用于具有切向定向的燃烧器筒的环筒燃烧器布置结构的径向中框架挡板

关于联邦赞助开发的声明

本发明的开发部分得到由美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42644的支持。因此，美国政府可以拥有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及减轻压缩空气流在具有环筒（canannular）燃烧器布置结构的燃气涡轮发动机的中框架（midframe）中的周向移动，所述环筒燃烧器布置结构具有切向定向的燃烧器筒（combustorcan）。

背景技术

利用环筒燃烧器的常规燃气涡轮发动机包括产生热燃烧气体的燃烧器筒、接收热气并将它们输送到第一排导叶的过渡管道，其中，所述导叶使热气转向并加速，所以它们将以适当的定向和速度输送到第一排涡轮叶片上。在这些常规的布置结构中，燃烧器筒和过渡件径向向内成一定角度倾斜，但在其他方面与发动机轴线对准。空气通过轴向压缩机压缩并在扩散器中减慢，随后它从所述扩散器轴向流动到由中框架限定的充气室中。发动机的中框架是发动机的部段，压缩空气通过所述部段从压缩机出口流动到燃烧器入口。一旦进入中框架中，压缩空气就径向向外流动并朝向燃烧器筒入口向上游回流。由于扩散器出口和燃烧器筒与发动机轴线是同心的，因此压缩空气流是基本上径向的并且与发动机轴线轴向对准。

燃气涡轮发动机技术中的进展已产生了一种用于燃烧器布置结构的配置，其中，燃烧器筒不与发动机轴线轴向对准。授予Charron等人的美国专利号8,276,389中描述了这样的配置，并且所述配置被整体地结合于本文中。替代的是，在这种配置中，热气在燃烧器筒中产生并沿相应的流动路径行进，并且被直接输送到第一排涡轮叶片上，而无需第一排导叶来使所述热气转向和加速。这是可能的，因为热气沿已被适当地定向用于直接输送到第一排涡轮叶片上的路径离开燃烧器筒。此外，在燃烧器筒和第一排涡轮叶片之间，每个气体管道将其相应的热气流加速至适当的速度。因此，燃烧器布置结构就不需要第一排涡轮叶片。

为了确保热气在离开燃烧器筒时适当地对准，燃烧器筒必须与期望的流动路径对准。该期望的流动路径的轴线与垂直于发动机轴线的径向线并与发动机轴线偏置的平面对准。这种布置结构显著背离任何先前的布置结构，并且因此在本领域中存在优化的空间。

附图说明

考虑附图，在下面的描述中解释本发明，附图示出了：

图1是具有设置在燃气涡轮发动机中框架中的切向定向的燃烧器的环筒燃烧器布置结构的示意图；

图2是示出了流动到如图1的环筒燃烧器布置结构的环筒燃烧器布置结构的单燃烧器筒入口中的压缩空气的模型；

图3是结合如图1的环形燃烧器布置结构的环形燃烧器布置结构使用的本文公开的径向定向的挡板的示意图；

图4是示出了用于管道的孔和用于压力均衡的孔的挡板的一部分的示意性透视图；

图5是示出了设置在中框架的充气室中的支架的局部剖视图，所述支架各自具有气流引导件。

具体实施方式

本发明人已认识到，使用切向定向的燃烧器筒的环筒燃烧器布置结构的中框架内的气流与当使用轴向对准的常规燃烧器筒时不同。本发明人还已认识到，该不同的气流可产生非最佳的气流特性。因此，通过实施径向定向的挡板来减小中框架内的周向气流，本发明人已设计出一种巧妙但是简单且廉价的解决方案。所述径向挡板可以包括穿孔，其足以允许减轻挡板的任一侧上的压力变化，同时还减轻压缩空气的周向流动。挡板限定了中框架内的扇区（sector），并且将压缩空气从扩散器的相应的弧形段引导到相应的燃烧器筒入口或通向燃烧器筒入口的流体路径。以这种方式，维持了从扩散器出口至燃烧器入口的最短流动路径。这允许减小的压降，使得能够实现压缩空气到燃烧器中的流的更好的均匀性以及降低的随时间推移的不稳定性。

图1是具有设置在燃气涡轮发动机中框架14中的切向定向的燃烧器筒12的环筒燃烧器布置结构10的示例性实施例的示意图。在此图中，视图从下游向上游查看。因此，如图所示，转子轴（未示出）将顺时针旋转。当从上游查看时，发动机将被视为逆时针旋转。空气通过轴向压缩机（未示出）来压缩，通过扩散器（未示出）减慢，并且从扩散器出口18排出作为压缩空气16。燃烧器布置结构10和扩散器出口18与发动机轴线20是同心的。在从扩散器出口18排出时，压缩空气16进入由外壳24和转子壳体26限定的充气室22。在此示例性实施例中，压缩空气通过流体路径入口32进入流体路径30。流体路径30可以由围绕相应的燃烧器筒12的流套筒34限定，并且可以通过顶帽开口36横过外壳24。流体路径30通向燃烧器入口38。一旦进入燃烧器筒12中，压缩空气16就与燃料混合，被点燃，并且形成热气，所述热气沿相应的流动管道40行进并且到涡轮入口42。

