CN101173767A - 用于减少引起到燃烧器组件的应力的方法和设备 - Google Patents

用于减少引起到燃烧器组件的应力的方法和设备 Download PDF

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Abstract

用于减少引起到燃烧器组件的应力的方法和设备，其提供用于与涡轮发动机燃烧器(16)使用的支撑腿(76)，支撑腿包括具有至少一个包括仅由多个非线性段(92、94、96、98、100、102)限定的周边的窗口(86)的第一部分和构造为联接到燃烧器的后端(72)的联接部分，使得支撑腿在涡轮发动机(12)内支撑燃烧器。

Description

用于减少引起到燃烧器组件的应力的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及涡轮发动机，且更特定地涉及利于减少在涡轮发动机中使用的燃烧器支撑腿中的应力的方法和设备。
背景技术
至少一些已知的燃烧器在燃烧器的后端由支撑腿支撑。已知的支撑腿控制在核心燃气涡轮发动机中的燃烧器的轴向、径向和周向位置，且一般地包括多个开口，称作窗口。冷却流体通过这样的窗口被引通向下游部件，例如涡轮机部件。一般地，已知的窗口为长方形、正方形或者椭圆形。
已知的长方形和正方形窗口包括倒圆角，其每个形成为有相同的半径。倒圆角用在邻近角之间延伸的直线段连接在一起。已知的椭圆形窗口包括两个彼此大致平行的直线段，且其也在各自的端处由具有相同半径的弧形段连接。此外，已知的支撑腿也包括螺栓孔，其用于在交替窗口位置处联接支撑腿到燃烧器壳体。
已知窗口构造的倒圆角和/或者侧在涡轮机操作期间可以产生高应力集中。随着时间的进行，引起到窗口的应力可以在邻近角处导致裂缝且可以引起支撑腿的失效和/或者减少支撑腿的使用时间。结果且基于高失效频率和可能性，已知的支撑腿一般地更频繁地更换，从而增加发动机停工时间且增加维护成本。
发明内容
一方面，提供用于组装在涡轮发动机中使用的燃烧器的方法。该方法包括提供至少一个支撑腿，在支撑腿中形成至少一个开口，其中该至少一个开口具有仅由多个非线性段限定的周边，且联接支撑腿到燃烧器。
另一方面，提供与涡轮发动机燃烧器使用的支撑腿。该支撑腿包括具有至少一个包括仅由多个非线性段限定的周边的窗口的第一部分和构造为联接到燃烧器的后端的联接部分，使得支撑腿在涡轮发动机内支撑燃烧器。
又一方面，提供用于在涡轮发动机中定位燃烧器的支撑系统。该支撑系统包括支撑腿，支撑腿包括衬垫联接部分和包括至少一个窗口的窗口部分。该至少一个窗口包括仅由多个非线性段限定的周边。支撑系统也包括构造为联接到燃烧器的后端的联接部分，使得支撑腿在涡轮发动机内支撑燃烧器。
附图说明
图1为示范性的涡扇燃气涡轮机组件的示意性图示；
图2为可以与图1中显示的涡扇燃气涡轮机组件使用的示范性的燃烧器的示意性截面图；
图3为示范性的支撑腿的放大的截面图；
图4为图3中显示的支撑腿的一段的透视图；
图5为图4中显示的支撑腿的部分的放大图；和
图6为图3中显示的支撑腿的放大的截面图且包括用于定位图4和5中显示的窗口的示范性示图。
具体实施方式
图1为具有纵向轴线11的示范性涡扇发动机组件10的部分的截面图。在示范性的实施例中，涡扇发动机组件10包括核心燃气涡轮发动机12，其包括高压压缩机14、燃烧器16、和高压涡轮机18。涡扇发动机组件10也包括从核心燃气涡轮发动机12向下游轴向布置的低压涡轮机20，和从核心燃气涡轮发动机12向上游轴向布置的风扇组件22。
图2为可以与核心燃气涡轮发动机12(图1中显示)使用的示范性燃烧器16的示意性截面图。燃烧器16包括布置在外部燃烧器壳体56和内部燃烧器壳体58之间的外部衬垫52和内部衬垫54。外部和内部衬垫52和54彼此径向地间隔，使得燃烧腔60限定在其之间。外部衬垫52和外部壳体56在其之间形成外部通道62，且内部衬垫54和内部壳体58在其之间形成内部通道64。罩组件66分别联接到外部和内部衬垫52和54的上游端。通到在罩组件66中形成的开口的环形开口68使压缩流体能够以一般地由箭头A指示的方向进入燃烧器16。需要理解的是，在此使用的术语“流体”包括流动的任何材料或者介质，包括但不限于，气体和空气。压缩流体流动通过环形开口68以支持燃烧且利于冷却衬垫52和54。
燃烧器16包括从燃烧器16的前端70延伸到后端72的纵向轴线74。在示范性的实施例中，燃烧器16为单一的环形燃烧器。可替换地，燃烧器16可以为任何其他燃烧器，包括但不限于双环形燃烧器。内部衬垫54的后端53由示范性的支撑腿76联接且保持到位。支撑腿76也联接到内部燃烧器壳体58。
