混合文氏管冷卻系統的製作方法

2023-06-13 15:57:41

專利名稱：混合文氏管冷卻系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣渦輪燃燒器(gas turbine combustor)技術，且更特定而言涉及一種具有改進冷卻的新穎燃燒器文氏管(venturi)。
背景技術：
已知通過利用由喉部區域互連的第一燃燒腔室與第二燃燒腔室或者第一燃燒級與第二燃燒級來實現在無加重點燃情況下自燃燒渦輪的NOx排放、未燃盡的烴或一氧化碳排放問題的顯著減少。參看例如，共同擁有的美國專利第4，292，801號。在更近的共同擁有的美國專利第5，127，221號中，公開了用於在喉部區域附近形成集氣室和利用在燃燒器襯套與周圍殼體或流動套筒之間的環形通路中流動的壓縮機空氣來冷卻喉部壁的部段的方法和設備。在美國專利第6，427，446號中，公開了同樣使用在燃燒器襯套與周圍流動套筒之間流動的冷卻空氣通過衝擊冷卻來冷卻喉部壁的技術。仍需要一種實現甚至更好冷卻效果的文氏管冷卻系統。

發明內容
在第一示範性但非限制性實施例中，提供一種用於渦輪燃燒器的文氏管裝置，其包括基本上環形的外部襯套；基本上環形的內部襯套；位於該基本上環形的外部襯套與內部襯套之間的文氏管通道；基本上環形的外部襯套和內部襯套在軸向的截面基本上為V 形，從而限定喉部區域；基本上環形的外部環形的外部襯套形成有衝擊冷卻孔的陣列且所述基本上環形的內部襯套形成有多個渦流發生器，渦流發生器朝向基本上環形的外部襯套和衝擊冷卻孔的陣列。在另一示範性但非限制性實施例中，提供一種用於渦輪燃燒器的文氏管裝置，其包括基本上環形的外部襯套；基本上環形的內部襯套；文氏管通道，其位於該基本上環形的外部襯套與內部襯套之間；基本上環形的外部襯套和內部襯套在軸向的截面基本上為V 形，從而限定喉部區域；基本上環形的外部襯套形成有衝擊冷卻孔的陣列；且所述基本上環形的內部襯套形成有多個渦流發生器，渦流發生器朝向衝擊冷卻孔的陣列；以及，在喉部區域中的多個直立翅片，所述直立翅片朝向所述基本上環形的外部襯套在徑向向外延伸到文氏管通道內外部襯套。在又一示範性但非限制性實施例中，提供一種渦輪燃燒器，其包括徑向內部襯套和徑向外部流動套筒，該徑向內部襯套與文氏管平行，文氏管包括用於渦輪燃燒器的文氏管裝置，該文氏管裝置包括基本上環形的外部襯套；基本上環形的內部襯套；文氏管通道，其位於該基本上環形的外部襯套與內部襯套之間；所述基本上環形的外部襯套和內部襯套在軸向的截面基本上為V形，從而限定喉部區域；所述基本上環形的外部襯套形成有衝擊冷卻孔的陣列；其中，所述基本上環形的內部V形襯套和外部V形襯套形成由另一環形構件關閉的集氣室，所述外部環形構件中具有一個或多個孔口，孔口適於供應冷卻空氣到所述集氣室，且另外所述文氏管通道在所述文氏管通道的相反端部打開使得通過一個或多個孔口進入文氏管通道的冷卻空氣在所述喉部區域在相反方向流動。根據以上所述的渦輪燃燒器，其中，所述基本上環形的內部襯套形成有多個渦流發生器和多個膜冷卻孔，所述渦流發生器朝向所述基本上環形的外部襯套，所述膜冷卻孔與所述喉部區域在軸向相鄰。根據以上所述的渦輪燃燒器，其中，所述基本上環形的內部襯套在所述喉部區域中具備多個直立翅片，所述直立翅片在徑向向外朝向所述基本上環形的外部襯套延伸。根據以上所述的渦輪燃燒器，其中，所述一個或多個孔口由一個或多個相應中空套管限定，所述中空套管延伸穿過所述流動套筒使得進入所述集氣室的空氣從所述流動套筒外部的區域供應。根據以上所述的渦輪燃燒器，其中，所述衝擊冷卻孔的陣列和所述渦流發生器在軸向彼此偏移。根據以上所述的渦輪燃燒器，其中，從所述文氏管通道的所述相對的端部出來的冷卻空氣在單個上遊方向上被導向。根據以上所述的渦輪燃燒器，其中，所述基本上環形的內部襯套在所述喉部區域中具備多個直立翅片，所述直立翅片在徑向向外朝向所述基本上環形的外部襯套延伸。根據以上所述的渦輪燃燒器，其中，所述內部襯套具備在所述喉部區域軸向上遊的膜冷卻孔。根據以上所述的渦輪燃燒器，其中，所述內部襯套具備在所述喉部區域軸向上遊的膜冷卻孔。


圖1是示出合併了通過衝擊冷卻而冷卻的文氏管的現有技術燃燒器的截面側視圖；圖2是根據本發明的示範性但非限制性實施例的燃燒器文氏管的局部截面；圖3是圖2所示的文氏管截面的透視圖；以及圖4是圖2所示的文氏管截面的另一透視圖。
