專利名稱：利用成角度的分割表面的燃燒室冷卻的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及渦輪部件，尤其涉及燃燒室襯里。
背景技術：
通常的燃氣渦輪燃燒室采用燃料和空氣分開地進入燃燒室的擴散(即非預先混合的)燃燒?；旌虾腿紵倪^程產(chǎn)生可以超過3900°F的火焰溫度。由于通常的燃燒室和/或具有襯里的過渡件，一般可以在大約10000小時內(nèi)承受最高約為1500°F的溫度，因此必需采取措施來保護該燃燒室和/或過渡件。一般，這可利用薄膜冷卻來實現(xiàn)。該冷卻包括將較冷的壓縮機空氣引入由包圍該燃燒室外面的壓縮機排氣殼體構(gòu)成的增壓室中。在這種現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中，從增壓室出來的空氣，通過在該燃燒室襯里中的通氣孔，然后作為在該襯里的內(nèi)表面上的薄膜通過，從而將燃燒室襯里的溫度保持在可接收的水平上。
因為在超過大約3000°F(大約1650℃)的溫度下，二原子的氮迅速地分解，并且在這種溫度下，容易與氧反應，因此擴散燃燒的高溫度造成較高的NOx排出。減少NOx排放的一種方法為預先使盡可能最大量的壓縮機空氣與燃料混合。所得到的貧油的預混合燃燒產(chǎn)生較冷的火焰溫度，因此可減少NOx的排放。雖然，貧油的預混合燃燒比擴散燃燒冷些，但是如不采取某種形式的積極冷卻措施，現(xiàn)有的普通燃燒室部件要承受該的火焰溫度仍然太高。
另外，因為為了減少NOx，先進的燃燒室預先使盡可能最大量的空氣與燃料混合，因此冷卻空氣少或沒有，使得燃燒室襯里和過渡件的薄膜冷卻不實際。盡管如此，燃燒室襯里需要冷卻，以保持材料溫度在極限以下。在干燥的低NOx(DLN)排放系統(tǒng)中，這種冷卻只能作為冷側(cè)對流供給。這種冷卻必需在熱梯度和壓力損失的可接受的極限內(nèi)來進行。因此，為了防止燃燒室襯里和過渡件不被這種高熱破壞，已經(jīng)使用了諸如熱壁壘涂層與“背面”冷卻結(jié)合一類的方法。背面冷卻包括在使空氣與燃燒預先混合之前，使壓縮機空氣在該燃燒室襯里的外表面和過渡件上通過。
目前有三種現(xiàn)有技術的，燃燒室腔對流冷卻的形式。第一，在實際中使用作為在該襯里表面上的直管路形式的一系列縱向或軸向隔開的水平紊流器，來破壞熱邊界層，并增強用于冷卻的傳熱。這些紊流器可以在金屬表面上加工出來，或者作為材料的點固焊條紋貼在金屬上。第二，由一系列由燃燒室腔外部冷卻流動套筒供給的沖擊射流，形成對流冷卻。一般，不可能在整個腔中進行這種沖擊冷卻，因此采用沖擊和表面紊流器的混合物。第三，在該襯面表面上作出也稱為陷窩或半球形凹形面的一組表面凹槽，以形成增強傳熱的流動渦流。這些各種各樣已知技術增強了傳熱，但對熱梯度和壓力損失的作用是不同的。
發(fā)明的說明本發(fā)明的示例性實施例包括燃氣渦輪的一個燃燒室襯里，該燃氣渦輪具有在該燃燒室襯里的外表面上的多條成角度的條紋的一個本體。該多條成角度的條紋圍繞著該外表面排列成一組。在每一個所述的多條成角度的條紋之間設置一個間隔，以便在沿著縱向方向，在所述燃燒室襯里的所述外表面上流動的冷卻空氣形成渦流。
本發(fā)明的示例性實施例還包括制造燃燒室襯里的方法。該方法包括在該燃燒室襯里的外表面上形成多條成角度并且圍繞該外表面排列成一組的條紋，每一條成角度的條紋隔開一定距離，以便在該燃燒室襯里的外表面上流動的冷卻空氣中產(chǎn)生渦流。
附圖的簡要說明

圖1為一個已知的燃氣渦輪燃燒室的示意圖；圖2表示一個燃燒室襯里的外表面的頂部視圖；圖3表示圖2所示表面的另一個實施例；圖4表示圖2所示表面的另一個實施例；圖5表示圖2所示表面的另一個實施例；圖6表示圖2所示表面的另一個實施例；圖7表示圖2所示表面的另一個實施例；圖8表示該表面的幾何形狀和流動取向；圖9表示一個條紋的橫截面；
圖10為表示雷諾數(shù)與紊流表面摩擦系數(shù)和光滑表面摩擦系數(shù)之比的關系的圖形；圖11為表示雷諾數(shù)與紊流傳熱系數(shù)(“HTC”)和光滑表面HTC之比的關系。
