置在内外支撑之间延伸。
另一方面，提出了燃气轮机的一个燃烧器。该燃烧器包括一个燃烧室，这个燃烧室有一个贯穿其间的中心轴线、一个外支撑、一个内支撑和一个拱顶罩装置。该拱顶罩装置包括一个在内外支撑之间延伸的拱形板。该拱形板包括至少一个冷却槽唇边以及至少一个填隙突起。这至少一个冷却槽在径向上与那至少一个填隙突起相间隔，使在其间限定一个间隙。该间隙的高度是在至少一个冷却槽唇边与该至少一个填隙突起之间测量的，其中该间隙的高度在整个间隙内基本上是不变的。
本发明的又一方面，给出了一个包括一个燃烧器的燃气轮机。该燃烧器包括一个衬套装置、一个燃烧室、一个拱顶罩装置、一个外支撑和一个内支撑。该燃烧室由该衬套装置所限定。该拱顶罩装置包括一个拱形板，它在内外支撑之间延伸。该拱形板包括至少一个冷却槽唇边和至少一个填隙突起。该衬套装置连接到该拱形板并与至少一个填隙突起相接触。该至少一个冷却槽在径向上与该至少一个填隙突起相间隔，使在其间限定一个间隙。该间隙具有一个高度，该高度是在至少一个冷却槽边与至少一个填隙突起之间测量的，其中该间隙的高度基本上在整个间隙内是不变的。
附图简述
图1是一个燃气轮机的示意图。
图2是图1中燃气轮机所用的燃烧器一部分的横断面图；以及
图3是图2所示的燃烧器的一部分沿区域3的放大视图。
发明详述
图1是燃气轮机10的示意图，它包括一个压气机14，和一个燃烧器16。燃气轮机10还包括一个高压涡轮8和一个低压涡轮20。压气机14和涡轮18被一个主轴24连在一起，涡轮20驱动一个副输出轴26。轴26提供旋转力以驱动一个从动机器，例如齿轮箱、传动装置、发电机、风扇、或者泵等，但是并不局限于这些机器。燃气轮机10还包括一个回热器28，该回热器有一个主流道29，在压气机14与燃烧器16之间串联，以及一个副流道31它在涡轮20与大气35之间串联。在一个实施例中，该燃气轮机是可以从美国俄亥俄州辛辛那提市的GE公司买到的LV100发动机。在这个示例性实施例中，发动机10包括一个压气机14，它被一个主轴24连接到涡轮18上，动力系和涡轮20被副轴26相连接。
在运转时，空气流经压气机。这个被高度压缩的空气被送到回热器28，在那里涡轮20排出的热气把热量传给压缩空气。被加热的压缩空气被送到燃烧器16。从燃烧器16出来的气流驱动涡轮18和20然后在离开燃气轮机10以前流经回热器28。在该示例性实施例中，在运转期间，空气流经压气机14而高压回热空气被送到燃烧器16。
图2是燃烧器16一部分的横断面图。图3是燃烧器16一部分沿区域3的放大视图。燃烧器16还包括一个环状外衬套40，一个外支撑42，一个环状内衬套44，一个内支撑46，以及一个碟48，它在外衬套40和内衬套44之间延伸。
外衬套40和内衬套44从碟48向下游延伸并在它们之间确定了燃烧室54的范围。燃烧室54是环形的并且在与衬套40和44之间有径向间隔。外支撑42连接到外衬套40并从碟48向下游延伸。另外，外支撑42从外衬套40向外径向间隔，使在其间限定一个外冷却通道58的范围。内支撑46还连接到碟48，并从那里向下游延伸。内支撑46从内衬套44向内径向间隔，使在其间限定一个内冷却通道60。因此，当组装以后，每个衬套40和44不受任何燃烧器支撑结构的径向约束。
外衬套40和内衬套44在燃烧器罩壳62内部在径向上是间隔的。燃烧器罩壳一般是环状的并绕燃烧器16而延伸。更具体地说，外支撑42和燃烧器罩壳62形成了一个外通道66而内支撑46和燃烧器外壳62形成了一个内通道68。外套和内套40和44延伸到涡轮喷嘴69，它在衬套40和44的下游。
燃烧器拱顶罩装置48包括一个环状拱形板72，一个旋流器装置74和一个导流板76。拱形板72连接到外套40和内套44的上游端78和80，使拱形板72限定燃烧室54的上游端82。在该示例性实施例中，内支撑46与拱形板是整体成型的，而外支撑42被至少一个连接件84连接到拱形板72上。
多个冷却孔114在整个拱形板72上在上游边92和下游边94之间延伸。孔114相对于中心轴110是倾斜的并促使把冷却空气引向流经拱形板72以有助于导流板76的冲击冷却。
导流板76连接到一个环状的密封板120并且从拱形板72向下游外扩延伸进入燃烧室54。在该示例性实施例中，一个径向内表面或导流板76的流道表面144上涂了一层隔热层(TBC)。
