专利名称：用于燃烧器衬垫的发散冷却套管及相关方法
技术领域：
本发明总体上涉及涡轮机械，且更具体地涉及在燃气涡轮机燃烧 器中对燃烧器衬垫的冷却。
背景技术：
常规的燃气涡轮机燃烧系统采用多燃烧器組件来实现可靠且有 效的渴轮机操作。各个燃烧器组件包括圆柱状衬垫、燃料喷射系统， 以及将热燃气流从燃烧器引导至涡轮机入口的过渡件。总体而言，压 缩机排出空气的一部分用来冷却燃烧器衬垫，且之后引入燃烧器反应 区内以便与燃料相混合并燃烧。
在结合了冲击冷却式过渡件的系统中，中空套筒(本文也称为"过 渡套筒")围绕过渡件，且套筒壁穿孔以便压缩机排出空气流经套筒壁 中的冷却开口并冲击(且因而冷却)过渡件。该冷却空气然后沿着套筒
与过渡件之间的环形空间流动。这种所谓的"交叉流(cross flow)"最 终流入燃烧器衬垫与围绕的流动套筒(本文也称为"衬垫套筒")之间 的另一个环形空间。该衬垫套筒在其周向还形成有数行冷却孔，第一 行位于将衬垫套筒连结到过渡件上的安装凸缘附近。
即使存在由过渡件冷却气流所引起的强烈交叉流，但通过使用套 圏(collar)或冷却导管(也称为"套管，，)可最大限度地降低交叉流对沖 击冷却流的负面影响，冷却导管插在燃烧器衬垫套筒中的冷却孔内， 冷却射流穿过该燃烧器衬垫套筒。这些套管提供对交叉流的物理阻 塞，迫使交叉流进入期望的流路，且同时保证冷却射流有效地冲击燃 烧器衬垫表面以使之冷却。套管或套圏优选地安装在位于衬垫套筒后 端处的至少第一行孔的每个孔内，邻近燃烧器衬垫与过渡件相连结的安装凸缘。这种装置减小了喷射孔与沖击表面之间的间距；阻塞使射
流偏转的交叉流并迫使交叉流进入用于后续射流行的期望流路内；允 许射流的直径更小并因而减少冷却空气；以及提供对射流沖击位置的 一致及精确控制。这也稳定了第一行射流的有害轴向振动并阻止在第 一行射流的上游形成厚的边界层(而导致传热下降)。在共同持有的美 国专利6484505中公开了前述套管的使用。
然而，仍然存在这样的需求通过在衬垫表面处引导的冷却射流
而更为有效地冲击冷却燃烧器衬垫，但不会沿着衬垫产生高的热梯 度。
发明内容
在一个示范性而非限制性的实施例中，改变套管几何尺寸使得套 管壁在从套管进口至套管出口的方向上扩散。换句话说，套管具有截 锥形状，使得冷却射流在其流向燃烧器衬垫时而径向向外散布，因而 对村垫的后部,殳提供更为均匀的冷却。
因此，在一方面，本发明涉及用于涡轮^a然烧器衬垫的冷却装置，
其包括燃烧器衬垫；围绕燃烧器衬塾的至少一部分在其间具有流动 环形空间的流动套筒，该流动套筒具有绕其圆周形成以便导引冷却空 气进入流动环形空间并朝向燃烧器衬垫的多行冷却孔；其中，至少一 个套管装配在其中相应的一个或多个冷却孔内，该至少一个套管沿朝 向燃烧器衬垫的径向方向延伸且具有沿冷却空气流动方向扩散的周 边壁。
在另一方面，本发明涉及一种冷却由流动套筒所环绕的燃烧器衬 垫的方法，其包括在流动套筒内形成多个冷却孔；以及将套管装配 在其中的至少一些冷却孔内，各个套管具有沿冷却流体穿过套管流向
燃烧器衬垫方向的扩散周边壁。
现将结合以下进行标识的附图来描述本发明。
图1是燃烧器衬垫中常规燃烧器过渡件后部的简化侧截面图； 图2是将常规燃烧器衬垫及衬垫流动套筒连结到过渡件上的局部
但更详细的透一见图3是描述冲击冷却现有装置中燃烧器村垫的流动曲线图4是根据本发明的示范性但非限制性的实施例来描述利用扩散
套管进行冲击冷却的局部透视图；以及 图5是从图4中截耳又的放大详图。
具体实施例方式
