膜式冷卻燃氣輪機燃燒器的方法和裝置的製作方法

2023-05-09 00:38:21

專利名稱：膜式冷卻燃氣輪機燃燒器的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及燃氣輪機，尤其涉及燃氣輪機所用的燃燒器。
已知燃氣輪機包括一個壓氣機，用於對空氣進行壓縮，這空氣與燃料適當混合併通到一個燃燒器中，在那裡的燃燒室內這混合物被點燃以產生熱的燃氣。更具體地說，至少有一些已知的燃燒器包括一個拱頂罩裝置它把空氣引導通向下遊並在圓周方向圍繞每個燃料噴射器流動。更具體地說，至少有一些已知的拱頂罩裝置包括一個旋流器裝置，它從一個拱形板向上遊延伸，以及一個導流板，它從拱形板向下遊延伸並進入該燃燒室。
在回流換熱型燃氣輪機內，燃燒室被連接到該拱形板上的多孔的內、外套所形成。這兩個套的冷卻性能被使用一個膜式冷卻的啟動器槽而得到加強，該膜式冷卻啟動器槽位於拱形板內並且與至少一個通過拱形板的孔在流動上是可以互通的。該膜式冷卻啟動器槽把從拱形板孔出來的冷卻空氣引向下遊以對內套和外套的內表面進行膜式冷卻。雖然該膜式冷卻啟動器槽有助於改變冷卻空氣的方向以有助於進行內外套的膜式冷卻，但在某些運轉條件下，這樣的槽的結構可能也會使噴射進燃燒器的燃料進入槽內。另外，膜式冷卻槽的形狀也使這些槽對火焰穩定(flameholding)敏感，這種火焰穩定超過一定時間可能會縮短燃燒器套的使用壽命。
發明概述一方面，提出了組裝燃氣輪機燃燒器的一種方法。該方法包括提出一種拱頂罩裝置，它包括至少一個冷卻槽唇邊及至少一個填隙突起，其中在該冷卻槽唇邊與至少一個填隙突起之間所形成的間隙具有一個該冷卻槽唇邊與至少一個填隙突起之間所限定的高度，這個高度在整個間隙上是均勻一致的。該方法還包括把一個襯套裝置連接到拱頂罩裝置上，使得該襯套裝置限定了一個燃燒室，以及把一個內支撐和一個外支撐連接到拱頂罩裝置上，使得該拱頂罩裝置在內外支撐之間延伸。
另一方面，提出了燃氣輪機的一個燃燒器。該燃燒器包括一個燃燒室，這個燃燒室有一個貫穿其間的中心軸線、一個外支撐、一個內支撐和一個拱頂罩裝置。該拱頂罩裝置包括一個在內外支撐之間延伸的拱形板。該拱形板包括至少一個冷卻槽唇邊以及至少一個填隙突起。這至少一個冷卻槽在徑向上與那至少一個填隙突起相間隔，使在其間限定一個間隙。該間隙的高度是在至少一個冷卻槽唇邊與該至少一個填隙突起之間測量的，其中該間隙的高度在整個間隙內基本上是不變的。
本發明的又一方面，給出了一個包括一個燃燒器的燃氣輪機。該燃燒器包括一個襯套裝置、一個燃燒室、一個拱頂罩裝置、一個外支撐和一個內支撐。該燃燒室由該襯套裝置所限定。該拱頂罩裝置包括一個拱形板，它在內外支撐之間延伸。該拱形板包括至少一個冷卻槽唇邊和至少一個填隙突起。該襯套裝置連接到該拱形板並與至少一個填隙突起相接觸。該至少一個冷卻槽在徑向上與該至少一個填隙突起相間隔，使在其間限定一個間隙。該間隙具有一個高度，該高度是在至少一個冷卻槽邊與至少一個填隙突起之間測量的，其中該間隙的高度基本上在整個間隙內是不變的。
附圖簡述

圖1是一個燃氣輪機的示意圖。
圖2是圖1中燃氣輪機所用的燃燒器一部分的橫斷面圖；以及圖3是圖2所示的燃燒器的一部分沿區域3的放大視圖。