如上所述，导流板的上游端142连接到密封板120。导流板76的下游端149是外扩的，以促使把喷射进燃烧器16的燃料引向下游并进入燃烧室54，下面将更详细叙述。旋流器装置74连接到密封板120，使该旋流器装置74基本上与密封板120同心对齐。
燃料通过燃料喷射装置180喷进燃烧器16，该燃料喷射装置包括多个环状间隔布置的燃料喷嘴182，它们通过旋流器装置74延伸进入燃烧室54。
除了孔114外，拱形板72还包括多个膜式冷却孔200，一个内膜式冷却唇边202，一个外膜式冷却唇边204，一个内填隙突起，和一个外填隙突起208。孔200在整个拱形板72上在上游边92与下游边94之间而延伸，它们在径向位置上位于导流板冷却孔114和每个支撑42和46之间。
内膜式冷却唇边202是与拱形板72整体成型的并从拱形板的下游边94向里朝向燃烧室54方向延伸。更具体地说，内膜式冷却唇边202在导流板76与内衬套44之间向下游延伸。同样，外膜式冷却唇边204与拱形板72是整体成型的并从拱形板下游边94向里朝燃烧室54方向延伸，这样，外膜式冷却唇边204位于导流板76与外衬套40之间。
每一个冷却唇边202和204与导流板76相隔一个径向距离D10，使在导流板76与每个冷却唇边202和204之间形成了一个有效环状间隙或导流冷却空气槽210。导流板间隙210与拱形板孔114在流动方面方面是可以互通的，所以，使从114排出的冲击空气被引导流经导流板间隙210并在经过导流板的外扩端149以后进入燃烧室54。另外，导流板的张开端149促使把从燃料喷嘴182出来的燃料引向下游进入燃烧室54，这样，使燃料被导向离开冷却槽226和236，以及冷却唇边202和204。
每个填隙突起206和208与拱形板是整体成型的，并从拱形板的下游边94向燃烧室54延伸。更具体地说，内填隙突起206在内膜式冷却唇边202与内支撑46之间向下游延伸。更具体地说，内填隙突起206包括一个径向内壁220，它与内冷却唇边202的径向外壁222相隔一个径向间距，这样，使在内填隙突起206与内膜式冷却唇边202之间限定一个内膜式冷却槽226。在壁222与220之间测量的内冷却槽226的高度HG在整个槽226上是不变的。
填隙突起208从拱形板的下游侧94向燃烧室54方向向内延伸，并位于外膜式冷却唇边204与外支撑42之间。更具体地说，外填隙突起208还包括一个径向外壁230，它与外冷却唇边204的径向内壁232在径向上相隔一个间距，使在外填隙突起208与外膜式冷却唇边204之间限定一个外膜式冷却槽236。在壁232与230之间的外冷却槽236的高度HG0在整个槽236内基本上是不变的。导流板的外扩端149促使从燃料喷嘴182出来的燃料向下游引入燃烧室54，使燃料被导向离开冷却槽226和236。
内外套44和40，分别被连接到拱形板72上，使得44和40的前缘240和242在流动上与每个膜式冷却槽226和236互通并处在它们的轴向下游。另外，在该示例性实施例中，外套40顶着外填隙突起208而连接。另外，每个套的前缘240和242具有曲率半径R1和R2，这样，每个前缘240和242就形成了混合的面向前的台阶，用于从槽226和236排出的膜式冷却空气。于是，当组装好以后，每个套40和44是在径向上不受任何燃烧器支撑结构的约束的。更具体地说，每个曲率半径R1，R2使得套40和44能调节40和44之间以及各自相应的槽226与236之间的机械和热方面的不一致。
一个密封件260在每个套40和44与各自的每个支撑42和46之间延伸，以有助于减小衬套40和44周围的漏泄。在该示例性实施例中，密封件260是一个L形的密封垫。
在燃烧器16组装期间，一开始把拱形板72从一个接近基本形状的锻件进行机械加工。可以把镶嵌材料加到拱形板72上以产生填隙突起206和208。这些填隙突起206和208为内冷却槽236产生所要求的冷却槽高度HG0，为内冷却槽226产生高度HG，在每个冷却槽236和226内，该高度是不变的。另外，该镶嵌材料还在内套44和外套40的各自流动表面270和272上产生了平滑的冷却流动过渡。此外，该镶嵌材料还保护密封件260不受燃烧室54内火焰的辐射。
在运转期间，冷却空气从拱形板孔200送到膜式冷却槽226和236。然后冷却空气250被引导经过槽226和236并朝向衬套的前缘240和242排出。圆形前缘240和242所形成的面向前方的台阶有助于在所有的燃气轮机运转条件下从槽226和236到流动表面270和272有平滑的过渡。更具体地说，每个槽226和236的大小和位置使得每个圆的衬套的前缘240和242总是具有一个面向前的台阶用于膜式冷却空气250。
