专利名称：用于冷却燃烧器中的燃烧器衬里的方法和装置的制作方法
技术领域：
本文公开的主题总体涉及涡轮机系统，且更具体地涉及用于冷却燃烧器中的燃烧器衬里的方法和装置。
背景技术：
涡轮机系统广泛地用于诸如发电的领域中。例如，常规的燃气涡轮机系统包括压缩机、燃烧器和涡轮。在涡轮机系统运行期间，系统中的各种构件可能承受高温流，高温流能够导致构件失效。由于温度较高的流通常导致燃气涡轮机系统的性能、效率和功率输出增加，所以必须冷却承受高温流的构件，以允许燃气涡轮机系统在升高的温度下运行。需要在运行期间冷却的一个此类构件是燃烧器衬里。燃烧一般发生在燃烧器衬里内，从而使燃烧器衬里承受高温流。特别地，燃烧器衬里的下游端可能是燃烧器的寿命限制位置。典型的燃烧器采用包围燃烧器衬里的流套管以及包围燃烧器衬里下游的过渡件的冲击套管来形成流动通路。冷却空气或其它工作流体经该流动通路流向上游，以冷却燃烧器衬里。此外，额外的冷却空气或工作流体经例如在冲击套管和流套管中限定的冲击孔流入该流动通路。这种额外的冷却空气或工作流体进一步用于冷却燃烧器衬里。然而，这些孔的典型布置引起显著的压力损失和燃烧器衬里不均匀的冷却。另外的现有技术方案已利用安装在流套管上的喷射套管来冷却燃烧器衬里。这些套管向流动通路提供冷却空气或工作流体的附加的通常上游流。然而，这些套管不会充分冷却燃烧器衬里的下游端。另外，这些套管占用可用于例如燃料向燃烧器系统的迟滞贫喷射(late lean injection)的流套管区域。因此，本领域中需要用于冷却燃烧器中的燃烧器衬里的改进的装置和方法。例如，冷却燃烧器衬里同时使引起的压力损失最小化的装置和方法将是有利的。此外，需要向燃烧器衬里的下游端提供相对均匀的冷却的装置和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地陈述，或者可从该描述变得明显，或者可通过实践本发明而获悉。在一个实施例中，公开了一种用于燃烧器的套管组件。该燃烧器包括过渡件和冲击套管，该冲击套管至少部分包围过渡件并且在二者之间至少部分地限定大致环形的流动通路。该套管组件包括构造成用于安装在过渡件上的内套管，和至少部分地包围内套管并且构造成在二者之间部分地限定流动通路的中间套管，该中间套管构造成用于安装在冲击套管上。该套管组件还包括安装在内套管或中间套管中的一者上的喷射套管，该喷射套管至少部分地限定构造成使工作流体流经其中的流动通道。
在另一实施例中，公开了一种燃烧器。该燃烧器包括过渡件和冲击套管，该冲击套管至少部分地包围过渡件并且在二者之间至少部分地限定大致环形的流动通路。该燃烧器还包括安装在过渡件或冲击套管中的一者上并且从冲击套管径向向外定位的喷射套管，该喷射套管至少部分地限定构造成使工作流体流向流动通路的流动通道。在另一实施例中，公开了一种用于冷却燃烧器中的燃烧器衬里的方法。该方法包括使工作流体流经至少部分地由喷射套管限定的流动通道。喷射套管安装在过渡件或冲击套管中的一者上并且从冲击套管径向向外定位，该冲击套管至少部分地包围过渡件并且在二者之间至少部分地限定大致环形的流动通路。该方法还包括使来自流动通道的工作流体排放到邻近燃烧器衬里的流动通路中。参考以下描述和所附 权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附示了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。
在参照附图的说明书中陈述本发明对于本领域的普通技术人员而言完整和能够实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中图I是燃气涡轮机系统的示意图；图2是根据本公开内容的一个实施例的燃气涡轮机系统的各种构件的侧剖视图；图3是根据本公开内容的一个实施例的包括过渡件、冲击套管和喷射套管的燃烧器的一部分的透视图；图4是根据本公开内容的一个实施例的套管组件的透视图；图5是根据本公开内容的一个实施例的套管组件沿如图4中所示的线5—5的截面图；以及图6是根据本公开内容的另一实施例的套管组件的截面图。零部件列表10涡轮机系统12压缩机14燃烧器16 涡轮18 轴20扩散器22排放气室24工作流体25外壳体26燃料喷嘴28燃烧室30热气流32热气通路34过渡件腔室36涡轮喷嘴40燃烧器衬里
