专利名称：燃烧器衬里套管嵌入件和相关方法
技术领域：
本发明主要涉及燃气轮机燃烧技术，且更特别地，本发明涉及一 种围绕燃烧器部件例如燃烧器村里的内边缘在形成于衬里中的空气混 合孔口的前部边缘和后部边缘处设置的冲击冷却金属护罩
(impingement cooled metal shield)。
背景技术：
在燃气轮机燃烧系统中，燃烧室外壳包含衬里，所述衬里通常具有 管形或环形构型，所述管形或环形构型具有闭合端部和相对的开口端 部。燃料通常借助于位于该闭合端部处或位于接近该闭合端部的位置处 的一个或多个燃料喷嘴被引入衬里内，而燃烧空气被导引通过沿衬里被 轴向隔开的圆形的成排孔眼或空气混合孔口 。这些燃气轮机燃烧器村里 通常在极高温度下运行并且在很大程度上取决于来自适当压缩机的进 入燃烧空气以便实现冷却目的。
在燃烧器衬里空气混合孔口周围出现的开裂通常是以燃气轮机燃 烧器衬里的使寿命受限的故障模式来出现的。就这方面而言，某些燃气 轮机引擎利用高反应性燃料作为主要燃料源。高反应性燃料倾向于在衬 里中向前拉动火焰并且既在成排混合孔口的前面(上游)又在该成排混 合孔口的后面(下游)锚定住火焰，这通常在绝大多数情况下出现在第 一排混合孔口上(即出现在衬里的最接近燃料喷嘴的端部处)。此外， 低BTU (—种英制热量单位)的燃料和随后的更大体积的燃料流放大了 这些火焰锚定效应。另一方面，其它通常使用的燃料导致火焰在混合孔 口的后面或下游被锚定住。尽管如此，试验已经证实在空气混合孔口的 两侧上都出现了极高的温度。
尽管已经解决了在空气混合孔口下游的位置处的开裂问题，火焰通 常在该位置处被锚定住，但沿空气混合孔口的上游边缘的开裂问题仍未 被解决。
因此，目前的解决方案包括仅沿空气混合孔口的下游边缘重新形成 冷却液膜流动，所述冷却液膜流动被通过空气混合孔口的径向空气流中
4断。有时被称作膜重新生成装置(refilmer)的空气混合孔口嵌入件被 用来沿位于空气混合孔口下游的燃烧器衬里的内表面重新形成冷却液 流膜，正如例如美国专利No. 4, 622, 821中所披露地那样。其它膜重新 生成装置被披露在美国专利Nos. 4, 875, 339; 4, 653, 279;和4， 700， 544 中。
发明内容
本文中所披露的发明提供了一种既对空气混合孔口的上游边缘又 对该空气混合孔口的下游边缘进行冷却的空气混合孔口嵌入件。因此， 在一个方面中，本发明涉及一种燃气轮机热气体路径部件，所述燃气轮 机热气体路径部件具有适于沿径向方向供应空气的至少一排周向空气 混合孔口，所述空气混合孔口中的一个或多个孔口中固定有套管，所述 套管具有限定出中心开口的大体上呈圆形的本体和在所述部件内至少 在沿直径相对的上游方向和下游方向上从所述套管的内部端部延伸出 来的护罩。
在另一方面中，本发明涉及一种燃气轮机燃烧器部件，所述燃气轮 机燃烧器部件具有适于沿径向方向将空气供应进入位于燃烧器部件内 的燃烧室内的至少一排周向空气孔口，所述孔口中的一个或多个孔口中 固定有套管，所述套管包括具有成圆角(radiused)的外部入口端部的 大体上呈圆柱形的本体和在沿直径相对的上游方向和下游方向上从所 述套管的内部端部延伸出来的一对唇缘；其中每个唇缘与所述部件的内 表面径向隔开；且其中所述部件设有覆盖所述唇缘中的每个唇缘的至少 一个开口。
在又一方面中，本发明涉及一种对涡轮机燃烧器部件中的多个燃烧 空气供应孔口的上游边缘和下游边缘进行冷却的方法，所述方法包括 a)扩大所述多个燃烧空气供应孔口的直径；并且b )将套管嵌入所述多 个燃烧供应孔口中，每根套管具有限定出中心开口的大体上呈圆柱形的
述套管的内部端部延伸出来的护罩。
图l是一种常规的燃气轮机燃烧器衬里的侧视图；图2是根据一个典型的但非限制性的实施例的套管嵌入件的顶视
平面图3是沿图2中的线3-3截取的剖视图4是位于燃烧器衬里的空气混合孔口内的图2所示嵌入件的局部 顶视平面图5是沿图4中的线5-5截取的剖视图6是根据另一非限制性实施例的套管嵌入件的平面图7是图6所示的套管的前视图；和
图8是被嵌入衬里孔口内的图6和图7所示的套管的局部剖视图。
具体实施例方式
现在参见图1， 一种常规的涡轮机燃烧器衬里10包括大体上呈圓 柱形的分段本体，所述分段本体具有前端12和后端14。前端12通常被 村里盖硬件封闭，所述衬里盖硬件上安装有一个或多个燃料喷射喷嘴以 便将燃料供应至村里内的燃烧室。衬里的相对端通常被紧固到管形过渡 件上，所述管形过渡件将热燃烧气体供应至涡轮机的第一级。然而，本 发明并不限于图1所示的村里或限于用在燃烧器衬里中。下文中描述的 发明可应用于其中需要冷却空气的任何热气体路径燃烧器部件。