图3为支撑腿76的放大的截面图。在示范性的实施例中，支撑腿76包括衬垫联接部分78、窗口部分80、肘节部分82和壳体联接部分84。衬垫联接部分78构造为联接到内部衬垫后端53(图2中显示)。窗口部分80形成为带有开口或者窗口86，其定尺寸且定形为利于从内部通道64(图2中显示)向下游向涡轮机部件18和20(图2中显示)引通冷却流体。在示范性的实施例中，肘节部分82为S形且包括限定最前点91的弯曲部90。壳体联接部分84包括至少一个开口88，其定尺寸且定形为接收通过其的紧固件以联接腿76到内部燃烧器壳体58。具体地，螺栓(未显示)被插入通过开口88以固定支撑腿76到内部燃烧器壳体58。在示范性的实施例中，支撑腿76从材料制作，例如使腿76能够忍受操作应力且利于增加支撑腿76的使用时间的HS188。然而，需要理解的是，其他实施例可以使用使支撑腿76能够起在此描述的作用的任何材料。
修改已知窗口的外部周边和/或者几何形状利于改变窗口边缘和可以围绕窗口产生的应力场87之间的相互作用。从而，在此描述的示范性的实施例修改已知窗口构造以利于减少围绕窗口周边的应力场中断。
图4为支撑腿76的一段的透视图。在示范性的实施例中，窗口86每个由第一弧形段92、第二弧形段94、第三弧形段96、第四弧形段98、第五弧形段100和第六弧形102限定。每个弧形段92、94、96、98、100和102由半径限定。因此，窗口86仅由弯曲段限定。更具体地，在示范性的实施例中，窗口86仅由非线性段限定。由于窗口86仅用弧形段限定，窗口86定形为利于最小化中断可以引起到腿76的应力场87的构造。弯曲窗口构造也利于减少沿由弧92、94、96、98、100和102限定的窗口86的周边和沿环绕每个窗口86的区域的应力产生。
支撑腿76在径向内部缘97和径向外部缘99之间延伸。在示范性的实施例中，支撑腿76具有环形构造且限制燃烧器16的后端72。更具体地，支撑腿76联接到内部衬垫后端53，使得后端53限制支撑腿76。需要理解的是，支撑腿76包括二十个围绕支撑腿76的周边周向和均匀间隔的窗口86。然而，需要理解的是，尽管示范性的实施例描述为包括二十个围绕支撑腿76均匀间隔的窗口86，其他实施例可以包括任何数量的以任何方式间隔的窗口86，其使支撑腿76能够起在此描述的作用。此外，需要理解的是，窗口86的大小、尺寸和形状是可变地选择的，取决于为提供足够的通过其到下游部件的冷却流要求的面积。
图5为示范性的窗口86的放大图。在示范性的实施例中，弧形段92和98每个分别具有半径R1和R2。需要理解的是，半径R1和R2是从相同的中心点200测量的，且半径R2的值大于半径R1的值。在示范性的实施例中，半径R1和R2之间的差限定每个窗口86的宽120。弧形段94和102每个由半径R3限定，且弧形段96和100每个由半径R4限定。弧形段94和102每个分别相对于中心点122和124限定。弧形段96和100每个分别相对于中心点126和128限定。也需要理解的是，在示范性的实施例中，半径R3和R4不同且被选择以利于减少沿窗口86的周边的应力。
在示范性的实施例中，弧形段92从弧形段102延伸到弧形段94。更具体地，弧92和94具有共同的切线，在弧92和94之间形成光滑过渡的复合曲率点104。弧94从弧形段92延伸到弧96。具体地，弧形段94和96在弧94和96之间限定光滑过渡点的复合曲率点106处具有共同的切线。弧形段96从弧形段94延伸到弧98。弧形段96和98在弧96和98之间限定光滑过渡点的复合曲率点108处具有共同的切线。弧98从弧形段96延伸到弧形段100。弧形段98和100在弧形段98和100之间限定光滑过渡点的复合曲率点110处具有共同的切线。弧形段100从弧形段98延伸到弧形段102。弧形段100和102在弧100和102之间限定光滑过渡点的复合曲率点112处具有共同的切线。弧102从弧形段100延伸到弧92。弧102和92在弧102和92之间限定光滑过渡点的复合曲率点114处具有共同的切线。在此描述的窗口构造限定窗口86，其定形为利于减少引起到支撑腿76的应力，因为由弧形段92、94、96、98、100和102限定的形状最小化中断可以围绕窗口86产生的应力场87。每个窗口86具有从点106延伸到点112的弧形中心线132。
