CN100529543C - 用于气体涡轮发动机燃烧室的环型整体的波纹衬套 - Google Patents
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Abstract
一种用于气体涡轮发动机(10)的燃烧室(16)的环形整体衬套(32，34)包括相邻于燃烧室(16)的上游端的第一端(42)；相邻于燃烧室(16)的下游端的第二端(50)；和多个在第一和第二端(42，50)之间的波纹结构(54)；每个波纹(54)具有幅度(56)和位于相邻波纹(54)间的波长(58)；其中幅度和/或位于相邻波纹(54)之间的波长(58)的至少一个从第一端(42)到第二端(50)变化。
Description
技术领域
本发明总的涉及一种气体涡轮发动机燃烧室的衬套，而且更具体地涉及一种基本上正弦曲线横截面的环形整体波纹衬套，其中，在相邻波纹间的波纹幅度和/或波长从上游端到下游端变化。
背景技术
燃烧室衬套一般应用在位于气体涡轮发动机的压气机和涡轮部分之间的燃烧部段中，然而这类衬套也可应用在采用后燃烧室的航空发发机的排气部段中。燃烧室通常包括外部壳体和内部燃烧室，其中燃烧燃料以产生处于强烈高温(亦即3000°F或甚至更高)的热气体。为了防止这种强烈的高热在其排到涡轮之前损坏该燃烧室壳体和所环绕的发动机，则在燃烧室的内部设置一热屏蔽件或燃烧室衬套。
一种类型的衬套设计包括多个环形的金属板材带，它们通过铜焊连接，其中每个板带在成形之后还要经受穿孔操作以便结合最佳的冷却孔和成形的稀释孔。然后，每个板带定位焊接并铜焊到相邻的板带上，即通过公称为“腹带”的加强件定位焊接并铜焊到所述金属板带上。已经发现这种衬套的制造是劳动强度很大的和困难的，特别地因为施加到加强件和金属板带上的铜焊工序的效率低下的原故。
为了消除多个单独金属板带，已经开发出环形整体金属板衬套结构设计方案并揭示在如下文献中：授予Wakeman等人的美国专利5,181,379；Napoli的美国专利5,233,828以及美国专利5,279,127；Nicoll等人的美国专利5,465,572和Nicoll等人的美国专利5,483,794。虽然这些专利中每个主要涉及这种整体衬套的各种冷却方式，但也应能注意到所披露用于这种衬套的可选择构形是波纹状的，因此构成波纹壁结构。依此方式，改善了这种衬套的抗弯性和对衬套变形的限制。该波纹结构优选地采用低浅正弦波形，但是每个波纹(波形)的幅度和相邻波纹(波形)之间的波长表明和描述为沿衬套的轴向长度上基本上一致。
已经确定的是，因为某些地点将弱于其他部位，对于整体金属板衬套的刚性需要沿其轴向长度可能是变化的。因此希望开发一种用于气体涡轮发动机的环形整体波纹衬套，其能提供如衬套所需的沿其轴向长度变化的刚性值。而且还希望这种衬套制造和组装将更加容易，包括在其上游端和下游端处连接的方式。
发明内容
在本发明的第一示范性实施例中，揭示了用于气体涡轮发动机燃烧室的环形整体衬套，其包括相邻于燃烧室的上游端的第一端部，相邻于该燃烧室的下游端的第二端部和多个位于第一和第二端部之间的波纹结构，每个波纹具有幅度和位于相邻波纹之间的波长，其中该波纹的幅度从第一端部到第二端部变化。该在相邻波纹间的波长即可以基本相同或者也可以从该衬套的第一端到第二端变化。
具体而言，本发明提供一种用于气体涡轮发动机的燃烧室的环形整体衬套，其包括：一相邻于所述燃烧室的上游端的第一端部；一相邻于所述燃烧室的下游端的第二端部；以及多个在所述第一和第二端部之间的波纹；每个波纹具有一幅度和位于相邻波纹之间的波长；其中该幅度或位于相邻波纹之间的波长从所述第一端到所述第二端变化。
在本发明的第二实施例中，揭示了用于气体涡轮发动机燃烧室的环形整体衬套，其包括相邻于燃烧室的上游端的第一端部，相邻于燃烧室的下游端的第二端部和多个位于第一端和第二端之间的波纹结构，每个波纹具有幅度和在相邻波纹之间的波长，其中，位于相邻波纹间的波长从第一端到第二端变化。每个波纹的幅度既可以基本相同或者也可以从衬套的第一端到第二端变化。
附图说明
图1是包括本发明燃烧室衬套的气体涡轮发动机剖视图；
图2是图1所示燃烧室的放大剖视图；
图3是用于图1和图2所示燃烧室的本发明外衬套的部分透视图；
图4是图1-3所示外衬套的放大剖视图；
图5是图4所示外衬套的放大部分剖面图，其中该波纹的幅度和相邻波纹之间的波长相同；
图6是图4所示外衬套的该中间部段的放大、部分剖面图；
图7是图4所示外衬套的该上游部段的放大、部分剖面图；以及
图8是图4所示外衬套的该下游部段的放大、部分剖面图。
具体实施方式
现在参看细节附图，其中相同的编号在所有附图中表示相同的元件，图1表明示例性的气体涡轮发动机10，其在串行流通道中具有低压压气机12，高压压气机14和燃烧室16。燃烧室16以传统方式燃烧气体并从其中排出以通过高压涡轮导向装置组件18，从此处该燃烧气体导引到传统的高压涡轮20，然后，又到传统的低压涡轮22。高压涡轮20通过适当轴24驱动高压压气气压14，同时低压涡轮22通过另外适当轴26驱动低压压气机12，所有的都围绕纵向或轴向中心轴28共轴布置。
如图2所示，燃烧室16还包括燃烧室腔30，其通过外衬套32，内衬套34以及安置在其上游端的拱顶36限定成。将能看出的是，燃料/空气混合器38安置在拱项36中以便将燃料和空气的混合物导入到燃烧室腔30中，在这里，其由点火器点燃(未示出)，从而形成分别地用于驱动高压涡轮20和低压涡轮22的燃烧气体。
