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1、(10)申请公布号 CN 103562500 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103562500 A (21)申请号 201280025484.4 (22)申请日 2012.03.01 61/468,678 2011.03.29 US 13/241,391 2011.09.23 US F01D 9/02(2006.01) (71)申请人 西门子能量股份有限公司 地址 美国佛罗里达州 (72)发明人 A.R. 纳库斯 M. 根特 N. 塞里恩 (74)专利代理机构 北京市柳沈律师事务所 11105 代理人 曲莹 (54) 发明名称 涡轮燃烧系统冷却罩 (57) 摘要 一种罩 。
2、(54)， 位于燃气涡轮发动机部件 (26,28)的双壁管状结构(40A,40B)的外壁(40B) 中的冷却剂入口孔(48)上方。 所述罩改变冷却剂 流(37)进入所述孔的方向。 罩的前缘(56,58) 具 有中央突起(56)或舌部以及弯曲底切(58)， 中央 突起或舌部悬于冷却剂入口孔之上， 弯曲底切位 于舌部各侧， 处于所述罩的舌部和大致 C 型或大 致 U 型的附接基底 (53) 之间。局部罩 (62) 可关 于所述罩 (54) 配合地定位。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.11.25 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/02726。
3、2 2012.03.01 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/134698 EN 2012.10.04 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103562500 A CN 103562500 A 1/1 页 2 1. 一种使冷却剂流体改变方向的冷却设备， 包括 ： 第一罩， 位于燃气涡轮部件外部壁中的第一冷却剂入口孔上方 ； 第一罩包括前缘和弯曲底切， 所述前缘具有悬于所述孔之上的中央舌部， 所述弯曲底 切位于舌部各侧， 处。
4、于所述罩的舌部与附接基底之间 ； 其中所述基底附接到所述壁的外表面， 并部分地包围所述第一孔。 2. 如权利要求 1 所述的冷却设备， 其中所述第一罩具有球形几何形状， 所述基底沿所 述第一罩的赤道圆。 3. 如权利要求 1 所述的冷却设备， 其中所述外部壁是双壁燃气涡轮转换管道的外壁， 其中冷却剂流体形成冲击射流， 所述冲击射流朝向转换管道的内壁被第一罩引导穿过第一 孔。 4. 如权利要求 1 所述的冷却设备， 其中所述舌部逐渐缩小至远端尖锐的前缘部分。 5. 如权利要求 1 所述的冷却设备， 其中所述附接基底的最后部定位在所述孔的最后部 之后一距离处。 6. 如权利要求 1 所述的冷却设备。
5、， 还包括第二罩， 放置在燃气涡轮部件外部壁中的第 二冷却剂入口孔上方， 所述第二罩包括 ： C 形或大致 U 形的附接基底 ； 从基底延伸到大致平面状的前缘的各侧 ； 所述大致平面状的前缘位于与附接基底的平面形成锐角的平面中。 7. 一种使冷却剂流体改变方向的冷却设备， 包括 ： C 形或大致 U 形的附接基底 ； 从基底延伸的弯曲侧 ； 从弯曲侧向前延伸的中央舌部 ； 各侧在所述舌部的各侧在所述舌部和所述基底之间相对于所述基底形成底切， 以限定 流线型的罩的形状。 8. 如权利要求 7 所述的冷却设备， 其中所述舌部逐渐缩小至远端尖锐的前缘部分。 9. 一种使冷却剂流体改变方向的冷却设备，。
6、 包括 ： 转换管道壁， 设置在筒环形燃气涡轮发动机的冷却剂流中 ； 以及 多个罩， 设置在相应多个冷却剂入口孔上方， 位于限定转换管道壁与相邻转换管道壁 之间最小距离的区域上游， 所述冷却剂入口孔形成在转换管道壁中， 每个罩包括前缘和底 切， 前缘具有悬于相应冷却剂入口孔之上的中央突起， 底切位于突起各侧， 处于罩的突起和 附接到转换管道壁的基底之间。 10. 如权利要求 9 所述的冷却设备， 还包括多个局部罩， 设置在相应多个冷却剂入口孔 上方， 位于限定转换管道壁与相邻转换管道壁之间最小距离的区域下游， 所述冷却剂入口 孔形成在转换管道壁中， 每个局部罩包括大致平面状的前缘， 所述大致平。
