CN105658913A - 用于燃气涡轮发动机燃烧气体管道的结构安装装置 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机的管道装置(10)，包括：环形腔室(14)，其被配置成接收多个源自各罐式燃烧器的燃烧气体的离散流并递送离散流到涡轮入口环形部，其中所述环形腔室包括内径(52)和外径(60)；外径安装装置(34)，其被配置为允许相对径向运动，并防止外径和涡轮导叶载体(20)之间的相对轴向运动和圆周运动；和内径安装装置(36)，其包括固定到所述涡轮导叶载体的支架(64)，其中所述支架被配置为允许所述内径与所述外径径向移动，并防止所述内径相对于所述外径的轴向偏转。

Description

用于燃气涡轮发动机燃烧气体管道的结构安装装置

关于联邦政府资助开发的声明

本发明的开发由美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42644部分支持。因此，美国政府可以拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的环管形燃烧系统的安装装置。具体地，该装置允许相对径向运动，但防止燃烧系统的环形腔室和固定有环形腔室的涡轮导叶载体之间的相对轴向运动。

背景技术

传统的环管形燃气涡轮发动机包括多个单独的燃烧器罐，其每一个可以被固定到相应的过渡管道，所述过渡管道引导燃烧气体从燃烧器罐并通过入口导叶到涡轮入口环形部的相应部分。燃烧气体的每个流保持从燃烧器的离散直到离开各自的过渡管道。与此相反，在使用管形燃烧器的某些新兴燃气涡轮发动机中，过渡管道阵列被替换为管道装置，其接收来自重新定位燃烧器罐的离散燃烧气体流，将它们加速至适合于递送到第一行涡轮叶片的速度，并将它们引导到共同管道结构，该共同管道结构可以包括其中燃烧气体流不再彼此分开的环形腔室。环形腔室直接排气到涡轮机入口。(其中即使在共同管道结构内各个流也保持离散的其他结构存在。)通过该装置产生的适当取向和速度消除了对存在于常规装置中的第一行入口导叶的需求。此配置的示例可以在Charron等人的2011年8月25日公布的美国专利申请公开号2011/0203282中看到，其通过引用整体并入本文。

在传统的燃气涡轮发动机燃烧器装置中，由于燃烧气体流在过渡管道中不被大量加速，在围绕过渡管道的增压室内的压缩空气和过渡管道中的燃烧气体流的静压力之间存在相对小的静压差。因此，存在一个比较小的在过渡管道的外表面上向内按压的力。

与此相反，在新兴技术的管道装置中，燃烧气体流以显著更高的速度行进。这导致显著更大的压力差(至多6个大气压)，并产生作用在管道装置的外表面上的力。在具有加速几何形状的配置中，其将燃烧气体流加速到用于递送到第一行涡轮机叶片的适当速度，例如具有环形腔室的配置，环形腔室经历这些力中最大的力，因为燃烧气体流在环形腔室内时被充分加速。这些力起作用以使管道装置，特别是环形腔室变形，并且在本领域中有改善余地以抵制这种变形。

附图说明

本发明在以下的描述结合附图进行说明，所述附图示出了：

图1是可使用本文中所描述的安装装置的管道装置的示意性图示。

图2是图1的管道装置的示意性图示，其被定位在燃气涡轮发动机的燃烧段内。

图3是图2的燃气涡轮发动机的燃烧段内的管道装置的环形腔室的沿图1的A-A的示意性剖面，其示出了安装装置的示例性实施例。

图4是沿图3的沿B-B的视图。

图5-7是安装装置的替代示例性实施例。

具体实施方式

本发明人设计了一种可以抵抗与新兴技术环管型燃烧装置相关联的管道变形的创新安装装置。该安装装置允许相对径向运动，同时防止相对于涡轮导叶载体的管道的相对轴向运动，其中管道安装到涡轮导叶载体。此外，安装装置提供了支撑作用，其帮助管道保持其形状/轮廓，尽管压力引起的力起作用以使管道变形。

图1是管道装置10从后向前看所观察的示意性图示，其可与正确取向的罐式燃烧器(未示出)一起使用。管道装置10接收燃烧气体，并引导其朝向涡轮(未示出)的入口环形部(未示出)。管道装置10可包括多个锥体12，其分别被配置成接收从相应的罐式燃烧器传出的燃烧气体的离散流。每个锥体12可以是离散管道的一部分，并且各管道可并入共同管道结构。共同管道结构可包括所有的燃烧气体流流动进入的环形腔室14。加速结构16可以存在，以将它从进入锥体12时行进的速度加速到适于递送至第一行涡轮机叶片(未示出)的速度，该速度可以接近0.8马赫及以上。

