冲击冷却的燃烧器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种与燃气涡轮发动机一起使用的冲击冷却的燃烧器。该燃烧器包括涡轮机喷嘴和与涡轮机喷嘴成一体的衬套冷却系统。衬套冷却系统可以包括衬套和冲击套筒，衬套上具有一个或多个冷却特征。
【专利说明】冲击冷却的燃烧器
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及具有能够在可变的燃料范围内满足强制排放水平和期望的输出要求的采用射流搅拌(jet stirred)设计和类似设计的带有衬套(liner)冷却系统的燃烧器的燃气涡轮发动机。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机的操作效率一般地随着热燃烧气体流的温度升高而增大。但是，更高的燃烧气体流温度会导致产生更高水平的氮氧化物(NOx)和其他类型的不期望的排放物。这些排放物要符合美国的联邦和州的法规，并且还要符合类似的国外法规。此外，燃气涡轮发动机和发电厂的融资经常要服从国际排放标准。因此，在有效温度范围内操作燃气涡轮发动机、与还确保氮氧化物和其他类型受管制排放物的输出良好地保持在强制水平之内两者之间存在平衡协调。很多其他类型的操作参数也可以改变以提供这种优化平衡。
[0003]燃气涡轮发动机的操作者等更喜欢根据可用性和价格在不同时刻使用不同类型的燃料。例如，液体燃料(例如重燃料油)可能在某些时候在某些场所易于得到。但是，重燃料油在某些燃烧温度以上会高度转化成氮氧化物。具体地，液体燃料(例如重燃料油)在燃料固有氮(fuel bound nitrogen)方面可能高。结果,这些燃料一般需要使用选择性催化还原等来降低排放水平。但是，这些处理会增大燃气涡轮发动机的总操作成本和总体复杂度。
[0004]因此，期望一种能够有效地燃烧从天然气到液体燃料的各种类型燃料并同时保持总排放合规的用于燃气涡轮发动机的燃烧器。有利地，这种燃烧器可以被充分地冷却以获得长部件寿命，而不会损害有效的总体操作和产出。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器。该燃烧器可以包括涡轮机喷嘴和与涡轮机喷嘴成一体的衬套冷却系统。衬套冷却系统可以包括衬套和冲击套筒，衬套上具有一个或多个冷却特征。
[0006]优选的，所述涡轮机喷嘴包括一级喷嘴。
[0007]优选的，所述涡轮机喷嘴包括燃料喷射器。
[0008]优选的，所述燃烧器包括射流搅拌燃烧器。
[0009]优选的，所述衬套冷却系统包括位于所述衬套和所述冲击套筒之间的气隙。
[0010]优选的，所述一个或多个冷却特征包括多个肋状件。
[0011]优选的，所述衬套包括上面具有热障涂层的合金。
[0012]优选的，所述衬套包括一个或多个扩散孔。
[0013]优选的，所述冲击套筒包括多个冲击孔。
[0014]优选的，所述多个冲击孔包括多个变化形状的冲击孔。
[0015]优选的，所述冲击套筒包括具有多个顶部冲击孔的顶侧。[0016]优选的，所述冲击套筒包括具有多个底部冲击孔的底侧。
[0017]优选的，所述冲击套筒包括多个冷却特征冲击孔。
[0018]优选的，所述冲击套筒包括具有多个头端冲击孔的头端。
[0019]本发明还提供一种冷却燃烧器的方法。该方法可以包括如下步骤:利用与涡轮机喷嘴成一体的衬套冷却系统限定燃烧区，使空气围绕燃烧器的头端流动从而通过冲击套筒冲击冷却衬套冷却系统的衬套，并且通过一个或多个衬套表面冷却特征进一步冷却衬套。
[0020]本发明还可以提供一种与燃气涡轮发动机一起使用的射流搅拌燃烧器。该射流搅拌燃烧器可以包括一级喷嘴和与该一级喷嘴成一体的衬套冷却系统。衬套冷却系统可以包括衬套、冲击套筒和位于衬套与冲击套筒之间的气隙，衬套上具有一个或多个冷却特征。
[0021]优选的，所述一个或多个冷却特征包括多个肋状件。
[0022]优选的，所述冲击套筒包括具有多个顶部冲击孔的顶侧。
[0023]优选的，所述冲击套筒包括具有多个底部冲击孔的底侧。
[0024]优选的，所述冲击套筒包括具有多个头端冲击孔的头端。
