套筒组件及其制造方法与流程

本公开内容的领域大体上涉及套筒组件，并且更具体地涉及结合涡轮组件中的燃烧器使用的套筒组件。

背景技术：

至少一些已知的涡轮组件包括压缩机、燃烧器和涡轮。气体流入压缩机中且压缩。压缩气体然后排放到燃烧器中，且与燃料混合，且所得的混合物点燃来生成燃烧气体。燃烧气体从燃烧器导送穿过涡轮，从而驱动涡轮，其又可对联接到涡轮上的发电机供能。

许多已知的燃烧器使用套筒组件，套筒组件包括限定燃料和压缩气体的混合物在其中点燃的燃烧室的衬套。为了延长套筒组件的使用寿命，通常套筒组件包括外套筒，其包绕衬套，使得在衬套与套筒之间引导的压缩气流冷却衬套。然而，可能难以充分地冷却至少一些已知套筒组件的衬套，特别是在依靠冲击或膜冷却的系统中。在这些系统中，冷却空气量可能不足以在不引起传送至头端的气体中的显著压降的情况下均匀地冷却衬套。由于不均匀的冷却，故一些现有的套筒组件经历内衬套与包绕的套筒之间的下游连接点处的高应力。

通常传感器或其它点火相关的构件经由套筒组件插入燃烧室中，以便于监测或点火。在一些情形中，套筒组件的设计可使得其难以将传感器和其它仪器适当地定位在燃烧室中。

不充分地冷却套筒组件和/或不能将传感器适当地定位在燃烧室内可导致套筒组件和/或其它燃烧器或涡轮构件的部分过热。经过一段时间，继续经历过热可引起此类构件的热开裂和/或过早损坏。

技术实现要素：

一方面，提供了一种用于燃烧系统的套筒组件。套筒组件包括限定具有流动轴线和主燃烧区的燃烧室的衬套。衬套具有前端和后端使得衬套围绕(circumscribe)流动轴线。套筒组件还包括围绕衬套的壳，使得冷却通道限定在衬套与壳之间。壳包括具有前端和后端的联合套筒(unisleeve)。联合套筒的后端定位在衬套的后端的轴向上游，从而限定了衬套的后端与联合套筒的后端之间的间隙。联合套筒在沿联合套筒的前端与后端之间的轴向平面的沿周向间隔开的位置处安装到衬套上。

另一方面，提供了一种制造用于燃烧系统的套筒组件的方法。该方法包括形成限定燃烧室的衬套，燃烧室包括流动轴线和主燃烧区。衬套具有前端和后端使得衬套围绕流动轴线。该方法还包括将壳联接到衬套上，使得壳围绕衬套，以限定衬套与壳之间的冷却通道。壳包括具有前端和后端的联合套筒。联合套筒的后端定位在衬套的后端的轴向上游，从而限定了衬套的后端与联合套筒的后端之间的间隙。将壳联接到衬套上包括在沿联合套筒的前端与后端之间的单个轴向平面的沿周向间隔开的位置处将联合套筒安装到衬套上。

另一方面，提供了一种燃烧系统。燃烧系统包括燃料喷射器和具有衬套的套筒组件，衬套限定包括流动轴线和主燃烧区的燃烧室。衬套具有前端和后端使得衬套围绕流动轴线。套筒组件还具有围绕衬套的壳，使得冷却通道限定在衬套与壳之间。壳包括具有前端和后端的联合套筒。联合套筒的后端定位在衬套的后端的轴向上游，从而限定了衬套的后端与联合套筒的后端之间的间隙。联合套筒在沿联合套筒的前端与后端之间的轴向平面的沿周向间隔开的位置处安装到衬套上。

技术方案1.一种用于燃烧系统的套筒组件，所述套筒组件包括：

限定包括流动轴线和主燃烧区的燃烧室的衬套，所述衬套具有前端和后端使得所述衬套围绕所述流动轴线；以及

壳，其围绕所述衬套使得冷却通道限定在所述衬套与所述壳之间，所述壳包括具有前端和后端的联合套筒，所述联合套筒的后端定位在所述衬套的后端的轴向上游，从而限定了在所述衬套的后端与所述联合套筒的后端之间的间隙；并且，所述联合套筒在沿所述联合套筒的前端与后端之间的轴向平面的沿周向间隔开的位置处安装到所述衬套上。

