CN105121963B - 用于燃烧衬套的可移除的旋流器组件 - Google Patents

用于燃烧衬套的可移除的旋流器组件 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于在燃气涡轮发动机的燃烧衬套中使用的新颖的且改进的旋流器组件。该旋流器组件能够移除，且在尺寸方面确定为提供改善的组装、可修性且配合在燃烧衬套中。旋流器组件包括预混管、预混旋流器和多个轴向间隔的安装块，以用于接收用于将旋流器组件固连到燃烧器的可移除紧固件。

Description

用于燃烧衬套的可移除的旋流器组件
相关申请的交叉引用
本申请请求享有在2013年4月25日提交的美国临时专利申请序列号No. 61/815,835的优先权。该申请主题涉及题为PREMIXER ASSEMBLY FOR GAS TURBINE COMBUSTOR(代理人卷号No. PSM-317/PSSF.199281)和SWIRLER ASSEMBLY AND STIFFENING MECHANISMFOR PREMIXER ASSEMBLY OF A GAS TURBINE COMBUSTOR(代理人卷号No. PSM-318/PSSF.199282)且转让给与本申请相同的受让人的共同转让的美国非临时专利申请。
技术领域
本发明大体上涉及一种燃气涡轮燃烧器。更具体而言，本发明涉及燃烧衬套的可移除的旋流器部分，其具有设计成通过改善的组装和拆卸技术和改进的冷却构造而增强燃烧器性能和延长构件寿命的特征。
背景技术
在典型的燃气涡轮发动机中，具有旋转和静止翼型件的交错级的压缩机通过轴向轴而联接到涡轮，其中涡轮也具有旋转和静止翼型件的交错级。压缩机级在尺寸方面减小，以便压缩穿过其的空气。压缩空气然后供应至一个或更多个燃烧器，其使空气与燃料相混合。邻近该一个或更多个燃烧器的点火源点燃混合物，从而形成热燃烧气体。热燃烧气体的膨胀驱动通过轴向轴而联接到压缩机的涡轮级。排出气体然后可用作推进源，以通过热回收生成器生成蒸汽，或在发电站操作中转动联接到发电机的轴以用于发电。
燃气涡轮发动机的燃烧***可采用多种构造。用于燃气涡轮发动机的燃烧***可包括单个燃烧室、围绕发动机的轴线间隔的多个独立燃烧室、增压类型的燃烧***，或多种其他燃烧***。取决于发动机几何形状、性能要求和物理操作位置，准确的燃烧器布置将变化。
一个此类燃烧***包括固连到发动机框架的外壳、固连在外壳的至少一部分内的燃烧器衬套，和定位在燃烧器衬套内或附近以用于将燃料(气体、液体或二者)喷射到燃烧室中的一个或更多个燃料喷嘴。燃烧***与发动机流体连通。更具体而言，外壳和衬套布置提供来自压缩机的空气进入燃烧***的方式，在燃烧***处，其与来自一个或更多个燃料喷嘴的燃料混合。燃料-空气混合物由点火源如火花点火器点燃。热燃烧气体行进穿过燃烧衬套，且通常穿过一个或更多个过渡件且进入涡轮中。过渡件基本上为导管，其具有从燃烧器的形状变为涡轮入口的几何形状。
燃烧器衬套在燃烧器操作的中心处。燃烧器衬套几何形状通过多种因素规定，包括发动机的操作参数、性能要求和可用几何形状。尽管燃烧衬套几何形状可变化，但燃烧衬套通常包括用于接收燃料喷嘴、用于将燃料和空气混合在一起和用于容纳当燃料和空气混合物点燃时的反应的至少一部分。
现有技术的燃烧衬套已满足某些性能要求，但也已呈现出各种不足。例如，前述燃烧衬套是主要焊接或只焊接的组件，从而使得操作者或修理设备难以接近燃烧衬套的待修理的所有特征。此外，类似结构的现有燃烧器设计在翻新或替换之前能够操作近似8,000小时。为了改善燃气涡轮发动机效率，操作者群体强烈期望能够延长修理之间的时间范围，以便减少发动机停机时间和/或修理/检查成本。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于在燃气涡轮发动机的燃烧衬套中使用的新颖且改进的旋流器组件。该旋流器组件能够移除，且在尺寸方面确定为提供改善的组装、可修性和配合在燃烧衬套中。多个主要旋流器组件位于燃烧衬套中围绕中心轴线，且尺寸确定为接收多个燃料喷嘴。
