CN204693495U - 减尾流结构、燃料喷射器组件和燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及减尾流结构、燃料喷射器组件和燃气涡轮发动机。一种减尾流结构包括具有内表面和外表面的燃烧器衬套，内表面限定燃烧室。还包括沿着燃烧器衬套的外表面定位的空气流路径。进一步包括尾流产生构件，其设置在空气流路径中且邻近燃烧器衬套，其中尾流产生构件产生位于尾流产生构件的下游的尾流区域。还进一步包括尾流产生构件凸耳，其操作性地联接到燃烧器衬套上且设置在燃烧器衬套孔口内。还包括冷却通道，其延伸通过尾流产生构件凸耳，冷却通道具有在尾流产生构件凸耳的上游区域上的空气入口和在尾流产生构件凸耳的下游区域上的空气出口，冷却通道构造成将空气供应到尾流区域。

Description

减尾流结构、燃料喷射器组件和燃气涡轮发动机
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮系统，并且更具体而言，用于涡轮系统的减尾流结构。
      背景技术    
燃烧器组件通常为逆流构造，并且包括金属片材形成的衬套。金属片材和外边界构件(其通常称为套管)形成用于接收自压缩机出口的空气的路径，以便空气沿朝向燃烧器的首端的方向流动，在首端，空气然后转向到喷嘴中且与燃料在燃烧室中混合。提供结构和功能益处的各种构件可沿着空气流路径定位。这些构件产生尾流区域，尾流区域位于构件的下游侧附近。在空气被提供给首端处的喷嘴时，这些尾流区域产生压降和不均匀空气流，从而产生不合需要的影响，诸如增加的NOx排放和不那么高效的整体运行。
实用新型内容
根据本实用新型的一个方面，一种用于涡轮系统的减尾流结构包括具有内表面和外表面的燃烧器衬套，内表面限定燃烧室。还包括空气流路径，其沿着燃烧器衬套的外表面定位。进一步包括尾流产生构件，其设置在空气流路径中且邻近燃烧器衬套，其中尾流产生构件产生位于尾流产生构件下游的尾流区域。还进一步包括尾流产生构件凸耳，其操作性地联接到燃烧器衬套上且设置在燃烧器衬套孔口内。还包括冷却通道，其延伸通过尾流产生构件凸耳，冷却通道具有在尾流产生构件凸耳的上游区域上的空气入口和在尾流产生构件凸耳的下游区域上的空气出口，冷却通道构造成将空气供应到尾流产生构件的尾流区域。
根据本实用新型的另一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件的燃料喷射器组件包括具有外表面的燃烧器衬套。还包括在沿径向向外间隔开的位置处包围燃烧器衬套的套管。进一步包括空气流路径，其由燃烧器衬套的外表面和套管限定。还进一步包括燃料喷射器，其设置在空气流路径中且至少部分地延伸通过燃烧器衬套孔口和套管孔口。还包括凸耳，其设置在空气流路径中且操作性地联接到燃烧器衬套孔口壁上，凸耳通过添加式制造工艺形成。进一步包括延伸通过凸耳的冷却通道，冷却通道具有在凸耳的上游区域上的空气入口和在凸耳的下游区域上的空气出口，冷却通道构造成将空气供应到位于燃料喷射器下游的尾流区域。
根据本实用新型的又一个方面，一种燃气涡轮发动机包括压缩机区段、涡轮区段和燃烧器组件。燃烧器组件包括空气流路径，其由燃烧器衬套的外表面和包围燃烧器衬套的套管限定。燃烧器组件还包括燃料喷射器，其设置在空气流路径中且至少部分地延伸通过燃烧器衬套孔口和套管孔口。燃烧器组件进一步包括凸耳，其设置在空气流路径中且操作性地联接到燃烧器衬套孔口壁上，凸耳通过添加式制造工艺形成。燃烧器组件又进一步包括多个冷却通道，其延伸通过凸耳，多个冷却通道各自具有在凸耳的上游区域上的空气入口和在凸耳的下游区域上的空气出口，多个冷却通道构造成将空气供应到位于燃料喷射器的下游的尾流区域。
技术方案1. 一种减尾流结构，其用于涡轮系统，包括：
具有内表面和外表面的燃烧器衬套，所述内表面限定燃烧室；
空气流路径，其沿着所述燃烧器衬套的外表面定位；
