CN103185354B - 用于冷却过渡喷嘴的方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于冷却过渡喷嘴的方法和***。该过渡喷嘴包括：内衬，内衬在其中限定燃烧室；包层，包层包围内衬使得在包层和内衬之间限定冷却管道；冷却流体入口，冷却流体入口被配置成将冷却流体供应到冷却管道；以及多个肋，多个肋联接在内衬和包层之间使得多个冷却通道限定于冷却管道中。

Description

用于冷却过渡喷嘴的方法和***
技术领域
本发明大体上涉及涡轮机***，并且更特别地，涉及冷却可以用于涡轮机***的过渡喷嘴。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮机***包括不同于、并且独立于涡轮机的燃烧器。在操作期间，一些这样的涡轮机***可能形成燃烧器和涡轮机之间的泄漏，所述泄漏可能影响燃烧器的排放能力(即，NOX)、和/或可能降低涡轮机***的性能和/或效率。
为了减小这样的泄漏，至少一些已知的涡轮机***包括在燃烧器和涡轮机之间的多个密封件。然而随着时间，在增加的温度下操作可能减弱燃烧器和涡轮机之间的密封件。维护这样的密封件可能乏味、耗时和/或成本效益低。
附加地或备选地，为了增加排放能力，至少一些已知的涡轮机***增加燃烧器的操作温度。例如，一些已知燃烧器内的火焰温度可以增加到超过大约3900°F的温度。然而，增加的操作温度可能不利地限制燃烧器和/或涡轮机***的使用寿命。
发明内容
在一个方面中，本发明提供了一种用于涡轮机组件的过渡喷嘴。该过渡喷嘴包括：内衬，内衬在其中限定燃烧室；包层，包层包围内衬使得在包层和内衬之间限定冷却管道；冷却流体入口，冷却流体入口被配置成将冷却流体供应到冷却管道；以及多个肋，多个肋联接在内衬和包层之间使得多个冷却通道限定于冷却管道中。
所述多个肋的每一个肋围绕所述燃烧室大致周向地延伸，使得所述冷却通道轴向地间隔设置。所述轴向间隔的冷却通道以螺旋配置围绕所述燃烧室布置。或者，所述多个肋的每一个肋沿着所述燃烧室轴向地延伸，使得所述冷却通道周向地间隔设置。所述冷却流体入口限定于所述包层中。所述过渡喷嘴还包括限定于所述包层中的冷却流体出口，所述冷却流体出口被配置成将冷却流体的流动引导到所述冷却管道之外。所述过渡喷嘴还包括限定于所述内衬中的冷却孔，所述冷却孔提供所述冷却管道和所述燃烧室之间的流动连通。所述冷却流体入口被配置成供应作为所述冷却流体的蒸汽。
在另一个方面中，本发明提供了一种涡轮机组件。该涡轮机组件包括：燃料喷嘴，燃料喷嘴被配置成混合燃料和空气以产生燃料和空气混合物；以及过渡喷嘴，过渡喷嘴被定向成接收来自燃料喷嘴的燃料和空气混合物。过渡喷嘴包括：内衬，内衬在其中限定燃烧室；包层，包层包围内衬使得在包层和内衬之间限定冷却管道；冷却流体入口，冷却流体入口被配置成将冷却流体供应到冷却管道；以及多个肋，多个肋联接在内衬和包层之间使得多个冷却通道限定于冷却管道中。
所述多个肋的每一个肋围绕所述燃烧室大致周向地延伸，使得所述冷却通道轴向地间隔设置。或者，所述多个肋的每一个肋沿着所述燃烧室轴向地延伸，使得所述冷却通道周向地间隔设置。所述冷却流体入口限定于所述包层中。所述涡轮机组件还包括限定于所述包层中的冷却流体出口，所述冷却流体出口被配置成将冷却流体的流动引导到所述冷却管道之外。所述涡轮机组件还包括限定于所述内衬中的冷却孔，所述冷却孔提供所述冷却管道和所述燃烧室之间的流动连通。所述冷却流体入口被配置成供应作为所述冷却流体的蒸汽。
