专利名称：用于减小燃烧器中的热应力的燃烧器和方法
技术领域：
本发明大体上包含一种诸如可结合到燃气涡轮或其它涡轮机中的燃烧器，以及一种用于减小燃烧器中的热应力的方法。
背景技术：
燃烧器普遍用于在工业和功率生成操作中点燃燃料以产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮和其它涡轮机典型地包括用以生成功率或推力的一个或多个燃烧器。用于生成电力的典型燃气涡轮包括位于前部的轴向压缩机、位于中部周围的一个或多个燃烧器和位于后部的涡轮。环境空气可被供应至压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和静止导叶逐渐向工作流体(空气)赋予动能，以产生处于高度赋能状态下的压缩工作流体。压缩工作流体流经压缩机排出压室，并且连接至压缩机排出压室上的外壳容纳压缩工作流体并且引导其通过各燃烧器中的一个或多个喷嘴。喷嘴使压缩工作流体与燃料混合并且将混合物喷射到燃烧室中，在燃烧器中混合物点燃而生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体经过渡件流向涡轮，在涡轮中燃烧气体膨胀而做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接至发电机上的轴旋转而发电。在许多燃烧器中，容纳燃烧气体并且弓I导其通过燃烧器的外壳可包括结合在一起的多个环形区段以周向地包围燃烧器。这样，多个环形区段至少部分地限定燃烧器内部的容积，并且压缩工作流体可在燃烧室周围流动以在流经喷嘴并流入燃烧室前从燃烧室的外侧去除热。随着压缩工作流体流经燃烧器内部的容积，在外壳的多个环形区段之间的接合部或连接部可暴露于相当大的热梯度。在接合部或连接部处的热梯度进而形成相关的热应力，其弱化接合部或连接部和/或形成通过接合部或连接部的热或流量损失。可通过使用更耐热的材料、较大的螺栓和/或较高的扭矩来提高接合部或连接部的强度；但是，这些方案中的每一个一般都增加了外壳的成本和/或复杂性。因此，一种改进的用于减小燃烧器中的热应力的燃烧器和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下说明中进行论述，或可从本说明而变得显而易见，或可通过实施本发明来了解。本发明的一个实施例是一种燃烧器，其包括端盖和与端盖相邻的第一环形外壳，其中端盖和第一环形外壳至少部分地限定燃烧器内部的容积。在第一环形外壳上游的第二环形外壳周向地包围燃烧室的至少一部分，其中在第一环形外壳与第二环形外壳之间存在连接部。流动套筒周向地包围燃烧室，以在流动套筒与燃烧室之间限定环形通路。该燃烧器还包括用于将第一环形外壳的至少一部分与流经环形通路的工作流体隔离的装置。本发明的另一实施例是一种燃烧器，其包括第一环形外壳和在第一环形外壳的上游的第二环形外壳，该第二环形外壳周向地包围燃烧室的至少一部分，其中在第一环形外壳与第二环形外壳之间存在接合部。流动套筒周向地包围燃烧室以在流动套筒与燃烧室之间限定环形通路，并且第一环形外壳内侧的环形屏障(shield)在接合部的下游延伸并且防止流经环形通路的工作流体与第一环形外壳的至少一部分接触。本发明还可包括一种用于减小在燃烧器中的热应力的方法，其包括使来自压缩机的工作流体经燃烧室与流动套筒之间的环形通路流入燃烧器的内部，使流经环形通路的工作流体免于与在第一环形外壳与在第一环形外壳上游的第二环形外壳之间的接合部的至少一部分接触，以及使流经环形通路的工作流体免于与在接合部的下游的第一环形外壳的至少一部分接触。
本发明的完整且能够实现的公开内容、包括其对本领域技术人员来说的最佳模式，在说明书的剩余部分、包括对附图的说明中更具体地论述，在附图中:
图1是可结合本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮的简化截面 图2是根据本发明的第一实施例的图1中所示的燃烧器的扩大侧视和局部截面 图3是根据本发明的第一实施例的图2中所示的用于隔离的装置的透视 图4是根据本发明的第二实施例的图1中所示的燃烧器的扩大侧视和局部截面 图5是根据本发明的第二实施例的图4中所示的用于隔离的装置的透视 图6是根据本发明的第三实施例的图1中所示的燃烧器的扩大侧视和局部截面图；以