在示范性的实施例中，紧固件开口88沿中心线134限定，使得每个开口88与每个窗口中心线132的中点116大致同心地对准。更具体地，每个开口88距每个窗口中心线132距离D2，使得开口88彼此周向地对准。开口88利于减少围绕窗口86的周边的应力。需要理解的是，尽管示范性的实施例描述为使用大致圆形的开口88，在其他实施例中，开口88可以具有使支撑腿76能够起在此描述的作用的任何大小和/或者形状。
图6为支撑腿76的放大的截面图且图示用于定位每个窗口86的示范性示图。在示范性的实施例中，每个窗口86最初通过使用每个支撑腿窗口部分80的斜线以生成圆锥形状136来限定。更具体地，最初窗口部分80的斜线被延伸以限定线138。然后生成水平线146以延伸通过生成的圆锥形状136的中心。线146在点144处与线138相交，使得在线138和146之间限定角度θ。在弯曲部90的最前点91处，大致垂直线150被限定为相切于点91，使得线150大致垂直于线146。然而，在窗口部分80上从线150在距离L4处确定位置140。位置140基于邻近的几何形状、零件具体条件和经验数据。线D4延伸通过位置140，使得线D4大致垂直于线146。
垂直线D3然后延伸通过位置142。位置142距线150距离L3。具体地，线D3延伸通过位置142，使得线D3大致垂直于线146。线139然后沿生成的圆锥形状136的相对斜线构建。因此，线138、139和D4限定圆锥形状136。其次，在线146和138之间测量的角度θ使用公式θ＝tan-1(((D4/2)-(D3/2))/(L4-L3))确定。在确定角度θ后，半径R2使用公式R2＝D4/2cosθ计算，且半径R1使用公式R1＝D3/2cosθ计算。因而，半径R1和半径R2的长度取决于圆锥直径D3和D4、以及角度θ。在示范性的实施例中，角度θ大约为26.246度。然而，需要理解的是，在其他实施例中，可以选择使支撑腿76能够起在此描述的作用的任何角度θ。
在示范性的实施例中，半径R1、R2、R3和R4每个为不同的长度。具体地，在示范性的实施例中，半径R1大约为24.55英寸，半径R2大约为25.21英寸，半径R3大约为0.25英寸，而半径R4大约为0.45英寸。需要理解的是，在其他实施例中，半径R1、R2、R3和R4可以为任何使支撑腿76能够起在此描述的作用的长度。此外，需要理解的是，尽管示范性的实施例包括四个曲线，其他实施例可以使用任何数量的非线性段，以限定使支撑腿76能够起在此描述的作用的窗口86的周边。也需要理解的是，在此描述的尺寸具有±0.010英寸的公差。
在上述每个实施例中，支撑腿窗口利于减少围绕每个窗口的周边引起到支撑腿的应力且因而利于改善每个支撑腿的耐用性和有用寿命。更具体地，在每个实施例中，通过定形每个窗口以避免可能生成的应力场87，支撑腿窗口利于减少引起到每个支撑腿的应力。结果，窗口利于在相应的涡轮发动机内执行较少的支撑腿76维护。因此，核心燃气涡轮发动机性能和部件有用寿命每个以成本有效和可靠的方式利于提高。
尽管在此描述的设备和方法在核心燃气涡轮发动机的燃烧器衬垫支撑腿中定位窗口的环境中描述，需要理解的是，该设备和方法并不限于核心燃气涡轮发动机、燃烧器衬垫、或者窗口。类似地，图示的核心燃气涡轮发动机和支撑腿并不限于在此描述的具体实施例，但相反，核心燃气涡轮发动机和支撑腿的部件能够从在此描述的其他部件独立地且分离地使用。
虽然本发明已经按照不同的具体实施例描述，本领域的技术人员将认识到，本发明能够用在权利要求书的精神和范围内的修改实施。
零件列表
涡扇发动机组件10
纵向轴线11
核心燃气涡轮发动机12
高压压缩机14
燃烧器16
高压涡轮机18
低压涡轮机20
风扇组件22
外部衬垫52
后端53
内部衬垫54
外部燃烧器壳体56
内部燃烧器壳体58
燃烧腔60
外部通道62
内部通道64
罩组件66
环形开口68
前端70
后端72
纵向轴线74
支撑腿76
衬垫联接部分78
窗口部分80
肘节部分82
壳体联接部分84
窗口86
应力场87
紧固件开口88
弯曲部90
最前点91
弧形段92
弧形段94
弧形段96
内部缘97
第四弧形段98
径向外部缘99
弧形段100
第六弧形102
复合曲率点104
复合曲率点106
复合曲率点108
复合曲率点110
复合曲率点112
复合曲率点114
中点116
宽120
中心点122
点124
中心点126
中心点128
窗口中心线132
中心线134
圆锥形状136
线138
线139
位置140
位置142
点144
水平线146
垂直线150
线150
中心点200