每个冷却槽高度HG0和HG的联合，以及每个槽236和226相对于旋流器装置74的方向有助于防止火焰稳定，如果燃料在冷却膜250内被带走，这种情况在其他已知的拱顶罩装置中是可能会发生的。另外，因为每个槽的高度HG0和HG基本上是不变的，冷却空气进入膜式冷却槽226和236的速度和压力被保持住，使从226和236排出的冷却空气250总是以比在燃烧室54内产生的紊流火焰速度更高的压力和速度而排出。因此，基本上不变的高度HG0和HG更加有助于防止火焰在槽226和236内稳定。
所述燃烧器拱顶罩装置提供了一种使燃烧器工作的价格低廉和可靠的方法。更具体地说，每个装置包括一个拱形板，它与排出冷却空气用于对燃烧器衬套进行膜式冷却的膜式冷却槽形成为一个整体，尤其还包括不与拱形板成一整体的燃烧器衬套。这些槽基本上是具有不变的高度，它与相对于拱顶罩装置的槽的方向相结合有助于防止火焰在膜式冷却槽内稳定，一旦燃料在冷却膜内被带走的情况下，并且还有助于保护衬套的密封件不暴露在火焰的辐射下。结果，提出一种燃烧器装置，它能满足预定的燃烧器寿命要求而同时又能保持预定的运转要求。
前面已详细叙述了一个燃烧器拱顶罩装置的示例性实施例。所说明的该燃烧器的拱顶罩装置部件并不局限于这里所叙述的具体实施例，相反，每个拱顶罩装置的部件可以与这里所介绍的其他部件分开，单独使用。例如，前述拱顶罩装置部件也可以与其他燃气轮机的燃烧系统联合使用。
虽然已经就各个具体实施例加以叙述了本发明，业内人士将会认识到本发明可以在权利要求书的精神和范围内加以修改。
零部件表
  10   燃气轮机
  14   压气机
  16   燃烧器
  18   高压涡轮
  20   低压涡轮
  24   主轴
  26   副输出轴
  28   回热器
  29   主流道
  31   副流道
  35   大气
  40   环状外衬套
  42   外支撑
  44   环状内衬套
  46   内支撑
  48   拱形板
  54   燃烧室
  58   外冷却通道
  60   内冷却通道
  62   燃烧器外壳
  66   外通道
  68   内通道
  69   涡轮喷嘴
  72   环状拱形板
  74   旋流器装置
  76   导流板
  78   上游端
  80   下游端
  82   上游端
  84   连接件
  92   上游端
  94   下游端
  110   中心轴
  114   连接孔
  120   环状密封板
  144   流道表面
  149   下游端
  180   燃料喷射装置
  182   燃料喷嘴
  200   膜式冷却孔
  202   内膜式冷却唇边
  204   外膜式冷却唇边
  206   内填隙突起
  208   外填隙突起
  D10   径向距离
  210   导流板冷却槽
  220   径向内壁
  222   径向外壁
  226   冷却槽
  230   径向外壁
  232   径向内壁
  236   冷却槽
  HG   高度
  HG0   高度
  240   前缘
  242   前缘
  R1   曲率半径
  R2   曲率半径
  250   膜式冷却空气
  260   密封件
  270   流体表面
  272   流体表面

Claims (15)

1.燃气轮机(10)的一种燃烧器(16)，该燃烧器包括：
一个燃烧室(54)，它具有在穿过其间的中心轴线(110)；
一个外支撑(42)；
一个内支撑(46)；和
一个拱形板(72)，其在所述内、外支撑之间延伸，该拱形板包括至少一个冷却唇边(202，204)以及至少一个填隙突起(206，208)，所述至少一个冷却唇边在径向上与所述至少一个填隙突起有间距，使得在其间形成一个膜式冷却槽(226，236)，所述膜式冷却槽在所述至少一个冷却唇边(202，204)与所述至少一个填隙突起(206，208)之间具有测得的高度(HG，HG0)，所述膜式冷却槽高度在整个膜式冷却槽内基本上不变。