[0025]在结合多个附图和所附权利要求书阅读下文详细描述之后，本发明的这些和其他特征和改进对于本领域普通技术人员将显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是具有压缩机、燃烧器和涡轮机的燃气涡轮发动机的示意图。
[0027]图2是可以与图1的燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器的示意图。
[0028]图3是如本说明书描述的燃烧器的一部分的透视图。
[0029]图4是图3的燃烧器的衬套冷却系统的俯视透视图。
[0030]图5是图3的燃烧器的衬套冷却系统的仰视透视图。
[0031]图6是图3的燃烧器的衬套冷却系统的正视平面图。
[0032]图7是图3的燃烧器的衬套冷却系统的侧视透视图。
[0033]图8是图3的燃烧器的衬套的一部分的透视图。
[0034]图9是如本说明书描述的多个燃烧器部段的透视图。
【具体实施方式】
[0035]现在参照附图，其中相同附图标记表示几个示图中相同的元件，图1示出本说明书中可使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15将压缩的空气流20传送到燃烧器25。燃烧器25使压缩的空气流20与加压的燃料流30混合并点燃混合物，以产生燃烧气体流35。尽管只示出单一燃烧器25，然而燃气涡轮发动机10可以包括任意数量的燃烧器25。燃烧气体流35转而被传送到涡轮机40。燃烧气体流35驱动涡轮机40以产生机械功。涡轮机40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15和外部负荷50 (例如发电机等)。
[0036]燃气涡轮发动机10的燃烧器25可以使用天然气、液体燃料、各种类型的合成气、和/或其他类型的燃料。燃气润轮发动机10可以是由位于纽约州(New York)Schenectady的General Electric Company提供的多种不同燃气润轮发动机中的任一种,包括但不限于例如7或9系列重型燃气涡轮发动机等。燃气涡轮发动机10可以具有不同构造并且可以使用其他类型的部件。本说明书还可以使用其他类型的燃气涡轮发动机。本说明书还可以一起使用多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮机、和其他类型的发电设备。
[0037]图2示出燃烧器25的示例，燃烧器25可以用在上述燃气涡轮发动机10等中。在本示例中，燃烧器25可以具有射流搅拌型设计或类似类型的逆流设计。燃烧器25可以与涡轮机喷嘴60成一体。涡轮机喷嘴60可以是一级喷嘴。燃烧器25可以包括从涡轮机喷嘴60延伸的环状燃烧衬套65。环状燃烧衬套65中可以限定燃烧区70。燃料喷射器75可以定位在喷嘴60的周围以提供燃料流30。燃料流30和来自压缩机15或别处的空气流20可以被引入到涡轮机喷嘴60周围的燃烧区70。燃料流30和空气流20可以沿着与热燃烧气体流35相反的方向喷射以与热燃烧气体流35良好混合。本说明书描述的燃烧器25仅用于示例目的。很多其他类型的燃烧器、燃烧器部件和燃烧器构造也众所周知。
[0038]图3示出如本说明书描述的环形燃烧器100的示例。类似于以上所述，燃烧器100的每个部段105可以与涡轮机喷嘴110成一体。在本示例中，涡轮机喷嘴110可以是一级喷嘴120。涡轮机喷嘴100可以包括与燃料流30连通的燃料歧管130。涡轮机喷嘴110还可以包括与燃料歧管130连通的燃料喷射器140。燃料流30和来自压缩机15或别处的空气流20可以在涡轮机喷嘴120周围引入。本说明书描述的燃烧器100可以是紧凑、高密集度以及低排放的燃烧器，即一种射流搅拌型燃烧器150或类似类型的逆流设计。本说明书还可以使用其他部件和其他构造。
[0039]图4至图8示出与燃烧器100 —起使用的如本说明书描述的衬套冷却系统160。衬套冷却系统160中可以限定燃烧区165。衬套冷却系统160可以包括内部衬套170和外部冲击套筒180。衬套170和冲击套筒180可以由气隙190分开。衬套170可以由具有热障涂层的Hastelloy X材料(镍铬铁合金)等制成。(Hastelloy X是位于印第安纳州Kokomo的Haynes International, Inc.的商标)。本说明书可以使用其他类型的材料。冲击套筒180可以由类似材料制成。衬套170、冲击套筒180和气隙190的厚度可以改变。衬套170和冲击套筒180可以具有大致为坍缩的“U”型形状200。本说明书根据期望的流动路径、温度、压力和其他类型的操作参数可以使用其他形状和尺寸。此外，本说明书还可以使用其他部件和其他构造。