每个燃烧器筒12被定向成使得它能够在涡轮入口42处将相应的压缩空气流直接输送到第一排涡轮叶片（未示出）上，而无需第一排转向导叶（未示出）。为了做到这一点，每个燃烧器筒12被径向向外倾斜，并且定向成与涡轮入口42相切。结果，在此视图中，燃烧器轴线44位于与发动机轴线20的径向线（radial）48垂直的平面46中。燃烧器轴线44可以直接与环形涡轮入口42相交，使得热气具有从燃烧器筒12到涡轮入口42的平直流动路径。结果，燃烧器轴线44与燃烧器入口38的平面52相交的入口点50在燃烧器轴线44与平面56或燃烧器出口（不可见）相交的出口点54的上游（朝向发动机前端）轴向偏置。类似地，入口点50相对于转子轴的旋转方向60在出口点54的上游周向偏置。

本发明人意识到，燃烧器筒的自然地轴向对准并且径向向内指向的常规布置结构受益于从扩散器出口18排出同时轴向流动的压缩空气流。然而，本发明人认识到，这种自然的对准不再存在于例如图1中所示的示例性实施例之类的较新的配置中。作为流体路径30沿燃烧器筒12定向的结果，与旋转方向60相反地周向抽取离开扩散器出口18的压缩空气16。据推测，压缩空气16可以行进一小段周向距离并且进入最近的流体路径入口32，或者它可以周向行进得更远，如不同的箭头所指示。

本发明人对充气室内的压缩空气16建模，以确定周向行进的程度。图2是沿发动机轴线20从上游朝向下游查看的主要示出了在燃烧布置结构10的替代性的示例性实施例中流动的压缩空气的视图，其中，转子轴顺时针转动。所示出的仅有的流线是最终以进入所选择的燃烧器入口62结束的流线。此调查研究揭示了先前未知的压缩空气经历的周向行进的程度。来自扩散器出口18的每个部分的压缩空气16找到其到达所选择的燃烧器入口62的路径，有时经历不必要的回流，并且这会导致扩散器出口18和所选择的燃烧器入口62之间的不必要的压降。还确定的是，在该视图中，一些压缩空气16顺时针行进，并且这与大部分压缩空气16进入所选择的燃烧器入口62的逆时针行进是不相容的。这些原因降低了流内的速度均匀性，增加了随时间推移的不稳定性，这能够导致不均匀的温度和对更多冷却空气的关联需要等。所有的这些因素都会不利地影响发动机效率和排放。

为了减轻该问题，本发明人已提出了如图3中所示的径向挡板70，图3详细描绘了图2的示例性实施例。径向挡板70限定了基本上是充气室22的细分部分的扇区72。在示例性实施例中，对于每个燃烧器筒12可存在一个挡板70，并且这些挡板可以将充气室22划分成相等尺寸的扇区72。可替代地，这些挡板可以针对它们的位置的特定设计需求来优化，并且因此，可不产生相等尺寸的扇区72。挡板70可以基本上径向定向，但无需确切地径向定向。这些挡板可以按照如对于本领域技术人员而言已知的安装充气室22中的其他部件的任何方式来安装。例如，如图3中所示，挡板70的径向向内的端部可以被直接安装到相应的压缩机出口扩散器支撑件。可替代地，能够存在以类似于过渡管道（transitionduct）被固定到外壳24的方式将挡板70固定到外壳24的支架。

挡板70的预期效果在于创建允许从扩散器出口18的时钟位置（clockingposition）（或者在弧形段的情况下的时钟位置的范围）排出的压缩空气沿该时钟位置/范围径向向外行进的扇区72。所述时钟范围可以是扩散器出口18的弧形段74，并且挡板70可以被布置成使得离开所选弧形段76的大部分压缩空气16基本上保持在所选弧形段76的周向界限78内。（压缩空气16的压力减轻泄漏是可容许的，并且泄漏的压缩空气将不会保持在所选择的弧形段76内）。

