技术领域
本技术通常涉及燃气轮机并且尤其涉及燃气轮机的燃烧器。
背景技术：
至少一些已知的燃烧器包括连接到燃烧器衬套上的至少一个混合器组件，该燃烧器衬套限定了燃烧区域。燃料喷射器连接到与混合器组件流体连通的燃烧器上，以用于供给燃料到燃烧区域中。具体来说，在这种结构中，燃烧通过混合器组件进入到燃烧器中。混合器组件通过圆顶板或者双孔板连接到燃烧器衬套上。
至少一些已经的混合器组件包括扩口锥体。通常来说，扩口锥体是发散形的并且从燃烧器的中心轴线径向向外延伸，以便于混合空气和燃料，并且以便于将混合物径向向外散布到燃烧区域中。发散形的偏转器周向地围绕扩口锥体并且从扩口锥体径向向外地延伸。偏转器，有时称为挡溅板，便于防止在燃烧区域中产生的热的燃烧气体撞击在圆顶板上。
在运行期间，排出到燃烧区域的燃料可沿着扩口锥体和偏转器形成燃气混合物。该燃气混合物可燃烧产生高的气体温度。延长的暴露在增加的温度中可增加在扩口锥体上的氧化形成率，并且可导致扩口锥体和偏转器的变形。
为了便于减小扩口锥体和偏转器的运行温度，至少一些已知的燃烧器混合器组件通过限定在扩口锥体内的空气喷射器供给对流的冷却空气。具体来说，在这种燃烧器中，冷却空气供给到在扩口锥体和偏转器之间围绕燃烧器中心轴线周向延伸的间隙中。但是，至少一些已知的偏转器具有不会有助于围绕偏转器分配冷却空气的几何结构，如此，温度差异产生。
技术实现要素：
在一个方面，提供一种运行燃气轮机的方法。该方法包括从冷却流体源引导冷却流体到燃烧器中，该燃烧器包括至少一个偏转器和至少一个扩口锥体。该偏转器和扩口锥体连接在一起并且构造为在它们之间限定冷却流体通道。扩口锥体具有延伸通过扩口锥体一部分的多个冷却喷射器。多个冷却喷射器围绕扩口锥体的中心轴线在周向上间隔开并且与冷却流体源流体连通地进行连接。多个冷却喷射器具有多个第一冷却喷射器和多个第二冷却喷射器。该方法还包括引导一部分冷却流体通过多个第一冷却喷射器。该方法还包括引导一部分冷却流体通过多个第二冷却喷射器，其中多个第一冷却喷射器冷却偏转器的一部分的程度高于多个第二冷却喷射器。
在另一个方面，提供用于燃烧器的锥体组件。锥体组件包括偏转器和连接到偏转器的扩口锥体。扩口锥体包括延伸通过扩口锥体一部分的多个冷却喷射器。多个冷却喷射器围绕扩口锥体的中心轴线在周向上间隔开并且与冷却流体源流体连通地进行连接。多个冷却喷射器包括多个第一冷却喷射器和多个第二冷却喷射器。其中多个第一冷却喷射器对偏转器的一部分的冷却程度高于多个第二冷却喷射器。
在又一个方面，提供一种燃气轮机。该燃气轮机包括压缩机和与压缩机流体连通的燃烧器。该燃烧器包括锥体组件。锥体组件包括偏转器和连接到偏转器的锥体组件。扩口锥体包括延伸通过扩口锥体一部分的多个冷却喷射器。多个冷却喷射器围绕扩口锥体的中心轴线在周向上间隔开并且与冷却流体源流体连通地进行连接。多个冷却喷射器包括多个第一冷却喷射器和多个第二冷却喷射器。多个第一冷却喷射器对偏转器的一部分的冷却程度高于多个第二冷却喷射器。
附图说明
图1是示例的燃气轮机的示意图；
图2是在图1中所示的燃气轮机的一部分的放大剖面图；
图3是可与图2中所示的燃气轮机一起使用的示例的燃烧器锥体组件一部分的透视图；
图4是在图3中所示的燃烧器锥体组件的端视图；
图5是在图3中所示的燃烧器锥体组件的放大图；
图6是在图3中所示的燃烧器锥体组件的剖切图；
图7是使用图6中所示的燃烧器锥体组件所产生的空气流模式的图形表示。
具体实施方式
图1是示例的燃气轮机100的示意图，该燃气轮机100包括风扇组件102，增压器103，高压压缩机104和燃烧器106。风扇组件102，增压器103，高压压缩机104和燃烧器106流体连通地连接。发动机100包括与燃烧器106流体连通的高压涡轮108，及低压涡轮110。风扇装置102包括从转盘116径向向外延伸的一排风扇叶片114。发动机100具有进气侧118和排气侧120。发动机100还包括中心线122，风扇102、增压器103、压缩机104和涡轮108和110围绕该中心线122旋转。
在运行中。空气通过进气侧118进入发动机100中并且通过风扇组件102进入增压器103中。压缩空气从增压器103排出到高压压缩机104中。高压缩空气从压缩机104排出到燃烧器106中，其中燃料与空气混合，并且混合物在燃烧器106中燃烧。产生的高温燃气通向涡轮108和110。涡轮108驱动压缩机104，并且涡轮110驱动风扇组件102和增压器103。随后燃烧气体从发动机通过排气侧120排出。