優(yōu)選實施例圖1表示一個罐頭狀的環(huán)形的逆流流動或燃燒室10。該燃燒室10通過使空氣和燃料在一個限制的空間內(nèi)燃燒，并將所產(chǎn)生的燃燒氣體通過一排靜止葉片排出，產(chǎn)生驅(qū)動渦輪回轉(zhuǎn)運動所需要的氣體。在工作中，當從壓縮機排出的空氣11(被壓縮至約為250～400磅/英寸2量級的壓力)流過這些燃燒室(以14表示其中一個)外面并在通向渦輪(用16表示的第一級)途中再次進入該燃燒室時，該排出的空氣11反向流動。壓縮空氣和燃料在燃燒腔19中燃燒，產(chǎn)生溫度約為1500℃或約為2730°F的氣體。這些燃燒氣體以高的速度，通過過渡件20，流入渦輪部分16中。該過渡件20在接頭22處與燃燒室襯里24連接，但在一些應用中，一個分離的接頭部分可以位于該過渡件20和該燃燒室襯里之間。該燃燒室襯里24和過渡件20具有冷卻該燃燒室襯里24的排出空氣11在上面流動的外表面26。
詳細地說，存在著排出空氣11的環(huán)流，包含襯里24的外表面26(冷側(cè))被對流處理。在一個示例性實施例中，排出空氣通過一個形成環(huán)形間隙30的流動套筒28流動，使流動速度可以足夠高，以形成大的傳熱系數(shù)。位于該燃燒室襯里24和該過渡件20兩者上的該流動套筒28可以為連接在一起的二個單獨的套筒。該流動套筒28有許多孔，槽或其他開口(沒有示出)，可允許排出空氣11大量地流入該流動套筒28中，而不會引起大的壓力降。
圖2～7表示在該燃燒室襯里24的外表面(冷側(cè))上加工或制造的人字紋圖形和斷開的人字紋表面的另一些實施例。具體地說，這些圖表示這種表面的一般幾何形狀和流動取向。應當了解，圖2～7只是代表由該成角度的分割的條紋40包含的各種實施例的一部分。當冷卻作用加強時，該各種實施例改善在工業(yè)燃氣渦輪燃燒室襯里和過渡件上得到的對流冷卻。
詳細地說，每一個實施例表示特殊形式的人字紋的一組突出的條紋40的形成，即V字形或分割的人字條紋。該斷開的人字條紋的V形底部被除去，并且還可使該V字形的第一邊偏離該V字形的第二邊，形成交錯的成角度的條紋。由在一直線上的或交錯的組的V形條紋形成的人字條紋表面不但可以破壞在冷卻表面上的邊界層流動，而且可以沿著該成角度的條紋形成重要的次級流動渦流。這些次級流動可以進一步增強傳熱，還可以在人字紋之間的區(qū)域中互相作用，以進一步混合和破壞流動。這些帶的邊緣或末端還可以形成局部的放射的渦流。該斷開的人字紋組去除了人字紋的底部，留下交錯的和定向的帶，這些帶也如人字紋一樣，但進一步在所增加的斷開邊緣上。形成附加的增強流動和傳熱。
參見圖2～9，特別是圖8和圖9可看出，條紋40被分割，在該V形條紋和該成角度的條紋之間存在間隔42和44。間隔42為每一條V形條紋之間的水平距離。間隔44是當除去人字紋的底部時形成的間隔的水平距離。在每一條條紋40之間的縱向距離上還有一個間隔P。在一個示例性實施例中，間隔42和44的尺寸相同，但不需要間隔42和44的尺寸相同。該間隔42和44形成不同的邊緣，在這些邊緣中，排出空氣11與該邊緣相互作用，形成使流動成為紊流的渦流。應注意，雖然空氣主要在縱向方向流動，但間隔42和44在橫向靠近每一條條紋40形成。
該V形條紋40可以交錯排列，以形成由該條紋40的間距確定的偏移46。每一條條紋40放置成在每一條條紋40之間有間隔P。在一個示例性實施例中，該偏移46為在縱向方向中，任何一條條紋40之間的距離P的一半。該偏移46的范圍可以為大約間隔P的0.3～0.7倍。
條紋40的不同角度A形成局部次級流動或次級流動渦流的不同大小。該條紋40的角度A的大小包括與水平線成大約30°～60°的角度。每一條條紋40的長度L大約為1cm～2cm。一個參數(shù)被定義為在這些條紋之間的距離P與這些條紋的高度H之比P/H。在一個示例性實施例中，比值P/H約為6～14。這個比值確定在一排這種零件中，該條紋的優(yōu)選間隔，使得流動可以重新附著在每一條條紋之間的表面26上，以進行最好的傳熱。另一個參數(shù)為多行表面條紋之間的間隔42。這個間隔必需足夠大，以便可從該帶的邊緣，自由地產(chǎn)生流動渦流。在一個示例性實施例中，這個間隔42為高度H的5～10倍。因為即使該間隔非常大，相鄰的條紋邊緣會繼續(xù)產(chǎn)生渦流，因此這個間隔42沒有上限。然而，間隔42與由這些增強的幾何尺寸形成的總表面積增加有關，其中，較接近的間隔意味著有更多的零件和更多附加的表面面積。
