關(guān)于聯(lián)邦政府贊助的研究或開發(fā)的聲明

本發(fā)明是借助美國政府支持在由美國能源部授予的合同號de-fe0023965下完成的。政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。

本申請和所得的專利大體上涉及燃氣渦輪發(fā)動機，且更具體而言，涉及燃燒器壁通道冷卻系統(tǒng)，該燃燒器壁通道冷卻系統(tǒng)具有圍繞燃燒器的襯套壁定位的襯套壁冷卻通道，以便提供壁冷卻以及吹掃或膜冷卻流。

背景技術(shù)：

在燃氣渦輪發(fā)動機中，熱燃燒氣體大體上沿?zé)釟怏w路徑從燃燒器穿過過渡件流動且流到渦輪中，以產(chǎn)生有用功。因為更高溫度的燃燒流一般導(dǎo)致燃氣渦輪發(fā)動機的性能、效率、和總功率輸出的提高，所以經(jīng)歷更高溫度燃燒流的構(gòu)件必須被冷卻，以允許燃氣渦輪發(fā)動機在此種提高的溫度下操作，而沒有損傷或減少的壽命。

應(yīng)冷卻的熱氣體路徑構(gòu)件的一個實例是燃燒器襯套。具體而言，由燃料-空氣混合物在燃燒器內(nèi)的燃燒引起的高溫流被引導(dǎo)穿過燃燒器襯套。冷卻襯套的現(xiàn)有方法包括不同類型的膜冷卻技術(shù)等。這些冷卻流可被通過總系統(tǒng)壓力降送到襯套或熱氣體路徑中。具體而言，空氣可被從壓縮機或其他地方經(jīng)由稍微復(fù)雜的一系列熱交換器和管路送到燃燒器。此種膜冷卻技術(shù)可為有效的，但冷卻流隨后不可被利用以減少非期望的排放。而且，此種冷卻流可為昂貴的，因為在使用之前可能需要外部冷卻。

因而期望冷卻燃燒器襯套和/或其他類型的熱氣體路徑構(gòu)件的改善的冷卻系統(tǒng)和方法。此種改進的冷卻系統(tǒng)和方法可在系統(tǒng)輸出和效率的總體提高的情況下提供足夠的冷卻。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請和所得的專利因而提供一種用于與燃氣渦輪發(fā)動機一起使用的燃燒器襯套。燃燒器襯套可包括完全或部分地從頭端延伸到后端的襯套壁、定位在襯套壁內(nèi)且從入口延伸到出口的多個襯套壁冷卻通道、和多個襯套返回管道。襯套壁冷卻通道的出口可定位在襯套返回管道附近。

本申請和所得的專利因而提供一種冷卻燃氣渦輪發(fā)動機中的燃燒器的構(gòu)件的方法。該方法可包括以下步驟：對構(gòu)件的壁提供空氣流；使空氣流動通過構(gòu)件的壁中的多個冷卻通道；使空氣從構(gòu)件的壁中的冷卻通道流到返回管道中；和使空氣在返回管道中流到另一構(gòu)件。

本申請和所得的專利還提供一種用于與燃氣渦輪發(fā)動機一起使用的構(gòu)件。該構(gòu)件可包括完全或部分地從頭端延伸到后端的構(gòu)件壁、定位在構(gòu)件壁內(nèi)且從入口延伸到出口的多個構(gòu)件壁冷卻通道、和多個構(gòu)件返回管道。構(gòu)件壁冷卻通道的出口可定位在構(gòu)件返回管道附近。

技術(shù)方案1：一種用于與燃氣渦輪發(fā)動機一起使用的燃燒器襯套，包括：

襯套壁，其完全或部分地從頭端延伸至后端；

多個襯套壁冷卻通道，其定位在所述襯套壁內(nèi)；

其中，所述多個襯套壁冷卻通道從入口延伸至出口；和

多個襯套返回管道；

其中，所述多個襯套壁冷卻通道的出口定位在所述多個襯套返回管道附近。

技術(shù)方案2：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套返回管道與圍繞所述襯套壁的頭端定位的頭端管道連通。

