用于旋流生成的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种用于旋流生成的系统，所述系统包括涡轮机燃烧器，所述涡轮机燃烧器包含：第一壁部分，其围绕燃烧区设置；第二壁部分，其围绕所述第一壁部分设置；以及多个轮叶，其设置在介于所述第一壁部分与所述第二壁部分之间的环带内。所述多个轮叶经配置以旋动所述环带内流动的空气。
【专利说明】用于旋流生成的系统
【技术领域】
[0001]本说明书中所公开的本实用新型涉及燃气涡轮发动机，并且更为具体地说，涉及涡轮机燃烧器中的旋流生成。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机在燃烧器中燃烧燃料-空气混合物，随后用所得热加压的燃烧气体驱动一个或多个涡轮机。通常，燃烧在燃烧室内发生，所述燃烧室由设置在导流套管内的燃烧内衬形成。由此，燃烧内衬通过燃烧反应受热。燃烧所导致的热力梯度可能造成燃烧内衬的不均均的热分布。为了减少燃烧内衬的热故障，内衬可以使用空气进行冷却。尽管这可提供一般冷却效应，但是冲击冷却可能不会使得燃烧内衬的热分布均匀。不均匀的冷却可能在部件材料内造成过热条纹和温度梯度。
实用新型内容
[0003]下文概述的是与原始要求的实用新型的保护范围相当的某些实施方案。这些实施方案并非意图限制所要求的实用新型范围，相反，这些实施方案仅仅意图简要概述本实用新型的可能形式。事实上，本实用新型可以涵盖可能与下述实施方案类似或不同的各种形式。
[0004]在第一实施方案中，一种系统包括涡轮机燃烧器，所述涡轮机燃烧器包含:第一壁部分，其围绕燃烧区设置；第二壁部分，其围绕所述第一壁部分设置；以及多个轮叶，其设置在介于所述第一壁部分与所述第二壁部分之间的环带内。所述多个轮叶经配置以旋动所述环带内流动的空气。
[0005]其中，所述多个轮叶连接到所述第一壁部分上，所述多个轮叶也可连接到所述第二壁部分上。
[0006]其中，所述多个轮叶中的每个轮叶以相对于所述涡轮机燃烧器的纵轴成相应角度来设置。所述相应角度介于约O度与45度之间或介于-45度与O度之间。其中，所述相应角度对于所述多个轮叶中的至少两个轮叶而言是不同的。
[0007]其中，所述多个轮叶中的每个轮叶具有弯曲廓线。
[0008]其中，所述多个轮叶围绕所述第一壁部分的圆周等距间隔开。
[0009]所述系统包括具有所述涡轮机燃烧器的燃气涡轮发动机。
[0010]在第二实施方案中，一种系统包括多个轮叶，所述多个轮叶设置在介于涡轮机燃烧器的内衬与导流套管之间的环带内。所述多个轮叶围绕所述环带圆周设置，并且所述多个轮叶中的每个轮叶以相对于所述涡轮机燃烧器的纵轴成相应角度来设置。
[0011]其中，所述多个轮叶中的每个轮叶连接到所述内衬上；所述多个轮叶中的每个轮叶也可连接到所述导流套管上。
[0012]其中，所述多个轮叶中的每个轮叶设置在形成于所述导流套管中的冲击孔下游的气流路径中。[0013]其中，所述多个轮叶中的至少两个轮叶以相对于所述涡轮机燃烧器的所述纵轴成不同相应角度来设置。
[0014]其中，所述多个轮叶中的每个轮叶具有弯曲廓线。相应曲率半径对于所述多个轮叶中的至少两个轮叶而言是不同的。
[0015]所述系统包括所述涡轮机燃烧器或具有设置在介于所述内衬与所述导流套管之间的所述环带内的所述多个轮叶的燃气涡轮发动机。
[0016]在第三实施方案中，一种方法包括将多个轮叶设置在介于涡轮机燃烧器的内衬与导流套管之间的环带内。所述多个轮叶中的每个轮叶以相对于所述涡轮机燃烧器的纵轴成角度来设置。所述方法通过以下方式继续:在所述环带内并且在所述多个轮叶上引导气流以便在所述环带内生成旋动气流。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]参照附图阅读以下详细描述之后，将更好地理解本实用新型的这些和其它特征、方面以及优点，在全部附图中，类似符号表示类似部分，其中:
