專利名稱：紊流式后端襯套組件和相關(guān)冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)內(nèi)的內(nèi)部冷卻；且更具體地講，涉及用于在燃燒器襯 套和將燃燒氣體引導(dǎo)到渦輪的第一級的過渡導(dǎo)管之間的過渡區(qū)中提供更好且更均勻的冷 卻的組件和方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器使用擴(kuò)散(即非預(yù)混合)燃燒，其中燃料和空氣單獨地進(jìn) 入燃燒室?；旌虾腿紵倪^程會產(chǎn)生超過3900° F的火焰溫度。由于傳統(tǒng)的燃燒器襯套和 /或過渡件大體能夠經(jīng)受僅約1500° F(約820°C )的最大溫度約一萬個小時(10，000小 時)，所以為了耐用性、抗蠕變性和密封完整性，必須采取措施來保護(hù)燃燒器襯套和/或過 渡導(dǎo)管，以及燃燒器襯套和過渡件的交接處的密封構(gòu)造。這通常是通過薄膜式冷卻來完成 的，薄膜式冷卻涉及將相對冷的壓縮機(jī)空氣引導(dǎo)到由包圍燃燒器的外部的燃燒器襯套形成 的氣室中。在此現(xiàn)有布置中，來自氣室的空氣穿過燃燒器襯套中的通氣窗，且然后作為薄膜 越過襯套的內(nèi)表面，從而保持燃燒器襯套完整性。因為二原子氮會在超過約3000° F(約1650°C)的溫度下迅速分裂，所以擴(kuò)散燃 燒的高溫會造成相對較大的NOx排放。降低NOx排放的一種方法是使最大可能的量的壓 縮機(jī)空氣與燃料預(yù)混合。所得的貧預(yù)混合燃燒會產(chǎn)生較冷的火焰溫度，并且從而產(chǎn)生較低 的NOx排放。通過預(yù)混合燃燒降低NOx排放受到可用于燃燒的總壓縮機(jī)空氣的百分比的限 制。雖然貧預(yù)混合燃燒比擴(kuò)散燃燒更冷，但是火焰溫度仍然太熱，以至于現(xiàn)有的傳統(tǒng)燃燒器 構(gòu)件不能承受。此外，因為先進(jìn)的燃燒器使最大可能的量的空氣與燃料預(yù)混合來降低NOx，所以 有很少冷卻空氣或沒有冷卻空氣可用，從而使得對燃燒器襯套和過渡件進(jìn)行薄膜式冷卻 不切實際。然而，燃燒器襯套需要主動的冷卻，以使材料溫度保持在極限以下。在干式低 NOx(DLN)排放系統(tǒng)中，這種冷卻僅可作為冷側(cè)對流來提供。必須在熱梯度和壓力損失的要 求內(nèi)執(zhí)行這種冷卻。因此，考慮過諸如隔熱涂層結(jié)合“后側(cè)”冷卻的手段來保護(hù)燃燒器襯套 和過渡件不被這種高熱損害。后側(cè)冷卻涉及在使空氣與燃料預(yù)混合之前使壓縮機(jī)排氣越過 過渡件和燃燒器襯套的外表面。另一種現(xiàn)行的實踐是對襯套進(jìn)行沖擊冷卻，并且，可選地，在襯套的外表面上提供 紊流器(參見例如美國專利NO. 7，010，921)。又一種實踐是在襯套的外表面或外部表面上 提供一排凹陷(參見美國專利NO. 6，098，397)。這些各種已知的技術(shù)會增強(qiáng)傳熱，但在熱梯 度和壓力損失方面有不定的作用。如共同擁有的美國專利NO. 7，010，921中所描述的另一種技術(shù)在襯套和襯套的后 端處的密封件之間徑向地提供了特別為冷卻該密封件而設(shè)計的筆直的軸向冷卻空氣槽道。但是，仍然需要在燃燒器襯套/過渡件交接區(qū)中提供更有效的冷卻，以進(jìn)一步提 高耐用性，并且由此提高燃燒器襯套和相關(guān)聯(lián)的密封件的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