42流套管44流动通路50冲击套管56过渡件58流动通路
60 进口70上游部分72下游端100喷射套管102套管组件104流动通道106支承件108前套管部分112内套管114中间套管120轴向流动方向122 出口124 角度130上游端(喷射套管)
具体实施例方式现将详细参见本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。每个实例均作为本发明的解释而非本发明的限制提供。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在本发明中做出各种修改和变化而不偏离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征能够与另一实施例一起使用以产生又另外的实施例。因此，本发明旨在涵盖处于所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变化。图I是燃气涡轮机系统10的示意图。系统10可包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。此外，系统10可包括可多个压缩机12、多个燃烧器14和多个涡轮16。压缩机12和涡轮16可通过轴18联接。轴18可为单个轴或联接在一起以形成轴18的多个轴段。如图2中所示，燃烧器14总体上流体联接到压缩机12和涡轮16上。压缩机12可包括以流体连通方式彼此联接的扩散器20和排放气室22，以便有利于将工作流体24引导到燃烧器14。如图所示，排放气室22的至少一部分由外壳体25例如压缩机排放壳体限定。在压缩机12中被压缩后，工作流体24可流经扩散器20并且可被提供给排放气室22。然后，工作流体24可从排放气室22流向燃烧器14，其中工作流体24与来自燃料喷嘴26的燃料混合。在与燃料混合后，工作流体24/燃料混合物可在燃烧室28内被点燃，以形成热气流30。热气流30可沿热气通路32经燃烧室28被引导到过渡件腔室34中并经涡轮喷嘴36被引导到涡轮16。燃烧器14可包括构造成有利于工作流体24的中空环形壁。例如，燃烧器14可包括燃烧器衬里40，该燃烧器衬里设置在流套管42内使得流套管42至少部分地包围燃烧器衬里40。如图2中所示，燃烧器衬里40和流套管42的布置总体上是同心的并且可在二者之间限定环形通道或流动通路44。在某些实施例中，流套管42和燃烧器衬里40可限定燃烧器14的第一或上游中空环形壁。燃烧器衬里40的内部可限定大致圆柱形或环形的燃烧室28并且至少部分地限定热气流30可通过其中被引导的热气通路32。冲击套管50可在燃烧器衬里40和流套管42下游联接到流套管42上。过渡件56可设置在冲击套管50内，使得冲击套管50包围过渡件56的至少一部分。冲击套管50和过渡件56的同心布置可在二者之间限定环形通路或流动通路58。冲击套管50可包括多个进口 60，进口 60可提供用于来自压缩机12的工作流体24的至少一部分经排放气室22进入流动通路58的流动通路。换言之，冲击套管50可穿有开口的图案，以限定穿孔的环形 壁。过渡件56的内腔34还可限定热气通路32，来自燃烧室28的热气流30可经热气通路32被引入涡轮16。如图所示，流动通路58流体联接到流动通路44上。因此，流动通路44和58限定构造成向燃料喷嘴26提供来自压缩机12和排放气室22的工作流体24同时还冷却燃烧器14的流动通路。如上所述，涡轮机系统10在操作中可吸入工作流体24并且向压缩机12提供工作流体24。由轴18驱动的压缩机12可旋转并且压缩工作流体24。然后，经压缩的工作流体24可排放到扩散器20中。然后，大部分经压缩的工作流体24可经由扩散器20从压缩机12排放，通过排放气室22并进入燃烧器14。另外，经压缩的工作流体24的一小部分(未示出)可被向下游引导以用于冷却涡轮发动机10的其它构件。如图所示，限定排放气室22的外壳体25可至少部分包围冲击套管50和流套管42。