燃烧衬套冷却的制作方法

本文中公开的主题涉及用于燃气涡轮的燃烧器。更具体而言，本公开涉及冷却燃气涡轮燃烧器的衬套。

背景技术：

燃气涡轮通常焚烧碳氢化合物燃料，并且产生空气污染排放物，如氮氧化物(nox)和一氧化碳(co)。燃气涡轮中的分子氮的氧化取决于位于燃烧器中的气体的温度，以及位于燃烧器内的最高温度区域中的反应物的停留时间。因此，由燃气涡轮产生的nox的量可通过将燃烧器温度保持在产生nox的温度以下，或通过限制反应物在燃烧器中的停留时间来减少。

一种用于控制燃烧器的温度的途径涉及预先混合燃料和空气，以在燃烧之前产生贫燃料空气混合物。该途径可包括燃料喷射的轴向分级，其中第一燃料空气混合物在燃烧器的第一或初级燃烧区处喷射和点燃，以产生高能燃烧气体的主流，并且其中第二燃料空气混合物经由定位在初级燃烧区下游的多个径向定向和周向间隔的燃料喷射器或轴向分级的燃料喷射器，喷射到高能燃烧气体的主流中并且与其混合。轴向分级喷射增加了可用燃料的完全燃烧的可能性，这继而减少空气污染排放物。

在燃烧器的操作期间，必要的是冷却一个或更多个衬套或管道，其形成穿过燃烧器的燃烧室和/或热气体路径。衬套冷却典型地通过将压缩空气发送穿过限定在衬套与流动套管之间的冷却流动环形部或流动通路和/或包绕衬套的冲击套管来实现。然而，在特定构造中，轴向分级的燃料喷射器延伸穿过流动套管、冷却流动环形部以及衬套，由此中断冷却流和/或限制穿过冷却流动环形部的冷却流动容积。因此，压缩空气的冷却效力可降低，并且非合乎需要的压力损失可在燃烧器内发生。

技术实现要素：

方面和优点在以下描述中在下面阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过实践学习。

本公开的一个实施例涉及一种燃烧器。燃烧器包括至少部分地限定燃烧器的热气体路径的环形形状的衬套，和沿周向包绕衬套的至少一部分的流动套管，其中流动套管与衬套沿径向间隔，以形成其间的冷却流动环形部。多个燃料喷射器组件绕着流动套管沿周向间隔。各个燃料喷射器组件沿径向延伸穿过流动套管、冷却流动环形部以及衬套。限定在多个燃料喷射器组件中的第一对周向相邻的燃料喷射器组件之间的流动套管的第一部分关于衬套的外表面沿径向向外凸出，以便扩大冷却流动环形部的流动容积。

本公开的另一实施例涉及一种燃烧器。燃烧器包括至少部分地限定燃烧器的热气体路径的环形形状的衬套，和沿周向包绕衬套的至少一部分的流动套管。流动套管与衬套沿径向间隔，以形成其间的冷却流动环形部。流动套管具有上游端，和下游端，其关于衬套的轴向中心线与上游端沿轴向间隔。流动套管的第一部分限定在上游端与下游端之间，并且关于衬套的外表面沿径向向外凸出，以便增大冷却流动环形部的流动容积。

另一实施例包括一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括压缩机、涡轮，以及燃烧器，其设置在压缩机下游和在涡轮上游。燃烧器包括至少部分地限定热气体路径的环形形状的衬套，和沿周向包绕衬套的至少一部分的流动套管。流动套管与衬套沿径向间隔，以形成其间的冷却流动环形部。流动套管的第一部分限定在上游端与下游端之间，并且关于衬套的外表面沿径向向外凸出，以便增大冷却流动环形部的流动容积。

技术方案1.一种燃烧器，其包括：

环形形状的衬套，其至少部分地限定所述燃烧器的热气体路径；

流动套管，其沿周向包绕所述衬套的至少一部分，其中所述流动套管与所述衬套沿径向间隔，以形成其间的冷却流动环形部；以及

多个燃料喷射器组件，其绕着所述流动套管沿周向间隔，其中各个燃料喷射器组件沿径向延伸穿过所述流动套管、所述冷却流动环形部以及所述衬套；

其中限定在所述多个燃料喷射器组件中的第一对周向相邻的燃料喷射器组件之间的所述流动套管的第一部分关于所述衬套的外表面沿径向向外凸出，以便扩大所述冷却流动环形部的流动容积。