[0018]图1是带有多个涡轮机燃烧器的燃气涡轮机系统的实施方案的示意图；
[0019]图2是图1所示涡轮机燃烧器中的一个涡轮机燃烧器的实施方案的截面侧视示意图，所述涡轮机燃烧器包括用于控制燃烧器冷却的多个轮叶；
[0020]图3是在图2所示线3-3内截得的涡轮机燃烧器的实施方案的局部视图，其中示出设置在燃烧内衬上的多个弯曲轮叶；
[0021]图4是在图2所示线3-3内截得的涡轮机燃烧器的实施方案的局部视图，其中示出设置在燃烧内衬上的多个平直轮叶；以及
[0022]图5是涡轮机燃烧器的实施方案的截面图，其中示出设置在导流套管上的多个轮叶。
【具体实施方式】
[0023]下文将会描述本实用新型的一个或多个具体实施方案。为了提供对这些实施方案的简洁，说明书中可能不会对实际实现方式的所有特征进行描述。应当了解，在任何此类实际实现方式发展中，如在任何工程或设计项目中，必须作出特定于许多实现方式的决策以便实现开发者的特定目标，如符合系统相关约束和商业相关约束，所述约束对于各个实现方式来说可以是不同的。另外，应当了解，这种研发工作可能复杂而且耗时，然而，对受益于本实用新型的一般技术人员而言，它仍然是一种常规设计、制作以及制造工作。
[0024]介绍本实用新型的各个实施方案的元件时，冠词“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”以及“所述(said)”意图表示存在一个或更多个元件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”以及“具有(having)”意图是指包括在内，并且表示可能存在除了所列举的元件外的其他另外元件。
[0025]所公开的实施方案针对的是定位在介于涡轮机燃烧器的导流套管与燃烧内衬之间的环带中的多个轮叶。更为确切地说，所公开的实施方案可以包括多个轮叶，所述多个轮叶经配置以旋动环带内的气流，从而促进以可控方式来冷却燃烧内衬(例如，更均匀的冷却)。例如，在某些实施方案中，轮叶可以附接到涡轮机燃烧器的燃烧内衬上，并且可以具有设计用来使环带内的气流生成旋动的曲率半径。在这个实施方案中，轮叶可以具有相同曲率半径，或者轮叶之间可以具有不同曲率半径。在其他实施方案中，附在燃烧内衬上的轮叶可以具有线性(I inear )或气动廓线，并且能够以相对于轴线成相应角度来设置。轮叶可以相对于涡轮机燃烧器的中心轴线共享类似的相应角度，或者它们能够以相对于涡轮机燃烧器的中心轴线成不同相应角度来布置，以便改变施加给气流的旋流特性。例如，以不同相应角度布置的轮叶可对燃烧内衬上的某些位置(例如，过热特征(heat streaks)位置)提供更激进的冷却。在不同实施方案中，轮叶可以附接到导流套管上。另外，在某些实施方案中，可能存在介于三个与二十个设置在环带内的轮叶之间的布置。轮叶可以附接在单轴位置处，或者它们能够以交错形式附接。轮叶具体布置可取决于轮叶部分和/或燃烧器内热气流路下游的空气的所需流动特性。另外，轮叶可以等距间隔开来。然而，根据所需流动状况，轮叶也可不均匀地间隔开来。
[0026]如下文所详细讨论，轮叶可以经配置以旋动介于涡轮机燃烧器的导流套管与燃烧内衬之间的环带内的气流。旋动空气将增加空气在环带内的滞留时间，并且可以提高通过压缩机排放空气对燃烧内衬进行对流冷却的效率。使用空气旋动模型也可对燃烧内衬的热区提供优先冷却。通过优先冷却所述热区，可以减缓涡轮机燃烧器内感应到的热应力，并且提高结构的可靠性。优先冷却还可使得燃烧反应能够在高温下发生。另外，通过优先冷却热区，燃烧内衬的温度分布可以变得更为线性，从而使得内衬内的燃烧反应点火温度能够增加。如将了解，燃烧反应在较高点火温度下可能更为有效，从而造成操作成本较低并且排放较低。
