CN103328149A - 燃烧室壁的穿孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种壁（12，13）的穿孔方法（100），所述方法（100）包括计算对于所述壁（12，13）的使用应用到所述壁（12，13）上的机械应力的第一步骤（101），和在所述壁（12，13）的第一确定区域中穿至少一个孔（21）的第二步骤（102），所述穿孔（102）使用具有取决于在所述第一确定区域中计算的机械应力的截面的工具而进行。该穿孔方法特别有利于航空领域的应用。

Description

燃烧室壁的穿孔方法

技术领域

本发明涉及为壁穿孔的方法。在一具体感兴趣的实施例中，此发明涉及飞机引擎燃气涡轮的燃烧室领域，更具体说是涉及为燃烧室的至少一个壁穿孔的方法。

背景技术

如法国专利申请第2668246中所公开的那样，这样的燃烧室通常包括两个回转同轴壁，这两个壁一个壁在另一个内，并通过一包括空气入口和燃料入口装置的环形室底壁而在它们的端部互相连接。

所述内壁和外壁形成一环形旁路管，由位于所述燃烧室的上游侧上的高压压缩机产生的空气输出在其中循环。

通常，此空气的部分沿轴向通过形成在室底部上的空气入口，并沿横向通过在所述室的内壁和外壁所开的主空气喷射孔供应燃烧区域。

而且，此燃烧室的内壁和外壁通常由于燃烧室内的高温而需要冷却。为此，目前的燃烧室使用众所周知的多-穿孔冷却工艺。多-穿孔在于在燃烧室的壁中形成大量的冷却气体喷射孔。因此，空气穿过这些孔，降低壁温，从而降低燃烧室的温度。

这些孔通常通过激光钻孔而制成。穿过燃烧室的壁2的孔1（图1中所示）以等于从与所述壁2的轮廓相切的平面P大约30度的角α1倾斜，以冷却较大的面积。无论使用何种钻孔方法，该工具（因此在所示例中的激光）的几何截面总是圆形的。因此，通过一具有圆形截面的工具的倾斜穿透壁2的轮廓所获得的各孔1的外端部（即位于壁外表面上的端部）的截面3的形状是椭圆形的（见图2）。

而且，在涡轮机工作过程中，燃烧室的内壁和外壁热膨胀不同，它们存在很大振动，这导致在孔1边缘产生较高的应力。

如上所述，一标准的燃烧室以交错的形式沿相同方向开多个冷却孔。在一个实施例中，孔的各外端部具有椭圆形的截面，其长轴平行于燃烧室的轴线。这样，在其中最高应力垂直于燃烧室轴线（因此垂直于该椭圆的长轴）的区域中，该机械最高应力集中于该椭圆的小半径r处。这些应力最终导致在孔1的边缘处裂缝或裂纹的发生，裂缝随后沿燃烧室的轴的方向传播到相邻的孔1。

此特征严重地限制了形成燃烧室的壁的寿命。

另一标准燃烧室的壁中的一些孔也具有椭圆形状但沿不同方向取向。例如，该椭圆形截面的大半径垂直于该燃烧室的轴。这样，如果其中具有这样的孔的区域中的最高应力垂直于燃烧室的轴线并因而平行于该椭圆的长轴，则该椭圆小半径r处的应力将较低。这样的实施例可延缓各孔边缘处的裂缝的出现，在该燃烧室中循环的气流的损害。

上述实施例的主要缺点是通过此多数沿不同方向的孔输入燃烧室中的气流不是均匀的。这些不同取向阻碍气流的轴向方向，并产生空气动力学扰动。

发明内容

在本文中，本发明的目的是一种为壁穿孔，以限制在该壁中的孔的边缘处产生的应力的方法。当该壁为一燃烧室的壁时，本发明还致力于使未被扰动的气流可输入该燃烧室。

为此，本发明应用于为壁穿孔的方法，所述方法包括计算对于所述壁的一使用应用到所述壁上的机械应力的第一步骤。所述方法包括在所述壁的第一确定区域中穿至少一个孔的第二步骤，所述穿孔使用具有取决于在所述第一确定区域中计算的机械应力的截面的工具而进行。