根据本发明的实施例，提供了一种用于燃气涡轮燃烧器的旋流器组件，其包括预混管、定位在预混管内的预混旋流器、邻近入口端沿预混管的外壁定位且具有多个第一孔的第一安装块，和也沿预混管的外壁定位的第二安装块，第二安装块与第一安装块间隔一定距离且具有垂直于多个第一孔的一个或更多个第二孔。
根据本发明的另一个实施例，提供了用于在燃气涡轮燃烧器中使用的多点、多方向紧固组件，其包括固连到本体的第一安装块，其中第一安装块具有前面、相反的后面、大体上平行的侧面、弧形外面，和位于弧形外面中的多个孔。紧固组件还包括第二安装块，该第二安装块固连到本体且具有一个或更多个孔，其中第一安装块中的多个孔定向成大体上垂直于第二安装块中的一个或更多个孔。
根据本发明的又一实施例，提供了一种燃烧器中的可移除的旋流器组件，其包括大体上圆柱形的本体、中心核心，和在中心核心与大体上圆柱形的本体之间延伸的多个叶片。可移除的旋流器组件还包括固连到大体上圆柱形的本体的第一安装块，其中第一安装块具有前面、相反的后面、大体上平行的侧面、弧形外面，和位于弧形外面中的多个孔。可移除的旋流器组件还包括固连到本体且具有一个或更多个孔的第二安装块，其中可移除的旋流器通过多个可移除的紧固件在第一和第二安装块处紧固到燃烧器。
本发明的附加优点和特征将部分地在下面的描述中阐释，且在查看下文时将部分地对于本领域的技术人员而言变得清楚，或可通过本发明的实践来得到理解。现在将具体参照附图来描述本发明。
附图说明
以下参照附图详细地描述本发明，在附图中：
图1为现有技术的燃气涡轮发动机的局部截面图，其中能够使用根据本发明的实施例的燃烧***；
图2为能够在图1的燃气涡轮发动机内操作的现有技术的燃气涡轮燃烧器的截面图；
图3为包括本发明的实施例的燃烧衬套的透视图；
图4为根据本发明的实施例的包括实施例的燃烧衬套的截面图；
图5为包括本发明的实施例的图4的截面的备选视图；
图6为根据本发明的实施例的穿过旋流器组件截取的燃烧衬套的截面图；
图7为根据本发明的实施例的图6的截面的备选视图；
图8为根据本发明的实施例的图3的燃烧衬套的旋流器组件部分的透视图；
图9为根据本发明的实施例的包括旋流器组件的截面的穿过图3的燃烧器衬套的入口部分截取的详细截面图；且
图10为根据本发明的实施例的燃烧衬套的旋流器组件的局部截面图。
具体实施方式
本发明的主题在本文中具体描述，来满足法定要求。然而，描述自身不意图限制本专利的范围。相反，发明人已构想，要求保护的主题还可以以其他形式实现，以与其他现有或未来技术结合地包括与在本文献中说明的那些类似的不同构件、构件组合、步骤、或步骤组合。
首先参看图1，在局部截面中绘出了现有技术的燃气涡轮发动机100。燃气涡轮发动机100大体上包括包封发动机主要部分的外壳102。轴104沿发动机轴线A-A轴向地延伸，且联接到压缩机106和涡轮108。压缩机106通过入口区域110接收空气，且将空气引导穿过渐减尺寸的旋转和静止翼型件的交错排，以便在空气穿过其时压缩空气，从而增大空气的温度和压力。压缩空气然后被引导穿过一个或更多个燃烧***112，在此，燃料和空气被混合在一起且点燃来形成热燃烧气体。热燃烧气体然后被引导到涡轮108中，且穿过渐增尺寸的旋转和静止翼型件的交错排，以便使流体膨胀且将燃烧气体的能量转换成机械功来驱动轴104。轴104还可联接到发电机的轴，以用于发电(未示出)。
图2公开了现有技术的燃气涡轮发动机的燃烧器200的截面。因此，该典型燃气涡轮燃烧器200包括壳202、盖204、一个或更多个燃料喷射器206和燃烧衬套208。过渡件210将燃烧衬套208连接到涡轮212的入口。
本发明在图3-10中详细地示出，且公开了用于在燃气涡轮发动机的燃烧器中使用的新的和改进的可移除旋流器组件。首先参看图3-7，公开了具有可移除的旋流器组件332的燃烧衬套300。燃烧衬套300包括大体上圆柱形的衬套本体302，衬套本体302具有入口端304、出口端306或排出端，和延伸穿过燃烧器的轴线B-B。燃烧衬套300大体上为圆柱形截面，但应理解的是，燃烧衬套300可在形状上变化，具有锥形区段或有变化直径的区段。燃烧衬套300大体上由轧制的金属片制成，轧制的金属片沿轴向接缝焊接，且可取决于特定燃烧几何形状而形成或扩展成改变的圆柱形结构。燃烧衬套300优选由高温合金如Haynes 230制成，其能够耐受超过近似1500华氏度的升高的燃烧器状态。可使用备选材料，如Hastelloy-X或Inconel。
