本发明涉及一种燃烧器和包含上述燃烧器的燃气轮机以及燃烧器的压缩空气分配方法。
背景技术
涡轮机是指利用如蒸汽、燃气等压缩性流体的流动，通过冲动力或反动力获得旋转力的机械装置，使用蒸汽的被称之为蒸汽轮机，而使用燃气的则被称之为燃气轮机。
燃气轮机的热循环为布雷顿循环，由压缩机、燃烧器以及涡轮机构成。燃气轮机的工作原理为，首先吸入大气中的空气并利用压缩机进行压缩，接下来移送到燃烧器中形成高温高压的气体并借此驱动涡轮机的工作，最后将废气排出到大气中。即，由压缩、加热、膨胀以及放热的4个过程构成。
燃气轮机的压缩机起到从大气中吸入空气并向燃烧器供应燃烧用空气的作用，且因为会经过绝热压缩过程，因此会导致其压力和空气温度的上升。
在燃烧器中，将所流入的压缩空气与燃料混合并通过燃烧而生成高能量的燃烧气体，然后通过等压燃烧过程将燃烧气体的温度加热至燃烧器以及涡轮机部件所能够承受的耐热限度。
在涡轮机中，从燃烧器输出的高温高压的燃烧气体将发生膨胀，并通过向涡轮机的旋转叶片施加冲动力以及反动力而转换成机械能。在涡轮机中生成的机械能作为在压缩机中对空气进行压缩所需要的能量进行供应，而剩余的机械能将用于对发电机进行驱动并借此生成电力。
如何对暴露于高温高压的燃烧气体环境下的燃烧器衬套以及过渡连接件进行冷却，是与提升燃烧器的耐久性相关的非常重要的部分。燃烧器衬套以及过渡连接件部被流动套管包裹，通过流动套管中的冷却孔流入的空气将在垂直方向上与燃烧器衬套以及过渡连接件部的表面发生碰撞，从而对燃烧器衬套以及过渡连接件部进行冷却。
但是，通过冷却孔流入的射流会因为受到在燃烧器衬套以及过渡连接件被流动套管包裹而形成的流动空间内横向流动的横向流的影响而无法在垂直方向上对燃烧器衬套以及过渡连接件部的表面进行碰撞冷却，而是沿着斜线方向进行碰撞冷却，而且在空气流动方向上的上游一侧，会因为更大的空气流动动量而导致以更大角度的斜线方向进行碰撞冷却。因此，不仅会造成碰撞冷却效率的降低，还会因为燃烧器衬套以及过渡连接件部的外侧表面温度达到高温状态而最终导致燃烧器衬套以及过渡连接件部的强度的损失。所以，会造成燃烧器衬套以及过渡连接件部的寿命的缩短，最终导致需要经常更换相应部件的问题。
先行技术文献
专利文献
韩国注册专利第10-0013120号(名称：燃气轮机引擎用燃烧装置)
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够通过降低横向流所导致的影响而提升碰撞冷却的冷却性能的燃烧器和包含上述燃烧器的燃气轮机以及燃烧器的压缩空气分配方法。
适用本发明之一实施例的燃烧器，包括：
燃烧衬套，构成燃烧室，位于燃烧气体流动方向的前方；过渡连接件，构成燃烧室，位于燃烧气体流动方向的后方；以及套管，以包裹燃烧衬套以及过渡连接件的方式相隔形成。在燃烧衬套和套管之间以及过渡连接件和套管之间形成流动空间，从压缩机排出的压缩空气将通过形成于套管中的冷却孔流入到流动空间。在冷却孔的空气流动方向上的前方区域形成第1辅助孔，从压缩机排出的压缩空气通过第1辅助孔流入到流动空间，并通过与在流动空间中流动的压缩空气进行碰撞而形成空气柱。
当冷却孔的直径为d时，第1辅助孔的直径能够小于等于0.5d。
以直线距离为基准，冷却孔和第1辅助孔能够之间的间距小于等于冷却孔的直径d。
还包括形成于冷却孔的空气流动方向上的后方区域的第2辅助孔，从压缩机排出的压缩空气通过第2辅助孔流入到流动空间内部，从而起到缓解在冷却孔的后方区域发生的乱流现象并保持通过冷却孔流入的压缩空气的动量的作用。
当冷却孔的直径为d时，第2辅助孔的直径能够小于等于0.5d。
以直线距离为基准，冷却孔和第2辅助孔能够之间的间距小于等于冷却孔的直径d。
第1辅助孔的至少一部分或第2辅助孔的至少一部分能够与冷却孔重叠形成。
适用本发明之另一实施例的燃烧器，包括：