7、面状的前缘位于 与邻近相应孔的管道壁平面形成锐角的平面中。 权 利 要 求 书 CN 103562500 A 2 1/3 页 3 涡轮燃烧系统冷却罩 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求于 2011 年 3 月 29 日提交的美国专利申请 61/468678 的权益， 该申请 作为引用并入本文。 技术领域 0003 本发明涉及冷却燃气涡轮燃烧室和转换管道， 尤其涉及罩 (scoop) 辅助的冲击冷 却。 背景技术 0004 在燃气涡轮发动机中， 在初始阶段压缩空气， 然后在燃烧室中加热空气。 得到的热 工作气体驱动执行工作的涡轮机， 包括使空气压缩器旋转。 0005 在常见工业燃。
8、气涡轮机构造中， 许多燃烧室可绕燃气涡轮发动机的轴或轴线以 “筒环形” 构造布置成圆形阵列。相应的转换管道阵列将每个燃烧器的流出口连接到涡轮 入口。 每个转换管道是大致管状壁结构或壳体， 其包围燃烧室和涡轮机之间的热气体路径。 燃烧室和转换管道的壁经受来自燃烧过的和正在燃烧的气体的高温。 这些壁因它们在其它 动态部件之间的位置、 温度周期和其它因素而经受低循环疲劳。这对于部件使用周期是主 要的设计考虑因素。 0006 燃烧室壁和转换管道壁可通过使用来自涡轮机压缩器的压缩空气的开式冷却或 闭式冷却、 通过蒸汽或通过其它方式来冷却。 对于冷却流体在这些壁中的通道， 各种通路设 计是已知的， 如本领。
9、域已知， 这些壁的内表面可涂覆有热障涂层。 0007 冷却转换管道的一个方法以美国专利 4719748 为例说明。转换管道上的套筒构造 成提供通过套筒中的孔形成的冲击射流 (impingement jet)。美国专利 6494044 描述了借 助被穿孔而具有冲击冷却孔的包围套筒来冷却转换管道。冷却气体进入所述孔， 并冲击转 换管道内壁。面向冷却流的导气罩被添加到一些冲击孔， 以增加冲击射流速度。美国专利 申请出版物 2009/0145099 和 2010/0000200 示出用于对转换管道的冲击冷却的相关罩。尽 管有这些和其它方法， 但是仍需要提供对燃烧器和转换管道的更有效的冷却。 附图说明 。
10、0008 在下面描述中参考附图说明本发明， 附图中 ： 0009 图 1 是现有技术燃气涡轮发动机的示意图 ； 0010 图 2 是现有技术转换管道的透视图 ； 0011 图 3 是现有技术双壁转换管道的示意性截面图 ； 0012 图 4 是本发明各方面的示例性冷却剂罩的透视图 ； 0013 图 5 是图 4 的示例性罩的截面侧视图 ； 0014 图 6 是具有不同孔位置的示例性罩的截面侧视图 ； 0015 图 7 是根据本发明一个实施例的转换管道的透视图 ； 说 明 书 CN 103562500 A 3 2/3 页 4 0016 图 8 是局部罩的透视图。 具体实施方式 0017 图 1 是。
11、现有技术燃气涡轮发动机 20 的示意图， 其包括压缩器 22、 定位在盖组件 24 内的燃料喷射器、 燃烧室 26、 转换管道 28、 涡轮机 30 和轴 32， 涡轮机 30 通过该轴 32 驱动 压缩器 22。若干燃烧器组件 24、 26、 28 可按本领域已知的筒环形构造布置成圆形阵列。在 操作时， 压缩器 22 吸入空气 33， 并经由扩散器 34 和燃烧器增压器 36 给燃烧器入口 23 提 供压缩气流 37。盖组件 24 内的燃料喷射器将燃料与压缩空气混合。该混合物在燃烧室 26 中燃烧， 产生热燃烧气体 38， 热燃烧气体穿过转换管道 28， 到达涡轮机 30。扩散器 34 和增。
12、 压器 36 可绕轴 32 环状地延伸。燃烧器增压器 36 中的压缩气流 37 的压力比燃烧室 26 和 转换管道 28 中的工作气体 38 的压力高。 0018 图 2 是现有技术转换管道 28 的透视图， 其包括了具有界定热气体路径 42 的壁 40 的管状壳体。 上游端44可以是圆形的， 下游端46可以是如所示具有涡轮匹配曲率的大致矩 形。图 3 示意性地示出管道 28 的截面侧视图， 示出壁 40 包括内壁 40A 和外壁 40B 或套筒。 外壁 40B 可以穿有孔 48， 孔 48 允许朝向内壁 40A 引导将形成冲击射流 50 的冷却气体。在 冲击之后， 冷却剂可穿过内壁 40A 。
