燃氣渦輪機及其具有的微混合器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種燃氣渦輪機及其具有的微混合器。所述燃氣渦輪機包括：用于輸送燃料/空氣混合物的多個混合管道；以及包括多個分配孔和多個管孔以便容納所述混合管道的分配板。所述混合管道中的每一個包括燃料從中穿過進入所述混合管道的多個燃料孔。所述管孔與所述混合管道形成所述分配板與所述混合管道之間的多個環(huán)狀區(qū)域。一種流量管理裝置修改所述環(huán)狀區(qū)域的有效大小以控制穿過所述分配板的所述分配孔和所述環(huán)狀區(qū)域的所述燃料流的分配，從而在所述混合管道中的每一個中提供均勻燃料/空氣組成。
【專利說明】燃氣渦輪機及其具有的微混合器
[0001]相關(guān)申請案的交叉引用
[0002]本申請是2012年8月23日提交的待決美國專利申請第13/593，123號的繼續(xù)部分申請，所述申請以引用的方式整體并入本說明書中。
[0003]本實用新型總體涉及燃氣渦輪機，并且更確切地涉及一種用于控制燃料流動穿過燃氣渦輪機的燃燒器中的分配板的裝置。
[0004]通常，燃氣渦輪發(fā)動機包括用于壓縮進入空氣的壓縮機、用于將燃料與壓縮空氣混合并點燃燃料/空氣混合物以產(chǎn)生高溫氣流的燃燒器以及由高溫氣流驅(qū)動的渦輪區(qū)段。燃料通常是與壓縮空氣在微混合器中混合。當維持燃料/空氣混合物的均勻組成時，氮氧化物可最小化。另外，可以通過使得燃料/空氣混合物的組成恒定而來增強渦輪效率。因此，需要有效控制燃料到混合管道的分配以便維持每條混合管道中的燃料/空氣混合物的均勻組成。
[0005]渦輪操作直接受到流體力學和穿過微混合器的燃料流的分配影響。因此，可以通過有效控制穿過微混合器的燃料流而來增強渦輪操作。
[0006]所公開的技術(shù)中的一個示例性但非限制性方面涉及一種控制穿過燃氣渦輪機的分配板的燃料流的流率和/分配以影響所述燃料流到多個燃料孔的分配的方法。
[0007]本實用新型的另一示例性但非限制性方面涉及一種流量管理裝置，所述流量管理裝置位于形成在混合管道與分配板之間的環(huán)狀區(qū)域附近，以便控制穿過所述環(huán)狀區(qū)域的燃料流的流率。
[0008]在一個示例性但非限制性實施例中，本實用新型提供一種燃氣渦輪機，所述燃氣渦輪機包括多個混合管道，所述多個混合管道經(jīng)布置以輸送燃料/空氣混合物到反應(yīng)區(qū)中進行點燃，其中每個混合管道包括燃料從中穿過進入所述混合管道的多個燃料孔。板有形成在其上的多個管孔，其中所述管孔配置用于容納所述混合管道，以在所述板與所述混合管道之間形成多個環(huán)狀區(qū)域，從而使得所述燃料流動穿過所述環(huán)狀區(qū)域。所述燃料孔相對所述燃料流而布置在所述板的下游側(cè)上。所述渦輪進一步地包括流量管理裝置，所述流量管理裝置配合所述板和所述混合管道中的至少一者、并且包括位于所述環(huán)狀區(qū)域內(nèi)以便控制所述燃料到所述燃料孔的分配的部分。
[0009]在另一示例性但非限制性實施例中，提供一種控制穿過燃氣渦輪機中的板的燃料流的方法，其中所述板包括形成在其中的多個通孔和多個管孔，所述管孔適于容納多個混合管道，所述管孔與所述混合管道形成了多個環(huán)狀區(qū)域，并且所述多個混合管道經(jīng)布置以輸送燃料/空氣混合物到反應(yīng)區(qū)中進行點燃。所述方法包括:形成適于通過所述通孔并且通過所述環(huán)狀區(qū)域的燃料流；調(diào)整所述環(huán)狀區(qū)域的有效大小以控制穿過所述通孔并且穿過所述板的所述環(huán)狀區(qū)域的所述燃料流的分配；以及將所述燃料流與空氣在所述多個混合管道中混合以形成所述燃料/空氣混合物。
[0010]其中，每個混合管道包括燃料從中穿過進入相應(yīng)混合管道的多個燃料孔，所述多個燃料孔相對于所述燃料流布置在所述板的下游側(cè)上。
