具有交替旋转主燃烧器的不对称基板冷却的制作方法
【专利说明】具有交替旋转主燃烧器的不对称基板冷却
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年6月5日提交的美国临时专利申请号61/831，403的权益。
技术领域
[0003]本发明涉及用于基板的优化的冷却布置，该基板构造为优选地传送冷却流体到利用交替旋转源的罐环形燃烧器中的容易受到闪回与火焰保持的区域，其中优化的冷却布置减少了啤和C0排放。
【背景技术】
[0004]用于燃气涡轮发动机的罐环形燃烧器可以包括燃烧器组件，此燃烧器组件具有中心先导燃烧器与布置在先导燃烧器周围的多个预先混合主燃烧器。先导燃烧器通常地接收从压缩机接收的压缩空气的流的一部分并且将先导燃烧器流与燃料混合以形成先导燃烧器空气与燃料混合物。可以通过在先导燃烧器中的流控制表面旋转先导燃烧器混合物，其将周向运动给予到轴向运动的先导燃烧器混合物。此旋转的流在偏离先导锥体内继续并且此布置产生膨胀，螺旋地流动先导混合物，其被点燃并且用于锚定燃烧器火焰。
[0005]此主燃烧器可以保持在先导燃烧器周围的适当位置中并且延伸通过横向于主燃烧器定位的基板。与先导燃烧器类似，每个主燃烧器都接收从压缩机接收的压缩空气的流的相应部分。压缩空气的各流流动通过其相应主燃烧器，在那里与燃料混合以形成主燃烧器空气与燃料混合物。可以通过在主燃烧器中的流控制表面旋转主燃烧器混合物，其将周向运动给予到轴向运动主燃烧器混合物。此旋转的混合物向下游继续直到主燃烧器流与先导燃烧器流在通过先导火焰点燃的主燃烧器流的点处混合。主燃烧器混合物通常比先导燃烧器混合物更稀薄并且由此稳定的燃烧依赖于先导燃烧器混合物的锚定效应。
[0006]主燃烧器流的预先混合旨在减少燃料消耗与排放。在预先混合燃烧器中的燃烧火焰的稳定性依赖于由主燃烧器中的旋转器的旋转作用提供的适当的预先混合。适当旋转与混合的流降低了燃烧不稳定性并且这继而减少了较低的^^^与C0排放。
[0007]在传统燃烧器中，主燃烧器构造为将旋转沿着相同方向给予到各主燃烧器流。当沿着燃烧器轴线观察时，各主燃烧器流可见为与其它沿着相同方向旋转。例如，各主燃烧器流可以顺时针旋转。然而，在此布置中，相邻流的相邻部分沿着相反方向前进。这形成剪切与漩涡，这增加了热量释放速度与在混合区域中的排放。为了对此缓解，已经提出了使给予到主燃烧器流的旋转方向交替使得它们在顺时针与逆时针之间交替。这在属于瑞恩的美国公开号20100071378中进行公开，其整体地包含于此。
【附图说明】
[0008]在下面的描述中参照【附图说明】本发明，附图中示出:
[0009]图1示出了罐环形燃气涡轮发动机的现有技术燃烧器布置。
[0010]图2示出了基板、现有技术冷却穿孔、以及现有技术旋转器布置的旋转。
[0011]图3示出了基板与图2的现有技术冷却穿孔以及另选现有技术旋转器布置的旋转。
[0012]图4示出了利用基板、现有技术冷却穿孔、以及图3的另选现有技术旋转器布置的燃烧器布置的端视图。
[0013]图5示出了基板与具有这里公开的冷却布置的交替旋转源。
[0014]图6示出了燃烧器布置以及这里公开的冷却布置的另选示例性实施方式的端视图。
【具体实施方式】
[0015]本发明人认识到利用围绕先导燃烧器的预先混合主燃烧器的燃烧布置当主燃烧器中的旋转器给予主燃烧器流交替的旋转时，可能在燃烧器中产生不同燃料富度的区域。发明人已经确定，在其中相邻主燃烧器流的相邻部分流入(到先导火焰中)的区域中，可能形成富燃料区域。在这些流入区域中的高燃料含量增加了闪回与火焰保持的倾向。相比之下，发明人确定在其中相邻主燃烧器流流出(远离先导火焰)的相邻区域中可能形成燃料稀薄区域。发明人进一步确定流动通过基板的冷却流体夹带在主燃烧器流中。发明人已经利用此知识并且已经设计出独特的装置，其构造为降低在此交替旋转布置中的闪回与保持火焰的机会。