具體實施例方式參看圖1，示出現有的文氏管(或喉部區域)冷卻系統。文氏管10在軸向位於由燃燒器襯套16限定的第一燃燒腔室區域12與第二燃燒腔室區域14之間。文氏管包括徑向外壁18和徑向內壁20，帶有在徑向外壁18與徑向內壁20之間的冷卻流動通路或通道 22。燃燒器襯套16在下遊延伸且超過文氏管10，在那裡，其通常接合到過渡件或管(未圖示)，過渡件或管將熱燃燒氣體供應到渦輪第一級。燃燒器襯套16在上遊延伸到燃燒器端蓋對，燃燒器端蓋對支承噴嘴26、28，噴嘴沈、觀突出到燃燒腔室內。環形集氣室30由襯套16和文氏管10形成，使得集氣室包圍文氏管且經由繞襯套16間隔開的一個或多個孔口 32將冷卻空氣供應到文氏管集氣室30。更具體而言，供應到集氣室30的冷卻空氣通過在外部文氏管壁18的會聚部分36和發散部分38中的衝擊冷卻孔34陣列而流入到通路或通道22內。通道20在其上遊端關閉且在其下遊端40打開。冷卻空氣經由下遊開口端40從文氏管通道出來，在那裡，其會合遠離燃燒腔室朝向渦輪的第一級流動的燃燒氣體。現轉至圖2至圖4，示出根據本發明的示範性但非限制性實施例的文氏管42。文氏管42部分地由燃燒器襯套44形成，且包括內部襯套壁46和外部襯套壁48，且在內部襯套壁46與外部襯套壁48之間有文氏管流動通路或通道50。內部襯套壁46形成有會聚部分52和發散部分54 (相對於左到右的燃燒氣體流動方向)，且同樣地，外部襯套壁48分別形成有相對應的會聚部分56和發散部分58，從而限定變窄的文氏管喉部區域60。應當指出的是流動通路或通道50在上遊端62和下遊端64都打開。環形燃燒器壁部分66包圍文氏管42，形成環形集氣室68。在示範性實施例中，冷卻空氣經由多個冷卻套管或殼筒70供應到集氣室68。但與上述現有布置不同，冷卻空氣從⑶C提取空氣(⑶C extraction air)直接供應而不是從燃燒器襯套44與周圍流動套筒 74之間的環形通路72中的流動供應。CDC提取空氣不僅比在燃燒器襯套與流動套筒之間的環形通路72中的流動更冷，而且也處於更高壓力，導致對內部文氏管壁80、82更有效的衝擊冷卻。更具體而言，在集氣室68中的冷卻空氣經由周向間隔開的衝擊冷卻孔76的環形陣列而供應到通路或通道50，衝擊冷卻孔76的環形陣列設於外部襯套壁48的會聚部分56 和發散部分58中。內部襯套壁46在內部襯套壁的會聚表面80和發散表面82(或者前表面80和後表面8 形成有軸向間隔開的環形渦流發生器肋狀物(或湍流器)78。肋狀物78相對於衝擊孔76的環形行在軸向交錯。換言之，肋狀物78位於衝擊孔76的相鄰行之間且在該文氏管維持孔與肋狀物的相應間距。這種布置產生空氣射流、二次流動、環形湍流器和用過的冷卻空氣之間複雜的相互作用，從而提供以下益處諸如，冷卻空氣在環形通路或通道50中的強烈混合；顯著減小交叉流動對空氣射流的影響；以及有效地破壞沿著表面80、82的邊界層。可採用不同肋狀物截面形狀，只要增加傳熱且只要維持與衝擊冷卻孔76的行的間距對準。在文氏管喉部或喉部區域60，內部襯套壁46形成有(或具備)軸向延伸的翅片 84，繞喉部60在環向間隔開，且沿著內部襯套壁60的會聚部分52和發散部分M延伸。這些翅片在側視圖中可具有V形或山形(chevron)的形狀且顯著增強在喉部的冷卻。此外，膜冷卻孔86的陣列(在圖3和圖4中最佳地看出)可設於徑向內部襯套中， 在翅片84的上遊，且例如，在相鄰的湍流器或肋狀物78之間且鄰近喉部區域60。膜冷卻孔提供在喉部60附近和上遊沿著內部襯套壁46的會聚部分52的內表面的局部膜冷卻流動。在使用中，供應到流動通路50的空氣在相反方向流動，分別在上遊端62和下遊端 64從通路50出來。就此而言，應當指出的是在下遊端64的壁輪廓在「外圓角」配置(或外圓角彎曲(bull nose curve))88處轉彎以在上遊方向(即，與空氣從上遊端62出來的相同方向)重新導向出來的冷卻空氣。應當指出的是衝擊冷卻孔76中的某些大體上對準外圓角彎曲處，以確保在轉彎處充分冷卻。此外，在喉部的雙向流動基本上消除了在喉部邊緣內表面處的交叉流動，這對於局部冷卻效率是必要的。文氏管配置布置允許微調文氏管的冷卻效果以使得能在系統的不同區域中具有可變的冷卻效果；最佳地冷卻文氏管喉部；以及，減小交叉流動對文氏管喉部區域中的空氣射流的影響。 雖然結合目前被認為是最實用且優選的實施例描述了本發明，但應了解本發明並不限於所公開的實施例，而是相反，本發明預期涵蓋包括於所附權利要求的精神和範疇內的各種修改和等效布置。
