CN103162311B - 集成用于cmc衬套的增强冷却的挡板的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成用于CMC衬套的增强冷却的挡板的系统，其包括具有穹顶安装组件、外衬套和内衬套的燃烧器组件。衬套包括由CMC(陶瓷基质复合材料)制造并对CMC进行处理的衬套。诸如外挡板和内挡板的一个或更多个衬套挡板设置成减小横跨衬套的压降，从而允许更多冷却孔的添加，并且由此减小冷却孔间距而不增大冷却空气的所需量。CMC衬套根据需要并入成利用通过在过去设计上使用CMC而变成可能的形状和孔配置。

Description

集成用于CMC衬套的增强冷却的挡板的系统

本申请要求2011年12月16日提交的美国临时申请No. 61/576,880的权益，该申请的全部内容通过引用并入。

背景技术

燃气涡轮发动机以作为构件的燃烧器为特征。空气进入发动机，并且经过压缩机。压缩空气运送穿过一个或更多个燃烧器。一个或更多个喷嘴位于燃烧器内，该一个或更多个喷嘴用于将燃料引入到经过燃烧器的空气脉流中。点火器典型地用于点燃在燃烧器内的产生的空气燃料混合物。燃烧后的空气燃料混合物被从燃烧器运送出去，并且穿过涡轮，以在涡轮叶片之上施加力并且作功，从而导致发动机旋转，由此产生功率。

涡轮发动机操作员期望高效率，同时还实现少排放物。集中于作为排放物源的燃烧器，待利用少排放物燃烧器解决的一个问题是，越来越多的空气用于燃烧以减少NOx，这导致可用于冷却的较少空气。

传统地，为了减小冷却所需的空气的量，利用泻流孔膜冷却。然而，传统泻流孔膜冷却在如下情况下是不实用的：孔与孔的间距变得过大，从而导致不期望的热斑在孔之间出现。提供实施例，其通过集成用于CMC燃烧器衬套的增强冷却的挡板而解决该问题。可选实施例通过设置挡板而解决该问题，该挡板通过降低衬套冷却进给压力而最佳地使用可用冷却空气，使得可使用更密集地构造的冷却模式，由此导致更好的膜效力和在CMC衬套上的降低的气体表面温度。

此外，关于过去构造中的CMC衬套的问题为，存在在衬套前端上的燃烧器支撑件和在衬套后端上的密封外壳支撑件。因此，流过内通路和外通路二者的空气被中断两次；第一中断由于燃烧器支撑件的存在而产生，并且第二中断由于密封外壳支撑件而产生。这些中断的结果为不期望的空气动力学尾流和操作效率的相关损失。

通过将挡板集成到密封外壳支撑件中，由此消除第二中断和它对任何空气动力学尾流和效率损失的影响，挡板的实施例解决该问题。

与本实施例相比，过去的CMC燃烧器衬套不使用挡板。相反地，它们采用密集地分布的冷却孔模式，并且需要比本文中提供的实施例和替代性方案所需的冷却空气显著地更多的冷却空气。

实施例允许使用更密集地分布的冷却模式，这降低CMC衬套气体侧表面温度。因此，CMC衬套耐久性显著地提高成满足考虑到有限量的冷却空气的产品类型要求。

实施例进一步允许，挡板根据需要并入到用于活塞环密封外壳的支撑件中，这减小燃烧器系统的总重量。替代性方案与现有系统相比减少部件数量，由此提供减少的制造成本和制造时间。较低重量还导致改进的燃料消耗率(SFC)和减少的操作成本。

带挡板的CMC衬套的实施例提供：挡板根据需要成形成使得它们减少和/或消除由CMC衬套凸缘引起的空气动力学尾流和损失。通过减少通路中的损失，冷却空气可在较高压力下并以更好回流裕度输送到下游硬件，由此为相关涡轮构件设计提供提高的耐久性。