技术方案2.根据技术方案1所述的燃烧器，其特征在于，所述流动套管的所述第一部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第一多个入口孔。

技术方案3.根据技术方案1所述的燃烧器，其特征在于，限定在所述多个燃料喷射器组件中的第二对周向相邻的燃料喷射器组件之间的所述流动套管的第二部分关于所述衬套的所述外表面沿径向向外凸出。

技术方案4.根据技术方案3所述的燃烧器，其特征在于，所述流动套管的所述第二部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第二多个入口孔。

技术方案5.根据技术方案3所述的燃烧器，其特征在于，限定在所述多个燃料喷射器组件中的第三对周向相邻的燃料喷射器组件之间的所述流动套管的第三部分关于所述衬套的所述外表面沿径向向外凸出。

技术方案6.根据技术方案5所述的燃烧器，其特征在于，所述流动套管的所述第三部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第三多个入口孔。

技术方案7.一种燃烧器，其包括：

环形形状的衬套，其至少部分地限定所述燃烧器的热气体路径；

流动套管，其沿周向包绕所述衬套的至少一部分，其中所述流动套管与所述衬套沿径向间隔，以形成其间的冷却流动环形部，所述流动套管具有上游端和下游端；并且

其中限定在所述上游端与所述下游端之间的所述流动套管的第一部分关于所述衬套的外表面沿径向向外凸出，以便增大所述冷却流动环形部的流动容积。

技术方案8.根据技术方案7所述的燃烧器，其特征在于，所述流动套管的所述第一部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第一多个入口孔。

技术方案9.根据技术方案7所述的燃烧器，其特征在于，与所述流动套管的所述第一部分沿周向间隔的所述流动套管的第二部分关于所述衬套的所述外表面沿径向向外凸出。

技术方案10.根据技术方案9所述的燃烧器，其特征在于，所述流动套管的所述第二部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第二多个入口孔。

技术方案11.根据技术方案9所述的燃烧器，其特征在于，与所述流动套管的所述第一部分以及与所述流动套管的所述第二部分沿周向间隔的所述流动套管的第三部分关于所述衬套的所述外表面沿径向向外凸出。

技术方案12.根据技术方案11所述的燃烧器，其特征在于，所述流动套管的所述第三部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第三多个入口孔。

技术方案13.一种燃气涡轮，其包括：

压缩机；

涡轮；以及

燃烧器，其设置在所述压缩机下游以及在所述涡轮上游，所述燃烧器包括：

环形形状的衬套；

流动套管，其沿周向包绕所述衬套的至少一部分，其中所述流动套管与所述衬套沿径向间隔，以形成其间的冷却流动环形部；并且

其中所述流动套管的第一部分关于所述衬套的外表面沿径向向外凸出，以便增大所述冷却流动环形部的流动容积。

技术方案14.根据技术方案13所述的燃气涡轮，其特征在于，所述流动套管的所述第一部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第一多个入口孔。

技术方案15.根据技术方案13所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃烧器还包括绕着所述流动套管沿周向间隔的多个燃料喷射器组件，其中各个燃料喷射器组件沿径向延伸穿过所述流动套管、所述冷却流动环形部以及所述衬套，并且其中所述流动套管的所述第一部分限定在所述多个燃料喷射器组件中的第一对周向相邻的燃料喷射器组件之间。

技术方案16.根据技术方案15所述的燃气涡轮，其特征在于，所述流动套管的所述第一部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第一多个入口孔。

技术方案17.根据技术方案15所述的燃气涡轮，其特征在于，限定在所述多个燃料喷射器组件中的第二对周向相邻的燃料喷射器组件之间的所述流动套管的第二部分关于所述衬套的所述外表面沿径向向外凸出。

技术方案18.根据技术方案17所述的燃气涡轮，其特征在于，所述流动套管的所述第二部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第二多个入口孔。

技术方案19.根据技术方案18所述的燃气涡轮，其特征在于，限定在所述多个燃料喷射器组件中的第三对周向相邻的燃料喷射器组件之间的所述流动套管的第三部分关于所述衬套的所述外表面沿径向向外凸出。