技術(shù)方案3：根據(jù)技術(shù)方案2所述的燃燒器襯套，其中，所述襯套壁包括與所述頭端管道連通的多個吹掃孔。

技術(shù)方案4：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套壁冷卻通道的入口定位為與流動套管內(nèi)的流動路徑中的空氣流連通。

技術(shù)方案5：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套壁冷卻通道包括基本上方形的形狀或基本上圓的形狀。

技術(shù)方案6：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套壁冷卻通道包括大約2到5英寸(大約5.1到12.7厘米)的長度。

技術(shù)方案7：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套壁冷卻通道包括大約0.060英寸(大約1.524毫米)到大約0.080英寸(大約2.0毫米)的直徑。

技術(shù)方案8：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套壁冷卻通道包括大約0.065英寸(大約1.65毫米)的入口直徑和大約0.075英寸(大約1.91毫米)的引出口直徑。

技術(shù)方案9：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套壁冷卻通道可在所述襯套壁上定位在多個列中。

技術(shù)方案10：根據(jù)技術(shù)方案9所述的燃燒器襯套，其中，八個到十五個所述多個襯套壁冷卻通道可定位在所述襯套壁上的所述多個列中的各個中。

技術(shù)方案11：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套壁冷卻通道是鑄造到所述襯套壁中的。

技術(shù)方案12：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述多個襯套壁冷卻通道是通過添加制造過程形成的。

技術(shù)方案13：根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃燒器襯套，其中，所述襯套壁包圍燃燒室。

技術(shù)方案14：一種冷卻燃氣渦輪發(fā)動機中的構(gòu)件的方法，包括：

對所述構(gòu)件的壁提供空氣流；

使空氣流動通過所述構(gòu)件的壁中的多個冷卻通道；

使空氣從所述構(gòu)件的壁中的所述多個冷卻通道流到返回管道中；和

使空氣在所述返回管道中流到另一構(gòu)件。

技術(shù)方案15：根據(jù)技術(shù)方案14所述的冷卻方法，其中，使空氣在所述返回管道中流到另一構(gòu)件的步驟包括使空氣在所述返回管道中流到頭端管道。

技術(shù)方案16：一種用于與燃氣渦輪發(fā)動機一起使用的構(gòu)件，包括：

構(gòu)件壁，其完全或部分地從頭端延伸至后端；

多個構(gòu)件壁冷卻通道，其定位在所述構(gòu)件壁內(nèi)；

其中，所述多個構(gòu)件壁冷卻通道從入口延伸至出口；和

多個構(gòu)件返回管道；

其中，所述多個構(gòu)件壁冷卻通道的出口定位在所述多個構(gòu)件返回管道附近。

技術(shù)方案17：根據(jù)技術(shù)方案16所述的構(gòu)件，其中，所述構(gòu)件包括燃燒器襯套。

技術(shù)方案18：根據(jù)技術(shù)方案16所述的構(gòu)件，其中，所述多個構(gòu)件壁冷卻通道包括入口和出口，且其中，所述多個構(gòu)件壁冷卻通道的出口定位在所述多個構(gòu)件返回管道附近。

技術(shù)方案19：根據(jù)技術(shù)方案16所述的構(gòu)件，其中，所述多個構(gòu)件返回管道與圍繞所述構(gòu)件壁定位的管道連通。

技術(shù)方案20：根據(jù)技術(shù)方案16所述的構(gòu)件，其中，所述多個構(gòu)件壁冷卻通道包括大約2到5英寸(大約5.1到12.7厘米)的長度。

方案1：一種用于與燃氣渦輪發(fā)動機10一起使用的燃燒器襯套110，包括：

襯套壁140，其完全或部分地從頭端105延伸至后端115；

多個襯套壁冷卻通道130，其定位在所述襯套壁140內(nèi)；

其中，所述多個襯套壁冷卻通道130從入口150延伸至出口160；和

多個襯套返回管道170；

其中，所述多個襯套壁冷卻通道130的出口定位在所述多個襯套返回管道170附近。

方案2：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套110，其中，所述多個襯套返回管道170與圍繞所述襯套壁140的頭端105定位的頭端管道180連通。

