[发明专利]用于燃烧器衬垫的发散冷却套管及相关方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及涡轮机械，且更具体地涉及在燃气涡轮机燃烧器中对燃烧器衬垫的冷却。

背景技术

常规的燃气涡轮机燃烧系统采用多燃烧器组件来实现可靠且有效的涡轮机操作。各个燃烧器组件包括圆柱状衬垫、燃料喷射系统，以及将热燃气流从燃烧器引导至涡轮机入口的过渡件。总体而言，压缩机排出空气的一部分用来冷却燃烧器衬垫，且之后引入燃烧器反应区内以便与燃料相混合并燃烧。

在结合了冲击冷却式过渡件的系统中，中空套筒(本文也称为“过渡套筒”)围绕过渡件，且套筒壁穿孔以便压缩机排出空气流经套筒壁中的冷却开口并冲击(且因而冷却)过渡件。该冷却空气然后沿着套筒与过渡件之间的环形空间流动。这种所谓的“交叉流(cross flow)”最终流入燃烧器衬垫与围绕的流动套筒(本文也称为“衬垫套筒”)之间的另一个环形空间。该衬垫套筒在其周向还形成有数行冷却孔，第一行位于将衬垫套筒连结到过渡件上的安装凸缘附近。

即使存在由过渡件冷却气流所引起的强烈交叉流，但通过使用套圈(collar)或冷却导管(也称为“套管”)可最大限度地降低交叉流对冲击冷却流的负面影响，冷却导管插在燃烧器衬垫套筒中的冷却孔内，冷却射流穿过该燃烧器衬垫套筒。这些套管提供对交叉流的物理阻塞，迫使交叉流进入期望的流路，且同时保证冷却射流有效地冲击燃烧器衬垫表面以使之冷却。套管或套圈优选地安装在位于衬垫套筒后端处的至少第一行孔的每个孔内，邻近燃烧器衬垫与过渡件相连结的安装凸缘。这种装置减小了喷射孔与冲击表面之间的间距；阻塞使射流偏转的交叉流并迫使交叉流进入用于后续射流行的期望流路内；允许射流的直径更小并因而减少冷却空气；以及提供对射流冲击位置的一致及精确控制。这也稳定了第一行射流的有害轴向振动并阻止在第一行射流的上游形成厚的边界层(而导致传热下降)。在共同持有的美国专利6484505中公开了前述套管的使用。

然而，仍然存在这样的需求：通过在衬垫表面处引导的冷却射流而更为有效地冲击冷却燃烧器衬垫，但不会沿着衬垫产生高的热梯度。

发明内容

在一个示范性而非限制性的实施例中，改变套管几何尺寸使得套管壁在从套管进口至套管出口的方向上扩散。换句话说，套管具有截锥形状，使得冷却射流在其流向燃烧器衬垫时而径向向外散布，因而对衬垫的后部段提供更为均匀的冷却。

因此，在一方面，本发明涉及用于涡轮机燃烧器衬垫的冷却装置，其包括：燃烧器衬垫；围绕燃烧器衬垫的至少一部分在其间具有流动环形空间的流动套筒，该流动套筒具有绕其圆周形成以便导引冷却空气进入流动环形空间并朝向燃烧器衬垫的多行冷却孔；其中，至少一个套管装配在其中相应的一个或多个冷却孔内，该至少一个套管沿朝向燃烧器衬垫的径向方向延伸且具有沿冷却空气流动方向扩散的周边壁。

在另一方面，本发明涉及一种冷却由流动套筒所环绕的燃烧器衬垫的方法，其包括：在流动套筒内形成多个冷却孔；以及将套管装配在其中的至少一些冷却孔内，各个套管具有沿冷却流体穿过套管流向燃烧器衬垫方向的扩散周边壁。

现将结合以下进行标识的附图来描述本发明。

附图说明

图1是燃烧器衬垫中常规燃烧器过渡件后部的简化侧截面图；

图2是将常规燃烧器衬垫及衬垫流动套筒连结到过渡件上的局部但更详细的透视图；

图3是描述冲击冷却现有装置中燃烧器衬垫的流动曲线图；

图4是根据本发明的示范性但非限制性的实施例来描述利用扩散套管进行冲击冷却的局部透视图；以及

图5是从图4中截取的放大详图。

具体实施方式

参看图1和图2，典型的燃气涡轮机包括过渡件10，通过过渡件10将热燃气从由燃烧器衬垫12(图2)表示的上游燃烧器传送至以14表示的多级涡轮机构件。

来自燃气涡轮压缩机的气流离开轴向扩散器16而进入压缩机排出壳体18内。约50％的压缩机排出空气穿过沿着过渡件冲击套筒22并围绕其形成的开口20，以便流入过渡件10与径向外部的过渡件冲击套筒22之间的环形区域或环形空间24内。剩余近似50％的压缩机排出气流传送进入流动套筒孔34内并与从环形空间30来自过渡件的空气相混合，并最终与燃烧器内的燃气涡轮机燃料相混合。

图2描述了在过渡件10与燃烧器衬垫流动套筒28之间的连接，这将出现在图1的左手侧远端。具体而言，过渡件10的冲击套筒22以伸缩式关系接收在燃烧器流动套筒28后端部上的安装凸缘26内，且过渡件10也以伸缩式关系接收燃烧器衬垫12。燃烧器流动套筒28环绕燃烧器衬垫12，从而在其间产生流动环形空间30。