CN1828140A - 整体式筒形燃烧室 - Google Patents

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Abstract

一种用于工业涡轮机的筒形燃烧室，包括一个过渡件，其使用单件式过渡件(120)直接从燃烧室首端(100)过渡到涡轮机进口。在一种实施例中，该过渡件是没有接头的。

Description

整体式筒形燃烧室
技术领域
本发明一般地说涉及涡轮机组件，更确切地说涉及一种燃烧室。
背景技术
工业燃气轮机燃烧室典型地设计成多个离散的燃烧室或者“筒”围绕涡轮机的圆周排成一排。通常，工业燃气轮机筒形燃烧室壁由两个主要部件构成：一接合圆形的首端的圆柱形或者圆锥形金属板衬套，以及一将高温燃气流程直接从衬套的圆形横截面过渡到涡轮机进口的弧形部分的金属板过渡件。这两个部件用柔性接头配合在一起，该接头需要将一部分压缩机排气消耗于冷却流以及接头处的泄漏。
传统的燃气轮机燃烧室利用扩散(也就是非预混合)燃烧，其中燃料和空气分别进入燃烧室。混合和燃烧过程产生的火焰温度超过3900°F。由于传统的具有金属壁的燃烧室衬套和/或过渡件通常所能承受的最高金属温度大约只有1500°F，而在该高温下只能够经受大约一万小时(10000hrs)，必须采取措施保护燃烧室衬套和/或过渡件。
因为双原子氮在温度超过大约3000°F(大约1650℃)时迅速分解，扩散燃烧的高温导致较高的NoX排放。降低NoX排放的一种途径是将最大可能压缩空气量与燃料预混合。所获得的稀薄预混燃烧产生较低的火焰温度并因此产生较低的NoX排放。本发明的委托人用术语“DryLow NoX”(DLN)来指不用稀释(也就是注射水)来进一步降低火焰温度的稀薄预混燃烧系统。尽管稀薄预混燃烧比扩散燃烧温度低，火焰温度还是太高，以至于没有冷却的燃烧室组件不能够承受。
另外，因为高级的燃烧室将最大可能空气量与燃料进行预混合来降低NoX，只有很少或者没有冷却空气可用，使得对燃烧室衬套和过渡件进行薄膜冷却是不切实际的。然而，燃烧室壁需要主动冷却来维持材料温度低于极限。在DLN燃烧系统中，这种冷却只能通过低温侧对流进行。这种冷却必须在满足热梯度以及压力损失的要求下进行。因此例如热障涂层结合“背”冷却的方式被考虑用来保护燃烧室衬套和过渡件以免其在如此高的温度下破坏。背冷却包括在将空气与燃料预混合前使压缩机排气流过过渡件和燃烧室衬套的外表面。
在温度上与现有技术的DLN燃烧一致，需要稍微增强背面对流热传递，除了热传递外还可以实现简单的对流冷却，并且压力损失在可接受的范围内。至于燃烧室衬套，一种现有的实施方式是冲击冷却衬套。另一种实施方式是在衬套的外表面上设置线性紊流器。另一种更近的实施方式是在衬套的外表面上设置一排凹腔(参见美国专利第6098 397号)。各种已知的技术加强了热传递但是对热梯度和压力损失的影响是不同的。紊流条通过在流体中设置钝体来工作，钝体扰动流体产生剪切层以及高度紊流加强表面上的热传递。酒窝状凹腔通过提供有组织的漩涡起作用，以加强流体混合以及擦洗表面来改善热传递。
衬套低温侧的低的热传递率可能导致衬套表面高温并最终失去强度。几种由于衬套高温可能引起的故障模式包括破裂、膨胀以及氧化，但是并不只限于此。这些机制缩短了衬套的寿命，需要过早地更换零件。
另外，传统的筒形燃烧室到系统有长的流程，这导致了高的压力损失以及高温废气长的停留时间。长的停留时间在低功率时有利于降低CO，但是不利的是在高功率高温条件下促使NoX形成。
因此，需要一种以低排放以及低压力损失完成燃烧的燃烧室，其给高温废气提供足够长的停留时间来完成燃烧过程而不会形成过多的CO，并且允许充分混合燃烧废气来降低涡轮机中的温度不均匀性，并且保持最大可能压缩机排气量用于预混合。
发明内容
上面讨论的以及其它的缺点和不足在一种筒形燃烧室的实施方式中克服或者缓和了，该筒形燃烧室包括一个过渡件，其只使用唯一的一个用于工业涡轮机的过渡件直接从燃烧室首端过渡到涡轮机进口。在一种实施方式中，过渡件是没有接头的。
