CN102818287A - 具有湍流器的燃烧衬套 - Google Patents

Abstract

本申请涉及具有湍流器的燃烧衬套。其中，提供一种用于涡轮的燃烧器。该燃烧器包括多个燃料喷嘴(310)，且燃烧带与同燃料喷嘴中的每一个相关联的燃烧过程对准。燃烧衬套(400)包括多个湍流器组(430,440)，且湍流器组中的每一个具有一个或多个单独湍流器(531,532,533)。湍流器组(430,440)中的每一个与由同燃料喷嘴相关联的燃烧带造成的热斑(420)对准。湍流器组中的每一个与相邻湍流器组在周向间隔。

Description

具有湍流器的燃烧衬套

技术领域

本发明涉及燃气涡轮中的内部冷却；且尤其涉及用于在涡轮的燃烧衬套中提供更好和更均匀冷却的设备。

背景技术

传统燃气涡轮燃烧器使用扩散(即，非预混合)燃烧，其中燃料和空气个别地进入燃烧腔室。混合和焚烧过程产生超过3900℉的火焰温度。由于具有衬套的常规燃烧器和/或过渡件通常能耐受仅大约1500℉的最高温度持续大约一万小时(10,000小时)，必须采取保护燃烧器和/或过渡件的措施。这通常通过膜冷却来进行，其涉及向燃烧器外侧周围的燃烧器衬套形成的气室(plenum)内引入相对较冷的压缩机空气。在此现有布置中，来自气室的空气通过在燃烧器衬套中的气孔且然后作为膜在衬套的内表面上传递，从而维持燃烧器衬套完整性。

由于二原子氮(diatomic nitrogen)在超过大约3000℉(大约1650℃)的温度迅速分裂，扩散燃烧的高温导致相对较大的NOx排放。降低NOx排放的一种方案是预混合最大可能量的压缩机空气与燃料。所得到的稀薄预混合燃烧产生更冷的火焰温度和因此更低的NOx排放。尽管稀薄预混合燃烧比扩散燃烧更冷，但火焰温度仍太热而使得现有常规燃烧器构件不能耐受。

而且，由于先进的燃烧器预混合最大可能量的空气与燃料来减少NOx，因此很少或无冷却空气可用，从而使得燃烧器衬套和过渡件的膜冷却最多是提前。然而，燃烧器衬套需要主动冷却来维持材料温度低于极限。在干式低NOx(DLN)排放系统中，这种冷却仅可作为冷侧对流来供应。这样的冷却必须在热梯度和压力损失的要求内执行。因此，诸如热屏障涂层结合“背侧”冷却的手段被认为保护燃烧器衬套和过渡件避免由这样高热造成的损坏。背侧冷却涉及在预混合空气与燃料之前传递压缩机排放空气经过过渡件和燃烧器衬套的外部表面。

关于燃烧器衬套，一种当前的做法是对流地冷却衬套或者在衬套的外表面上提供连续衬套湍流器。连续衬套湍流器均匀地间隔开且并不中断。各种已知的技术促进了传热但对于热梯度和压力损失具有不合需要的效果。湍流器通过在流动中提供钝体而工作，其扰乱流动，从而形成剪切层和高湍流以促进在表面上传热，但其也增加了压降，这是不合需要的。

自衬套的低传热率可导致高的衬套表面温度和最终强度损失。由于衬套高温所造成的若干可能的故障模式包括(但不限于)热屏障涂层散裂，尾套筒焊接线开裂，鼓胀和三角化。这些机制缩短衬套寿命，从而需要提早替换部件。

因此，需要在比先前可用的更高发火温度以最小压力损失的提高水平的主动冷却，同时延长燃烧检查间隔以降低发电成本。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种用于涡轮的燃烧器。该燃烧器包括多个燃料喷嘴，且燃烧带(combustion zone)与同燃料喷嘴中的每一个相关联的燃烧过程对准(aligned with)。燃烧衬套包括多个湍流器组(turbulator groups)，且流器组中的每一个具有一个或多个单独湍流器(individual turbulators)。湍流器组中的每一个与由同燃料喷嘴相关联的燃烧带造成的热斑(hot streak)对准。湍流器组中的每一个与相邻湍流器组在周向间隔开。

根据本发明的另一方面，提供一种用于涡轮的燃烧器。该燃烧器具有多个燃料喷嘴，且燃烧带与同燃料喷嘴中的每一个相关联的燃烧过程对准。燃烧衬套包括多个湍流器组，且流器组中的每一个具有一个或多个单独湍流器。湍流器组在燃烧衬套中与由同燃料喷嘴相关联的燃烧带造成的热斑基本上对准。湍流器组中的每一个与相邻湍流器组在周向间隔开。

