CN103090411A - 具有用于减少在空气流中的尾流的文丘里管的燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有用于减少在空气流中的尾流的文丘里管的燃烧系统。该燃烧系统具有衬套、流动套筒、阻流元件、和文丘里管。衬套围绕燃烧区域配置。流动套筒围绕衬套配置。衬套和流动套筒协作，以产生具有定位在衬套和流动套筒之间的空气流的空气通道。阻流元件配置空气通道内，并且大体阻碍在空气通道中的空气流，以在空气流中产生尾流。文丘里管配置在阻流元件下游，并且大体限制并扩散在空气通道中的空气流，以减少在空气流中的尾流。

Description

具有用于减少在空气流中的尾流的文丘里管的燃烧系统

技术领域

在此公开的本主题涉及燃烧系统，并且更具体地，涉及具有由衬套和流动套筒限定的空气通道以及大体限制并扩散在空气通道中的空气流的文丘里管(venturi)的燃烧系统。

背景技术

燃气涡轮包括供应压缩气体到燃烧器的压缩器。具体地，压缩空气通过燃烧器的衬套和流动套筒之间的间隙或间隔而供应。典型地存在可配置在衬套和流动套筒之间的间隔内的不同类型的结构，诸如，例如，交叉火管(crossfire tube)或火焰探测器。典型地称为尾流(wake)的流动扰动可当压缩空气流动经过这些结构时产生。

尾流为由诸如交叉火管的构件产生的空气动力学扰动区，并且代表定位在该结构下游的再循环流的区域。尾流在衬套和流动套筒之间的间隔中的出现可产生数个问题。例如，在该结构下游喷射的燃料可被拉入尾流内。燃料可在尾流中积聚并且引起火焰保持，这又降低燃气涡轮性能。尾流还可在燃气涡轮中引起硬件问题，这可潜在地引起燃气涡轮关闭。尾流还可产生越过衬套的更高压力降。为了改善诸如燃气涡轮火焰保持性能的特征，提供了相对无尾流的流动区域。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供燃烧系统，其具有衬套、流动套筒、阻流元件和文丘里管。衬套围绕燃烧区域配置。流动套筒围绕衬套配置。衬套和流动套筒协作以产生具有定位在衬套和流动套筒之间的空气流的空气通道。阻流元件配置在空气通道内，并且大体阻碍在空气通道中的空气流，以在空气流中产生尾流。文丘里管配置在阻流元件下游，并且大体限制并扩散在空气通道中的空气流，以大体减少在空气流中的尾流。

这些和其它优点和特征将通过结合附图的以下描述而变得更显而易见。

附图说明

被认为是本发明的本主题在说明书的结尾处的权利要求中具体地指出并且清楚地主张。本发明的前述的和其他的特征以及优点通过结合附图的以下详细描述而显而易见，其中：

图1为具有根据本文教导的特征的燃烧系统的截面侧视图；

图2为在图1中示出的燃烧系统的空气流通道的侧面透视图，该燃烧系统具有文丘里管和通过其的至少一个空气开孔；

图3为与在图2中示出的空气流通道类似的替代空气流通道的截面视图；

图4为在图2中示出的空气开孔的可选实施例的示意性顶视图；和

图5为在图2中示出的空气开孔的另一实施例的示意性顶视图。

该详细描述经由实例参照附图解释本发明的实施例、连同优点和特征。

具体实施方式

图1为燃烧系统10的示范性示图，该燃烧系统具有燃烧器主体20、四元(quaternary)帽22、端盖24、和至少一个燃料喷嘴26。燃料喷嘴26在燃烧系统10的头端28处附连到端盖24。空气由压缩器30压缩成压缩器排出空气32的流，其被提供到燃烧系统10。压缩器排出空气32然后与由燃烧系统10的燃料喷嘴26供应的燃料混合。燃烧器主体20包括由衬套40限定的燃烧区域38。燃烧系统10还包括围绕衬套40配置的流动套筒42。在一个示范性实施例中，燃烧系统10在燃气涡轮系统(未示出)中采用。

在所示的实施例中，衬套40和流动套筒42一起协作并且产生空气通道44。空气通道44在衬套40和流动套筒42之间的间隙或间隔中产生。空气通道44具有定位在衬套40和流动套筒42之间的空气流。具体地，压缩器排出空气32的一部分被提供到空气通道44。压缩器排出空气32在空气通道44中流动到燃料喷嘴26，其将空气燃料混合物分配到燃烧区域38内。定位在空气通道44中的燃烧器排出空气32可用于冷却头端28并且用于进入到头端28内。燃烧器排出空气32还被提供到第二空气通道46，其由燃烧器罩48和流动套筒42的外壳壁或外表面50限定。空气通道44和第二空气通道46两者将压缩器排出空气32输送到四元帽22。

参考图1-2两者，阻流元件54配置在空气通道44内。阻流元件54典型地为大体阻碍在空气通道44中的空气流的任何装置。具体地，阻流元件54阻碍空气流以产生尾流(未示出)。该尾流典型地为阻流元件54下游的再循环流的区域。阻流元件54可为通常在燃气涡轮的空气通道44中找到的任何类型的装置，诸如，例如，交叉火管、火焰探测器、火花塞、衬套停止器、凸台、压力探头、或传感器。