方案3：根據(jù)方案2所述的燃燒器襯套110，其中，所述襯套壁140包括與所述頭端管道180連通的多個吹掃孔190。

方案4：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套110，其中，所述多個襯套壁冷卻通道130的入口150定位為與流動套管70內(nèi)的流動路徑75中的空氣流20連通。

方案5：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套110，其中，所述多個襯套壁冷卻通道130包括基本上方形的形狀或基本上圓的形狀。

方案6：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套110，其中，所述多個襯套壁冷卻通道130包括大約2到5英寸(大約5.1到12.7厘米)的長度。

方案7：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套100，其中，所述多個襯套壁冷卻通道130包括大約0.060英寸(大約1.524毫米)到大約0.080英寸(大約2.0毫米)的直徑。

方案8：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套100，其中，所述多個襯套壁冷卻通道130包括大約0.065英寸(大約1.65毫米)的入口直徑和大約0.075英寸(大約1.91毫米)的引出口直徑。

方案9：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套100，其中，所述多個襯套壁冷卻通道130可在所述襯套壁140上定位在多個列中。

方案10：根據(jù)方案9所述的燃燒器襯套110，其中，八個到十五個所述多個襯套壁冷卻通道130可定位在所述襯套壁140上的所述多個列中的各個中。

方案11：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套110，其中，所述多個襯套壁冷卻通道130是鑄造到所述襯套壁中的。

方案12：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套110，其中，所述多個襯套壁冷卻通道130是通過添加制造過程形成的。

方案13：根據(jù)方案1所述的燃燒器襯套110，其中，所述襯套壁140包圍燃燒室85。

方案14：一種冷卻燃氣渦輪發(fā)動機10中的構(gòu)件110的方法，包括：

對所述構(gòu)件110的壁140提供空氣流20；

使空氣20流動通過所述構(gòu)件110的壁140中的多個冷卻通道130；

使空氣20從所述構(gòu)件110的壁140中的所述多個冷卻通道130流到返回管道170中；和

使空氣20在所述返回管道170中流到另一構(gòu)件。

方案15：根據(jù)方案14所述的冷卻方法，其中，使空氣20在所述返回管道170中流到另一構(gòu)件的步驟包括使空氣20在所述返回管道170中流到頭端管道180。

在閱讀結(jié)合若干附圖和所附權(quán)利要求作出的下列詳細說明之后，本申請和所得專利的這些和其他特征和改進對本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖，其示出壓縮機、燃燒器、渦輪、和負(fù)載。

圖2是可與圖1的燃氣渦輪發(fā)動機一起使用的燃燒器的示意圖。

圖3為可在本文中說明的具有壁通道冷卻系統(tǒng)的燃燒器襯套的透視圖。

圖4是圖3的壁通道冷卻系統(tǒng)的部分透視圖。

圖5是圖3的壁通道冷卻系統(tǒng)的部分截面圖。

部件列表

10燃氣渦輪發(fā)動機

15壓縮機

20空氣

25燃燒器

30燃料

35燃燒氣體

40渦輪

45軸

50負(fù)載

55蓋板

60燃料噴嘴

65襯套

70流動套管

75流動路徑

80入口

85燃燒室

90過渡件

100燃燒器

105頭端

110襯套

115后端

120壁通道冷卻系統(tǒng)