通过下文的发明详述，这些和其它特点将会变得显然，当结合附图考虑时该发明详述公开了实施例，在附图中所有的部件由相似附图标记来标注。

附图说明

图1为燃烧器衬套的常规燃烧器过渡件尾部的简化侧视截面图；

图2为接合到过渡件的常规燃烧器衬套和流动套筒的局部但更详细透视图；

图3示出了在燃气涡轮中的燃烧衬套的金属温度变化；

图4示出了根据本发明的一方面的燃烧衬套的简化透视图；

图5示出了根据本发明的另一方面的燃烧衬套的局部截面图，燃烧衬套具有可变轴向间距的湍流器；以及

图6示出了根据本发明的另一方面的燃烧衬套的局部截面图，燃烧衬套具有可变轴向间距和高度的湍流器。

部件列表：

10    过渡件

12    燃烧衬套

14    涡轮的第一级

16    轴向扩散器

18    压缩机排放壳

20    孔口

22    冲击套筒

24    环形空间

26    安装凸缘

28    燃烧器流动套筒

30    流动环形空间

32    流动箭头

34    流动套筒孔

310    火焰喷嘴

320    燃烧产物温度带，热斑

322    较热区

324    较冷区

400    燃烧衬套

420    热斑带

430    第一组湍流器

431    湍流器子组

432    湍流器子组

433    湍流器子组

440     第二组湍流器

441    湍流器子组

442    湍流器子组

500    燃烧衬套

531    湍流器

532    湍流器

533    湍流器

600    燃烧衬套

631    湍流器

632    湍流器

633    湍流器

C1    周向间距

L1    轴向间距或湍流器之间的间距

L2    轴向间距

L3    轴向间距

S1    湍流器子组之间的轴向间距

S2    湍流器子组之间的轴向间距。

具体实施方式

参看图1和图2，典型燃气涡轮包括过渡件10，通过过渡件10，热燃烧气体从上游燃烧器(如由燃烧衬套12所表示)传递到以14表示的涡轮的第一级。来自燃气涡轮压缩机的流动离开轴向扩散器16且进入到压缩机排放壳18内。大约50%的压缩机排放空气通过沿着过渡件冲击套筒22且绕过渡件冲击套筒22形成的孔口20以流到在过渡件10与径向外部过渡件冲击套筒22之间的环形区域或环形空间24(或第二流动环形空间)内。其余大约50%的压缩机排放流动传递到上游燃烧衬套冷却套筒(未图示)的流动套筒孔34内且到冷却套筒与衬套之间的环形空间内且最终在环形空间24中与空气混合。此种组合的空气最终在燃烧腔室中与燃气涡轮燃料混合。

图2示出了在过渡件10与燃烧器流动套筒28之间的连接，如将出现于图1的远左侧的连接。具体而言，过渡件10的冲击套筒22(或第二流动套筒)以套叠关系接纳于燃烧器流动套筒28(或者第一流动套筒)的尾端上的安装凸缘26内，且过渡件10也以套叠关系接纳燃烧衬套12。燃烧器流动套筒28包围燃烧衬套12，在它们之间形成流动环形空间30(或者，第一流动环形空间)。从图2中的流动箭头32可看出在环形空间24中行进的交叉流动冷却空气继续在垂直于冲击冷却空气通过绕流动套筒28圆周形成的冷却孔34流动(参看流动箭头36)的方向流入到环形空间30内(虽然在图2中示出三行，但流动套筒可具有这样的孔的任意数量的行)。

仍参看图1和图2，示出了典型环管式回流燃烧器，其由来自燃料的燃烧气体驱动，其中具有相对高能量含量的流动介质(即，燃烧气体)由于被安装于转子上的叶片环偏转而产生旋转运动。在操作中，自压缩机的排放空气(压缩到大约250-400 lb/in²的压力)在其在燃烧衬套(一个以12示出)外侧上传递时和其进入燃烧衬套12通往涡轮(以14示出第一级)时反向。压缩空气和燃料在燃烧腔室中焚烧，产生温度在大约1500℉与大约2800℉之间的气体。这些燃烧气体经由过渡件10以高速流入到涡轮部段14内。