燃烧衬套，构成燃烧室，位于燃烧气体流动方向的前方；以及过渡连接件，构成燃烧室，位于燃烧气体流动方向的后方。在燃烧衬套和套管之间以及过渡连接件和套管之间形成流动空间，从压缩机排出的压缩空气将通过形成于套管中的冷却孔流入到流动空间。在冷却孔的空气流动方向上的后方区域形成第2辅助孔，压缩空气通过第2辅助孔流入到流动空间，从而起到缓解在冷却孔的后方区域发生的乱流现象并保持通过冷却孔流入的压缩空气的动量的作用。
当冷却孔的直径为d时，第2辅助孔的直径能够小于等于0.5d。
以直线距离为基准，冷却孔和第2辅助孔能够之间的间距能够小于等于冷却孔的直径d。
第2辅助孔的至少一部分能够与冷却孔重叠形成。
适用本发明之实施例的燃气轮机，包括：
压缩机，用于对空气进行压缩；燃烧器，从压缩机接收被压缩的空气的流入并与燃料实施混合进行燃烧；以及涡轮机，在燃烧器中燃烧的气体的作用下发生旋转并生成动力。
燃烧器包括：燃烧衬套，构成燃烧室，位于燃烧气体流动方向的前方；过渡连接件，构成燃烧室，位于燃烧气体流动方向的后方；以及套管，以包裹燃烧衬套以及过渡连接件的方式相隔形成。在燃烧衬套和套管之间以及过渡连接件和套管之间形成流动空间，从压缩机排出的压缩空气将通过形成于套管中的冷却孔流入到流动空间。在冷却孔的空气流动方向上的前方区域形成第1辅助孔，从压缩机排出的压缩空气通过第1辅助孔流入到流动空间，并通过与在流动空间中流动的压缩空气进行碰撞而形成空气柱。
此外，燃烧器还能够包括形成于冷却孔的空气流动方向上的后方区域的第2辅助孔，压缩空气通过第2辅助孔流入到流动空间，从而起到缓解在冷却孔的后方区域发生的乱流现象并保持通过冷却孔流入的压缩空气的动量的作用。
适用本发明之实施例的燃烧器的压缩空气分配方法，
是一种从压缩机接收被压缩的压缩空气的流入并与燃料实施混合进行燃烧的燃烧器的压缩空气分配方法，包括：通过冷却孔流入的压缩空气在形成于燃烧衬套和套管之间以及过渡连接件和套管之间的流动空间内流动并形成横向流的步骤；以及通过形成于冷却孔的空气流动方向上的前方区域的第1辅助孔流入的压缩空气与横向流发生碰撞并形成空气柱的步骤。
此外，还能够包括利用通过形成于冷却孔的空气流动方向上的后方区域的第2辅助孔流入的压缩空气，缓解在冷却孔的后方区域发生的乱流现象并保持通过冷却孔流入的压缩空气的动量的步骤。
此外，适用本发明之实施例的燃烧器的压缩空气分配方法，能够不包括形成空气柱的步骤，而是包括利用通过第2辅助孔流入的压缩空气，缓解在冷却孔的后方区域发生的乱流现象并保持通过冷却孔流入的压缩空气的动量的步骤。
通过本发明的实施形态，能够利用通过第1辅助孔流入的压缩空气的空气柱(aircolumn)效果减少横向流的影响，从而在实质上实现垂直方向上的碰撞冷却并借此提升碰撞冷却的效率。
此外，能够利用通过第2辅助孔流入的压缩空气，缓解因为横向流和射流的碰撞而导致的乱流并保持射流的动量，从而提升碰撞冷却的效率。
附图说明
图1是对适用本发明之实施例的燃气轮机的内部进行图示的示意图。
图2是对适用本发明之实施例的燃气轮机的燃烧器进行图示的截面图。
图3是对射流在流动空间内所受到的横向流的影响进行图示的示意图。
图4是对适用本发明之第1实施例的燃烧器的一部分进行图示的部分侧向截面图。
图5是对图4中的一部分进行图示的俯视图，是对压缩空气在流动空间内的流动进行图示的俯视图。
图6是对适用本发明之第2实施例的燃烧器的一部分进行图示的部分侧向截面图。
图7是对图6中的一部分进行图示的俯视图，是对压缩空气在流动空间内的流动进行图示的俯视图。
图8是对适用本发明之第3实施例的燃烧器的一部分进行图示的部分侧向截面图。
图9是对图8中的一部分进行图示的俯视图，是对压缩空气在流动空间内的流动进行图示的俯视图。
图10中的(a)～(c)是对适用本发明之第3实施例的多种实现形态进行图示的俯视图。
附图标记说明
1000：燃气轮机
1100：压缩机
1110：叶片
1200：燃烧器
1210：燃烧室