技术方案2.根据技术方案1所述的套筒组件，其特征在于，所述壳还包括联接到所述联合套筒上的流动套筒，所述流动套筒具有前端和后端，其中所述流动套筒的所述后端沿轴向定位在所述衬套的所述端之间，使得所述流动套筒与限定所述燃烧室的主燃烧区的所述衬套的前部重叠。

技术方案3.根据技术方案2所述的套筒组件，其特征在于，所述流动套筒为单件的整体结构。

技术方案4.根据技术方案1所述的套筒组件，其特征在于，所述联合套筒为多件的结构。

技术方案5.根据技术方案2所述的套筒组件，其特征在于，所述联合套筒在接缝处联接到所述流动套筒上，所述联合套筒在所述接缝处重叠所述流动套筒。

技术方案6.根据技术方案5所述的套筒组件，其特征在于，所述壳包括在所述接缝处联接在所述流动套筒与所述联合套筒之间的密封件。

技术方案7.根据技术方案1所述的套筒组件，其特征在于，所述衬套为单件的整体结构。

技术方案8.一种制造用于燃烧系统的套筒组件的方法，所述方法包括：

形成限定包括流动轴线和主燃烧区的燃烧室的衬套，所述衬套具有前端和后端使得所述衬套围绕所述流动轴线；以及

将壳联接到所述衬套上，使得所述壳围绕所述衬套来限定所述衬套与所述壳之间的冷却通道，所述壳包括具有前端和后端的联合套筒，所述联合套筒的后端定位在所述衬套的后端的轴向上游，从而限定了在所述衬套的后端与所述联合套筒的后端之间的间隙；

其中，将所述壳联接到所述衬套上包括在沿所述联合套筒的前端与后端之间的单个轴向平面的沿周向间隔开的位置处将所述联合套筒安装到所述衬套上。

技术方案9.根据技术方案8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成具有联接到所述联合套筒上的流动套筒的所述壳，所述流动套筒具有前端和后端，所述流动套筒的后端沿轴向定位在所述衬套的端之间，使得所述流动套筒与限定所述燃烧室的主燃烧区的所述衬套的部分重叠。

技术方案10.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述流动套筒形成为单件的整体结构。

技术方案11.根据技术方案8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述联合套筒形成为多件的结构。

技术方案12.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述联合套筒在接缝处联接到所述流动套筒上，使得所述联合套筒在所述接缝处重叠所述流动套筒。

技术方案13.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，将所述联合套筒联接到所述流动套筒上还包括将密封件在所述接缝处设置在所述流动套筒与所述联合套筒之间。

技术方案14.根据技术方案8所述的方法，其特征在于，形成衬套包括将所述衬套形成为单件的整体结构。

技术方案15.一种燃烧系统，包括：

燃料喷射器；以及

套筒组件，其包括：

限定包括流动轴线和主燃烧区的燃烧室的衬套，所述衬套具有前端和后端使得所述衬套围绕所述流动轴线；以及

壳，其围绕所述衬套使得冷却通道限定在所述衬套与所述壳之间，所述壳包括具有前端和后端的联合套筒，所述联合套筒的后端定位在所述衬套的后端的轴向上游，从而限定了在所述衬套的后端与所述联合套筒的后端之间的间隙；并且，所述联合套筒在沿所述联合套筒的前端与后端之间的轴向平面的沿周向间隔开的位置处安装到所述衬套上。

技术方案16.根据技术方案15所述的燃烧系统，其特征在于，所述壳包括在密封接缝处联接到所述联合套筒上的流动套筒。

技术方案17.根据技术方案16所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧系统还包括联接到所述壳的所述流动套筒上的仪器，其中所述流动套筒重叠所述燃烧室的主燃烧区。

