專利名稱：用于改進的燃燒器溫度均勻性的系統和方法
技術領域：
本發明總體涉及燃燒器，并且更具體地涉及燃燒器溫度均勻性。
背景技術：
燃氣渦輪機(也稱作燃氣輪機)用于為飛機、火車、船舶、坦克和發電機提供動力。這種渦輪機具有自渦輪的上游聯接的旋轉壓縮機。燃燒室或燃燒器定位在壓縮機與渦輪之間。向通過燃燒器的氣流增加能量，在燃燒器中，燃料與空氣混合并且被點燃。燃料的燃燒使燃燒器內的溫度上升。通常，燃燒器設計者將燃燒器(其中包括用于形成燃燒器的各部分的材料)設計成能夠承受溫度特定地上升至最高溫度。此外，燃燒器設計者通常在考慮到的特定最大溫度下對燃燒器進行設計，該特定最大溫度典型地受到材料能力的限制。在傳統燃燒器中發現的一個問題是僅僅燃燒器的操作造成部件的熱降級(thermal degradation)。此外,對于最高溫度的任何向上偏差都可能造成燃燒器部件的熱降級加速。此外，熱點能夠發生在燃燒器內。熱點或熱梯度能夠造成燃燒襯套中顯著的熱應力，原因是普通材料在受熱時膨脹。考慮到這么一些顧慮，具有改進的熱阻并且具有降低的溫度梯度的燃燒器將是本領域內受歡迎的。
發明內容
在一些實施例中，提供一種燃燒器，該燃燒器具有涂布(applied)于該燃燒器的至少一部分的涂層。該涂層用于改變被涂布該涂層的部分的輻射率(emissivity)。在一些實施例中，提供一種用于降低將由冷卻劑空氣路徑冷卻的部件的溫度梯度的方法。該方法包括提供燃燒器，該燃燒器具有殼體、燃燒器襯套、和流動套筒，該流動套筒具有空氣進口和出口。該方法還包括將涂層涂布于燃燒器襯套和流動套筒中的至少一個上，其中該涂層改變涂布該涂層處所展現出的輻射率。在一些實施例中，提供一種燃氣渦輪機。該燃氣渦輪機包括旋轉壓縮機、渦輪、和位于旋轉壓縮機與渦輪之間的冷卻劑空氣路徑。冷卻劑空氣路徑包括涂覆有材料的流動套筒，該材料用于改變流動套筒的輻射率。上文已經概述了本發明的實施例的相當廣泛的特征，使得可以更好地理解以下對本發明的詳細描述。下文中將對本發明的其它的特征和優點進行描述，所述本發明的其它的特征和優點形成本發明的權利要求的主題。為了更完整地理解本發明及其優點，現在結合附圖參照下文的描述。
圖1是根據本發明的一個實施例的燃燒器的橫截面圖。圖2是當不存在熱點時，沿流過冷卻劑空氣路徑的方向的冷卻空氣溫度的期望變化的示例的圖。圖3示出了根據本發明的一個實施例的分級輻射率涂層。圖4是當存在熱點時，部件溫度的期望變化的示例的圖。圖5示出了根據本發明的一個實施例的分段形成圖案的輻射率涂層，并且該輻射率涂層考慮到燃燒器流動路徑中的熱點。圖6示出了根據本發明的另一個實施例的考慮到燃燒器流動路徑中的熱點的并通過圖案而形成的分級輻射率涂層。圖7示出了根據本發明的一個實施例的用于改進沿燃燒器流動路徑的溫度均勻性的步驟。
具體實施例方式在下文的描述中，闡述了具體細節(例如，具體的量和尺寸)，以便提供對本發明的實施例的透徹理解。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以不通過這種具體細節實施。在許多情況下，已經省略了涉及這種考慮因素等的細節，原因是這種細節并不是獲得對本發明的完整理解所必需的，并且這種細節屬于相關領域內的普通技術人員的技術范圍內。總體參照附圖，應當理解，附圖用于描述本發明的特定實施例的目的，并且不旨在將本發明限制于附圖。當沒有明確限定時，應當將術語理解為采用本領域技術人員目前所接受的意義。參照圖1，其中示出了燃燒器100。燃燒器可以包括:一個或多個冷卻劑進口導管102、104 ;安全殼(containment vessel) 106 ;和空氣路徑進口 108。燃燒器進一步包括殼體120，燃燒器襯套112和流動套筒114位于殼體120內。特別參照圖1中所示的插圖，冷卻劑空氣路徑110位于燃燒器襯套112與流動套筒114之間。