具有断流装置的环管式燃烧布置的制作方法

具有断流装置的环管式燃烧布置的制作方法
【专利摘要】一种用于燃气轮机发动机(10)的环管式燃烧布置(12)，包括：筒形燃烧器(14)，具有位于顶端(62)的入口(46)；包围筒形燃烧器(14)的环形室(30)，用于将压缩空气流从夹层空间(18)输送至入口(46)；燃料喷射器(49)，构造成将燃料流喷射进压缩空气流中；以及断流装置(60)，包围所述筒形燃烧器(14)，并于所述燃料喷射器(49)的下游布置在所述环形室(30)中。
【专利说明】具有断流装置的环管式燃烧布置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年12月21日提交的美国临时专利申请61/578，444的权益，该临时专利申请作为引用并入本文。

【技术领域】
[0003]本发明涉及操纵压缩空气朝向具有环管式燃烧布置的燃气轮机发动机中的燃烧器入口流动。特别地，本发明涉及一种布置在包围筒形燃烧器(combustor can)的环形流室中的断流装置(flow tripping device)。

【背景技术】
[0004]具有环管式燃烧布置的燃气轮机发动机具有将压缩空气输送至燃烧布置的压缩器。压缩空气经由扩散器离开压缩器，并进入夹层空间(plenum)，燃烧布置从夹层空间抽吸压缩空气。夹层空间外部由燃烧部分壳体定界。包括多个顶帽及相关入口的顶帽布置可用作燃烧部分壳体的一部分。顶帽布置提供分立的放射状延伸室，放射状延伸室围绕相应筒形燃烧器的至少一部分。分立的筒形燃烧器供应相应且分立的转换管，转换管最终直接终止于涡轮机部分的第一排涡轮机叶片上游。每个顶帽布置由此形成相应环形室的外边界，而内边界由相应筒形燃烧器和/或转换管形成。
[0005]在典型的预混合环管式燃烧器中，引火喷嘴(pilot burner)居中地布置在筒形燃烧器中，并由对称布置的多个预混合喷嘴包围。而燃烧器的结构关于其流动轴线是对称的，由于空气从压缩器至燃烧器入口的盘旋路径，所以进入筒形燃烧器入口的压缩空气不会沿周向方向均匀分布，每个预混合喷嘴会接收不同量的压缩空气，而每个预混合喷嘴仍输送等量的燃料。结果，燃料空气比可在一个预混合喷嘴与另一个预混合喷嘴之间变化。此外，进入每个喷嘴的空气可具有变化的局部湍流。而且，这些参数可随着变化的功率输出和/或变化的环境天气条件而变化，变化的环境天气条件改变了进入压缩器的空气的密度和湿度，这影响了行进至筒形燃烧器入口的空气的空气动力学特性。
[0006]已采用各种方式来调节进入筒形燃烧器入口的空气，以适应这些因素，比如通过使用Kajita等人的美国专利4129985所公开的翼面。然而，这些方式均没有完全解决该问题。结果，在本领域仍有改进的空间。

【专利附图】

【附图说明】
[0007]参考附图在下列描述中解释本发明:
[0008]图1是具有断流装置的燃气轮机发动机的示例性实施例的部分剖面图；
[0009]图2是沿图1的截线2-2的横截面；
[0010]图3-5是在各替代实施例中，沿图2的截线3-3观看的替代横截面；
[0011]图6是图1的替代示例性实施例沿截线2-2的横截面。

【具体实施方式】
[0012]本发明人已发现了一种新方法来降低环管式燃烧器(比如可用在燃气轮机发动机中)的有害排放物。发明人已发现，置于包围筒形燃烧器和/或转换管的环形室中的周向延伸的弓形断流装置会使经过燃烧器入口的气流标准化，从而使燃烧火焰更均匀，并降低了使燃烧稳定所需的引火喷嘴火焰量，这进而降低了排放物。
[0013]图1是根据本发明的具有环管式气体燃烧布置12的燃烧轮机发动机10的示例性实施例的部分剖面图，环管式气体燃烧布置包括筒形燃烧器14和转换管16。转换管16的至少一部分布置在形成于燃烧部分壳体20内的夹层空间18内。单独的筒形燃烧器14延伸穿过燃烧部分壳体20的环形部分22，每个筒形燃烧器14由包括单独入口 26和相关顶帽28的顶帽布置24包围。顶帽布置24包围筒形燃烧器14的至少一部分，并形成环形室30，顶帽布置24的内表面25限定出环形室30的外边界32，筒形燃烧器14的外表面34限定出环形室的内边界36。环形室30的横截面不必具有完美的圆形内外边界，仅需要环形室横截面的大致形状是大致环形。而且，环形室的横截面的直径可沿压缩空气流动方向变化。