来自燃烧衬套12中的燃烧部段的热气体从那里流入到部段16内。在这两个部段之间存在图2中大体上以46指示的过渡区域。如先前所指出的那样，在部段12尾端，区域46的入口部的热气体温度大约为2800℉。但是，在区域46的下游出口部处的衬套金属温度大体上为大约1400℉至1550℉。为了帮助冷却该衬套到此较低金属温度范围，在通过区域46传递热气体期间，提供衬套12，冷却空气通过衬套12流动。冷却空气用于从衬套除热且由此相对于热气体温度显著地降低衬套金属温度。

图3表示了燃气涡轮中的燃烧衬套的金属温度的一个实例。火焰喷嘴310可相对于燃烧衬套的轴向指向偏移方向，以在燃烧气体中引起漩涡。备选地，火焰喷嘴可基本上朝向下游但在喷嘴中的轮叶(图未示)引起离开的漩涡。燃料喷嘴和所得到燃烧产物生成温度带或热斑320，如由点线所界定的那样。在一实例中，热斑由大约1000℉至大约1800℉之间的温度的区域界定。这些热斑为一实例，且燃料喷嘴的不同配置或对准将产生热斑的不同图案或温度。热斑320包含比热斑之间的区域更热温度的区域，且这些“之间的”区域比热斑区域320更冷。另外，每个热斑区域320将包括不同温度的子区域。例如，区322比区324更热。热斑320可视作由与燃料喷嘴相关联的燃烧过程对准的燃烧带所造成的高温带。

图4示出了根据本发明的方面具有改进的冷却和压降特征的燃烧衬套400的简化透视图。燃烧衬套400包括布置为各个组的多个湍流器，其中，每个组与燃料喷嘴的燃烧带或热斑图案对准。热斑带420由被点线所界定的区域示出，但应了解本发明能应用于具有任何热斑图案的任何燃烧衬套。

热斑420通常包含比不包括于热斑区域中的周围区域更热的温度(例如，在热斑420之间的区域)。另外，每个单独热斑区域将包含各种温度的子区域或区。因此，提出了一种改进的湍流器配置来更有效地冷却这些热斑区域，同时减小在燃烧衬套400上的压降。

第一组湍流器430与燃料喷嘴的热斑或燃烧带对准，而第二组湍流器440与和不同燃料喷嘴相关联的另一燃烧带(或热斑)对准。每个单独湍流器可包括具有用于具体应用的任何所需形状的凸出肋状物或凸出部分。在热斑之间的区域并不具有湍流器430、440，且此特点减小了无需湍流器的区中的压降，且提供减小整体/总衬套应力的更均匀周向温度分布。第一组湍流器430可包含具有可变轴向间距的湍流器。例如，湍流器子组431包含具有轴向间距L₁的多个湍流器，湍流器子组432包含具有轴向间距L₂的多个湍流器，且湍流器子组433包含具有轴向间距L₃的多个湍流器。如图所示，L₃大于L₁，且L₁大于L₂。

在此实例中，热斑420的最热部分由湍流器子组432覆盖，热斑的中温部分由湍流器子组431覆盖，且热斑的最冷部分由湍流器子组433覆盖。可看出湍流器可被配置成在较热区域中具有最靠近的轴向间距，而较冷的热斑区域可具有更大轴向间距的湍流器。此外，每组和/或子组湍流器可与相邻湍流器组在周向间隔开。例如，第一子组湍流器431可以距离C1与第二子组湍流器441在周向间隔开。每个子组也可在相邻湍流器子组之间具有基本上相同或不同的周向间距。湍流器子组441可与子组湍流器431以基本上相同或不同周向距离间隔开，且湍流器子组442可与子组湍流器432以相同或不同周向距离间隔开。另外，在单个子组中的每个单独湍流器可与同一子组中的相邻单独湍流器具有可变的轴向间距。

此配置的优点在于热斑的最热区域通过使用紧密间隔的湍流器在更大程度上冷却，而较冷区域需要较少冷却且能采用具有更大轴向间距的湍流器。另一优点在于最多仅在具有最大冷却需要的区域中(即，由湍流器432覆盖的区)增加压降且其它区域由于较少湍流器或不存在湍流器而具有减小的压降(例如，在热斑420之间的区域)。

