CN101675238A - 用于燃气涡轮机的排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于引导来自燃气涡轮机的气流的排气系统(100)，其包括气流引导管嘴和用于将所述引导管嘴连接于所述燃气涡轮机的出口的排气外壳(110)，所述引导管嘴包括连接于所述排气外壳(110)的主管嘴(120)以及围绕所述主管嘴设置的第二管嘴(130)。所述排气系统还包括用于将所述第二管嘴(130)直接连接于所述排气外壳(110)的构件，所述第二管嘴由所述排气外壳支撑而独立于所述主管嘴(120)。

Description

用于燃气涡轮机的排气系统
背景技术
本发明涉及用于从燃气涡轮机排出燃气的系统的一般领域，特别地，用于航空旁路燃气涡轮机，亦即具有至少两个不同的气流(主或者“中心”气流以及第二或者“旁路”气流)流过燃气涡轮机的燃气涡轮机。更特别地，本发明涉及用于这样的燃气涡轮机的排气系统，该燃气涡轮机具有主管嘴和第二管嘴，它们被设计为同心地设置于这样的燃气涡轮机的出口处。
图1是用于航空发动机的排气系统的局部图示性视图，该排气系统运送分离的气流并且包括设置在由两个部分组成的第二管嘴20内的主管嘴10，这两个部分也就是，上游第二管嘴21和下游第二管嘴22(本文中术语“上游”和“下游”相对于通过发动机的燃气流的流动方向而被使用)。在主管嘴10的内部具有中心主体或者“插头(plug)”30。
主管嘴10设计为通过径向凸缘11连接于发动机的排气外壳，而第二管嘴20通过其上游部分21采用支撑件12连接于主管嘴10。通过这种构造，第二管嘴20完全通过主管嘴10支撑，主管嘴10通过其径向凸缘11承受穿过两个管嘴的全部机械负载。
因此，主管嘴10，其对应于需要支撑第二管嘴并且承受机械负载和热负载的排气系统的结构部分，必须由足以承受全部这些应力的耐热材料制成。主管嘴典型地由诸如的金属材料制成。
排气系统的那种设计类型具有使主管嘴承受高机械负载的缺点，因此减小了其寿命并且增加了昂贵的维护成本。
此外，该排气系统的构造具有在发动机内部悬挂出来的相对高的总重量，从而增大了管嘴排气外壳的凸缘上的机械负载。
发明内容
本发明的目的是提出用于运送分离的气流的旁路燃气涡轮机排气系统的新颖的设计，该设计作用于在没有使系统的整体强度变弱的情况下限制主管嘴承受的机械负载。
为此目的，本发明提供一种用于引导来自旁路燃气涡轮机的气流的排气系统，所述系统包括气流引导管嘴和用于将所述引导管嘴连接于所述燃气涡轮机的出口的排气外壳，所述引导管嘴包括固定于所述排气外壳的主管嘴以及围绕所述主管嘴设置的第二管嘴，所述排气系统的特征在于，其还包括用于将所述第二管嘴直接固定于所述排气外壳的构件，所述第二管嘴由所述排气外壳支撑而独立于所述主管嘴(independently of the primary nozzle)。
因此，通过直接将所述第二管嘴配合于所述排气外壳而独立于所述主管嘴，所述主管嘴免除了其支撑所述第二管嘴的作用，从而使所述主管嘴上的机械力减小。通过本发明的设计，所述机械力在所述主管嘴与所述第二管嘴之间分配，这两个管嘴均固定于所述排气外壳。所述主管嘴和所述第二管嘴承受的所述力被所述排气外壳承受，所述排气外壳通过它的特性具有结实的结构。因此，所述排气系统的可靠性被改进，进而寿命被改进。
通过本发明的所述排气系统的构造，内主管嘴不再执行结构功能，因为它不再支撑所述第二管嘴。它仅作为执行对于主或者“热”气流的引导功能的衬套。因此，所述主管嘴的重量能够极大地减小，特别地通过使用陶瓷基复合(CMC)材料代替金属材料。