图2是燃气轮机100的一部分的放大剖面图。燃烧器106环形地围绕发动机中心线122(在图1中示出)延伸并且包括环形的外衬套140和环形的内衬套142。衬套140和142限定在它们之间的基本上环形的燃烧室150。在示例的实施例中，发动机100包括分别安装在外衬套140和内衬套142上游处的环形圆顶144。圆顶144限定了燃烧室150的上游端。径向外部混合器组件146和径向内部混合器组件148连接到圆顶44上。在示例的实施例中，组件146和148设置为双环形结构(DAC)。可选择的，组件146和/或148可以设置为单环形结构(SAC)或者形成三环形结构的一部分。
外衬套140和内衬套142从圆顶144向下游延伸到涡轮喷嘴156上。在示例的实施例中，外衬套140和内衬套142每个分别包括多个板158和160，并且每个还包括一系列台阶162，每个台阶162形成燃烧器衬套140和142的不同的部分。混合器组件146和148通过燃烧室150流体连通地进行连接。
燃烧室106包括外部罩164和内部罩166。外部罩164和内部罩166每个分别连接到板158和160的部分中。更具体的，外衬套板158和内衬套板160分别顺序地连接到罩164，166上，并且从罩164和166向下游延伸。外部罩164围绕混合器146在燃烧器106中环形延伸，并且内部罩166围绕混合器148在燃烧器106中环形延伸。燃烧器106还包括环形中心罩168，其包括外部罩部分170，内部罩部分172和中心部分174。部分170和172连接到部分174上，并且所有三个部分170，172和174之间限定环形腔175。罩164和中心罩部分170至少部分限定外部混合器腔176和环形入口178。类似的，罩166和罩部分172至少部分限定内部混合器腔180和入口182。压缩机104通过入口178和腔176与混合器146流体连通地进行连接。类似的，压缩机104通过入口182和腔180与混合器148流体连通地进行连接。
燃烧器106还包括圆顶板184，其围绕发动机中心线在燃烧室150的上游环形地延伸。圆顶板184连接到衬套140和142上并且提供对混合器146和148的结构支撑。多个开口(在图2中未示出)限定在圆顶板184内并且设计尺寸以容纳混合器146和148。具体来说，圆顶板184便于固定混合器组件146和148在燃烧器106内的适当位置。
混合器146包括锥体组件190，其具有偏转部分192和扩口锥体部分194。类似的，混合器148包括锥体组件200，其还包括偏转部分202和扩口锥体部分204。在示例的实施例中，混合器146和148基本上相同。
通过燃料喷射器205提供燃料给混合器组件146，其中燃料喷射器205通过燃料供给管206提供燃料。管206连接到燃料源(在图2中未示出)。燃料喷射器205通过混合器146延伸。更具体的，燃料喷射器205通过混合器入口178延伸，并且在基本上平行于延伸通过混合器146的对称纵向轴线207的方向上排出燃料(在图2中未示出)。燃烧器106还包括燃料点火器(在图2中未示出)，其从混合器146和148的下游延伸进入燃烧室150中并且容纳在点火器外壳208中。类似的，混合器组件148通过燃料喷射器209被供给燃料。燃料喷射器209延伸通过混合器148并且与燃料供给管206流体连通地进行连接。更具体的，燃料喷射器209在基本上平行于混合器148的对称纵向轴线210的方向上排出燃料。
燃烧器106还包括设置在混合器146和148之间的基本上环形流动中心罩211。中心罩211包括在其中限定环形室213并且包括多个空气喷口214的多个壁212。中心罩211通过壁212连接到圆顶板184和罩中心部分174。腔175，罩中心部分174，壁212的一部分，中心罩室213和空气喷口214流体连通地进行连接并且限定了用于从高压压缩机104引导空气到燃烧室150中的通道。空气喷口214从混合器146和148中分开火焰，从而使得在两个火焰之间的相互作用减轻。而且，通过中心罩211从压缩机104到燃烧室150的空气流便于从罩168和圆顶板184去除热。