应当理解的是，挡板70无需确切地匹配弧形段76的周向界限78的径向延伸部，但它们可基本上匹配。以这种方式，压缩空气16能够从所选择的弧形段76基本上径向地行进至到通向所选择的燃烧器入口62的关联流体路径30的入口32，其中，入口32从扇区72的相同时钟范围径向向外设置并设置在扇区72的相同时钟范围内，并且压缩空气16大致沿扇区的径向定向范围（extent）行进。如此示例性实施例中所示，挡板70围绕到流体路径30的入口32，使得入口32完全置于相应的扇区72内。应当理解的是，在所示的燃烧布置结构10中，所选择的燃烧器入口62处于与到流体路径30的入口32不同的周向位置（时钟位置）。入口32要被定位在扇区72内。应当理解的是，当压缩空气16靠近挡板70流动时，挡板70可引入一些剪切损耗（shearloss），但考虑到所获得的优点，这可以认为是可接受的。

图4示出了挡板70的一部分的示意性透视图。如上文已详细说明的，由于燃烧器筒12的定向和所导致的流动管道40的定向，流动管道40可以从一个扇区72跨越到相邻的扇区72。为了适应这种情况，挡板70可以具有尺寸设计成容纳跨越式流动管道40的管道孔80。在挡板边缘82和跨越式管道40之间可存在间隙。该间隙可以利用例如刷式密封件84、叶密封件、指状密封件之类的密封元件来密封。

有必要平衡最小化压缩空气16的周向流动的期望和具有允许减小或消除相邻扇区72中的压差的机制的需要。如果挡板70创建了极好的扇区到扇区的密封，则有可能发动机中的其他公差将导致相邻扇区中的不同压力。这是不期望的，所以可能优选的是，有意允许一些压缩空气16从一个扇区72行进到另一个。通过这种方式，如果压差试图形成，则挡板是充分可渗透的，使得它将减小或消除越过它的压差。这能够通过如下方式来实现，即：省去管道孔80中的或者间隙可能形成的其他任何位置的密封元件，例如，挡板70接近外壳24或转子壳体26的位置等。可替代地或附加地，挡板70中的一些或全部可以具有位于选择的一个部分、多个部分中或遍及挡板70的整体的穿孔86。可替代地，所述挡板可能不如充气室22将允许的大。代替从接近扩散器出口18跨越到接近外壳24再到接近涡轮（未示出）等，挡板70中的一个或多个可以跨越得较少。如本文所用的，“接近”意味着足够靠近以提供最大的密封效果，同时留下足够的间隙以适应在操作期间经历的尺寸改变。在一个示例性实施例中，这可以是大约20mm，但最终尺寸将取决于发动机内的预期移动。

进一步预期的是，挡板70可以包括局部几何形状88，例如，斜面、凹部或可以用来在压缩空气16流过该几何形状时调整（tweak）其流动的其他弯曲部。这样的特征能够被用于平滑挡板和将受益于这样的局部控制的压缩空气流的局部区域之间的入射角。可替代地，这样的斜面能够相对于压缩空气16的流中的局部区域被设置在充气室22中的另一部件之前，以类似于船的球鼻船首起作用并且平滑二者的相遇，从而减小空气动力学损失。

在充气室22内发挥其他作用的各种部件可以被设计成发挥其原功能（例如，结构支承）和附加的功能（例如，引导压缩空气16）的双重作用。例如，图5示出了包括外壳24、转子壳体26、扩散器出口18、流动管道40的下部和用于支承流动管道40的支承支架90的示例性实施例的燃烧布置结构10的局部透视图。在该示例性实施例中，转子轴逆时针旋转。在这些支承支架90可以能够按照任何数量的定向来起作用的情况下，可以选择如图所示的径向和对准的定向，这是因为这可以有助于径向引导压缩空气16。可替代地，如果支承支架90不能径向对准以用作气流引导件92，则可以采取额外的考虑并且所述支架可以包括空隙94以允许压缩空气16较少受阻碍地流过，或者支承支架90可以包括具有类似于翼型件的气流控制表面并且配置成根据需要来导引压缩空气的局部区域。可替代地，翼型件可以作为单独的部件被安装在充气室22内。在又一示例性实施例中，所示支承支架90能够被扩展至大于提供它们的支承功能所需的尺寸，使得支承支架90本身也变为挡板。

前述内容表明，本发明人已认识到，新的燃烧布置结构没有受益于轴向定向的压缩空气流，常规的燃烧布置结构也是如此，并且进一步确定了存在一个显著的缺点，该缺点是将常规的发动机配置与新的燃烧布置结构一起使用所产生的。所产生的解决方案是简单、廉价、立即可实施的，并且还基本上缓解了利用新的燃烧布置结构所产生的显著缺点。因此，它代表了本领域中的进步。

虽然本文中已示出和描述了本发明的各种实施例，但将显而易见的是，这样的实施例仅作为示例提供。可以作出许多变型、改变和替换，而不脱离本文的发明。因此，本发明意在仅通过所附权利要求的精神和范围限制。