在本发明的一个方面中，多个挠性连接元件围绕所述主管嘴的上游端分布，这些元件固定于所述主管嘴的外壁并且固定于所述排气外壳的凸缘。与主管嘴刚性地固定于所述排气外壳的现有技术的排气系统不同，在所述主管嘴与所述排气外壳之间的挠性连接的使用使得能够补偿在所述外壳和所述主管嘴之间的不均匀膨胀，特别是当这两个元件由具有不同膨胀系数的材料制成的时候。
根据本发明的另一方面，所述主管嘴的挠性连接元件的至少一部分以这样的方式与所述第二管嘴的连接元件接合：在所述元件中用于固定于所述排气外壳的凸缘的孔相互配合。通过这样的构造，单一紧固件部件(例如螺栓紧固件)用于将所述主管嘴的一个挠性连接元件的一部分和所述第二管嘴的一个连接元件固定于所述外壳，从而使得能够优化所述系统的总重量。
所述第二管嘴由上游第二管嘴和下游第二管嘴组成，所述上游第二管嘴固定于所述排气外壳，所述下游第二管嘴固定于所述上游第二管嘴的与其固定于所述外壳的端部相对的端部，其中能够使所述两个第二管嘴由具有不同膨胀系数的材料制成。特别地，所述上游第二管嘴由金属材料制成，并且所述下游第二管嘴由陶瓷基复合材料制成。
在特殊的实施方式中，所述上游第二管嘴的边缘部分和所述下游第二管嘴的边缘部分以小的间隙或者没有间隙相互接合，所述第二管嘴的一个第二管嘴沿其接合边缘具有一系列舌部，所述舌部通过狭槽分隔开并且与所述第二管嘴整体地形成，所述第二管嘴通过至少一部分所述舌部相互固定而组装在一起。通过这种方式，用于补偿在所述上游第二管嘴和下游第二管嘴之间的不均匀膨胀的挠性连接功能直接合并到两个第二管嘴中的一个第二管嘴，从而简化了两个第二管嘴的组装。
优选地，但不是排他性地，所述舌部在具有较大膨胀系数的所述上游第二管嘴中形成。
本发明还提供了一种包括如上述所限定的排气系统的用于航空发动机的旁路燃气涡轮机。
本发明还提供了组装排气系统的方法，该排气系统包括气流引导管嘴和排气外壳，所述排气外壳用于在所述燃气涡轮机的出口处连接于所述引导管嘴，所述引导管嘴包括固定于所述排气外壳的主管嘴和围绕所述主管嘴设置的第二管嘴，所述方法的特征在于，所述第二管嘴直接固定于所述排气外壳，从而所述第二管嘴由所述排气外壳支撑而独立于所述主管嘴。
所述主管嘴可以由陶瓷基复合材料制成，它可以通过围绕所述主管嘴的上游端设置的多个挠性连接元件固定于所述排气外壳。
在特殊的实施方式中，所述主管嘴的挠性连接元件的至少一部分以这样的方式与所述第二管嘴的连接元件的接合：在所述元件中的用于固定于所述排气外壳的凸缘的孔相互配合。
所述第二管嘴由上游第二管嘴和下游第二管嘴组成，所述上游第二管嘴固定于所述排气外壳，所述下游第二管嘴连接于所述上游第二管嘴的与其固定于所述外壳的端部相对的端部。所述上游第二管嘴可以由金属材料制成，并且所述下游第二管嘴可以由陶瓷基复合材料制成。
两个第二管嘴之间的挠性连接可以这样形成：通过将所述上游第二管嘴的边缘部分和所述下游第二管嘴的边缘部分以小的间隙或者没有间隙相互接合，并且通过沿两个第二管嘴的一个第二管嘴的接合边缘形成一系列舌部，所述舌部通过狭槽相互分隔开，所述狭槽通过切割或者机加工所述第二管嘴的材料而获得，所述第二管嘴通过将至少一部分所述舌部固定于另一第二管嘴的边缘部分而组装在一起。
附图说明
从下面的本发明的特殊实施方式的描述中并且参考附图，本发明的其他特性和优点显而易见，所述实施方式以非限制性实例的方式给出，在所述附图中：
·图1，如上所述，是用于旁路燃气涡轮机的现有技术的排气系统的图示性视图；
·图2是构成本发明一个实施方式的旁路燃气涡轮机排气系统的局部图示性视图；
·图3是示出了用于图2的排气系统的连接元件的分解图，该连接元件用于将主管嘴和第二管嘴固定于排气外壳；
·图4是图3的挠性连接元件的放大的立体图；