在燃烧器衬里中朝向衬里的前端12，即在更接近燃料喷嘴的位置 处，形成了多个沿轴向隔开的周向的成排空气稀释或空气混合孔口 16。 成排的空气稀释或空气混合孔口中的第一排孔口被示作18且在下文中 将对该第一排孔口作进一步描述。燃烧气体流(在村里内部)沿由箭头 20表示的方向进行流动，应该理解燃烧/稀释空气沿径向被供应进入 4于里内。
现在参见图2和图3，图中示出了根据本发明的一个典型但非限制 性的实施方式的套管22，所述套管包括大体上呈圆柱形的壁部24，所 述壁部限定出用于将空气供应至村里或其它部件的内部的中心开口，所 述壁部具有以前部唇缘26和后部唇缘28的形式存在的护罩，所述前部 唇缘和后部唇缘大体上沿轴向且与圆柱形壁部垂直地围绕圆柱形壁部 的上游和下游(相对于衬里中的流而言)边缘进行延伸。换句话说，相 对延伸的唇缘在两个沿直径相对的位置处延伸远离该圆柱形壁部，但并 未在两个其它沿直径相对的位置处增加该圆柱形壁部的直径，如图2最
6佳示出地。在上述方式的变型方式中，可利用全圆缘边或凸缘来代替不
连续的唇缘26、 28。位于套管中心且由壁部24限定出的孔口 30适于代 替孔口 16将空气供应至衬里，所述套管被嵌入所述孔口 16中。
图4和图5仅以实例的方式示出了燃烧器衬里的沿轴向分段的部分 32、 34，所述部分中形成有空气混合器或空气稀释孔口 16。套管22从 燃烧器衬里内被嵌入孔口 16内并且被取向成使得唇缘26、 28面向相反 的上游方向和下游方向。套管借助于例如围绕孔口 16在套管的外表面 处延伸的角焊缝36a和位于内表面上的两个侧部位置处的角焊缝36b而 被紧固在空气混合孔口内。在燃烧器村里部段中钻出两组更小的冷却孔 口 38、 40，所述冷却孔口与唇缘26、 28存在覆盖关系，如图4和图5 最佳示出地。成组的冷却孔口 38、 40可沿同心的直径中心线被布置以 便沿由套管壁部24限定出的唇缘26、 28的曲率大体上位于中心，但还 预想了这种布置的变型布置。例如，后面的成组冷却孔口可沿第一半径 被设置，而前面的成组冷却孔口可沿比第一半径更大的第二半径被设置 (参见图4)。此外，位于上游唇缘和下游唇缘上方的冷却孔口的数量 可发生变化。例如，在每个唇缘上可存在四个、六个或八个孔口，但还 可能在一个唇缘上设置比另一唇缘上更多的孔口。例如，上游或前部唇 缘可具有六个等距间隔的孔口且下游或后部唇缘可具有七个等距间隔 的孔口，或反之亦然。在非限制性典型实施方式中，六个冷却孔口 38 和六个冷却孔口 40被设置在衬里壁部内，而覆盖相应的唇缘26、 28。 然而，应该意识到孔口 36和/或40的其中之一可被准确的狭槽或者 二者可都被准确的狭槽所替代。还可根据需要改变沿周向位于衬里或其 它部件周围的套管本身的位置。
套管22被嵌入第一排18空气混合孔口 16中的选定空气混合孔口 内。在该第一典型的非限制性实施例中，套管22被嵌入在图1中被标 为A和B的孔口内，所述孔口分别位于90°和150。的周向位置处，如图 l所示。被指定用于接收套管的孔口位置可根据需要发生变化。起初， 将孔口从例如为大体上1.15英寸的正常直径扩大到例如为大体上1.28 英寸的直径更大的孔口，且套管22被布置在该扩大的村里孔口内以便 在下游套管唇缘的后边缘与内部衬里表面39之间设置例如约0. 08英寸 的径向间隙，如图5最佳示出地。
现在转向图6-图8，图中示出了套管42的第二非限制性典型实施例。套管42形成有大体上圆柱形的壁部44，所述大体上圆柱形的壁部 具有沿轴向且与圆柱形壁部44垂直地围绕该壁部的上游和下游边缘进 行延伸的沿直径相对的前部唇缘46和后部唇缘48。在该实施例中，由 壁部44限定的孔口的稀释或混合空气进入端部50是成圆角的(例如为 0. 070±0. OIO英寸)以便提供进入套管内的平滑空气流。此外，角焊缝 52、 54围绕壁部44延伸，在该角焊缝处，壁部被联接至唇缘46、 48。 角焊缝可具有例如0. 040±0. OIO英寸的半径。这些角焊缝还起到对流到 唇缘46、 48上的且沿所述唇缘流动的冷却空气流进行平滑的作用。还 应该注意到，在该实例中，圆柱形壁部44具有0. 310英寸的厚度，因 此将衬里孔口的直径从1.46英寸减少至1.15英寸，但应该理解衬里 孔口直径的变化将取决于需求的调整。