以上論述的和其它的缺點和缺陷在一個示例實施例中由用于冷卻燃?xì)廨啓C(jī)的燃 燒器襯套和過渡件之間的交接區(qū)的裝置至少部分地克服或消除。因此，在一個方面中，本發(fā)明涉及燃燒器襯套，其包括具有前端和后端的、端部開 口的大體圓柱形的主體，后端形成有多個沿軸向延伸的槽道，槽道由多個沿軸向延伸的沿 周向隔開的肋限定；各個槽道設(shè)有多個沿軸向隔開的橫向紊流器，肋比紊流器具有更大的尚度。在另一個方面中，本發(fā)明涉及用于渦輪的燃燒器，其包括燃燒器襯套；包圍燃燒 器襯套的第一流動套管，在燃燒器襯套與第一流動套管之間具有第一流動環(huán)室，第一流動 套管具有形成于其周邊周圍以將壓縮機(jī)排氣引導(dǎo)到第一流動環(huán)室中的多個冷卻孔口 ；連 接到燃燒器襯套上的過渡件主體，過渡件主體適于將熱的燃燒氣體運送到渦輪；包圍過渡 件主體的第二流動套管，第二流動套管具有用于將壓縮機(jī)排氣引導(dǎo)到第二流動套管和過渡 件主體之間的第二流動環(huán)室中的第二組多個冷卻孔口，第一流動環(huán)室連接到第二流動環(huán)室 上；徑向地設(shè)置在燃燒器襯套的后端部分和過渡件主體的前端部分之間的彈性密封結(jié)構(gòu)； 徑向地設(shè)置在燃燒器襯套的后端部分和彈性密封結(jié)構(gòu)之間的蓋套管，在蓋套管和燃燒器襯 套的后端部分之間的多個沿軸向延伸的沿周向隔開的空氣流動槽道；以及朝向蓋套管凸出 但與蓋套管隔開的、各個空氣流動槽道中的多個沿軸向隔開的沿橫向定向的紊流器。在又一個實施例中，本發(fā)明涉及對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器中的、介于燃燒器襯套的后端 部分和過渡件的前端部分之間的過渡區(qū)進(jìn)行冷卻的方法，燃燒器襯套具有包圍燃燒器襯套 的第一流動套管，在燃燒器襯套與第一流動套管之間有第一流動環(huán)室，第一流動套管具有 形成于其周邊周圍以將壓縮機(jī)排氣引導(dǎo)到第一流動環(huán)室中的第一組多個冷卻孔口，過渡件 連接到燃燒器襯套上且適于將熱的燃燒氣體運送到渦輪；第二流動套管包圍過渡件，該第 二流動套管具有用于將壓縮機(jī)排氣引導(dǎo)到第二流動套管和過渡件之間的第二流動環(huán)室中 的第二組多個冷卻孔口，第一流動環(huán)室連接到第二流動環(huán)室上；過渡區(qū)包括徑向地設(shè)置在 燃燒器襯套的后端部分和過渡件的前端部分之間的彈性密封結(jié)構(gòu)；該方法包括(a)將燃 燒器襯套的后端部分構(gòu)造成包括多個沿軸向定向的流動槽道，以及在各個流動槽道中的多 個沿徑向向外凸出的橫向紊流器；(b)將蓋套管設(shè)置在燃燒器襯套的后端部分和彈性密封 結(jié)構(gòu)之間，以便封閉流動槽道的徑向外側(cè)；橫向紊流器朝向蓋套管凸出但與其隔開；以及 (C)將壓縮機(jī)排氣供應(yīng)通過第一組多個冷卻孔口和第二組多個冷卻孔口中的至少一些并且 通過流動槽道，以從而冷卻彈性密封件?，F(xiàn)在將結(jié)合下面標(biāo)識的附圖對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。


圖1是示出了在燃燒器襯套的后端和過渡件的前端處的交接區(qū)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒 器的局部示意性剖面圖；圖2是圖1的交接區(qū)的局部但更加詳細(xì)的視圖；圖3是在燃燒器襯套的后端處且適于由過渡件接合的密封構(gòu)造的分解局部視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的燃燒器襯套的后端的示意性正視圖；圖5是圖4中所示的燃燒器襯套的端視圖；以及
圖6是圖4和5中所示的襯套的后端的局部透視圖。