·图5是示出了图2的细节的放大的视图；
·图6是图5的阶梯剖面VI-VI上的局部剖面图；
·图7和图8是图3的连接元件的放大的立体图；
·图9是高度图示性地示出了通过挠性连接组装第二管嘴的一个方式的局部剖视图；
·图10是示出了图2的细节的放大的视图；以及
·图11是图10的XI-XI平面上的剖视图。
具体实施方式
本发明应用的特别的但非排他性的领域为用于航空发动机的旁路燃气涡轮机的领域。图2示出了用于根据本发明实施方式的旁路航空燃气涡轮机的排气系统100。该排气系统包括排气外壳110，其设计为被固定于在燃气涡轮机的燃烧室(未示出)的上游的燃气涡轮机的出口。
排气系统还包括用于引导来自燃气涡轮机的气流的管嘴，该管嘴位于排气外壳110的下游，并且包括主管嘴120和第二管嘴130，第二管嘴由上游壁部分或者上游第二管嘴131以及下游壁部分或者下游第二管嘴132组成，该下游壁部分或者下游第二管嘴132在下游方向上延伸主管嘴120以及上游第二管嘴131。
在主管嘴120的内壁121与设置在其中的中心主体和元件或“插头”140之间，主管嘴120限定用于来自涡轮机的燃烧室的主或者“热”气流的流动通道。
在其内壁133和主管嘴120的外壁122之间，上游第二管嘴131限定环形流动空间，来自在涡轮机的入口处的风扇(未示出)的旁路或者“冷”气流在其中流动，并且特别地作为冷却气流，特别地用于主管嘴的外壁122。
根据本发明，主管嘴120和第二管嘴130，或者更准确地上游第二管嘴131，均通过各自的连接构件固定于排气外壳110。如图3和图4所示，主管嘴120通过多个挠性连接元件150固定于外壳110，所述挠性连接元件150在主管嘴的外壁122上在其上游端附近均匀地分布。如图4所示，每个挠性连接元件150包括基座151，用于固定于主管嘴120的外壁122，并且包括孔1510，用于穿过螺栓紧固件154(图6)。每个孔1510与在主管嘴120中形成的孔1200配合。挠性连接元件150包括两个紧固件耳片152和153，所述两个紧固件耳片152和153的每一个的自由端被折叠以形成适合于固定于排气外壳的各个部分152a和153a。为此目的，部分152a和153a包括各自的孔1520和1530，这两个孔与在排气外壳110的紧固件凸缘111中形成的孔1110配合并且适合于穿过螺栓紧固件155(图6)。
元件150能够通过除了螺栓紧固件之外的任意类型的合适的紧固件部件(例如通过铆钉)固定于主管嘴120并且固定于紧固件凸缘111。
挠性连接元件150使得能够补偿发生于主管嘴120和排气外壳110之间可能产生的不均匀膨胀。能够设想任意其他形式的元件，该元件能够在外壳和主管嘴之间实现挠性连接并且适合于补偿不均匀膨胀。
第二管嘴130通过它的上游第二管嘴131采用多个连接元件160固定于排气外壳，所述连接元件160在上游第二管嘴的内壁133上在其上游端附近均匀地分布。如图7和图8所示，每个连接元件160包括设计为固定于上游第二管嘴的内壁133上的第一部分161，并且包括两个孔1610，用于穿过螺栓紧固件164(图6)。孔1610与在上游第二管嘴131中形成的各个孔1310配合。
每个连接元件160包括第二部分162，其大致垂直于它的第一部分161，并且设计为固定于排气外壳的紧固件凸缘111。每个第二部分162包括一个孔1620，其与在排气外壳110的紧固件凸缘111中形成的孔1110配合并且适合于穿过螺栓紧固件155(图6)。连接元件160的结构通过连接臂163加强，连接臂163在第一和第二部分161和162的自由端之间延伸。此外，连接元件160通过环165被连接到一起。然而，连接元件也可能相互独立。