在运行期间，从高压压缩机104排出的空气引导到燃烧器106中。更具体的，空气通过入口178流入到混合器腔176中并且通过入口182进入混合器腔180中。燃料通过燃料管206从燃料源(在图2中未示出)进入燃料喷射器25中并且朝向燃烧室150排出。空气和燃料在混合器146和148中混合，并且燃料/空气混合物在基本上分别平行于混合器中心线207和210的方向上喷射入燃烧室150中。中心罩211便于分开与混合器146和148相关的火焰，并且燃烧便于发生在燃烧室150内。相关的燃烧气体随后通入到涡轮喷嘴156。
图3是锥体组件190的透视图。图4是锥体组件190的端视图。图5是锥体组件190的放大图。图3，4和5一起被参照来进行下面的描述。混合器146的装配和运行将在下面详细描述并且混合器148(在图2中示出)以类似方式进行装配和运行。混合器146包括具有环形出口锥体216的环形空气涡流器215，其基本上对称地围绕对称纵向轴线207设置。出口锥体216包括径向向内面对的流动表面218。空气涡流器215包括径向外表面220和径向向内面对的流动表面222。流动表面218和220限定后部文氏管通道224，其用于引导一部分空气到下游。表面222限定了室225，通常和在此称为文氏管225。空气涡流器215还包括多个圆周上隔开的前部涡流叶片226和后部涡流叶片227，它们在流动通过混合器146的至少一部分空气中施加多个相对的涡流运动，以便于燃料和空气的混合。混合器146还包括管状套圈228。燃料喷射器205的一部分滑动地设置在套圈228内，以适应由于在燃料喷射器205和套圈228之间的热膨胀差异造成的轴向和径向移动。
锥体组件190连接到空气涡流器215中。具体来说，扩口锥体部分192连接到出口锥体216上并且从出口锥体216向下游延伸。更具体的，扩口锥体部分192包括径向内部流动表面230和径向外部表面232。当扩口锥体部分230连接到出口锥体216时，径向内部流动表面230设置为与出口锥体流动表面218基本上共面。具体来说，扩口锥体内部流动表面230是扩散形从而使得扩口锥体内部流动表面230从扩口锥体主体235的弯曲部234径向向外延伸到扩口锥体部分192的后端236上。更具体的，在后边缘236和弯曲部234之间扩口锥体外部表面232基本上平行于内部表面230。
偏转器部分194便于防止热的燃烧气体撞击到燃烧器圆顶板184上。偏转器部分194还包括径向外部表面240和径向内部表面242。径向外部表面240和径向内部表面242从偏转器前边缘244延伸通过偏转器194到偏转器后边缘246。偏转器径向内部表面242包括两个径向狭窄区域241和两个径向宽广区域243。基本上环形间隙247限定在径向外部表面232和至少一部分的偏转器内部表面242之间。
扩口锥体主体235包括前部表面248和后部表面250。多个冷却喷射器300限定在扩口锥体主体235内并且轴向延伸通过扩口锥体主体235。更具体的，喷射器300从限定在扩口锥体前部表面248内的入口302延伸到限定在扩口锥体后部表面250内的出口304上。入口302在出口304的上游，从而使得喷射器300以降低的压力排出通过其冷却流体。在一个实施例中，冷却流体是从压缩机104中排出的压缩空气。可选择的，冷却流体可以是如在此描述的便于冷却的任何流体源。
喷射器300相对于轴线207径向向外延伸并且从前面入口302到后部出口302。在示例的实施例中，喷射器300包括多个具有不同排出直径的喷射器。具体来说，在示例的实施例中，存在两组喷射器300，即小直径组306和大直径组308。更具体的，在示例的实施例中，相关于组306的直径近似为0.889毫米(0.0350英寸(in))，相关于组308的直径近似为1.433毫米(0.0564in)。而且，在示例的实施例中，喷射器300进行设置使得两个圆周上相对的组306设置来朝向偏转器内表面242的径向狭窄区域241喷射冷却流体，并且存在两个圆周上相对的组308以朝向偏转器内表面242的径向最宽区域243喷射冷却流体。相关于喷射器组306和308的不同直径便于在偏转器194上偏压冷却流体。具体来说，不同的直径便于喷射不同冷却流体质量流率通过偏转器表面242的不同的区域241和243。更具体的，相比于喷射器组306喷射通过区域241，喷射器组308喷射更大的预定质量流率的冷却流体通过区域243。可选择的，可以使用获得预定运行参数的设置为任何结构中的任何直径。
