CN105697193B - Cmc氧化物-氧化物混合器设计 - Google Patents

Cmc氧化物-氧化物混合器设计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及CMC氧化物‑氧化物混合器设计。排气混合系统具有连接法兰，所述连接法兰构造成将波瓣氧化物‑CMC排气混合器联接至涡轮发动机。所述连接法兰包括环状物和从所述环状物沿与环状物的中心轴线基本平行的第一方向延伸的多个突出物。所述环状物构造成联接至涡轮发动机且所述多个突出物构造成联接至波瓣混合器。

Description

CMC氧化物-氧化物混合器设计
技术领域
公开了一种改进的排气混合系统。尽管改进措施适用于在空中推进动力的涡轮发动机的排气混合系统，但所述改进措施也适用于在海洋中、水下和陆地上应用的涡轮发动机的排气混合系统。
背景技术
对于喷射式涡轮机例如涡扇发动机来说，越来越希望改进其排气混合系统的整体系统、设计以及运转。在联接至典型的涡扇发动机的排气混合系统中，排气混合系统可以用于增大推力且降低发动机噪声。因此，可以改进发动机运转和/或使发动机磨损最小化。然而，低效的或失效的排气混合系统会导致发动机效率降低和噪声增大。
因此，在本领域有进一步改进的空间。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于涡轮发动机的排气混合系统，所述排气混合系统包括连接法兰，所述连接法兰构造成将波瓣排气混合器联接至涡轮发动机，其中所述连接法兰包括：环状物，所述环状物构造成联接至涡轮发动机；和多个突出物，所述多个突出物从环状物沿与环状物中心轴线基本平行的第一方向延伸，其中，所述多个突出物构造成联接至波瓣排气混合器。
本发明的另一个方面涉及一种涡轮发动机，包括：联接环，所述联接环构造成联接至涡轮发动机的发动机接口；和多个联接指状物，所述联接指状物从联接环沿第一方向直线地突出，其中，所述多个联接指状物中的每个联接指状物具有与联接环相邻的第一端和与第一端相对的第二端，并且所述多个联接指状物中的每个联接指状物的第二端构造成联接至排气混合器，所述排气混合器构造成将发动机中心气流和旁路气流混合。
本发明的又一个方面涉及一种排气混合系统的制造方法，该制造方法包括制作环状的波瓣混合器连接法兰，其中，制作波瓣混合器连接法兰包括：形成具有第一腿和与第一腿基本垂直的第二腿的环；和形成多个联接指状物，所述联接指状物从第二腿沿基本平行于第一腿的方向突出。
附图说明
尽管权利要求书不限于具体的说明，但是通过各种示例的讨论将会对其各个方面得到最佳的了解。现在参考附图，示例性说明被详细示出。尽管附图用于说明，但不需要按照附图的比例且某些特征可以被扩大以更好地说明和解释示例的创新方面。此外，此处描述的示例性说明不意在于穷举，或在其他方面限制于附图中所示的且在下文中详细描述的精确的构成和配置。参考附图详细说明示例性说明，附图中：
图1示出了根据一个实施例的具有排气混合系统的示例性涡轮发动机；
图2A示出了根据另一个实施例的示例性排气混合系统；
图2B是根据一个实施例，图2A所示的排气混合系统的一部分的剖视图；
图3A是根据一个实施例的排气混合系统的一部分的立体图；
图3B是根据一个实施例，图3A所示的排气混合系统沿A-A线的剖视图；以及
图4是根据一个实施例的表示制造排气混合系统的示例性方法的流程图。
具体实施方式
公开了一种具有改进的排气混合系统的示例性燃气轮机。该混合系统包括用于将波瓣混合器紧固到发动机接口的连接系统。还公开了一种制造排气混合系统的新方法。
图1示出了示例性燃气涡轮发动机10，该燃气涡轮发动机10包括：风扇12，低压压缩机14和高压压缩机16，燃烧器18，以及高压、中压和低压涡轮，分别为20、21和22。高压压缩机16连接至第一转子轴24，而低压压缩机14连接至第二转子轴26。低压涡轮22连接至另一个轴27。所述各轴沿轴向延伸且与纵向中心轴线28平行。图1示出了一种三轴发动机，应当理解，其他实施例中可以考虑两轴和/或单轴构型。
