專利名稱：燃燒管路后端冷卻的改善的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)的內(nèi)部冷卻，更具體地說，涉及在渦輪的燃燒部分和排放部分之間的過渡區(qū)域中，提供更好和更均勻的冷卻的裝置。包括改進(jìn)設(shè)計(jì)的一個(gè)襯里的該裝置可減小在該區(qū)域中的熱應(yīng)力，同時(shí)提高在該區(qū)域的冷卻效率，減小渦輪這部分需要的冷卻空氣量。這可使更多的空氣引入該渦輪的燃燒部分，這樣，可改善燃料的燃燒并減少排放(NOx)。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)具有一個(gè)空氣進(jìn)入部分，一個(gè)燃料燃燒部分和一個(gè)后面排放部分。在渦輪的燃燒部分和排放部分之間有一個(gè)過渡區(qū)域。一個(gè)基本上為圓筒形的襯里安裝在這個(gè)過渡區(qū)域中，其上作出孔，冷卻空氣通過該孔進(jìn)入和流過該襯里，以控制該過渡區(qū)域中的溫度。在該襯里的上游入口部分處的熱氣體溫度(該渦輪燃燒部分的出口)大約為2800～3000°F。在該襯里的下游出口部分處，靶極金屬溫度大約為1400～1550°F。
目前，該襯里的后端是利用多個(gè)幾何形狀均勻的冷端軸向通道冷卻的，該通道使溫度為該渦輪的壓縮機(jī)排氣溫度的空氣，在該襯里的后端上流過。這產(chǎn)生對流冷卻。這種幾何形狀的限制為，當(dāng)該襯里的一個(gè)部分和另一個(gè)部分之間的金屬溫度梯度大時(shí)，所產(chǎn)生的冷卻不均勻。以前，克服這個(gè)限制需要增加流入該襯里的冷卻空氣的量，以便達(dá)到適當(dāng)?shù)睦鋮s程度。最后增加進(jìn)入和通過該襯里的氣流意味著不然可以導(dǎo)入該渦輪的燃燒部分，幫助燃燒和減小排放，特別是NOx排放的空氣，必需改變方向，進(jìn)入該渦輪的后端，以幫助將該襯里溫度保持在允許范圍內(nèi)。
發(fā)明概述簡要地說，本發(fā)明的目的是要提供一種可加強(qiáng)在渦輪發(fā)動機(jī)的燃燒部分和排放部分之間的過渡區(qū)域中的冷卻的改進(jìn)的襯里結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的改進(jìn)包括具有多個(gè)其橫截面沿著該襯里的軸向長度變化的氣流或冷卻通道的一個(gè)襯里。即該通道的高度，沿著該襯里的軸向長度，從該襯里的冷卻通道的空氣入口至空氣出口減小。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該通道的高度，從每一個(gè)軸向通道的入口端至出口端減小大約60％。用這種方法減小氣流通道的高度，使通過該通道流動的空氣的冷卻效果改變，造成金屬溫度更均勻。重要的是，這可以減小在該襯里的后部空氣出口端處的熱應(yīng)力。
優(yōu)化該襯里后端的冷卻對目前的襯里結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)具體的優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)樾碌囊r里冷卻改善，為了達(dá)到希望的襯里金屬溫度所需要的流過該襯里的空氣較少；并且該襯里通道中的空氣的局部速度與空氣的局部溫度平衡。這可以產(chǎn)生沿著該襯里通道的固定不變的冷卻熱流量。結(jié)果，在該襯里內(nèi)的熱梯度和熱應(yīng)力減小。由于減小燃燒反應(yīng)溫度、冷卻空氣的需要減少也可幫助延長該襯里的壽命。最后，減少氣流的需要可使更多的空氣流入該渦輪的燃燒部分，以改善燃燒和減少渦輪的排放。
本發(fā)明的上述和其他目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在后面將分部分地清楚和分部分地指出。
附圖簡述在構(gòu)成說明書的一部分的附圖中

