專利名稱：用于冷卻燃氣輪機的燃燒室襯里和過渡件的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃氣輪發(fā)動機的內(nèi)部冷卻，更具體講，涉及用于在渦輪的燃燒部分和排出部分之間的過渡區(qū)提供更好和更均勻的冷卻的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的燃氣輪機燃燒室使用擴散(即非預(yù)混)燃燒，其中燃料和空氣分別進入該燃燒室?；旌虾腿紵倪^程會產(chǎn)生超過3900°F的火焰溫度。因為傳統(tǒng)的有襯里的燃燒室和/或過渡件通常能夠在大約10000小時內(nèi)經(jīng)受僅約為1500°F量級的最大溫度，所以必須采取措施保護燃燒室和/或過渡件。通?？勘∧な嚼鋮s來做到這一點，其包括將相對較冷的壓縮機空氣導(dǎo)入由圍繞燃燒室外部的燃燒室襯里形成的增壓區(qū)。在這種現(xiàn)有的構(gòu)造中，來自增壓區(qū)的空氣先穿過燃燒室襯里的放氣孔，然后作為薄膜通過襯里內(nèi)表面，從而保持燃燒室襯里的完整性。
因為二價氮在超過大約3000°F(約1650℃)的溫度時會迅速分離，擴散燃燒的高溫將導(dǎo)致相對較大的NOx排放量。一種降低NOx排放量的方法是用燃料預(yù)先混合最大可能數(shù)量的壓縮機空氣。所產(chǎn)生的貧預(yù)混燃燒會產(chǎn)生較涼的火焰溫度，并因此產(chǎn)生較低的NOx排放量。雖然貧預(yù)混燃燒比擴散燃燒涼，但火焰溫度對現(xiàn)有傳統(tǒng)的燃燒室部件來說仍然太熱而無法經(jīng)受。
而且，因為先進的燃燒室為減少NOx用燃料預(yù)先混合了最大可能數(shù)量的空氣，所以只有很少的冷卻空氣或者沒有冷卻空氣可用，這使得燃燒室襯里和過渡件的薄膜冷卻最多只會過早發(fā)生。雖然如此，燃燒室襯里仍然需要主動冷卻，以將材料溫度保持在極限以下。在干燥的低NOx(DLN)排放系統(tǒng)內(nèi)，這種冷卻只能作為冷邊對流提供。這種冷卻必須在熱梯度和壓力損耗的要求內(nèi)進行。因此，諸如隔熱涂層與“背側(cè)”冷卻結(jié)合的方法已經(jīng)被認為可以使燃燒室襯里和過渡件防護諸如高熱這樣的損害。背側(cè)冷卻包括在預(yù)先混合空氣與燃料之前使壓縮機排出空氣通過過渡件和燃燒室襯里的外表面上方。
關(guān)于燃燒室襯里，一種現(xiàn)行的實踐是沖擊冷卻襯里或在襯里的外表面上提供線性紊流器。另一種更新的實踐是在襯里的外表面或外部表面上提供凹窩陣列(見美國專利No.6,098,397)。已知的各種各樣的技術(shù)可以提高熱傳輸，但對熱梯度和壓力損耗的影響各不相同。紊流帶通過在流中提供鈍頭體來起作用，其擾亂流形成剪流層和高紊流，以提高表面?zhèn)鳠帷０几C通過提供有組織的渦流起作用，該渦流增強流混合并擦洗表面以改進傳熱。
來自襯里的低傳熱率可能會導(dǎo)致襯里表面溫度較高，并最終造成強度的損失。由于襯里的高溫而可能造成的幾種潛在故障形式包括尾部套筒焊接線破裂、膨脹和三角剖分，但不僅限于此。這些機制會縮短襯里的壽命，從而需要提前更換該部件。
因此，還需要在比先前可用的溫度更高的燃燒溫度下提高以最小的壓力損耗進行主動冷卻的水平，同時擴大燃燒檢查間隔以降低發(fā)電成本。

發(fā)明內(nèi)容