具體實施例方式圖1示意性地描繪了在環(huán)管型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器10中的燃燒器襯套的后端和過渡 件的前端之間的交接區(qū)。如可在此實例中看到的，過渡件12包括徑向內(nèi)側(cè)的過渡件主體14 和與過渡件主體14隔開的徑向外側(cè)的過渡件沖擊套管16。在過渡件12的上游的是燃燒襯 套18和限定為與襯套成包圍關(guān)系的燃燒器流動套管20。來自燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)(未示出)的流進(jìn)入殼體24中。約50%的壓縮機(jī)排氣穿過 沿著過渡件沖擊套管16形成且形成于過渡件沖擊套管16周圍的孔口(沒有詳細(xì)顯示)，以 在過渡件主體14和徑向外側(cè)的過渡件沖擊套管16之間的環(huán)形區(qū)或環(huán)室26中流動。剩余 的約50%的壓縮機(jī)排氣傳送進(jìn)入上游燃燒襯套流動套管20的流動套管孔28中，且進(jìn)入流 動套管20和襯套18之間的環(huán)室30中，并且最終與來自下游環(huán)室26的空氣混合。組合后 的空氣最終在燃燒室中與燃?xì)廨啓C(jī)燃料混合。圖2更加詳細(xì)地示出了過渡件14/沖擊套管16與燃燒器襯套18/流動套管20之 間的過渡區(qū)(或連接處)22。特別地，過渡件14的沖擊套管16 (或第二流動套管)以可伸 縮的關(guān)系接收在燃燒器流動套管20 (或第一流動套管)的后端上的安裝凸緣32中。過渡 件14還以可伸縮的關(guān)系接收燃燒器襯套18。燃燒器流動套管20包圍燃燒器襯套18，從而 在它們之間建立流動環(huán)室30 (或第一流動環(huán)室)?？蓮膱D2中的流動箭頭34看出，在環(huán)室 26中行進(jìn)的橫向流動冷卻空氣繼續(xù)沿垂直于流過冷卻孔28(見流動箭頭36)的沖擊冷卻空 氣的方向流入環(huán)室30中，冷卻孔28形成于流動套管20的周邊周圍(雖然圖2中顯示了三 排冷卻孔，但是流動套管可具有任何排數(shù)的這種孔)。如上所述，在襯套18的后端和連接處或交接區(qū)22處的熱氣溫度為約2800° F。但 是，在交接區(qū)22的下游出口部分處的襯套金屬溫度優(yōu)選地為約1400-1550° F。如下面更 加詳細(xì)地論述的，為了幫助在加熱了的氣體穿過交接區(qū)22期間將襯套18冷卻到此較低的 金屬溫度范圍，襯套18的后端已經(jīng)形成有軸向通道，冷卻空氣流過該軸向通道。此冷卻空 氣用來從襯套中抽取熱，且從而相對于熱氣的溫度顯著地降低襯套金屬溫度。更具體地，且如在圖3中最佳地看到的，襯套18具有安裝在襯套后端50的環(huán)形蓋 套管或板40和過渡件14之間的相關(guān)聯(lián)的壓縮型密封件38，其通常稱為“呼拉圈式密封件 (hula seal)”。更具體地，蓋板40安裝在襯套后端50上，以形成用于壓縮密封件的安裝表 面。襯套18具有由多個沿軸向延伸的凸起的區(qū)段或肋44形成的多個軸向槽道42，其在襯 套18的后端50的周圍沿周向延伸。蓋套管40和肋44共同限定了在襯套的后端周圍沿周 向排列的相應(yīng)的基本平行的氣流槽道42。冷卻空氣分別通過進(jìn)氣槽46和/或開口 47被引 導(dǎo)到槽道42中，并且通過開口 48離開襯套。根據(jù)本發(fā)明的示例性但非限制性的實施例，將圖3所示的冷卻布置修改成在沿軸 向延伸的肋44之間包括紊流凸脊。如在圖4-6 (其中保留了對應(yīng)于圖3中所示的燃燒器元 件的參考標(biāo)號，但添加了前綴“1”)中最佳地看到的，限定冷卻流動槽道142的沿軸向延伸 的肋144仍然由蓋板或套管140封閉。但是，這里，橫向(或沿周向延伸的)紊流器52以 基本平行的、沿軸向隔開的關(guān)系引入各個槽道142內(nèi)。