CN101581450A - 冷却和稀释调节燃烧器衬里与过渡件交界面的方法和装置 - Google Patents

冷却和稀释调节燃烧器衬里与过渡件交界面的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及冷却和稀释调节燃烧器衬里与过渡件交界面的方法和装置，具体而言，涉及一种包括前端和后端的燃烧器衬里(40)，该后端具有缩小的直径部分(44)和重叠在该缩小的直径部分之上的冷却及稀释套管(50)，从而在它们之间形成冷却气室(60)。在该冷却及稀释套管中形成多个冷却及稀释空气进口孔(58)，并靠近该衬里的后边缘形成多个冷却及稀释空气出口孔(62)，使得在使用中，冷却及稀释空气流经冷却及稀释空气进口孔(58)，并通过气室(60)，离开冷却及稀释空气出口孔(62)，从而冷却并稀释调节燃烧器衬里的后端，而不用必须拆卸过渡件。

Description

冷却和稀释调节燃烧器衬里与过渡件交界面的方法和装置
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机内的内部冷却，且更具体地，涉及用于在燃烧器衬里和过渡件之间的过渡或交界区域提供更好和更均匀的冷却的装置和方法。
背景技术
传统的燃气涡轮机燃烧器使用扩散(即非预混合)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超过3900°F的火焰温度。由于常规的燃烧器和/或过渡件通常仅能够承受约1500°F的最高温度约一万小时(10,000hrs)，因此必须采取保护燃烧器和/或过渡件的步骤。这典型地通过薄膜冷却达成，薄膜冷却包括将相对冷的压缩机空气引入由环绕过渡件的冲击冷却套管和环绕燃烧器衬里的流套管形成的气室。该冷却空气最后反向流入燃烧器，在此处其与燃料混合用于燃烧和稀释调节(dilution tuning)。
已经采用了各种技术来冷却燃烧器衬里的后端(靠近过渡件的一端)且压缩密封件(或“呼啦”密封件)典型地用在过渡件和燃烧器衬里的交界面。例如，见美国专利第6,098,397号，其公开了在衬里的外表面上提供一列凹陷以增强热传递。在美国专利第7,010,921号中公开了另一种技术，其中燃烧器衬里的后端设有围绕其周围的多个轴向延伸的肋或湍流器，覆盖有套管或覆盖板，从而形成一系列冷却通道。冷却空气通过位于通道前端的空气入口槽或开口引入通道，并离开进入叠缩在衬里后端上的过渡件。
只有在涡轮机可投入运行后才能进行的对燃烧器(包括冷却结构)的调节典型地包括拆散涡轮机并拆除过渡件，从而在其中钻出或焊接稀释孔。这是一个耗时并因而昂贵的过程。
因而，一直需要一种冷却装置，其对燃烧器衬里的后端/过渡件交界面提供有效、均匀的冷却，并且也简化燃烧器调节过程。
发明内容
在一个示范性但非限制性的方面，本发明涉及燃烧器衬里，该燃烧器衬里包括前端和后端，该后端具有缩小的直径部分和重叠在该缩小的直径部分上的冷却和稀释套管，从而在它们之间建立冷却气室；在冷却套管中形成多个冷却空气进口孔，并在靠近衬里的后边缘处形成多个冷却空气出口孔，使得在使用中，冷却空气流经冷却空气进口孔并穿过该气室，离开冷却空气出口孔，从而冷却燃烧器衬里的后端，并实现稀释调节。
在另一个示范性但非限制性的方面，本发明涉及燃烧器衬里，该燃烧器衬里包括衬里前端和衬里后端，该衬里后端具有缩小的直径部分和重叠在该缩小的直径部分上的冷却套管，从而在它们之间建立冷却气室；在冷却套管中形成多个冷却空气进口孔，并在靠近衬里的后边缘处形成多个冷却空气出口孔，使得在使用中，冷却空气流经冷却空气进口孔并穿过该气室，离开冷却空气出口孔，从而冷却衬里后端；其中压缩密封件紧固在冷却套管的外表面上，直接位于气室的径向外部；并且其中衬里后端包括通向缩小的直径部分的向内的锥形的部分，以及通向环形环管的向外的锥形的部分，冷却套管具有与衬里在向内的锥形的部分上游的位置处接合的前套管端，以及固定到环管上的后套管端。