圖1為表示渦輪的燃燒部分和壓縮機(jī)空氣排出部分之間的過渡區(qū)域的一個(gè)渦輪發(fā)動機(jī)的截面圖；圖2為先前技術(shù)的襯里后部區(qū)域，和本發(fā)明的，用于使冷卻空氣流過該渦輪的過渡區(qū)域中的多個(gè)通道的襯里后部區(qū)域的正視圖；圖3為本發(fā)明的襯里后端的分解視圖；圖4為先前技術(shù)的襯里的和本發(fā)明的襯里的后端的平面圖，它表示兩種結(jié)構(gòu)之間的傳熱系數(shù)的相對差別；和圖5為先前技術(shù)的襯里和本發(fā)明的襯里的后端的平面圖，它表示兩種結(jié)構(gòu)之間的預(yù)測金屬溫度的相對差別。
在所有幾個(gè)附圖中，相應(yīng)的標(biāo)號表示相應(yīng)的零件。
優(yōu)選實(shí)施例說明下面的詳細(xì)說明利用例子來說明本發(fā)明，而不是限制。該說明清楚地可使技術(shù)熟練的人制造和使用本發(fā)明，說明幾個(gè)實(shí)施例，其應(yīng)用，變型，替換物和使用包括目前認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式的本發(fā)明。
參見附圖，在圖1中，渦輪發(fā)動機(jī)用10表示。發(fā)動機(jī)10具有一個(gè)燃燒部分12，吸入該發(fā)動機(jī)中的空氣在該處與燃料燃燒。該發(fā)動機(jī)還包括一個(gè)排放部分14。從燃燒部分12出來的熱氣體，從該部分12流入排放部分14中。在這兩個(gè)部分之間有一個(gè)過渡區(qū)域16。如先前指出的那樣，在燃燒部分12的后端，區(qū)域16的入口部分處的熱氣體溫度大約為2800～3000°F。然而，在過渡區(qū)域16的下游，出口部分處的襯里金屬溫度最好大約為1400～1500°F。為了幫助將該襯里冷卻至這個(gè)較低的金屬溫度范圍，在熱的氣體通過區(qū)域16的過程中，設(shè)置冷卻空氣流過的襯里18。該冷卻空氣可以抽走該襯里的熱，從而大大降低相對于該熱氣體的溫度的襯里金屬溫度。
襯里18具有一個(gè)通常稱為呼拉密封的相應(yīng)的壓縮式密封20。該密封安裝在該襯里的蓋板22(見圖3)和過渡區(qū)域16的一部分之間。該蓋板安裝在該襯里上，形成該壓縮密封的一個(gè)安裝表面和形成軸向氣流通道C的一部分。如圖3所示，襯里18上作出帶有多個(gè)沿軸向升高的部分或肋24的多個(gè)軸向通道，所有這些肋都在該襯里的后端的一部分上延伸。該蓋板22和肋24一起構(gòu)成相應(yīng)的氣流通道C。這些通道為在該襯里18的后端的一部分上延伸的平行通道。冷卻空氣通過在該通道前端的空氣入口槽或孔26，進(jìn)入通道中。然后，空氣流入和流過該通道C，并通過在該襯里后端30上的孔28，從該襯里流出。
根據(jù)本發(fā)明，該襯里18的設(shè)計(jì)可減小冷卻空氣的流量的需要，同時(shí)使該襯里的后端能充分地傳熱，以便沿著該襯里產(chǎn)生均勻的金屬溫度。技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的人懂得，在該渦輪的燃燒部分12內(nèi)產(chǎn)生的燃燒，造成熱端的傳熱系數(shù)，和在襯里18的內(nèi)表面上的氣體溫度。目前設(shè)計(jì)的襯里現(xiàn)在仍需要外表面(后端)冷卻，以使金屬溫度和該襯里的后端所受的熱應(yīng)力保持可接受的范圍內(nèi)。否則，由過大的應(yīng)力，溫度或二者造成的該襯里的損壞會大大縮短該襯里的使用壽命。
本發(fā)明的襯里18使用在冷卻劑外側(cè)和該襯里的熱氣體內(nèi)側(cè)之間產(chǎn)生的現(xiàn)有的靜壓力梯度，來影響該襯里后端的冷卻。這點(diǎn)可通過使在襯里通道C中的氣流速度與空氣的溫度平衡，沿著該通道和該襯里的長度，產(chǎn)生固定不變的冷卻作用來達(dá)到。
如圖2所示，先前技術(shù)的襯里100有一個(gè)橫穿該蓋板的前端的流量計(jì)量孔102。如在襯里100的長度上延伸的虛線所示，由其高度確定的該通道的橫截面，沿著該通道的全長是固定不變的。這個(gè)厚度為0.045英寸(0.11cm)。
相反，本發(fā)明的襯里18的通道高度，比在該通道的入口26處的襯里100的通道高度大很多(大約45％)。然而，這個(gè)高度沿著通道C的長度穩(wěn)定和均勻地減小，使得在該通道的后端，該通道高度比先前技術(shù)的襯里100的出口高度小很多(大約55％)。例如，襯里18的入口通道的高度為0.065英寸(0.16cm)，其出口高度為0.025英寸(0.06cm)，因此，該通道的高度從該通道的入口端至出口端減少略大于60％。