[0014]燃气轮机发动机10包括轴向压缩器40，其相对于燃气轮机发动机纵轴50沿轴向方向42输送压缩空气。扩散器44接收轴向流动的压缩空气，使压缩空气扩散，并将压缩空气输送至夹层空间18。离开扩散器的空气必须在用于燃烧过程之前就最终进入筒形燃烧器入口 46。然而，筒形燃烧器入口 46相对于燃气轮机发动机纵轴50位于扩散器出口 48的径向外部和后部(更靠近压缩器)。结果，在夹层空间18内，空气必须旋转成其相对于燃气轮机发动机纵轴50沿径向向外行进，然后向后行进。压缩空气在到达环形室30之前还必须绕空气动力学阻挡件(比如转换管16)行进。在环形室30内，也存在空气动力学阻挡件。在示例性实施例中，例如，燃烧布置12可包括设置在环形室30中的燃料喷射器49。燃料喷射器49将燃料喷射进压缩空气流中，以提供进入筒形燃烧器入口 46的预混合的燃料和空气混合物。各种其它结构式(即，管道、支柱等)空气动力学阻挡件也可存在。
[0015]由于方向改变和空气动力学阻挡件，代替在环形室30的整个圆周离开的均匀流，流动更倾向于在流率、湍流、空气密度以及来自燃料喷射器49的燃料与空气的混合程度方面变化。例如，离开扩散器出口 48的空气的动量可导致在环形室30的强流区52中流动的更多气团，而轻流区54可预见轻气团。该模式可一直继续直到筒形燃烧器入口 46。结果，与紧邻轻流区54的喷嘴56相比，紧邻强流区52的喷嘴56可接收并由此输送更大量的气团。如果周向布置的喷嘴56输送不同量的空气，又提供相同量的燃料，则燃料/空气混合物会在喷嘴之间改变，燃烧区域下游的燃烧火焰不均匀，而例如在输送更多空气的喷嘴下游更贫乏，在输送较少空气的喷嘴下游更丰富。火焰的贫乏部分可以不太稳定，因此需要引火喷嘴58更稳定的辅助。在引火喷嘴仅使用到达筒形燃烧器的总燃料的低百分比量时，高达约30-70%的排放物与引火喷嘴相关联。本发明减少了该不对称性，因此可减少排放物。
[0016]该改进通过布置在环形室30中的断流装置60获得。在一个示例性实施例中，并不意味着限制性的，断流装置60可以是环形的，并连接到燃烧器筐顶端62或燃烧器筐下游端64。在替代示例性实施例中，断流装置可以是凸缘，其将顶端62连接到下游端64。在其它示例性实施例中，断流装置60可沿环形室30的长度定位在任何位置。
[0017]断流装置60充当对气流的阻挡件，如此，其在压缩气流中产生一些压力损失。现有技术燃烧轮机发动机通常设计成在任何可能的时候避免这种压力损失，这是因为它们不利地影响发动机的整体效率。尽管产生压力损失，本发明人有目的地且创新地将断流装置60定位在该位置，发现与压力损失的小增加相比，得到的有害排放物的减少量(在一个示例性实施例中为10-20% )在商业上更有价值。
[0018]断流装置60使环形室变窄为使压缩空气可以流过的间隙70。可以看出，在图1的示例性实施例中，间隙70的轴向延伸部72不受任何空气动力学有效结构的阻挡。确切地，在示例性实施例中，顶帽布置24的内表面25不会在断流装置60和筒形燃烧器入口 46之间沿下游方向向内缩减。然而，在图1的示例性实施例中，内边界36在入口 46处的直径不会增加，而不会突伸进轴向延伸部72的区域中。
[0019]断流装置60是弓形的，并沿周向延伸。其可布置在筒形燃烧器14的外表面34上，并相对于筒形燃烧器纵轴74沿径向向外延伸。或者，其可布置在顶帽布置24的内表面25上，并相对于筒形燃烧器纵轴74沿径向向内延伸，如此，其会符合这些表面。
[0020]在示例性实施例中，断流装置可布置在环形室30内，位于筒形燃烧器14中的任何其它开口的压缩空气流下游，比如用于赫姆霍兹共振器(未示出)的开口和/或冷却开口，以及位于筒形燃烧器入口 46上游。在具有燃料喷射器49的示例性实施例中，断流装置还可以位于燃料喷射器下游。在另一示例性实施例中，断流装置60可布置成更靠近筒形燃烧器入口而不是筒形燃烧器出口。此外，当使用多个断流装置时，断流装置可相对于筒形燃烧器纵轴74位于不同位置。例如，在示例性实施例中，第二断流装置78可相对于筒形燃烧器纵轴74以及相对于环形室30中的压缩空气流布置在更上游。其还可布置在强流区52中，并可从顶帽布置24的内表面25延伸。