在又一个方面中，本发明提供了一种组装涡轮机组件的方法。该方法包括：将燃料喷嘴联接到过渡喷嘴，过渡喷嘴包括内衬和包层，内衬在其中限定燃烧室，包层包围内衬使得在包层和内衬之间限定冷却管道；与冷却流体入口流动连通地联接冷却流体源，冷却流体入口被配置成将冷却流体供应到冷却管道；以及连接内衬和包层之间的多个肋使得多个冷却通道限定于冷却管道中。
所述联接多个肋的步骤包括将所述多个肋联接成使得所述冷却通道轴向地间隔设置；或者，所述联接多个肋的步骤包括将所述多个肋联接成使得所述冷却通道周向地间隔设置。所述联接冷却流体源的步骤包括与限定于所述包层中的冷却流体入口流动连通地联接所述冷却流体源。所述方法还包括在所述内衬中形成冷却孔，以提供所述冷却管道和所述燃烧室之间的流动连通。
本说明书中所述的特征、功能和优点可以在本发明的各实施例中独立地实现或者可以在另外的其它实施例中组合，可以参考以下描述和附图看到所述实施例的更多细节。
附图说明
图1是示例性涡轮机组件的示意图。
图2是可以用于图1中所示的涡轮机组件的示例性过渡喷嘴的横截面图。
图3是图2中所示、并且沿着区域3获得的过渡部分的一部分的视图。
图4是可以用于图2中所示的过渡喷嘴的备选冷却管道的视图。
图5是图4中所示的冷却管道的横截面图。
具体实施方式
本说明书中所述的***和方法便于冷却过渡喷嘴。过渡喷嘴包括在内衬和包层之间限定的冷却管道。冷却流体源将诸如蒸汽的冷却流体供应到冷却管道。联接在内衬和包层之间的多个肋限定包层中的多个冷却通道。当冷却流体流动通过冷却通道时，它便于冷却过渡喷嘴。
当在本说明书中使用时，术语“轴向”和“轴向地”表示大致平行于燃烧器的纵轴线延伸的方向和取向。当在本说明书中使用时，以单数形式叙述或在前面加有单词“一”的元件或步骤应当被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确地指出这样的排除。此外，对本发明的“一个实施例”或“示例性实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。
图1是示例性涡轮机组件100的示意图。在示例性实施例中，涡轮机组件100包括以连续流动布置联接的压缩器104、燃烧器组件106、和经由转子轴110可旋转地联接到压缩器104的涡轮机108。
在示例性实施例中，在操作期间，环境空气通过空气入口(未显示)被引导流向压缩器104。在环境空气朝着燃烧器组件106被引导之前，它由压缩器104压缩。在示例性实施例中，压缩空气与燃料混合，并且最后产生的燃料-空气混合物在燃烧器组件106内点火以生成朝着涡轮机108引导的燃烧气体。而且，在示例性实施例中，涡轮机108从燃烧气体提取旋转能量，并且旋转转子轴110以驱动压缩器104。此外，在示例性实施例中，涡轮机组件100驱动联接到转子轴110的负载112，例如发电机。在示例性实施例中，负载112在涡轮机组件100的下游。备选地，负载112可以在涡轮机组件100的上游。
图2是可以用于涡轮机组件100的示例性过渡喷嘴200的横截面图。在示例性实施例中，过渡喷嘴200具有大致线性的中心轴线。备选地，过渡喷嘴200可以具有扭曲的中心轴线。过渡喷嘴200可以具有适合于允许过渡喷嘴200如本说明书中所述起作用的任何尺寸、形状和/或取向。
在示例性实施例中，过渡喷嘴200包括燃烧内衬部分202、过渡部分204和涡轮机喷嘴部分206。在示例性实施例中，至少过渡部分204和喷嘴部分206集成为单一或整体部件。此外，内衬部分202、过渡部分204和喷嘴部分206可以全部集成为单一或整体部件。例如，在一个实施例中，过渡喷嘴200作为整体被铸造和/或锻造。