上面所討論的以及其它的缺點和不足在一個典型的實施例中被一種用于冷卻燃氣輪機的燃燒室襯里和過渡件的設(shè)備克服或減輕。該設(shè)備包括燃燒室襯里，其有多個軸向沿限定燃燒室襯里長度的長度以陣列排列且位于其外部表面的圓環(huán)形紊流器；第一流動套管，其圍繞燃燒室襯里，其間有第一流環(huán)，其包括多個在襯里尾端部分的一部分上延伸的、彼此平行的軸向通道(C)，每一通道的截面積要么為常量，要么沿著通道的長度變化，第一流動套管有多排圍繞第一流動套管圓周形成的冷卻孔，用于引導(dǎo)冷卻空氣從壓縮機排氣進入第一流環(huán)；與燃燒室襯里連接的過渡件，該過渡件適于將熱的燃燒氣體送至渦輪級；圍繞過渡件的第二流動套管，其有第二多排冷卻開孔，以將冷卻空氣導(dǎo)入第二流動套管和過渡件之間的第二流環(huán)；其中第一多個冷卻孔和第二多個冷卻開孔中的每一個均配置有效面積，以使壓縮機排出空氣中少于50％的量被分配至第一流動套管，并與第二流環(huán)的冷卻空氣混合。
在另一個實施例中，渦輪發(fā)動機包括燃燒部分；處于燃燒部分下游的排氣部分；燃燒部分和排氣部分之間的過渡區(qū)；限定燃燒部分和過渡區(qū)的一部分的起紊流的燃燒室襯里，該起紊流的燃燒室襯里包括多個沿限定燃燒室襯里長度的長度軸向以陣列排列且位于其外部表面上的圓環(huán)紊流器；圍繞燃燒室襯里的第一流動套管，其間有第一流環(huán)，其包括多個在襯里尾端部分的一部分上延伸的、彼此平行的軸向通道(C)，每一通道的截面積為大致的常量和沿著通道的長度變化之一，第一流動套管有多排圍繞第一流動套管圓周形成的冷卻孔，用于引導(dǎo)冷卻空氣從壓縮機排出空氣進入第一流環(huán)；與至少一個燃燒室襯里和第一流動套管連接的過渡件，該過渡件適于將熱的燃燒氣體送至渦輪相當于排氣部分的級；圍繞過渡件的第二流動套管，其有第二多排冷卻開孔，以將冷卻空氣導(dǎo)入第二流動套管和過渡件之間的第二流環(huán)，第一流環(huán)與第二流環(huán)連接；其中第一多個冷卻孔和第二多個冷卻開孔中的每一個均配置有效面積，以使壓縮機排出空氣中少于50％的量被分配至第一流動套管，并與來自第二流環(huán)的冷卻空氣混合，以便冷卻流過其燃燒部分和排氣部分之間的發(fā)動機過渡區(qū)的空氣。
在一個可選的實施例中，公開了一種冷卻燃氣輪機燃燒室的燃燒室襯里的方法。燃燒室襯里包括大致圓形的截面，和圍繞襯里的、大致與其同心的第一流動套管，其間形成第一流環(huán)，以將空氣從壓縮機排出空氣送至燃氣輪機燃燒室，并且其中過渡件與燃燒室襯里相連，且過渡件被第二流動套管圍繞，從而形成與第一流第一環(huán)相連的第二流第一環(huán)。該方法包括提供多個在流動套管內(nèi)沿軸向隔開的冷卻孔排，每排圍繞流動套管沿圓周延伸，在第二流動套管內(nèi)的第一排接近第一第二流動套管接口的端部定位；提供來自壓縮機排氣的冷卻空氣到冷卻孔；以及為冷卻孔配置有效面積，以將少于三分之一的壓縮機排氣分配至第一流動套管并與來自所述第二流環(huán)的剩余壓縮機排氣混合。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以從下列詳細說明和附圖中理解和明白本發(fā)明的上述及其他特點和優(yōu)點。