冷卻空氣116在空氣進口 108處被接收并且沿冷卻劑空氣路徑110被輸送。冷卻空氣116旨在對流動套筒114和燃燒器襯套112進行冷卻。然而，在從燃燒器襯套112朝向流動套筒114和冷卻空氣116的方向118上能夠發生輻射和/或對流。輻射/對流118造成冷卻空氣116的溫度上升，并且沿從空氣進口至出口的方向溫度繼續上升。冷卻空氣能夠沿任一方向流動，并且冷卻空氣的溫度沿流動方向上升。燃燒器100內達到的溫度取決于空氣行進通過冷卻劑空氣路徑110的速度、通過冷卻劑空氣路徑的空氣的質量流量、燃燒器襯套112和流動套筒114的表面的輻射率、以及其它因素，例如熱氣溫度、熱氣流速、熱氣流通面積、以及燃燒器襯套和流動套筒的表面特性。本發明的一個實施例包括在冷卻劑空氣路徑110的部件的一個或多個表面上(例如在燃燒器襯套112和流動套筒114中的至少一個上)提供材料涂層。在一個實施例中，涂覆表面面向冷卻空氣路徑。在另一個實施例中，涂覆表面可以背離流動路徑。涂層用于改變冷卻劑空氣路徑110的一個部件或多個部件的涂覆部分的輻射率ε。材料的輻射率ε是材料的表面通過輻射發射能量的相對能力。輻射率ε是特定材料所輻射的能量與處于相同溫度下的黑體所輻射的能量的比。例如，真正的黑體將具有1.0的輻射率ε，而其它材料將具有處于0.0到1.0之間的輻射率ε。
圖2示意性地示出了隨著冷卻空氣116沿燃燒器的冷卻劑空氣路徑流動而期望冷卻空氣116展現出的溫度130。像能夠看到的那樣，隨著冷卻空氣沿該路徑移動，對冷卻空氣進行加熱。冷卻空氣的受熱本身并不造成燃燒襯套或流動套筒的降級(degradation)。這種部件的降級典型地發生在盡管存在冷卻空氣但是部件的金屬仍然變得過熱時，或者由于部件中的熱梯度而發生。本發明的實施例可以用于控制輻射率圖案并且/或者畫出輻射率圖案的輪廓線，以同時優化部件的溫度和溫度梯度。當同時考慮溫度和溫度梯度所允許的最大值時，冷卻空氣的溫度(和吸熱)是有用的。本發明的一個實施例是向燃燒器襯套112和流動套筒114中的至少一個上(意味著位于燃燒器襯套和流動套筒中的任一個上或者同時位于燃燒器襯套和流動套筒上)的冷卻劑空氣路徑110提供變化的涂層。圖3示意性地示出了分級涂層140，分級涂層140能夠涂布于空氣進口與出口之間，以便降低空氣進口與出口之間的涂覆部件的熱梯度。如圖所示，更靠近空氣進口的涂層的輻射性較小(更接近于O)，而更靠近出口的涂層的輻射性較大(更接近于I)。備選地，涂層140可以不分級，相反可以將涂層140選擇成能夠沿整個冷卻劑空氣路徑110提供均值輻射率ε。涂層材料的非限制性示例包括輻射率涂層，其中包括陽極氧化的鈦、鋯、鉻、鈰、其它類似材料、及其組合。具有各種溫度功能性的輻射率涂層能夠從例如Tiodize Company和Emisshield, Inc.的來源買到。如果需要的話，可以在表面上使用單一涂層。在一些實施例中，不同的涂層可以用于向位置不同的表面提供不同的輻射率特性。在圖2和圖3的示例中，不存在熱點。如下文所討論的，選擇輻射率輪廓線可以用于選擇性的熱點減少。圖4是當將由沿冷卻劑空氣路徑110的冷卻空氣進行冷卻的部件上存在熱點232時，期望的部件溫度變化的示例的圖。盡管為了示例目的，圖230示為沿冷卻空氣流方向向上傾斜，但是圖230的形狀將取決于各種部件溫度因素，其中包括例如上文參照圖1所討論的那些部件溫度因素。熱點造成溫度梯度230中的波動或尖峰。在這種情況下，盡管例如涂層140(圖3)的分級涂層將能夠處理曲線230的大致線性溫度梯度部分，但是在處理熱點232方面的有效性較低。因此，將在一個實施例中應用線性梯度，而在另一個實施例中可以應用不同的梯度輻射率輪廓線。在一個實施例中，如圖5中所示，涂層能夠涂布于部段140a_140n。所述部段可以沿從空氣進口至出口的方向分級，或者可以經過特定修改以適應冷卻劑空氣路徑110的特定部分。