及
图7是根据本发明的第三实施例的图6中所示的用于隔离的装置的透视图。部件列表 10燃气涡轮 12压缩机
14燃烧器 16涡轮
18转子 20发电机 22工作流体 24静止导叶 26旋转叶片 28压缩机外壳 30排出压室 32燃烧器外壳 34燃料喷嘴 36端盖 38燃烧室 40过渡件 42定子 44 动叶 50容积 52衬套 54流动套筒 56环形通路 60第一环形外壳 62第二环形外壳 64螺栓
66连接部或接合部 70凸缘 72燃料通路 74燃料端口
76第一稀释剂(diluent)通路 78第二稀释剂通路 80环形屏障 82环形容积 84 泄流孔(weep hole)
86直径 88导流部
90沿第一环形外壳的点(point)。
具体实施例方式现将详细参考本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。已在附图和描述中使用同样或相似的标号来指代本发明的同样或相似的零件。如文中所用，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地用来将一个构件与另一构件进行区分且并未意图表示各个构件的位置或重要性。此外，用语“上游”和“下游”指的是构件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从构件A流向构件B，则构件A在构件B的上游。相反地，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B在构件A的下游。以解释本发明而非限制本发明的方式来提供每个实例。事实上，对本领域技术人员来说将显而易见的是，可在本发明中做出改型和变型而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。因此，本发明旨在涵盖诸如落入所附权利要求以及它们的等同布置的范围内的此类改型和变型。本发明的各种实施例包括一种燃烧器和一种用于减小在燃烧器中的热应力的方法。该燃烧器一般包括具有结合在一起的多个区段以周向地包围燃烧器的至少一部分的环形外壳。流动套筒周向地包围燃烧室以在流动套筒与燃烧室之间限定环形通路。环形屏障或其它装置在环形外壳的内部周向地延伸，以防止流经环形通路的工作流体与环形外壳的至少一部分接触。尽管出于说明的目的而一般地将在结合到燃气涡轮中的燃烧器的背景中描述本发明的示例性实施例，但本领域技术人员将易于了解的是，本发明的实施例可适用于任何燃烧器并且不局限于燃气涡轮燃烧器或其它涡轮机，除非在权利要求中明确地指出。图1提供了可结合本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮10的简化截面图。如图所示，燃气涡轮10 —般可包括位于前部的压缩机12、围绕中部径向地配置的一个或多个燃烧器14和位于后部的涡轮16。压缩机12和涡轮16典型地共有连接至发电机20上的共同转子20以产生电力。压缩机12可以是轴流式压缩机，其中诸如环境空气的工作流体22进入压缩机12并且穿过定子导叶24和旋转叶片26的交替的级。压缩机外壳28在定子导叶24和旋转叶片26加速工作流体22并且重新定向工作流体22时容纳工作流体22，以产生压缩工作流体22的连续流。大多数压缩工作流体22经压缩机排出压室30流向燃烧器14。燃烧器14可以是本领域中已知的任何类型的燃烧器。例如，如图1中所示，燃烧器外壳32可周向地包围一部分或全部燃烧器14以容纳从压缩机12流来的压缩工作流体
22。一个或多个燃料喷嘴34可径向地布置在端盖36中，以在燃烧喷嘴34的下游向燃烧室38供应燃料。可能的燃料包括例如高炉气、焦炉气、天然气、气化的液化天然气(LNG)、氢气和丙烷中的一种或多种。压缩工作流体22可在到达端盖36并且逆转方向而流经燃料喷嘴34以与燃料混合前从压缩机排出压室30沿燃烧室38的外侧流动。燃料与压缩工作流体22的混合物流入燃烧室38中，在燃烧室中其点燃而产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体经过渡件40流向涡轮16。涡轮16可包括定子42和旋转动叶44的交替的级。第一级定子42将燃烧气体重新定向并且集中在第一级涡轮动叶44上。