衬里(或其它部件)和套管还优选设有隔热涂层(TBC)以便保护 和防止部件产生腐蚀和/或侵蚀。
利用所披露的设计，并基于在，821专利中例示出的现有技术设计的 经验，预想到可通过唇缘对位于孔口下游的流进行重新成膜而抵消对位 于空气稀释或空气混合孔口 16的下游边缘处的衬里壁部进行的任何下 游的加热。换句话说，下游唇缘增加了恰位于混合孔口下游位置处的沿 衬里壁部表面(图5中的附图标记39和图8中的附图标记56)的冷却 空气流，应该理解通过混合孔口的径向空气流使正常的冷却空气流被 中断。然而，对于空气混合孔口的上游边缘而言，由于膜流沿大块流的 方向流动，即与燃烧室内的热燃烧气体流的方向相反地流动，因此并未 直接地意识到，设置沿相反方向延伸的相似唇缘或表面将是有效的。然 而，已经确定，通过冷却孔口 38的冲击在唇缘26上的冷却空气实际上 足以对混合孔口上游的衬里壁部温度进行冷却。
应该意识到套管所具有的确切位置、尺寸、形状和间隔可在本发 明的范围内发生变化，且将套管附接到衬里上的方法也可发生变化。
尽管已经结合目前被认为最实用且优选的实施例对本发明进行了 描述，但应该理解本发明并不限于所披露的实施例，而是相反地，本 发明旨在覆盖被包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种变型和 等效布置。
权利要求
1、一种燃气轮机热气体路径部件(10)，所述燃气轮机热气体路径部件具有适于沿径向方向供应空气的至少一排周向空气混合孔口(16)，所述空气混合孔口中的一个或多个空气混合孔口中固定有套管(22)，所述套管包括限定出中心开口的大体上呈圆形的本体和在所述部件内至少在沿直径相对的上游方向和下游方向上从所述套管的内部端部延伸出来的护罩(26、28)。
2、 根据权利要求1所述的燃气轮机热气体路径部件，其中所述护 罩(26、 28)与所述衬里的内表面径向隔开。
3、 根据权利要求2所述的燃气轮机热气体路径部件，其中所述部 件设有覆盖所述护罩的前部部分和后部部分的多个冷却孔口 (38、 40)。
4、 根据权利要求3所述的燃气轮机热气体路径部件，其中所述护 罩包括沿直径相对的沿轴向延伸的唇缘(26、 28)。
5、 根据权利要求1所述的燃气轮机热气体路径部件，其中所述空 气混合孔口 (16)中的每个空气混合孔口的直径被增大以便能够接收所 述套管。
6、 根据权利要求4所述的燃气轮机热气体路径部件，其中所述多 个冷却孔口 (38、 40)包括覆盖每个唇缘的四个或更多个孔口 。
7、 根据权利要求1所述的燃气轮机热气体路径部件，其中所述至 少一排周向空气混合孔口 (16)包括多排空气混合孔口，所述多排空气 混合孔口包括第一排(18)，且其中所述套管(")中的一根套管位于 所述第一排的所述空气孔口中的每个空气孔口中。
8、 根据权利要求7所述的燃气轮机热气体路径部件，其中覆盖所 述唇缘(26、 28)的所述冷却孔口 (36、 40)分别沿不同的半径进行设 置，所述不同半径是从所述中心开口测得的。
9、 一种对涡轮机燃烧器部件中的多个燃烧空气供应孔口 (16)的 上游边缘和下游边缘进行冷却的方法，所述方法包括a) 扩大所述多个燃烧空气供应孔口 (16)的直径；并且b) 将套管(22)嵌入所述多个燃烧供应孔口中，每根套管具有限 定出中心开口的大体上呈圆柱形的本体和在所述部件内至少在沿直径 相对的上游方向和下游方向上从所述套管的内部端部延伸出来的护罩(26、 28)。
10、根据权利要求9所述的方法，其中所述护罩包括一对沿直径相 对的沿轴向延伸的唇缘(26、 28)，且其中多个冷却孔口 (38、 40)被 设置在所述燃烧器部件中而覆盖两个所述唇缘。
全文摘要
一种燃气轮机燃烧器衬里(10)具有适于沿径向方向将空气供应进入位于衬里内的燃烧室内的至少一排周向空气孔口(16)。所述空气孔口中的一个或多个空气孔口中固定有套管(22)，所述套管具有大体上呈圆形的本体和在沿直径相对的上游方向和下游方向上从所述套管的内部端部延伸出来的一对唇缘(26、28)。
文档编号F23R3/04GK101457937SQ200810169250
公开日2009年6月17日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月11日
发明者A·索姆, J·D·贝里, R·P·德富尔斯特 申请人:通用电气公司