根据本发明，位于所述壁的外表面的所述孔的各外端具有适合在其使用时将应用于其上的机械应力方向的截面。更准确说，这样的其截面适合在其使用过程中将应用于其上的机械应力的方向的孔的外端部帮助限制应力集中，因此延缓甚至阻止在此孔的边缘产生裂缝。

在本发明的一非限制性实施例中，所述壁为燃烧室的壁，所述壁的使用为所述燃烧室的功能。

根据本发明，该壁的外表面处的孔的各外端与在该燃烧室工作过程中将应用于其上的机械应力的方向相适应。更准确说，这样的其截面与在燃烧室工作过程中将应用于其上的机械应力的方向相适应的外孔可限制应力集中，并因此延缓甚至阻止在该孔边缘处裂缝或裂纹的出现。

根据本发明的发还可具有一个或几个单独考虑或以任何可能的技术结合相结合的以下描述的特征。

在本发明的一非限定性实施例中，加工出多个孔，每个沿特定穿孔轴加工的孔均经过围绕该燃烧室旋转轴的相同的线，所有的穿孔轴均在一单一点相交。换句话说，所有的孔均朝相同的区域会聚。这样，在燃烧室中循环的气流在空气经所述孔穿入燃烧室核心时不受扰动。

在本发明的一非限定性实施例中，各穿孔轴形成一相对于与所述壁相切的平面成20-70度的角。

在本发明的一非限定性实施例中，各穿孔轴形成一相对于所述相切平面成30度级别的角。

在本发明的一非限定性实施例中，所述穿孔步骤在一第二确定区域中重新进行。

在本发明的一非限定性实施例中，所述孔通过外切削制成。非限定性地，外切削通过制造几个相邻穿孔或通过沿一确定路径移动所述工具来实现。

在本发明的一非限定性实施例中，所述孔中的至少一个具有椭圆形的外端，所述具有椭圆形截面的外端位于所述壁的外端。

在本发明的一非限定性实施例中，至少一个所述孔的外端部具有圆形截面，所述具有圆形截面的外截面位于所述壁的外表面。

在本发明的一非限定性实施例中，所述工具为激光束、水柱喷射、电腐蚀电线或任何其他类型的工具。

本发明还涉及被穿多个孔的壁。所述孔使用根据所述实施例中的任何一个的穿孔方法制成，每个孔均具有外端部，所述外端部的截面取决于在所述孔所在的区域中所计算的机械应力。

本发明的另一目的是穿有多个具有相似取向的孔的壁。所述壁包括：

-具有圆形截面的外端部的孔，

-具有椭圆形截面的外端部的孔，该椭圆形截面包括近似平行于一确定轴的长轴，

-具有椭圆形截面的外端部的孔，该椭圆形截面包括近似垂直于所述确定轴的长轴。

在一非限定性实施例中，所述壁为一燃烧室的壁。所有所述孔的取向是相似的，以在该燃烧室内获得未扰动的气流。

附图说明

在参照附图阅读以下给出的为提供信息而非限制性的描述之后，根据本发明的其他特征和优点将变得清楚，其中：

图1显示根据现有技术的燃烧室的部分壁；

图2显示穿过根据现有技术的燃烧室的壁的孔的外端部的截面；

图3示意性地显示根据本发明的燃烧室的一实施例；

图4显示根据本发明的方法中的步骤的方块图；

图5A、5B、5C、5D和5E图示出使用图4中所示的方法的孔的不同实施例；

图6、6A、6B和6C示意性地显示可应用于燃烧室的壁的三种类型的应力；

图7示意性地显示通过燃烧室的部分内壁的纵向截面；

图8示意性地显示通过燃烧室的部分内壁的纵向截面。

具体实施方式

图1和2用来说明现有技术。

为了清楚起见，仅示意性地未按比例地显示用来理解本发明的基本元件。

根据本发明的例子参照一燃烧室的壁非限定性地阐明。显然，本发明不限制为这样的壁，也可应用于其他类型的壁，例如发射孔穿过其中的衬垫，所述衬垫形成部分叶片。这样的衬垫对于本领域技术人员来说是公知的，并具体公开于法国专利申请FR2893080和FR2899271中。