参看图1和图2,典型的燃气渴轮机包括过渡件10，通过过渡件 10将热燃气从由燃烧器衬垫12(图2)表示的上游燃烧器传送至以14 表示的多级涡轮机构件。
来自燃气涡轮压缩机的气流离开轴向扩散器16而进入压缩机排 出壳体18内。约50%的压缩机排出空气穿过沿着过渡件沖击套筒22 并围绕其形成的开口 20,以便流入过渡件IO与径向外部的过渡件冲 击套筒22之间的环形区域或环形空间24内。剩余近似50%的压缩机 排出气流传送进入流动套筒孔34内并与从环形空间30来自过渡件的 空气相混合，并最终与燃烧器内的燃气涡轮机燃料相混合。
图2描述了在过渡件IO与燃烧器衬垫流动套筒28之间的连接， 这将出现在图1的左手侧远端。具体而言，过渡件10的冲击套筒22 以伸缩式关系接收在燃烧器流动套筒28后端部上的安装凸缘26内， 且过渡件IO也以伸缩式关系接收燃烧器衬垫12。燃烧器流动套筒28 环绕燃烧器衬垫12，从而在其间产生流动环形空间30。
/人图2中的流动箭头32可以看出，在环形空间24内行进的交叉 流冷却空气在垂直于冲击冷却空气流经形成在衬垫套筒28(尽管在图 2中示出了三行，但村垫套筒可具有任何数量行的这种孔)圓周周围的 冷却孔34(见流动箭头36)的方向上继续流动进入环形空间30内。在衬垫套筒中第一行孔34(最接近安装凸缘26的那行孔)内的沖 击冷却气流尤其容易遭受来自环形空间24的交叉流的破坏。该交叉 流撞击离开孔34的第一行冷却射流、使其转向并降低其冲击衬垫12 的能力。取决于交叉流和射流的相对强度，射流可能甚至不能到达燃 烧器衬垫12的表面。因为沖击射流具有高速度，故在射流的后面和 靠近衬垫套筒进入孔处存在低静压的特性区域。交叉流加速朝向低压 区域，导致跨过衬垫套筒/衬垫环形空间30的速度梯度。靠近衬垫表 面的该最终的低速度及加厚的边界层具有很差的传热效率。
为了消除交叉流对冷却射流的负面影响，采用如图3所示的冷却 套管36。这些套管包括圆形截面的管子38，具有焊接到该管子顶部 上(或与其一起形成)的平坦环或凸缘40。各个套管36的管子或本体部 分38形成为均匀直径。自压缩机排出的冷却气流进入过渡件环形空 间且之后流入套管内。套管将冷却射流聚集到衬垫内的热点上，导致 强烈的沖击冷却作用。然而，该冲击作用导致沿着衬垫圆周的高的热 梯度。
根据本发明的示范性但非限制性的实施例并参看图4和图5，围 绕燃烧器衬垫44的燃烧器衬垫流动套筒42装配有改良的套管46,各 个套管46均具有沿流动方向扩散的周边壁48,使得冷却射流随着其 流向衬垫44的表面而发散。套管46的尺寸由衬垫/流动套筒间距、该 尺寸的公差、射流和交叉流动量、套管的几何限制以及特定涡轮机的 具体冷却要求来设定。然而，优选关系包括扩散壁的最小直径至最大
直径在从1.2D至2D的范围内，其中D是周边壁的基圆直径。扩散角 可为直至大约为30°的任何角度。套管46可由与流动套筒42相同的 材料制成。 一个或多个套管46可布置在轴向隔开的冷却孔中一^f亍或 多行(错开或呈直线)内，但不必在每行的各个孔内。 一些行可仅具有 扩散套管，而其它行可都具有平直套管36，同时还有的其它行可具有 这两类套管的组合。在所有情况下，套管优选地分别在环或凸缘40 或50处焊接到衬垫套筒28或42上。示出的管状周边壁48的截面是圆形的，但可使用其它的截面形 状例如方形、三角形、翼型形状以及半圆形等，只要沿流动方向有扩 散。该扩散或扩张的套管设计通过将射流以 一定方式朝向衬垫引导和 展开而有效冷却衬垫的后部段，该方式不会产生沿着衬垫的实质性热 梯度，并因而产生对衬垫后部段的更均匀冷却。