燃烧衬套300还包括固连到大体上圆柱形本体302上的入口环笼308。如图3-7中所示的入口环笼308由联接到前环312的一系列大体上轴向地定向的心轴310构成，且从燃烧衬套300的入口端304向前延伸。前环312定位成离燃烧衬套300有一定距离，以便形成用于一组燃料喷嘴(未示出)的匹配位置，以便将燃料喷嘴定位在燃烧器内的适当轴向位置。入口环笼308可为制造的构件或铸件，且优选由不锈钢材料制成。现在参看图10，入口环笼308还包括多个凸耳309，凸耳309从入口环笼308径向向内延伸，以用于固连预混器组件330，如在下文中更详细地论述的。凸耳309可分开地制成，且作为入口环笼308的一部分焊接到入口环笼308或铸件。
参看图4-7，燃烧衬套300还包括预混器组件330。预混器330的一个构件为一个或更多个可移除的旋流器332。现在参看图8-10，旋流器组件332绘制为在预混器组件330中。旋流器组件332包括预混管342，预混管342具有入口端342A和相反的出口端342B，以及延伸穿过其的纵轴线C-C。旋流器组件332还包括预混旋流器336，预混旋流器336定位在预混管342内，在此预混旋流器336具有多个转动叶片338，以用于将旋流给予穿过预混管342的通过流。对于图8-10中绘出的实施例，预混管342大体上为圆柱形的。然而，预混管342的备选形状也是可能的。
旋流器组件332还包括两个安装块，以用于将旋流器组件固连在燃气涡轮燃烧器中。第一安装块344邻近预混管342的入口端342A沿预混管342的外壁定位。第一安装块344具有第一前面344A、相反的第一后面344B、一对大体上平行的侧面345，和外面347。外面347可具有至少沿外面的一部分的弧形形状，以便安装块344符合入口环笼308的形状。外面347用于设置旋流器组件332的径向位置及其与入口环笼308的接触，以允许旋流器组件332相对于燃料喷嘴的较紧尺寸控制。如图8所示，第一安装块344还包括多个第一孔348，第一孔348位于弧形外面347中，且定向成大体上垂直于预混管342的纵轴线C-C。
旋流器组件332还包括第二安装块346，其沿预混管342的外壁定位且与第一安装块344间隔轴向距离。第二安装块346具有第二前面346A和相反的第二后面346B，在此第二后面346B被加工成预定大小，以便形成特定轴向大小，以用于将旋流器组件332安装在燃烧器中的适当轴向位置。为了将旋流器组件332定位在适当轴向位置，第二安装块346包括加工到第二后面346B中的退切切口(relief cut)360。第二安装块346还具有在大体上垂直于多个第一孔348的方向上延伸穿过第二安装块346的一个或更多个第二孔356。
对于图8-10中绘出的本发明的实施例，第二安装块346与第一安装块344直接轴向对准。然而，取决于燃烧器几何形状，第一和第二安装块344和346可不轴向对准，而是关于彼此周向地时钟偏移(clock)。
第一安装块344和第二安装块346中的各个固连到预混管342。用于安装块的不同附接方法是可能的。在一个实施例中，第一安装块344和第二安装块346焊接到预混管342。相容的焊接材料的焊珠(在预混管342与安装块344和346的材料之间相容)敷设在安装块与预混管342的相交处。
将第一和第二安装块344和346固连到预混管342的备选方法是通过硬焊接头(braze joint)。硬焊接头将有助于形成更完整的接头，因为与预混管342接触的安装块的整个表面连结到预混管342。相反，焊接接头仅在安装块接触预混管的边缘处将安装块固连到预混管342。
在又一实施例中，安装块344和346有可能与预混管342是一体的。将安装块344和346结合到预混管342中可通过铸造或锻造来实现。