對于一個直徑大約為14～16英寸(35.5～40.6cm)的大的燃燒室腔，該條紋40的高度H的一個示例性實施例為0.020英寸(0.051cm)～0.120英寸(0.305cm)。間隔42和該條紋40的高度H可以如所希望的沿著該表面組改變，以達到與冷卻作用的增強某種程度的適應。另外，與在該襯里外部不使用條紋比較，通過使用斷開的人字條紋和斷開的，折斷的人字紋圖形的條紋，則與排出空氣11相互作用的表面積增加大約25％以下。
圖9還表示在該帶的底部有一個半徑R，可幫助減小每一條紋上的應力。另外，在一個示例性實施例中，該條紋有一個平的頂部50，可使排出空氣的流動的紊流更好?？梢岳斫猓摪霃胶推降捻敳看頇C械加工的條紋，而且可以設想其他的制造方法，并可導致圓的頂部或在底部處的非常小的半徑。
該間隔42、44和偏移46提供了附加的擾動，以增加流動的紊流。紊流的增加可使排出空氣11的流動在該襯里的外表面26上被攪動，這可將新鮮的排出空氣向下帶至該襯里的外表面。換句話說，離該表面較遠，因而也是較冷的排出空氣到達該襯里表面，從而使該較冷的空氣增強該表面的傳熱速率。注意，如果條紋40太接近，則空氣流可以實際上與要冷卻的表面隔離。另外，如果該條紋40太小，則表面特征不能沿著該條紋40的方向形成相當大的次級流動。
該條紋40以特殊方式取向，使大量的排出空氣10在縱向方向流過該條紋?？諝獾牧鲃釉诰o鄰要被冷卻的表面的流動中，產(chǎn)生許多和位置好的邊緣渦流。如雙箭頭所示，沿縱向方向的流動可以為從頂部至底部，或從底部至頂部的方向。雖然，箭頭表示從頂部至底部，或從底部至頂部的流動，但方向的改變表示條紋40的另一種取向，并且該燃燒室襯里和流動套筒之間或該過渡件和該流動套筒之間的主要流動的方向不改變。這些成形的和定向的條紋還起到大大增加熱流容量的表面積，以及沿整個表面使冷卻增強更均勻的作用。
在外表面26上形成條紋40的方法可以通過鑄造，機械加工，銅焊，焊接或諸如激光固化等一類的特殊沉積技術來進行。這樣可以在形成襯里24后，在該襯里24上形成該條紋40。這樣，該條紋40可以整體地作成該襯里24的一部分，或者可以在形成該襯里后加在該襯里24上。如果該條紋40整體地作成該襯里24的一部分(例如，機械加工，鑄造等)，則該條紋40完全與襯里24接合，在該襯里上沒有與該條紋的界面。這樣，與和該襯里24作成一個整體的條紋40有充分的熱接觸，這可在排出空氣11在該條紋40上通過時，改善傳熱。另一種方法是，可以將該條紋加在表面26上，然后粘接，與該襯里的外表面26形成無縫的界面。
具體地說，燃燒室冷卻通道的雷諾數(shù)在500,000～1000,000時，與現(xiàn)有技術的普通方法比較，該條紋提供了較大的熱增強。最近的資料顯示，在襯里冷卻表面上采用橫向紊流器的通常實踐，當冷卻流雷諾數(shù)增加至用于低排放燃燒室的很高水平時，例如雷諾數(shù)在500,000～1000,000量級時，會使傳熱增強系數(shù)減少。本文所討論的示例性實施例使傳熱系數(shù)增強系數(shù)增大15～25％，加上附加的10～20％的表面積，則總共增加20至40％的熱流或冷卻能力。該條紋40還有一個出乎意外的好處，即幾乎可直接從該表面處理的位置得到其增強的高度，以及沿著該表面保持該高度不變。這二個特性在通常的紊流表面中沒有發(fā)現(xiàn)。
圖10和11表示使用分割條紋的優(yōu)點。在圖10中，水平軸代表雷諾數(shù)，垂直軸代表紊流的表面摩擦系數(shù)與光滑表面的摩擦系數(shù)之比。這個圖表示，與沒有條紋和橫跨表面的水平條紋的橫向紊流器的光滑表面比較，對于斷開的成角度的條紋40和V形的條紋40，在所有各種雷諾數(shù)或流動容積(特別是大的雷諾數(shù))，紊流都比較大。在圖11中，水平軸代表雷諾數(shù)，垂直軸代表紊流的傳熱系數(shù)(“HTC”)與光滑表面的HTC之比。這個圖表示，與橫跨該表面的水平條紋的橫向紊流器比較，對于斷開的成角度的條紋40和V形條紋40，在所有各種雷諾數(shù)或流動容積(特別是大的雷諾數(shù))下，傳熱率數(shù)都比較大。
另外，雖然已參照示例性實施例說明了本發(fā)明，但技術熟練的人知道，在不偏離本發(fā)明的范圍的條件下，可作各種改變，并且可用等同的零件代替其零件。另外，在不偏離本發(fā)明的主要范圍的條件下，可作許多改進，以適應本發(fā)明所述的具體情況或材料。因此，本發(fā)明不是局限于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳形式的具體實施例，而是本發(fā)明包括所存在所附權利要求書范圍內(nèi)的所有實施例。另外，使用第一、第二等術語不表示任何次序或重要性，只是利用第一、第二等術語將一個元件與另一個區(qū)別開來。
