涡轮燃烧系统衬垫的制作方法

涡轮燃烧系统衬垫的制作方法
【专利摘要】一种燃烧室衬垫(41)，具有前方部分(44)和后方部分(46)。后方部分具有由管状支撑环(52)覆盖的后方轴向冷却片(62)阵列，从而在后方轴向片之间形成后方轴向沟槽(66)阵列。位于支撑环前端的入口孔(54)可允许冷却剂(37)进入后方轴向冷却片的上游端。冲击增压室(61)可正好在后方轴向片之前接收冷却剂。每个后方轴向片可包括多个轴向间隔的缓冲器(64)，其接触支撑环。位于缓冲器之间的空间或沟槽(68)提供冷却剂在沟槽之间的周向交叉流动。后方轴向沟槽可沿转换管道(28)的内壁(76)排放冷却剂，作为薄膜冷却。
【专利说明】涡轮燃烧系统衬垫
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年3月29日提交的美国申请N0.61/468674的权益，该申请的全部内容作为引用并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及燃气涡轮燃烧系统衬垫(liner)，尤其涉及燃烧室衬垫的冷却构造。
【背景技术】
[0004]常见工业燃气涡轮发动机构造利用关于发动机轴成圆形阵列的多个“筒环形(canannular) ”构造的燃烧器。相应的转换管道阵列将每个燃烧器的流出口连接到涡轮机入口。每个燃烧器具有进气口，接着是燃料喷射组件，然后是由管状衬垫封闭的燃烧室，管状衬垫通常具有双壁构造。燃烧室衬垫的尾端或下游端连接到转换管道的上游端。燃料室衬垫隔离由燃烧过程产生的极端温度、火焰和副产品，并引导得到的热工作气体经由转换管道进入发动机的润轮部分。
[0005]在使用最少冷却空气的同时保持燃烧器衬垫的温度处于设计极限内是重要的。冷却空气来自发动机的压缩器。任何转用为发动机冷却的空气减少了可用于燃烧的空气。因此，转用的压缩空气越少，发动机的效率越高。此外，用于燃烧器衬垫的薄膜冷却的压缩空气越少，工作气体被稀释得越少，这还提高了发动机效率。然而，超过燃烧器衬垫的温度极限会产生热涂敷碎裂、基本金属氧化和非期望的热气体流动路径变形，所以十分需要有效的冷却。
【专利附图】

【附图说明】
[0006]在下面描述中参考【专利附图】

【附图说明】本发明，附图中:
[0007]图1是现有技术燃气涡轮发动机的示意图；
[0008]图2是根据本发明各方面的示例性燃烧器衬垫的透视图；
[0009]图3是图2的示例性燃烧器衬垫的尾部的放大透视图；
[0010]图4是图3的尾部的部分截面图；
[0011]图5是连接到转换管道前部的图3的尾部的部分截面图；
[0012]图6是分段形成的示例性燃烧器衬垫的截面图；
[0013]图7是沿穿过形成在示例性相邻后方轴向肋上的示例性缓冲器的周向截面截取的截面图。
【具体实施方式】
[0014]本涡轮燃烧器衬垫组件的实施例结合了冷却片构造，其提高了热传递，减少了过度局部加热，提高了整体燃烧系统耐久性。其还维持热气体路径流的质量，同时降低基本金属温度，从而提高了整体燃烧系统耐久性。[0015]图1是示例性燃气涡轮发动机20的示意图，在该燃气涡轮发动机内可采用本发明的实施例。发动机20可包括压缩器22、容纳在盖组件24内的燃料喷射器、燃烧室26、转换管道28、涡轮部分30和发动机轴32，涡轮机20通过发动机轴驱动压缩器22。尽管本发明的实施例可构造成与其它类型的燃烧器设备一起运行，但是若干燃烧器组件24、26、28可布置成已知为筒形设计的圆形阵列。在操作时，压缩器22吸入空气33，并经由扩散器34和燃烧器增压室(plenum) 36给燃烧器入口 23提供压缩空气流37。扩散器34和增压室36可绕发动机轴32环状地延伸。压缩空气37还充当用于燃烧室26和转换部件或转换管道28的冷却剂。容纳在盖组件24内的燃料喷射器将燃料与压缩空气混合。该混合物在燃烧室26中燃烧，产生热燃烧气体38 (还称为工作气体)，热燃烧气体穿过转换管道28经由转换管道的出口框架40与涡轮机入口 29之间的密封连接到达涡轮机30。燃烧器增压室36中的压缩气流37的压力比燃烧室26和转换管道28中的工作气体38的压力高。