尾流产生构件，其设置在所述空气流路径中且邻近所述燃烧器衬套，其中所述尾流产生构件产生位于所述尾流产生构件的下游的尾流区域；
尾流产生构件凸耳，其操作性地联接到所述燃烧器衬套上且设置在燃烧器衬套孔口内；以及
延伸通过所述尾流产生构件凸耳的冷却通道，所述冷却通道具有在所述尾流产生构件凸耳的上游区域上的空气入口和在所述尾流产生构件凸耳的下游区域上的空气出口，所述冷却通道构造成将空气供应到所述尾流产生构件的尾流区域。
技术方案2. 根据技术方案1所述的减尾流结构，其特征在于，所述尾流产生构件包括燃料喷射器。
技术方案3. 根据技术方案1所述的减尾流结构，其特征在于，所述尾流产生构件凸耳通过添加式制造工艺形成。
技术方案4. 根据技术方案3所述的减尾流结构，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光熔化(DMLM)。
技术方案5. 根据技术方案3所述的减尾流结构，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光烧结(DMLS)。
技术方案6. 根据技术方案1所述的减尾流结构，其特征在于，所述尾流产生构件凸耳焊接到所述燃烧器衬套上。
技术方案7. 根据技术方案1所述的减尾流结构，其特征在于，进一步包括延伸通过所述尾流产生构件凸耳的多个冷却通道。
技术方案8. 根据技术方案7所述的减尾流结构，其特征在于，所述多个冷却通道各自包括在所述尾流产生构件凸耳的上游区域上的空气入口和在所述尾流产生构件凸耳的下游区域上的空气出口，所述多个冷却通道构造成将空气供应到位于所述尾流产生构件下游的尾流区域。
技术方案9. 一种燃气涡轮发动机，包括：
压缩机区段；
涡轮区段；以及
燃烧器组件，其包括：
　　空气流路径，其由燃烧器衬套的外表面和包围所述燃烧器衬套的套管限定；
　　燃料喷射器，其设置在所述空气流路径中且至少部分地延伸通过燃烧器衬套孔口和套管孔口；
　　凸耳，其设置在所述空气流路径中且操作性地联接到燃烧器衬套孔口壁上，所述凸耳通过添加式制造工艺形成；以及
　　延伸通过所述凸耳的多个冷却通道，所述多个冷却通道各自具有在所述凸耳的上游区域上的空气入口和在所述凸耳的下游区域上的空气出口，所述多个冷却通道构造成将空气供应到位于所述燃料喷射器下游的尾流区域。
技术方案10. 根据技术方案9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光熔化(DMLM)。
根据结合附图得到的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在权利要求中特别指出且明确要求保护本实用新型的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本实用新型的前述和其它特征和优点是显而易见的，其中：
图1是燃气涡轮发动机的示意图；
图2是燃气涡轮发动机的燃烧器组件的一部分的透视图；
图3是燃烧器组件的一部分的侧视图，其示出尾流产生构件；
图4是尾流产生构件的放大侧视图；以及
图5是图4的截面V的放大侧视图，其更详细地示出尾流产生构件。
参照附图，详细描述以示例的方式阐述本实用新型的实施例，以及优点和特征。
部件列表：
10燃气涡轮发动机
12压缩机
14燃烧器组件
16端盖组件
18燃烧室
20-22多个喷嘴
24涡轮
26-28多个级
30压缩机/涡轮轴
32燃烧器衬套
34套管
36内表面
38外表面
40空气流路径
42至少一个尾流产生构件
44尾流区域
46喷射器
48结构支承组件
50凸耳
52燃烧器衬套孔口
54燃烧器衬套孔口壁
60多个冷却微通道
62空气入口
64空气出口
68空气流
90热的加压气体。
具体实施方式