零件清單10—燃燒室11—排出空氣14—壓縮機16—渦輪18—腔20—過渡件22—接頭24—燃燒室襯里26—外表面28—流動套筒30—間隙40—帶42—間隔44—間隔46—偏移50—平的頂部P—間隔A—角度R—半徑L—長度
權利要求
1.一種燃氣渦輪(16)的燃燒室襯里(24)，包括一個本體；該本體在所述燃燒室襯里(24)的外表面(26)上有許多成角度的，并圍繞所述外表面(26)排列成一組的條紋(40)；和在所述多個成角度的條紋(40)的每一個之間的間隔(42，44，P)，以便在沿橫越所述燃燒襯里(24)的所述外表面(26)的縱向方向流動的冷卻空氣中形成渦流。
2.如權利要求1所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，每一條所述成角度的條紋(40)為V字形。
3.如權利要求1所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，每一條所述的成角度的條紋(40)為V字形，并且所述V字形的底部被去除。
4.如權利要求1所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，每一條所述的成角度的條紋(40)為V字形，并且所述V字形的底部被去除，以形成一第一邊和一第二邊；所述第一邊縱向偏離所述第二邊。
5.如權利要求4所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，所述第一邊偏離所述第二邊的量為每一個所述成角度的條紋(40)之間的總的縱向距離的大約0.3～0.7倍。
6.如權利要求4所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，所述間隔(42，44，P)包括所述V字形的已被去除的所述底部，位于每一個所述V字形之間的橫向間隔(42)，和在每一個所述的成角度的條紋(40)之間的一個縱向間隔(P)。
7.如權利要求1所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，所述多條成角度的條紋(40)中的每一條的高度約為0.02～0.12英寸。
8.如權利要求1所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，所述間隔(42，44，P)包括一個縱向間隔(P)和一個橫向間隔(42，44)，在每一條所述的成角度的條紋(40)之間的所述縱向間隔(42)由在每一條所述的成角度的條紋(40)之間的所述橫向間隔(42，44)與每一條所述的成角度的條紋(40)的高度之比限定，所述比值的范圍大約為6～14。
9.如權利要求8所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，所述橫向間隔(42，44)由大約為5～10倍于每一條所述的有角度帶的高度限定。
10.如權利要求1所述的燃燒室襯里(24)，其特征為，每一條所述的成角度的條紋(40)與水平方向成一個角度，所述角度范圍約為30°～60°。
全文摘要
燃氣渦輪(16)的燃燒室襯里(24)包括具有在該燃燒室襯里(24)的外表面(26)上的多條成角度的條紋(40)的一個體。該多條成角度的條紋(40)圍繞著該外表面(26)排列成一個組。在每一條所述的多條成角度的條紋(40)之間有一個間隔(42，44，P)，以便在縱向方向，在所述燃燒室襯里(24)的所述外表面(26)上流動的冷卻空氣中形成渦流。制造該燃燒室襯里(24)的方法包括在該燃燒室襯里(24)的外表面(26)上形成多條有角度的，和圍繞著該外表面(26)排列成一個組的條紋(40)。每一條成角度的條紋(40)都隔開一定距離，以便在該燃燒室襯里(24)的外表面(26)上流動的冷卻空氣中形成渦流。
文檔編號F23M5/08GK1740640SQ20051009158
公開日2006年3月1日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權日2004年8月26日
發(fā)明者R·S·邦克, J·C·拜利, S·K·維德納, T·E·約翰遜 申請人:通用電氣公司