[0011]所述方法進一步包括流量管理裝置，所述流量管理裝置用于對所述環(huán)狀區(qū)域的有效大小進行調(diào)整，其中所述流量管理裝置包括多個指狀物和將所述多個指狀物分開的多個空間，所述多個指狀物與所述多個空間形成用于輸送所述燃料流的多個通道。
[0012]其中，所述板具有形成于其中的多個通孔，所述多個通孔經(jīng)布置可使所述燃料流通過所述多個通孔，并且其中調(diào)整步驟包括控制所述燃料流在所述板的所述多個通孔與所述多個環(huán)狀區(qū)域之間的分配。
[0013]其中，所述多個指狀物的大小和/或所述多個空間的大小經(jīng)過修改可對所述多個環(huán)狀區(qū)域的所述有效大小進行調(diào)整。
[0014]在又一示例性但非限制性實施例中，本實用新型提供一種微混合器，所述微混合器用于將燃料與空氣在燃氣渦輪機中混合。所述微混合器包括:入口，燃料通過所述入口進入所述微混合器中的區(qū)段；板，所述板位于所述區(qū)段中并包括形成在其中的多個孔以使所述燃料流動穿過所述多個孔。多個混合管道延伸穿過所述多個孔的第一部分以將燃料/空氣混合物輸送到反應(yīng)區(qū)進行點燃。所述第一部分的孔在所述板與所述混合管道之間形成多個環(huán)狀區(qū)域，其中每個混合管道包括供燃料從中穿過進入所述混合管道的多個燃料孔。另夕卜，一種流量管理裝置配合所述板和所述混合管道中的至少一者，以便控制穿過所述第一部分的孔的所述燃料流的流率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖促進對此技術(shù)的各個實施例的理解。在此類附圖中:
[0016]圖1是根據(jù)所公開的技術(shù)的實例的微混合器的一部分的透視圖；
[0017]圖2是與圖1類似的透視圖，其中示出微混合器局部剖切部分；
[0018]圖3是與圖1所述微混合器類似的側(cè)視圖，其中示出微混合器局部剖切部分；
[0019]圖4是對圖1所示微混合器的橫截面的示意表示；
[0020]圖5是從圖4獲取的放大細節(jié)；
[0021]圖6是根據(jù)對 申請人:是已知的較早技術(shù)的分配板和多個混合管道的透視圖；
[0022]圖7是根據(jù)所公開的技術(shù)的第一實例的密封板的透視圖；
[0023]圖8是從圖7獲取的放大細節(jié)；
[0024]圖9是包括圖7和8所示密封板的分配板組件的透視圖；
[0025]圖10是圖9所示分配板組件的俯視圖；
[0026]圖11是沿著圖10所示線11-11的橫截面圖；
[0027]圖12是根據(jù)所公開的技術(shù)的第二實例的計量板的透視圖；
[0028]圖13是從圖12獲取的放大細節(jié)；
[0029]圖14是包括圖12和13所示計量板的分配板組件的透視圖；
[0030]圖15是圖14所示分配板組件的俯視圖；
[0031]圖16是沿著圖15所示線16-16的橫截面圖；
[0032]圖17是根據(jù)所公開的技術(shù)的第三實例的雙層計量板的透視圖；
[0033]圖18是從圖17獲取的放大細節(jié)；
[0034]圖19是包括圖17和18所示雙層計量板的分配板組件的透視圖；
[0035]圖20是圖19所示分配板組件的俯視圖；
[0036]圖21是沿著圖20所示線21-21的橫截面圖；
[0037]圖22是根據(jù)所公開的技術(shù)的第四實例的單獨計量板的透視圖；
[0038]圖23是從圖22獲取的放大細節(jié)；
[0039]圖24是包括圖22和23所示套環(huán)的分配板組件的透視圖；
[0040]圖25是圖24所示分配板組件的俯視圖；
[0041 ] 圖26是沿著圖25所示線26-26的橫截面圖；
[0042]圖27是根據(jù)所公開的技術(shù)的第五實例的混合管道與分配板組件的側(cè)視圖。

【具體實施方式】
[0043]參照圖1和圖2，示出微混合器60中的區(qū)段。在微混合器60中，燃料和空氣混合在一起。燃料/空氣混合物135穿過燃料/空氣混合物出口 68離開微混合器并輸送到反應(yīng)區(qū)或燃燒室中，在所述反應(yīng)區(qū)或燃燒室中燃料/空氣混合物135經(jīng)點燃以產(chǎn)生機械能。