技术方案18.根据技术方案17所述的燃烧系统，其特征在于，所述仪器穿透所述壳和所述衬套。

技术方案19.根据技术方案17所述的燃烧系统，其特征在于，所述仪器为点火器、交叉火焰管和传感器中的一者。

技术方案20.根据技术方案15所述的燃烧系统，其特征在于，所述衬套为单件的整体结构。

附图说明

图1为示例性涡轮组件的简图；

图2为结合图1中所示的涡轮组件的燃烧筒使用的示例性套筒组件的简图；以及

图3为图2中所示的套筒组件的节段的透视图。

零件清单：

100涡轮组件

101压缩机排放壳

102压缩机区段

104燃烧器区段

106涡轮区段

108壳

109喷嘴

110中心线轴线

112工作气体

114压缩气体

115燃烧气体

116排气

118燃烧筒

120套筒组件

122燃烧室

124燃料输送系统

126主燃料喷射器

128副燃料喷射器

130第一混合物

132第二混合物

134导管组件

206凸缘

302前端

304后端

307副燃烧区

308流动轴线

309主燃烧区

310径向大小

311燃料

312周向大小

313燃料管

314衬套

316壳

317气流

318壳第一构件

320壳第二构件

322件

328喷射器凸台

330前端

332后端

334接缝

336冷却通道

338前端

340后端

342前端

344后端

345间隙

346位置

347周向密封件

349内表面

400仪器。

具体实施方式

以下详细描述通过举例的方式且不通过限制方式示出了套筒组件。该描述应当允许本领域的普通技术人员制作和使用套筒组件，且该描述介绍了套筒组件的若干实施例，包括目前认为是制作和使用套筒组件的最佳模式的内容。示例性套筒组件在本文中描述为联接在涡轮组件的燃烧器内。然而，可构想出的是，本文所述的制造方法具有除涡轮组件外的多种领域中的宽范围的系统的总体应用。

图1示出了示例性涡轮组件100。在示例性实施例中，涡轮组件100为燃气轮机组件，其包括在壳108内沿中心轴线110与彼此流动连通联接的压缩机区段102、燃烧器区段104和涡轮区段106。在操作中，工作气体112流入压缩机区段102中，且压缩并导送到燃烧器区段104中。压缩气体114与燃料(未示出)混合且在燃烧器区段104中点燃，以生成燃烧气体115，其导送到涡轮区段106中，且然后从涡轮区段106作为排气116排放。

在示例性实施例中，燃烧器区段104包括多个燃烧筒118。各个燃烧筒118均具有套筒组件120，其限定燃烧室122。燃料输送系统124联接到各个燃烧筒118上，且包括位于燃烧筒118的前端处的主燃料喷射器126。轴向燃料分级(afs)系统将燃料供应至定位在主燃料喷射器126的轴向下游的副燃料喷射器128。燃料和压缩气体的第一混合物130沿轴向方向经由主燃料喷射器126喷射到燃烧室122中，且燃料和压缩气体的第二混合物132沿径向方向经由副燃料喷射器128喷射到燃烧室122中。各个副燃料喷射器128均联接到套筒组件120上，且经由导管组件134供有燃料和压缩气体。燃烧器104可具有任何适合的数目和布置的以任何适合的方式供有燃料和/或压缩气体的主燃料喷射器126和副燃料喷射器128。

图2和图3示出了结合涡轮组件100的燃烧筒118使用的示例性套筒组件120。在示例性实施例中，套筒组件120具有联接到燃烧器壳凸缘206上的前端302，以及联接到涡轮区段106的喷嘴(图1中的109)上的后端304，燃烧器壳凸缘206又联接到压缩机排放壳(图1中的101)上。套筒组件120分别包围前端302与后端304之间的燃烧室122。此外，至少一个副燃料喷射器128联接到套筒组件120上。燃料喷射器128经由凸台328安装(例如，螺接或另外装固)到套筒组件120上且穿透套筒组件120，凸台328装固(例如，焊接)到套筒组件120上，使得燃料喷射器128在燃烧室122的副燃烧区307处与燃烧室122流动连通。

在至少一个实施例中，仪器400(例如，点火器、交叉火焰管(cross-firetube)、温度传感器、压力传感器或其它适合的传感器)联接到套筒组件120上。仪器400在燃烧室122的主燃烧区309处安装到套筒组件120上且穿透套筒组件120，主燃烧区309在副燃烧区307前方。作为备选或此外，仪器400可在燃烧室122的任何适合的区(如，副燃烧区307)处穿透套筒组件120。当仪器400为传感器时，仪器400监测主燃烧区309内的燃烧过程的方面。在此情况下，仪器400可与控制系统(未示出)集成。仪器400可延伸任何适合的距离进入燃烧室122中，或在交叉火焰管的情况下，可不自身延伸穿过套筒组件120，而是与燃烧室122流体连通。