参照图1，示意性地示出根据本实用新型的示例性实施例构造的涡轮系统，诸如燃气涡轮发动机10。燃气涡轮发动机10包括压缩机12和布置成罐环形阵列的多个燃烧器组件，其中一个在14处指示。如显示的那样，燃烧器组件14包括端盖组件16，其密封且至少部分地限定燃烧室18。多个喷嘴20-22由端盖组件16支承且延伸到燃烧室18中。喷嘴20-22通过公共燃料入口(未显示)接收燃料且从压缩机12接收压缩空气。燃料和压缩空气传送到燃烧室18中且点燃而形成高温高压燃烧产物或空气流，这用于驱动涡轮24。涡轮24包括多个级26-28，其通过压缩机/涡轮轴30(也称为转子)操作性地连接到压缩机12上。
在运行中，空气流到压缩机12中且压缩成高压气体。高压气体供应到燃烧器组件14且在燃烧室18中与燃料混合，例如天然气、燃料油、过程气体和/或合成气体(合成气)。燃料/空气或可燃混合物点燃而形成高压高温燃烧气体流。在任何情况下，燃烧器组件14将燃烧气体流引导到涡轮24，涡轮24将热能转化成机械旋转能。
现在参照图2和3，示出燃烧器组件14的一部分。如上面所提到，燃烧器组件14典型地为在燃气涡轮发动机10中运行的若干燃烧器中的一个，燃烧器通常沿周向布置。燃烧器组件14通常在几何结构方面为管状且将热的加压气体90引导到燃气涡轮发动机10的涡轮区段24中。
如根据下面的描述将理解的那样，燃烧器组件包括衬套，衬套限定内部区域，内部区域可为燃烧区或过渡区。为了说明的目的而在下面描述的特定实施例涉及套管包围的燃烧器衬套。但是，要理解，本文描述的本实用新型的实施例可与燃烧器组件14的各种其它实施例结合起来使用。具体而言，可采用过渡件衬套，且其被冲击套管或单个衬套包围，该单个衬套包围过渡件衬套和燃烧器衬套。此外，可采用单个衬套，该单个衬套限定燃烧区和过渡区。单个衬套可被或可不被一个或多个套管包围。
在一个实施例中，燃烧器组件14由燃烧器衬套32限定，燃烧器衬套32至少部分地在沿径向向外位置处被外边界构件(诸如例如套管34)包围。具体而言，燃烧器衬套32包括内表面36和外表面38，其中内表面36限定燃烧室18。在燃烧器衬套32的外表面38和套管34之间形成的空气流路径40为空气流提供区域，以便空气流在其中流向燃烧器组件14的喷嘴。虽然示出和之前描述为具有包围燃烧器衬套32的套管34，但是构想到，仅存在燃烧器衬套32，其中外边界构件包括外部壳体等。设置在空气流路径40内或部分地突出到空气流路径40中的是至少一个尾流产生构件42。尾流产生构件42一般性地表示任何结构部件，并且可对燃气涡轮发动机10提供各种结构和/或功能益处。在一个实施例中，尾流产生构件42包括燃料喷射器，其沿径向向内延伸通过燃烧器衬套32，诸如晚贫化(late lean)喷射器(LLI)。备选地，尾流产生构件42可为在流体方面联接相邻的燃烧室的管(诸如交叉燃烧管)、摄像头等。前面的列表仅是示例性的，并且要理解，尾流产生构件42可表示设置在空气流路径40内的任何结构部件。
在空气流路径40内流动的空气遇到尾流产生构件42时，在尾流产生构件42下游产生尾流区域44。具体而言，尾流区域44可从尾流产生构件42的下游端附近不远处延伸到尾流产生构件42的下游端附近的位置。
参照图4和5，更详细地示出尾流产生构件42。具体而言，LLI燃料喷射器组件示出为尾流产生构件42的实施例。LLI燃料喷射器组件构造成将燃料喷射到燃烧室18中。LLI燃料喷射器组件包括喷射器46和结构支承组件48，结构支承组件48可操作性地联接到喷射器46上或与喷射器46一体地形成。包括凸耳50以将喷射器46定位和支承在空气流路径40内。凸耳50操作性地联接到燃烧器衬套32上。在一个实施例中，凸耳50定位在燃烧器衬套孔口52内且焊接到燃烧器衬套孔口壁54上，燃烧器衬套孔口壁54限定燃烧器衬套孔口52。
LLI燃料喷射器组件的凸耳50包括在凸耳50内形成的至少一个(但是典型地多个)冷却微通道60。凸耳50且更具体而言多个冷却微通道60形成减尾流结构，如根据下面的描述将理解的那样。多个冷却微通道60可在大小或形状方面彼此相同或不同。根据一个实施例，多个冷却微通道60可具有大约100微米(μm)和大约3毫米(mm)之间的横截面尺寸(例如，宽度、直径等)。多个冷却微通道60可具有圆形、半圆形、椭圆形、弯曲、矩形、三角形或长菱形横截面。前面的列表仅是说明性的且不意图为详尽的。在某些实施例中，多个冷却微通道60可具有不同的横截面积。诸如紊流器或者凹坑的热传递增强件也可安装在多个冷却微通道60中。