[0044]多個混合管道130延伸穿過微混合器60以將燃料/空氣混合物135輸送到反應(yīng)區(qū)進行點燃。燃料流110穿過入口 62進入微混合器60，并且行進通過混合管道130的外部部分到達混合管道上游部分，在此處，燃料流110與已存在于混合管道130中的空氣120混合以形成燃料/空氣混合物135。燃料流110通過形成在混合管道中的燃料孔132進入混合管道。分配板140位于微混合器60中，介于燃料入口 62與燃料孔132之間，從而使得燃料流110通過分配板140到達燃料孔132。
[0045]分配板140包括用于容納混合管道130的多個燃料孔144、以及用于使得燃料流110通過分配板140的多個分配孔142，如圖5和6中所示的最佳示例。應(yīng)當注意，分配板140可以僅僅具有用于使燃料流通過的管孔144，因為分配孔142是可選的。形成管孔144使其達到足夠大，以使得混合管道130并不接觸分配板140。這種布置可最小化對分配板和混合管道的磨損，并進一步地可避免可能由分配板或混合管道意外移動導致的損壞。在圖4所示示意圖解中僅僅示出一個分配孔142，然而，可以將分配孔散布在分配板140中、介于管孔144之間，如圖6所示。
[0046]管孔144與混合管道130形成了在分配板140與混合管道130之間的多個環(huán)狀區(qū)域146。然而，隨著環(huán)狀區(qū)域大小增加，由于因通過環(huán)狀區(qū)域146的流增加導致的穿過分配板140的燃料流較差分配，燃料流110到燃料孔132的均勻分配減少。
[0047]在圖6中，看到的是分配孔142散布在分配板140中、介于管孔144之間。應(yīng)當注意，分配孔142可以通過任何合適方式布置在分配板中。出于說明目的，管孔144 (和混合管道130)僅在分配板的中心部分中示出；然而，管孔可以占據(jù)分配板的較小或較大部分，并且進一步地可以通過任何合方式布置在分配板上。優(yōu)選地是，分配孔142經(jīng)布置以促成燃料流110穿過分配孔142的均勻分配。
[0048]通常需要將等量燃料放入每個混合管道130 (假定也會提供等量空氣)。將均勻燃料/空氣組成提供給每個混合管道130已證明是可使氮氧化物最少化。燃料非均勻性的一個來源是涉及一些混合管道130，因其接近燃料供源(例如燃料入口 62)而優(yōu)選對其進行進
5口 O
[0049]分配板140與混合管道130之間的間隙需要較小(例如，0.003英寸)，以便在分配板140的下游側(cè)上實現(xiàn)所需壓降(相對燃料流110)。此種壓降可以導致燃料流110使用分配板140中的所有通道，并且因此產(chǎn)生到燃料孔132的更均勻的流。
[0050]在實例中，混合管道130的目標直徑可以是0.370英寸，并且管孔144的目標直徑可以是0.373英寸，因此導致產(chǎn)生0.00175in2的環(huán)狀區(qū)域。然而,大小僅大0.001英寸或僅小0.001英寸的管孔將會使環(huán)狀區(qū)域146中產(chǎn)生+/-33%大小變化，從而導致穿過分配板的燃料流中的廣泛變化。
[0051]由于混合管道130相對于其殼體移動，將混合管道130釬焊或焊接到分配板140上會形成熱感應(yīng)力，因此消除所有環(huán)狀區(qū)域146而只使用分配孔142是不可取的。而且，銅焊或焊接的過程也比較昂貴。
[0052]所公開的技術(shù)的實施例描述密封裝置，所述密封裝置形成具有已知并且可重復(fù)的有效大小的環(huán)狀區(qū)域146，以消除環(huán)狀區(qū)域大小的可變化性并且允許燃料均勻流過分配板140。