[0027]转到附图，图1示出燃气涡轮机系统10的实施方案的框图。系统10包括压缩机
12、涡轮机燃烧器14以及涡轮机16。涡轮机燃烧器14各自包括燃料喷嘴组件18。每个涡轮机燃烧器14的燃料喷嘴组件18包括燃烧喷嘴，所述燃料喷嘴将如天然气或合成气的液体燃料和/或气体燃料输送到涡轮机燃烧器14中。如下文所详细描述，每个涡轮机燃烧器14可以包括由设置在导流套管内的燃烧内衬至少部分界定的燃烧区。环带是在燃烧内衬与导流套管之间形成。另外，环带可以包含多个轮叶，所述多个轮叶意图在压缩机12所排放的空气到达燃料喷嘴组件18之前旋动所述空气。
[0028]涡轮机燃烧器14点燃并且燃烧空气-燃料混合物，随后将热加压的燃烧气体20(例如，排气)送到涡轮机16中。涡轮机叶片连接到轴22上，所述轴还连接到整个涡轮机系统10的若干其他部件上。当燃烧气体20通过涡轮机16中的涡轮机叶片时，就会驱动涡轮机16进行转动，从而导致轴22转动。最终，燃烧气体20经由排气出口 24从涡轮机系统10离开。进一步地，轴22可以连接到负载26上，所述负载经由轴22的转动产生动力。例如，负载26可以是可经由涡轮机系统IO的转动输出而来生成动力的任何合适装置,如发电机、飞机的螺旋桨等等。
[0029]所包括的压缩机叶片是作为压缩机12的部件。在压缩机12内的叶片连接到轴22上，并且随着通过涡轮机16来驱动轴22转动，所述叶片将会转动，如上所述。在压缩机12内的叶片转动使得来自空气进口 28的空气被压缩成加压空气30。随后，将加压空气30供料到涡轮机燃烧器14的燃料喷嘴组件18 (例如，燃料喷嘴)中。燃料喷嘴组件18的燃料喷嘴将加压空气30与燃料混合，从而产生合适混合比率以便进行燃烧(例如，一种导致燃料更完全地烧尽的燃烧)。如下文所讨论，在某些实施方案中，加压空气30还可以在到达燃料喷嘴组件18之前流过设置在燃烧器14内的轮叶。所述轮叶将会通过加压空气30产生旋动效应。加压空气30随后将以旋动运动方式行进，并且对燃烧器14的内部部件提供冷却。
[0030]图2是涡轮机燃烧器14中的一个涡轮机燃烧器的实施方案的截面示意图，其中示出加压空气30在离开压缩机12之后所沿行的路径。出于讨论目的，可以参照轴向方向32、远离轴向方向32的径向方向34以及围绕轴向方向32的圆周方向36。如图所示，在所示实施方案中，加压空气30是由压缩机排放壳体40接收，所述压缩机排放壳体可操作地连接到涡轮机燃烧器14上。如箭头42所指示，加压空气30从压缩机排放壳体40流动通过涡轮机燃烧器14中的冲击孔44。随后，加压空气30流入形成在介于涡轮机燃烧器14的内衬48 (例如，将热气运送到涡轮机的第一壁)与导流套筒50 (例如，第二壁)之间的环带46中。当流过环带46时，加压空气30接触多个轮叶52。换句话说，加压空气30流过设置在环带46内的轮叶52。随后，轮叶52可以通过加压空气30产生旋动空气54。如下文所详细描述，旋动空气54围绕燃烧器14的轴线38在周向方向36上以旋动模式行进通过环带46。旋动模型(例如，旋动空气54)可以增加空气在环带46内的滞留时间，以便延长燃烧内衬48上的冷却效应。如图所示，旋动空气54朝着燃烧器14的定位有燃料喷嘴组件18的头端56行进。同样位于涡轮机燃烧器14的头端56处的是递送燃料60的燃料供源58和接收燃料60的燃料喷嘴62。燃料喷嘴62将燃料60与旋动空气54混合，从而产生空气-燃料混合物以供燃烧。由此，将旋动空气54与燃料60的组合(例如，空气-燃料混合物)引导到燃烧室64上，在燃烧室中，发生燃烧反应。燃烧反应在燃烧室64内产生燃烧产物66，所述燃烧产物是热的并且是经过加压的。如将了解，燃烧产物66在燃烧内衬48产生热区。燃烧产物66在燃烧室64内继续向下游流动并且穿过过渡连接件68。燃烧产物66最终离开燃烧器14并且进入涡轮机16，以便驱动涡轮叶片旋动，从而使轴22转动。