技术方案20.根据技术方案19所述的燃气涡轮，其特征在于，所述流动套管的所述第三部分限定与所述冷却流动环形部流体连通的第三多个入口孔。

本领域技术人员将在审阅说明书之后更好认识到此类实施例的特征和方面，以及其它的特征和方面。

附图说明

包括针对本领域技术人员的其最佳模式的各种实施例的完整且开放的公开在包括参照附图的说明书的其余部分中更具体地阐述，在该附图中：

图1为可并入本公开的各种实施例的示例性燃气涡轮的功能框图；

图2为如可并入本公开的各种实施例的示例性燃烧器的简化截面侧视图；

图3为根据本公开的至少一个方面的、包括衬套、流动套管以及燃料喷射器组件的燃烧器的一部分的上游截面视图；以及

图4为根据本公开的至少一个实施例的示例性流动套管的透视图。

部件列表

10燃气涡轮

12入口区段

14压缩机

16燃烧器

18涡轮

20排气区段

22轴

24空气

26压缩空气

28燃料

30燃烧气体

32外壳

34高压仓室

36端盖

38头端部分

40初级燃料喷嘴

42管道/衬套

44第一燃烧区

46第二燃烧区

48中心线

50热气体路径

52入口-涡轮

54流动/冲击套管

56冷却流动环形部

58中心线-衬套

60第一部分-流动套管

62外表面-衬套

64内表面-流动套管

66第一径向距离

68第二径向距离

70非凸出部分-流动套管

72第二部分-流动套管

74入口孔-第二部分

76第三部分

78第三部分入口孔

80第一部分入口孔

100轴向分级的燃料喷射系统

102燃料喷射器组件

104周向方向。

具体实施方式

现在将详细参照本公开的本实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标号用于表示本公开的相似或类似的部分。

如本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，并且不旨在表示独立构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”是指相对于流体通道中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，而“下游”是指流体流至的方向。用语“径向地”是指大致垂直于特定构件的轴向中心线的相对方向，用语“轴向地”是指大致平行于和/或同轴地对准于特定构件的轴向中心线的相对方向，并且用语“周向地”是指围绕特定构件的轴向中心线延伸的相对方向。

本文中使用的用语出于仅描述特定实施例的目的，并且不旨在限制。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，用语"包括(comprises)"和/或"包含(comprising)"在用于本说明书中时表示叙述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组。

各个实例经由阐释提供，而不限制。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可作出改型和变型，而不脱离其范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可用于另一个实施例上以产生又一个实施例。因此，意图是，本公开覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。尽管本公开的示例性实施例将出于图示目的大体上在用于陆基发电燃气涡轮燃烧器的背景下描述，但本领域技术人员将容易认识到，本公开的实施例可应用于用于涡轮机的任何类型或种类的燃烧器，并且不限于用于陆基发电燃气涡轮的燃烧器或燃烧系统，除非权利要求中明确叙述。

现在参照附图，图1示出示例性燃气涡轮10的示意图。燃气涡轮10大体上包括入口区段12、设置在入口区段12下游的压缩机14、设置在压缩机14下游的至少一个燃烧器16、设置在燃烧器16下游的涡轮18，以及设置在涡轮18下游的排气区段20。此外，燃气涡轮10可包括一个或更多个轴22，其将压缩机14联接于涡轮18。

在操作期间，空气24流动穿过入口区段12并且到压缩机14中，其中空气24被逐渐地压缩，因此将压缩空气26提供至燃烧器16。压缩空气26的至少一部分在燃烧器16内与燃料28混合并且焚烧，以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧器16流动到涡轮18中，其中能量(动能和/或热能)从燃烧气体30传递至转子叶片(未示出)，因此引起轴22旋转。机械旋转能可接着用于各种目的，如向压缩机14供能和/或生成电。离开涡轮18的燃烧气体30可接着经由排气区段20从燃气涡轮10排出。

如图2中示出的，燃烧器16可由外壳32，如压缩机排放壳至少部分地包绕。外壳32可至少部分地限定高压仓室34，其至少部分地包绕燃烧器16的各种构件。高压仓室34可与压缩机14(图1)流体连通，以便从其接收压缩空气26。端盖36可联接于外壳32。在特定实施例中，外壳32和端盖36可至少部分地限定燃烧器16的头端容积或部分38。在特定实施例中，头端部分38与高压仓室34和/或压缩机14流体连通。

