涡轮组件以及用于与其一起使用的过渡喷嘴 |
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| 申请号 | CN201210207166.1 | 申请日 | 2012-06-21 | 公开(公告)号 | CN102840600B | 公开(公告)日 | 2017-04-12 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | K.W.麦马罕; R.J.基拉; D.R.约翰斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于从过渡 喷嘴 传递热量的方法和系统。更具体而言，提供了用于从过渡喷嘴(200)传递热量的方法和系统。过渡喷嘴包括过渡部(204)、与过渡部一体地形成的喷嘴部(206)、以及构造成将热量传递离开过渡部和/或喷嘴部的至少一个表面特征(214)。过渡部被定向为朝喷嘴部导引燃烧气体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于与涡轮组件(100)一起使用的过渡喷嘴(200)，所述过渡喷嘴包括： |
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| 说明书全文 | 涡轮组件以及用于与其一起使用的过渡喷嘴技术领域[0001] 本公开大体上涉及涡轮系统，并且更具体而言，涉及可与涡轮系统一起使用的过渡喷嘴。 背景技术[0002] 至少一些已知的燃气涡轮系统包括与涡轮不同且分开的燃烧器。在操作期间，一些这样的涡轮系统可以在燃烧器与涡轮之间逐渐形成泄漏，这些泄漏可能影响燃烧器的排放物能力(即NOx)和/或可能降低涡轮系统的性能和/或效率。 [0003] 为了减少这样的泄漏，至少一些已知的涡轮系统包括在燃烧器与涡轮之间的多个密封件。然而随着时间的推移，在增加的温度下操作可以削弱燃烧器与涡轮之间的密封件。维持这样的密封可能是令人厌烦、耗时和/或不经济的。 [0004] 附加地或备选地，为了增加排放能力，至少一些已知的涡轮系统增加燃烧器的操作温度。例如，在一些已知的燃烧器内的火焰温度可以增加至超过约3900°F的温度。然而，增加的操作温度可能负面地限制燃烧器和/或涡轮系统的使用寿命。发明内容 [0005] 在一个方面，提供了一种用于组装涡轮组件的方法。该方法包括一体地形成包括过渡部和喷嘴部的过渡喷嘴。过渡喷嘴包括定位成将热量传递离开过渡部和/或喷嘴部的至少一个表面特征。过渡部被定向为朝喷嘴部导引燃烧气体。 [0006] 在另一方面，提供了与涡轮组件一起使用的过渡喷嘴。过渡喷嘴包括过渡部、与过渡部一体地形成的喷嘴部、以及构造成将热量传递离开过渡部和/或喷嘴部的至少一个表面特征。过渡部被定向为朝喷嘴部导引燃烧气体。 [0007] 在又一方面，提供了涡轮组件。涡轮组件包括：燃料喷嘴，其被构造成混合燃料与空气以形成燃料和空气混合物；和过渡喷嘴，其被定向为接纳来自燃料喷嘴的燃料和空气混合物。过渡喷嘴包括过渡部、与过渡部一体地形成的喷嘴部、以及构造成将热量传递离开过渡部和/或喷嘴部的至少一个表面特征。过渡部被定向为朝喷嘴部导引燃烧气体。 附图说明[0009] 图1是示例性涡轮组件的示意图； [0010] 图2是可与图1所示的涡轮组件一起使用的示例性过渡喷嘴的剖视图；以及[0011] 图3-7是可与图2所示的过渡喷嘴一起使用的示例性表面特征的顶视图。 [0012] 部件列表 [0013] 100 涡轮组件 [0014] 104 压缩机 [0015] 106 燃烧器组件 [0016] 108 涡轮 [0018] 112 负载 [0019] 200 过渡喷嘴 [0020] 202 衬里部 [0021] 204 过渡部 [0022] 206 喷嘴部 [0023] 208 燃烧室 [0024] 210 燃料喷嘴 [0025] 212 燃料喷射器 [0026] 214 表面特征 [0027] 216 距离 [0028] 218 距离 [0029] 220 角度 [0030] 222 纵向轴线 [0031] 224 宽度 [0032] 226 长度 [0033] 228 顶面 [0034] 230 过渡部 [0035] 232 距离 [0036] 234 直径 [0037] 236 距离 [0038] 238 宽度 [0039] 240 中心线 [0040] 242 距离 [0041] 244 距离 [0042] 246 距离 [0043] 248 宽度 [0044] 250 长度 [0045] 252 顶面 [0046] 254 行间距 [0047] 256 列间距 [0048] 258 切口 [0049] 260 直径。 具体实施方式[0050] 本文所述主题大体上涉及涡轮组件，并且更具体而言，涉及可与涡轮组件一起使用的过渡喷嘴。