1211：套管
1212：燃烧衬套
1213：端板
1215：流动空间
1216：冷却孔
1217：过渡连接件
1220：燃料喷嘴总成
1221：燃料喷嘴
1300：涡轮机
2100：第1辅助孔
2200：第2辅助孔
具体实施方式
本发明能够进行各种变形以及具有多种实施例，下面将对部分特定实施例进行图示并对其进行详细的说明。但是，本发明并不限定于特定的实施形态，应理解为包含在不脱离本发明之思想以及技术范围内的所有变形、均等物以及替代物。
本发明中所使用的术语只是为了对特定的实施例进行说明而使用，并不是对本发明做出的限定。除非上下文中有明确的相反说明，否则单数型语句还包含复数型含义。在本发明中所使用的“包含”或“具有”等术语只是为了表明说明书中所记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或上述之组合的存在，不应理解为事先排除一个或多个其他特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或上述之组合存在或被附加的可能性。
下面，将结合附图对适用本发明的较佳实施例进行详细的说明。其中需要注意的是，附图中相同的构成要素尽可能地使用相同的编号进行了图示。此外，可能会导致本发明的要旨变得不清晰的公知功能以及构成相关的详细说明将被省略。因为相同的原因，附图中的一部分构成要素可能会被夸张、省略或简化图示。
图1是对适用本发明之一实施例的燃气轮机的内部进行图示的示意图，图2是对适用本发明之一实施例的燃气轮机的燃烧器进行图示的截面图。
如图1以及图2所示，适用本发明之一实施例的燃气轮机1000，包括压缩机1100、燃烧器1200以及涡轮机1300。燃烧器1200包括燃料喷嘴总成1220、燃烧室1210、套管1211以及端板1213。
燃烧室1210是形成于燃烧衬套1212以及过渡连接件1217中的空间。套管1211对燃烧衬套1212进行包裹并向一侧方向延长形成。燃烧衬套1212在套管1211的内部沿着套管1211的延长方向形成。燃烧衬套1212与套管1211相隔一定间距配置，在套管1211和燃烧衬套1212之间形成环形的流动空间1215。端板1213在套管1211的端部与套管1211结合并对套管1211进行密封。端板1213能够与向燃料喷嘴1221供应燃料的岐管、相关阀等结合。
燃料喷嘴总成1220与燃烧衬套1212连接。燃料喷嘴总成1220配备有多个燃料喷嘴。
在各个燃料喷嘴1221中，压缩空气和燃料相互混合。燃料喷嘴1221的一端被端板1213支撑。
在压缩机1100中被压缩的空气通过形成于套管1211中的冷却孔1216流入，并在对燃烧套管1212进行冷却的同时沿着流动空间1215进行流动。沿着流动空间1215流动的压缩空气到达位于套管1211的端部的端板1213。压缩空气在端板1213上转换方向并流入到燃料喷嘴总成1220的入口。所流入的压缩空气与通过燃料喷嘴1221注入的燃料混合，并移动到在燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的内部形成的燃烧室1210中。在燃烧室1210中，利用火花塞(未图示)进行点火并发生燃烧。接下来，所燃烧的气体被排出到涡轮机1300中并带动涡轮机1300发生旋转。
下面，将结合图3对现有的燃烧器中发生在燃烧衬套1212以及过渡连接件1217表面上的碰撞冷却进行说明。图3是对射流在流动空间内所受到的横向流的影响进行图示的示意图。
如图3所示，通过冷却孔1216流入的压缩空气(以下简称为射流(jetflow))，因在流动空间1215内部横向流动的压缩空气(以下简称为横向流(cross-flow))，而不在垂直方向上对燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的表面进行碰撞冷却而是在斜线方向上进行碰撞冷却，而且因为随着接近套管1211的形成有端板1213的端部，而空气流动动量变得越来越大，因此将以更大角度的斜线方向进行碰撞冷却。