[0040]衬套170可以包括面向燃烧区165的燃烧侧210和与空气流20连通并面向气隙190和冲击套筒180的冷却侧220。如图8所示，衬套120的冷却侧220上还可以具有多个冷却特征230。在本示例中，冷却特征230可以采取多个肋状件240的形式。可以使用任意尺寸、形状和构造的任意数量的肋状件240。肋状件240可以形成于冷却侧220中或者以其他方式定位在冷却侧220上。本说明书可以使用任意类型的冷却特征230以增加衬套170的局部表面积，并因此增加经由衬套170传输的热量的量。例如，本说明书可以使用钻石图案、人字形图案、交错翅片、和其他类型的图案和结构。尽管冷却特征230显示为定位在衬套190的冷却侧220的顶侧250和底侧260上，但是本说明书可以使用包括在前端或头端270或别处周围的其他位置。
[0041]衬套170还可以具有在顶侧250、底侧260或别处周围延伸穿过该衬套170的多个扩散孔290。本说明书可以使用任意尺寸、形状或构造的任意数量的扩散孔290。本说明书还可以使用其他部件和其他构造。
[0042]冲击套筒180可以包括延伸穿过该冲击套筒180的多个冲击孔300。本说明书可以使用任意尺寸、形状或构造的任意数量的冲击孔300。如所示，可以使用具有一个或多个顶部直径320的多个顶部冲击孔310，以及具有一个或多个底部直径340的多个底部冲击孔330。类似地，具有一个或多个冷却特征孔直径360的多个冷却特征孔350可以定位在衬套170的冷却特征230周围。此外，具有一个或多个头端冲击孔直径380的多个头端冲击孔370可以定位在衬套170的头端270周围。因此冲击孔300的数量可以根据相对于衬套170的位置而改变。类似地，考虑到局部压降和其他操作参数，冲击孔300的尺寸、形状和构造也可以改变以向衬套170的特定部分提供有效冷却。如图7所示，流动方向可以从头端270朝向涡轮机40。本说明书可以使用和最优化冲击孔300的很多不同构造以及构造的组
入
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[0043]如图9所示，燃烧器100的每个部段105可以结合在一起而形成整个燃烧器100。本说明书可以使用任意数量的部段105。部段105可以按照任意类型的常规方式被结合。部段105可以具有不同的尺寸、形状和构造以及相应衬套冷却系统160的变动。
[0044]在使用中，来自压缩机15或别处的空气流20流经衬套冷却系统160。具体地，空气流20流过冲击套筒180的冲击孔300以向衬套170提供冲击冷却。空气流20因此围绕衬套170的顶部250、底部260和头端270以及围绕衬套冷却特征230提供冲击冷却。冷却的量可以取决于冲击孔300的数量、尺寸、形状和构造。此外，通过定位在衬套170上的冷却特征230可以增强对衬套170的冷却。冷却特征230因此对衬套170上不同位置增加冷却，达到使冲击流转向或不足的程度。衬套冷却系统150因此提供冲击冷却和增强的表面冷却，而空气没有穿透到衬套170自身中，从而使排放最小化。
[0045]在冷却衬套170之后，空气流20和燃料流30然后进入涡轮机喷嘴110周围的燃烧器100。空气流20和燃料流30可以沿着与热燃烧气体流35相反的方向喷射。随着空气流20和燃料流30进入燃烧区165，空气20和燃料30与流出的燃烧流35混合。具体地，这些流进行混合、燃烧并反转方向以稀释燃烧流35和进入的空气20。空气流20还在其流过涡轮机喷嘴110时冷却该涡轮机喷嘴110。本说明书可以使用其他部件和其他构造。
[0046]本说明书描述的燃烧器100因此在一系列气体燃料和液体燃料范围内提供燃料灵活性。燃烧器100还在排放标准内提供扩大的下调(turndown)。此外，燃烧器100提供具有更少部件的简化结构，因此降低总成本。本说明书描述的具有衬套冷却系统160的紧凑、高密集度、低排放燃烧器设计因此提供冲击冷却以及增强的表面冷却以获得更长的部件寿命。此外，燃烧器100可以满足当地、国家和国际排放标准，而不使用催化剂并且没有相关成本。