多个冷却微通道60包括空气入口62和空气出口64。空气入口62为在凸耳50中的开口，其在凸耳50的上游区域上。具体而言，空气入口62位于LLI燃料喷射器组件的上游侧。空气出口64为凸耳50中的开口，其在凸耳50的下游区域上。各个冷却微通道连续地从空气入口62延伸到空气出口64，以提供通过凸耳50的通路。空气流68进入空气入口62且被提供给冷却微通道，冷却微通道通过其中将空气流引导到空气出口64，空气出口位于上面描述的尾流区域44内。空气流68可直接源自传送通过空气流路径40的空气流。另外，空气流68可源自与冷却微通道处于流体连通的第二空气供应。不管空气流68的确切源如何，由于尾流区域44相对于空气流路径40的位于凸耳50的上游不远处的区域(即，在空气入口62处)的压力较低，空气流68通过冷却微通道吸入且进入尾流区域44中。在空气流68抽送通过冷却微通道时，拉入的空气“填充在”尾流区域44中，从而减少与较大尾流区域相关联的不合需要的作用。
虽然构想到可采用任何传统的制造工艺来形成多个冷却微通道60，且可行地形成整个凸耳50，但是一种制造工艺特别可用于形成多个冷却微通道60。具体而言，可采用添加式制造来形成凸耳50和多个冷却微通道60。用语“添加性制造的”应当理解为描述通过以一层在另一层顶上的方式形成和固化连续的材料层而构造的构件。更具体而言，粉末材料层淀积在衬底上且通过暴露于热、激光、电子束或一些其它工艺而融化且后续固化。一旦固化，就将新的层淀积、固化和熔化到之前的层上直到形成构件。示例性添加式制造工艺包括直接金属激光熔化(DMLM)和直接金属激光烧结(DMLS)。
有利地，空气流均匀性在空气流被引导到首端喷嘴时增加，这促进增加燃气涡轮发动机10的总效率，以及减少NOx排放。另外，传送通过多个微通道60的空气流68冷却固定到燃烧器衬套32上的凸耳50。
虽然仅结合有限数量的实施例来详细描述本实用新型，但是应当容易地理解，本实用新型不限于这样的公开的实施例。相反，可修改本实用新型，以结合此前未描述但与本实用新型的精神和范围相当的任何数量的变型、变化、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本实用新型的多种实施例，但是要理解，本实用新型的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本实用新型不应视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (20)

1.一种减尾流结构，其用于涡轮系统，包括：
具有内表面和外表面的燃烧器衬套，所述内表面限定燃烧室；
空气流路径，沿着所述燃烧器衬套的外表面定位；
尾流产生构件，其设置在所述空气流路径中且邻近所述燃烧器衬套，其中所述尾流产生构件产生位于所述尾流产生构件的下游的尾流区域；
尾流产生构件凸耳，其联接到所述燃烧器衬套上且设置在燃烧器衬套孔口内；以及
延伸通过所述尾流产生构件凸耳的冷却通道，所述冷却通道具有在所述尾流产生构件凸耳的上游区域上的空气入口和在所述尾流产生构件凸耳的下游区域上的空气出口，所述冷却通道构造成将空气供应到所述尾流产生构件的尾流区域。
2.根据权利要求1所述的减尾流结构，其特征在于，所述尾流产生构件包括燃料喷射器。
3.根据权利要求1所述的减尾流结构，其特征在于，所述尾流产生构件凸耳通过添加式制造工艺形成。
4.根据权利要求3所述的减尾流结构，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光熔化。
5.根据权利要求3所述的减尾流结构，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光烧结。