發明詳述圖1是燃氣輪機10的示意圖，它包括一個壓氣機14，和一個燃燒器16。燃氣輪機10還包括一個高壓渦輪8和一個低壓渦輪20。壓氣機14和渦輪18被一個主軸24連在一起，渦輪20驅動一個副輸出軸26。軸26提供旋轉力以驅動一個從動機器，例如齒輪箱、傳動裝置、發電機、風扇、或者泵等，但是並不局限於這些機器。燃氣輪機10還包括一個回熱器28，該回熱器有一個主流道29，在壓氣機14與燃燒器16之間串聯，以及一個副流道31它在渦輪20與大氣35之間串聯。在一個實施例中，該燃氣輪機是可以從美國俄亥俄州辛辛那提市的GE公司買到的LV100發動機。在這個示例性實施例中，發動機10包括一個壓氣機14，它被一個主軸24連接到渦輪18上，動力系和渦輪20被副軸26相連接。
在運轉時，空氣流經壓氣機。這個被高度壓縮的空氣被送到回熱器28，在那裡渦輪20排出的熱氣把熱量傳給壓縮空氣。被加熱的壓縮空氣被送到燃燒器16。從燃燒器16出來的氣流驅動渦輪18和20然後在離開燃氣輪機10以前流經回熱器28。在該示例性實施例中，在運轉期間，空氣流經壓氣機14而高壓回熱空氣被送到燃燒器16。
圖2是燃燒器16一部分的橫斷面圖。圖3是燃燒器16一部分沿區域3的放大視圖。燃燒器16還包括一個環狀外襯套40，一個外支撐42，一個環狀內襯套44，一個內支撐46，以及一個碟48，它在外襯套40和內襯套44之間延伸。
外襯套40和內襯套44從碟48向下遊延伸並在它們之間確定了燃燒室54的範圍。燃燒室54是環形的並且在與襯套40和44之間有徑向間隔。外支撐42連接到外襯套40並從碟48向下遊延伸。另外，外支撐42從外襯套40向外徑向間隔，使在其間限定一個外冷卻通道58的範圍。內支撐46還連接到碟48，並從那裡向下遊延伸。內支撐46從內襯套44向內徑向間隔，使在其間限定一個內冷卻通道60。因此，當組裝以後，每個襯套40和44不受任何燃燒器支撐結構的徑向約束。
外襯套40和內襯套44在燃燒器罩殼62內部在徑向上是間隔的。燃燒器罩殼一般是環狀的並繞燃燒器16而延伸。更具體地說，外支撐42和燃燒器罩殼62形成了一個外通道66而內支撐46和燃燒器外殼62形成了一個內通道68。外套和內套40和44延伸到渦輪噴嘴69，它在襯套40和44的下遊。
燃燒器拱頂罩裝置48包括一個環狀拱形板72，一個旋流器裝置74和一個導流板76。拱形板72連接到外套40和內套44的上遊端78和80，使拱形板72限定燃燒室54的上遊端82。在該示例性實施例中，內支撐46與拱形板是整體成型的，而外支撐42被至少一個連接件84連接到拱形板72上。
多個冷卻孔114在整個拱形板72上在上遊邊92和下遊邊94之間延伸。孔114相對於中心軸110是傾斜的並促使把冷卻空氣引向流經拱形板72以有助於導流板76的衝擊冷卻。
導流板76連接到一個環狀的密封板120並且從拱形板72向下遊外擴延伸進入燃燒室54。在該示例性實施例中，一個徑向內表面或導流板76的流道表面144上塗了一層隔熱層(TBC)。
如上所述，導流板的上遊端142連接到密封板120。導流板76的下遊端149是外擴的，以促使把噴射進燃燒器16的燃料引向下遊並進入燃燒室54，下面將更詳細敘述。旋流器裝置74連接到密封板120，使該旋流器裝置74基本上與密封板120同心對齊。
燃料通過燃料噴射裝置180噴進燃燒器16，該燃料噴射裝置包括多個環狀間隔布置的燃料噴嘴182，它們通過旋流器裝置74延伸進入燃燒室54。