按照本发明，还从图3和4中得知，外衬套32是环形的并由金属板材类制为整体结构。更具体地，外衬套32包括安置在相邻于燃烧室16的上游端的第一端部42，其中第一端部42通过铆钉带40连接到整流罩44和拱顶36上(该铆钉带40本身经过如螺栓46和螺母48的机械连接或焊接连接或其他类似形式的连接连接到整流罩44和拱顶36上)。因此，将能理解的是，外衬套32最好借助铆钉41连接到铆接带40上并因此不需要外衬套32具有在上游端部42处形成其上的法兰。起动槽55和57最好分别设置在铆接带40和上游的外衬套端部42中以有助于沿外衬套32的该热侧部形成冷却膜。外衬套32还包括安置在相邻于燃烧室16的下游端的第二端部50。在此处，第二端部50最好通过铆钉53连接到密封组件52上。按此方式，外衬套32能够按照所经受的任何热增长或压力波动沿轴向移动。
外衬套32还包括多上波纹结构，其通常用参考编号54(见图3)标明并形成在其第一端42和第二端50之间。将能理解的是，在剖面图中观看时波纹54具有基本正弦的形状(图4)，如(在图5中示)按照通过其中延伸的中间轴线59看出的那样。从图5还应理解的是每个波纹54具有给定的幅度以及位于相邻波纹54之间的给定波长58。不同于现有技术中所揭示的衬套所含波纹具有基本上相同的幅度相同的波长，外衬套32的波纹54构造成具有可变化的幅度和/或在相邻波纹之间可变化的波长。依此方式，外衬套32就能够沿其不同的轴向位置提供任何所需的刚度值，同时不用对外衬套32为其最弱点作多余设计。
例如已经发现，外衬套32的中间部段60一般是最弱的并最易于变曲。因此，在中间部段60中安置的波纹64的幅度62(图6所示)最好大于安置在外衬套32相邻于第一外衬套端部42的上游部段70(图7所示)中的波纹68的幅度66。类似地，安置在中间部段60中的波纹64的幅度62最好大于安置在外衬套32相邻于第二外衬套端部50的下游部段76中(图8)的波纹74的幅度72。由于外衬套32在第一外衬套端部42处固定连接产生比在第二外衬套端部50处稍微大的弯曲危险，并且在第一外衬套端部42处的温度通常高于在第二外衬套端部50处的温度，因此，波纹68的幅度66最好等于或大于波纹74的幅度72的。
已经发现，要么分别地与位于中间部段60，上游部段70和下游部段76中波纹64，68和74的变化的幅度62，66和72相结合，或者不考虑它们，都能够使所述位于相邻波纹间的波长的改变用来适应外衬套32在不同轴向位置上的刚度。因此，在其中外衬套32中间部段60认为是最易于弯曲的情况下，位于相邻波纹64之间的波长78最好小于位于上游部段70的相邻波纹68之间的波长80并小于位于下游部段76相邻波纹74之间的波长82。类似地，出于以上关于它们各自幅度的原因，位于上游部段70的相邻波纹68之间的波长80最好等于或小于位于下游部段76的相邻波纹74之间的波长82。
为了在当前外衬套中提供至少相同的刚度，已经确定外衬套32的整体弯曲限界优选在近似35-250Psi(磅/平方英寸)的范围内。更加优选的外衬套32的整体变曲限界范围应是近似为85-200Psi，同时，这种整体弯曲限界的最佳范围应是约120-180Psi。
已经试验和分析了用于外衬套32的各种不同的构形，包括：其中形成的波纹54的数目，其厚度84(见图5)以及用来构成这种外衬套32的材料。应该理解，上面讨论的整体弯曲限界是至关重要的，但是涉及的其它参数的最优化也是重要的，因为包括重量、成本，形成该材料的能力的因素以及类似因素必须考虑到。为此，已经发现，在外衬套32中形成的波纹54的总数(其由波形的总数目限定)优选在约6-12。在图1-4中描述的波纹54的总数目是6 1/2，其仅为示范性目的而表明的。外衬套32的优选厚度84当应用金属极材(如为Hastelloy X，HS 188，HA 230等)时，最好是约0.030-0.080英寸。依此方式，该材料就可容易地形成波纹54，同时提供所需的刚度并比先前的衬套减少了成本。
关于沿着外衬套32的热(径向上内侧)侧形成冷却流，作为优选方式是，其上形成多孔的冷却模式，这如同在美国专利5,181,379；5,233,828及5,465,572中描述的那样(即关于尺寸、造型等)。应当明白，冷却孔的模式可以依据它们相对波纹54的位置，沿外衬套32的轴向位置，沿外衬套32的径向位置，这种波纹的幅度56以及这种波纹的波长58而变化的。更具体地，更密集的多孔冷却模式(位于具有直径约20密耳的冷却孔之间的间距大约是其直径的5倍)最好是采用在如下轴向位置中，其中波纹54的幅度增大和/或相邻波纹间的波长减小。这是源于需要在凹槽88中提供更多的冷却空气，因其更陡峭和因此不易受到来自上游外衬套端部42的冷却流的影响。作为优选，可将更密集的多孔冷却模式设置在波纹54的上游侧92上并邻近于燃料/空气混合器38的径向位置。相反地，较小密度的多孔冷却模式(位于具有直径约20密耳的冷却孔之间的间距约为其直径的倍)最好设置在外衬套32之如下轴向位置上，其中波纹54的幅度减小和/或相邻波纹间的波长增加。这种较小密度的多孔冷却模式还可优选地设置在波纹54的下游侧94上以及位于相邻的燃料/空气混合器38之间的径向位置上。