現(xiàn)在參照附圖，其中幾幅圖中相同的元件標記相同圖1為燃燒室襯里傳統(tǒng)的燃燒室過渡件尾部的簡化側(cè)截面；圖2為傳統(tǒng)的燃燒室襯里和與過渡件連接的流動套管的部分但更詳細的透視圖；圖3為根據(jù)典型的實施例的襯里尾端的局部分解圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)尾部襯里區(qū)和本發(fā)明尾部襯里區(qū)用于使冷卻空氣流過多個渦輪過渡區(qū)通道的正視圖；圖5為本發(fā)明尾部襯里區(qū)用于使冷卻空氣流過多個渦輪過渡區(qū)通道的正視圖；圖6為具有根據(jù)典型實施例的圍繞燃燒室襯里及過渡件的流動套管和沖擊套管的燃燒室的側(cè)截面圖；圖7為圖6所示沖擊套管的放大圖；圖8為沖擊套管的簡化側(cè)視圖，示出了根據(jù)典型實施例的空氣動力收集器；圖9為沖擊套管上空氣動力收集器的放大細部；圖10為傳統(tǒng)的流動套管的透視圖，示出在背側(cè)冷卻期間和沿其長度的預(yù)計金屬溫度的相對差；和圖11是流動套管的透視圖，示出根據(jù)典型實施例的、在背側(cè)冷卻期間和沿其長度的預(yù)計金屬溫度的相對差。
具體實施例方式
參照圖1和圖2，典型的燃氣輪機包括過渡件10，通過該過渡件，熱的燃燒氣體從如燃燒室襯里12所示的上游燃燒室傳到14所示的渦輪第一級。來自燃氣輪機壓縮機的流離開軸向?qū)~16，進入壓縮機排氣箱18。大約50％的壓縮機排氣通過沿過渡件沖擊套管22并圍繞其形成的開孔20，以便流入過渡件10和徑向外部的過渡件沖擊套管22之間的環(huán)形區(qū)域或環(huán)24(或第二流環(huán))。剩余大約50％的壓縮機排氣流通過上游燃燒室襯里冷卻套管(未示出)的流動套管孔34和進入冷卻套管與襯里之間的環(huán)，并最終與環(huán)24中的空氣混合?；旌峡諝庾詈笤谌紵依锱c燃氣輪機燃料混合。
圖2所示為過渡件10和燃燒室流動套管28之間的連接，如其出現(xiàn)在圖1最左邊的情況。具體而言，過渡件10的沖擊套管22(或第二流動套管)以套入的關(guān)系容納在燃燒室流動套管28(或第一流動套管)尾端上的安裝法蘭26內(nèi)，且過渡件10也以套入的關(guān)系容納燃燒室襯里12。燃燒室流動套管28圍繞燃燒室襯里12，在其間形成流環(huán)30(或第一流環(huán))。可以從圖2的流向箭頭32看到，在環(huán)24內(nèi)流動的橫向冷卻氣流在垂直于流過冷卻孔34(看流向箭頭36)的沖擊冷卻空氣的方向上繼續(xù)流入環(huán)30，冷卻孔34圍繞流動套管28的周邊形成(圖2中可以看到3排，所述流動套管可以有任何數(shù)量排這樣的孔)。
仍舊參照圖1和圖2，其示出了通常環(huán)狀容器的回流式燃燒室，它由燃料形成的燃燒氣體驅(qū)動，其中具有高能含量的流動介質(zhì)，即燃燒氣體，因安裝在轉(zhuǎn)子上的葉片設(shè)備環(huán)引起的偏斜而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。在運行中，從壓縮機排出的空氣(壓縮成大約250-400磅/平方英寸量級的壓力)在其通過燃燒室襯里(一個示為12)的外部上方時倒轉(zhuǎn)方向，并在進入燃燒室襯里12通向渦輪(第一級示為14)時再次倒轉(zhuǎn)方向。壓縮空氣和燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生溫度在約1500℃和約2800°F之間的氣體。所述燃燒氣體通過過渡件10高速流入渦輪部分14。
燃燒室襯里12內(nèi)燃燒部分產(chǎn)生的熱氣流入部分16。這兩部分之間有在圖2上一般用46標示的過渡區(qū)。如以前所述，部分12尾端、區(qū)域46的入口部分的熱氣溫度大約為2800°F的量級。然而下游、區(qū)域46的出口部分的襯里金屬溫度更適宜為大約1400°-1550°F的量級。為幫助將襯里冷卻到這一較低的金屬溫度范圍，在加熱氣體通過區(qū)域46期間，襯里12提供為冷卻空氣從中流過。冷卻空氣用于從襯里吸取熱，并因而極大地降低了相對于熱氣溫度的襯里金屬溫度。