在示例性实施例中，内衬部分202在其中限定燃烧室208。更具体地，在示例性实施例中，内衬部分202被定向成在沿着内衬部分202的轴向长度间隔的多个不同的位置(未显示)处接收燃料和/或空气，以允许局部地控制燃烧器组件106的每个燃烧器(未显示)的燃料流。因此，每个燃烧器的局部控制便于燃烧器组件106在燃烧室208内以大致均匀的燃料-空气比率操作。例如，在示例性实施例中，内衬部分202接收来自至少一个燃料喷嘴210的燃料和空气混合物，并且接收来自位于燃料喷嘴210的下游的第二级燃料喷射器212的燃料。在另一个实施例中，多个可单独控制的喷嘴沿着内衬部分202的轴向长度间隔。备选地，燃料和空气可以在室208内混合。
在示例性实施例中，燃料和空气混合物在室208内点火以生成热燃烧气体。在示例性实施例中，过渡部分204被定向成向下游朝着喷嘴部分206沟流/引导(channel)热燃烧气体。在一个实施例中，过渡部分204包括定向成朝着涡轮机叶片(未显示)成期望角沟流/引导热燃烧气体的节流端部(未显示)。在这样的实施例中，节流端部(throttled end)用作喷嘴。附加地或备选地，过渡部分204可以包括延伸护罩(未显示)，该延伸护罩在允许延伸护罩和喷嘴朝着涡轮机叶片成期望角引导热燃烧气体的取向上大致包围喷嘴。包层214包围内衬部分202。在示例性实施例中，包层214是金属。备选地，包层214可以由允许过渡喷嘴200如本说明书中所述起作用的任何材料制造。
图3是沿着区域3(图2中所示)获得的过渡部分204的一部分的视图。冷却管道216限定于包层214和内衬部分202之间。在示例性实施例中，多个肋220在包层214和内衬部分202之间延伸，以限定冷却管道216中的多个冷却通道222。具体地，肋220在内衬部分202的径向外表面224和包层214的径向内表面226之间延伸。肋220可以使用任何合适的方法联接到径向外表面224和径向内表面226。例如，在一些实施例中，肋220可以焊接到径向外表面224和径向内表面226。备选地，肋220可以与内衬部分202和包层214中的至少一个铸造、和/或形成一体。
冷却流体入口230将冷却流体供应到冷却管道216。在示例性实施例中，冷却流体是蒸汽。备选地，冷却流体是便于冷却过渡部分204的任何流体。例如，在一些实施例中，冷却流体是液态水。当冷却流体流动通过冷却管道216时，它便于冷却内衬部分202和包层214。
在示例性实施例中，肋220围绕冷却管道216周向地延伸使得冷却通道222轴向地间隔。与冷却流体入口230流动连通的第一冷却通道234通过第一肋238与第二冷却通道236轴向地间隔。类似地，第二冷却通道236通过第二肋242与第三冷却通道240轴向地间隔设置，并且第三冷却通道240通过第三肋246与第四冷却通道244轴向地间隔设置。第四冷却通道244与冷却流体出口248流动连通。
尽管冷却通道234、236、240和244彼此轴向地间隔，但是冷却通道234、236、240和244周向地彼此流动连通。也就是说，第一冷却通道234与第二冷却通道236流动连通，第二冷却通道236与第三冷却通道240流动连通，并且第三冷却通道与第四冷却通道244流动连通。此外，第一肋238联接到第二肋242，并且第二肋242联接到第三肋246。因此，在示例性实施例中冷却管道216具有缠绕内衬部分202的螺旋形配置。