除了孔114外，拱形板72還包括多個膜式冷卻孔200，一個內膜式冷卻唇邊202，一個外膜式冷卻唇邊204，一個內填隙突起，和一個外填隙突起208。孔200在整個拱形板72上在上遊邊92與下遊邊94之間而延伸，它們在徑向位置上位於導流板冷卻孔114和每個支撐42和46之間。
內膜式冷卻唇邊202是與拱形板72整體成型的並從拱形板的下遊邊94向裡朝向燃燒室54方向延伸。更具體地說，內膜式冷卻唇邊202在導流板76與內襯套44之間向下遊延伸。同樣，外膜式冷卻唇邊204與拱形板72是整體成型的並從拱形板下遊邊94向裡朝燃燒室54方向延伸，這樣，外膜式冷卻唇邊204位於導流板76與外襯套40之間。
每一個冷卻唇邊202和204與導流板76相隔一個徑向距離D10，使在導流板76與每個冷卻唇邊202和204之間形成了一個有效環狀間隙或導流冷卻空氣槽210。導流板間隙210與拱形板孔114在流動方面方面是可以互通的，所以，使從114排出的衝擊空氣被引導流經導流板間隙210並在經過導流板的外擴端149以後進入燃燒室54。另外，導流板的張開端149促使把從燃料噴嘴182出來的燃料引向下遊進入燃燒室54，這樣，使燃料被導向離開冷卻槽226和236，以及冷卻唇邊202和204。
每個填隙突起206和208與拱形板是整體成型的，並從拱形板的下遊邊94向燃燒室54延伸。更具體地說，內填隙突起206在內膜式冷卻唇邊202與內支撐46之間向下遊延伸。更具體地說，內填隙突起206包括一個徑向內壁220，它與內冷卻唇邊202的徑向外壁222相隔一個徑向間距，這樣，使在內填隙突起206與內膜式冷卻唇邊202之間限定一個內膜式冷卻槽226。在壁222與220之間測量的內冷卻槽226的高度HG在整個槽226上是不變的。
填隙突起208從拱形板的下遊側94向燃燒室54方向向內延伸，並位於外膜式冷卻唇邊204與外支撐42之間。更具體地說，外填隙突起208還包括一個徑向外壁230，它與外冷卻唇邊204的徑向內壁232在徑向上相隔一個間距，使在外填隙突起208與外膜式冷卻唇邊204之間限定一個外膜式冷卻槽236。在壁232與230之間的外冷卻槽236的高度HG0在整個槽236內基本上是不變的。導流板的外擴端149促使從燃料噴嘴182出來的燃料向下遊引入燃燒室54，使燃料被導向離開冷卻槽226和236。
內外套44和40，分別被連接到拱形板72上，使得44和40的前緣240和242在流動上與每個膜式冷卻槽226和236互通並處在它們的軸向下遊。另外，在該示例性實施例中，外套40頂著外填隙突起208而連接。另外，每個套的前緣240和242具有曲率半徑R1和R2，這樣，每個前緣240和242就形成了混合的面向前的臺階，用於從槽226和236排出的膜式冷卻空氣。於是，當組裝好以後，每個套40和44是在徑向上不受任何燃燒器支撐結構的約束的。更具體地說，每個曲率半徑R1，R2使得套40和44能調節40和44之間以及各自相應的槽226與236之間的機械和熱方面的不一致。
一個密封件260在每個套40和44與各自的每個支撐42和46之間延伸，以有助於減小襯套40和44周圍的漏洩。在該示例性實施例中，密封件260是一個L形的密封墊。
在燃燒器16組裝期間，一開始把拱形板72從一個接近基本形狀的鍛件進行機械加工。可以把鑲嵌材料加到拱形板72上以產生填隙突起206和208。這些填隙突起206和208為內冷卻槽236產生所要求的冷卻槽高度HGD，為內冷卻槽226產生高度HG，在每個冷卻槽236和226內，該高度是不變的。另外，該鑲嵌材料還在內套44和外套40的各自流動表面270和272上產生了平滑的冷卻流動過渡。此外，該鑲嵌材料還保護密封件260不受燃燒室54內火焰的輻射。