在本文中描述的实施方式中，更特别地如图2和图5所示，挠性连接元件150的紧固件耳片152和153以这样的方式与连接元件160接合：他们的用于螺栓紧固件的通孔与排气外壳110的紧固件凸缘111的通孔配合。通过这个构造，仅一个螺栓紧固件被用于将元件150的耳片和元件160固定，从而，能够减小系统的整体重量。然而，元件160和150同样能够并排设置，并且通过紧固件部件固定于外壳，该紧固件部件使用在紧固件凸缘中的不同的孔。
上游第二管嘴131典型地由钛或者钛合金制成。
下游第二管嘴132，一般由诸如
Figure G2008800140955D00061
的耐热金属材料制成，能够有利地由高温性能的陶瓷基复合(CMC)材料制成，使其能够承受通过排气系统的这个部分的热燃气流的温度，而不会被损坏并且不需要被冷却。应注意到，穿过上游第二管嘴131的内壁133与主管嘴120的外壁122之间的角空间(angular space)的“冷”气流构成在上游第二管嘴132的内表面的上游部分处的冷空气的保护膜。
因此，用于下游第二管嘴的CMC材料的使用使得可能限制对冷却空气的总需求，从而能够使下游第二管嘴具有简单结构，而与使用金属材料相比极大地减少了重量。
CMC材料在他们的热结构特性和他们能够在高温下保持这些特性方面非常显著。他们由纤维加强物构成，纤维加强物由耐热纤维(碳纤维或者陶瓷纤维)组成并且通过陶瓷基被致密化，特别是碳化物、氮化物、耐热氧化物……典型地，CMC材料的实例是具有碳纤维和碳化硅基体的材料(C-SiC)、具有碳化硅纤维和碳化硅基体的材料(SiC-SiC)以及具有碳纤维和混合的碳和碳化硅基体的材料(C-C/SiC)。如何构造CMC复合部件是众所周知的。纤维加强物可以使用液体技术(使用树脂浸渍并且通过交联和高温分解将其转化为陶瓷，该树脂是用于陶瓷基的前体)或者通过气体技术(化学气相渗透)进行致密化。
此外，因为在本发明的排气系统中的主管嘴120不再支撑第二管嘴，所以不需要结构功能，因此能够用作只执行用于热的内部气流的引导功能的衬套。因此，主管嘴120能够由比通常使用的
Figure G2008800140955D00071
类型的耐热金属材料更轻的材料制成。主管嘴120能够有利地由上述的用于下游第二管嘴的CMC材料制成，所述CMC材料在高温条件下具有良好的机械和化学性能同时还比金属材料重量更轻。
当上游第二管嘴由金属材料制成并且下游第二管嘴由如上所述的CMC材料制成时，由于CMC材料具有与金属材料的膨胀系数不同的膨胀系数，一般地具有显著地更低的系数，需要在这两个部分之间的连接具有挠性，该挠性对于在不破坏部件或者连接的情况下补偿在相互连接的部件之间的热源的尺寸变化的差别是必要的。
为此目的，上游第二管嘴和下游第二管嘴能够通过挠性连接被组装在一起，该挠性连接适合于补偿发生在这两个第二管嘴之间的不均匀膨胀。如图9所示，挠性连接具体表现为金属连接耳片240，其被弯曲以可弹性变形。在一端，每个连接耳片240例如通过螺栓连接被固定于凸缘2310，凸缘2310在上游第二管嘴231的下游端部边缘附近固定于上游第二管嘴231。在它的另一端，每个耳片240例如通过螺栓连接在下游第二管嘴232的上游端部边缘附近固定于下游第二管嘴232的壁。由于在管嘴231和232的相邻环形边缘部分之间存在间隙，通过密封装置250提供密封，该密封装置250例如为具有固定于管嘴231的下游端的“瓣”的裂开的金属垫片。
然而，使用这样的连接耳片意味着在组装过程中相当数量的操作和调节。此外，连接耳片和凸缘的存在以及对于密封装置的需求造成重量的增加和生产成本的增加。