在一个实施例中，过渡喷嘴为包括衬里部、过渡部和喷嘴部的一体部件。在这样的实施例中，过渡喷嘴包括至少一个表面特征，该表面特征被构造成将热量传递离开过渡喷嘴以有利于冷却衬里、涡轮喷嘴和/或过渡件。因此，至少一个表面特征使得过渡喷嘴能够承受更大热负荷、能以增加的操作温度操作、并且能以增加的排放物能力操作。 [0051] 如本文所用，术语“轴向”和“轴向地”是指大致平行于燃烧器的纵向轴线延伸的方向和取向。如本文所用，以单数形式叙述和前接用词“一”或“一个”的元件或步骤应被理解为并不排除多个元件或步骤，除非明确陈述了这种排除。此外，对本发明的“一个实施例”或“示例性实施例”的引用并非意图被解释为排除也合并所陈述特征的附加实施例的存在。 [0052] 图1是示例性涡轮组件100的示意图。在示例性实施例中，涡轮组件100包括以串流布置联接的压缩机104、燃烧器组件106、以及经由转子轴110可旋转地联接到压缩机104的涡轮108。 [0053] 在操作期间，在示例性实施例中，环境空气被朝压缩机104导引通过空气入口(未示出)。环境空气在被引导朝向燃烧器组件106之前被压缩机104压缩。在示例性实施例中，压缩空气与燃料混合，并且所得燃料空气混合物在燃烧器组件106内燃烧以生成被引导朝向涡轮108的燃烧气体。此外，在示例性实施例中，涡轮108从燃烧气体抽取旋转能并旋转转子轴110以驱动压缩机104。此外，在示例性实施例中，涡轮组件100驱动负载112，例如联接到转子轴110的发生器。在示例性实施例中，负载112在涡轮组件100的下游。备选地，负载112可以在涡轮组件100的上游。 [0054] 图2是可与涡轮组件100一起使用的示例性过渡喷嘴200的剖视图。在示例性实施例中，过渡喷嘴200具有基本线性的中心轴线。备选地，过渡喷嘴200可具有倾斜的中心轴线。过渡喷嘴200可具有适合使过渡喷嘴200能够如本文所述起作用的任何尺寸、形状和/或取向。 [0055] 在示例性实施例中，过渡喷嘴200包括串流布置的燃烧衬里部202、过渡部204和涡轮喷嘴部206。在示例性实施例中，至少过渡部204和喷嘴部206一体化为单个或一体的部件。更具体而言，在示例性实施例中，衬里部202、过渡部204和喷嘴部206一体化为单个或一体的部件。例如，在一个实施例中，过渡喷嘴200被铸造和/或锻造为单一件。 [0056] 在示例性实施例中，衬里部202限定在其中的燃烧室208。更具体而言，在示例性实施例中，衬里部202被定向为在沿衬里部202的轴向长度间隔的多个不同位置(未示出)处接纳燃料和/或空气，以使得对于燃烧器组件106的每个燃烧器(未示出)来说燃料流能够被局部地控制。因此，每个燃烧器的局部控制有利于燃烧器组件106在燃烧室208内以大致均一的燃料空气比操作。例如，在示例性实施例中，衬里部202接纳来自至少一个燃料喷嘴210的燃料和空气混合物，并且接纳来自燃料喷嘴210下游的二级燃料喷射器212的燃料。在另一个实施例中，多个可单独控制的喷嘴沿衬里部202的轴向长度间隔开。备选地，燃料和空气可以在燃烧室208内混合。 [0057] 在示例性实施例中，燃料和空气混合物在燃烧室208内燃烧以生成热燃烧气体。在示例性实施例中，过渡部204被定向为朝喷嘴部206或更具体而言朝1级喷嘴向下游导引热燃烧气体。在一个实施例中，过渡部204包括节流端(未示出)，该节流端被定向为以所需角度朝1级涡轮动叶(未示出)导引热燃烧气体。在这样的实施例中，节流端起到1级喷嘴的作用。附加地或备选地，过渡部204可包括延伸围带(未示出)，该延伸围带以一定的取向大致外接于1级喷嘴，以使得延伸围带和1级喷嘴能够将热燃烧气体以所需角度引导朝向1级涡轮动叶。 [0058] 在示例性实施例中，过渡喷嘴200包括构造成将热量传递离开所述过渡喷嘴200的至少一个表面特征214。因此，表面特征214有利于增加衬里部202、过渡部204和/或喷嘴部206的传热系数。更具体而言，在示例性实施例中，表面特征214提供额外的表面积以与通过过渡喷嘴200的空气和/或燃料流相互作用。此外，在示例性实施例中，表面特征214赋予空气和/或燃料流流扰乱或湍流。因此，表面特征214有利于冷却过渡喷嘴200。 [0059] 表面特征214的尺寸、形状和/或取向可以例如根据燃烧器组件106的操作温度和例如为维持特定操作温度所需冷却量而变化。表面特征214可与过渡喷嘴200一体地形成、联接到过渡喷嘴的表面、和/或机加工到过渡喷嘴的表面中。 [0060] 在图3所示实施例中，表面特征214为成角度的湍流器和/或肋。在这样的实施例中，多个表面特征214可以布置成V形阵列，该阵列具有间隔开在约5.0mm和15.0mm之间的距离216的表面特征214的相邻行以及间隔开在约1.0mm和约5.0mm之间的距离218的表面特征214的相邻列。在一个实施例中，表面特征214定位成相对于过渡喷嘴200的纵向轴线222成在约0°和约45°之间的角度220。