在又一个示范性但非限制性的方面，本发明涉及冷却燃烧器衬里的后端及相关联的环状密封件的方法，包括：
形成衬里的后端部分，该后端部分具有缩小的直径部分；
在该缩小的直径部分的周围以对其径向地隔开的关系定位冷却套管，从而形成环状气室；
在冷却套管的上游端中形成冷却空气进口孔，并靠近衬里的后边缘在衬里中形成冷却空气出口孔，使得在使用中，冷却空气流经冷却空气进口孔进入气室，并穿过冷却空气出口孔。
现在将联系以下指出的附图详细描述本发明。
附图说明
图1是图示已知的燃气涡轮机过渡件构造的部分截面图，带有示意性显示的相关联的燃烧器衬里；
图2是根据已知冷却构造的燃烧器衬里的后端的分解部分透视图；
图3是根据本发明的第一示范性但非限制性实施例的穿过燃烧器衬里的后端的部分截面图；
图4是根据本发明的第二示范性但非限制性实施例的穿过燃烧器衬里的后端的部分截面图；
图5是根据本发明的第三示范性但非限制性实施例的穿过燃烧器衬里的后端的部分截面图。
部件列表
10过渡件
12燃烧器衬里
14涡轮机第一级
16轴向扩散器
18压缩机排放箱
20孔
22冲击套管
24环状空间
26密封压缩件
28覆盖板
30过渡区域
32肋
34气流通道
36进口槽或开口
38开口
40衬里
42向内的锥形部分
44缩小的直径部分
46向外的锥形部分
47环管
48后边缘
50冷却套管
51环管
52前边缘
54后边缘
56弹簧密封件
58进口孔
59孔
60冷却气室
62出口孔
63焊接位置
64后端件
66气室
68向内的锥形部分
70缩小的直径部分
72向外的锥形后端部分
74出口孔
76冷却套管
78向内的锥形部分
80缩小的直径部分
82覆盖板
84通道
86空气进口孔
88后端件
90衬里
92向内的锥形部分
94缩小的直径部分
96向外的锥形部分
98环管
100后边缘
102冷却套管
104锥形部分
106前边缘部分
108前边缘
110气室
112进口孔
114出口孔
116弹簧或呼啦密封件
具体实施方式
参考图1，典型的燃气涡轮机包括过渡件10，来自如由示意性图示的燃烧器衬12代表的上游燃烧器的热的燃烧气体通过该过渡件10传向以14代表的涡轮机的第一级。来自燃气涡轮机压缩机的流离开轴向扩散器16并进入压缩机排放箱18。在一些过渡件设计中，大约50％的压缩机排放空气通过沿过渡件冲击套管22并围绕该冲击套管22形成的孔20，以流进环状区域或环状空间24(或者，第二流环状空间)，该环状空间位于过渡件10和径向的外过渡件冲击套管22之间。压缩机排放流的剩余的大约50％进入上游燃烧衬里流套管(未示出)中的孔，并进入流套管和衬里12之间的环状空间，此处其在回流进燃烧室中之前与环状空间24中的空气混合。
例如，在美国专利第7,010,921号中公开了用于将过渡件和冲击套管与燃烧器衬里进行联接的一种已知的布置，并在本文无需进一步详细描述。
在图2中，用于衬里12的后端的一种流冷却构造示出为包括相关联的压缩型密封件26，其通常称作“呼啦密封件”，安装在覆盖板28上，靠近衬里的锥形的过渡区域30。将会理解图2仅示出了其它环状部件零件的“片段”。因此，圆柱形覆盖板28安装在衬里上，以形成用于该环状压缩密封件26的安装表面，并形成轴向气流通道34的一部分。更具体地，衬里12具有多个轴向升高的部分或肋32，其在衬里12的后端的一部分之上延伸。覆盖板28和肋32一起限定相应的气流通道34。这些通道大体上平行于衬里12的后端的一部分并在该部分之上延伸。通过位于通道的前端处的环状空气进口槽或开口36(或孔36A)将冷却空气引入通道34。冷却空气流入并通过通道34并通过衬里的后端处的开口38离开。