排放气室22内的经压缩的工作流体24的一部分可经由进口 60进入流动通路58。然后，流动通路58中的工作流体24可经流动通路44被向上游引导，使得工作流体24被引导到燃烧器衬里34上。因此，流动通路58 (由冲击套管50和过渡件56形成)和流动通路44(由流套管42和燃烧器衬里40形成)沿上游方向限定流动通路。因此，流动通路44可从流动通路58接收工作流体24。然后，流经流动通路44的工作流体24可朝燃料喷嘴26被向上游引导，如上所述。如图所示，燃烧器衬里40可包括上游部分70和下游端72。下游端72 —般可以是邻近且可选地联接到过渡件56上的燃烧器衬里40这一端。上游部分70 一般可以是除下游端72以外燃烧器衬里40的剩余部分。上游部分70和下游端72 —般可具有任何合适的形状和尺寸。此外，如果需要的话，上游部分70和/或下游端72的任何部分可具有合适的锥度。在系统10运行期间，燃烧器衬里40可能需要冷却。例如，燃烧室28中的热气流30可加热燃烧器衬里40，并且因此必须冷却燃烧器衬里40，以总的延长燃烧器衬里40、燃烧器14和系统10的寿命。具体而言，燃烧器衬里40的下游端72可能是燃烧器衬里40的寿命限制部分，并且因此可能需要冷却。此外，在一些实施例中，流经由流动通路44和58限定的流动通路的工作流体24在一些实施例中可能不足以总地冷却下游端72或燃烧器衬里40。因此，本公开内容还涉及喷射套管100和套管组件102。根据本公开内容的喷射套管100可向由流动通路44和58限定的流动通路提供工作流体24，从而使得能够冷却燃烧器14的各种构件例如过渡件56、冲击套管50、燃烧器衬里40和流套管42。例如，在示例性实施例中，喷射套管100可向邻近燃烧器衬里40的流动通路提供工作流体，使得工作流体24可冷却燃烧器衬里40。具体而言，在示例性实施例中，喷射套管100可有益地邻近燃烧器衬里40的下游端72提供工作流体24，使得工作流体24可冷却燃烧器衬里40的下游端72。如图2和3中所示，在一些实施例中，根据本公开内容的喷射套管100本身可与燃烧器14的冲击套管50和过渡件56 —起利用。在其它实施例中，如图4至6中所示，喷射套管100可结合到套管组件102中，该套管组件可与燃烧器14的冲击套管50和过渡件56一起利用。因此，如图2和3中所示，喷射套管100可定位成从冲击套管50总体上径向向外。例如，在示例性实施例中，喷射套管100可至少部分地包围冲击套管50。在其它实施例中，喷射套管100可定位成从冲击套管50径向向外并且沿工作流体24经流动通路的方向在冲击套管50的上游。因此，喷射套管100可至少部分限定贯穿其中的流动通道104或多个流动通道104。流动通道104可构造成使工作流体24流向由流动通路44和58限定的流动通路。流动通道104例如可进一步由冲击套管50限定。喷射套管100可安装在过渡件56或冲击套管50中的一者上。例如，多个支承件106例如支柱、间隔件或其它合适的支承装置可用于喷射套管100与过渡件56或冲击套管50之间，以将喷射套管100安装在其上，同时允许喷射套管100至少部分地限定流动通道104。在示例性实施例中，喷射套管100可安装在冲击套管50上。此外，在一些示例性实施例中，喷射套管可安装在冲击套管50的前套管部分108上。前套管部分108可以是冲击套管50的总体上游部分或安装在冲击套管50的上游端上的冲击套管50的上游延伸部。如图4至6中所示，在其它实施例中，喷射套管筒100可以被包括在套管组件102中。套管组件102可包括内套管112、中间套管114和喷射套管100。内套管112可构造成用于安装在过渡件56上。因此，内套管112可具有与过渡件56的上游部分的尺寸和形状总体上相似的尺寸和形状，使得内套管112可安装在过渡件56上。可使用任何合适的安装器件或装置，包括例如机械紧固件和/或焊接，将内套管112安装在过渡件56上。当安装在过渡件56上时，内套管112可进一步限定热气通路32和由流动通路44和58限定的流动通路。中间套管114可至少部分地包围内套管112。此外，中间套管114可通过使用合适的支承件安装在内套管112上，如关于喷射套管100的安装所述。