130冷卻通道

140襯套壁

150入口

160出口

170返回管道

180頭端管道

190吹掃孔。

具體實施方式

現(xiàn)在參考附圖(其中貫穿若干視圖，類似的標(biāo)號指類似的元件)，圖1示出可在本文中使用的燃氣渦輪發(fā)動機10的示意圖。燃氣渦輪發(fā)動機10可包括壓縮機15。壓縮機15壓縮進入的空氣流20。壓縮機15將壓縮空氣流20輸送到燃燒器25。燃燒器25將壓縮空氣流20與加壓燃料流30混合，且點燃該混合物以形成燃燒氣體流35。盡管僅示出單個燃燒器25，但燃氣渦輪發(fā)動機10可包括任何數(shù)量的燃燒器25。燃燒氣體流35又被輸送到渦輪40。燃燒氣體流35驅(qū)動渦輪40，以便產(chǎn)生機械功。在渦輪40中產(chǎn)生的機械功通過軸45和外部負(fù)載50(諸如發(fā)電機等)來驅(qū)動壓縮機15。

燃氣渦輪發(fā)動機10可利用天然氣、各種類型的合成氣液態(tài)燃料、和/或其他類型的燃料及其摻合物。燃氣渦輪發(fā)動機10可為由generalelectriccompanyofschenectady,newyork提供的多種不同的燃氣渦輪發(fā)動機中的任一種，包括但不限于諸如7或9系列重載燃氣渦輪發(fā)動機等的那些。燃氣渦輪發(fā)動機10可具有許多不同的構(gòu)造，且可使用其他類型的構(gòu)件。其他類型的燃氣渦輪發(fā)動機也可用在本文中。多個燃氣渦輪發(fā)動機、其他類型的渦輪、和其他類型的功率生成設(shè)備也可一起用在本文中。

圖2示出可與燃氣渦輪發(fā)動機10等一起使用的燃燒器25的示例。一般來說，燃燒器25可包括在其上游端處的蓋板55。蓋板55可在其中至少部分地支撐多個燃料噴嘴60。任何數(shù)量或類型的燃料噴嘴60可用在本文中。蓋板55提供空氣流20和燃料流30去往燃料噴嘴60的通路。

燃燒器25可包括配置在流動套管70內(nèi)的燃燒器襯套65。襯套65和流動套管70的布置可為基本上同心的，且可在其間限定環(huán)形流動路徑75。流動套管70可包括延伸穿過其的多個流動套管入口80。流動套管入口80可提供來自壓縮機15或其他地方的流動空氣20的至少一部分的通路。流動套管70可被以入口80或其他圖案穿孔。燃燒襯套65可在燃料噴嘴60的下游限定用于空氣流20和燃料流30的燃燒的燃燒室85。燃燒器25的后端可包括過渡件90。過渡件90可定位為鄰近渦輪40，且可將燃燒氣體流35引導(dǎo)到其。本文中描述的燃燒器25和燃燒器構(gòu)件僅用于示例。許多其他類型的燃燒器和燃燒器構(gòu)件可為已知的。

圖3-5示出可在本文中描述的燃燒器100的示例的部分。具體而言，示出燃燒器襯套110。燃燒器襯套110可從頭端105延伸至后端115。燃燒器襯套110可基本上類似于在上面描述的，但加入了壁通道冷卻系統(tǒng)120。燃燒器襯套110可具有任何合適的大小、形狀、或構(gòu)造。

壁通道冷卻系統(tǒng)120可包括多個冷卻通道130。冷卻通道130可延伸穿過襯套壁140。冷卻通道130中的各個可從入口150延伸至出口160。任何數(shù)量的冷卻通道130可用在本文中。在一個示例中，冷卻通道130可具有基本上方形的形狀，且可具有大約0.070英寸(大約1.778毫米)的直徑。備選地，可使用具有大約0.075英寸(大約1.905毫米)的直徑的圓形通道。冷卻通道130可具有大約0.060英寸(大約1.524毫米)至大約0.080英寸(大約2.0毫米)的直徑?？稍诒疚闹惺褂闷渌螤詈痛笮?。冷卻通道130的長度可被限制為不大于大約數(shù)英寸，即，不大于大約2至5英寸(大約5.1至12.7厘米)。還可在本文中使用其他長度。

