[发明专利]冷却一件式筒形燃烧器和相关方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及涡轮构件，并且更具体地涉及冷却燃气轮机燃烧器。

背景技术

工业燃气轮机燃烧器通常设计成包括成阵列地围绕涡轮转子圆周的多个分立的燃烧室或“筒(can)”。常规而言，工业燃气轮机筒形燃烧室的壁由两个主要部件形成：接合燃烧器的圆头端的圆柱形或圆锥形金属板材衬套(liner)；以及将热气体流路从衬套的圆形截面过渡至通向涡轮第一级的进口的弧形区段(sector)的金属板材过渡件。这两个燃烧器构件借助于柔性连接件成端对端的关系连接在一起，这需要在冷却流中消耗一部分压缩机排出空气和在连接部位发生泄漏。

在共同拥有的美国专利No.7,082,766中，公开了一种筒形燃烧器，其包括从燃烧器前端或头端直接延伸到涡轮第一级进口的管道，即现有技术的燃烧器衬套和过渡件组合成单个的管道。在一个示例性实施例中，相组合的燃烧器衬套/过渡件(文中有时也称为“单件式管道”)无接缝，并且导流套筒(flow sleeve)以与其成大致同心关系地环绕该单件式管道，在其间形成用于输送空气到燃烧器的导流环状空间(flow annulus)。通过在环绕的导流套筒中设置冲击冷却孔，使得一部分压缩机排出空气还径向地穿过冲击冷却孔流进在单件式管道与导流套筒之间的环状空间，从而通过冲击和对流冷却来冷却管道而实现冷却。

然而，仅强制对流不可能有效地冷却单件式管道。由于冷却流的压降局限性和/或不均匀的分布而可能存在未被冷却的区域(即，热点)。

因此，对于结合了燃气轮机燃烧器的现有技术的燃烧器衬套和过渡件的单件式管道而言，需要更有效和高效的冷却技术。

发明内容

根据本文所述的示例性但非限制性的实施例，本发明采用泻流冷却(effusion cooling)来冷却相组合的燃烧器衬套/过渡件中冲击冷却不足的区域。因此，在一方面，本发明涉及一种用于冷却大体上被封套在环绕的导流套筒内的单件式组合燃烧器衬套/过渡件的冷却装置，其具有径向地处在导流套筒与单件式组合燃烧器衬套/过渡件之间的冷却环状空间，该冷却装置包括：位于冲击导流套筒中的第一多个冲击冷却孔，该多个冲击冷却孔具有第一直径并被布置成用以引导冷却空气到单件式组合燃烧器衬套/过渡件的指定区域上；以及位于单件式组合燃烧器衬套/过渡件中的第二多个泻流冷却孔，其具有小于第一直径的第二直径，并被定位成通过泻流来冷却单件式组合燃烧器衬套/过渡件的其它区域。

在另一方面，本发明涉及一种冷却单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件的方法，其包括：(a)利用导流套筒环绕单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件，从而在单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件与导流套筒之间构成环形流动通道；(b)在导流套筒中设置多个适于供应冷却空气到单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件的指定区域上的冲击冷却孔；以及(c)在单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件中设置多个适于供应冷却空气到单件式组合燃气轮机燃烧器衬套/过渡件的其它指定区域的泻流冷却孔。

现将结合以下标明的附图详细地描述本发明。

附图说明

图1是根据公知构造的由导流套筒所环绕的单件式组合燃烧器衬套/过渡件的示意图；以及

图2是根据本发明的一个示例性实施例的设置有泻流冷却孔的单件式组合燃烧器衬套/过渡件的局部透视图；以及

图3示出了图2所示的单件式组合燃烧器衬套/过渡件的泻流冷却区域中的冷却流模式的示意性截面。

具体实施方式

参照图1，本发明的示例性但非限制性的实施例包括复合形状的圆柱形单件式组合燃烧器衬套/过渡件(或单件式管道)10，其从圆形燃烧器头端12直接延伸到总体上呈矩形但为弓形的区段14上，该区段14连接到涡轮16的第一级上。单件式管道10可由焊接或连接在一起的两个半部或若干构件形成，以易于组装或制造。同样，单件式导流套筒18从圆形燃烧器头端12直接过渡到后构架20。单件式导流套筒18也可由两个半部形成并焊接或连接在一起，以易于组装。在导流套筒18与后构架20之间的连接部位对径向地位于导流套筒18与单件式管道10之间的冷却环状空间22形成基本上封闭的端部。

与现有技术中所采用的那些相似，附加的燃气轮机燃烧器构件包括圆形罩盖(cap)24以及支承多个燃料喷嘴28的端盖26。单件式管道10还支承前套筒30，该前套筒30可通过例如焊接通过径向支柱32固定地附接在单件式管道10上。