现在转向图3，本发明的一个示范性但非限制性实施例显示了衬里40的后端形成有径向向内的锥形42，其在衬里的下游端形成缩小的直径部分44。径向向外的锥形部分46将衬里扩张至较大的直径，且环形环管37终止于后端边缘48处。管状圆柱形冷却套管50从大约中间的点沿衬里的锥形部分42延伸，到达靠近衬里的终点边缘48的后边缘54。套管50可焊接到衬里的环管部分47上。将弹簧密封件(或呼啦密封件)56紧固到冷却套管50的后边缘上(例如通过焊接)，并使得能够与过渡件(未示出)的内表面密封接合。
冷却空气进口孔58以围绕冷却套管50的环形阵列设于靠近套管的前边缘52的位置处。因此，冷却空气流经空气进口孔58，进入衬里的缩小的直径部分44和冷却套管50之间的冷却气室60。流经气室的空气通过形成在衬里的向外的锥形部分46中的冷却空气出口孔62的环形阵列离开。
注意衬里的包括向内的锥形部分42，缩小的直径部分44，向外的锥形部分46和环管47的该部分可以单独地形成并例如在标示为63的位置处焊接到衬里上。为了用该布置调节燃烧器，只需要根据需要在套管50中钻出附加的冷却空气进口孔，而不需要还必须拆除过渡件。这是一个节省调节的设计。
在该设计的一个变型中，可在套管50上应用相对紧的装配环管51，轴向地位于密封件56后。环管51在选定的位置处可具有一系列周向地隔开的孔59，使得该环管之后可以旋转，从而将其中一些或全部的孔59置于与孔58部分或完全对准，从而获得所需的冷却和调节稀释特性，而不用必须拆除过渡件并向套管50添加孔。
图4图示了本发明的另一个示范性但非限制性实施例。该实施例表示图2中显示的已知构造的一个变型。但是，在这种情况下，将新的后端件64添加到衬里上，且原过渡区域130现在用作冷却套管，形成它们之间的气室66。后端件64类似于图3中的后端，且向内的锥形部分68通向缩小的直径部分70。向外的锥形后端部分72通向终端环管和边缘(未示出，但类似于图3)。冷却出口孔74围绕锥形的端部部分72形成环形阵列。冷却套管76还包括向内的锥形部分78，该锥形部分78通向缩小的直径部分80，终止于后端终端边缘(未示出)。冷却套管类似于图2中所示的套管，但此处，通过终止前向开口(图2中的36)而封闭通道。事实上，覆盖板82和缩小的直径部分80可制造成单一部件，消除通道84。
现在冷却空气进入绕锥形部分78形成的冷却空气进口孔86，流经气室66，并通过形成在锥形后端部分72中的冷却空气出口孔74离开。
现在转向图5，图示了本发明的另一个示范性和优选的实施例，其代表了图4中的冷却布置的简化形式。具体地，衬里90的后端件88又形成有向内的锥形部分92，缩小的直径部分94，向外的锥形后端部分96，以及限定衬里的后端边缘100的平的终端环或环管98。冷却套管102焊接在衬里的环或环管98上，从终端边缘100向外延伸，并包括与前边缘部分合并的锥形部分104，在锥形部分104处与后端件88形成滑配接头，靠近前边缘108，此处后端件88连接到衬里90上。该布置形成后端件88和冷却套管102之间的气室110。套管102中的冷却空气进口孔112允许冷却和稀释空气进入气室110，并通过孔114离开，孔114形成在后端件88的向外的锥形部分96中。弹簧指状物或呼啦密封件116焊接到冷却套管102的后端上。