注意，紊流器52也是肋的形式，但其 具有比肋144的高度更小的高度，從而當(dāng)蓋套管140位于襯套的后端118周圍時，冷卻空氣能夠流過槽道142，同時“行”過紊流器52，并且從而增大局部傳熱系數(shù)，并且從而提高冷卻 能力。雖然顯示了紊流器52的形狀為大體長方形，但將理解的是，紊流器52的確切高度、 截面形狀和軸向間隔可隨具體應(yīng)用改變。另外，制造技術(shù)(機(jī)械加工、鑄造等)可確定一個 槽道中的紊流器152是否是與相鄰槽道中的紊流器沿周向?qū)R的。至今還在進(jìn)行的一項分析顯示，在交接區(qū)中溫度降低了 50° F-100。F。因此，通 過提供如本文所提出的橫向紊流器52，與無紊流的流動槽道相比，應(yīng)該能夠用相同量的冷 卻空氣實現(xiàn)較大的傳熱(或用較少的冷卻空氣實現(xiàn)相同量的傳熱)。這種額外的冷卻能力 提高了使用壽命和/或在較高的溫度下點燃燃?xì)廨啓C(jī)的能力，以及/或者使得能夠降低NOx 排放。雖然已經(jīng)結(jié)合目前被認(rèn)為是最實用和優(yōu)選的實施例的內(nèi)容對本發(fā)明進(jìn)行了描述， 但將理解的是，本發(fā)明不限于所公開的實施例，而是相反，本發(fā)明意圖覆蓋包括在所附權(quán)利 要求書的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。
權(quán)利要求
一種燃燒器襯套(118)，包括具有前端和后端(150)的、端部開口的大體圓柱形的主體，所述后端形成有由多個沿軸向延伸、沿周向隔開的肋(144)限定的多個沿軸向延伸的槽道(142)；各個槽道設(shè)有多個沿軸向隔開的橫向紊流器(52)，所述肋(144)比所述紊流器(52)具有更大的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器襯套，其特征在于，所述橫向紊流器(52)彼此基本平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器襯套，其特征在于，相鄰槽道中的所述橫向紊流器 (52)沿周向?qū)R。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器襯套，其特征在于，所述橫向紊流器(52)的形狀基本 為長方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器襯套，其特征在于，所述后端(150)封閉在套管(140) 內(nèi)，所述套管(140)與所述肋(144)接合，但不與所述橫向紊流器(52)接合。
6.一種用于渦輪的燃燒器，包括燃燒器襯套(118)；包圍所述燃燒器襯套的第一流動套管(140)，在所述燃燒器襯套和所述第一流動套管 (140)之間有第一流動環(huán)室，所述第一流動套管(140)具有形成于該第一流動套管(140)周 邊周圍以將壓縮機(jī)排氣引導(dǎo)到所述第一流動環(huán)室中的多個冷卻孔口(146)；連接到所述燃燒器襯套(118)上的過渡件主體(14)，所述過渡件主體適于將熱的燃燒 氣體運送到所述渦輪；包圍所述過渡件主體(14)的第二流動套管(16)，所述第二流動套管具有用于將壓縮 機(jī)排氣引導(dǎo)到所述第二流動套管和所述過渡件主體之間的第二流動環(huán)室中的第二組多個 冷卻孔口，所述第一流動環(huán)室連接到所述第二流動環(huán)室上；徑向地設(shè)置在所述燃燒器襯套(118)的后端部分和所述過渡件主體(14)的前端部分 之間的彈性密封結(jié)構(gòu)(38)；徑向地設(shè)置在所述燃燒器襯套(118)的所述后端部分和所述彈性密封結(jié)構(gòu)(38)之間 的蓋套管(140)，在所述蓋套管(140)和所述燃燒器襯套(118)的所述后端部分之間的多個 沿軸向延伸、沿周向隔開的空氣流動槽道(142)；以及朝向所述蓋套管(140)凸出但與所述 蓋套管(140)隔開的、所述空氣流動槽道的各個中的多個沿軸向隔開沿橫向定向的紊流器 (52)。