本发明可具体应用于如图3中所示的涡轮机的燃烧室10。

该燃烧室10位于扩散器11的出口处，扩散器11自身位于未示出的压缩机的出口处，并包括第一壁12（由内环形壁形成）和第二壁13（由外环形壁形成），所述第一壁12和第二壁13连接于一环形室底壁14的上游侧。这些第一壁12和第二壁13的下游端通过内环形法兰15和外环形法兰16分别固定到扩散器11的内锥形壁17和燃烧室10的外壳体18的一端上。

由该压缩机供应的从扩散器11排出的部分气流供应一环形管19。穿过此环形管19的空气通过主空气入口孔20穿入燃烧室10内，所述入口孔20围绕内壁12的圆周均匀地分布并均匀地分布在外壁13的圆周上。

内壁12和外壁13还包括许多用于冷却空气穿过以冷却内壁12和外壁13的冷却孔21。

请注意，各孔20和21均具有外端部22，此外端部22的截面取决于在燃烧室10工作过程中孔所在的区域中的所计算的机械应力。孔20和21的外端部22位于内壁12的外表面23上以及外壁13的外表面24上。此有利特征将在下文描述。

图4显示根据本发明用于为一燃烧室的至少一个壁穿孔的方法100中的步骤。该方法100包括计算在燃烧室10工作过程中应用于该燃烧室的壁的机械应力的第一步骤101。在工作过程中，该壁具有很高的温度，产生不均匀地分布在该壁上的多个机械应力，这些应力例如在该燃烧室的下游侧上最高。作为提醒以及如图3中所示，燃烧室10的内壁12和外壁13分别通过相对较冷的内法兰15和外法兰16而在它们的下游端固定就位。这样，较高的应力集中由于这些壁与它们所固定到的法兰之间的温差而通常出现在内壁12和外壁13的下游侧上。

换句话说，此第一计算步骤101确定存在于所述壁中的机械应力，并特别确定所述机械应力的方向和强度。

请注意，机械应力是理论上计算得出，换句话说，是通过数字模型计算得出。

该方法100还包括在该壁的一确定区域（即在第一计算步骤101过程中应用于其上的机械应力已在其中理论上确定的区域）中沿一第一穿孔轴穿至少一个孔的第二步骤102。请注意此穿孔102沿一特定穿孔轴而进行。此特定穿孔轴相对于与该壁相切的平面倾斜，以利于从燃烧室外侧朝燃烧室内侧的空气流经的通道。

而且，沿该空气通道的表面积随着倾斜的增加而增加，这有助于冷却该壁中的更大量的材料。

而且，将用于进行穿孔102的所述工具的截面根据在此确定区域中应用的应力来选择。

通过本发明，所述孔的外端部的所需要的形状（其取决于所述工具与壁的交叉）可通过仅修改该工具的截面而获得。

图5A-5E非限定性地图示出可使用根据本发明方法的方法100制成的孔的不同外端截面。更准确说，所述不同孔的外端部截面使用具有可变截面的工具而获得，总是沿一特定的穿孔轴，例如相对于与燃烧室的壁的外轮廓相切的平面形成30度的角度，来进行穿孔。

换句话说，所述不同截面通过仅修改通过例如激光束形成的所述工具的截面而获得。

这样，对于具有圆柱形截面A1（具有例如0.6mm的直径）的工具，对应孔的外端部A2的截面为椭圆形的（见图5A）。该孔的外端部A2的截面的长轴A3平行于在该例中形成为燃烧室的轴A的确定的轴A。这样，此椭圆几何形状有利地用于其中应力的方向平行于燃烧室的轴A的区域中。

如图5B中所示，对于具有椭圆截面B1的工具，其中0.6mm长轴B2平行于燃烧室的轴A，0.4mm短轴B3垂直于长轴B2，该对应孔的外端部B4的截面形成一椭圆，其中长轴B5平行于燃烧室的轴A。该外端部B4的截面的长轴B5小于外端部A2的截面的长轴A3，如图5A中所示。此区别仅由于用来为壁穿孔的工具的截面。这样，此椭圆几何形状有利地用于其中主要应力的方向平行于燃烧室的轴A，并且最小应力的方向垂直于燃烧室的轴A的区域中。