备选地，在一些实施例中，第一冷却通道234、第二冷却通道236、第三冷却通道240和第四冷却通道244不流动连通。在这样的实施例中，每个冷却通道234、236、240和244具有单独的冷却流体入口和出口(均未显示)。值得注意的是，冷却通道234、236、240和244可以具有允许冷却管道216如本说明书中所述起作用的彼此之间的流体连通的任何配置，其中冷却通道234、236、240和244全都、全不(没有一个)或仅仅一部分彼此流动连通。
尽管在示例性实施例中冷却管道216包括三个肋220和四个冷却通道222，但是冷却管道216可以包括允许冷却管道216如本说明书中所述起作用的任何数量的肋和/或冷却通道。冷却通道234、236、240和244也可以包括一个或多个表面加强结构(未显示)，例如紊流器、凹陷、和/或翼片。所述表面加强结构可以具有任何进一步便于冷却过渡部分204的几何形状、取向和/或配置。例如，冷却通道234、236、240和244可以包括V形(chevron-shaped)、倾斜、和/或直紊流器。
图4是可以用于过渡喷嘴200(图2中所示)的备选冷却管道316的视图。图5是冷却管道316的横截面图。除非另外指出，冷却管道316大致类似于冷却管道216(图3中所示)，并且图4中的类似部件用图3中使用的相同附图标记标示。多个肋320联接在内衬部分202和包层214之间。肋320沿着过渡部分204轴向地延伸。因此，肋320将冷却管道316分成周向分离设置的多个轴向延伸冷却通道330。
在示例性实施例中，每个冷却通道330包括在包层214中限定的冷却流体入口340和冷却流体出口342。冷却流体从冷却流体源(未显示)通过入口340流入冷却通道330中。当冷却流体流动通过冷却通道330时，冷却流体便于冷却内衬部分202和包层214。
尽管在图3中显示了示例性冷却通道330，但是备选地，可以使用其它冷却通道配置。例如，在一个实施例中，多个冷却通道彼此独立(即，不彼此流体连通)。在这样的实施例中，可以控制冷却流体流动到单独的冷却通道，使得冷却流体可以选择性地被引导/沟流到独立冷却通道的子组。因此，通过选择哪些冷却通道接收冷却流体，可以选择性地冷却过渡喷嘴200的不同部分和/或部件。
至少一个冷却通道330包括限定于内衬部分202中的冷却孔350。因此冷却流体的至少一部分通过冷却孔350流动到燃烧室208中。尽管在示例性实施例中冷却管道316包括六个肋320和六个冷却通道330，但是冷却管道316可以包括允许冷却管道316如本说明书中所述起作用的任何数量的肋和/或冷却通道。
肋和冷却通道的配置不限于本说明书中所述的具体实施例。例如，冷却通道不限于螺旋通道和轴向延伸通道，而是例如可以包括正弦形通道。此外，肋可以具有允许冷却流体便于冷却过渡部分的部件的任何合适的尺寸、间隔和/或取向。
本说明书中所述的实施例便于冷却过渡喷嘴。过渡喷嘴包括在内衬和包层之间限定的冷却管道。冷却流体源将诸如蒸汽的冷却流体供应到冷却管道。联接在内衬和包层之间的多个肋限定包层中的多个冷却通道。当冷却流体流动通过冷却通道时，它有助于冷却过渡喷嘴。
相比于至少一些已知的涡轮机组件，本说明书中所述的方法和***有助于增加过渡喷嘴的冷却。冷却流体流动通过在内衬和包层之间由多个肋限定的多个冷却通道。当冷却流体流动通过冷却通道时，它冷却涡轮机组件的部件。可以调节肋的位置和取向以产生不同的冷却配置，本发明提供比包括在至少一些已知的涡轮机组件中的更灵活的冷却***。
示例性***和方法不限于本说明书中所述的具体实施例，而是相反地，每个***的部件和/或每个方法的步骤可以单独地并且独立于本说明书中所述的其它部件和/或方法步骤使用。每个部件和每个方法步骤也可以与其它部件和/或方法步骤组合使用。