在一个实施例中，表面特征214可具有在约0.5mm和约1.0mm之间的高度(未示出)、在约0.5mm和约1.0mm之间的宽度224、以及在约0.5cm和约1.5cm之间的长度226。表面特征214可具有或者大致平坦或者圆形的肋顶面228。肋可包括在平坦的下部区域和肋顶面228之间的过渡部230，过渡部230具有约等于肋的高度的过渡半径。在一个实施例中，表面特征214可以铸造在过渡喷嘴200中或更具体地在衬里部202、过渡部204和/或喷嘴部206中。 [0061] 在图4所示实施例中，表面特征214为凹坑或凹陷。在这样的实施例中，多个表面特征214可布置成具有间隔开在约11.0mm和20.0mm之间的距离232的相邻表面特征214的阵列。在这样的实施例中，一行表面特征214可以相对于纵向轴线222以在约0°和约45°之间的任何角度(未示出)对齐。在一个实施例中，表面特征214具有在约7.0mm和约13.0mm之间的直径234、在约0.25mm和约0.5mm之间的深度(未示出)。在一个实施例中，表面特征214可以机加工到过渡喷嘴200或更具体地衬里部202、过渡部204和/或喷嘴部206的表面中。 [0062] 在图5所示实施例中，表面特征214为凹槽。在这样的实施例中，多个表面特征214可以布置成具有间隔开在约5.0mm和13.0mm之间的距离236的相邻表面特征214的阵列。在一个实施例中，表面特征214具有曲率半径在约1.0mm和约3.0mm之间的圆形深度轮廓(未示出)。此外，在一个实施例中，安全特征214具有在约2.0mm和8.0mm之间的宽度238。表面特征214可具有中心线240，中心线240相对于纵向轴线222以在约0°和约45°之间的任何角度(未示出)对齐。在一个实施例中，表面特征214可以机加工到过渡喷嘴200或更具体地衬里部 202、过渡部204和/或喷嘴部206的表面中。 [0063] 在图6所示实施例中，表面特征214为翅片(fin)。在这样的实施例中，多个表面特征214可以布置成阵列，该阵列具有间隔开在约2.0mm和8.0mm之间的距离242的表面特征214的相邻行以及间隔开在约2.0mm和约8.0mm之间的距离244的表面特征214的相邻列。在这样的实施例中，一行表面特征214可以相对于纵向轴线222以在约0°和约90°之间的任何角度(未示出)对齐。此外，在这样的实施例中，表面特征214可以以偏移约0.0mm和5.0mm的距离246的交替行对齐。在一个实施例中，表面特征214具有在约0.5mm和3.0mm之间的高度(未示出)、在约1.0mm和约7.0mm之间的宽度248、以及在约1.0mm和约7.0mm之间的长度250。 表面特征214可具有或者大致平坦或者圆形的翅片顶面252。备选地，表面特征214也可以以约0.1mm的过渡半径从平坦的下部区域过渡到翅片顶面252。在一个实施例中，表面特征214可以铸造在过渡喷嘴200中或更具体地衬里部202、过渡部204和/或喷嘴部206中。 [0064] 在图7所示实施例中，表面特征214为弯曲丘(dune)。在这样的实施例中，多个表面特征214可以布置成具有在约11.0mm和约22.0mm之间的丘行周期254以及在约11.0mm和约20.0mm之间的丘列周期256的阵列。在一个实施例中，表面特征214具有沙丘式形状。也就是说，表面特征214为弯曲丘，该弯曲丘在其一侧上具有实心柱形切口258，切口258具有相对于垂直于该表面的线约45°的切口角度(未示出)和丘直径260的大约一半的切口直径。备选地，切口部分可以朝弯曲丘的头端定位。在一个实施例中，表面特征214可具有在约1.0mm和约3.0mm之间的高度(未示出)、以及在约7.0mm和约13.0mm之间的直径260。在一个实施例中，表面特征214可以铸造在过渡喷嘴200中或更具体地衬里部202、过渡部204和/或喷嘴部 206中。 [0065] 在操作期间，在示例性实施例中，燃料和空气混合物在燃烧室208内燃烧以生成随后被导引朝向涡轮喷嘴206的燃烧气体。空气被导引至邻近表面特征214以有利于冷却衬里部202、过渡部204和/或喷嘴部206。如上文更详细描述的，一体部件包括构造成将热量传递离开该一体部件的至少一个表面特征214。 [0066] 本文所述实施例使得在空气和表面特征之间的相互作用能够增加，并且因此能够增强过渡喷嘴的除热过程。一体化结构允许减少完成用于燃气涡轮机设计的加热和节流所需的构件数量。减少的构件数也将减少成本和停机时间。冷却使得燃烧器能够以增加的操作温度和因而增加的排放物能力操作。 [0067] 示例性系统和方法不限于本文所述的特定实施例，而是相反，每个系统的部件和/或每种方法的步骤可以独立地且与本文所述其它部件和/或方法步骤分开地使用。每个部件和每个方法步骤也可以与其它部件和/或方法步骤联合使用。 |
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