图3-5中图示的上述冷却和稀释布置在呼啦密封件下灌入冷空气，冷却密封件以及燃烧器衬里的后端。同时，由于燃烧器衬里的调节和稀释空气的优化相关，通过向冷却套管和/或衬里更改或增加冷却空气进口和/或末端孔可以达成燃烧器衬里的调节，而无需拆卸过渡件。
尽管已经结合当前被认为是最可行和优选的实施例描述了本发明，但应该懂得，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求精神和范围之内的各种变型和等价布置。

Claims (10)

1.一种燃烧器衬里(40)，其包括前端和后端，该后端具有缩小的直径部分(44)和重叠在该缩小的直径部分(44)上的冷却及稀释套管(50)，从而在它们之间建立冷却气室(60)；在所述冷却套管(50)中形成多个冷却及稀释空气进口孔(58)，并在靠近该衬里的后边缘处形成多个冷却及稀释空气出口孔(62)，使得在使用中，冷却空气流经所述冷却及稀释空气进口孔(58)并穿过所述气室(60)，离开所述冷却及稀释空气出口孔(62)，从而冷却该燃烧器衬里(40)的后端。
2.如权利要求1所述的燃烧器衬里，其特征在于，压缩密封件(56)紧固在所述冷却及稀释套管(50)的外表面上，直接位于所述气室(60)的径向外部。
3.如权利要求1所述的燃烧器衬里，其特征在于，所述后端包括通向所述缩小的直径部分(44)的向内的锥形部分(42)，以及通向环形环管(47)的向外的锥形部分(46)，且进一步其中所述冷却及稀释套管(50)的前边缘(52)接合所述向内的锥形部分(42)，而所述冷却及稀释套管(50)的后边缘(54)紧固到所述环管(47)上。
4.如权利要求1所述的燃烧器衬里，其特征在于，所述后端包括通向所述缩小的直径部分(70)的向内的锥形部分(68)，以及通向环状环管(47)的向外的锥形部分(72)，且进一步其中所述冷却及稀释套管(76)具有前套管端和后套管端，该前套管端在所述向内的锥形部分(68)的上游位置与衬里接合，该后套管端固定在所述环管(47)上。
5.如权利要求3所述的燃烧器衬里，其特征在于，所述冷却及稀释空气进口孔(58)靠近所述冷却及稀释套管的所述前边缘(52)形成环形阵列。
6.如权利要求5所述的燃烧器衬里，其特征在于，所述冷却及稀释空气出口孔(62)在该衬里的所述向外的锥形部分(46)中形成环形阵列。
7.如权利要求4所述的燃烧器衬里，其特征在于，所述冷却及稀释套管(76)具有靠近其前边缘的向内的锥形部分(78)，并且进一步其中所述冷却及稀释空气进口孔(86)在所述冷却及稀释套管的所述向内的锥形部分(78)中形成环形阵列，而所述冷却及稀释空气出口孔(74)形成在所述衬里的所述向外的锥形部分(72)中。
8.如权利要求7所述的燃烧器衬里，其特征在于，压缩密封件(116)紧固在所述冷却及稀释套管(102)的外表面上，直接位于所述气室(110)的径向外部。
9.如权利要求7所述的燃烧器衬里，其特征在于，所述冷却套管(102)的所述前向段形成与该衬里(90)的滑配接合。
10.一种冷却和稀释调节燃烧器衬里(40)的后端及相关的环形密封件的方法，包括：
形成衬里(40)的后端部分，该后端部分具有缩小的直径部分(44)；
在所述缩小的直径部分的周围以对其径向地隔开的关系定位冷却及稀释套管(50)，从而产生环状气室(60)；
在所述冷却及稀释套管(50)的上游端中形成冷却及稀释空气进口孔(58)，并在所述衬里中靠近其后边缘形成冷却及稀释空气出口孔(62)，使得在使用中，冷却空气流经所述冷却及稀释空气进口孔(58)进入所述气室(60)，并通过所述冷却及稀释空气出口孔(62)。
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