虽然已经表示和描述了本发明的优选实施例，但是通过本领域普通技术人员的适当修改就可做出另外的燃烧室16的外衬套的适当变型，而没有脱离本发明的范围。特别应当理解，本文和权利要求书中的概念可应用在内衬套34中并仍然符合本发明。虽然内衬套34一般不需要其上制有波纹以满足刚度要求，但对于内衬套34应为特别有利的是无法兰结构，其可在其上游及下游端由铆钉连接，如同关于外衬套32描述的那样，从而简化了制造并降低了成本。
Claims (16)
1.一种用于气体涡轮发动机(10)的燃烧室(16)的环形整体衬套(32，34)，其包括：
(a)一相邻于所述燃烧室(16)的上游端的第一端部(42)；
(b)一相邻于所述燃烧室(16)的下游端的第二端部(50)；以及
(c)多个在所述第一和第二端部(42，50)之间的波纹(54)；每个波纹(54)具有一幅度(56)和位于相邻波纹(54)之间的波长(58)；
其中该幅度(56)或位于相邻波纹(54)之间的波长(58)从所述第一端(42)到所述第二端(50)变化。
2.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，每个波纹(54)的幅度(56)按照所述衬套(32，34)在其轴向位置上所需刚度要求来设置。
3.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，位于所述衬套(32，34)的中间部段(60)内的波纹(64)的幅度(62)大于位于所述衬套(32，34)的邻近所述第一端(42)的部段(70)中的波纹(68)的幅度(66)。
4.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，位于所述衬套(32，34)的中间部段(60)内的波纹(64)的幅度(62)大于位于所述衬套(32，34)的邻近所述第二端部(50)的部段(76)中的波纹(74)的幅度(72)。
5.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，位于所述衬套(32，34)的邻近所述第一端(42)的部段(70)中的波纹(68)的幅度(66)不小于位于所述衬套(32，34)的邻近所述第二端(50)的部段(76)中的波纹(74)的幅度(72)。
6.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，位于每个相邻波纹(54)之间的波长(58)按照所述衬套(32，34)在其轴向位置上所需刚度来设置。
7.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，位于所述衬套(32，34)的中间部段(60)内的波纹(64)之间的波长(76)小于位于所述衬套(32，34)的邻近所述第一端(42)的部段(70)中的波纹(68)之间的波长(80)。
8.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，位于所述衬套(32，34)的中间部段(60)内的波纹(64)之间的波长(78)小于位于所述衬套(32，34)的邻近所述第二端(50)的部段(76)中的波纹(74)之间的波长(82)。
9.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，位于所述衬套(32，34)的邻近所述第一端(42)的部段(70)中的波纹(68)之间的波长(80)不大于位于所述衬套(32，34)的邻近所述第二端(50)的部段(76)中的波纹(74)之间的波长(82)。
10.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，在所述衬套(32，34)波纹(54)的总数在6-12的范围内。
11.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，还包括在所述衬套(32，34)中形成的多孔冷却模式，使得每个波纹(54)的密度与其幅度(56)相对应。
12.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，还包括在所述衬套(32，34)上形成的多孔冷却模式，使得每个波纹(54)的密度与相邻波纹(54)间的波长(58)相对应。
13.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，每个波纹(54)的幅度(56)相同。
14.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，相邻波纹(54)之间的波长(58)相同。
15.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，衬套(32，34)是用于所述燃烧室(16)的外衬套(32)。
16.如权利要求1所述的衬套(32，34)，其特征在于，衬套(32，34)是用于所述燃烧室(16)的内衬套(34)。
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