图2示出了管道装置10(为清楚起见无锥体12)，其被定位在燃气涡轮发动机的涡轮导叶载体20内。压缩空气离开压缩机出口扩散器22并进入围绕管道装置10的增压室24。当朝向入口(未示出)移动到燃烧器罐(未示出)时，压缩空气在增压室24内相对缓慢地移动。一旦压缩空气与燃料混合并在罐内燃烧，它由管道装置10接收并经由在图2中部分可见的加速结构16加速到接近0.8马赫及以上的相对快的速度。在涡轮导叶载体20中部分可见的是环形腔室14，其经历了大量的压力引起的力。

图3是图1的沿A-A的剖面，其示出了包括环形腔室14的管道装置10的共同管道结构。在环形腔室14的后端是出口30，在进入出口30紧接后方的涡轮入口环形部(未示出)之前，燃烧气体从该出口排出。安装装置32的一个示例性实施例包括外径安装装置34和内径安装装置36。外径安装装置34可允许在径向方向38上的运动并限制在轴向方向40上的运动。在如图所示的示例性实施例中，这可以通过开槽装置实现，例如由与环形腔室14的外径52相关联的径向取向外径凸缘50和相对于涡轮机导叶载体20固定的径向取向外安装槽54形成的开槽装置实现。(凸缘和槽的位置可以很容易地切换并仍然实现相同目标或相对径向而非轴向运动)。

当被接合时，外径安装装置34允许环形腔室14的外径52相对于涡轮导叶载体20的径向运动。这是非常重要的，因为在瞬时事件期间，两者可能以不同的速率加热和冷却，这可能导致在径向方向上的相对热增长，该热增长需要相对的径向运动来避免两者之间的热应力。此外，操作过程中的振动可能需要径向运动的自由。然而，相对的轴向运动必须被防止以阻止环形腔室14到达第一行涡轮叶片。

内径安装装置36是指被需要以固定环形腔室14的内径60的装置。内径安装装置36被配置为允许相对径向运动并防止相对轴向运动，并且可包括：与环形腔室14的内径60相关联的内径凸缘62、支架64、以及相对于涡轮导叶载体20固定的径向取向内安装槽66。支架64包括导叶载体端68和环形腔室端70。导叶载体端68可以包括支架径向取向凸缘72，其被配置为装配在径向取向内安装槽66内。环形腔室端70可固定地固定到内径凸缘62。通过固定地被固定意味着相对运动在该位置是不允许的。

在这种结构中可以看出，环形腔室14的内径60通过内径凸缘62、支架64、支架径向取向凸缘72和径向取向内安装槽66，以允许内径60与涡轮导叶载体20之间的相对径向运动并防止相对轴向运动的方式被固定到涡轮导叶载体20。支架64将通过内径60的任何径向运动浮动，并且因此会在径向取向内安装槽66内浮动。然而，轴向运动将被防止，因为支架的导叶载体端68通过涡轮导叶载体20的前表面80被防止轴向运动。支架64的固有刚性将防止环形腔室端70轴向运动。支架64将能够通过支架径向取向凸缘72和径向取向内安装槽66的相互作用保持其取向。

安装装置32可任选地包括补充支撑装置90，其在导叶载体端68和环形腔室端70之间的支架64的补充支撑点94处为管道装置10的附加位置92提供补充支撑。这可以经由附加突出部96和补充支撑点94的滑动关系来实现，其允许热增长错配，但仍为内径60提供了必要的支撑。

以这种方式支撑管道装置10并且特别是内径60是很重要的。在增压室24中相对高的静压力希望将内径60和外径52带到一起。但是，当环形腔室被形成为统一单元时，这个力将基本上由环形腔室14本身的环形形状接纳。在示出的示例性实施例中，统一单元包括环形腔室14，其由被固定在一起以形成环形腔室14的多个弧形段形成。由于存在燃烧器罐，可能有许多弧形段。然而，段的数量不必直接与燃烧器罐的数量相关。例如，可能存在六个离散段代替十二个，每段可以与两个相邻的燃烧器罐相关联，或四个离散弧段，每个与三个燃烧器罐相关联，等等。