在示例的实施例中，扩口锥体192和偏转器194独立制造。制造方法包括但不限于铸造。随后，喷射器300使用包括但不限于已知的放电加工(EDM)方法形成。可选择的，喷射器300可在铸造期间形成在扩口锥体192内。而且，可选择的，扩口锥体192和偏转器194可通过包括但不限于的铸造方法作为整体的单一扩口锥体-偏转器组件190形成。
在运行期间，前部涡流器叶片226在第一旋转方向上漩涡空气，并且后部涡流器叶片227在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上漩涡空气。从燃料喷射器205(在图2中示出)排出的燃料喷射入文氏管225中并且与前部涡流器叶片226漩涡的空气混合。该初始的燃料/空气混合物从文氏管225的后部排出并且与通过后部涡流器叶片227漩涡的空气混合并且被引导通过后部文氏管通道224。燃料/空气混合物由于前部和后部涡流器叶片226和227的离心作用径向向外扩展，并且以相对宽的排出喷射角度沿着扩口锥体流动表面230和偏转器部分流动表面242流动。
冷却流体通过冷却喷射器组306和308供给到锥体组件190中。组306和308便于引导在减小压力下排出的连续的冷却流体流，以用于扩口锥体192的撞击冷却。该减小的压力便于改善的冷却，以及通过冷却流体在径向外表面232上的撞击，用于扩口锥体192的撞击冷却的回流裕量。而且，冷却流体改善对流热传导并且便于减小扩口锥体192的运行温度。减小的运行温度便于延长扩口锥体192的使用寿命，通过包括但不限于减轻扩口锥体192的热引发变形和有害氧化的机制。
而且，由于冷却流体通过喷射器组306和308排出，偏转器194被薄膜冷却(filmcooled)。更具体的，喷射器组306和308提供给内表面242薄膜冷却。由于组306和308围绕扩口锥体192周向设置，并且冷却流体撞击在径向外表面232上，可引导薄膜冷却沿着圆周围绕扩口锥体192的内表面242。此外，由于组306和308便于如上所述引导的冷却流，锥体组件190便于最优化偏转器区域241和243上的薄膜冷却。具体来说，相关于喷射器组306和308的不同直径便于在偏转器194上偏置冷却流体流。更具体的，不同的直径便于喷射不同冷却流体质量流率通过偏转器表面242的不同区域241和243。甚至更具体的，相对于喷射器组306喷射通过区域241，喷射器组308喷射更大的预定质量流率的冷却流体通过区域243。因此，便于实现区域241和243的优先冷却，并且在区域241和243之间的温差被减小。而且，在区域241和243之间的温差减小会减轻在区域241和243之间的引发热应力，其随后减轻了对于偏转器194变形的潜在可能性。而且，如在此描述的最优化冷却流体流便于当冷却流体是空气时减小氮氧化物(NOx)形成的可能性。
在示例的实施例中，径向外表面232基本上平行于内表面242的一部分设置。而且，在示例的实施例中，在表面242和后部边缘236之间的距离基本上在周向上是常数，冷却流体质量流率基本上通过喷射器组306和308设计尺寸和定位而被偏置。可选择的，扩口锥体192具有在表面242和后部边缘236之间的变化距离(未示出)，从而使得冷却质量流率进一步发生偏置，以便于通过区域243比通过区域241有更大的质量流率。具体来说，与区域243相关的表面242和后部边缘236之间的间隙247的距离大于与区域241相关的间隙247的距离。制造如上所述的整体的单一锥体组件190有利于此可选择的实施例。
运行燃气轮机100的方法包括从冷却流体源即压缩机104引导冷却流体即空气到燃烧器106，该燃烧器106包括至少一个偏转器194和至少一个扩口锥体192。偏转器194和扩口锥体192连接在一起并且构造以在它们之间限定冷却流体通道247，即间隙247。扩口锥体192具有延伸通过扩口锥体192的一部分的多个冷却喷射器300。多个冷却喷射器300围绕扩口锥体192的中心轴线207在周向上间隔开并且与冷却流体源即压缩机104流体连通地进行连接。多个冷却喷射器300包括多个第一冷却喷射器308和多个第二冷却喷射器306。该方法还包括引导一部分冷却流体即压缩空气通过多个第一冷却喷射器308。该方法还包括引导一部分压缩空气通过多个第二冷却喷射器306，其中多个第一冷却喷射器308冷却偏转器194的一部分的程度高于多个第二冷却喷射器306。