[0053]轉(zhuǎn)向圖7至11，示出根據(jù)所公開的技術(shù)的實例的用于控制燃料流動穿過環(huán)狀區(qū)域146的密封板400。密封板由薄金屬片形成，并且附接到分配板140的上游側(cè)上。然而,應(yīng)當注意，所屬領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會了解，密封板可以配置用于附接到分配板的下游側(cè)上。密封板400包括多個密封元件410，所述密封元件形成為密封板中與管孔144對應(yīng)的孔、并且大小適于在環(huán)狀區(qū)域146內(nèi)接觸混合管道130。密封板還包括多個通孔402的特征，所述通孔允許燃料流110通過分配孔142。
[0054]可以通過焊接或釬焊將密封板400 —體連接到分配板140或管130上。密封板400還可與帶螺栓的緊固件或鉚釘機械附接。然而，密封板可受到加載在板上的壓力和密封元件410 (或下述指狀物)對管壁的壓縮力約束。
[0055]密封元件410影響通過環(huán)狀區(qū)域146 (參見圖4和5以及圖9)的燃料流110，同時還對混合管道振動進行阻尼。密封元件410配置用于密封混合管道130，以便放置燃料流110通過環(huán)狀區(qū)域146。密封元件包括以一定斜度延伸到密封板的成角度的部分412、以及連接到成角度的部分的配合部分414。配合部分414以一定斜度延伸到成角度的部分412，并配合混合管道130以形成密封。成角度的部分412和配合部分414的相應(yīng)大小和定向可以進行修改，以便調(diào)整與混合管道形成的密封。通過密封環(huán)狀區(qū)域146并且恢復(fù)燃料流110到分配孔142的總體(或接近總體的)流量，可以實現(xiàn)穿過分配板140的燃料流的更均勻的分配。穿過分配板的更均勻的流可以將燃料流更均勻地分配到燃料孔132。將會了解，在環(huán)狀區(qū)域146處可觀察到可忽略的水平上的泄漏。另外，密封元件410實際可以配置用于提供所需水平上的泄漏。
[0056]如上討論，密封元件410接觸混合管道130。密封元件410(和下述指狀物及套環(huán))可由彈簧鋼或如標準300/400不銹鋼和鎳合金的其他合適材料制成。這種布置有效使得密封元件410對混合管道130的振動進行阻尼。成角度的部分412和配合部分414的大小和定向還可經(jīng)過調(diào)整以使與混合管道130的接觸面積增加或者減少，從而調(diào)整阻尼水平。密封元件還是順應(yīng)性的，以便適應(yīng)混合管道130的移動和失準。
[0057]替代密封環(huán)狀區(qū)域146，密封板可配置用于計量穿過環(huán)狀區(qū)域的燃料流，從而根據(jù)需要使得燃料流110分配在分配孔142與環(huán)狀區(qū)域146之間。參照圖12至16，示出根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實例的計量板900。計量板包括如對應(yīng)于分配板140的分配孔142的多個通孔902的特征。與上述密封板400相反,計量板900包括多個計量元件910,所述計量元件是由通過空間914分開的指狀物912組成。指狀物912和空間914的相應(yīng)大小可以調(diào)整以便實現(xiàn)所需水平上的計量、硬度和/或與混合管道130的接觸面積。
[0058]指狀物912有效減小環(huán)狀區(qū)域大小，以使空間914形成多個通道916，燃料流110被允許穿過所述通道916以便通過環(huán)狀區(qū)域146，如圖13所示。隨著指狀物912的寬度增力口，通道916變得更小，這導致了將燃料流110的較大部分分配到分配孔142。燃料流110在分配孔142與環(huán)狀區(qū)域146之間的分配可以精調(diào)，以便實現(xiàn)燃料均勻流過分配板140。指狀物912還是柔性的，這就能對振動進行阻尼并適應(yīng)混合管道130的移動和失準。指狀物912和空間914的相應(yīng)大小也可以進行調(diào)整，以便影響指狀物912的硬度，從而實現(xiàn)所需水平上的阻尼和/或支撐。