在涡轮组件100的操作期间，燃料和压缩气体的第一混合物130经由主燃料喷射器(图1中的126)喷射到燃烧室122中，且在燃烧室122的主燃烧区309中点燃，且燃料(例如，经由燃料管313供应的燃料311)和压缩气体的第二混合物132经由副燃料喷射器128喷射到燃烧室122中，且在副燃烧区307中点燃，从而生成流入涡轮区段106中的燃烧气体115。在示例性实施例中，燃烧室122具有限定在套筒组件120内的流动轴线308，使得套筒组件120具有关于流动轴线308的径向大小310和周向大小312。尽管图3中仅示出了套筒组件120的周向区域，但套筒组件120完全围绕流动轴线308。如本文使用的用语"半径"(或其任何变型)是指从任何适合的形状(例如，正方形、矩形、三角形等)的中心向外延伸维度，且不限于从圆形的中心向外延伸的维度。类似地，如本文使用的用语"周向"(或其任何变型)是指围绕任何适合的形状(例如，正方形、矩形、三角形等)的中心延伸维度，且不限于绕圆形的中心延伸的维度。

在示例性实施例中，套筒组件120包括衬套(或单一体(unibody))314和壳316。壳316具有第一构件318(或流动套筒)和第二构件320(或联合套筒)，两者都围绕流动轴线308。在示例性实施例中，第一构件318为单件的整体结构，其为环形，且经由旋转过程(turningprocess)制造，使得第一构件318为刚性(即，大致非柔性)且围绕衬套314的前部。在示例性实施例中，第二构件320为多件的结构，其包括多个独立形成的件322(仅示出其中一个)，其分别经由压制过程(例如，冲压过程)制造，此后，件322被形成且联接在一起且/或经由凸台328联接到衬套314上，使得件322共同地围绕衬套314的后部。在其它实施例中，第一构件318和第二构件320可使用任何其它适合的过程制造，且分别可包括允许套筒组件120起到如本文所述的作用的任何适合数目的件322(例如，第一构件318可不是单件的整体结构，且/或第二构件320可不是多件的结构)。作为备选，第一构件318和第二构件320可具有任何适合水平的刚性或柔性(例如，第一构件318可为柔性的，且/或第二构件320可为刚性的)。

在示例性实施例中，衬套314为单件的整体结构，其具有前端330和后端(或框架)332，使得衬套314围绕端330和332之间的流动轴线308。前端330大体上关于流动轴线308为圆柱形，且后端332在前到后的方向上关于流动轴线308为锥形。此外，壳构件318和320在围绕流动轴线308的接缝334处联接在一起。因此，冷却通道336限定在衬套314与壳316之间，使得在涡轮组件100的操作期间，压缩气体114的流317可从后端304附近朝前端302导送穿过冷却通道336，从而冷却衬套314。更具体而言，壳的第一构件318具有前端338和后端340，且壳的第二构件320具有前端342和后端344。端338联接到凸缘206上，使得壳的第一构件318从凸缘206延伸至后端340。壳的第一构件318因此在衬套314的大体上圆柱形的前端330的轴向后方延伸，使得壳的第一构件318的后端340沿轴向定位在衬套314的端330和332之间。

在示例性实施例中，壳的第二构件320的前端342在接缝334处联接到壳的第一构件318的后端340上，使得壳的第二构件320从壳的第一构件318的后端340延伸至壳的第二构件320的后端344。显著地，壳的第二构件320的后端344与衬套314的后端332沿轴向间隔开，使得周向间隙345限定在后端344和332之间，以允许冷却气流317进入冷却通道336。不使壳的第二构件320的后端344连接到衬套314的后端304上，而是使壳的第二构件320经由离散的沿周向间隔开的安装元件如喷射器凸台328连接到衬套314上。因此，壳的第二构件320在中心受支承，且后端344未受支承(即，悬臂式)。副燃料喷射器128和其对应的凸台328可沿单个轴向平面(如图所示)定位，或可位于多个轴向平面中。

冷却气流317流过与冷却通道336流体连通的间隙345，围绕位于冷却通道336中的喷射器凸台328，且至燃烧筒118的头端，其中气流317与燃料混合，且引入主燃烧区309中作为第一燃料/空气混合物130。该布置允许了较高体积的空气引导穿过冷却通道336，且减小了在其它情况(如果壳的第二构件320直接地附接到衬套314的后端304上且气流317仅经由壳的第二构件320中的冲击或膜冷却孔引入)下发生的压力损失。可选地，壳的第二构件320可包括冲击冷却孔(未示出)，以将附加冷却流引导至衬套314的局部热区域，但将理解的是，气流317的仅很小百分比引导穿过此冲击孔。