文丘里管60配置在阻流元件54的下游并且限定为流动套筒42的一部分。现参考图2，文丘里管60用于大体限制在空气通道44中的空气流并且将空气流扩散到成组的四元导叶62而没有显著量的空气流分离。也就是说，文丘里管60用于在空气流到达四元导叶62之前显著减少由阻流元件54产生的尾流。具体地，文丘里管60具有汇聚区段66和发散区段68。汇聚区段66用于限制在空气通道44中的空气流，并且发散区段用于将空气流扩散到四元导叶62。

文丘里管60还具有喉部70、其使汇聚区段66与发散区段68相连接。在一个实施例中，喉部70提供范围从大约百分之20到大约百分之70的、空气通道44的截面积的减少。在一个实施例中，喉部70安置在距阻流元件54的特定距离处。具体地，在所示的示范性实施例中，阻流元件54包括大体圆形形状并且具有直径D。可选地，在图4所示的另一实施例中，阻流元件154在形状方面为大体矩形并且包括宽度W。继续参考图4，宽度W或直径D(如图2所示)相对于流动套筒142的直径180而测量。参考回图2，文丘里管60的喉部70安置在由N*D标注的特定距离处，其中D为阻流元件54的直径D，并且N为范围从大约1到大约10的数字。也就是说，特定距离N*D的范围从大约阻流元件54的直径D到大约十倍阻流元件54的直径D。在可选实施例中，如果大体矩形阻流元件被采用(诸如在图4中示出的阻流元件154)，则该特定距离可由N*W计算，其中W为阻流元件54的宽度。应理解，尽管图2和4示出大体圆形或矩形轮廓，但是阻流元件54可包括任何类型的形状或构造。

继续参考图2，在一个实施例中至少一个空气开孔72还可提供在流动套筒42的文丘里管部分60中，以流体地连接到空气通道46、到空气通道44。具体地，空气开孔72在流动套筒42内定位在文丘里管部分60的发散区段68处。应当注意到，尽管图2示出定位在发散区段68处的空气开孔72，但是应理解也可使用其它位置。例如，空气开孔72也可定位在汇聚区段66中。在另一实施例中，空气开孔72可在文丘里管60上游和阻流元件54下游定位在流动套筒42中。空气开孔72可用来将相对高压力空气引进到空气通道44内。具体地，参考图1-2两者，空气开孔72从第二空气通道46接收压缩器排出空气32的一部分。在第二空气通道46中的空气流具有比定位在空气通道44中的空气流更高的压力。因而，空气开孔72局部地将相对高压力空气引进到空气通道44的空气流内。可包括空气开孔72，以便增加在空气通道44中的空气压力，这是因为越过文丘里管60的空气压力当空气流的速度增加时降低。空气开孔72添加空气到尾流，这因此增加定位在尾流内的空气的速度。应当注意到，尽管示出为存在空气开孔72，但是应理解空气开孔72也可在另一实施例中省略。

在图2所示的实施例中，空气开孔72定位在流动套筒42的壁74内。图3为定位在流动套筒42内的多个空气开孔72的截面视图。如图3所示，空气开孔72典型地为定位在流动套筒42的发散区段68内的通孔。空气开孔72还可相对于竖直轴线A-A成角度，如由角度α所示。在一个实施例中，角度α的范围在大约5度到大约80度之间。压缩器排出空气32流动通过空气开孔72并且到空气通道44内。

尽管图2示出具有大体圆形构造的空气开孔72，但是应理解空气开孔72也可包括其它构造。例如，在另一实施例中，空气开孔72也可包括开槽构造或者泪珠构造。图4-5为示出空气开孔172和272的多个不同布置的示意性视图。具体地，在图4所示的实施例中，空气开孔172以交错构造周向地沿着发散区段168布置。类似于图2所示的实施例，空气开孔172中的各个安置在阻流元件154下游。在图5所示的可选实施例中，空气开孔272包括大体矩形轮廓。空气开孔272中的某些邻近并且大体围绕流动衬套停止器254定位。空气开口272中的剩余部分安置在流动衬套停止器254下游。应当注意到，空气开孔272中的一部分也还可安置在流动衬套停止器254上游(未在图5中示出)。

现参考图1-5，包括文丘里管60导致在空气通道44中的相对无尾流的空气流，其被输送到四元帽22和四元导叶62。在空气通道44内的尾流的减少倾向于减少或大致阻止火焰保持的发生。在空气通道44中的大体无尾流的空气流还可改善特征，诸如燃气涡轮火焰保持性能。因为越过文丘里管60的空气压力当空气流的速度增加时降低，所以在一个实施例中，还包括空气开孔72，以便增加在空气通道44中的空气压力。

尽管本发明结合有限数量的实施例而详细地描述，但是应当容易理解本发明不限于这种公开的实施例。相反，本发明可更改以合并任何数量的变形、更替、替换或迄今未描述的等同布置，但是这些与本发明的精神和范围相称。另外，尽管本发明的各种实施例已描述，但是应理解，本发明的方面可包括描述的实施例中的仅仅某些。因此，本发明不被视为受限于前述描述，但是仅仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (20)