当燃烧气体经过第一级涡轮动叶44时，燃烧气体膨胀，从而使涡轮动叶44和转子18旋转。燃烧气体然后流向下一级定子42，其将燃烧气体重新引导至下一级旋转涡轮动叶44，并且对后面的级重复该过程。图2提供了根据本发明的第一实施例的图1中所示的燃烧器14的扩大侧视图和局部截面图。如图所示，燃烧器外壳32和端盖36在燃烧器14的内部限定容积50，其也被称为头端，并且衬套52周向地包围并限定燃烧室38的至少一部分。流动套筒54可周向地包围燃烧室38的至少一部分以在流动套筒54与衬套52之间限定环形通路56。这样，工作流体22可流经环形通路56，以向衬套24提供对流冷却。当工作流体22到达头端或容积50时，工作流体22逆转方向而流经一个或多个燃料喷嘴34并流入燃烧室38。燃烧器外壳32可包括有利于装配和/或在运转期间适应热膨胀的多个环形区段。例如，如在图2中所示的特定实施例中所示，燃烧器外壳32可包括与端盖36相邻的第一环形外壳60和在第一环形外壳60的上游的第二环形外壳62。夹具、焊缝和/或多个螺栓64可周向地包围燃烧器14以在第一环形外壳60与第二环形外壳62之间提供连接部或结合部66。在特定实施例中，凸缘70可在第一环形外壳60与第二环形外壳62之间径向地延伸，并且凸缘70可包括提供经连接部66的流体连通的一个或多个内部流体通路。例如，凸缘70可包括燃料通路72，其提供穿过第一环形外壳60与第二环形外壳62的流体通道，因此燃料可流经四元(quaternary)燃料端口 74以与流入容积50的工作流体22混合。可替代地，或者另外，凸缘70可包括第一稀释剂通路76，其提供用于工作流体22在流入燃烧室38前流入燃料喷嘴34或者在燃料喷嘴34周围流动的流体通道。随着工作流体22流经环形通路56并流入燃烧器14内的容积50，工作流体22可形成跨越第一环形外壳60与第二环形外壳62之间的连接部66的相当大的热梯度。如果不加以隔离，则热梯度可能形成使第一环形外壳60扭曲、弱化连接部66、和/或形成通过连接部66的热或流量损失的热应力。因此，本发明的各种实施例包括用于将第一环形外壳60的至少一部分与流经环形通路56的工作流体22隔离的装置。如文中所用，该装置的功能包括防止流经环形通路56的工作流体22与第一环形外壳60的至少一部分直接接触。在特定实施例中，该装置还可防止流经环形通路56的工作流体22与整个第一环形外壳66和/或连接部66的至少一部分直接接触。通过防止流经环形通路56的工作流体22与第一环形外壳60的至少一部分直接接触，该装置可减小跨越第一环形外壳60的热传递系数，这随即减小了通过第一环形外壳60的热损失。此外，该装置可产生跨越燃烧器外壳32的大致等温曲线，这大大减少了燃烧器外壳32的扭曲，从而提高了连接部66的牢固性。用于将第一环形外壳60的至少一部分与工作流体22隔离的装置的结构可以是插件或环形屏障80，并且图3提供了图2中所示的环形屏障80的透视图。在图2和图3中所示的特定实施例中，环形屏障80在容积50的内部从在第一环形外壳60与第二环形外壳62之间的连接部66延伸至端盖36。环形屏障80可压配合、螺栓连接或以其它方式连接至端盖36、第一环形外壳60或径向地延伸的凸缘70中的一个或多个上。这样，环形屏障80至少部分地在环形屏障80与第一环形外壳60之间限定环形容积82，其防止流经环形通路56的工作流体22与第一环形外壳60的任何部分直接接触。穿过凸缘70的第二稀释剂通路78和环形屏障中的泄流孔84可提供用于在环形通路56的外侧流动以连续清洗环形容积82的工作流体22的一部分的流体通道。此外，环形屏障80可限定直径86，其随着环形屏障80在连接部或接合部66的下游延伸而减小，以引导工作流体22并减小工作流体22在头端50内的低流量区域。图4提供了根据本发明的第二实施例的燃烧器14的侧视图，且图5提供了根据本发明的第二实施例的图4中所示的用于将第一环形外壳60的至少一部分与工作流体22隔离的装置的透视图。与图2和3中所示的上述实施例中一样，环形屏障80同样在容积50的内部从在第一环形外壳60与第二环形外壳62之间的连接部66延伸至端盖36，以防止流经环形通路56的工作流体22与第一环形外壳60的任何部分直接接触。此外，由环形屏障80限定的直径86同样随着环形屏障80在连接部或接合部66的下游延伸而减小，以引导工作流体22并且减小工作流体22在头端50内的低流量区域。