[0031]图3是涡轮机燃烧器14的局部视图，其中示出轮叶50，所述轮叶设置在形成于燃烧内衬48与导流套管50之间的环带46内。在所示实施方案中，轮叶52在环带46内连接到燃烧内衬48上，以使轮叶52处于冲击冷却孔44下游和燃料喷嘴组件18上游的气流路径。具体而言，轮叶52轴向定位在燃烧器14的头端56与进入涡轮机16的燃烧器14出口之间。轮叶52可以通过焊接、铜焊、铸造、粘合、螺栓、干涉配合或其他紧固件或其组合连接到燃烧内衬48上。在其他实施方案中，轮叶52可以在环带46内连接到导流套管50上。如图3所示，轮叶52具有弯曲廓线，每个廓线具有曲率半径80。在某些实施方案中，轮叶52可以各自具有相同曲率半径80，然而，在其他实施方案中，轮叶52可以具有不同曲率半径80和/或相对于轴向方向32具有不同定向(例如，在不同方向上使得空气30旋动)。如图所示，加压空气30从燃烧器14的下游端部接近轮叶52。所述轮叶52还可以在下游端部处具有气动截面或廓线，其中所述轮叶52首先接触加压空气30。这种截面或廓线可以沿着轮叶52长度82保持一致，或者可以沿着长度82变化，如涉及参数所规定。例如，长度82可以在约0.25与5cm之间。在所示实施方案中，轮叶52的曲率半径80可以在周向方向36上引导加压空气30，以便产生旋动空气54。由此，旋动空气54可以具有弯曲流动模型或廓线。
[0032]通过使得空气(例如，加压空气30)旋动，旋动空气54在环带46内耗费的时间的量可以增加，从而增加经由对流而在旋动空气54与燃烧内衬48之间进行传热的时间的量。所增加的对流传热可以降低燃烧内衬48总体温度，从而提高性能和可靠性。另外，所增加的冷却效应可以使得燃烧器14能承受更高点火温度。旋动空气54的旋动作用或效应也可用来优先冷却燃烧内衬48上的过热特征(hot streaks)ο另外，优先冷却可以造成整个燃烧内衬48上的更均匀的温度分布，从而减少因不均匀的加热而在材料内导致的热感应应力。优先冷却也可减少因低循环疲劳、非弹性变形、蠕变松弛以及其他热机械故障方法而导致的劣化或故障的可能性。在流过环带46后，旋动空气54到达头端56，在头端处，其与来自燃料供源58的燃料60在燃料喷嘴62中混合、并且注入燃料室64内。
[0033]图4是涡轮机燃烧器14的局部视图，其中示出轮叶50，所述轮叶设置在形成于燃烧内衬48与导流套管50之间的环带46内。在所示实施方案中，轮叶52具有线性廓线。如上提及，轮叶52可以具有气动截面,所述气动截面接触加压空气30。另外,所述截面可以沿着轮叶52的长度82是均匀的，或沿着轮叶52的长度82是非均匀的。例如，轮叶52的厚度可以随着轮叶52的长度82增大或减小。轮叶52以相对于涡轮机燃烧器14的纵轴92成相应角度90来连接到燃烧内衬48上。如图所示，纵轴92是燃烧室64的中心线。所述相应角度90可以相对于纵轴93在约0°至45°、5°至40°、10°至35°、15°至30°或20°至25°之间。轮叶52能够以类似相应角度来各自连接到燃烧内衬48上，或者它们能够以不同相应角度90进行连接。另外，将轮叶52连接到燃烧内衬48可以通过使用铸造、焊接、铜焊、粘合剂、紧固件或另一方法实现。加压空气30从下游(相对于燃烧室64内的流)接近轮叶52，并且所述轮叶52沿着所述相应角度90所强加的角度偏转、或者引导该流，从而在周向方向36上引导气流产生旋动。所得旋动空气54随后穿过环带46剩余(例如，相对于燃烧室64内的流处于上游)部分。每个轮叶52的相应角度90可以经过操作以便通过旋动空气54实现多种效应。例如，涡旋空气54的旋动模型可以与燃烧内衬48上产生的过热条纹对齐，从而避免接触燃烧产物66。