[0016]图2是具有前端41、前方部分44和后方部分46的燃烧器衬垫41的透视图。燃烧器衬垫41可由已知材料制成，比如镍铬钛合金263，并可具有施加到燃烧侧的保护涂层，比如APS热障涂层(TBC)。燃烧器衬垫41沿其包括前端42和后方部分46以及前方部分44的长度可具有多种横截面，前端和后方部分均是具有不同直径的大致柱形，前方部分大致锥形地将前端42和后方部分46连接在一起。
[0017]在本文中，“前方”和“后方”分别指的是相对于燃烧气体流48的“上游”和“下游”。燃烧器衬垫41可形成界定燃烧室和燃烧气体流路径48的双壁壳体的内壁。衬垫的上游或前端42附接到盖组件24。前方部分44的外表面可具有轴向延伸或轴向冷却肋或片50的前方阵列，其在前方部分44的长度范围内延伸，位于轴向冷却片50阵列内的每个单独片具有锥形的前方端和后方端。在一实施例中，轴向冷却片50阵列在前方部分44的整个长度范围内延伸，位于阵列内的单独片绕前方部分44的所有或部分圆周延伸并沿周向等距间隔开。
[0018]位于阵列内的每个轴向冷却片50以及下面公开的轴向冷却片62阵列的高度、宽度、长度和几何横截面可以是均匀的，或者它们可以根据燃烧器衬垫41的设计标准和/或性能要求而改变。例如，本发明的发明人已确定，轴向冷却片50、62的阵列的尺寸可根据a)燃烧器衬垫41的寿命(蠕变是主要考虑因素)、b)燃烧器衬垫41温度(TBC在高温下会碎裂或氧化)、c)动力学考虑因素(燃烧器衬垫41的重量会影响振动和与其它部件的连接负载)、以及d)可制造性而做成。此外，位于轴向片50、62阵列内的每个片的高度可根据燃烧器衬垫41的各部分所需的冷却量而确定。然而,轴向片50、62阵列内的每个片的高度越高，则燃烧器衬垫41变得越重。
[0019]本发明的实施例可包括位于前方部分44上的轴向冷却片50阵列内的单独片，其具有处于约0.150英寸和0.010英寸范围内的高度，在一个示例性实施例中，具有大约
0.050英寸的高度。此外，位于轴向冷却片50阵列内的每个片的宽度可根据它们之间的恒定间隔以及前方部分44的锥形形状而沿轴向改变。位于轴向冷却片50阵列内的单独片的示例性宽度可以处于约0.186英寸和0.109英寸的范围内。位于轴向冷却片50阵列内的单独片之间的间隔或沟槽51可以处于约0.100英寸和0.375英寸的范围内。沟槽51的该范围是期望的，以避免位于前方部分44外表面上的轴向冷却片50阵列内的单独片之间的热点。在示例性实施例中，沟槽51沿前方部分44的长度具有约0.153英寸的大致恒定宽度。该实施例产生位于轴向冷却片50阵列内的170个单独片，它们绕前方部分44的整个圆周均匀地间隔开，在前方部分44的中部或邻近中部，单独片和沟槽51的宽度设定为大约1:1的比例。
[0020]再次参见图2，燃烧器衬垫41的尾部46包括轴向延伸或轴向冷却片62的后方阵列(在该视图中不可见)，其可在后方部分46的长度范围内延伸，并由支撑环52覆盖。在实施例中，轴向冷却片62的阵列在尾部46的整个长度范围内延伸，位于该阵列内的单独片绕尾部46的所有或部分圆周延伸并沿周向等距间隔开。位于该阵列内的每个轴向冷却片62的高度、宽度、长度和几何横截面可如上面相对于位于前方部分44外表面上的轴向片50阵列内的片所述那样形成。燃烧器衬垫41的尾部46连接到转换管道28。
[0021]冷却剂37可沿燃烧器衬垫41的外表面向前流动，如图2所示。支撑环52的前方端可包括入口孔54或类似结构，其允许冷却空气37进入形成在位于后方轴向冷却片62阵列内的单独片之间的空间或沟槽66，如图3最清楚所示。然后，这部分冷却剂从后方轴向片62的下游端58在57处涌入转换管道28，如图5最清楚所示。大部分或一些冷却剂37可在上游继续通过支撑环入口孔54，以对流地冷却轴向冷却片50的前方阵列。额外的冷却剂可从位于燃烧室外壁的冲击孔添加到该流动中。