在另一种实施方式中，工业涡轮发动机包括一个燃烧部分、一个位于燃烧部分下游的排气部分、一个位于燃烧部分和排气部分之间的过渡区域、一个限定燃烧部分和过渡区域的燃烧室过渡件，所述过渡件用于将高温燃烧气体带到涡轮机的相应于排气部分的第一级、以及一个围绕所述燃烧室过渡件的流体套筒，所述流体套筒具有多排用于将冷却空气从压缩机排气引入流体套筒和过渡件之间的流体环面中的冷却孔。
在一种替代方案中，公开了一种用于冷却燃气轮机燃烧室的燃烧室过渡件的方法，该燃烧室过渡件具有基本上圆形的前部横截面以及弧形的尾端，以及一个基本同心地环绕过渡件的流体套筒，并在其之间形成一个流体环面用于将空气喂给燃气轮机燃烧室。这种方法包括：使用一个整体式的直接从燃烧室首端过渡到涡轮机进口的过渡件，并且在所述流体环面中的压缩机排气沿与流入燃气轮机燃烧室的进气的正常流动方向相反的方向流动。
本发明的上面讨论的以及其它特征和优点可以由本领域的技术人员从下面的详细说明以及附图中获知以及理解。
附图说明
现在参考附图，这里在多幅附图中类似的元件用类似的附图标记表示。
附图示出：
图1示出了已知的燃气轮机燃烧室的示意图；
图2示出了按照一种实施例的整体式燃烧室衬套或者由一个冲击套筒环绕的延长的过渡件的示意图；
图3示出了图2中虚线圆的详图，描述了在装配时安置和定位过渡件和前部套筒的方法；以及
图4示出了后安装支架的示意图，图解说明了按照一种实施例用于简化图2中的整体式燃烧室衬套安装而延长的槽。
附图标记
回流式燃烧室10、排气11、燃烧室14、第一级16、燃烧室18、涡轮节20、连接器22、衬套24、外表面26、第二流体套筒或燃烧室流体套筒28、第一流体套筒或冲击套筒29、第二流体环面30、第一流体环面31、流向32、圆形盖34、端盖36、燃料喷嘴38、前压力罩40、后压力罩42、圆形燃烧室首端100、涡轮机环带扇形段102、后支承凸缘103、呼啦密封件110、活塞环111、突出部或键112、键槽113、外表面114、过渡件120、前套筒122、冷却环面124、后支架128、冲击套筒129、圆形盖134、端盖136、多个燃料喷嘴138、槽140、安装支架142、接收安装销152。
具体实施方式
参考图1，示出了一种回流式管环燃烧室10。燃烧室10通过在封闭的空间内燃烧空气和燃料产生气体用于驱动涡轮机的转动运动，并将产生的燃烧气体通过一排固定的叶片排出。在工作时，来自压缩机(压缩到大约250-400磅/平方英寸的压力)的排气11在其流过燃烧室外侧(用14表示)、并且在其重新进入燃烧室到涡轮机的途中(16所示的第一级)反转方向。压缩空气和燃料在燃烧室18中燃烧，产生温度大约为1500℃或者大约2730°F的气体。这些燃烧气体以高速经由过渡件20流入涡轮节16。过渡件20在连接器22处连接到燃烧室衬套24，但在某些实施方案中，可能将一离散的连接器段安置在过渡件20和燃烧室衬套之间。当排气11流过过渡件20和燃烧室衬套24的外表面26时，就对燃烧室组件提供了对流冷却。
特别是存在排气11的环流，其对流地经过衬套24的外表面26(冷面)。在一种实施例中，排气流过第一流体套筒29(也就是冲击套筒)、然后第二流体套筒28，这两个套筒构成了一个环形间隙30，这样流速能够足够高来产生高的热传递系数。第一和第二流体套筒29和28是两个连接在一起的单独的套筒，其中这两个流体套筒分别安置在过渡件20和燃烧室衬套24处。特别的，过渡件20的冲击套筒29(或者第一流体套筒)以套装方式在燃烧室流体套筒28(或者第二流体套筒)的尾端容纳在一个固定法兰中，并且过渡件20同样以套装方式容纳燃烧室衬套24。冲击套筒29环绕过渡件20并在其之间形成一个流体环面31(或第一流体环面)。类似的，燃烧室流体套筒28环绕燃烧室衬套24并在其之间形成一个流体环面30(或者第二流体环面)。可以从流向32看出，在环面31中前进的交叉流动冷却空气继续沿垂直于冲击冷却空气的方向流经冷却孔、槽或者其它在流体套筒28和冲击套筒29的圆周上形成的开口流入环面30。流体套筒28和冲击套筒29有一系列孔、槽或者其它允许排气11以能够适当地平衡高热传递以及低压力降的要求的速度进入流体套筒28和冲击套筒29的开口(未示出)。