[0034]由于轮叶52在环带46内所设置的角度90相对于纵轴92成约45°，因此可以产生旋动空气54的更紧缩的旋动模型。如将了解，更紧缩的(例如，更强健的)旋动模型可以增加旋动空气54在环带46内的滞留时间。当角度90相对于纵轴92更接近0°时，旋动模型可为更松散的或较薄弱的旋涡模型。所需滞留时间可取决于多个设计标准，如对流传热速率、对流传热的量、平均燃烧内衬48温度、最大燃烧内衬48温度、加压空气30流速、环带46截面面积以及其他因素。如上提及，空气(例如，加压空气30和/或旋动空气54)在环带46内的增加的停留时间可以增加从燃烧内衬48到旋动空气54的传热的量。这可以使燃烧内衬48的总体操作温度减小。所减小的操作温度可以提高部件的耐久性，提高检修间隔(即，检查间隔时间)和/或允许燃烧室64内的点火温度增加。为了使受到旋动空气54影响的对流冷却增强，轮叶52可以与冲击孔44、一个或多个旋流器或燃烧室64内的流(例如，燃烧产物66的流)64对齐。在某些实施方案中，所增强的轮叶52对齐可以造成较激进的优先冷却，以使燃烧内衬48实现均匀热力分布。所提高的部件内的热力分布可以降低因热感应应力而导致的热机械故障或劣化的可能性。
[0035]图5是涡轮机燃烧器14的实施方案的截面图，其中轮叶52定位在介于导流套管50与燃烧内衬48之间的环带46内。在所示实施方案中，八个轮叶52连接到导流套管50上。然而，在其它实施方案中，轮叶52可以连接到燃烧内衬48上。另外，在某些实施方案中，轮叶52可以连接到燃烧内衬48和流动套管50两者上。如上提及，任何数量的轮叶52(例如，I至1000)可以放置在环带46内，并且连接到燃烧内衬48和导流套管50中的一者或两者上。然而，在某些实施方案中，介于二个与二十个之间的多个轮叶52可以是合适的。沿着导流套管50，可以围绕燃烧器14的轴线38周向36布置轮叶52。例如，轮叶52可以如图5所示等距间隔开来，或者如由系统设计参数确定。另外，轮叶52可以如图4所示沿着纵轴92放置在单轴32位置处，或轮叶52可以放置在多轴32位置处。另外，如上所述，轮叶52可以具有线性廓线、弯曲廓线或者其他几何轮廓，并且可以沿其相应长度82具有均匀或非均匀截面。另外，单燃烧器14可以包括如图3所示的弯曲轮叶52、如图4所示的线性轮叶52或其任何组合。
[0036]在所述实施方案中，多个轮叶52可以定位在介于涡轮机燃烧器14的导流套管50与燃烧内衬48之间的环带46内。更为确切地说，多个轮叶52可以旋动环带46内的气流(例如，加压空气30)。例如，轮叶52可以附接到涡轮机燃烧器14的燃烧内衬48上，并且可以具有设计用来使环带46内的气流旋动的曲率半径80。在其他实施方案中，连接到燃烧内衬48上的轮叶52可以具有线性廓线，并且以相对于轴线92成相应角度90来设置。另外，在不同实施方案中，轮叶52可以附接到导流套管50上，或轮叶52可以同时连接到燃烧内衬48和导流套管50上。轮叶52的具体配置可取决于轮叶52下游空气的所需流动特性。使得空气旋动将使空气(例如，旋动空气54)在环带46中的滞留时间增加并且可以提高通过压缩机排放空气(例如，加压空气30)的对流冷却效率。使用空气旋动模型还可以对燃烧内衬48的热区提供优先冷却。通过优先冷却热区，可以减缓涡轮机燃烧器14内感应到的热应力，并且提高结构的可靠性。另外，通过优先冷却热区，燃烧内衬48温度分布可以变得更为线性，从而使得燃烧室64内的燃烧反应点火温度能够增加。如将了解，这可能造成操作成本较低并且排放较低。