[0022]图3是移除了支撑环52的燃烧器衬垫41的尾部46的放大透视图。后方轴向片62的后方阵列是可见的，每个可包括缓冲器64，当放置在尾部46上时，缓冲器64可接触支撑环52。一冲击增压室61可设置成邻近后方轴向冷却片62阵列，并位于后方轴向冷却片62前方。空气37进入孔54，并在沿向后方向流动前冲击在该增压室61中的后方衬垫46，以对流地冷却后方轴向冷却片62阵列。该增压室61增加了冲击的有效性，并增加了冷却剂37在形成于后方轴向冷却片62阵列内的单独片之间的空间或沟槽66上的均匀性。
[0023]本发明的实施例可包括位于后方部分46上的轴向冷却片62阵列内的单独片，其具有处于约0.150英寸和0.010英寸范围内的高度，在一个示例性实施例中，则具有大约
0.034英寸的高度。位于轴向冷却片62阵列内的单独片沿后方部分46的长度的示例性宽度可以是恒定的大约0.117英寸。位于轴向冷却片62阵列内的单独片之间的间隔或沟槽66可以处于约0.100英寸和0.375英寸的范围内，在示例性实施例中则为0.118英寸。沟槽66的该范围是期望的，以避免位于后方部分46外表面上的轴向冷却片62阵列内的单独片之间的热点。该实施例产生位于轴向冷却片62阵列内的186个单独片，它们绕后方部分45的整个圆周均匀地间隔开。该实施例还可包括具有大约0.044英寸高度的各缓冲器64。
[0024]轴向冷却片50的前方阵列和/或冷却片62的后方阵列可沿轴向笔直地延伸，具有处于所有尺寸的平滑表面，以避免在燃烧器衬垫41外表面区域上形成湍流或使湍流最少。该特征是有利的，因为其减少了冷却剂37在通过片50、62时的压力下降，这还可通过使用常规湍流器来实现。形成在后方轴向冷却片50、62的前方和/或阵列内的片之间的空间或沟槽51、66可沿轴向笔直地延伸，并具有因基于相同原因而没有湍流器的平滑外表面。后方保持器唇口 68可设置成当放置在尾部46上时保持支撑环52。
[0025]对于在平板上流动的空气的非扩张热传递(un-augmented heat transfer),使用轴向冷却片50、62的一个或两个阵列的优点是:单独片提供冷却空气37可在其上流动的增加了的表面区域，而不需要用于冲击冷却的额外硬件或者使易燃空气膨胀的薄膜孔阵列。使用冷却片50、62的非湍流轴向延伸阵列和形成在其间的表面区域或沟槽51、66的一个优点是:它们与具有湍流的情况相比，在冷却剂37流中产生较少的压力损失，从而在燃烧器衬垫41的表面上维持较高的冷却剂压力。
[0026]图4是沿与涡轮机轴线相交的轴向延伸平面截取的燃烧器衬垫41的尾部46的部分截面图。本领域已知的环形弹簧密封件60可附接到支承环52，并围绕支撑环52，以与图5所示的转换管道28的内壁76连接。后方轴向片62显示为具有接触支撑环52的缓冲器64。轴向片62可通过在燃烧器衬垫41的尾部46中机加工出轴向沟槽66而形成。轴向地形成在缓冲器64之间的间隙68允许冷却剂37在片62之间沿周向交叉流动。这些间隙68可通过在燃烧器衬垫41的后部46中机加工出周向沟槽70而形成。周向沟槽70可比轴向沟槽66浅，或者它们可以基本平齐地形成。后方保持器唇口 68可设置在每个后方轴向片61上，以根据支撑环组装到衬垫41后部46的方法而保持支撑环52。
[0027]图5是沿图4相同平面截取的燃烧室26的尾部的部分截面图。燃烧室26的尾部可连接到转换管道28的前方部分。燃烧室26包括外壁72和内壁或燃烧器衬垫41，转换管道28包括外壁74和内壁76。转换管道28的内壁76可在本领域已知的环形弹簧密封件60上滑动，并压缩该环形弹簧密封件。
[0028]冷却空气37可经由本领域已知的其中的入口和/或冲击孔(未示出)进入通过外壁72、74。冷却剂37可沿向前方向与工作气体流48相反地流动。一部分冷却剂37进入支撑环52中的孔54，然后在后方轴向片62之间向后流动。至少一部分冷却剂37在沟槽66的出口 58排出57，在出口处，其给转换管道28的内壁76的内表面提供薄膜冷却。该构造使冷却剂37的利用率最大，从而使得用于防止燃烧器衬垫41的尾部46和环形弹簧密封件60过热所需的冷却剂37的量最小。