權利要求
1.一種用於渦輪燃燒器的文氏管裝置，包括基本上環形的外部襯套；基本上環形的內部襯套；文氏管通道，其位於所述基本上環形的外部襯套與所述基本上環形的內部襯套之間；所述基本上環形的外部襯套與所述基本上環形的內部襯套在軸向的截面基本上為V 形，從而限定喉部區域；所述基本上環形的外部襯套形成有衝擊冷卻孔的陣列，且所述基本上環形的內部襯套形成有多個渦流發生器，所述渦流發生器朝向所述基本上環形的外部襯套和所述衝擊冷卻孔的陣列。
2.根據權利要求1所述的文氏管裝置，其特徵在於，所述基本上環形的內部襯套在所述喉部區域中具備多個直立翅片，所述直立翅片在徑向向外朝向所述基本上環形的外部襯套延伸。
3.根據權利要求2所述的文氏管裝置，其特徵在於，所述基本上環形的內部襯套形成有多個膜冷卻孔，所述多個膜冷卻孔與所述喉部區域在軸向相鄰。
4.根據權利要求1所述的文氏管裝置，其特徵在於，所述文氏管通道在所述文氏管通道的相對的兩個端部打開。
5.根據權利要求1所述的文氏管裝置，其特徵在於，所述基本上環形的內部和外部V形襯套形成由另一環形構件關閉的集氣室，所述另一環形構件中具有一個或多個孔口，所述孔口適於將冷卻空氣供應到所述集氣室。
6.根據權利要求3所述的文氏管裝置，其特徵在於，多個膜冷卻孔在所述徑向內部襯套中所述喉部的上遊。
7.一種用於渦輪燃燒器的文氏管裝置，包括基本上環形的外部襯套；基本上環形的內部襯套；文氏管通道，其位於所述基本上環形的外部襯套與所述基本上環形的內部襯套之間；所述基本上環形的外部襯套與所述基本上環形的內部襯套在軸向的截面基本上為V 形，從而限定喉部區域；所述基本上環形的外部襯套形成有衝擊冷卻孔的陣列；並且所述基本上環形的內部襯套形成有多個渦流發生器和在所述喉部區域中的多個直立翅片，所述渦流發生器朝向衝擊冷卻孔的陣列，所述多個直立翅片朝向所述基本上環形的外部襯套在徑向向外延伸到所述文氏管通道內。
8.根據權利要求7所述的文氏管裝置，其特徵在於，所述基本上環形的內部和外部V形襯套形成由另一環形構件關閉的集氣室，所述另一環形構件中具有一個或多個孔口，所述孔口適於將冷卻空氣供應到所述集氣室。
9.根據權利要求8所述的文氏管裝置，其特徵在於，所述一個或多個孔口由一個或多個相應中空套管限定，所述中空套管適於將壓縮機提取空氣直接進給到所述集氣室。
10.一種渦輪燃燒器，包括徑向內部襯套和徑向外部流動套筒，所述徑向內部襯套與文氏管平行，所述文氏管包括用於渦輪燃燒器的文氏管裝置，所述文氏管裝置包括基本上環形的外部襯套； 基本上環形的內部襯套；文氏管通道，其位於所述基本上環形的外部襯套與所述基本上環形的內部襯套之間； 所述基本上環形的外部襯套與所述基本上環形的內部襯套在軸向的截面基本上為V 形，從而限定喉部區域；所述基本上環形的外部環形的外部襯套形成有衝擊冷卻孔的陣列；其中， 所述基本上環形的內部和外部V形襯套形成由另一環形構件關閉的集氣室，所述外部環形構件中具有一個或多個孔口，所述孔口適於將冷卻空氣供應到所述集氣室，且另外所述文氏管通道在所述文氏管通道的相對的端部打開，使得通過所述一個或多個孔口進入所述文氏管通道的冷卻空氣在所述喉部在相對的方向上流動。
全文摘要
本申請涉及混合文氏管冷卻系統。其中，一種用於渦輪燃燒器的文氏管裝置，包括基本上環形的外部襯套；基本上環形的內部襯套；位於該基本上環形的外部襯套與內部襯套之間的文氏管通道；該基本上環形的外部襯套和內部襯套在軸向的截面基本上為V形，從而限定喉部區域；該基本上環形的外部襯套形成有衝擊孔的陣列，且該基本上環形的內部襯套形成有多個渦流發生器，該渦流發生器朝向該基本上環形的外部襯套。
文檔編號F23D14/78GK102192510SQ20111005967
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月2日 優先權日2010年3月2日
發明者卡米勒維奇 A·瓦裡夫, B·謝施恩尤, L·金斯辛 申請人:通用電氣公司