在運轉期間，冷卻空氣從拱形板孔200送到膜式冷卻槽226和236。然後冷卻空氣250被引導經過槽226和236並朝向襯套的前緣240和242排出。圓形前緣240和242所形成的面向前方的臺階有助於在所有的燃氣輪機運轉條件下從槽226和236到流動表面270和272有平滑的過渡。更具體地說，每個槽226和236的大小和位置使得每個圓的襯套的前緣240和242總是具有一個面向前的臺階用於膜式冷卻空氣250。
每個冷卻槽高度HG0和HG的聯合，以及每個槽236和226相對於旋流器裝置74的方向有助於防止火焰穩定，如果燃料在冷卻膜250內被帶走，這種情況在其他已知的拱頂罩裝置中是可能會發生的。另外，因為每個槽的高度HG0和HG基本上是不變的，冷卻空氣進入膜式冷卻槽226和236的速度和壓力被保持住，使從226和236排出的冷卻空氣250總是以比在燃燒室54內產生的紊流火焰速度更高的壓力和速度而排出。因此，基本上不變的高度HG0和HG更加有助於防止火焰在槽226和236內穩定。
所述燃燒器拱頂罩裝置提供了一種使燃燒器工作的價格低廉和可靠的方法。更具體地說，每個裝置包括一個拱形板，它與排出冷卻空氣用於對燃燒器襯套進行膜式冷卻的膜式冷卻槽形成為一個整體，尤其還包括不與拱形板成一整體的燃燒器襯套。這些槽基本上是具有不變的高度，它與相對於拱頂罩裝置的槽的方向相結合有助於防止火焰在膜式冷卻槽內穩定，一旦燃料在冷卻膜內被帶走的情況下，並且還有助於保護襯套的密封件不暴露在火焰的輻射下。結果，提出一種燃燒器裝置，它能滿足預定的燃燒器壽命要求而同時又能保持預定的運轉要求。
前面已詳細敘述了一個燃燒器拱頂罩裝置的示例性實施例。所說明的該燃燒器的拱頂罩裝置部件並不局限於這裡所敘述的具體實施例，相反，每個拱頂罩裝置的部件可以與這裡所介紹的其他部件分開，單獨使用。例如，前述拱頂罩裝置部件也可以與其他燃氣輪機的燃燒系統聯合使用。
雖然已經就各個具體實施例加以敘述了本發明，業內人士將會認識到本發明可以在權利要求書的精神和範圍內加以修改。
零部件表


權利要求
1.燃氣輪機(10)的一種燃燒器(16)，該燃燒器包括一個燃燒室(54)，它具有在穿過其間的中心軸線(110)；一個外支撐(42)；一個內支撐(46)；和一個拱頂罩裝置(48)，包括一個在所述內、外支撐之間延伸的拱形板(72)，該拱形板包括至少一個冷卻槽唇邊(202)，以及至少一個填隙突起(206)，所述至少一個冷卻槽唇邊在徑向上與所述至少填隙突起有間距，使得在其間形成一個間隙(210)，所述間隙在所述至少一個冷卻槽唇邊與所述至少一個填隙突起之間具有測得的高度(HG)，所述間隙高度在整個間隙內基本上不變。
2.按權利要求1所述的一種燃燒器(16)，其特徵在於還包括一個導流板(76)，該導流板包括一個上遊端(142)，一個下遊端(149)，和在其間延伸的一個漸擴體(144)，所述上遊端連接到所述拱形板(72)上，所述下遊端是外擴的以有助於引導被噴射到所述燃燒室(54)的燃料離開所述間隙(210)。
3.按權利要求1的一種燃燒器916)，其特徵在於所述導流板(76)在徑向向內方向與所述膜式冷卻唇邊(202)相間隔，使得在其間限定一個槽(226)，所述槽用於把流經其間的冷卻空氣引入所述燃燒室(54)內。