在图5C中所示的一不同实施例中，对于具有椭圆形状的工具截面C1，其具有平行于燃烧室的轴A的0.8mm长轴C2和0.4mm短轴C3，对应孔的外端部C4的截面是圆形的。

这样，此圆形几何形状有利地用于其中平行于和垂直于燃烧室的轴A的应力的强度大致相同的区域中。

在图5D中所示的另一不同实施例中，对于具有椭圆形状的工具截面D1，其中1mm长轴D2平行于燃烧室的轴A，短轴D3为0.4mm，对应孔的外端部D4的截面形成一椭圆。注意，此椭圆截面D4与图5A中所示的通过圆形形状工具所获得的不同。在图5D所示的实施例中，椭圆形状截面D4仍然获得，但此椭圆的长轴D5垂直于燃烧室的轴A，其短轴D6平行于轴A。因此，该椭圆被翻转。这样，此椭圆的几何形状有利地用于其中主要应力的方向垂直于燃烧室的轴A的区域中。

在图5E中所示的不同实施例中，对于具有椭圆截面E1的工具，其具有平行于燃烧室的轴A的1.2mm长轴E2和0.3mm短轴E3，对应孔的外端部E4的截面形成与图5D中所示外端部D4的截面取向相似的椭圆。然而，椭圆截面E4的长轴E5大于图5D中所示的。这样，此椭圆几何形状有利地用于其中应力沿垂直于燃烧室的轴A的方向的区域中。

这样，从上面的描述很清楚，所使用工具截面的改变可使孔外端部具有不同的几何形状和/或取向。

请注意，形成椭圆的孔的外端部的各截面的长轴近似平行于加载方向，换句话说，近似平行于主要应力的方向。

在一非限定性例中，通过根据本发明的方法所使用的工具为激光束。这样，在壁的穿孔102过程中，该激光束的截面被改变以获得取决于在所述孔位于其中的区域中所计算的机械应力的孔外端截面。

在另一非限定性例中，通过根据本发明的方法所使用的工具为水柱喷射。

而且，当所计算的孔的截面小于例如0.6mm直径时，其可以单一穿孔步骤102进行穿孔。

在另一方面，当所计算的孔的截面较大时，其将通过周边切削来制造。更具体说，周边切削包括制造多个小孔，每个孔由至少两个孔所围绕。该组小孔为所计算的孔定边界，更具体说，为所述孔的外端部定边界。换句话说，周边切削包括通过多个穿孔102而切削所述孔的所计算的外端部的截面。

在一不同的实施例中，周边切削简单地通过沿一特定路径移动该工具来实现。

图6、6A、6B和6C示意性地表示根据本发明在燃烧室的部分壁60上所计算的机械应力。

在计算步骤101的一非限定性实施例中，该计算101进行于：

-壁60的第一区域61，机械应力F1垂直于和平行于燃烧室的轴A，这些垂直和平行的机械应力F1非常相似（见图6A）；

-壁60的第二区域62，高机械应力F2平行于燃烧室的轴A（见图6B）；

-壁60的第三区域63，高机械应力F3垂直于燃烧室的轴A。

通过根据本发明的方法100，以下根据在计算步骤101中计算的机械应力在步骤102中被穿孔，以防止在燃烧室的后续功能过程中形成裂纹：

-在燃烧室的第一区域61中，具有圆形外端部的孔65；

-在燃烧室的第二区域62中，具有椭圆形外端部的孔66，其中长轴Ga平行于燃烧室的轴A；

-在燃烧室的第三区域63中，具有椭圆形外端部的孔67，其中长轴Ga垂直于燃烧室的轴A。

还请注意，所有孔65、66和67的取向是相似的，以实现燃烧室内的无扰动气流。

注意，在其他实施例中，该确定的轴A可与燃烧室轴不同，并可例如由叶片的旋转轴形成。

更具体地，图7示意性地显示包括旋转轴A的燃烧室10的内壁12的一部分的纵截面。所述内壁12通过多个孔21（在图7中仅显示2个）而被穿孔。孔21围绕内壁12的周边分布。每个孔21均具有与一特定穿孔轴26重合的纵向轴25。每个纵轴25均穿过围绕燃烧室10的旋转轴A的相同线27。一围绕线27为一形成围绕轴A的圆周的线27，其中心与轴A重合。