壁通道冷卻系統(tǒng)120可以將冷卻通道130定位在多個鄰近的排中。在一個示例中，可使用168排冷卻通道130。而且，大約在圍繞襯套壁140周向地布置的多個列中可各自定位八到十五個冷卻通道130。備選地，冷卻通道130可在任何位置延伸襯套壁140的長度的任何部分。任何數(shù)量的冷卻通道130可以以任何適合的大小、形狀、或構(gòu)造用在本文中。冷卻通道130可鑄造在襯套壁140內(nèi)并且/或者通過其他類型的常規(guī)技術(shù)制造，包括psp、硬焊、加工等。備選地，也可全部或部分地利用添加制造過程等。

冷卻通道130的入口150可打開，以便暴露于空氣流20。(上述流動套管70不需要用在本文中。)冷卻通道130的出口160可定位在返回管道170內(nèi)。任何數(shù)量的返回管道170可以以任何適合的大小、形狀、或構(gòu)造用在本文中。返回管道170沿襯套壁140的冷側(cè)的長度延伸，且可與頭端管道180連通。頭端管道180可完全地或部分地包圍襯套壁140的頭端105。頭端管道180可與穿過襯套壁140的多個吹掃孔190等連通。在一個示例中，可用在本文中的八個吹掃孔190可具有大約0.375英寸(大約9.525毫米)的直徑。任何數(shù)量的吹掃孔190可以以任何適合的大小、形狀、或構(gòu)造用在本文中。來自返回管道170的空氣流20還可被引導(dǎo)到其他地方。例如，空氣流20可被引導(dǎo)至預(yù)混器、afs系統(tǒng)、吹掃孔、噴嘴、或其他地方。而且，不同的返回管道170可將流的部分引導(dǎo)至不同部位。可在本文中使用其他構(gòu)件和其他構(gòu)造。

在使用時，來自壓縮機或其他地方的空氣流20的一部分可被朝燃燒襯套110的襯套壁140送出。壓力降的一部分可用于將流送到冷卻通道130的入口150中，在此，流在其行進穿過襯套壁140時冷卻襯套壁140。冷卻通道130增大總冷卻表面積和熱傳遞系數(shù)，以提高每單位體積空氣的冷卻效率。冷卻通道130可在長度方面受到限制，因為其中的空氣流20可從襯套壁140的熱側(cè)快速地吸收熱量。一旦已通過流降低了給定的溫度差，則給定通道130的冷卻效率可減小，使得具有不同空氣流的下個冷卻通道130可繼續(xù)冷卻襯套壁140。冷卻通道130可改變?nèi)肟?50和引出口160之間的大小(流動面積)，以便使冷卻通道130內(nèi)的流動損失最小化。例如，入口直徑可為0.065英寸(大約1.65毫米)且引出口直徑可為大約0.075英寸(大約1.91毫米)?？稍诒疚闹惺褂闷渌笮?。被加熱的空氣20然后可通過出口160離開冷卻通道130，且可聚集在返回管道170內(nèi)。空氣流20穿過返回管道170流到頭端管道180?？諝饬?0然后可用作經(jīng)由吹掃孔190圍繞襯套110的頭端105的吹掃或泄漏流。備選地，空氣流20可在流過冷卻通道130之后完全或部分地用于其他目的。

可利用總壓力降的僅一部分，使得壁通道冷卻系統(tǒng)120將更多且更高壓的空氣引導(dǎo)至燃料-空氣預(yù)混區(qū)。因此，燃燒器100可在更高的壓力比下操作，以用于改善的可操作性、燃料靈活性、和總排放的減少。壁通道冷卻系統(tǒng)120還消除外部壓縮機、熱交換器、復(fù)雜管路等的需要，以用于簡化且較不昂貴的冷卻系統(tǒng)。盡管已在燃燒器襯套110的背景下描述了壁通道冷卻系統(tǒng)120，但壁通道冷卻系統(tǒng)120可與任何類型的渦輪構(gòu)件或渦輪構(gòu)件對一起使用。

應(yīng)當(dāng)明白的是，前述內(nèi)容僅涉及本發(fā)明和所得專利的某些實施例?？捎杀绢I(lǐng)域技術(shù)人員在本文中作出許多改變和改型，而不偏離由以下權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的總體精神和范圍。