在示例性实施例中，壳的第二构件320定位在接缝334处的壳的第一构件318的径向外侧(即，重叠)，且周向密封件347(例如，呼啦圈式密封件(hulaseal))定位在接缝334处的壳构件318和320之间，以便于阻尼和密封作用(例如，便于防止气流317经由接缝334流出冷却通道336)。在其它实施中，壳的第二构件320可按任何适合的方式联接到壳的第一构件318上。

由于壳的第二构件320是通过将多个柔性件322联接在一起制造的多件的结构，故可能很难控制壳的第二构件320关于流动轴线308的定向(即，可能很难结合到将具有关于流动轴线308的精确的轴向和/或周向对准的壳的第二构件320的特征中)。另一方面，由于壳的第一构件318制造为刚性的单件的整体结构，故容易控制壳的第一构件318关于流动轴线308的定向(例如，容易结合到具有关于流动轴线308的精确轴向和/周向对准的壳的第一构件318的特征中)。如下文更详细所述，套筒组件120解决了与关于流动轴线308精确地定向壳的第二构件320相关联的至少一些困难。

在示例性实施例中，期望的是，仪器400以关于限定在燃烧室122中的主燃烧区309的轴向位置346的精确轴向和周向对准来安装在套筒组件120上(例如，期望仪器400在沿流动轴线308的特定位置346处对准)。然而，如上文所述，此对准可能在安装仪器400在壳的第二构件320上时很难实现。因此，在示例性实施例中，壳的第一构件318从凸缘206延伸，且在沿流动轴线308的主燃烧区位置346处重叠衬套314。壳的第一构件318的这样延伸允许了仪器400安装到壳的第一构件318上，而非壳的第二构件320上，同时在主燃烧区位置346处沿轴向对准。由于仪器400联接到壳的第一构件318上，故仪器400以结构上更牢固的方式安装到套筒组件120上，从而便于仪器400关于流动轴线308的更精确定向(即，在涡轮组件100的操作期间更好阻止仪器400的轴向和/或周向转移)。

此外，由于冷却通道336的截面面积在涡轮组件100的操作期间保持与位置346处尺寸大致相同，故套筒组件120的冷却能力也改善。换言之，位置346处的刚性壳的第一构件318和衬套314的相对径向定位得到更好控制，使得位置346处的冷却通道336的截面面积在涡轮组件100的操作期间减小较少(归因于衬套314的热膨胀)。

在一些实施例中，壳的第一构件318可形成有内表面349，其为凸形轮廓来限定冷却通道336的减小的截面面积或窄点(pinchpoint)(未示出)，其可与壳的第一构件318的前端338附近的主燃烧区309的位置346沿轴向对准，或在沿燃烧室122的流动轴线308的任何其它适合的位置处。该减小的截面面积生成对流的文氏管类型的冷却效应，这又引起气流317在主燃烧区309的径向外侧加速穿过冷却通道336，同时以更均匀或大致更一致的方式分配气流317到冷却管336的各处。

本文所述的方法和系统便于结合燃烧器使用的改善的套筒组件。例如，该方法和系统便于套筒组件的衬套和壳的增强冷却，从而改善衬套和壳的耐用性和使用寿命。此外，本文所述的方法和系统便于相比于已知衬套缩短衬套的长度，这又加强了衬套，减小燃烧器的总重量，且降低与制造衬套相关联的成本。该方法和系统还提高了对穿透衬套组件且/或延伸到燃烧器的燃烧室中的仪器的结构支承。此外，该方法和系统便于关于燃烧室精确地定向仪器，且在燃烧器的操作期间保持仪器的相对定向，因为仪器联接到刚性的单件周向壳构件上。因此，该方法和系统便于改善套筒组件的动态应力能力，因为壳与其相关联的衬套(和仪器)之间的连接更均匀地冷却且结构上更牢固，从而大体上延长了燃烧器且具体是套筒组件的使用寿命。由于套筒组件冷却且以增强方式联接到其相关联的仪器和/或燃料喷射器上，故该方法和系统还便于减少组装燃烧器所需的时间，降低保养燃烧器的成本，以及改善燃烧器的总体操作效率。

上文详细描述了方法和系统的示例性实施例。本文所述的方法和系统不限于本文所述的特定实施例，而相反，该方法和系统的构件可独立地使用且与本文所述的其它构件分开使用。例如，本文所述的方法和系统可具有不限于结合如本文所述的涡轮组件实施的其它应用。相反，本文所述的方法和系统可结合其它各种行业实施和使用。

尽管按照各种具体实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，本发明可利用在权利要求的精神和范围内的改型来实施。