图6是具有在此描述的优先偏置的偏转器冷却的示例锥体组件190的剖切图。组件190包括偏转器194，其包括内表面狭窄区域241和内表面宽广区域243。组件190还包括示例的扩口锥体192。因此，在扩口锥体192中由喷射器300(在图4和5中示出)产生的空气流模式(如多个箭头示出)494被引导通过间隙247。模式494包括偏置的空气流495和偏置的空气流496，从而使得空气流496大于空气流495，并且与区域241相比，更大的冷却量偏置朝向区域243。流模式可与一些已知的不具有在此描述的优先偏置从而使得冷却流偏置基本上得到减小并且到区域241和243的流量基本上是相似的偏转器冷却的锥体组件相反。
图7是使用锥体组件190(在图6中示出)可产生的空气流模式494的图形表示500。该图形500包括纵坐标(Y轴)502，其表示冷却流体分布的百分数，该冷却流体分布可作为围绕间隙247的圆周位置的函数，其中该围绕间隙247的圆周位置用横坐标(X轴)504表示。X轴504参考为180度弧，其包括表示间隙247的12点钟位置的0度位置。X轴504(其参考为180度弧)还包括表示间隙247的6点钟位置的180度位置。该0度位置以旋转的顺时针方向延伸到180度位置。在180度弧上每36度取点的空气流动模式494的绘制曲线506示出了相比于区域243，在区域241上具有通过间隙247的冷却流的更小的百分比。绘制曲线506可与同一些已知锥体组件的空气流动型式相关的绘制曲线相反，该已知的锥体组件不具有在此描述的优先偏置的偏转器冷却。这种锥体组件可使得冷却流的偏置充分减小，从而使得流向区域241和243的空气流基本上相似。对于这种锥体组件的相关的绘制曲线具有基本上为零的斜率，即图形基本上是平的。
用于在此描述的燃烧器的方法和装置便于燃气轮机的运行。更具体的，上述的燃烧器锥体组件有利于效率高和有效的燃烧冷却机制。而且，稳固的燃烧器锥体组件有利于燃烧器偏转器和扩口锥体的延长的运行寿命期望。这种燃烧器偏转器扩口锥体组件还有利于燃气轮机的可靠性和减小的维护成本和燃气轮机储运损耗。
与燃气轮机相关的燃烧器偏转器-扩口锥体组件的示例的实施例如上所述详细描述。该方法，装置和系统既不限于在此描述的具体实施例，也不限于具体示出的燃气轮机。
虽然本发明已经就多个具体的实施例进行了描述，本领域技术人员应当理解的是在权利要求的精神和范围内可进行修改。
部件目录
100燃气轮机
102风扇装置
103增压器
104高压压缩机
106压缩机
108高压涡轮
110低压涡轮
114风扇叶片
116转盘
118进气侧
120排气侧
122发动机中心线
140外衬套
142内衬套
146圆顶
148混合器组件
150燃烧室
156涡轮喷嘴
160衬套板
162台阶
164外罩
166内罩
168中心罩
170外罩部分
172内罩部分
174罩中心部分
175腔
176外部混合器腔
178入口
180混合器腔
182入口
184燃烧器圆顶
190锥体组件
192扩口锥体
194偏转器
200锥体组件
202偏转器部分
204扩口锥体部分
205燃料喷射器
206燃料管
207对称轴线
208点火器外壳
209燃料喷射器
210对称轴线
211流动中心罩
212壁
213中心罩室
214空气喷口
215空气涡流器
216出口锥体
218流动表面
220外表面
222流动表面
224后部文氏管通道
225文氏管
227后部涡流器叶片
228管状套圈
230内部流动表面
232外表面
234弯曲部分
235扩口锥体主体
236后部边缘
240外表面
241区域
242偏转器内表面
243内表面宽广区域
244偏转器引导边缘
246偏转器后部边缘
247间隙
248前部表面
250后部表面
300冷却喷射器
302前部入口
304出口
306冷却喷射器组
308第一冷却喷射器
494空气流动型式
495空气流
496空气流
500图形表示
502Y轴
504X轴
506图示曲线