周向相邻段的边缘可以是例如直接彼此螺栓固定。这减少了相邻段之间的空气泄漏，并且从而增加了发动机的效率。然而，压力引起的力也向后推动内径60，(如右图所示)，并且没有适当的支撑，内径60可能倾向于向后移动。至少，这将改变管道装置10的轮廓。在最末端并在适当的条件下，这可能致命地使管道装置10弯曲。管道装置10可在传统过渡管道的较高温度下工作，以减少所使用的冷却空气量，这继而提高发动机的效率。增加的工作温度使得管道装置更接近其工作极限，并且这降低了其结构强度。上述，加上环形腔室14的几何形状，净得一种装置，其中在工作期间自然发生的热增长可以大于它将采取的使环形腔室14屈服的应变量。出于所有这些原因，传统支架在新技术管道装置10中不再足够。

先前安装装置试图通过刚性地固定至涡轮导叶载体20，或者固定到发动机的另一部分来支撑内径。该刚性固定内径60到涡轮导叶载体20的实施方案是不够的，因为该环形腔室14不同地响应热变化，因而在环形腔室14和涡轮导叶载体20之间存在相对热生长。刚性连接导致两者之间不可接受的热斗。固定内径60到其他位置的实施方案往往没有提供足够的支撑，因为其他位置增加了它们自己的热生长差异。

本发明人认识到，有必要给予环形腔室14相对于涡轮导叶载体20径向移动的自由度，并且有必要限制其轴向运动。本发明人进一步认识到，为了提供必要的径向运动自由度，内径60和外径52均需要径向自由移动。他们设计了当前的装置，其将内径60和外径52有效地系成在一起成为一个部件，涡轮导叶载体20，并且因此只需要考虑的一个部件的热响应。本发明人进一步认识到，当与凸缘和凹槽装置结合使用用于外径52时，具有径向运动自由度的悬臂支撑能同时满足为内径60提供径向运动自由度的需要，以及为管道装置10提供结构支持/支撑(即外骨骼式功能)需要。因此，支架64可以使用任意数量的方式被固定在管道装置10，只要它实现允许相对于涡轮导叶载体的相对径向运动而不是相对轴向运动的目标。

支架64也可以有效地对抗内径60上的压力引起的力的方式被预加应力。例如，如果在轴向方向40上的运动将被对抗，支架64可以被预弯，使得补充支撑点94在径向向外方向上移动。当不在基部负荷条件下时，支架64可能倾向于将内径60拉向左侧(前部)，但在这些较低的压力差下，拉力将在管道装置10的结构能力内。当在工作条件下时，支架64可以被配置为使得压力差推动内径60到在环形腔室14内存在降低的或没有应力的工作位置。在这种情况下，如果不是所有，大部分压力引起的力可以由支架64和径向取向内安装槽66支承。

如果必要，可以存在任何数目支架64。例如，在所示的示例性实施例中，对于构成环形腔室14的每个离散弧形段可以存在一个支架64。可替代地，可以存在更多或更少的支架64。例如，对于每段可以存在两个支架64。当被螺栓连接在一起时，环形腔室14表现出一定的结构强度，并且因此每个弧段可以存在少于一个支架64。支架可围绕环形腔室14的圆周被均匀地定位，或者它们的位置可以根据局部需求来选择，从而导致围绕圆周非对称地定位支架64。

如图4所示，支架径向取向凸缘72可包括用于相应凸耳102的花键槽100，其一起形成防旋转装置104，以防止支架径向取向凸缘72(以及因此支架64)在径向取向内安装槽66内的转动。可替代地，花键槽100可被形成在周向相邻的径向取向凸缘72之间。这种防旋转(防角/周向)装置可能是必要的，以抵抗可能响应于燃烧过程被产生的切向反应负荷。这个切向反应负荷有可能起作用以转动管道装置10，并且凸耳102防止这种转动。

图5示出了安装装置32的替代示例性实施例。在这里，支架64的环形腔室端70和导叶载体端68以与图3中相同的方式被固定。补充支撑装置90是不同的，并且包括补充支撑槽110和与补充支撑槽110相配合的管道装置凸缘112。径向运动但不轴向运动的自由度被保持，并且补充支撑简单地被不同配置。

图6示出了安装装置32的一个替代示例性实施例。在此，支架64被牢固地固定在补充支撑点94。环形腔室端70包括环形腔室端轴向取向槽120，其被构造成在内径凸缘62轴向取向时，接收内径凸缘62。支架64的导叶载体端68与图3中同样被固定。该装置提供了必要的相对径向自由度，并限制内径60的轴向运动。图7示出了类似于图6的又一替代实施例，但其中环形腔室端70包括环形腔室端径向取向槽122，其被配置成当内径凸缘62被径向取向时，接收内径凸缘62。各种其它实施例可被用于实现这些概念。例如，图6或7的环形腔室端70可以在图3的实施例中被实现。这将消除支架64到管道装置10的任何固定安全。然而，如果被正确的尺寸设计，这将能够提供所需的相对径向运动，同时防止相对轴向运动。