[0059]轉(zhuǎn)至圖17至21，示出根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實例的雙層計量板1400。雙層計量板1400包括對應(yīng)于分配板140的分配孔142的多個通孔1402。與上述計量板900相反，雙層計量板1400包括頂部計量板1420和附接到頂部計量板上的底部計量板1430。頂部計量板1420具有由第一空間1424分開的多個第一指狀物1422，而底部計量板1430具有由第二空間1434分開的多個第二指狀物1432第一指狀物1422、第一空間1424、第二指狀物1432有效形成一系列的計量元件1410。
[0060]第一空間1424和第二空間1434 —起形成多個通道1440，燃料流110允許穿過所述多個通道1440以便通過環(huán)狀區(qū)域146?？梢愿鶕?jù)需要對或偏移所述第一和第二空間1424、1434以影響燃料流110在分配孔142與環(huán)狀區(qū)域146之間的分配。
[0061]所述第一指狀物和第二指狀物1422、1432可以組合以便提供剛性較大的部件(第一指狀物和第二指狀物一起)，這可幫助實現(xiàn)所需水平上的阻尼和/或支撐。另外，可以根據(jù)需要對準或偏移第一指狀物和第二指狀物1422、1432以影響剛度。
[0062]在圖22至26中，示出根據(jù)所公開的技術(shù)的另一實例的多個套環(huán)1910。套環(huán)可以單獨附連到混合管道130上并從混合管道130移除。因此，可以單獨移除并且替換損壞套環(huán)，這可降低維修成本。
[0063]套環(huán)包括由間隙1924分開的多個指狀物1925?？臻g1924形成圖23所示多個通道1916，所述多個通道1916允許燃料流110通過環(huán)狀區(qū)域146。指狀物1925和1924以及空間的大小可以調(diào)整，以便以與上文在前述實施例中描述的指狀物和空間相同的方式影響計量和阻尼。
[0064]板配合部分1912圍繞套環(huán)1910的中間部分周向延伸，以便配合分配板140。板配合部分1912可以進行卡扣配合、干涉配合，或以其他方式附接到分配板140上。除了提供通道1916以供輸送燃料流110之外，空間1924還可允許板配合部分1912彎曲以容納分配板140?；旌瞎艿?30隨后可以插入到套環(huán)1910中。套環(huán)進一步地包括由狹縫1921分開的多個管道配合部分1911。管道配合部分1911配置用于通過干涉配合而來接納混合管道130。狹縫1921可以允許管道配合部分1911彎曲，以便適應(yīng)混合管道130失準。
[0065]作為替換地，應(yīng)當注意，套環(huán)1910可以先連接到混合管道130上，然后連接到分配板140上。
[0066]圖27示出了附接有簡單支撐混合管道280的框架構(gòu)件603。例如，框架構(gòu)件603可為微混合器60外壁。由密封元件410進行的摩擦阻尼可以減小框架構(gòu)件603處的安裝接頭疲勞。應(yīng)當注意，密封元件410僅僅作為實例示出，并且也可使用描述為提供阻尼的其他實施例中的任何實施例。
[0067]雖然已經(jīng)結(jié)合目前所認為的最具實用性和優(yōu)選的實例對本實用新型進行描述，但應(yīng)了解，本實用新型不限于已公開的實例，相反，旨在涵蓋包括在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。
【權(quán)利要求】
1.一種燃氣潤輪機，其包括: 多個混合管道，所述多個混合管道布置用以將燃料/空氣混合物輸送到反應(yīng)區(qū)中進行點火，其中每個混合管道包括供燃料從中穿過進入所述對應(yīng)混合管道的多個燃料孔； 其上形成有多個管孔的板，所述管孔配置用于容納所述多個混合管道，從而在所述板與所述多個混合管道之間形成多個環(huán)狀區(qū)域，所述多個環(huán)狀區(qū)域經(jīng)配置以使所述燃料流動穿過所述多個環(huán)狀區(qū)域，所述多個燃料孔相對所述燃料流布置在所述板的下游側(cè)上；及 流量管理裝置，所述流量管理裝置配合所述板和所述多個混合管道中的至少一者，并且包括位于所述環(huán)狀區(qū)域內(nèi)以便控制所述燃料到所述多個燃料孔的分配的部分。