筒形燃烧室很昂贵因为其零件数量众多。如图1中所示主要部件包括圆形盖34、支撑多个燃料喷嘴38的端盖36、圆柱形衬套24、圆柱形流体套筒29、前后压力罩40和42、过渡件20、以及控制过渡件20周围流体的冲击套筒29。
参考图2的实施例中，除去了图1中的圆柱形燃烧室衬套24，并且过渡件120只用一件直接从圆形燃烧室首端100过渡到涡轮机环带扇形段102(相应于16所指的涡轮机第一级)。这个单件的过渡件120可以由两个半体或者多个组件焊接或者连接在一起构成以方便组装或者制造。类似的，第一流体套筒28除去了，并且冲击套筒129只用一件直接从圆形燃烧室首端100过渡到过渡件120的后支架128。这个单件的冲击套筒129可以由两个半体构成并且焊接或连接在一起以便组装。冲击套筒129和后支架128之间的连接形成了冷却环面124基本封闭的端部。需要注意的是，“单件的”也表示多件连接在一起、以及/或者整体的、以及/或者一件的等等，其中这种连接可以以任何合适的方式连接元件。
这些主要组件类似于在先的技术包括：圆形盖134、支撑多个燃料喷嘴138的端盖136、过渡件120和冲击套筒129。过渡件120同样支撑一个前套筒122，该前套筒可以通过径向支杆124固定连接到过渡件120，例如通过焊接。在这个实施方式中除去的主要组件包括前后压力罩40和42，分别地，圆柱形燃烧室衬套24以及环绕衬套24的圆柱形流体套筒28。根据该方案，其它在图1中没有示出的组件例如外联焰管(因为联焰管可能包括在压缩机排气罩中)以及过渡件支架或者“扩音器式支架”可以除去。
在前端，燃烧室过渡件支撑在一个传统的连接在盖134上的呼啦密封件110上。更特别的是，盖134与关联的压缩型密封件110配合，一般指“呼啦密封件”(hula seal)，位于过渡件120和盖134之间。在本方案中盖134固定连接到端盖136。因为上述实施例所设计的是用于由本申请的委托人制造的燃气轮机的一种实施方式的解决方案，还有其它可以想象到的方案来保持整体式筒形燃烧室的目的。在另一种实施例中，作为替代方案，前套筒122与过渡件120是整体式的，例如通过浇铸，但不限于这种方式。
上述方案提供了过渡件在工作时使用与固定安置的盖总成134连接的呼啦密封件110的定位和支撑。在燃烧硬件装配时，盖134不在适当的位置，需要另一种将过渡件支撑在其前端的方式。按照一种实施例的支撑方式在图3的祥图中进行描述。特别的，设置在前套筒122前面部分的突出部或者键112嵌入压缩机盖的键槽113中，从而在装配过程中安置和定位过渡件和前套筒122。在前端一个活塞环111可滑动地接合盖134的外表面114以防止压缩机排气不可控制的泄漏通过冲击套筒和流体套筒总成。因为在图3中所示的特征表示本发明的一种实施例，还可以想象其它能够满足整体式筒形燃烧室首端定位和密封的方案。例如键112和键槽113可以用栓来代替与压缩机盖中的槽(如图4所示)或孔接合，或者作为替代方案在过渡件上使用具有滑动接合的槽的传统的支架。类似的作为替代方案，活塞环密封件可以用呼啦密封件代替。
因为本发明是相对于具有圆形首端的传统的筒形燃烧室进行描述的，因此在某些实施例中可能或者实用的是以不同于圆形的形状构造首端，例如包括椭圆形。这种替代方案在本发明的范围内。
根据公开文本，为了使得其主要功能有效，也就是以低排放完成燃烧，整体式筒形燃烧室方案必须给高温气体提供足够的停留时间以完成燃烧过程而不会形成过多的CO，并且流程必须允许燃烧废气充分混合以降低进入涡轮机中的温度不均匀性。图2中表示的方案经过分析显示出能够实现这些目标而不必增加图1中衬套24的长度。与图1的过渡件20和衬套24相比，能使图2中的过渡件120的长度更短的特征包括一个大直径的首端，使得整体流速降低，并增加在首端中的停留时间，并且火焰温度控制使用涡轮机其它部分的可变几何特征。这些可变几何特征不是本发明的内容，在这里不再进一步讨论。在减小衬套24和过渡件120的表面积时还希望进一步改进边缘CO，其中反应熄火通常在边界层发生，同样降低熄火也与图1中过渡件20和衬套24之间的接口处的泄漏和冷却流有关。