为此目的，如图2、图10和图11所示，挠性连接功能能够被直接合并到两个第二管嘴中的一个中，从而简化组装。
更准确地，上游第二管嘴131的下游环形边缘部分131a和下游第二管嘴132的上游环形边缘部分132a通过边缘部分131a环绕边缘部分132a相互接合。
舌部170在边缘部分131a中形成，所述舌部通过狭槽172被分开，狭槽172直接通过在上游第二管嘴131的金属材料中被切割出来或者被机加工而获得。舌部170和狭槽172从边缘部分131a的下游端大致沿轴向方向延伸，其中狭槽以圆形的凹进终止以避免在狭槽的端部的应力集中。
管嘴131和132通过螺栓连接组装在一起，其中螺栓174的头部挤压下游第二管嘴132的内表面。通过螺栓连接的固定是通过每个舌部或者至少通过他们中的一部分而实现的。还可以设想通过铆钉连接固定。
优选地，环形边缘部分132a、131a相互没有间隙地并且在低温下具有预应力地接合，从而在工作中通常遇到的高温下保持相互接触。通过保证环形边缘132a与环形边缘部分131a在不小于狭槽172的长度的一段长度上接合，从而保证了在上游第二管嘴和下游第二管嘴之间的连接的密封。
通过他们的弹性变形的能力，舌部170能够补偿组装在一起的部件之间的不均匀膨胀。舌部170还作用于补偿组装在一起的边缘部分中的缺陷或不规则形状。如图所示，边缘部分131a(舌部170在该边缘部分131a中形成)可以比上游第二管嘴131的壁的剩余部分更薄。由于金属材料的弹性变形能力一般大于CMC材料的弹性变形能力，优选地在由金属材料制成的部件中形成所述舌部。然而，用CMC材料部件制造舌部也不是不可能的。

Claims (19)

1、一种用于引导来自旁路燃气涡轮机的气流的排气系统(100)，所述系统包括气流引导管嘴和用于将所述引导管嘴连接于所述燃气涡轮机的出口的排气外壳(110)，所述引导管嘴包括固定于所述排气外壳(110)的主管嘴(120)以及围绕所述主管嘴设置的第二管嘴(130)，所述排气系统的特征在于，其还包括用于将所述第二管嘴(130)直接固定于所述排气外壳(110)的构件，所述第二管嘴由所述排气外壳支撑而独立于所述主管嘴(120)。
2、根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，其包括围绕所述第二管嘴(130)的上游端分布的多个连接元件(160)，所述连接元件固定于所述第二管嘴(130)的内壁(133)，并且固定于所述排气外壳(110)的凸缘(111)。
3、根据权利要求1或2所述的排气系统，其特征在于，所述主管嘴(130)由陶瓷基复合材料制成。
4、根据权利要求1至3的任一项所述的排气系统，其特征在于，其包括围绕所述主管嘴(120)的上游端分布的多个挠性连接元件(150)，所述挠性连接元件固定于所述主管嘴(120)的外壁(122)并且固定于所述排气外壳(110)的凸缘(111)。
5、根据权利要求4所述的排气系统，其特征在于，所述主管嘴(120)的挠性连接元件(150)的至少一部分(1520；1530)以这样的方式与所述第二管嘴(130)的连接元件(160)接合：在所述元件中用于固定于所述排气外壳(110)的凸缘(111)的孔(152a；153a；1620)相互配合。
6、根据权利要求1至5的任一项所述的排气系统，其特征在于，所述第二管嘴(130)由上游第二管嘴(131)和下游第二管嘴(132)组成，所述上游第二管嘴(131)固定于所述排气外壳，所述下游第二管嘴(132)连接于所述上游第二管嘴的与其固定于所述外壳(110)的端部相对的端部。
7、根据权利要求6所述的排气系统，其特征在于，所述上游第二管嘴(131)由金属材料制成，并且所述下游第二管嘴(132)由陶瓷基复合材料制成。