2.如權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪機，其中所述流量管理裝置包括多個計量元件，所述計量元件用于控制穿過所述多個環(huán)狀區(qū)域的所述燃料流的流率。
3.如權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪機，其中所述板具有形成于其中的多個通孔，所述多個通孔布置用于使所述燃料流通過所述多個通孔，并且 其中所述流量管理裝置包括多個計量元件，所述計量元件用于控制穿過所述多個環(huán)狀區(qū)域和所述多個通孔的所述燃料流的分配。
4.如權(quán)利要求3所述的燃氣渦輪機，其中所述多個計量元件包括多個指狀物和將所述多個指狀物分開的多個空間，所述多個指狀物與所述多個空間形成用于輸送所述燃料流的多個通道。
5.如權(quán)利要求4所述的燃氣渦輪機，其中所述多個指狀物的大小和/或所述多個空間的大小經(jīng)修改以控制穿過所述板的所述多個通孔和所述多個環(huán)狀區(qū)域的所述燃料流的所述分配。
6.如權(quán)利要求4所述的燃氣渦輪機，其中所述多個指狀物包括多個重疊指狀物。
7.如權(quán)利要求4所述的燃氣渦輪機，其中所述多個計量元件包括多個離散套環(huán)。
8.如權(quán)利要求4所述的燃氣渦輪機，其中所述板是燃料分配板且所述多個通孔是分配孔。
9.一種用于將燃料與空氣在燃氣渦輪機中混合的微混合器，所述微混合器包括: 入口，燃料穿過所述入口進入所述微混合器中的區(qū)段； 板，所述板位于所述區(qū)段中，并且包括形成于其中的多個孔以使所述燃料流動穿過所述多個孔； 多個混合管道，所述混合管道延伸穿過所述多個孔的第一分組以便將燃料/空氣混合物輸送到反應(yīng)區(qū)中進行點火，所述多個孔的第一分組在所述板與所述多個混合管道之間形成多個環(huán)狀區(qū)域，每個混合管道包括供燃料從中穿過進入相應(yīng)混合管道的多個燃料孔；及 流量管理裝置，所述流量管理裝置配合所述板和所述混合管道中的至少一者，以便控制穿過所述多個孔的第一分組的所述燃料流的流率。
10.如權(quán)利要求9所述的微混合器，其中所述多個燃料孔相對于所述燃料流布置在所述板的下游側(cè)上。
11.如權(quán)利要求9所述的微混合器，其中所述流量管理裝置包括多個計量元件，所述計量元件用于控制穿過所述多個孔的所述第一分組的所述燃料流的所述流率，并且 其中所述多個孔的第一分組包括全部所述多個孔。
12.如權(quán)利要求11所述的微混合器，其中所述多個計量元件包括多個指狀物和將所述多個指狀物分開的多個空間，所述多個指狀物與所述多個空間形成用于輸送所述燃料流的多個通道。
13.如權(quán)利要求12所述的微混合器，其中所述多個指狀物的大小和/或所述多個空間的大小經(jīng)過修改可控制穿過所述多個孔的所述第一分組的所述燃料流的所述流率。
14.如權(quán)利要求12所述的微混合器，其中所述指狀物對所述混合管道的振動進行阻尼。
15.如權(quán)利要求14所述的微混合器，其中所述多個孔的第二分組包括多個分配孔，其配置用于使所述燃料流通過所述多個分配孔， 其中所述流量管理裝置包括多個計量元件，所述計量元件用于控制所述燃料流在所述多個環(huán)狀區(qū)域與所述多個分配孔之間的分配。
【文檔編號】F23R3/28GK203940468SQ201320844206
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月19日
【發(fā)明者】J.T.斯圖爾特, C.P.基納 申請人:通用電氣公司