可选挡板根据需要引导背面冷却空气以增大背面传热系数。传热系数的这种增大导致较低操作温度和构件中的减小应力的可能性，二者导致CMC衬套耐久性的提高。

挡板的实施例提供对周围结构的辐射热屏蔽，由此允许这些结构在操作中经历较冷温度。就这点而言，周围结构可由材料制造，并且设计选定成与过去的设计相比在降低的温度下优化它们的操作，由此导致比以前更高的效率和减少的成本。另外，较冷温度可导致相关结构的减少的检修成本和较不频繁的检修和/或替换。

附图说明

图1是航空燃气涡轮发动机的截面图。

图2是示出集成用于CMC衬套的增强冷却的挡板的系统的选定特征的截面图。

图3示出了图2的系统的选定细节。

图4示出了图2的系统的另外的细节。

图5示出了冲击套的细节，该冲击套作为集成用于CMC衬套的增强冷却的挡板的系统的构件。

图6示出了可选冲击套的细节，该可选冲击套作为集成用于CMC衬套的增强冷却的挡板的系统的构件。

图7示出了关于CMC衬套凸缘的方位的细节。

图8示出了作为用于CMC衬套的增强冷却的系统的可选实施例的细节，其中，燃烧器衬套提供与涡轮喷嘴的直接密封分界面。

具体实施方式

集成用于CMC衬套的增强冷却的挡板的系统包括燃烧器组件100，其具有穹顶(dome)安装组件、外衬套300和内衬套700。衬套300，700包括由CMC(陶瓷基质复合材料)制造并对CMC进行处理的衬套。诸如外挡板500和内挡板800的一个或更多个衬套挡板设置成减小横跨衬套300，700的压降，从而允许更多冷却孔的添加，并且由此减小冷却孔间距而不增大冷却空气的所需量。CMC衬套300，700根据需要并入成利用通过在过去设计上使用CMC而变成可能的形状和孔配置。

衬套挡板500，800根据需要由材料构造成包括高温超合金、CMC氧化物或SiCSiCCMC(取决于任务、构造、分界面和其他CTQ)。

考虑到固定量的冷却空气，挡板500，800的实施例允许增大的泻流孔膜冷却效力。因为材料具有相对低的传导率，使得有效冷却的主要手段是经由泻流膜冷却，所以这克服了设法冷却CMC燃烧器衬套的困难。详细地，在冷却模式下从金属衬套简单地交换到CMC衬套的问题在于，不具有挡板500，800的CMC衬套300，700将利用相同量的冷却，从而使CMC的潜在益处无效。挡板500，800通过借助于挡板500，800中的孔或切口控制横跨它的压力损失的量而工作。接着，衬套300，700冷却进给压力减小到特定值，使得有效冷却借助于泻流膜冷却在衬套300，700的热侧实现，该泻流膜冷却具有比可利用相同量的空气实现的孔间距更紧密的孔间距。也就是，对于给定量的冷却空气，利用挡板500，800增大膜冷却效力。

挡板500，800的实施例并入成支撑外挡板活塞环密封外壳和内挡板密封外壳840以及外活塞环密封件600和内活塞环密封件900。替代性方案提供挡板500，800，其在衬套的一个端部处固定，并且由于在CMC与金属之间的α失配而在另一个端部处自由浮动。替代性方案包括如下替代性方案，其中，挡板根据需要未在任一端部处被密封，在任一端部处被密封或者在两个端部处被密封。

参考图4，内挡板800在为前安装部的前端810(见图2)处螺栓连接于穹顶板210，并且允许在后端802(见图6)处保持自由。替代性方案提供：挡板800并入到活塞环密封外壳840中，由此提供支撑密封外壳840的密封外壳支撑件，该密封外壳840进而捕获活塞环密封件900。

将支撑密封外壳支撑件集成到挡板800中还减少部件数量和成本。

挡板实施例提供器件，以控制在诸如例如外衬套前安装凸缘310和内衬套前安装凸缘710的CMC衬套凸缘周围的空气动力学尾流和损失，由此提高下游进给压力均匀性并且减小局部回流的风险。