在本领域中的技术人员需要承认的是具有整体式结构的燃烧室机械总成是具有挑战性的，因为只有较少的运动自由度用来调节空间累计公差。更特别的，过渡件首端的圆周定位必须允许这样的累计误差，使得首端的支撑装置不会由于未对准而承受过大的静载荷。在参考图4的实施例中，圆周装配公差的容差是通过稍微延长尾端安装支架142中的槽140实现的。更特别的，当安装具有和接收安装销152的后支承凸缘103时，延长的槽140在安装支架142的任一侧都允许在其上进行前后运动。过渡件120尾端102的这种前后运动通过栓152在各自的槽140中的平移来限制。因此，过渡件首端100的左右移动通过将栓152一侧向前移入支架142，并将栓152另一侧向后移入支架142来进行的。栓152也可以是螺钉。
整体式筒形燃烧室实施例的优点包括应用于现有的涡轮机设计、低成本、改进的性能、容易装配以及高可靠性。本发明的实施例描述了传统的筒形燃烧室的高成本，省去了几个主要组件。本发明的实施例还通过降低压力损失以及降低高温气体向相对冷的金属壁的暴露提供了改进的性能以及排放。另一个优点包括降低了用于冷却和泄漏的空气流，因为过渡件和衬套之间的接头省去了。表面积的减小降低了燃烧用空气在其进入燃烧区域前获得的热量，并降低了边界层中熄火产生的CO。还可以想象可靠性提高了，主要是因为减少了零件数量以及减少了摩擦接触面的数量。这里公开的整体式筒形燃烧室方案可以应用于文中的标准型或者扩散型燃烧室，而不会脱离本发明的范围。
虽然本发明是参考一种实施例进行描述的，可以理解本领域的技术人员可以作出一定的改变以及用相当的零件进行替换而不会脱离本发明的范围。另外，为了适应具体的情况或者材料可以对本发明的方案进行改进而不会脱离本发明的范围。因此本发明不希望被限制在这里预期为最佳模式公开的用于实施本发明的特殊实施例中，而是本发明包括所有处于从属权利要求范围内的实施方式。

Claims (10)

1.一种用于工业涡轮机的筒形燃烧室，包括：过渡件(120)，使用单件的过渡件(120)直接从燃烧室首端(100)过渡到涡轮机进口。
2.如权利要求1所述的筒形燃烧室，其特征在于，所述过渡件(120)没有接头。
3.如权利要求1所述的筒形燃烧室，其特征在于，还包括：环绕过渡件(120)的冲击套筒(129)，该冲击套筒(129)具有多个构成在其圆周上的冷却孔用于将冷却空气从压缩机排气(11)引入冲击套筒(129)和过渡件(120)之间的流体环面(124)中。
4.如权利要求3所述的筒形燃烧室，其特征在于，所述冲击套筒(129)使用单件的套筒直接从燃烧室前套筒(122)过渡到过渡件(120)的后支架(128)。
5.如权利要求1所述的筒形燃烧室，其特征在于，还包括：布置在过渡件(120)尾端的安装支架(142)，该支架具有延长的槽(140)用于容纳穿过其中的延伸的安装销(152)，并允许在过渡件(120)的首端(100)进行左右移动。
6.如权利要求1所述的筒形燃烧室。其特征在于，所述支架(142)包括一对布置在支架(142)相对侧的延长的槽(140)。
7.如权利要求1所述的筒形燃烧室，其特征在于，还包括：连接在盖(134)的外表面(114)上的呼啦密封件(110)。
8.如权利要求7所述的筒形燃烧室，其特征在于，所述呼啦密封件(110)用于接合过渡件(120)的首端(100)。
9.如权利要求7所述的筒形燃烧室，其特征在于，所述盖(34、134)固定连接到燃烧室首端(100)处的端盖(136)上。
10.如权利要求7所述的筒形燃烧室，其特征在于，还包括：固定连接到过渡件(120)并且在装配到涡轮机时将过渡件(120)用键突出部和键槽(113)定位在涡轮机支架中的前套筒(122)。
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