虽然已结合目前认为最实用和优选的实施例描述了本发明，但应 理解本发明不限于所披露的实施例，而相反地意图覆盖包括在所附权 利要求精神和范围内的各种修改和等同方案。
权利要求
1.一种用于涡轮机燃烧器衬垫的冷却装置，包括燃烧器衬垫(44)；环绕所述燃烧器衬垫的至少一部分在其间具有流动环形空间的流动套筒(42)，所述流动套筒具有绕其圆周形成的多行冷却孔(34)，用于引导冷却空气进入所述流动环形空间并朝向所述燃烧器衬垫；其中，至少一个套管(46)装配在所述冷却孔(34)中相应的一个或多个冷却孔内，所述至少一个套管在朝向所述燃烧器衬垫的径向方向上延伸，以及具有在所述冷却空气的流动方向上扩散的周边壁(48)。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述至少一个套管 (46)是管状的，在其一端具有径向凸缘(50)。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个套管 (46)焊接到所述流动套筒(42)上，所述管子的相对端部与所述衬垫(44) 以预定量而径向隔开。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个套管 (46)以直至大约30°的扩散角从一个端部至另一端部均匀地扩散。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个套管 (46)包括管子(48),在其一端具有径向凸缘(50)，所述径向凸缘位于所 述流动套筒(42)的外周边表面上。
6. —种冷却由流动套筒(42)所环绕的燃烧器衬塾(44)的方法，包括a. 在所述流动套筒内形成多个冷却孔(34);以及b. 将套管(46)装配在所述冷却孔中的至少一些冷却孔内，所述套 管中的各个套管均具有在冷却流体穿过所述套管朝向所述燃烧器衬 垫流动的方向上的扩散周边壁(48)。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述扩散周边壁(48) 为圆形截面。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤a包括形成多 行冷却孔，以及步骤b包括将套管(46)装配在各行的至少一些冷却孔 内。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述套管(46)中的 各套管均以大约30°的扩散角从一端至另一端均匀地扩散。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述套管(46)中的 至少一些套管位于所述流动套筒的后端。
全文摘要
本发明涉及用于燃烧器衬垫的发散冷却套管及相关方法。具体而言，本文公开了一种用于涡轮机燃烧器衬垫的冷却装置，其包括燃烧器衬垫；围绕燃烧器衬垫的至少一部分在其间具有流动环形空间的流动套筒，该流动套筒具有形成在其圆周周围用于引导冷却空气进入流动环形空间并朝向燃烧器衬垫的多行冷却孔。一个或多个冷却孔装配在朝向燃烧器衬垫的径向方向上延伸的套管，该套管具有沿冷却空气的流动方向扩散的周边壁。
文档编号F23D14/78GK101625123SQ20091013277
公开日2010年1月13日 申请日期2009年4月10日 优先权日2008年4月11日
发明者G·P·劳, K·凯利斯沃兰 申请人:通用电气公司