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒器，其特征在于，所述橫向紊流器(52)彼此基本平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒器，其特征在于，相鄰的空氣流動槽道中的所述橫向紊 流器(52)沿周向?qū)R。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒器，其特征在于，所述橫向紊流器(52)的形狀基本為長 方形。
10.一種對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器中的、介于燃燒器襯套(118)的后端部分和過渡件(12)的 前端部分之間的過渡區(qū)(22)進(jìn)行冷卻的方法，所述燃燒器襯套(118)具有包圍所述燃燒器 襯套的第一流動套管(140)，在所述燃燒器襯套(118)和第一流動套管(140)之間有第一 流動環(huán)室，所述第一流動套管(140)具有形成于該第一流動套管周邊周圍以將壓縮機(jī)排氣 引導(dǎo)到所述第一流動環(huán)室中的第一組多個冷卻孔口(146)；所述過渡件(12)連接到所述燃2燒器襯套(118)上且適于將熱的燃燒氣體運送到渦輪；第二流動套管(16)包圍所述過渡 件(12)，所述第二流動套管(16)具有用于將壓縮機(jī)排氣引導(dǎo)到所述第二流動套管和所述 過渡件之間的第二流動環(huán)室中的第二組多個冷卻孔口，所述第一流動環(huán)室連接到所述第二 流動環(huán)室上；所述過渡區(qū)(22)包括徑向地設(shè)置在所述燃燒器襯套(118)的所述后端部分和 所述過渡件(12)的所述前端部分之間的彈性密封結(jié)構(gòu)(38)；所述方法包括(a)將所述燃燒器襯套(118)的所述后端部分構(gòu)造成包括多個沿軸向定向的流動槽道 (142)，以及在所述流動槽道的各個中的多個沿徑向向外凸出的橫向紊流器(52)；(b)將蓋套管(140)設(shè)置在所述燃燒器襯套(118)的所述后端部分和所述彈性密封結(jié) 構(gòu)(38)之間，以便封閉所述流動槽道的徑向外側(cè)；所述橫向紊流器(52)朝向所述蓋套管 (140)凸出但與所述蓋套管(140)隔開；以及(c)將壓縮機(jī)排氣供應(yīng)通過所述第一組多個冷卻孔口和所述第二組多個冷卻孔口中的 至少一些并且通過所述流動槽道，以從而冷卻所述彈性密封件。
全文摘要
本發(fā)明涉及紊流式后端襯套組件和相關(guān)冷卻方法。在用于渦輪的燃燒器中，蓋套管(140)設(shè)置在燃燒器襯套(118)的后端部分和彈性密封結(jié)構(gòu)(38)之間，以在它們之間限定空氣流動通道。蓋套管(140)在其前端處具有用于將冷卻空氣引導(dǎo)到空氣流動通道中的多個進(jìn)氣供給孔(146)。限定空氣流動通道的燃燒器襯套后端部分的徑向外表面包括朝向蓋套管(140)凸出但與其隔開的多個紊流器(52)，以及多個支承件(144)，支承件(144)延伸到蓋套管且接合蓋套管，以使蓋套管與紊流器隔開，以限定空氣流動通道。
文檔編號F23D14/70GK101915422SQ20101011857
公開日2010年12月15日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者A·史密斯, J·D·布朗, M·伯克曼, S·K·富爾赫爾 申請人:通用電氣公司