根据需要，挡板500，800成形成使得，它提供规则的空气动力学形状，以在气体运送成经过外侧转向衬套凸缘310，710时消除或减小大空气动力学尾流和随后的损失，由此解决与具有导致内通路中的消极轴向流的大尾流的无挡板设计相关的问题，并且避免这种流场的有害方面，该有害方面否则可导致用于下游硬件（也就是，燃烧器衬套、第1级HPT喷嘴、叶片和护罩）的较低冷却进给压力。

挡板实施例用于增大CMC衬套背面冷却效力。例如，挡板表面中的孔和/或切口根据需要形成为布置在外挡板限流器上的开口，并且形成为将内挡板限流器并入到内挡板800中。这些开口允许空气经过，同时为衬套冷却进给压力提供受控制的压降，并且它们设置成使得它们允许该同一空气洗涤、冲击或者流过衬套300，700，使得增大CMC衬套冷侧传热系数。较高背面传热系数导致更多热从CMC离开，这引起较低的CMC衬套操作温度、减小的体积热应力和提高的耐久性。

当CMC衬套倾向于在比它们的金属相对物更高的温度处操作时，提供从衬套300，700到周围结构的辐射传热是CMC衬套的不期望特性。因此，衬套挡板500，800为围绕燃烧器组件100的结构提供增强的辐射热屏蔽。就这点而言，可选实施例提供挡板500，800，其形成和布置成屏蔽分别来自外衬套300和内衬套700二者的壳体和前内喷嘴支撑件(FINS)。

如图7所示，CMC衬套凸缘的方位可在相对于发动机的芯部的纯径向方位上，或者可选地，成由使用者选择的选定圆锥角。

如图8所示，可选实施例包括不使用挡板的实施例。在这种实施例中，提供用于CMC衬套的增强冷却的系统，该系统包括CMC燃烧器衬套300，700、衬套保持器400，820和密封件600，900，CMC燃烧器衬套300，700具有与穹顶板210联接的CMC衬套凸缘310，710，其中，燃烧器衬套300，700提供与涡轮喷嘴的直接密封分界面。

虽然已经在本文中描述被认为是本发明的优选且示例性的实施例的内容，但是对本领域技术人员而言，本发明的其他修改从本文中的教导将是显而易见的，并且因此，期望在所附权利要求中保护落入在本发明的真实精神和范围内的所有这种修改。

Claims (4)

1.一种用于增强冷却的装置，所述装置包括：

CMC燃烧器衬套，其具有CMC衬套凸缘，其中所述CMC燃烧器衬套与一个或更多个挡板联接；并且，所述一个或更多个挡板中的每个包括前端和后端；

所述一个或更多个挡板中的挡板在前端处固定于穹顶板，所述挡板被允许在后端处保持自由，所述前端为前安装部；

其中，所述一个或更多个挡板中的所述挡板在后端处并入到活塞环密封外壳中，所述挡板由此支撑所述密封外壳，所述活塞环密封外壳进而捕获活塞环密封件以便密封所述衬套中的相应一个；

其中，所述一个或更多个挡板中的所述挡板包括孔和/或切口，这些孔和/或切口被形成为允许空气经过，同时提供横跨所述挡板的受控制的压降以便由此为相应的衬套降低冷却进给压力；

其中，所述CMC衬套凸缘以纯径向方位或以一定角度进行定向，并且被轴向捕获在所述一个或更多个挡板的前端和所述穹顶板之间。

2.如权利要求1所述的用于增强冷却的装置，其特征在于，所述挡板未在任一端部处被密封。

3.如权利要求1所述的用于增强冷却的装置，其特征在于，所述挡板仅在每个挡板的一个端部处被密封。

4.如权利要求1所述的用于增强冷却的装置，其特征在于，进一步包括衬套保持器和密封件。