6.根据权利要求1所述的减尾流结构，其特征在于，所述尾流产生构件凸耳焊接到所述燃烧器衬套上。
7.根据权利要求1所述的减尾流结构，其特征在于，进一步包括延伸通过所述尾流产生构件凸耳的多个冷却通道。
8.根据权利要求7所述的减尾流结构，其特征在于，所述多个冷却通道各自包括在所述尾流产生构件凸耳的上游区域上的空气入口和在所述尾流产生构件凸耳的下游区域上的空气出口，所述多个冷却通道构造成将空气供应到位于所述尾流产生构件下游的尾流区域。
9.一种燃料喷射器组件，其用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件，所述燃料喷射器组件包括：
具有外表面的燃烧器衬套；
套管，其在沿径向向外间隔开的位置处包围所述燃烧器衬套；
空气流路径，其由所述燃烧器衬套的外表面和所述套管限定；
燃料喷射器，其设置在所述空气流路径中且至少部分地延伸通过燃烧器衬套孔口和套管孔口；
凸耳，其设置在所述空气流路径中且联接到燃烧器衬套孔口壁上，所述凸耳通过添加式制造工艺形成；以及
延伸通过所述凸耳的冷却通道，所述冷却通道具有在所述凸耳的上游区域上的空气入口和在所述凸耳的下游区域上的空气出口，所述冷却通道构造成将空气供应到位于所述燃料喷射器下游的尾流区域。
10.根据权利要求9所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光熔化。
11.根据权利要求9所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光烧结。
12.根据权利要求9所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述凸耳焊接到所述燃烧器衬套孔口壁上。
13.根据权利要求9所述的燃料喷射器组件，其特征在于，进一步包括延伸通过所述凸耳的多个冷却通道。
14.根据权利要求13所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述多个冷却通道各自包括在所述凸耳的上游区域上的空气入口和在所述凸耳的下游区域上的空气出口，所述多个冷却通道构造成将空气供应到位于所述燃料喷射器下游的尾流区域。
15.根据权利要求9所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述冷却通道包括范围为大约100微米至大约3毫米的横截面尺寸。
16.一种燃气涡轮发动机，包括：
压缩机区段；
涡轮区段；以及
燃烧器组件，其包括：
　　空气流路径，其由燃烧器衬套的外表面和包围所述燃烧器衬套的套管限定；
　　燃料喷射器，其设置在所述空气流路径中且至少部分地延伸通过燃烧器衬套孔口和套管孔口；
　　凸耳，其设置在所述空气流路径中且联接到燃烧器衬套孔口壁上，所述凸耳通过添加式制造工艺形成；以及
　　延伸通过所述凸耳的多个冷却通道，所述多个冷却通道各自具有在所述凸耳的上游区域上的空气入口和在所述凸耳的下游区域上的空气出口，所述多个冷却通道构造成将空气供应到位于所述燃料喷射器下游的尾流区域。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光熔化。
18.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述添加式制造工艺包括直接金属激光烧结。
19.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述凸耳焊接到所述燃烧器衬套孔口壁上。
20.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，各个所述多个冷却通道包括范围为大约100微米至大约3毫米的横截面尺寸。
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