第一安装块344和第二安装块346中的孔的准确的尺寸、间隔和量可变化，且取决于多种因素，如，燃烧器几何形状、旋流器组件332的大小，和旋流器组件332上的机械和热负载。对于图8-10中绘出的本发明的实施例，第一安装块344包括两个第一孔348，其中第一孔348定向成大体上垂直于纵轴线C-C。第二安装块346包括一个或更多个第二孔356，且图8-10中所示的实施例使用单个第二孔356。然而，有可能需要多于一个的第二孔356，以便将旋流器组件342固连到燃烧器。对于图8-10中所示的实施例，第二孔356大体上平行于轴线C-C。
如上所述，旋流器组件332设计成能够从燃烧器容易地移除，以更好地便于维护和修理。因此，多个可移除的紧固件350和358用于将旋流器组件332固连在燃烧器中。在一个实施例中，可移除的紧固件(如螺栓)接合多个第一孔348和一个或更多个第二孔356中的对应的螺纹图案。螺纹图案仅仅是固连可移除紧固件的一种方式。备选地，一个或更多个第二孔356可为通孔(即，无螺纹)，且使用邻近表面346A的螺母。此外，螺栓/螺柱可焊接/安装，以替代具有螺母的孔356，然后置于圆顶板334的表面上。
旋流器组件332定位成以便与相邻的管352(也称为真空吸引器(hoover))流体连通，其将燃料和空气的流从旋流器组件332传送到燃烧衬套300的混合区。即，旋流器组件332定位成以便邻近或略微接合在管352中。为了确保旋流器组件332在燃烧衬套中的适当径向位置且与管352形成径向空隙，多个隔离物354围绕预混管342中的各个的外表面定位，邻近出口端342B。
如上所述，旋流器组件332通过多个紧固件350和358(如螺栓或其他器件)可移除地固连到燃烧器。例如，且如图6-10中所示，主旋流器组件332借助于穿过第一孔348和第二孔356的紧固件350和358固连到圆顶板334。通过使用径向和轴向地定向的紧固件350和358，实现了旋流器组件332相对于预混器组件330和燃烧衬套300的更好的定位和公差控制。此外，通过将旋流器组件332可移除地固连到预混器组件330，用于检查和修理预混器组件330的通路相比于具有焊接到预混器组件的旋流器组件的现有技术燃烧器极大地改善。如本领域的技术人员将认识到那样，除可达性问题外，旋流器组件的焊接还引起旋流器组件的变形，这从而可影响流动控制。
旋流器组件332优选由与预混器组件330类似的材料(如一种不锈钢)制成。旋流器组件332还可为具有各种加工部分的制造组件或铸件。
现在参看图9和10，旋流器组件332示为安装在预混器组件330内。如上所述，旋流器组件332通过紧固件350和358固连就位，紧固件350和358沿径向和轴向方向定向。旋流器组件332滑入适当位置，使得隔离物354提供相对于管352的径向空隙，且第二安装块346由于退切切口360而在适当轴向位置处接触入口环笼308的凸耳309。
已经关于特定实施例描述了本发明，特定实施例旨在在所有方面都是示例性而非限制性的。备选的实施例和所需的操作对于本发明所属领域的普通技术人员而言将变得清楚，而不脱离其范围。
从前文将看到，连同***和方法明显且固有的其他优点，本发明是良好适于获得上文所述的所有结果和目的的。将理解的是，某些特征和子组合是有用的，且可在不参照其他特征和子组合的情况下使用。这通过权利要求的范围构想且在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种用于燃气涡轮燃烧器的旋流器组件(332)，其包括：
预混管(342)，其具有入口端(342A)、相反的出口端(342B)和延伸穿过其的纵轴线(C-C)；
预混旋流器(336)，其定位在所述预混管(342)内，所述旋流器(336)具有用于将旋流给予通过流的多个转动叶片(338)；
第一安装块(344)，其邻近所述入口端(342A)沿所述预混管(342)的外壁定位且具有多个第一孔(348)，所述多个第一孔(348)定向成大体上垂直于所述纵轴线(C-C)；和
第二安装块(346)，其沿所述预混管(342)的外壁定位成离所述第一安装块(344)有一定轴向距离，所述第二安装块(346)具有一个或更多个第二孔(356)，所述一个或更多个第二孔(356)沿垂直于所述多个第一孔(348)的方向延伸穿过所述第二安装块(346)。