在參照圖3的典型實施例中，襯里112有相關(guān)的壓縮型密封件121，通常被稱為呼拉(hula)密封件，其安裝在襯里112的蓋板123和過渡區(qū)46的一個部分之間。蓋板安裝在襯里上，以形成壓縮密封件的安裝表面，并形成軸向氣流通道C的一個部分。如圖3所示，襯里112有多個由許多軸向凸起部分或肋124形成的軸向通道，其中所有通道都延伸過襯里112尾端的一部分。蓋板123和肋124一起限定各自的氣流通道C。這些通道是延伸過襯里112尾端的一部分的平行通道。冷卻空氣通過通道前端的空氣入口槽或開口126被導(dǎo)入通道。然后所述空氣流入并通過通道C，并通過襯里尾端130的開口127離開襯里。
根據(jù)所述公開，襯里112的設(shè)計能夠使冷卻空氣流的需求最小化，同時還在襯里的尾端130提供足夠的傳熱，以便沿襯里產(chǎn)生均勻的金屬溫度?？梢员槐绢I(lǐng)域技術(shù)人員理解的是，渦輪的部分12內(nèi)出現(xiàn)的燃燒會導(dǎo)致襯里112內(nèi)表面上的熱側(cè)傳熱系數(shù)和氣體溫度。現(xiàn)在要求當前設(shè)計的襯里須有外部表面(尾端)冷卻，因此襯里尾部承受的金屬溫度和熱應(yīng)力能夠保持在可接受的范圍內(nèi)。否則，因過高應(yīng)力、溫度或者兩者一起對襯里造成的損害，會極大地縮短襯里的使用壽命。
本發(fā)明的襯里112利用發(fā)生在襯里冷卻劑外側(cè)和熱氣內(nèi)側(cè)之間的存在的靜壓梯度影響襯里尾端的冷卻。這可以通過平衡襯里通道C內(nèi)的氣流速度和空氣溫度來實現(xiàn)，以便沿通道和襯里的長度產(chǎn)生恒定的冷卻效應(yīng)。
如圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)的襯里，通常標以標號100，具有通過蓋板前端延伸的流量計量孔102。如沿襯里100的長度延伸的虛線所示，通道的截面，如由其高度所限定的那樣，是沿通道整個長度恒定的。例如，這一厚度可以為0.045″(0.11厘米)。
對照參考圖5，本發(fā)明的襯里112的通道高度在通道入口126處大致(將近45％)高于襯里100的通道高度。然而，這一高度穩(wěn)定而均勻地沿通道C的長度減少，以便在通道的尾端使通道高度大致(將近55％)小于現(xiàn)有技術(shù)襯里100的出口高度。例如，襯里112的入口通道高度為0.065″(0.16厘米)，出口高度例如為0.025″(0.06厘米)，這樣通道的高度從通道入口端向出口端減小略微高于60％的程度。
比較現(xiàn)有技術(shù)襯里100和本發(fā)明的襯里112，發(fā)現(xiàn)，要與襯里112的冷卻氣流相稱，對襯里100內(nèi)的通道高度(未示出)的減小并不能提供足夠的冷卻以在襯里100內(nèi)產(chǎn)生可接受的金屬溫度，它也不會有效變化；即，使通過襯里的冷卻空氣的流量需求最小化了。相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在襯里112內(nèi)部提供可變的冷卻通道高度可以優(yōu)化襯里尾端130的冷卻。當通道高度可變時，由于通道內(nèi)的局部空氣速度可以與穿過通道的冷卻空氣流的局部溫度相平衡，就可以達到優(yōu)化冷卻。即，因為通道高度沿每條通道長度逐漸減小，該通道的橫截面積也相應(yīng)減小。這會增加穿過通道C的冷卻空氣流速度，并沿每一通道全長產(chǎn)生更為恒定的冷卻熱通量。因而襯里112的優(yōu)點就是可產(chǎn)生更為均勻的軸向熱梯度，并降低襯里內(nèi)的熱應(yīng)力。這又為襯里增加了有效使用壽命。作為重要的一點，對流過襯里的冷卻空氣的需求現(xiàn)在實質(zhì)上已降低了，這種空氣能夠到達渦輪的燃燒級，從而改善燃燒并減少廢氣排放，尤其是NOx的排放量。
