[发明专利]紊流的后端衬里组件及冷却方法

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及燃气涡轮发动机中的内部冷却，更详细地讲，涉及用于在涡轮机的燃烧段与排气段之间的过渡区中提供更好及更均匀的冷却的组件和方法。

背景技术

[0002]传统的燃气涡轮机燃烧器使用扩散(即，非预混的)燃烧，其中燃料和空气分别地进入燃烧室。混合及燃烧的过程产生非常高的火焰温度。因为传统的有衬里的燃烧器和/或过渡件不能承受如此高的温度，所以必须采取措施来保护燃烧器和/或过渡件。这典型地通过薄膜式冷却来实现，该薄膜式冷却包括将相对较冷的压缩机空气导入由围绕燃烧器外部的燃烧器衬里形成的增压室(plenum)。在这种现有的构造中，来自增压室的空气穿过燃烧器衬里中的放气孔，然后作为薄膜通过衬里的内表面，由此保持燃烧器衬里的完整性。

[0003]由于二价氮在超过大约3000°F(大约1650℃)的温度下迅速分解，所以扩散燃烧的高温导致相对较多的NOx排放。一种降低NOx排放的方法是将最大可能量的压缩机空气与燃料进行混合。所形成的贫预混燃烧产生较低的火焰温度，并因此产生较低的NOx排放。尽管贫预混燃烧比扩散燃烧的温度低，但是火焰温度对于现有传统的燃烧器部件而言仍然过高而不能承受。

[0004]另外，由于在前的燃烧器为了减少NOx而预先混合了最大可能量的压缩机空气与燃料，所以只有很少的冷却空气或几乎没有冷却空气可用，这使得燃烧器衬里和过渡件的薄膜式冷却最多只会过早发生。虽然如此，燃烧器衬里仍然需要主动冷却，以将材料温度保持在极限以下。在干燥的低NOx排放(DLN)排放系统中，此冷却只能作为冷面对流提供。这种冷却必须在热梯度和压力损失的要求范围之内进行。因此，已经考虑与“背侧冷却”相结合的诸如热障涂层的装置来保护燃烧器衬里和过渡件免受这种高热所造成的破坏。背侧冷却包括将空气与燃料预先混合之前使压缩机排出空气穿过过渡件和燃烧器衬里的外表面上方。

[0005]关于燃烧器衬里，一种现行的实践是冲击冷却衬里，或在衬里的外表面提供紊流器(见美国专利No.7,010,921)。另一种实践是在衬里的外表面或外部表面上提供凹窝阵列(array of concavities)(见美国专利No.6,098,397)。多种已知技术可以提高传热，但对热梯度和压力损失的影响各不相同。紊流通过在流中提供钝头体(blunt body)来起作用，其扰乱流并形成剪流层和高紊流，以增强表面的传热。凹陷的凹窝通过提供有序的涡流而起作用，该涡流增强流混合并洗刷表面以改进传热。

发明内容

[0006]在示范性的实施例中，通过用于冷却燃气轮机的燃烧器衬里及过渡件的设备来克服或减轻上面所讨论的缺点和不足及其它的缺点和不足。

[0007]因此，本发明可实施为用于涡轮机的燃烧器，该燃烧器包括：燃烧器衬里；围绕所述燃烧器衬里的第一流套管，其间有流环(flow annulus)，所述第一流套管具有绕着其圆周而形成的多个冷却开孔，用于将压缩机排出的空气作为冷却空气导入所述第一流环；连接到所述燃烧器衬里上的过渡件主体，所述过渡件主体适于将高温燃气输送至涡轮；围绕所述过渡件主体的第二流套管，所述第二流套管具有多个第二冷却开孔，用于将压缩机排出的空气作为冷却空气导入第二流套管与过渡件主体之间的第二流环；所述第一流环连接到所述第二流环上；径向地布置在所述燃烧器衬里的后端部与所述过渡件主体的前端部之间的弹性密封结构；以及布置在所述燃烧器衬里的所述后端部与所述弹性密封结构之间的盖套，空气流道限定在所述盖套与所述燃烧器衬里的所述后端部之间，限定所述空气流道的所述燃烧器衬里后端部的径向外表面包括多个紊流器和多个支撑件，其中紊流器朝向所述盖套凸出但与所述盖套隔开，而支撑件延伸到所述盖套并与所述盖套接合，以将所述盖套与所述紊流器间隔开，从而限定所述空气流道。