2.根据权利要求1所述的旋流器组件(332)，其特征在于，所述预混管(342)大体上为圆锥形的。
3.根据权利要求1所述的旋流器组件(332)，其特征在于，所述第一安装块(344)和第二安装块(346)中的各个通过焊接或硬焊接头固连到所述预混管(342)。
4.根据权利要求1所述的旋流器组件(332)，其特征在于，所述第一安装块(344)中的多个孔(348)包括至少两个孔。
5.根据权利要求1所述的旋流器组件(332)，其特征在于，所述一个或更多个第二孔(356)为有螺纹的。
6.根据权利要求1所述的旋流器组件(332)，其特征在于，所述第二安装块(346)具有第二前面(346A)和相反的第二后面(346B)，其中所述第二后面(346B)被精加工成预定轴向尺寸。
7.一种用于在燃气涡轮燃烧器中使用的多点、多方向紧固组件(350, 358)，其包括：
固连到所述燃气涡轮燃烧器中的旋流器组件的本体上的第一安装块(344)，所述第一安装块(344)具有第一前面(344A)、相反的第一后面(344B)、一对侧面(345)、外面(347)、和位于所述外面(347)中的多个孔(348)；和
固连到所述本体的第二安装块(346)，所述第二安装块(346)具有位于其中的一个或更多个孔(356)；
其中，所述第二安装块(346)与所述第一安装块(344)间隔一定轴向距离。
8.根据权利要求7所述的紧固组件(350, 358)，其特征在于，所述外面(347)至少在包围所述多个孔(348)的区域处为弧形的。
9.根据权利要求7所述的紧固组件(350, 358)，其特征在于，所述第一安装块(344)和所述第二安装块(346)通过焊接或硬焊接头而固连到所述本体。
10.根据权利要求7所述的紧固组件(350, 358)，其特征在于，所述第一和第二安装块(344, 346)与所述本体是一体的。
11.根据权利要求7所述的紧固组件(350, 358)，其特征在于，所述第一安装块(344)中的所述多个孔(348)大体上垂直于所述第二安装块(346)中的一个或更多个孔(356)。
12.一种燃烧器中的可移除的旋流器组件(332)，其包括：
大体上圆柱形的本体(342)；
中心核心(336)，其邻近所述大体上圆柱形的本体(342)的入口(342A)定位在所述圆柱形的本体(342)内；
多个叶片(338)，其在所述中心核心(336)与所述大体上圆柱形的本体(342)之间延伸；
第一安装块(344)，其固连到所述大体上圆柱形的本体(342)，所述第一安装块(344)具有第一前面(344A)、相反的后面(344B)、一对侧面(345)，和具有位于其中的多个孔(348)的外面(347)；和
第二安装块(346)，其固连到所述大体上圆柱形的本体(342)，所述第二安装块(346)具有位于其中的一个或更多个孔(356)；
其中，所述可移除的旋流器(332)通过多个可移除的紧固件(350, 358)在所述第一安装块(344)和第二安装块(346)二者处紧固到所述燃烧器。
13.根据权利要求12所述的可移除的旋流器组件(332)，其特征在于，所述多个叶片(338)定向成以便将旋流给予空气和燃料的通过流。
14.根据权利要求12所述的可移除的旋流器组件(332)，其特征在于，所述第一安装块(344)延伸比所述第二安装块(346)大的周向距离。
15.根据权利要求12所述的可移除的旋流器组件(332)，其特征在于，所述第一安装块(344)中的多个孔(348)大体上垂直于所述第二安装块(346)中的单个孔(356)。
16.根据权利要求12所述的可移除的旋流器组件(332)，其特征在于，还包括多个紧固件(350, 358)，所述多个紧固件(350, 358)置于所述第一安装块(344)的多个开口(348)中，以用于将所述旋流器(332)固连到所述燃烧器。
17.根据权利要求12所述的可移除的旋流器组件(332)，其特征在于，所述第一安装块(344)的外面(347)至少在邻近所述多个孔(348)的区域处为弧形的。
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