1. 一种燃烧系统，其包括：

围绕燃烧区域配置的衬套；

围绕所述衬套配置的流动套筒，所述衬套和所述流动套筒协作，以产生具有定位在所述衬套和所述流动套筒之间的空气流的空气通道；

配置在所述空气通道内的阻流元件，所述阻流元件大体阻碍在所述空气通道中的空气流并且在所述空气流中产生尾流；和

配置在所述阻流元件下游的文丘里管，所述文丘里管大体限制并扩散在所述空气通道中的空气流，以大体减少在所述空气流中的尾流。

2. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述文丘里管由所述流动套筒限定。

3. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述文丘里管包括汇聚区段、发散区段和喉部，其中，所述喉部使所述汇聚区段与所述发散区段相连接，并且其中，所述喉部提供范围从大约百分之20到大约百分之70的、所述空气通道的截面积的减少。

4. 根据权利要求3所述的燃烧系统，其特征在于，所述阻流元件包括代表所述阻流元件的宽度和直径中的一个的尺寸。

5. 根据权利要求4所述的燃烧系统，其特征在于，所述文丘里管的喉部定位在距所述阻流元件特定距离处，其中，所述特定距离的范围从大约所述阻流元件的尺寸到大约十倍所述阻流元件的尺寸。

6. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，包括流体地连接到所述空气通道的至少一个空气开孔，其中，所述至少一个空气开孔接收喷射到所述空气通道内的高压力空气，所述高压力空气具有大于所述空气通道的空气通道压力的压力。

7. 根据权利要求6所述的燃烧系统，其特征在于，所述至少一个空气开孔定位在以下中的一个上：所述文丘里管的汇聚区段、所述文丘里管的发散区段、以及所述文丘里管上游与所述阻流元件下游。

8. 根据权利要求6所述的燃烧系统，其特征在于，所述至少一个空气开孔为定位在所述流动套筒内的通孔，并且其中，所述至少一个空气开孔相对于竖直轴线成角度安置。

9. 根据权利要求8所述的燃烧系统，其特征在于，所述角度的范围在大约5度到大约80度之间。

10. 根据权利要求6所述的燃烧系统，其特征在于，包括多个空气开孔，其中，所述多个空气开孔中的一部分邻近并且大体围绕所述阻流元件安置，并且所述多个空气开孔中的另一部分安置在所述阻流元件下游，并且所述空气开孔中的剩余部分安置在所述阻流元件上游。

11. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述阻流元件为交叉火管、火焰探测器、火花塞、衬套停止器、凸台、压力探头和传感器中的一个。

12. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述空气流被引导到定位在所述燃烧系统中的成组的四元导叶。

13. 一种具有燃烧系统的燃气涡轮，其包括：

围绕燃烧区域配置的衬套；

围绕所述衬套配置的流动套筒，所述衬套和所述流动套筒协作，以产生具有定位在所述衬套和所述流动套筒之间的空气流的空气通道；

配置在所述空气通道内的阻流元件，所述阻流元件大体阻碍在所述空气通道中的空气流并且在所述空气流中产生尾流；

配置在所述阻流元件下游的文丘里管，所述文丘里管大体限制并扩散在所述空气通道中的空气流，以大体减少在所述空气流中的尾流；和

至少一个空气开孔，其流体地连接到所述空气通道，所述至少一个空气开孔接收喷射到所述空气通道内的高压力空气，所述高压力空气具有大于所述空气通道的空气通道压力的压力。

14. 根据权利要求13所述的燃气涡轮，其特征在于，所述文丘里管由所述流动套筒限定。

15. 根据权利要求13所述的燃气涡轮，其特征在于，所述文丘里管包括汇聚区段、发散区段和喉部，其中，所述喉部使所述汇聚区段与所述发散区段相连接，并且其中，所述喉部提供范围从大约百分之20到大约百分之70的、所述空气通道的截面积的减少。

16. 根据权利要求15所述的燃气涡轮，其特征在于，所述阻流元件包括代表所述阻流元件的宽度和直径中的一个的尺寸。

17. 根据权利要求16所述的燃气涡轮，其特征在于，所述文丘里管的喉部定位在距所述阻流元件特定距离处，其中，所述特定距离的范围从大约所述阻流元件的尺寸到大约十倍所述阻流元件的尺寸。

18. 根据权利要求13所述的燃气涡轮，其特征在于，所述至少一个空气开孔定位在以下中的一个上：所述文丘里管的汇聚区段、所述文丘里管的发散区段、以及所述文丘里管上游与所述阻流元件下游。

19. 根据权利要求13所述的燃气涡轮，其特征在于，所述至少一个空气开孔为定位在所述流动套筒内的通孔，并且其中，所述至少一个空气开孔相对于竖直轴线成角度安置。

20. 根据权利要求19所述的燃气涡轮，其特征在于，所述角度的范围在大约5度到大约80度之间。

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