本说明书使用例子来公开包括最佳模式的本发明的某些实施例，并且也使本领域的任何技术人员能够实施那些特定的实施例，包括制造和使用任何装置或***并且执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims (7)

1.一种用于涡轮机组件的过渡喷嘴(200)，所述过渡喷嘴包括：
内衬(202)，所述内衬在其中限定燃烧室(208)；
包层(214)，所述包层包围所述内衬使得在所述包层和所述内衬之间限定冷却管道(216)；
冷却流体入口(230)，所述冷却流体入口被配置成将冷却流体供应到所述冷却管道；
冷却流体出口，所述冷却流体出口界定于所述包层内、并接收自所述冷却管道排出的冷却流体，所述冷却流体出口经配置为将所述冷却流体流从所述冷却管道引导出去；以及
肋(220)，所述肋周向围绕所述燃烧室延伸以使得一对轴向间隔的冷却通道界定于所述冷却管道中，所述一对轴向间隔的冷却通道包括第一冷却通道和第二冷却通道，所述第一和第二冷却通道皆周向围绕所述燃烧室以使得所述肋将所述第一冷却通道与第二冷却通道彼此分隔；
其中，所述肋配置成在所述冷却流体被排出到所述冷却流体出口之前使得所述冷却流体自所述第一冷却通道流到所述第二冷却通道。
2.根据权利要求1所述的过渡喷嘴，其特征在于，所述一对轴向间隔的冷却通道(222)以螺旋配置围绕所述燃烧室(208)布置。
3.根据权利要求1所述的过渡喷嘴，其特征在于，所述冷却流体入口(230)限定于所述包层(214)中。
4.根据权利要求1所述的过渡喷嘴，其特征在于，所述过渡喷嘴还包括限定于所述内衬(202)中的冷却孔(350)，所述冷却孔提供所述冷却管道(216)和所述燃烧室(208)之间的流动连通。
5.根据权利要求1所述的过渡喷嘴，其特征在于，所述冷却流体入口(230)被配置成供应作为所述冷却流体的蒸汽。
6.一种涡轮机组件(100)，其包括：
燃料喷嘴(210)，所述燃料喷嘴被配置成混合燃料和空气以产生燃料和空气混合物；以及
过渡喷嘴(200)，所述过渡喷嘴被定向成接收来自所述燃料喷嘴的燃料和空气混合物，所述过渡喷嘴包括：
内衬(202)，所述内衬在其中限定燃烧室(208)；
包层(214)，所述包层包围所述内衬使得在所述包层和所述内衬之间限定冷却管道(216)；
冷却流体入口(230)，所述冷却流体入口被配置成将冷却流体供应到所述冷却管道；以及
冷却流体出口，所述冷却流体出口界定于所述包层内、并接收自所述冷却管道排出的冷却流体，所述冷却流体出口经配置为将所述冷却流体流从所述冷却管道引导出去；
肋(220)，所述肋周向围绕所述燃烧室延伸以使得一对轴向间隔的冷却通道界定于所述冷却管道中，所述一对轴向间隔的冷却通道包括第一冷却通道和第二冷却通道，所述第一和第二冷却通道皆周向围绕所述燃烧室以使得所述肋将所述第一冷却通道与第二冷却通道彼此分隔；
其中，所述肋配置成在所述冷却流体被排出到所述冷却流体出口之前使得所述冷却流体自所述第一冷却通道流到所述第二冷却通道。
7.根据权利要求6所述的涡轮机组件，其特征在于，所述冷却流体入口(230)限定于所述包层(214)中；所述过渡喷嘴还包括限定于所述内衬(202)中的冷却孔(350)，所述冷却孔提供所述冷却管道(216)和所述燃烧室(208)之间的流动连通；并且，所述冷却流体入口(230)被配置成供应作为所述冷却流体的蒸汽。
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