图5示出了具有根据本发明的方面配置的湍流器的燃烧衬套500的局部截面图。第一湍流器子组包括具有湍流器之间的间距L₁的单独湍流器531。第二湍流器子组包括具有湍流器之间的间距L₂的单独湍流器532。第三湍流器子组包括具有湍流器之间的间距L₃的单独湍流器533。在此实例中，L₃大于L₁，且L₁大于L₂。应了解在与单独热斑区相关联的每组湍流器中可存在一个、两个、三个或更多个湍流器子组。在此实例中所有湍流器具有基本上相同的高度H。但是，在湍流器子组之间的轴向间距能不同，例如S₂大于S₁。

湍流器532可位于热斑的最热或最高温度部分，而湍流器533可位于热斑的较冷或较低温度部分。湍流器531可位于在由湍流器532和533覆盖的区之间具有一定温度的热斑部分中。此配置限制最大压降为仅那些具有最高温度的区，且减小热斑的其它区的压降并更进一步减小热斑外的燃烧衬套部分的压降。

图6示出了具有根据本发明的方面配置的湍流器的燃烧衬套600的局部截面图。第一湍流器子组包括具有湍流器间距L₁和高度H₁的单独湍流器631。第二湍流器子组包括具有湍流器之间的间距L₂和高度H₂的单独湍流器632。第三湍流器子组包括具有湍流器之间的间距L₃和高度H₃的单独湍流器633。在此实例中，L₃大于L₁，且L₁大于L₂，且H₂大于H₁，且H₁大于H₃。在湍流器子组之间的间距能不同，例如S₂大于S₁。

湍流器632的增加的高度H₂能通过增加湍流从而增加传热来帮助进一步冷却在热斑的较热部分中的燃烧衬套的较热部分。在一些应用中或热斑的一些区域中，可需要增加单独湍流器中的至少一些的高度以及湍流器之间的轴向间距的距离。在中温区域，可使用中等高度H₁，而在热斑的较冷区域，可使用较低高度H₃来引起湍流。

可看出能通过在燃气涡轮中在燃烧衬套上在周向间隔的湍流器组来实现湍流(和因此的传热)增加和总压降减小。一组湍流器基本上与同燃料喷嘴的燃烧产物相关联的热斑对准，且单独子组的湍流器可具有各种高度和/或在相邻湍流器之间的轴向间距。

应当指出的是在本文中用语“第一”、“第二”和类似词语以及“主”、“次”和类似词语并不表示任何量、次序或重要性，而是用于区分一个元件与另一元件，且用语“一”在本文中并不表示数量限制而是表示存在至少一个所提到的项目。如本文所用的用语“大约”当结合数值范围中的数字使用时，限定为“大约”所修饰的数字的一定标准偏差内。如本文所用的后缀“(多个)”预期包括其所修饰的用语的单数和复数形式，从而包括一个或多个该用语(例如，湍流器包括一个或多个湍流器)。

本书面描述使用实例来公开本发明(包括最佳实施方式)，且也能使本领域技术人员实践本发明(包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法)。专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的这些修改和其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，那么其它实例预期在权利要求的保护范围内。

Claims (18)

1. 一种用于涡轮的燃烧器，所述燃烧器具有多个燃料喷嘴(310)和燃烧带，所述燃烧带与同所述多个燃料喷嘴中的每一个相关联的燃烧过程对准，所述燃烧器包括：

燃烧衬套(400)，其包括多个湍流器组(430, 440)，所述多个湍流器组中的每一个包括一个或多个单独湍流器(531, 532, 533)，所述多个湍流器组中的每一个与由同所述多个燃料喷嘴之一相关联的所述燃烧带造成的热斑(420)对准；

其中，所述多个湍流器组中的每一个与相邻湍流器组在周向间隔开。

2. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述多个湍流器组中的至少一组中的单独湍流器(531, 532, 533)中的至少一些之间的轴向间距(L₁, L₂, L₃)不同。

3. 根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，在所述单独湍流器(531, 532, 533)中的至少一些之间的所述轴向间距(L₂)在所述燃烧衬套的较热的带中更小，且在所述单独湍流器(531, 532, 533)中的至少一些之间的所述轴向间距(L₁)在所述燃烧衬套的较冷的带中更大。

4. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述多个湍流器组(430, 440)中的每一个包括多个湍流器子组(431, 432, 433)。

5. 根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述多个湍流器子组(531, 532, 533)还包括：

至少一个第一湍流器子组(531)，其具有在至少一些相邻单独湍流器(531)之间的轴向间距L₁，所述至少一个第一湍流器子组位于所述燃烧衬套的第一部分中；

至少一个第二湍流器子组(532)，其具有在至少一些相邻单独湍流器(532)之间的轴向间距L₂，所述至少一个第二湍流器子组位于所述燃烧衬套的第二部分中；

其中L₁大于L₂，且所述第一部分比所述第二部分更冷。

6. 根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，在所述至少一个第一湍流器子组中的单独湍流器(631)中的至少一些具有高度H₁，且在所述至少一个第二湍流器子组中的单独湍流器(632)中的至少一些具有高度H₂，且其中H₁小于H₂。