[0021]导致有害排放物增加的确切机理未被完全理解，本发明人不希望受特定理论的限制。然而，当使用断流装置60时，燃烧火焰更稳定，由此，需要引火喷嘴火焰的辅助量减少，从而减少排放物。考虑的一个理论是断流装置60可将更多的预混合燃料/空气引导至燃烧器中心，进而引导至引火喷嘴中，这会降低火焰的稳定性。这可由若干可能因素中的任一导致。第一因素可以是由断流装置60产生的涡流，其迫使空气沿径向向外流动，使得当空气到达转向区时，空气更多地朝向筒形燃烧器中心行进。第二因素可以是压缩空气流到燃烧器表面的粘附减少的结果。这种粘附在层流中比在湍流中更强，通过增加湍流，当流动到达转向区域时，流动不会过多地“粘住”表面，使得流动在转向中心之前进一步行进通过筒形燃烧器入口，该额外距离以及粘附到筒形燃烧器内表面的减少可能性足以允许转向流进一步沿径向向内行进到引火喷嘴。有助于“超出”筒形燃烧器入口的压缩空气的第三因素是当压缩空气穿过断流装置60和相对表面25之间的文丘里管时施加给压缩空气的增加的动量，这使压缩空气加速。还提出的理论是，在环形室中包括C级燃料喷射器的燃烧布置情况下，C级燃料和空气的预混合十分彻底，将该完全预混合的燃料/空气混合物添加到引火喷嘴自身的未完全预混合的燃料/空气混合物会有助于减少排放物。
[0022]另一理论是断流装置60可提供分类的瓶颈，导致流动绕环形室30圆周更均匀地重新分布。这又产生了进入筒形燃烧器入口的更均匀流动(沿周向)，这给每个预混合喷嘴提供更均匀的流动，提供更均匀的流动进入引火喷嘴，由此提供更均匀的火焰。因为火焰稳定性受到预混合空气-燃料混合物的最贫乏部分的限制，更均匀的火焰可允许整体混合物在稳定性限制内多少更贫乏，从而导致排放物减少。
[0023]另一理论是对于在环形室30内包括C级燃料喷射器的燃烧布置，比如环，断流装置60可在入口 46上游的压缩空气流中更均匀地混合燃料。想得到的是，这些理论中的若干可以是正确的，和/或另外其它现象在发生作用。
[0024]不管确切基础机理如何，通过断流装置60得到的更稳定的火焰要求引火喷嘴更少的帮助，由此，引火喷嘴的作用减少，喷嘴的整体排放物相应地减少。所有这些使用在环形室30内的压缩空气流中产生压降的装置来完成，压降到目前为止被认为是不需要的。由此，使用所公开的断流装置60是反直觉的。
[0025]图2示出沿图1的线2-2的横截面。可以看出，环形室30由顶帽布置24的内表面25和筒形燃烧器14的外表面35限定。在该示例性实施例中，所示断流装置60是完全环形的，在断流装置60与顶帽装置24的内表面25之间留出间隙70。在一个示例性实施例中，断流装置可从其安装进流动中的表面在至少百分之二十路线内向限定出环形室30的外表面延伸。这可以在图2的示例性实施例中可看出，其中，断流装置60沿径向向外延伸，或者第二断流装置78沿径向向内延伸。在替代示例性实施例中，断流装置可从其安装的表面在至少百分之三十路线内向限定出环形室30的另一表面延伸。在又一示例性实施例中，断流装置可从其安装的表面在至少一半路线内向限定出环形室30的另一表面延伸。
[0026]对于断流装置(比如断流装置60)是环形的且安装成其沿径向向外延伸的示例性实施例中，当断流装置60的高度为环形室高度的20%时(即，从径向内表面向外延伸百分之二十路线)，断流装置会使环形室缩小至间隙70，间隙的横截面面积不超过不具有断流装置60的环形室30的横截面面积的约85%。对于断流装置60是环形的、沿径向向外延伸且高度为环形室高度的30%的示例性实施例，断流装置会使环形室缩小至间隙70，间隙的横截面面积不超过不具有断流装置60的环形室30的横截面面积的77%。对于断流装置沿径向向外延伸、是环形的且高度为环形室高度的50%的示例性实施例，断流装置会使环形室缩小至间隙70，间隙的横截面面积不超过不具有断流装置60的环形室30的横截面面积的58%。给出的百分比仅是示例，并不是限制性的。可使用任何百分比，只要其有效地针对燃烧器入口 46恰当调节流动即可。在断流装置沿径向向内延伸的示例性实施例中，剩余间隙的面积略小于上面针对沿径向向外延伸的断流装置给出的面积，因为由沿径向向内延伸的断流装置占据的间隙70的面积会更大。
[0027]类似地，在断流装置仅在环形室30圆周的一部分范围内沿周向延伸的示例性实施例中，例如，90度或1/4圆周，环形室的布置有断流装置的部分(即，由断流装置60的端部定界的部分)，断流装置会使环形室的该部分缩小至间隙70，间隙是不具有断流装置60的环形室30的一部分。断流装置60可在不同周向位置处沿径向延伸不同量。例如，在环形实施例中，断流装置60可在强流区52中进一步沿径向延伸，得到更小的间隙70。在远离强流区52的周向位置，断流装置60可较少地延伸。如此，利用单个断流装置60可以在不同周向位置实现不同程度的断流和限流。