在將先前技術(shù)的襯里100與本發(fā)明的襯里18的比較中發(fā)現(xiàn)，為了與襯里18的冷卻流量匹配，減小襯里100的通道(沒有示出)的高度不能提供足夠的冷卻，使襯里100中產(chǎn)生可按受的金屬溫度，也不能有效地改變，即減小通過該襯里的冷卻空氣的流量需求。另外，還發(fā)現(xiàn)，在襯里18內(nèi)冷卻通道高度可變化，可以優(yōu)化該襯里的后端28的冷卻。當(dāng)通道高度變化時(shí)，可達(dá)到最優(yōu)的冷卻，因?yàn)樵谠撏ǖ乐械木植靠諝馑俣痊F(xiàn)在與流過該通道的冷卻空氣的局部溫度平衡。即因?yàn)樵撏ǖ赖母叨妊刂恳粋€(gè)通道的長度逐漸減小，該通道的橫截面積同樣減小。這造成流過通道C的冷卻空氣的速度增加，和可以沿著每一個(gè)通道的全長產(chǎn)生更固定不變的冷卻熱流量。因此，襯里18的優(yōu)點(diǎn)是，可以產(chǎn)生更均勻的軸向熱梯度，和減小在該襯里內(nèi)的熱應(yīng)力。這點(diǎn)又使該襯里的使用壽命增加。重要的是，流過該襯里的冷卻空氣的需要大大減小，并可將這個(gè)空氣導(dǎo)入該渦輪的燃燒部分12，以改善燃燒和減少廢氣排出，特別是NOx的排出。
在基本負(fù)荷條件下，假設(shè)邊界條件為6FA+e燃燒系統(tǒng)的邊界條件，利用襯里18的設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行了一系列的CFD研究。研究結(jié)果表明，在正常工作條件下，襯里18的設(shè)計(jì)可對燃燒襯里的后端提供足夠的冷卻。在空氣入口槽26下面的預(yù)測的金屬溫度顯示，金屬溫度的變化大大減小。該結(jié)果還表明，為了保持后緣的等價(jià)壽命，冷卻氣流的需要可減少大約50％。
圖4為根據(jù)研究的結(jié)果，先前技術(shù)的襯里100和本發(fā)明的襯里18的后端的相應(yīng)的后端傳熱系數(shù)的比較。如圖4所示，通過均勻的減少沿著襯里長度的襯里18中的通道C的高度，雖然相對的大小與襯里100相同，但傳熱特性現(xiàn)在更均勻。另外，減少襯里18所需要的強(qiáng)制通風(fēng)(plenum)供給量可以最大限度地覆蓋冷端，并且沒有冷卻不好的區(qū)域。結(jié)果，與襯里100的后端比較時(shí)，襯里18的后端的熱應(yīng)變大大減小。
最后，圖5表示在先前技術(shù)的襯里100和本發(fā)明的襯里18內(nèi)的金屬溫度。利用對于渦輪10的基本負(fù)荷下的邊界條件，每一個(gè)襯里的熱端的氣體溫度為2750°F。然而，如圖5所示，襯里18的金屬溫度比襯里100的均勻。在襯里18的后端的金屬溫度的增加(與襯里100后端的金屬溫度比較)，是對于該襯里的這個(gè)末端經(jīng)受的典型的熱應(yīng)變的可接受的性能狀態(tài)。如上所述，為了減少通過該襯里的氣流，只減小襯里100中的通道高度不能在這些增加的金屬溫度下產(chǎn)生可接受的熱應(yīng)變。采用本發(fā)明的襯里高度均勻地沿著該襯里長度成一錐度的襯里18，在該襯里后端的熱應(yīng)變大小是可接受的。這不但可幫助提高該襯里的壽命，而且可使以前必需通過該襯里的氣流的一部分現(xiàn)在可以導(dǎo)入該渦輪的燃燒部分12，以改善燃燒和減少排放。
考慮以上說明，可看出，本發(fā)明的幾個(gè)目的已達(dá)到，其它有利的結(jié)果也得到。在不偏離本發(fā)明的范圍的條件下，可對以上結(jié)構(gòu)作各種改變。上述說明或附圖中所述的一切都是為了說明，而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于安裝在發(fā)動機(jī)的燃燒部分(12)和空氣排出部分(14)之間的一個(gè)過渡區(qū)域(16)中的襯里(18)，它包括多個(gè)軸向通道(C)；在該襯里的后端部分的一部分上互相平行地延伸，每一個(gè)通道的橫截面積沿著該通道的長度變化；和使空氣進(jìn)入每一個(gè)通道的一個(gè)空氣入口(26)，和使空氣從該襯里排出的一個(gè)空氣出口(28)；通過該通道的空氣流用于冷卻該發(fā)動機(jī)的燃燒部分和空氣排出部分之間的過渡區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的襯里，其特征為，每一個(gè)通道的橫截面積，均勻地沿著該襯里的長度，從該襯里的空氣入口端至，其空氣出口端減少。