13、中的薄膜冷却孔 48， 以进行如本领域中已知的薄膜冷却 52 和 / 或其可流向燃烧室。类似的双壁构造可用于燃烧室 26， 本发明也可应用于燃烧室。 图 2 还示出如本领域中使用的绊带 (trip strip)49， 其位于当气流 37 在管道 28 和相邻管 道之间通过时对气流 37 的最大压缩区域或线路附近。气流 37 的最大压缩区域的上游随着 气流向前移动而压缩， 这是因为相邻管道之间的区域减小。气流 37 在相邻转换管道之间的 最大压缩区域的下游扩散， 变得局部不稳定， 从而干扰位于不稳定流动区域中的孔 48 的有 效性。绊带 49 用于确保气流 37 在期望位置处分离。 0019 尽。
14、管燃烧器增压器 36 中的压缩气流 37 的压力比工作气体 38 高， 但是增加该差别 以增加冲击射流 50 的速度是有益的。这可在至少一些冲击孔 48 的每个冲击孔处使用导气 罩来完成。所述罩可改变一些冷却剂流进入孔 48 的方向。它们将一些冷却剂速度压力转 变为孔 48 处的静压， 从而增加压差。 0020 图 4 示出本发明各方面的导气罩 54 的实施例。罩 54 可具有前缘和底切， 前缘具 有悬于孔48之上的大致集中向前的突起或舌部56， 底切比如是弯曲底切58， 其位于舌部各 侧， 处于舌部和 C 形或大致 U 形的附接基底 53 之间。罩 54 的前缘形状由此是流线型的， 以 减少。
15、空气动力摩擦和下游湍流。罩 54 可具有球形几何形状， 附接基底 53 沿其赤道圆。这 种几何形状使空气动力摩擦尤其是多余摩擦或间接摩擦最小。 0021 图 5 是图 4 的截面图。示出壁 40B 的外表面 41 和罩 54 的内表面 55。前缘 56、 58， 或者至少舌部 56 可逐渐缩小至远端尖锐的前缘部分， 以成流线型。图 6 是与图 4 类似的罩 54 的截面图， 示出罩 54 相对于孔 48 的不同孔尺寸和位置。在本文中， 冷却罩 54 的设计提 高了改变气流方向以用于燃烧系统的冲击特性的能力。在该实施例中， 罩 54 的内表面附接 成在附接基底上与孔 48 的最后部平滑地对准， 。
16、而在图 5 的实施例中， 附接基底稍微定位在 孔最后部的后方。 0022 图 7 是转换管道 60 的透视图， 该转换管道包括多个如图 5 和 6 所示的罩 54。此 外， 管道 60 包括多个局部罩 62。术语 “局部罩” 在图 8 中进一步示出， 图 8 是放置在单个 说 明 书 CN 103562500 A 4 3/3 页 5 冲击孔 48 周围的单个局部罩 62 的放大透视图。应注意， 局部罩 62 包括大致平面状的前缘 64， 该前缘位于与表示管道壁 40B 的局部表面 ( 应认识到该局部表面可具有轻微曲率 ) 的 平面形成锐角 A( 小于 90 度 ) 的平面中。在图 7 的实施例。
17、中， 局部罩 62 放置在相邻转换管 道之间的最大压缩区域下游的位置 ( 即， 现有技术绊带所在的线路 )。已发现 ： 位于最大压 缩区域上游的罩54和位于该区域下游的局部罩62的组合在不需要绊带的情况下就能提供 足够的冷却。 0023 尽管本文中显示并描述了本发明的各实施例， 但是应明白， 这种实施例仅以示例 的形式给出。在不脱离本发明的情况下可以进行许多变形、 修改和替代。相应地， 本发明仅 由所附权利要求的精神和范围限制。 说 明 书 CN 103562500 A 5 1/4 页 6 图 1 现有技术 图 2 现有技术 说 明 书 附 图 CN 103562500 A 6 2/4 页 7 图 3 现有技术 图 4 说 明 书 附 图 CN 103562500 A 7 3/4 页 8 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103562500 A 8 4/4 页 9 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103562500 A 9 。