[0029]图6是沿图4相同平面截取的燃烧器衬垫41的实施例的截面图，燃烧器衬垫41由前方锥形区段44A、中间锥形区段44B和后方柱形区段46组装而成。这三个区段可通过焊缝78或其它装置以所示顺序互相连接。轴向冷却片50的前方阵列形成为两个位于相应两个锥形区段44A、44B上的阵列50A、50B。这种分段式锥体构造的益处是:较小的子组件更加实用，并且制造、存储、运输和操作起来比单个一体锥体44或燃烧器衬垫41便宜。此夕卜，每个区段44A、44B、46的合金或其它参数可专门用于它们在燃烧流上的相应位置。
[0030]图7是沿穿过示例性相邻后方轴向肋62的缓冲器64的周向截面截取的图3所示燃烧器衬垫41的尾部46的截面图。如该视图所示，冷却剂37可在相邻沟槽66之间沿沟槽66轴向流动和/或采取随机交叉流动路径，以改进对尾部46的冷却。
[0031]尽管本文中显示并描述了本发明的各实施例，但是应明白，这种实施例仅以示例的形式给出。在不脱离本发明的情况下可以进行许多变形、修改和替代。相应地，本发明仅由所附权利要求的精神和范围限制。
【权利要求】
1.一种涡轮燃烧室衬垫，包括: 前方壁部分，具有第一外表面； 后方壁部分，与前方壁部分连接，所述后方壁部分具有第二外表面；以及 轴向冷却片的第一阵列，形成在第一外表面和第二外表面中的至少一个上。
2.如权利要求1所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括: 轴向冷却片的第一阵列沿涡轮燃烧室衬垫的纵向轴线笔直地形成，并绕所述至少一个第一外表面和第二外表面的圆周间隔开，轴向冷却片的第一阵列不具有湍流器。
3.如权利要求2所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括位于轴向冷却片的第一阵列内的片，所述片由不具有湍流器的相应沟槽隔开。
4.如权利要求3所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括: 轴向冷却片的第一阵列形成在第一外表面上； 轴向冷却片的第二阵列，形成在第二外表面上，轴向冷却片的第二阵列沿涡轮燃烧室衬垫的纵向轴线笔直地形成，并绕第二外表面的圆周间隔开，轴向冷却片的第二阵列不具有湍流器；以及 柱形支撑环，覆盖轴向冷却片的第二阵列，柱形支撑环包括多个围绕前方端的入口孔，以允许冷却剂进入形成在轴向冷却片的第二阵列内的轴向冷却片之间的沟槽中。
5.如权利要求4所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括形成在柱形支撑环和第二外表面之间位于轴向冷却片的第二阵列前方的冲击增压室，其中，所述多个入口孔允许冷却剂进入冲击增压室，然后冷却剂流进形成在轴向冷却片的第二阵列内的片之间的沟槽中。·
6.一种涡轮燃烧室衬垫，包括: 管状壁，具有前方部分和后方部分； 轴向冷却片的第一阵列，形成在后方部分的外表面上； 多个相应沟槽，形成在轴向冷却片的第一阵列内的冷却片之间； 管状支撑环，覆盖轴向冷却片的第一阵列； 多个冷却剂入口孔，形成在管状支撑环的前方端内，以允许冷却剂进入轴向冷却片的第一阵列和多个相应沟槽中；以及 其中轴向冷却片的第一阵列和所述多个相应沟槽沿管状壁的纵向轴线笔直地形成，并包括不具有湍流器的平滑表面。
7.如权利要求6所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括形成在轴向冷却片的第一阵列上的多个轴向间隔的缓冲器，所述缓冲器支撑所述管状支撑件，其中，每个所述多个相应沟槽的后方端敞开以排放冷却剂。
8.如权利要求7所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括形成在多个轴向间隔的缓冲器之间的多个周向沟槽，其中所述多个周向沟槽比所述多个相应沟槽浅。
9.如权利要求6所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括: 轴向冷却片的第二阵列，形成在前方部分的外表面上；以及 其中轴向冷却片的第二阵列沿管状壁的纵向轴线笔直地形成，并包括不具有湍流器的平滑表面。