中间套管114可构造成安装在冲击套管50上。此外，在示例性实施例中，冲击套管50可包括前套管部分108，并且中间套管114可构造成用于安装在前套管部分108上。因此，中间套管114可具有与冲击套管50的上游部分或前套管部分106的尺寸和形状总体上相似的尺寸和形状，使得中间套管114可安装在冲击套管50上。可使用任何合适的安装器件或装置，包括例如机械紧固件和/或焊接，将中间套管114安装在冲击套管50上。当安装在冲击套管50上时，中间套管114可进一步限定由流动通路44和58限定 的流动通路。喷射套管100可定位成从中间套管114总体上径向向外。例如，在示例性实施例中，喷射套管100可至少部分地包围中间套管114。在其它实施例中，当套管组件102安装在燃烧器14中时，喷射套管100可定位成从中间套管114径向向外并且沿工作流体24流经流动通路的方向在中间套管114的上游。因此，喷射套管100可至少部分地限定贯穿其中的流动通道104或多个流动通道104。流动通道104可构造成使工作流体24流经其中，例如当套管组件102安装在燃烧器14中时流向由流动通路44和48限定的流动通路。流动通道104例如可进一步由中间套管114限定。喷射套管100可安装 在内套管112或中间套管114中的一者上。例如，多个支承件106例如支柱、间隔件或其它合适的支承器件可用于喷射套管100与内套管112或中间套管114之间，以将喷射套管100安装在其上，同时允许喷射套管100至少部分地限定流动通道104。在示例性实施例中，喷射套管100可安装在中间套管114上。如图3至6中所示，根据本公开内容的喷射套管100可限定贯穿其中的流动通道104或多个流动通道104。在示例性实施例中，如图3至5中所示,流动通道104可以是大致环形的流动通道104。在这些实施例中，将喷射套管100安装在冲击套管50或中间支承件114上的支承件106可具有合适的尺寸和形状，并且在合适的位置上，使对经流动通道104的工作流体24的流的干扰最小化，以使得流动通道104充当环形气室。因此，流经流动通道104的工作流体24可在被排放到流动通路中前在环形流动通道104内的任何部分呈环状地流动。在其它实施例中，如图6中所示，喷射套管100还可限定多个流动通道104，并且流动通道104可设置成大致环形的阵列。在这些实施例中，将喷射套管100安装在冲击套管50或中间支承件114上的支承件106可具有合适的尺寸和形状，并且在合适的位置上，为了将流动通道104彼此总体上隔离，流经流动通道104的此类工作流体24在排放到流动通路中之前不能流入另一个流动通道104。如图2中所示，流经流动通道104的工作流体24可从流动通道104排放到由流动通路44和58限定的流动通路中。该流动通路可限定轴向流动方向120(参见图5和6)。排放到流动通路中的工作流体24可沿轴向流动方向120总体上流向上游。在一些实施例中，如图2中所示，流动通道104可构造成使得流经流动通道104的工作流体24总体上沿轴向流动方向120从流动通道104排放。在这些实施例中，流动通道104的出口 122总体上沿轴向流动方向120定位，使得经出口 122排放的工作流体24总体上沿轴向流动方向120流动。在其它实施例中，如图5和6中所示，流动通道104可构造成使得流经流动通道104的工作流体24与轴向流动方向120总体上成角度124从流动通道104排放。角度124可以针对来自轴向流动方向120相对于径向的流动限定，使得成90°的角度124的流是沿总体上径向并且总体上垂直于轴向流动方向120的流。例如，在一些实施例中，角度124可处于与轴向流动方向成大约0°与大约45°之间的范围内。在这些实施例中，流动通道104的出口 122相对于轴向流动方向120定位，使得经出口 122排放的工作流体24与轴向流动方向120总体上成角度124流动。然而，应该理解的是，本公开内容并不局限于如上所述成特定角度的流动，而且相反，成任何合适角度的流动在本公开内容的范围和精神内。有利的是，工作流体24沿轴向流动方向120或与轴向流动方向成特定角度124的排放可减小流向流动通路的工作流体24引起的压降。