現(xiàn)在參照圖6和圖7，示出了沖擊套管122的典型實施例。沖擊套管122包括第一排129或排0在前端沿圓周設(shè)置的通常以132標示的48個開孔。但是，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到，可設(shè)想任何數(shù)量的開孔132來適用于所希望的最終目標。每個開孔130的直徑大約為0.5英寸。排0或單一排129的開孔132使新鮮空氣在進入流動套管環(huán)30之前均勻地通過其進入沖擊套管環(huán)24。排0定位在套管122的有角部分，引導(dǎo)空氣流相對橫向氣流通路成銳角通過環(huán)24和30。冷卻孔的單獨一排129(排0開孔132)朝向沖擊套管122的前端布置，其用于控制從流動套管孔的沖擊水平，并因而避免冷流層。
更具體講，流動套管128包括孔配置，其中無需設(shè)置套筒，以使襯里112上的氣流沖擊最小化。這種燃燒室襯里的冷卻套筒在美國專利No.6,484,505中已公開，其已轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并被完全結(jié)合在這里。而且，襯里112完全紊流化，因而降低了襯里112上的背側(cè)冷卻傳熱流層。如美國專利No.6,681,578所描述的一樣，完全紊流化的襯里112包括在燃燒室襯里112的冷邊上的多個離散的凸起的圓形肋或環(huán)140，該專利已轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并被完全結(jié)合在這里。
根據(jù)典型實施例，燃燒室襯里112由多個的圓環(huán)形紊流器140形成。每個環(huán)形紊流器140包括由凸起的外圍肋限定的離散或獨立的圓環(huán)形物，其可在環(huán)形物內(nèi)形成封閉區(qū)域。環(huán)形紊流器最好沿襯里112的長度軸向按順序錯開陣列排列，環(huán)形物位于在襯里的冷邊或背側(cè)表面，徑向朝外朝向環(huán)繞的流動套管128。環(huán)形紊流器也可以隨機排列(或成不均勻圖案但是以幾何方式)，但大體以均勻地形式橫過襯里的表面。
當提及圓環(huán)形紊流器140時，可以理解的是紊流器可能是橢圓形或其他合適的形狀，并且其尺度和形狀必須形成內(nèi)部凹陷或深窩，該內(nèi)部凹陷或深窩足以形成流體混合的渦流。完全紊流與渦流混合相結(jié)合的增強特點，連同在襯里112內(nèi)部提供可變的冷卻通路高度一起，用來優(yōu)化襯里尾端128的冷卻，以便改善傳熱和熱量均勻性，其結(jié)果使壓力損耗低于不用這種增強特點的情況。
還要注意的是排0冷卻孔132在套管128內(nèi)的槽126與套管122內(nèi)14排154(1-14)的第一排150之間提供冷卻界面。排0使該區(qū)域發(fā)生的熱流層最小化。