在图4和图5中所示的特定实施例中，环形屏障80限定在连接部或接合部66的下游轴向地延伸的多个导流部88。导流部88径向地分离头端50中的工作流体22流，以改善流入燃料喷嘴34的工作流体22的分布。导流部88可以是环形屏障80中的直的或成角度的特征。可替代地，如在图5中最清楚地示出的，导流部88可以是围绕环形屏障88的圆周以特定间隔形成在环形屏障80中的弓形表面。图6提供了根据本发明的第三实施例的燃烧器14的侧视图，且图7提供了根据本发明的第三实施例的图6中所示的用于将第一环形外壳60的至少一部分与流经环形通路56的工作流体22隔离的装置的透视图。在图6和图7中所示的特定实施例中，环形屏障80在容积50的内部从在第一环形外壳60与第二环形外壳62之间的连接部66延伸至沿第一环形外壳60的点90。环形屏障80可压配合、螺栓连接或以其它方式连接至第一环形外壳60或径向地延伸的凸缘70中的一个或多个上。这样，在环形屏障80与第一环形外壳60之间的环形容积82防止了流经环形通路56的工作流体22与第一环形外壳60的一部分直接接触。此外，由环形屏障80限定的直径86可随着环形屏障80在连接部或接合部66的下游延伸而增大，以缓和由环形屏障80造成的头端容积50的减小。结果，头端容积50允许工作流体22在流经燃料喷嘴34前与经燃料端口 74喷射的燃料之间的充分混合。图1-7中所示的各种实施例还可提供一种用于减小在燃烧器14中的热应力的方法。该方法可包括使工作流体22从压缩机12经在燃烧室38与流动套筒54之间的环形通路56流入燃烧器14内，从而使流经环形通路56的工作流体22免于与接合部66的至少一部分和/或第一环形外壳60在接合部66下游的至少一部分接触。在特定实施例中，该方法还可包括使流经环形通路56的工作流体22免于与整个第一环形外壳60接触和/或引导工作流体22通过将工作流体22分配到燃烧器14内的导流部86。此书面描述使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，并且还使本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何器件或系统并且执行任何合并的方法。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所想到的其它实例。如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者它们包括与权利要求的字面语言无实质性区别的等同结构元件，则此类其它实例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种燃烧器，包括: a.端盖； b.与所述端盖相邻的第一环形外壳，其中，所述端盖和所述第一环形外壳至少部分地限定所述燃烧器内的容积； c.在所述第一环形外壳的上游的第二环形外壳，其中，所述第二环形外壳周向地包围燃烧室的至少一部分； d.在所述第一环形外壳与所述第二环形外壳之间的连接部； e.流动套筒，其周向地包围所述燃烧室，以在所述流动套筒与所述燃烧室之间限定环形通路；以及 f.用于将所述第一环形外壳的至少一部分与流经所述环形通路的工作流体隔离的装置。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，用于隔离的所述装置在所述容积内从在所述第一环形外壳与所述第二环形外壳之间的连接部延伸至所述端盖。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，用于隔离的所述装置在所述容积内从在所述第一环形外壳与所述第二环形外壳之间的连接部延伸至沿所述第一环形外壳的点。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，还包括在所述第一环形外壳与所述第二环形外壳之间径向地延伸的凸缘。
5.根据权利要求4所述 的燃烧器，其特征在于，用于隔离的所述装置连接至所述端盖、所述第一环形外壳或所述径向地延伸的凸缘中的至少一个。
6.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，还包括位于在所述第一环形外壳与所述第二环形外壳之间径向延伸的凸缘内的流体通路。