例如，可对系统10确定角度124，其提供燃烧器14的各种构件例如燃烧器衬里40的最佳冷却，同时还使引起的压降最小化。可利用角度124如希望或需要的那样平衡和关联冷却和压降。如上所述，在示例性实施例中，流动通道104可构造成使工作流体24流向邻近燃烧器衬里40的流动通路。例如，流动通道104的出口 122可定位成使得经出口 122从流动通道104排放的工作流体24邻近燃烧器衬里40排放。在示例性实施例中，工作流体24可流向邻近燃烧器衬里40的下游端72的流动通路，从而有利地提供下游端72的附加冷却并防止或降低下游端失效的可能性。备选地，工作流体24可流向邻近燃烧器衬里40的上游部分70的流动通路。 如图2中所示，在示例性实施例中，喷射套管100可构造成用于且可进一步安装在流套管42上。例如，喷射套管100的上游端130可尺寸设置并成形为用于安装在流套管42上。当喷射套管100安装在燃烧器14中时，可使用任何合适的安装器件或装置，包括例如机械紧固件和/或焊接，将上游端130安装在流套管42上。喷射套管100安装在流套管42上可防止经流动通道104流向流动通路的工作流体24从流动通道104和流动通路逸出。本公开内容还涉及一种用于冷却燃烧器衬里40的方法。该方法可包括例如如上所述使工作流体24流经至少部分地由喷射套管100限定的流动通道104或多个流动通道104。该方法还包括如上所述将来自流动通道104或多个流动通道104的工作流体24排放到邻近燃烧器衬里40的流动通路中。因此，在示例性实施例中，本公开内容的喷射套管100和方法可允许减少和/或优化与燃烧器14的各种构件的冷却相关的压力损失。此外，本发明的喷射套管100和方法可允许燃烧器衬里40的下游端72的冷却，该下游端可能是燃烧器衬里40、燃烧器14和/或系统10总体的寿命限制构件。另外，本发明的喷射套管100和方法可允许将流套管42的下游部分用于冷却以外的用途，例如燃料向系统10的迟滞贫喷射。此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括并未不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种燃烧器(14)，包括过渡件(56)；冲击套管(50)，其至少部分地包围所述过渡件(56)并且在二者之间至少部分地限定大致环形的流动通路(44，58);以及喷射套管(100)，其安装在所述过渡件(56)或所述冲击套管(50)中的一者上并且定位成从所述冲击套管(50)径向向外，所述喷射套管(100)至少部分地限定构造成使得工作流体(24)流向所述流动通路(44，58)的流动通道(104)。
2.根据权利要求I所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述喷射套管(100)安装在所述冲击套管(50)上。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述冲击套管(50)包括前套管部分(108)，并且其中所述喷射套管(100)安装在所述前套管部分(108)上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述流动通路(44， 58)限定轴向流动方向(120)，并且其中所述流动通道(104)构造成使得流经所述流动通道 (104)的工作流体(24)以与所述轴向流动方向(120)成在大约0°与大约45°之间的范围内的角度(124)从所述流动通道(104)排放。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述流动通道(104) 是大致环形的流动通道(104)。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述喷射套管(100) 还限定多个流动通道(104)，所述多个流动通道(104)设置成大致环形的阵列。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述燃烧器(14)还包括燃烧器衬里(40)和至少部分地包围所述燃烧器衬里(40)的流套管(42)，所述燃烧器衬里(40)和流套管(42)进一步限定所述流动通路(44，58)。