包含排0的冷卻孔132進一步增強了流動套管128和沖擊套管122之間的冷卻空氣分離。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在兩套管128之間除了50-50外的空氣分離是需要的，以優(yōu)化冷卻，以便減少流層，并降低流過襯里的冷卻空氣需求。
用于襯里112(流動套管128)和過渡件10(沖擊套管122)的冷卻系統(tǒng)之間的空氣分配可以由通過流動套管128和沖擊套管122的空氣有效面積分配來控制。在典型的實施例里，根據(jù)CFD預(yù)測，來自出口壓縮機排放的目標冷卻空氣分離包括流動套管128接收大約32.7％排氣和沖擊套管122接收大約67.3％排氣。
過渡件10及其相關(guān)的沖擊套管在壓縮機排氣箱內(nèi)緊緊地裝配在一起。因此，幾乎沒有多少面積可供壓縮機排氣流過來冷卻過渡管的外側(cè)部分。因而空氣非常迅速地穿過鄰近的過渡管側(cè)板之間的狹窄縫隙，從而使空氣的靜壓相對較低。由于沖擊冷卻取決于靜壓差，因此過渡管的側(cè)板被劇烈過冷。結(jié)果可以使過渡管的低周期疲勞壽命達到規(guī)定以下。通過沖擊冷卻來冷卻過渡件或過渡管的例子可以在公同擁有的美國專利No.4,719,748中找到。
圖8所示為根據(jù)典型實施例的過渡件沖擊套管122，應(yīng)用了空氣動力“流收集裝置”226。在這一典型實施例里，裝置226成勺形，其安裝在套管的表面223上，且沿著幾排沖擊套管冷卻孔120軸向或周向延伸，或同時軸向和周向延伸，最好沿鄰近過渡管相似側(cè)板的側(cè)板延伸。如上所述，在某些燃氣輪機設(shè)計中，如果燃燒室和過渡件的緊湊、成環(huán)形陣列，則過渡件10的側(cè)板最難冷卻。通常的收集器完全或部分地圍在冷卻孔120的周圍，(例如，收集器可以為有頂或無頂?shù)陌雸A柱體形狀)，或部分或完全蓋在孔上，通常部分為球形。也可以使用其它能夠提供相似的氣流捕獲功能的形狀。如圖8和圖9清晰所見，每個收集器都有限定開口側(cè)229的邊緣227，所述邊緣位于大致垂直于沖擊套管122的表面223的平面中。
收集器226最好單個地焊接到套管上，以便引導(dǎo)壓縮機排氣徑向向內(nèi)穿過開口側(cè)229、孔120，到過渡管的側(cè)板上。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，收集器226的開口側(cè)229可以與氣流的方向有一角度。收集器可以單獨、成條或成片制造，所有收集器都在單個操作中被固定。收集器226的數(shù)量和位置由沖擊套管的形狀、壓縮機排氣箱內(nèi)的氣流和過渡件上的壓縮機熱負荷確定。
在使用中，空氣被空氣動力收集器226引向過渡件表面，該收集器突出到通過沖擊套管的高速氣流中。通過停滯和改向的組合，收集器226捕獲先前由于缺乏靜壓差而通過沖擊冷卻孔120的空氣，以驅(qū)動氣流通過它們，并引導(dǎo)氣流向內(nèi)到過渡管的熱表面(即側(cè)板)上，從而使金屬溫度降低到可接受的水平并增強沖擊套管的冷卻能力。
本發(fā)明的一個優(yōu)勢在于，它可以被應(yīng)用到現(xiàn)有的設(shè)計中，其相對價格低廉，且易于安裝，并可提供能夠應(yīng)用于需要額外冷卻的側(cè)板上的任何區(qū)域的局部解決方案。
已經(jīng)利用完全紊流化的襯里112和有優(yōu)化流動套管孔的流動套管128的設(shè)計模型進行了一系列的CFD研究，其中邊界條件假定為基本負荷條件之下的9FB 12kCl燃燒系統(tǒng)的邊界條件。研究結(jié)果表明，在正常的運行條件下，襯里112和流動套管128的設(shè)計為燃燒室襯里的背側(cè)提供了足夠的冷卻。參照圖11，所預(yù)測的沿流動套管128長度的金屬溫度表明金屬溫度變化明顯減少。