因此，不仅会造成碰撞冷却效率的降低，还会因为燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的外侧表面温度达到高温状态而最终导致燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的强度的损失。
适用本发明的实施例如图3所示，提供一种能够通过降低横向流所导致的影响而提升碰撞冷却的冷却性能的燃烧器。
图4是对适用本发明之第1实施例的燃烧器的一部分进行图示的部分侧向截面图，图5是对图4中的一部分进行图示的俯视图，是对压缩空气在流动空间内的流动进行图示的俯视图。
如图4所示，适用本发明之一实施例的燃烧器，包括套管1211、燃烧衬套1212、冷却孔1216以及第1辅助孔2100。
燃烧室1210是对由燃料和压缩空气预混合的混合气体进行燃烧，从而通过将高温气体转换成动能而驱动涡轮机工作的能量生成部分。套管1211以包裹燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的方式相隔形成，在燃烧衬套1212以及过渡连接件1217和套管1211之间形成供通过冷却孔1216流入的压缩空气沿着燃烧衬套1212以及过渡连接件1217流动的流动空间1215。冷却孔1216能够形成于对燃烧衬套1212进行包裹的套管中，也能够形成于对过渡连接件1217进行包裹的套管中。
第1辅助孔2100形成于冷却孔1216的空气流动方向上的前方区域。其中，冷却孔的前方区域是指，通过第1辅助孔2100流入到流动空间1215中的压缩空气能够比通过冷却孔1216流入到流动空间1215中的压缩空气更早地与横向流发生碰撞的位置。
如图5所示，在流动空间1215中流动的横向流c首先与通过第1辅助孔2100流入的压缩空气发生碰撞，而且在上述碰撞作用下，横向流的流动方向将以碰撞位置为起点发生迂回。其结果，通过第1辅助孔2100流入的压缩空气能够起到避免通过冷却孔1216流入的压缩空气受到横向流影响的空气柱(aircolumn)功能。
在通过第1辅助孔2100流入的压缩空气的空气柱效果作用下，通过冷却孔1216流入的压缩空气(射流)所受到的横向流的影响将减少，从而能够在实质上沿着垂直方向与燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的表面发生碰撞。虽然无法彻底消除横向流的影响，从而会在一定程度上以斜线方向发生碰撞，但是其碰撞角度与现有的方式相比更接近于垂直状态。借此，能够提升碰撞冷却效率并使燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的表面温度保持在相对低温的状态，从而防止燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的强度的损失。
接下来，对如上所述的适用本发明之第1实施例的燃烧器进行更具体的说明。当冷却孔1216的直径为d时，第1辅助孔2100以小于等于1/2d的直径形成为宜。当第1辅助孔的直径大于1/2d时，第1辅助孔2100和冷却孔无法实现实质上的功能区分并形成第1辅助孔被追加的形态，从而因为整体射流动量的减弱而导致冷却效率的降低。
此外，以直线距离为基准，冷却孔1216和第1辅助孔2100之间的间距小于等于冷却孔的直径d为宜。当冷却孔1216和第1辅助孔2100之间的间距大于d时，通过第1辅助孔2100流入的压缩空气的空气柱效果将减少，从而可能会导致横向流对射流造成影响的问题。
图6是对适用本发明之第2实施例的燃烧器的一部分进行图示的部分侧向截面图，图7是对图6中的一部分进行图示的俯视图，是对压缩空气在流动空间内的流动进行图示的俯视图。