2.按权利要求1所述的一种燃烧器(16)，其特征在于还包括一个导流板(76)，该导流板包括一个上游端(142)，一个下游端(149)，和在其间延伸的一个渐扩体(144)，所述上游端连接到所述拱形板(72)上，所述下游端是外扩的以有助于引导被喷射到所述燃烧室(54)的燃料离开所述膜式冷却槽。
3.按权利要求2的一种燃烧器(16)，其特征在于所述导流板(76)在径向向内方向与所述冷却唇边(202)相间隔，使得在其间限定一个导流板冷却槽(210)，所述导流板冷却槽用于把流经其间的冷却空气引入所述燃烧室(54)内。
4.按权利要求1的一种燃烧器(16)其特征在于还包括一个内衬套(44)和一个外衬套(40)，所述外衬套连接到所述拱形板(72)，并自所述外支撑(42)径向朝向内，所述内衬套连接到所述拱形板，并自所述内支撑(46)径向朝向外，在所述内、外衬套之间限定所述燃烧室(54)。
5.按权利要求4的一种燃烧器(16)，其特征在于所述内衬套(44)和所述外衬套(40)中的至少一个包括一个前缘(240)，该前缘连接到所述膜式冷却槽的下游，所述前缘包括一个半径(R1)。
6.按权利要求4的一种燃烧器(16)，其特征在于所述内衬套(44)和所述外衬套(40)中的至少一个包括一个前缘(240)，该前缘形成一个面向前方的台阶，以便流体从所述膜式冷却槽(226， 236)中排出。
7.按权利要求4的一种燃烧器(16)，其特征在于从所述膜式冷却槽(226，236)排出冷却空气，用于对所述内衬套(44)和外衬套(40)中的至少一个进行膜式冷却，选择所述膜式冷却槽高度(HG)要有助于使得冷却空气以高于在所述燃烧室(54)内产生的紊流火焰速度从所述膜式冷却槽排出。
8.按权利要求4的一种燃烧器(16)，其特征在于所述拱顶罩装置(48)还包括至少一个密封件(260)，在内衬套和外衬套(44，40)中的至少一个与所述内、外支撑(46，42)中的至少一个之间延伸，所述至少一个填隙突起(206)有助于能保护至少一个密封件免受所述燃烧室(54)内所产生的火焰的辐射。
9.一种燃气轮机(10)，包括一个燃烧器(16)，该燃烧器包括一个衬套装置，一个燃烧室(54)，一个拱顶罩装置(48)，一个外支撑(42)，和一个内支撑(46)，所述衬套装置限定了所述燃烧室，所述拱顶罩装置包括一个在所述内外支撑之间延伸的拱形板(72)，所述拱形板包括至少一个冷却唇边(202)，以及至少一个填隙突起(206)，所述衬套装置连接到所述拱形板连接并且与所述至少一个填隙突起接触，所述至少一个冷却唇边在径向方向上与所述至少一个填隙突起相间隔，使得在其间限定一膜式冷却槽(226，236)，所述膜式冷却槽的高度(HG)是在所述至少一个冷却唇边与所述至少一个填隙突起之间测量的，所述膜式冷却槽高度沿整个膜式冷却槽基本上是不变的。
10.按权利要求9的一种燃气轮机(10)，其特征在于从所述膜式冷却槽(226，236)排出冷却空气，用于对至少一部分所述衬套装置进行膜式冷却，所述膜式冷却槽高度(HG)的选择有助于使冷却空气以高于在所述燃烧室(54)内产生的紊流火焰速度从所述膜式冷却槽排出。
11.按权利要求9的一种燃气轮机，其特征在于，所述燃烧器衬套装置包括一内衬套和一外衬套，所述内衬套和所述外衬套中的每一个与所述拱形板连接，所述内衬套与所述外衬套径向向内间隔，以在其间限定所述燃烧腔。
12.按权利要求11的一种燃气轮机，其特征在于，所述内衬套 与所述外衬套中的至少一个包括具有半径的前缘，所述前缘位于所述膜式冷却槽的下游，以便所述前缘形成一用于从所述膜式冷却槽排出的流体的面向前方的台阶。
13.按权利要求9的一种燃气轮机，其特征在于，所述燃烧器还包括从所述拱形板的下游延伸至所述燃烧腔之内的导流板，所述导流板包括外扩的下游端和与所述拱形板连接的上游端，所述导流板下游端促使把喷射到燃烧腔的燃料导向离开所述膜式冷却槽。
14.按权利要求9的一种燃气轮机，其特征在于，所述燃烧器还包括与所述拱形板连接的导流板，以便在所述冷却唇边和所述导流板之间限定一导流板冷却槽，所述导流板冷却槽用于将经过的冷却空气导入所述燃烧室腔内。
15.按权利要求9的一种燃气轮机，其特征在于，所述燃烧器拱顶罩装置还包括至少一个密封件，该密封件在所述衬套装置和所述内支撑和外支撑中的至少一个之间延伸，所述至少一个填隙突起有助于保护至少一个密封件免受所述燃烧腔内产生的火焰的辐射。 
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