圖10和圖11表示現(xiàn)有技術(shù)襯里100和流動套管28以及本發(fā)明襯里112和流動套管128內(nèi)部的金屬溫度。如圖11所示，與圖10中流動套管28所示的流層相比，襯里流動套管128表現(xiàn)出了更為均勻的金屬溫度。如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，僅僅改變或均衡圓周有效面積及其相對于流動套管和沖擊套管的分配方式即可優(yōu)化均勻氣流，以消除在以前設(shè)計中不希望有的流層，從而在這些增加了的金屬溫度上產(chǎn)生可接受的熱應(yīng)力。再有，這不僅能幫助提高襯里的使用壽命，還允許一部分先前已引導(dǎo)通過襯里的氣流現(xiàn)在流向渦輪的燃燒部分12，以改善燃燒和減少排放量。
對沿襯里長度的冷卻進行優(yōu)化，相對現(xiàn)有的襯里結(jié)構(gòu)來說具有顯著的優(yōu)勢。其中特別的優(yōu)勢在于，由于新襯里改善了冷卻，要達到所需的襯里金屬溫度只需很少的空氣流過襯里；并且還可以平衡襯里通路內(nèi)的局部空氣速度和局部空氣溫度。這樣就沿襯里長度提供了恒定的冷卻熱通量。其結(jié)果在襯里內(nèi)部降低了熱梯度和熱應(yīng)力。對冷卻空氣的需求減少，由于降低了燃燒反應(yīng)溫度，也有助于延長襯里的使用壽命。最后，減少了氣流需求，可以使更多的空氣流向渦輪的燃燒部分，以改善燃燒、減少渦輪排放量。
雖然參照典型實施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以有各種各樣的變體并可用等價物來代替其中的元件。此外，在不脫離本發(fā)明必要范圍的情況下，也可做一些改進以使具體情況或材料與本發(fā)明的教示相適應(yīng)。因此，希望本發(fā)明不會被限制于這里所公開的作為實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式的特殊實施例，而是本發(fā)明能夠包括所附權(quán)利要求書范圍之內(nèi)的所有實施例。
部件列表


權(quán)利要求
1.一種渦輪燃燒室，其包括燃燒室襯里(112)，其包括多個軸向沿限定所述燃燒室襯里(112)長度的長度以陣列排列，且定位在其外表面上的圓環(huán)形紊流器(140)；圍繞所述燃燒室襯里(112)的第一流動套管(128)，其間有第一流環(huán)(30)，所述第一流環(huán)(30)包括多個在襯里(112)尾端(130)部分的一部分上延伸的、彼此平行的軸向通道(C)，每個通道的截面面積為大致恒定和沿通道長度變化之一，所述第一流動套管(128)有多排圍繞所述第一流動套管(128)的圓周形成的冷卻孔(34)，用以引導(dǎo)冷卻空氣從壓縮機排氣進入所述第一流環(huán)(30)；連接所述燃燒室襯里(112)的過渡件(10)，所述過渡件(10)適于將熱的燃燒氣體送至渦輪級；圍繞所述過渡件(10)的第二流動套管(128)，所述第二流動套管(128)有第二多排冷卻開孔(120)，用以引導(dǎo)冷卻空氣從壓縮機排氣進入第二流動套管(128)和過渡件(10)之間的第二流環(huán)(24)，所述第一流環(huán)(30)與所述第二流環(huán)(24)相連；其中，所述第一多個冷卻孔(34)和第二多個冷卻開孔(120)每一個都配置有效面積，以便將少于50％的壓縮機排氣分配入所述第一流動套管(128)，并與來自所述第二流環(huán)(24)的冷卻空氣混合。