4.按權利要求1的一種燃燒器(16)其特徵在於還包括一個內襯套(44)和一個外襯套(40)，所述外襯套連接到所述拱形板(72)，並自所述外支撐(42)徑向朝向內，所述內襯套連接到所述拱形板，並自所述內支撐(46)徑向朝向外，在所述內、外襯套之間限定所述燃燒室(54)。
5.按權利要求4的一種燃燒器(16)，其特徵在於所述內襯套(44)和所述外襯套(40)中的至少一個包括一個前緣(240)，該前緣連接到所述間隙(210)的下遊，所述前緣包括一個半徑(R1)。
6.按權利要求4的一種燃燒器(16)，其特徵在於所述內襯套(44)和所述外襯套(40)中的至少一個包括一個前緣(240)，該前緣形成一個面向前方的臺階，以便流體從所述間隙(210)中排出。
7.按權利要求4的一種燃燒器(16)，其特徵在於從所述間隙(210)排出冷卻空氣，用於對所述內襯套(44)和外襯套(40)中的至少一個進行膜式冷卻，選擇所述間隙高度(HG)要有助於使得冷卻空氣以高於在所述燃燒室(54)內產生的紊流火焰速度從所述間隙排出。
8.按權利要求4的一種燃燒器(16)，其特徵在於所述拱頂罩裝置(48)還包括至少一個密封件(260)，在內襯套和外襯套(44，40)中的至少一個與所述內，外支撐(46，42)中的至少一個之間延伸，所述至少一個填隙突起(206)有助於能保護至少一個密封件免受所述燃燒室(54)內所產生的火焰的輻射。
9.一種燃氣輪機(10)，包括一個燃燒器(16)，該燃燒器包括一個襯套裝置，一個燃燒室(54)，一個拱頂罩裝置(48)，一個外支撐(42)，和一個內支撐(46)，所述襯套裝置限定了所述燃燒室，所述拱頂罩裝置包括一個在所述內外支撐之間延伸的拱形板(72)，所述拱形板包括至少一個冷卻槽唇邊(202)，以及至少一個填隙突起(206)，所述襯套裝置跟與所述至少一個填隙突起接觸的所述拱形板連接，所述至少一個冷卻槽唇邊在徑向方向上與所述至少一個填隙突起相間隔，使得在其間限定一間隙(210)，所述間隙的高度(HG)是在所述至少一個冷卻槽唇邊與所述至少一個填隙突起之間測量的，所述間隙高度沿整個間隙基本上是不變的。
10.按權利要求9的一種燃氣輪機(10)，其特徵在於從所述間隙(210)排出冷卻空氣，用於對至少一部分所述襯套裝置進行膜式冷卻，所述間隙高度(HG)的選擇有助於使冷卻空氣以高於在所述燃燒室(54)內產生的紊流火焰速度從所述間隙排出。
全文摘要
燃氣輪機(10)的一種燃燒器(16)，包括一個燃燒室(54)，它具有一個貫穿其間的中心軸(110)，一個外支撐(42)，一個內支撐(46)，和一個拱頂罩裝置(48)。該拱頂罩裝置包括一個拱形板(72)，它在內外支撐之間延伸，並把一個內支撐和一個外支撐連接到該拱頂罩裝置上。該拱形板包括至少一個冷卻槽唇邊(202)和至少一個填隙突起(206)，其中該至少一個冷卻槽在徑向上與該至少一個填隙突起相隔，使在其間限定一個間隙(210)。該間隙具有一個高度(HG)，是在該至少一個冷卻槽唇邊與該至少一個填隙突起之間測量的，並且在整個間隙內基本上是不變的。
文檔編號F23R3/18GK1609427SQ20041005775
公開日2005年4月27日 申請日期2004年8月17日 優先權日2003年10月17日
發明者S·J·霍維爾, J·C·雅各布森, T·P·麥卡弗裡, B·F·巴恩斯 申請人:通用電氣公司