燃料喷嘴40从端盖36沿轴向向下游延伸。一个或更多个环形形状的衬套或管道42可至少部分地限定用于燃烧第一燃料空气混合物的初级或第一燃烧或反应区44，并且/或者可至少部分地限定第二燃烧或反应区46，其相对于燃烧器16的轴向中心线48从第一燃烧区44沿轴向向下游形成。衬套42至少部分地限定从(多个)初级燃料喷嘴40至涡轮18(图1)的入口52的热气体路径50。在至少一个实施例中，衬套42可形成为以便包括渐缩或过渡部分。在特定实施例中，衬套42可由单个或连续的本体形成。

在至少一个实施例中，燃烧器16包括轴向分级的燃料喷射系统100。轴向分级的燃料喷射系统100包括至少一个燃料喷射器组件102，其关于轴向中心线48与(多个)初级燃料喷嘴40沿轴向分级或间隔。燃料喷射器组件102设置在(多个)初级燃料喷嘴40下游和涡轮18的入口52上游。设想的是，大量燃料喷射器组件102(包括两个、三个、四个、五个，或更多个燃料喷射器组件102)可用于单个燃烧器16中。

在多于一个燃料喷射器组件102的情况下，燃料喷射器组件102可关于周向方向104绕着衬套42的周边沿周向相等地间隔，或者可以以一些其它间距间隔，以容纳支柱或其它壳构件。为了简单，轴向分级的燃料喷射系统100被称为并且在本文中示为具有燃料喷射器组件102，其在初级燃烧区44下游的单级或共同轴向平面中。然而，设想的是，轴向分级的燃料喷射系统100可包括燃料喷射器组件102的两个轴向间隔的级。例如，第一组燃料喷射器组件102和第二组燃料喷射器组件102可沿着(多个)衬套42与彼此沿轴向间隔。

各个燃料喷射器组件102延伸穿过衬套42，并且与热气体路径50流体连通。在各种实施例中，各个燃料喷射器组件102还延伸穿过流动或冲击套管54，其至少部分地包绕衬套42。在该构造中，流动套管54和衬套42限定其间的环形流动通路或冷却流动环形部56。冷却流动环形部56至少部分地限定高压仓室34与燃烧器16的头端部分38之间的流动路径。

图3提供根据本公开的至少一个实施例的衬套42和流动套管54的上游截面视图，其中多个燃料喷射器组件102中的四个燃料喷射器组件102(a-d)安装于衬套42和流动套管54。图4提供根据本公开的至少一个实施例的示例性流动套管54的透视图，其中除去燃料喷射器组件102。在至少一个实施例中，如图3中示出的，流动套管54沿周向包绕衬套42的至少一部分。流动套管54与衬套42沿径向间隔，以形成其间的冷却流动环形部56。

在一个示例性实施例中，如图3中示出的，多个燃料喷射器组件102包括绕着流动套管54沿周向间隔的四个燃料喷射器组件102(a),102(b),102(c)和102(d)。如图3中示出的，各个燃料喷射器组件102(a),102(b),102(c)和102(d)关于衬套42的轴向中心线58沿径向延伸穿过流动套管54、冷却流动环形部56以及衬套42。如图2中示出的，冷却流动环形部56限定高压仓室34与燃烧器16的头端部分38之间的流动路径。

在至少一个实施例中，如图2和图3中示出的，限定在多个燃料喷射器组件102中的第一对周向相邻的燃料喷射器组件102(a)和102(b)(图3)之间的流动套管54的第一部分60关于衬套42的外表面62沿径向向外凸出或突出，以便扩大冷却流动环形部56的流动容积。换言之，沿着第一部分60的流动套管54的内表面64在离衬套42的外表面62的径向距离66处，径向距离66大于衬套42的外表面62与流动套管54的内表面64之间的、在流动套管54的周向相邻或非凸出部分70处的径向距离68(如在关于轴向中心线58的共同或相同的径向平面中测量的)。就此而言，沿着关于轴向中心线58的相同或共同的径向平面，沿着突起或第一部分60的冷却流动环形部56的截面流动区域大于沿着非凸出部分70的冷却流动环形部56的截面流动区域。