[0028]断流装置60沿线3-3可具有不同横截面形状，如图3-5所示，当断流装置60是凸缘时，横截面形状可类似于图3所示形状。横截面形状可以是圆的或半圆的，如图4的断流装置66的示例性实施例所示，使得断流装置基底76可固定至限定出环形室30的表面25、34任一。在图5所示的另一示例性实施例中，断流装置68可采用更具空气动力学的形状，比如轮叶形状。在特别的实施例中，断流装置68可以是泪状物的形式，如图5所示，具有位于断流装置68的燃烧器入口侧的后缘79。在图5的示例性实施例中，后缘79是凹的，但是在其它示例性实施例中，后缘79可以是凸的、平面的或可包括期望形状的任意组合以形成空气动力学轮叶形状。在本发明的范围内，考虑任何这种空气动力学形状，任何这种空气动力学形状在具有方形横截面面积的断流装置60存在期间因断流装置60的存在而在流动中产生减小的压降。
[0029]图6是替代示例性实施例的沿图1的线2-2的横截面，其中，使用若干断流装置60，每个断流装置在周向方向上是纵长的，并且每个断流装置的范围小于环形室30的全圆周，但是至少是与燃烧器圆周的单个喷嘴部分相关联的量。例如，如果沿周向布置有8个喷嘴，则每个喷嘴的周向跨度为约筒形燃烧器14的圆周的45度。那么类似地，断流装置60可跨越约45度。对于针对每个特定喷嘴使所述流转向，跨越与单个喷嘴相关联的量是特别有用的。例如，第一断流装置80可布置在强流区52中，位于来自强流喷嘴的压缩空气流上游，强流喷嘴接收来自强流区52的比较强的压缩空气流。这种定位可阻挡强流区52中的流动，并可用于在周向方向上重新分配向轻流区54的流动以及邻近强流喷嘴的喷嘴。在有多于八个喷嘴的替代示例性实施例中，断流装置60可构造成跨越小于45度。例如，如果有12个喷嘴，则断流装置可跨越1/12圆周，或30度。在有小于八个喷嘴的又一替代示例性实施例中，断流装置60可构造成跨越多于45度。例如，如果有六个喷嘴，则断流装置60可跨越1/6圆周，或60度。结果，第一断流装置80可跨越从360度除以筒形燃烧器中的喷嘴数量得到的度数至高达360度的任意度数。
[0030]第一断流装置80的端部82可沿径向和/或周向倒圆角。或者，在第二断流装置84中，端部可以是笔直的。断流装置的角部86可以是尖的或圆角的。第一和第二断流装置80、82留出比较小的间隙70’。第三断流装置88可留出更大的间隙70”，并可跨越比第一断流装置80的距离短而比第二断流装置84的距离长的周向距离。可使用横截面高度和周向长度的任意组合，比如周向位置的任意分配以及横截面形状(即，泪珠状、圆形等)的任意组合。而且，断流装置80、84、88均可相对于筒形燃烧器纵轴74布置在不同位置处。例如，在示例性实施例中，与第二断流装置84和/或第三断流装置88相比，第一断流装置80可相对于压缩空气流(即，在页面范围内)位于更上游的位置。如此，可用多个装置(每个装置发挥其自身作用)沿周向引导压缩空气流，以提供期望的净效应。可以看出，如此，环形室内的流动可以更均匀地分布在圆周周围，使得预混合喷嘴56接近同等流动，在引火喷嘴58内，流动也沿周向更加均匀。
[0031]在有周向端部82的非环形示例性实施例中，期望的是，一些空气沿周向移动，同时通过所述端部，但是当通过第一端时，周向运动沿第一方向，当通过第二端时，周向运动沿第二相反方向，与特定施加的漩涡相对，这仅是断流装置60存在的结果。
[0032]在图6的示例性实施例中，可以看出，环形室30具有三个分离的横截面部分90、92、94。每个横截面部分90、92、94由相应断流装置80、84、88的端部82定界。在示例性实施例中，在这些横截面部分90、92、94内，在装置的正上游，断流装置80、84、88占据环形室的横截面面积的至少45%。断流装置可延伸至其几乎跨越环形室30的整个距离的位置，但是总有留出些许间隙70’、70”。
[0033]鉴于前述内容，显然地，本发明人已开发出十分简单的断流装置，其制造廉价，维护成本十分低，并且提供宽范围的设计多功能性，又降低有害排放物高达16%。因此，这代表本领域中的改进。