[0016]具体地说，这里描述的改进的燃烧器装置优选地将增加的冷却气流传送到富燃料流入区域以减少在这些区域中的燃料与空气的混合水平。减少在这些流入区域中的燃料的量降低了火焰通过这些区域闪回以及在不期望的地方保持的能力。为了补偿到流入区域的增加的冷却流体的数量，改进的燃烧器装置可以优选地将减少的冷却空气流传送到燃料稀薄流出区域。此冷却流的相关减少协助抵消到流入区域的增加的冷却剂的流，并且由此替代增加通过燃烧器的总冷却剂流，基本上保持通过燃烧器的冷却流的整体速度。保持相同或类似的整体总冷却流协助保持发动机效率并且减少可能另外地与总冷却空气流的增加相关的NOx和C0的排放。
[0017]图1示出了现有技术的罐环形燃气涡轮发动机的燃烧器布置10。从压缩机(未示出)接收的压缩空气12基本上从燃烧器布置10的上游端14沿着燃烧器布置纵轴18朝向下游端16流动。多个预先混合主燃烧器20周向地布置在先导燃烧器22周围并且与燃烧器布置纵轴18同心。每个主燃烧器20都接收压缩空气12的一部分，此部分由此成为通过每个主燃烧器20的相应主燃烧器流24。同样地，先导燃烧器接收成为先导流(未示出)的压缩空气12的一部分。在各主燃烧器20内是旋转器组件28 (不可见)以及燃料喷射器(未示出)，其将燃料引入到压缩空气中以形成主燃烧器燃料与空气混合物。每个旋转器组件26都给予周向移动到相应的主燃烧器流24。因此从主燃烧器出口 28排放的各主燃烧器流24都轴向地且周向地移动以形成螺旋流(未示出)。主燃烧器出口 28可以布置在所示的选择性主燃烧器后延伸部30的端部，或者当不存在选择性主燃烧器后延伸部30时略微地更上游。
[0018]基板40横向于燃烧器布置纵轴10与各主燃烧器20的纵轴42定向，并且协助支撑各主燃烧器20。基板40包括主燃烧器20延伸通过那里的主燃烧器穿孔44。基板40使燃烧器布置10分离，由此形成其中发生燃烧的上游区域46与下游区域48。具有均匀尺寸与对称式样的冷却穿孔50围绕并且通过基板40布置以允许压缩空气12用作冷却流体52并且流动通过基板40以提供现有技术冷却布置中中必要的冷却。
[0019]先导燃烧器22同样地可以包括在基板40附近的将旋转给予到先导流的先导旋转器(未示出)，以及将燃料引入到压缩空气中以形成先导流空气燃料混合物的燃料喷射器。旋转先导流通过先导燃烧器锥体布置60界定，先导燃烧器锥体布置60可以包括内先导锥体62与围绕内先导锥体62的外先导锥体64并且在其间限定环形间隙66。压缩空气12可以在环形间隙66中流动并且排出环形间隙出口 68。环形间隙出口 68可以发生在先导锥体布置下游端70上游或者与先导锥体布置下游端70平齐。先导燃烧器流经由在邻近先导锥体布置下游端70的先导火焰区域74中存在的先导火焰锚定燃烧。各主燃烧器旋转流从相应的主燃烧器出口 28前进直到其达到其中它通过先导火焰点燃的先导火焰区域74。连同旋转先导流与旋转主燃烧器流在类似于先导火焰区域74 (尽管更大)的燃烧火焰区域76中形成燃烧火焰。可以看到相对于燃烧器布置纵轴18，旋转主流通过燃烧器内衬80界定在径向向外侧面78上。在径向向内侧82上通过外先导锥体64界定旋转的主流。此径向不对称的界定导致下面进一步说明的径向不对称的空气动力学。
[0020]图2示出了从燃烧器布置10移除并且沿着燃烧器布置纵轴18从下游端16朝向上游端14观察的图1的基板40以及相关的冷却布置。在此构造中，旋转器组件(未示出)将旋转沿着相同方向102给予到各主燃烧器流24，这在此视图中是逆时针，由此形成旋转的主流104。在发动机操作过程中，当相邻旋转主流108的相邻部分106沿着燃烧器布置纵轴18轴向地前进时，它们当沿着相反的线性方向前进时最终地相遇。顺时针旋转的主流130沿着线性流出方向112远离燃烧器布置