Claims (10)

1.一种用于与涡轮发动机燃烧器(16)使用的支撑腿(76)，所述支撑腿包括：
包括至少一个窗口(86)的第一部分，窗口(86)包括仅由多个非线性段(92、94、96、98、100、102)限定的周边；和
构造为联接到燃烧器的后端(72)的联接部分，使得所述支撑腿在涡轮发动机(12)内支撑燃烧器。
2.根据权利要求1所述的支撑腿(76)，其中所述第一部分由至少六个非线性段(92、94、96、98、100、102)限定。
3.根据权利要求1所述的支撑腿，其中所述窗口周边还包括至少一个在所述多个非线性段(92、94、96、98、100、102)的邻近对之间限定的复合半径。
4.根据权利要求1所述的支撑腿(76)，其中所述联接部分包括至少一个相对于所述至少一个窗口大致居中的紧固件开口(88)。
5.根据权利要求1所述的支撑腿(76)，其中所述多个非线性段(92、94、96、98、100、102)形成为有至少三个不同曲率的半径。
6.根据权利要求1所述的支撑腿(76)，其中所述窗口周边由以下限定：
每个具有共同中心点(122、124、126、128)的第一半径和第二半径；和
每个具有不同中心点的第三半径和第四半径。
7.一种在涡轮发动机(12)中定位燃烧器(16)的支撑系统，所述支撑系统包括：
支撑腿(76)，所述支撑腿包括衬垫联接部分(78)，包括至少一个窗口的窗口部分(80)，所述至少一个窗口包括仅由多个非线性段(92、94、96、98、100、102)限定的周边，以及构造为联接到所述燃烧器的后端(72)的联接部分，使得所述支撑腿在所述涡轮发动机内支撑所述燃烧器。
8.根据权利要求7所述的支撑系统，其中所述联接部分(78)包括至少一个相对于所述至少一个窗口大致居中的紧固件开口(88)。
9.根据权利要求7所述的支撑系统，其中所述窗口周边还包括至少一个在所述多个非线性段(92、94、96、98、100、102)的邻近对之间限定的复合半径。
10.根据权利要求7所述的支撑系统，其中所述多个非线性段(92、94、96、98、100、102)形成为有至少三个不同曲率的半径。
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