8、根据权利要求7所述的排气系统，其特征在于，所述上游第二管嘴(131)的边缘部分(131a)和所述下游第二管嘴(132)的边缘部分(132a)以小的间隙或者没有间隙相互接合，并且其特征在于，两个第二管嘴的一个第二管嘴(131)沿其接合边缘具有一系列舌部(170)，所述舌部通过狭槽(172)相互分隔开并且与所述第二管嘴的一个第二管嘴(131)整体地形成，所述第二管嘴通过至少一部分所述舌部相互固定而组装在一起。
9、根据权利要求8所述的排气系统，其特征在于，所述舌部(170)在所述上游第二管嘴中形成。
10、一种用于航空发动机的旁路燃气涡轮机，该燃气涡轮机的特征在于，其包括根据权利要求1至9的任一项所述的排气系统(100)。
11、一种组装排气系统(100)的组装方法，该排气系统用于引导来自旁路燃气涡轮机的气流，所述系统包括气流引导管嘴和排气外壳(110)，所述排气外壳用于在所述燃气涡轮机的出口处连接于所述引导管嘴，所述引导管嘴包括固定于所述排气外壳(110)的主管嘴(120)和围绕所述主管嘴设置的第二管嘴(130)，所述方法的特征在于，所述第二管嘴(130)直接固定于所述排气外壳(110)，从而通过所述排气外壳支撑所述第二管嘴而独立于所述主管嘴(120)。
12、根据权利要求11所述的组装方法，其特征在于，多个连接元件(160)围绕所述第二管嘴(130)的上游端设置，所述连接元件固定于所述第二管嘴(130)的内壁(133)并且固定至所述排气外壳(110)的凸缘(111)。
13、根据权利要求11或权利要求12所述的组装方法，其特征在于，所述主管嘴(130)由陶瓷基复合材料制成。
14、根据权利要求11至13的任一项所述的组装方法，其特征在于，多个挠性连接元件(150)围绕所述主管嘴(130)的上游端设置，所述多个挠性连接元件固定于所述主管嘴(120)的外壁(122)，并且固定于所述排气外壳(110)的凸缘(111)。
15、根据权利要求14所述的组装方法，其特征在于，所述主管嘴(120)的挠性连接元件(150)的至少一部分(1520；1530)以这样的方式与所述第二管嘴(130)的连接元件(160)的接合：在所述元件中的用于固定于所述排气外壳(110)的凸缘(111)的孔(152a；153a；1620)相互配合。
16、根据权利要求11至15的任一项所述的组装方法，其特征在于，所述第二管嘴(130)由上游第二管嘴(131)以及下游第二管嘴(132)组成，所述上游第二管嘴(131)固定于所述排气外壳(110)，所述下游第二管嘴(132)连接于所述上游第二管嘴的与其固定于所述外壳(110)的端部相对的端部。
17、根据权利要求16所述的组装方法，其特征在于，所述上游第二管嘴(131)由金属材料制成，并且所述下游第二管嘴(132)由陶瓷基复合材料制成。
18、根据权利要求17所述的组装方法，其特征在于，所述上游第二管嘴(131)的边缘部分(131a)和所述下游第二管嘴(132)的边缘部分(132a)以小的间隙或者没有间隙相互接合，并且其特征在于，沿两个第二管嘴的一个第二管嘴(131)的接合边缘形成一系列舌部(170)，所述舌部通过狭槽(172)相互分隔开，所述狭槽通过切割或者机加工所述第二管嘴的一个第二管嘴(131)的材料而获得，所述第二管嘴通过将至少一部分所述舌部固定于另一第二管嘴的边缘部分而组装在一起。
19、根据权利要求18所述的组装方法，其特征在于，所述舌部(170)在所述上游第二管嘴(131)的边缘部分(131a)中形成。
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