7. 根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于还包括：

至少一个第三湍流器子组(533)，其具有在至少一些相邻单独湍流器(533)之间的轴向间距L₃，所述至少一个第三湍流器子组位于所述燃烧衬套的第三部分中；

其中L₃大于L₁，且L₁大于L₂，且所述第三部分比所述第一部分更冷，所述第一部分比所述第二部分更冷。

8. 根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述至少一个第一湍流器子组(531)以轴向距离S₁与所述至少一个第二湍流器子组(532)在轴向间隔开，且所述至少一个第二湍流器子组(532)以轴向距离S₂与所述至少一个第三湍流器子组(533)在轴向间隔开，且其中S₁小于S₂。

9. 根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，在所述至少一个第一湍流器子组中的单独湍流器(631)中的至少一些具有高度H₁，在所述至少一个第二湍流器子组(632)中的单独湍流器中的至少一些具有高度H₂，且在所述至少一个第三湍流器子组(631)中的单独湍流器中的至少一些具有高度H₃，且其中H₃小于H₁，H₁小于H₂。

10. 一种用于涡轮的燃烧器，所述燃烧器具有多个燃料喷嘴和燃烧带，所述燃烧带与同所述多个燃料喷嘴中的每一个相关联的燃烧过程对准，所述燃烧器包括：

燃烧衬套，其包括多个湍流器组 ，所述多个湍流器组中的每一个包括一个或多个单独湍流器，所述多个湍流器组中的每一个与由同所述多个燃料喷嘴之一相关联的所述燃烧带造成的所述燃烧衬套中的热斑基本上对准；并且

其中，所述多个湍流器组中的每一个与相邻湍流器组在周向间隔开。

11. 根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述多个湍流器组中的至少一组中的一个或多个单独湍流器中的至少一些之间的轴向间距不同。

12. 根据权利要求11所述的燃烧器，其特征在于，在所述一个或多个单独湍流器中的至少一些之间的轴向间距在所述热斑的较热部分中更小，在所述一个或多个单独湍流器中的至少一些之间的轴向间距在所述热斑的较冷部分中更大。

13. 根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述多个湍流器组中的每一个包括多个湍流器子组。

14. 根据权利要求13所述的燃烧器，其特征在于，所述多个湍流器子组还包括：

至少一个第一湍流器子组，其具有在至少一些相邻单独湍流器之间的轴向间距L₁，所述至少一个第一湍流器子组位于所述热斑的第一部分中；

至少一个第二湍流器子组，其具有在至少一些相邻单独湍流器之间的轴向间距L₂，所述至少一个第二湍流器子组位于所述热斑的第二部分中；

其中L₁大于L₂，且所述热斑的所述第一部分比所述热斑的第二部分更冷。

15. 根据权利要求14所述的燃烧器，其特征在于，在所述至少一个第一湍流器子组中的单独湍流器中的至少一些具有高度H₁，且在所述至少一个第二湍流器子组中的单独湍流器中的至少一些具有高度H₂，且其中H₁小于H₂。

16. 根据权利要求14所述的燃烧器，其特征在于还包括：

至少一个第三湍流器子组，其具有在至少一些相邻单独湍流器之间的轴向间距L₃，所述至少一个第三湍流器子组位于所述热斑的第三部分中；

且其中L₃大于L₁，且L₁大于L₂，且所述热斑第三部分比所述热斑的第一部分更冷，所述热斑的第一部分比所述热斑的第二部分更冷。

17. 根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述至少一个第一湍流器子组以轴向距离S₁与所述至少一个第二湍流器子组在轴向间隔开，且所述至少一个第二湍流器子组以轴向距离S₂与所述至少一个第三湍流器子组在轴向间隔开，且其中S₁小于S₂。

18. 根据权利要求17所述的燃烧器，其特征在于，在所述至少一个第一湍流器子组中的单独湍流器中的至少一些具有高度H₁，在所述至少一个第二湍流器子组中的单独湍流器中的至少一些具有高度H₂，且在所述至少一个第三湍流器子组中单独湍流器中的至少一些具有高度H₃，且其中H₃小于H₁，所述H₁小于H₂。

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