10.如权利要求9所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括形成在管状支撑环和后方部分的前方端之间的冲击增压室，其中所述多个冷却剂入口孔允许冷却剂进入冲击增压室，然后冷却剂在所述多个相应沟槽上流动。
11.如权利要求10所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括具有前方端的转换管道，所述前方端围绕并密封在管状支撑环上，其中所述多个相应沟槽的后方端邻近转换管道内表面敞开，使得当从所述多个沟槽排放冷却剂时，冷却剂对转换管道的内表面提供薄膜冷却。
12.如权利要求6所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括形成为前方锥形管状区段的前方部分、中间锥形管状区段以及形成为后方柱形管状区段的后方部分。
13.如权利要求6所述的涡轮燃烧室衬垫，还包括: 轴向冷却片的第一阵列，绕后方部分的圆周延伸； 轴向冷却片的第二阵列，形成在前方部分的外表面上并绕前方部分的圆周延伸，轴向冷却片的第二阵列沿管状壁的纵向轴线笔直地形成，并包括不具有湍流器的平滑表面；以及 冲击增压室，形成在管状支撑环与后方部分的前方端之间，其中冷却剂可以流过所述多个冷却剂入口孔，进入冲击增压室，并在所述多个相应沟槽上流动，使得冷却剂离开后方部分的下游端。
14.一种涡轮燃烧室部分,包括: 外表面，限定出所述部分的圆周； 多个轴向冷却片，形成在外表面上，所述多个轴向冷却片基本平行于所述部分的纵向轴线延伸并包括不具有湍流器的平滑表面；以及 多个纵向沟槽，形成在所述多个轴向冷却片的一些之间，所述多个纵向沟槽包括不具有湍流器的平滑表面，由此，冷 却剂在外表面上流动，对流地冷却所述部分。
15.如权利要求14所述的涡轮燃烧室部分，还包括: 多个缓冲器，形成在所述多个轴向冷却片的一些上； 支撑环，固定在所述多个轴向冷却片和所述多个纵向沟槽上，所述多个缓冲器的至少一部分具有足以支撑支撑环的高度；以及 周向沟槽，形成在所述多个缓冲器的一些之间，由此，冷却剂可以既沿所述多个纵向沟槽轴向地流动又在所述多个纵向沟槽之间穿过周向沟槽而周向地流动。
16.如权利要求15所述的涡轮燃烧室部分，还包括形成为比所述多个纵向沟槽浅的周向沟槽。
17.如权利要求15所述的涡轮燃烧室部分，还包括具有前方端的转换管道，所述前方端围绕并密封在支撑环上，其中所述多个纵向沟槽中的每个的后方端邻近转换管道内表面敞开，以对内表面进行薄膜冷却。
18.如权利要求17所述的涡轮燃烧室部分，还包括: 冲击增压室，形成在支撑环的前方端和外表面的前方端之间；以及多个冷却剂入口孔，形成在冲击增压室上方，由此冷却剂可以流过所述多个入口孔，进入冲击增压室，给外表面的前方端提供冷却空气。
19.如权利要求14所述的涡轮燃烧室部分，还包括: 多个缓冲器，形成在所述多个轴向冷却片中的一些上； 支撑环，固定在所述多个轴向冷却片和所述多个纵向沟槽上，所述多个缓冲器的至少一部分具有足以支撑该支撑环的高度；周向沟槽，形成在所述多个缓冲器的一些之间，由此，冷却剂可以既沿所述多个纵向沟槽轴向地流动又在所述多个纵向沟槽之间穿过周向沟槽而周向地流动； 冲击增压室，形成在支撑环的前方端和外表面的前方端之间；以及多个冷却剂入口？L，形成在冲击增压室上方，由此，冷却剂可以流过所述多个入口孔，进入冲击增压室，给外表面的前方端提供冷却空气。
20.如权利要求19所述的涡轮燃烧室部分，还包括具有前方端的转换管道，所述前方端围绕并密封在支撑环上，其中每个所述多个纵向沟槽的后方端邻近转换管道内表面敞开，以对内表面进行薄膜冷 却。
【文档编号】F23R3/00GK103547866SQ201280024473
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年3月14日 优先权日:2011年3月29日
【发明者】A.R.纳库斯, N.塞里恩, J.普拉, K.内格朗-桑切斯 申请人:西门子能量股份有限公司