[0037]本说明书使用各种实例来公开本实用新型，包括最佳模式，同时也使所属领域的任何技术人员能够实践本实用新型，包括制造并且使用任何装置或系统，而且实施所涵盖的任何方法。本实用新型的保护范围是由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例的结构要素与权利要求书的字面意思相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意思无实质差别，那么此类实例也在权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种系统，所述系统包括: 涡轮机燃烧器，其特征在于，所述涡轮机燃烧器包括: 第一壁部分，其围绕燃烧区设置； 第二壁部分，其围绕所述第一壁部分设置； 多个轮叶，其设置在介于所述第一壁部分与所述第二壁部分之间的环带内，其中所述多个轮叶经配置以旋动所述环带内流动的空气。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述多个轮叶连接到所述第一壁部分上。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述多个轮叶连接到所述第二壁部分上。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述多个轮叶中的每个轮叶以相对于所述涡轮机燃烧器的纵轴成相应角度来设置。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述相应角度介于约O度与45度之间或介于-45度与O度之间。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述相应角度对于所述多个轮叶中的至少两个轮叶而言是不同的。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述多个轮叶中的每个轮叶具有弯曲廓线。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述多个轮叶围绕所述第一壁部分的圆周等距间隔开。
9.如权利要求1所述的系统，其包括具有所述涡轮机燃烧器的燃气涡轮发动机。
10.一种系统，其特征在于，所述系统包括: 多个轮叶，其设置在介于涡轮机燃烧器的内衬与导流套管之间的环带内，其中所述多个轮叶围绕所述环带圆周设置，并且所述多个轮叶中的每个轮叶以相对于所述涡轮机燃烧器的纵轴成相应角度来设置。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述多个轮叶中的每个轮叶连接到所述内衬上。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述多个轮叶中的每个轮叶连接到所述导流套管上。
13.如权利要求10所述的系统，其中所述多个轮叶中的每个轮叶设置在形成于所述导流套管中的冲击孔下游的气流路径中。
14.如权利要求10所述的系统，其中所述多个轮叶中的至少两个轮叶以相对于所述涡轮机燃烧器的所述纵轴成不同相应角度来设置。
15.如权利要求10所述的系统，其中所述多个轮叶中的每个轮叶具有弯曲廓线。
16.如权利要求15所述的系统，其中相应曲率半径对于所述多个轮叶中的至少两个轮叶而言是不同的。
17.如权利要求10所述的系统，其包括所述涡轮机燃烧器或具有设置在介于所述内衬与所述导流套管之间的所述环带内的所述多个轮叶的燃气涡轮发动机。
【文档编号】F23R3/58GK203757768SQ201320607492
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2012年10月1日
【发明者】S.V.科杜库拉, M.巴蒂纳, S.戈帕拉克里什纳 申请人:通用电气公司