2.如權(quán)利要求1所述的燃燒室，其特征在于，所述第二流動套管(128)內(nèi)的所述多排冷卻開孔(120)的第一排(129)位于鄰近與所述第一流動套管(128)接口的一端。
3.如權(quán)利要求2所述的燃燒室，其特征在于，冷卻開孔(120)的所述第一排(129)允許所述壓縮機排氣在進入所述第二流環(huán)(24)之前進入所述第一流環(huán)(30)。
4.如權(quán)利要求3所述的燃燒室，其特征在于，冷卻開孔(120)的所述第一排(129)位于所述第二流動套管(128)的有角部分(134)上，引導(dǎo)通過其的空氣流相對橫向氣流通路成銳角通過所述第一和第二流環(huán)(30、24)。
5.如權(quán)利要求4所述的燃燒室，其特征在于，每一個冷卻開孔(132)的直徑大約為0.5英寸。
6.如權(quán)利要求1所述的燃燒室，其特征在于，所述第一多個冷卻孔(34)和第二多個冷卻開孔(120)每一個都配置有效面積，以便將少于三分之一的壓縮機排氣分配入所述第一流動套管(128)，并與從所述第二流環(huán)(24)流動的剩余壓縮機排氣混合。
7.如權(quán)利要求1所述的燃燒室，其特征在于，每個通道的截面面積沿通道的長度從接納空氣進入每個通道的空氣入口向空氣從襯里(112)的襯里端部排出的空氣出口均勻減少。
8.如權(quán)利要求7所述的燃燒室，其特征在于，每個通道的高度沿通道的長度從空氣入口端向襯里(112)的空氣出口端均勻減少，從而降低了襯里(112)尾端(130)處出現(xiàn)的熱應(yīng)力，以延長襯里(112)的使用壽命，并減少需要流過襯里(112)以影響過渡區(qū)(46)中要求的冷卻水平的空氣量。
9.如權(quán)利要求1所述的燃燒室，其進一步包括多個流收集裝置(226)，每個流收集裝置(226)包括圍繞所述冷卻開孔(120)的相應(yīng)的一個的一部分固定在所述第二流動套管(128)外部表面(223)上的收集器(226)，并有由位于大致垂直于所述外部表面(223)的平面內(nèi)的收集器(226)的邊緣(227)限定且面向壓縮機排氣氣流方向布置的開口側(cè)(229)，從而使所述流收集裝置(226)重新定向壓縮機排氣氣流通過所述第二流動套管(128)并到達所述過渡件(10)上。
全文摘要
冷卻燃氣輪機燃燒室襯里和過渡件的方法和設(shè)備包括燃燒室襯里，有多個軸向沿限定其長度的長度陣列排列且位于其外表面的圓環(huán)形紊流器；繞燃燒室襯里的第一流動套管，其間有第一流環(huán)，包括多個在襯里尾端的部分延伸且彼此平行的軸向通道，其每個的截面積恒定或者沿通道長度變化，第一流動套管有多排繞其圓周形成的冷卻孔，引導(dǎo)冷卻空氣從壓縮機排氣進入第一流環(huán)；連接燃燒室襯里且適于將熱燃燒氣送至渦輪級的過渡件；繞過渡件的第二流動套管，其有第二多排冷卻開孔將冷卻空氣引入第二流動套管和過渡件之間的第二流環(huán)；其中第一多個冷卻孔和第二多個冷卻開孔每個配置有效面積，少于50％的壓縮機排氣分入第一流動套管，混合第二流環(huán)的冷卻空氣。
文檔編號F23R3/42GK1704573SQ20051007602
公開日2005年12月7日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月1日
發(fā)明者J·C·恩特勒, J·A·維斯特, W·拜內(nèi) 申請人:通用電氣公司