例如，涂層142能夠用于處理熱點232。備選地，如圖6中所示，能夠沿冷卻劑空氣通道110內的一個或多個部件涂布分級涂層140，并且能夠在已經檢測到熱點232的任何位置處涂布熱點涂層142。對于新設計的燃燒器而言，可以通過設計模型、經驗或詳細分析來獲得期望的溫度梯度。基于有可能出現溫度梯度的位置的信息，設計者將能夠構造出輻射率輪廓線涂層，以降低溫度梯度，從而減小應力并且延長部件的壽命，如圖7所示。對于已經安裝在較大型系統(例如，燃氣渦輪機)內的燃燒器而言，確定輻射率改變涂層所需的圖案類型可能是挑戰性的。在一個實施例中，燃燒器部件能夠涂有熱敏涂料。已知的熱敏涂料基于所達到的最高溫度改變顏色。在使用幾次之后，熱敏涂料將改變顏色，并且涂層圖案能夠與熱敏涂料圖案一致地分布。計算機數控(CNC)機器人能夠編程以涂布涂層。
備選地，能夠通過檢查已經由于熱降級而失效的部件來形成涂層圖案。失效點的熱降級表示位于失效部件處或者靠近失效部件的持續高溫或熱點。替換部件能夠涂覆有福射率改變材料，以處理熱點。特別參照圖7，本發明的一個實施例涉及用于降低將由沿冷卻劑空氣路徑的冷卻空氣進行冷卻的部件的溫度梯度的方法。在步驟200中，確定用于燃燒器(例如燃燒器100)的溫度梯度和最大溫度分布。用于確定溫度梯度和最大溫度分布的一個方法是通過將熱敏涂料涂布于燃燒器、操作燃燒器、以及確定熱敏涂料的熱圖案。用于確定燃燒器內的熱挑戰(thermally challenged)區域的另一個方法是對由于熱降級而失效的燃燒器內的部件保持追蹤O在步驟205中，確定圖案，以用于涂布設計成能夠改變部件的輻射率的涂層，將涂層涂布于該部件。接下來，在步驟210中，與圖案一致地涂布該輻射率改變涂層。用于涂布該涂層的一個方法是通過使用由該圖案編程的計算機數控(CNC)機器人。盡管已經僅結合數量有限的實施例對本發明進行了詳細描述，但是應當易于理解，本發明并不限于這種所公開的實施例。相反，能夠將本發明修改成結合到目前為止并未進行描述但是與本發明的精神和范圍相符合的任何數量的改型、變型、替代或等同布置。例如，盡管已經通過可能最初表示單數的術語對實施例進行了描述，但是應當理解，可以利用多個部件。此外，盡管已經對本發明的各實施例進行了描述，但是應當理解，本發明的各個方面可以僅包括所述實施例中的一些。因此，不應當將本發明視為受到上文的描述的限制，而是僅僅通過所附權利要求的范圍進行限定。
權利要求
1.一種燃燒器，所述燃燒器包括涂布于所述燃燒器的至少一部分的涂層，所述涂層用于改變涂布該涂層的所述至少一部分的輻射率。
2.根據權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器包括流動套筒、燃燒器襯套、以及位于所述流動套筒與所述燃燒器襯套之間的冷卻劑空氣路徑，其中所述涂層涂布于所述流動套筒和所述燃燒器襯套中的至少一個。
3.根據權利要求2所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器包括用于將空氣接收到所述冷卻劑空氣路徑中的空氣進口和用于從所述冷卻劑空氣路徑釋放空氣的出口，其中在使用所述燃燒器期間，所述涂層用于提高最大材料溫度能力。
4.根據權利要求2所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器包括用于將空氣接收到所述冷卻劑空氣路徑中的空氣進口和用于從所述冷卻劑空氣路徑釋放空氣的出口，其中所述涂層在所述空氣進口與所述出口之間變化，以便改變所述空氣進口與空氣出口之間的輻射率。
5.根據權利要求2所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器包括用于將空氣接收到所述冷卻劑空氣路徑中的空氣進口和用于從所述冷卻劑空氣路徑釋放空氣的出口，其中所述涂層分級，使得所述流動套筒和所述燃燒器襯套中的至少一個在所述空氣進口處所展現出的輻射率比在所述出口處所展現出的輻射率小。