在适用本发明之第2实施例的燃烧器中，除了利用形成于冷却孔1216的后方区域的第2辅助孔2200替代形成于冷却孔1216的前方区域的第1辅助孔2100之外，其他构成实质上相同，因此对套管1211、燃烧衬套1212、流动空间1215、冷却孔1216、过渡连接件1217等的重复说明将被省略。
第2辅助孔2200形成于冷却孔1216的空气流动方向上的后方区域。其中，冷却孔的后方是指，在通过冷却孔1216流入到流动空间1215中的压缩空气首先与横向流发生碰撞之后通过第2辅助孔2200流入到流动空间1215中的压缩空气再与横向流发生碰撞的位置。
如图7所示，在流动空间1215中流动的横向流首先与通过冷却孔1216流入的压缩空气进行碰撞混合，而在上述碰撞下发生的横向流的乱流现象会因为通过第2辅助孔2200流入的压缩空气而得到缓和并形成稳定的气流，从而起到保持通过冷却孔1216流入的压缩空气的动量的作用。
其结果，能够提升碰撞冷却效率并使燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的表面温度保持在相对低温的状态，从而防止燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的强度的损失。
第2辅助孔2200的直径以及冷却孔1216与第2辅助孔2200之间的间隔距离，与上述的第1实施例中的情况相同。
图8是对适用本发明之第3实施例的燃烧器的一部分进行图示的部分侧向截面图，图9是对图8中的一部分进行图示的俯视图，是对压缩空气在流动空间内的流动进行图示的俯视图。
在适用本发明之第3实施例的燃烧器中，对上述的适用第1以及第2实施例的燃烧器进行了合并，在冷却孔1216的前方区域形成第1辅助孔2100，并在冷却孔1216的后方区域形成第2辅助孔2200。
第1辅助孔2100的直径以及冷却孔1216与第1辅助孔2100之间的间隔距离、第2辅助孔2200的直径以及冷却孔1216与第2辅助孔2200之间的间隔距离，与上述的第1实施例中的情况相同。
如图9所示，在适用第3实施例的燃烧器中，通过第1辅助孔2100流入的压缩空气与在流动空间1215中流动的横向流发生碰撞，并起到以碰撞位置为起点使横向流迂回的空气柱的作用，通过第1辅助孔2100或冷却孔1216流入的压缩空气和横向流的碰撞所导致的乱流现象会因为通过第2辅助孔2200流入的压缩空气而得到缓和并形成稳定的气流，从而起到保持所流入的压缩空气的动量的作用。
借此，能够提升燃烧衬套121以及过渡连接件1217的碰撞冷却效率并使燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的表面温度保持在相对低温的状态，从而防止燃烧衬套1212以及过渡连接件1217的强度的损失。
此外，图10中的(a)～(c)是对适用本发明之多个实施例的燃烧器的多种实现形态进行图示的俯视图。
如图10中的(a)～(c)所示，适用本发明之实施例的燃烧器并不限定于冷却孔1216与第1辅助孔2100、冷却孔1216与第2辅助孔2200相隔形成的情况，还能够包括第1辅助孔2100和/或第2辅助孔2200中的至少一部分与冷却孔1216重叠形成的情况。
在第1辅助孔2100和/或第2辅助孔2200中的一部分重叠形成的情况下，与上述的第1至第3实施例相同，仍然能够保持第1辅助孔2100的空气柱效果以及第2辅助孔2200的空气柱动量保持效果，从而相比现有技术提升其碰撞冷却效率。
在上述内容中，对适用本发明的实施例进行了详细的说明，但是具有相关技术领域之一般知识的人员能够不脱离权利要求书中所记载的本发明之思想的范围内，通过构成要素的附加、变更、删除或追加等对本发明进行各种修改以及变更，而这些修改以及变更均应理解为包含在本发明的权利要求范围之内。