一组穿孔轴26（也是纵轴25）还相交于单一点28。

更具体说，所述穿孔轴26对应于用来穿孔21的工具的纵轴。

如图8中所示，内壁12通过多个孔21而被穿孔。一些具有穿过围绕燃烧室的旋转轴A的第一线27a的纵轴25，所有这些纵轴25均相交于单一点28a。

其他孔21具有穿过围绕燃烧室的旋转轴A的第二线27b的纵轴25，该第二围绕线27b从第一围绕线27a轴向平移。穿过该第二线27b的所有这些纵轴25也在单一的第二点28b相交。

其他孔21具有穿过围绕燃烧室的旋转轴A的第n线27n的纵轴25，该第n线27n从第一和第二围绕线27a和27b轴向平移。穿过该第n线27n的所有这些纵轴25也在单一的第n点28n相交。

根据本发明的穿孔方法和燃烧室可特别应用于航空领域。

Claims (12)

1.一种壁（12，13）的穿孔方法（100），所述方法（100）包括计算对于所述壁的使用应用到所述壁（12，13）上的机械应力的第一步骤（101），其特征在于，所述方法（100）包括在所述壁（12，13）的第一确定区域中穿至少一个孔（21）的第二步骤（102），所述穿孔（102）使用具有取决于在所述第一确定区域中计算的机械应力的截面的工具而进行。

2.根据权利要求1所述的穿孔方法（100），其特征在于，所述壁（12，13）为燃烧室（10）的壁，所述壁的所述使用为所述燃烧室（10）的运转。

3.根据权利要求2所述的穿孔方法（100），其特征在于，加工出多个孔（21），每个沿特定穿孔轴（26）加工的孔（21）均经过围绕该燃烧室（10）的旋转轴（A）的相同的线（27），所有的穿孔轴（26）均在一单一点相交。

4.根据权利要求3所述的穿孔方法（100），其特征在于，各穿孔轴（26）形成一相对于与所述壁（12，13）相切的平面成20-70度的角。

5.根据前述权利要求中任何一项所述的穿孔方法（100），其特征在于，所述穿孔步骤（102）在一第二确定区域中重新进行。

6.根据前述权利要求中任何一项所述的穿孔方法（100），其特征在于，所述孔（21）通过边缘切削制成。

7.根据前述权利要求中任何一项所述的穿孔方法（100），其特征在于，所述孔（21）中的至少一个具有椭圆形的外端部（22），所述具有椭圆形截面的外端部（22）位于所述壁（12，13）的外表面（23，24）。

8.根据权利要求1-6中任何一项所述的穿孔方法（100），其特征在于，至少一个所述孔（21）的外端部（22）具有圆形截面，所述具有圆形截面的外截面（22）位于所述壁（12，13）的外表面（23，24）。

9.根据前述权利要求中任何一项所述的穿孔方法（100），其特征在于，所述工具为激光束或水柱喷射。

10.一种被穿多个孔（21）的壁（12，13），其特征在于，所述孔（21）使用根据权利要求1-9中任何一项所述的穿孔方法（100）制成，每个孔（21）均具有外端部（22），所述外端部的截面取决于在所述孔（21）所在的区域中所计算的机械应力。

11.一种穿有多个具有相似取向的孔（65，66，67）的壁（12，13），其特征在于，所述壁包括：

-具有圆形截面的外端部的孔（65），

-具有椭圆形截面的外端部的孔（66），该椭圆形截面包括近似平行于一确定轴（A）的长轴（Ga），

-具有椭圆形截面的外端部的孔（67），该椭圆形截面包括近似垂直于所述确定轴（A）的长轴（Ga）。

12.根据权利要求11所述的壁（12，13），其特征在于，所述壁（12，13）为一燃烧室（10）的壁。

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