3.如權(quán)利要求2所述的襯里，其特征為，該通道的高度，沿著該襯里的長度，從該襯里的空氣入口端至其空氣出口端均勻地減小，從而減小在該襯里的后端產(chǎn)生的熱應(yīng)變，以延長該襯里的使用壽命，并減少為使該過渡區(qū)域內(nèi)的冷卻達(dá)到所希望的程度而流經(jīng)該襯里所需要的空氣量。
4.如權(quán)利要求3所述的襯里，其特征為，該通道的高度從該襯里的空氣入口端至其空氣出口端顯著地減小。
5.如權(quán)利要求4所述的襯里，其特征為，該通道的高度，從該襯里的空氣入口端至其空氣出口端減小至少40％。
6.如權(quán)利要求1所述的襯里，其特征為，該襯里減小為將該過渡區(qū)域的溫度降低至預(yù)定的溫度范圍所需的流經(jīng)該襯里的空氣流量，這可增加流至該發(fā)動機(jī)的燃燒部分的空氣流量，以改善燃燒和減少排放。
7.一種渦輪發(fā)動機(jī)(10)，包括一個(gè)燃燒部分(12)；在該燃燒部分下游的一個(gè)空氣排出部分(14)；在該二個(gè)部分之間的一個(gè)過渡區(qū)域(16)；和一個(gè)襯里(18)，該襯里具有使空氣進(jìn)入該襯里的一個(gè)空氣入口(26)，空氣從該襯里藉其排出的一個(gè)空氣出口(28)；通過該襯里的空氣流作為流經(jīng)該發(fā)動機(jī)的燃燒部分和空氣排出部分之間的過渡區(qū)域的冷卻空氣；該襯里還具有多個(gè)沿其長度互相平行延伸的通道(C)；供空氣流流過該襯里之用，該通道的橫截面積，沿著該襯里的長度，從該襯里的空氣入口端至其空氣出口端減小，從而減少在該襯里的后端產(chǎn)生的熱應(yīng)變，以延長該襯里的使用壽命并減少為使該過渡區(qū)域中的冷卻達(dá)到所希望的程度而流經(jīng)該襯里所需要的空氣量。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)動機(jī)，其特征為，該通道的高度沿著該襯里通道的長度均勻地逐漸縮小。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)動機(jī)，其特征為，該通道的高度從該襯里的空氣入口端至其空氣出口端減少至少40％。
10.如權(quán)利要求7所述的發(fā)動機(jī)，其特征為，該發(fā)動機(jī)減小為將該過渡區(qū)域的溫度降低至預(yù)定的溫度范圍所需的流經(jīng)該襯里的空氣流量的至少30％，這可增加流至該渦輪的燃燒部分的空氣流量，以改善燃燒和減少排放。
全文摘要
一種安裝在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)(10)的燃燒部分(12)和該渦輪的排出部分(14)之間的過渡區(qū)域(16)中的襯里(18)。該襯里具有使空氣進(jìn)入該襯里的一個(gè)空氣入口(26)和使空氣從該襯里排出的一個(gè)空氣出口(28)。通過該襯里的空氣流動用作流過該渦輪的燃燒部分和空氣排出部分之間的過渡區(qū)域的冷卻空氣，以便將該襯里的金屬溫度22由燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱氣體溫度降低至與零件使用壽命一致的金屬溫度。該襯里以作出多個(gè)使空氣流過該襯里的軸向通道(C)。該通道的橫截面沿著每一個(gè)通道的長度，從該通道的空氣入口至其空氣出口均勻地減小。這種襯里結(jié)構(gòu)減小在該襯里后端產(chǎn)生的熱應(yīng)變，延長該襯里的使用壽命。同時(shí)減少為了使該過渡區(qū)域的冷卻達(dá)到所希望的程度而需要流過該襯里的空氣量。
文檔編號F01D25/12GK1721670SQ20051008443
公開日2006年1月18日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者J·C·因蒂爾, T·R·法雷爾 申請人:通用電氣公司