[0047]很明显前文仅涉及本发明的某些实施例。在不脱离由下列权利要求书及其等同形式所限定的本发明一般精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以在本说明书进行许多改变和修改。
【权利要求】
1.一种与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器，包括: 涡轮机喷嘴；和 与所述涡轮机喷嘴成一体的衬套冷却系统； 其中，所述衬套冷却系统包括衬套和冲击套筒，所述衬套上具有一个或多个冷却特征。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述涡轮机喷嘴包括一级喷嘴。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述涡轮机喷嘴包括燃料喷射器。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括射流搅拌燃烧器。
5.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述衬套冷却系统包括位于所述衬套和所述冲击套筒之间的气隙。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述一个或多个冷却特征包括多个肋状件。
7.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述衬套包括上面具有热障涂层的合金。
8.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述衬套包括一个或多个扩散孔。
9.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述冲击套筒包括多个冲击孔。
10.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述多个冲击孔包括多个变化形状的冲击孔。
11.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述冲击套筒包括具有多个顶部冲击孔的顶侧。
12.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述冲击套筒包括具有多个底部冲击孔的底侧。
13.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述冲击套筒包括多个冷却特征冲击孔。
14.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述冲击套筒包括具有多个头端冲击孔的头端。
15.—种冷却燃烧器的方法，包括: 利用与涡轮机喷嘴成一体的衬套冷却系统限定燃烧区； 使空气围绕所述燃烧器的头端流动，从而通过冲击套筒冲击冷却所述衬套冷却系统的衬套；并且 通过一个或多个衬套表面冷却特征进一步冷却所述衬套。
16.一种与燃气涡轮发动机一起使用的射流搅拌燃烧器，包括: 一级喷嘴；和 与所述一级喷嘴成一体的衬套冷却系统； 其中，所述衬套冷却系统包括衬套、冲击套筒和位于所述衬套与所述冲击套筒之间的气隙，所述衬套上具有一个或多个冷却特征。
17.根据权利要求16所述的射流搅拌燃烧器，其特征在于，所述一个或多个冷却特征包括多个肋状件。
18.根据权利要求16所述的射流搅拌燃烧器，其特征在于，所述冲击套筒包括具有多个顶部冲击孔的顶侧。
19.根据权利要求16所述的射流搅拌燃烧器，其特征在于，所述冲击套筒包括具有多个底部冲击孔的底侧。
20.根据权利要求16所述的射流搅拌燃烧器，其特征在于，所述冲击套筒包括具有多个头端冲击孔的头端。
【文档编号】F23R3/00GK103471134SQ201310220428
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】G.O.克雷默 申请人:通用电气公司