8.一种用于燃烧器(14)的套管组件(102)，所述燃烧器(14)包括过渡件(56)和冲击套管(50)，所述冲击套管至少部分地包围所述过渡件(56)并且在二者之间至少部分地限定大致环形的流动通路(44，58)，所述套管组件(102)包括构造成用于安装在所述过渡件(56)上的内套管(112)；中间套管(114)，其至少部分地包围所述内套管(112)并且构造成在二者之间部分地限定所述流动通路(44，58)，所述中间套管(114)构造成用于安装在所述冲击套管(50)上； 以及安装在所述内套管(112)或所述中间套管(114)中的一者上的喷射套管(100)，所述喷射套管(100)至少部分地限定流动通道(104)，所述流动通道构造成使工作流体(24)流经其中。
9.根据权利要求8所述的套管组件(102)，其特征在于，所述喷射套管(100)安装在所述中间套管(114)上。
10.根据权利要求8-9中任一项所述的套管组件(102)，其特征在于，所述中间套管 (114)构造成用于安装在所述冲击套管(5)的前套管部分(108)上。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的套管组件(102)，其特征在于，所述流动通路 (44,58)限定轴向流动方向(120)，并且其中所述流动通道(104)构造成使得流经所述流动通道(104)的所述工作流体(24)以与所述轴向流动方向(120)成在大约0°与大约45°之间的范围内的角度(124)从所述流动通道(104)排放。
12.一种用于冷却燃烧器(14)中的燃烧器衬里(40)的方法，所述方法包括使工作流体(24)流经至少部分地由喷射套管(100)限定的流动通道(104)，所述喷射套管(100)安装在过渡件(56)或冲击套管(50)中的一者上并且定位成从所述冲击套管 (50)径向向外，所述冲击套管(50)至少部分地包围所述过渡件(56)并且在二者之间至少部分限定大致环形的流动通路(44，58)；将来自所述流动通道(104)的所述工作流体(24)排放到邻近所述燃烧器衬里(40)的所述流动通路(44，58)中。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述流动通路(44，58)限定轴向流动方向(120)，并且其中所述工作流体(24)以与所述轴向流动方向(120)成在0°与45°之间的范围内的角度(124)从所述流动通道(104)排放。
14.根据权利要求12-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述流动通道(104)是大致环形的流动通道(104)。
15.根据权利要求12-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷射套管(100)还限定多个流动通道(104)，所述多个流动通道(104)设置成大致环形的阵列。
全文摘要
公开了用于冷却燃烧器中的燃烧器衬里的方法和装置。在一个实施例中，公开了一种燃烧器。该燃烧器包括过渡件和冲击套管，该冲击套管至少部分包围过渡件并且在二者之间至少部分地限定大致环形的流动通路。该燃烧器还包括喷射套管，该喷射套管安装在过渡件或冲击套管中的一者上并且定位成从冲击套管径向向外，该喷射套管至少部分地限定构造成使工作流体流向流动通路的流动通道。在另一实施例中，公开了一种用于冷却燃烧器中的燃烧器衬里的方法。该方法包括使工作流体流经至少部分地由喷射套管限定的流动通道，并且将来自流动通道的工作流体排放到邻近燃烧器衬里的流动通路中。
文档编号F23R3/00GK102628596SQ201210031128
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月3日 优先权日2011年2月3日
发明者D·W·奇拉, P·B·梅尔顿 申请人:通用电气公司