从前述内容可以看出，本发明人已经为与新燃烧装置设计相关联的唯一问题设计了一种创新的解决方案。本发明的安装装置是难以充分识别的问题的一个简单解决方案，并且因此代表了本领域中的改进。

虽然本发明的各种实施例已经在本文中被示出和描述，但是显而易见的是，这些实施例仅通过示例的方式被提供。可以不脱离本文的发明作出许多变化、改变和替换。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机管道装置，包括：

共同管道结构，其被配置以接收多个源自各罐式燃烧器的燃烧气体的离散流，并递送所述离散流到涡轮入口环形部，其中环形腔室包括内径和外径；

外径安装装置，其被配置成允许所述外径和涡轮导叶载体之间的相对径向运动，并防止相对轴向运动；和

内径安装装置，其包括固定到所述涡轮导叶载体的支架，其中所述支架被配置为允许所述内径与所述外径径向移动，并防止所述内径相对于所述外径的轴向偏曲。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述外径安装装置包括所述环形腔室的径向取向外径凸缘和相对于所述涡轮导叶载体被固定的径向取向外安装槽，其中所述环形腔室的外径凸缘存在于所述径向取向外安装槽中。

3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述内径安装装置包括所述环形腔室的内径凸缘和相对于所述涡轮导叶载体被固定的径向取向内安装槽，并且其中所述支架被固定到所述环形腔室内径凸缘和所述涡轮导叶载体内安装槽。

4.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架的导叶载体端包括径向取向凸缘，其被配置为存在于所述涡轮导叶载体内安装槽内。

5.如权利要求4所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架的环形腔室端被固定地固定到所述环形腔室内径凸缘。

6.如权利要求4所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架的环形腔室端包括其中存在所述环形腔室内径凸缘的槽。

7.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机管道装置，进一步包括补充支撑装置，其被配置为所述管道装置的附加位置提供支撑，其中所述附加位置在导叶载体端和所述支架的环形腔室端之间的补充支撑点被固定到所述支架。

8.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述附加位置被固定地固定到所述补充支撑点。

9.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述附加位置和所述补充支撑点滑动接触。

10.如权利要求2所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述外径安装装置还包括防旋转装置，其包括相对于所述涡轮导叶载体固定并存在于所述环形腔室外径凸缘的花键槽内的花键。

11.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架被配置为使得所述支架在所述内径安装装置内的相对热生长以有效地对抗所述内径上的压力引起的力的方式对所述内径预加应力。

12.一种燃气涡轮发动机的管道装置，包括：

环形腔室，其被配置以递送燃烧气流到涡轮入口环形部；

外径安装装置，其被配置成允许所述外径和涡轮导叶载体之间的相对径向运动，并防止相对轴向运动；和

支架，其以允许之间的相对径向运动并防止相对轴向运动的方式被固定到所述涡轮导叶载体，其中所述支架被配置为用于所述内径的悬臂支撑。

13.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述外径安装装置包括所述环形腔室的径向取向外径凸缘和相对于所述涡轮导叶载体固定的径向取向外安装槽，其中所述环形腔室外径凸缘存在于所述径向取向外安装槽中。

14.如权利要求13所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述外径安装装置还包括防旋转装置，其包括相对于所述涡轮导叶载体固定并且存在于所述环形腔室外径凸缘的花键槽内的花键。

15.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架响应于径向运动而径向移动所述环形腔室。

16.如权利要求15所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架的导叶载体端包括径向取向凸缘，其被配置为存在于相对于所述涡轮导叶载体固定的内安装槽内。

17.如权利要求15所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架的环形腔室端被固定地固定到所述内径。

18.如权利要求15所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架：在导叶载体端被固定到所述涡轮导叶载体；在环形腔室端被固定到所述环形腔室；并在所述导叶载体端和所述环形腔室端之间在所述支架的一个点处被固定地固定到所述管道装置。

19.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述支架被配置成使得所述支架相对于所述环形腔室的相对热增长以有效地对抗压力引起的力的方式对所述内径预加应力，所述力起作用以相对于所述外径移动所述内径。

20.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机管道装置，其中所述环形腔室包括多个相互固定的腔室弧段，并且其中所述燃气涡轮发动机管道装置包括与每个腔室弧段相关联的支架。