[0034]尽管本文描述和示出了本发明的各实施例，但是，应明白，这些实施例仅以示例形式提供。在不脱离本发明的情况下，可以进行许多变型、改变和替代。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】
1.一种用于燃气轮机发动机的环管式燃烧布置，包括: 筒形燃烧器； 包围所述筒形燃烧器的环形室，用于将压缩空气流从夹层空间输送至所述筒形燃烧器的入口 ； 燃料喷射器，构造成将燃料流喷射进压缩空气流中；以及 环形断流装置，包围所述筒形燃烧器，并于所述燃料喷射器的下游布置在所述环形室中。
2.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置固定至限定出所述环形室的径向向内边界的第一表面，其中，所述断流装置在断流装置与限定出所述环形室的径向向外边界的第二表面之间限定出环形间隙。
3.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置固定至限定出所述环形室的径向向外边界的第二表面，其中，所述断流装置在断流装置与限定出所述环形室的径向向内边界的第一表面之间限定出环形间隙。
4.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置占据所述环形室的高度的至少20%。
5.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置的高度在周向方向上变化。
6.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置占据所述环形室的横截面面积的至少15%。
7.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置包括将所述筒形燃烧器的顶端部分连接至所述筒形燃烧器的尾部的凸缘。
8.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置包括具有位于所述断流装置的燃烧器入口侧的后缘的泪珠形状。
9.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置包括轮叶状横截面。
10.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置包括针对压缩空气流呈现的弯曲前缘。
11.如权利要求1所述的环管式燃烧布置，其中，所述断流装置布置成更靠近所述筒形燃烧器的入口，而不是所述筒形燃烧器的出口。
12.—种燃气轮机发动机,包括: 环管式燃烧组件，包括筒形燃烧器； 环形室，包围所述筒形燃烧器并由所述筒形燃烧器的外表面部分地限定；以及弓形断流装置，布置在环形室中，并在所述环形室的一定百分比圆周范围内沿周向延伸，其中，所述百分比至少等于360度除以筒形燃烧器中的喷嘴数量的商。
13.如权利要求12所述的燃气轮机发动机，其中，所述断流装置布置在燃料喷射器的下游，所述燃料喷射器构造成在所述环形室内产生燃料/空气混合物。
14.如权利要求12所述的燃气轮机发动机，其中，所述断流装置布置在环形室的具有比较大的压缩空气流气团的区域一侧。
15.如权利要求12所述的燃气轮机发动机，其中，所述环形室的一部分包括延伸小于360度的断流装置，所述断流装置占据所述环形室的所述部分的至少15%。
16.如权利要求12所述的燃气轮机发动机，其中，所述断流装置包括轮叶状横截面。
17.如权利要求12所述的燃气轮机发动机，还包括多个断流装置，所述多个断流装置布置在环形室中的不同位置处。
18.如权利要求17所述的燃气轮机发动机，其中，所述断流装置相对于所述筒形燃烧器的纵轴布置在不同轴向位置处。
19.如权利要求12所述的燃气轮机发动机，其中，所述断流装置限定出使压缩空气流过的间隙，并且其中，所述间隙的平行于筒形燃烧器纵轴的轴向延伸部的至少一部分在环形间隙和筒形燃烧器入口之间不受阻挡。
【文档编号】F23R3/46GK104204678SQ201280069111
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月21日
【发明者】S.P.瓦西弗, J.梅斯尔, B.贾努斯, A.科克 申请人:西门子公司