7.根据权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，所述流体通路提供进入所述容积内的流体连通。
8.一种燃烧器，包括: a.第一环形外壳； b.在所述第一环形外壳的上游的第二环形外壳，其中，所述第二环形外壳周向地包围燃烧室的至少一部分； c.在所述第一环形外壳与所述第二环形外壳之间的接合部； d.流动套筒，其周向地包围所述燃烧室，以在所述流动套筒与所述燃烧室之间限定环形通路；以及 e.在所述第一环形外壳内的环形屏障，其中，所述环形屏障在所述接合部的下游延伸并且防止流经所述环形通路的工作流体与所述第一环形外壳的至少一部分接触。
9.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述环形屏障在所述接合部的下游连接至所述第一环形外壳上，以至少部分地限定所述燃烧器内的容积。
10.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述环形屏障在所述燃烧器内限定在所述接合部下游的减小的直径。
11.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述环形屏障在所述燃烧器内限定在所述接合部下游的增大的直径。
12.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述环形屏障限定在所述接合部的下游轴向地延伸的多个导流部。
13.根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，所述导流部是弓形的。
14.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，还包括在所述第一环形外壳下游的端盖，其中，所述环形屏障连接至所述端盖上以至少部分地限定所述燃烧器内部的容积。
15.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，还包括在所述第一环形外壳与第二环形外壳之间径向地延伸的凸缘。
16.根据权利要求15所述的燃烧器，其特征在于，所述环形屏障连接至所述第一环形外壳或所述径向地延伸的凸缘中的至少一个上。
17.根据权利要求15所述的燃烧器，其特征在于，还包括位于在所述第一环形外壳与所述第二环形外壳之间径向延伸的凸缘内的流体通路。
18.一种用于减小在燃烧器中的热应力的方法，包括: a.使来自压缩机的工作流体经在燃烧室与流动套筒之间的环形通路流入所述燃烧器内； b.使流经所述环形通路的工作流体免于与在第一环形外壳与在所述第一环形外壳的上游的第二环形外壳之间的接合部的至少一部分接触；以及` c.使流经所述环形通路的工作流体免于与在所述接合部下游的第一环形外壳的至少一部分接触。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括使流经所述环形通路的工作流体免于与整个第一环形外壳接触。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括引导流经所述环形通路的工作流体通过将所述工作流体分配到所述燃烧器内的导流部。
全文摘要
本发明涉及一种燃烧器。更具体而言，一种燃烧器包括第一环形外壳和第二环形外壳，其中，在第一环形外壳与第二环形外壳之间存在接合部。流动套筒包围燃烧室以限定环形通路，并且第一环形外壳内侧的环形屏障在接合部的下游延伸并防止流经环形通路的工作流体与第一环形外壳的至少一部分接触。一种用于减小在燃烧器中的热应力的方法包括使来自压缩机的工作流体经在燃烧室与流动套筒之间的环形通路流入燃烧器内，使流经环形通路的工作流体免于与在第一环形外壳与第二环形外壳之间的接合部的至少一部分接触，以及使流经环形通路的工作流体免于与接合部下游的第一环形外壳的至少一部分接触。
文档编号F23R3/52GK103206728SQ20131000983
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月11日 优先权日2012年1月13日
发明者L.J.斯托亚, P.B.梅尔顿 申请人:通用电气公司