6.根據權利要求5所述的燃燒器，其特征在于，所述涂層提供從所述空氣進口至所述出口的福射率的線性分級。
7.根據權利要求5所述的燃燒器，其特征在于，所述涂層提供從所述空氣進口至所述出口的輻射率的非線性分級。
8.根據權利要求5所述的燃燒器，其特征在于，所述涂層以圖案形式涂布。`
9.根據權利要求8所述的燃燒器，其特征在于，所述圖案對熱點進行處理。
10.根據權利要求8所述的燃燒器，其特征在于，所述圖案包括分級部段。
11.根據權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器進一步包括燃燒器襯套，其中所述涂層在面向所述冷卻劑空氣路徑的表面上涂布于所述燃燒器襯套。
12.根據權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器進一步包括流動套筒，其中所述涂層涂布于所述流動套筒的一個或多個表面。
13.根據權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述涂層包括陽極氧化的鈦、鋯、鉻、鋪、或其組合。
14.一種用于降低燃燒器的部件的溫度梯度的方法，所述燃燒器包括殼體、燃燒器襯套、和流動套筒，所述方法包括以下步驟: 將涂層涂布于所述燃燒器襯套和所述流動套筒中的至少一個上，其中所述涂層改變涂布所述涂層處所展現出的輻射率。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，涂布涂層包括將所述涂層涂布于所述流動套筒上，其中所述涂層改變所述流動套筒所展現出的輻射率，以便降低所述流動套筒的溫度梯度。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述將所述涂層涂布于所述流動套筒上包括以圖案形式涂布所述涂層。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述圖案使所述流動套筒在空氣進口處展現出較低的輻射率，以及展現出沿從所述空氣進口至空氣出口的方向移動的逐漸升高的輻射率。
18.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述圖案包括分段提供的涂層，其中所述流動套筒內沿從空氣進口至空氣出口的方向移動的各單獨部段中展現出逐漸升高的輻射率。
19.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述圖案對所述流動套筒中出現的熱點進行處理。
20.一種燃氣渦輪機，所述燃氣渦輪機包括: 旋轉壓縮機； 渦輪；以及 冷卻劑空氣路徑，所述冷卻劑空氣路徑位于所述旋轉壓縮機與所述渦輪之間，所述冷卻劑空氣路徑包括涂覆有材料的流動套筒和燃燒器襯套中的至少一個，所述材料用于改變所述流動套筒或所述燃燒器襯套中的至少一個的輻射率。
全文摘要
本發明提供一種用于降低燃燒器部件的溫度梯度的燃燒器及方法。該燃燒器包括涂布于該燃燒器的至少一部分的涂層，其中該涂層用于改變涂布該涂層的所述至少一部分的輻射率。所述方法包括將涂層涂布于燃燒器襯套和流動套筒中的至少一個上，其中該涂層改變涂布涂層處所展現出的輻射率。
文檔編號F02C7/18GK103175218SQ20121056247
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月21日 優先權日2011年12月22日
發明者H.P.J.德博克, M.A.哈德利, J.M.海恩斯, B.G.布熱克 申請人:通用電氣公司