在特定实施例中，沿着流动套管54的第一部分60由凸出产生的截面流动区域等于或大致等于设置在冷却流动环形部56内的周向相邻的燃料喷射器组件102(a)和102(b)的部分的截面区域。流动套管54的第一部分60或凸出部分恢复冷却流动环形部56内的总截面流动区域，其可由于燃料喷射器组件102(a)和102(b)的大小而损失，特别是在与周向相邻的燃料喷射器组件102(a)和102(b)相同的径向和/或周向平面中。因此，在冷却流动环形部56内和/或在高压仓室34与燃烧器的头端容积或部分38之间的压力下降可减小。

在至少一个实施例中，如图3中示出的，限定在多个燃料喷射器组件102中的第二对周向相邻的燃料喷射器组件102(b)和102(c)之间的流动套管54的第二部分72关于衬套42的外表面62沿径向向外凸出。如图4中示出的，流动套管54的第二部分72可限定多个入口孔74。在燃烧器16的操作期间，入口孔74提供用于高压仓室34(图2)与冷却流动环形部56(图3)之间的流体连通。在特定实施例中，限定在多个燃料喷射器组件102中的第三对周向相邻的燃料喷射器组件102(d)和102(a)之间的流动套管54的第三部分76关于衬套42的外表面62沿径向向外凸出或突出。如图4中示出的，流动套管54的第三部分76可限定多个入口孔78。在燃烧器16的操作期间，入口孔78提供用于高压仓室34(图2)与冷却流动环形部56(图3)之间的流体连通。在至少一个实施例中，如图4中示出的，流动套管54的第一部分60可限定多个入口孔80。在燃烧器16的操作期间，入口孔80提供用于高压仓室34(图2)与冷却流动环形部56(图3)之间的流体连通。

在特定实施例中，沿着流动套管54的第二部分72由凸出产生的截面流动区域等于或大致等于设置在冷却流动环形部56内的周向相邻的燃料喷射器组件102(b)和102(c)的部分的截面区域。流动套管54的第二部分72或凸出部分恢复冷却流动环形部56内的总截面流动区域，其可由于燃料喷射器组件102(b)和102(c)的大小而损失，特别是在与周向相邻的燃料喷射器组件102(b)和102(c)相同的径向和/或周向平面中。因此，在冷却流动环形部56内和/或在高压仓室34与燃烧器的头端容积或部分38之间的压力下降可减小。

在特定实施例中，沿着流动套管54的第三部分76由凸出产生的截面流动区域等于或大致等于设置在冷却流动环形部56内的周向相邻的燃料喷射器组件102(a)和102(d)的部分的截面区域。流动套管54的第三部分76或凸出部分恢复冷却流动环形部56内的总截面流动区域，其可由于燃料喷射器组件102(a)和102(d)的大小而损失，特别是在与周向相邻的燃料喷射器组件102(a)和102(d)相同的径向和/或周向平面中。因此，在冷却流动环形部56内和/或在高压仓室34与头端容积38之间的压力下降。

在操作中，来自高压仓室34的压缩空气26经由入口孔80,74和/或78中的一个或更多个进入冷却环形部56。压缩空气26流动，或者冲击衬套42的外表面62并且/或者流过衬套42的外表面62，由此对流地和/或传导地冷却衬套42。由流动套管54的(多个)凸出部分60,72和/或76提供的增大的冷却流动容积或区域减小了压力下降(典型地由延伸穿过冷却流动环形部56的喷射器组件102的部分引起)，由此提高冷却流动环形部56内的压缩空气26的总体冷却效力。

压缩空气26接着在燃烧器16的头端部分38处离开冷却流动环形部26。压缩空气接着与来自燃料喷嘴40的燃料混合并且焚烧，以形成燃烧气体30的初级燃烧气流或主流，其行进穿过初级燃烧区44至热气体路径50内的区域，该区域在燃料喷射器组件102径向内侧并且在涡轮18的入口52上游。第二燃料空气混合物由一个或更多个燃料喷射器组件102喷射，并且穿透来临的主流。供应至燃料喷射器组件102的燃料在进入涡轮18之前在第二燃烧区46中燃烧。

本文中描述的燃烧器16的实施例提供了许多优点。例如，附加的截面流动区域补偿由燃料喷射器组件产生的截面区域的减小，由此实现在等同的nox排放下的更高的发动机点火温度，这提高了总体燃气涡轮输出和效率。

该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。