周围空气30进入风扇12且通过风扇转子32被导入环形管道34，该环形管道34部分地由风扇壳体36界定。旁路气流38提供大部分的发动机推力，而主气流40(又称中心气流)被导入燃烧器18和涡轮20、21、22，然后通过产生推力的喷嘴排出。发动机10包括改进的排气混合系统44。所述系统44可以包括能够联接至发动机接口或支架48(例如，后部涡轮支架)的波瓣混合器46。排气混合系统44增强通过低压涡轮22的中心气流40与通过波瓣混合器46的旁路气流38的混合，从而增大推力。该中心气流40与旁路气流38的混合，在各自经过尾锥50并在排气喷嘴52排出时，也可以降低涡轮机噪声。
现在参考图2A，示出了联接至发动机接口或后部涡轮支架202的示例性排气混合系统200的立体图。排气混合系统200包括波瓣排气混合器204和将波瓣排气混合器204联接至发动机接口202的联接配件或法兰206。波瓣排气混合器204例如可以由限定出360度的单个元件组成。可替换地，尽管未示出，波瓣排气混合器204可以由共同限定出360度的两个或多个半环形组件组成。
波瓣排气混合器204例如由陶瓷基复合材料(CMC)制作，诸如氧化铝复合材料基中的高强度陶瓷铝纤维。在替换的实施例中，可以包括其他CMC材料，诸如陶瓷基中的硅酸铝纤维。无论使用何种CMC材料，CMC波瓣排气混合器204包括多个波瓣208，其增强中心气流和旁路气流的混合以增大推力且降低发动机噪声。根据可替换的实施例，CMC波瓣排气混合器的波瓣数目可以多于或少于图2A中所示出的波瓣数目。
CMC波瓣排气混合器204构造成通过图2A中的多个波瓣208来混合一般暖的或热的中心气流(例如，图1的主要气流40)和较冷的旁路气流(例如图1的旁路气流38)。与未被构造成用以混合中心气流和旁路气流或增强中心气流和旁路气流的混合的排气系统(未示出)相比，CMC波瓣排气混合器204对两种气流的混合一般而言增大了推力。除了增大喷射推力，由多个波瓣208增强的中心气流和旁路气流的混合可以降低喷射导致的噪声。
由CMC材料组成的结构通常比由金属材料组成的类似结构重量轻。此外，由CMC材料组成的结构在高温下保持结构形状的能力上也趋于优于许多相当的金属结构。因此，CMC波瓣排气混合器204一般地比由金属材料组成的相当的混合器重量更轻且更耐用。重量的降低又通常能增大涡扇发动机(例如，图1的燃气涡轮发动机10)的燃料效率。
如图2A所示，排气系统200的联接配件或法兰206包括环状物或联接环210，该环状物或联接环210具有多个从其直线延伸的突出物(又称，指状联接器)212。联接配件206例如可以由金属合金或超级合金如Inconel 625组成。此外，联接配件206可以是由限定出360度的单个元件制作，或者，可替换地，联接配件206可以由共同限定出360度的多个半环形组件组成。
联接配件206的多个突出物212从环状物210沿第一方向214突出，所述第一方向基本平行环状物210的中心轴线216。联接配件206将CMC波瓣排气混合器204联接至涡扇发动机的发动机支架或接口202(可替换地，例如，见图1中示出的发动机10的支架48)。也就是说，如图2A所示出的，联接配件206的环状物210联接至发动机接口202，而联接配件206的多个突出物212联接至CMC波瓣排气混合器204。多个突出物212中的每个突出物都具有挠曲(flex)的能力。因此，当CMC波瓣排气混合器204承受一定范围的空气动力或热载荷时，所述多个突出物或指状联接器212保持完好。
可以考虑，多个突出物212中的突出物的数量与CMC波瓣排气混合器204中的波瓣数量成比例。例如，突出物212的数量可以是波瓣208数量的两至四倍。然而应当注意，突出物的数目和波瓣的数目之间的关系不需要是2:1、3:1或4:1。例如，基于CMC波瓣混合器(例如，CMC波瓣排气混合器204)的重量和/或尺寸因素，可以使用更少或更多的突出物。
除了将CMC波瓣排气混合器204联接至发动机(例如，图1的发动机10)之外，联接配件206也用于降低系统上的应力，以最小化对混合器波瓣的结构挠度。也就是说，载荷能够从支架202通过联接配件206传递至CMC波瓣混合器204而不引起(或至少最小化)系统上的局部或结构应力。由于联接配件206具有挠曲的能力，其用作后部涡轮支架202和CMC波瓣排气混合器204之间的媒介物。
现在参考图2B，示出了图2A的示例性排气混合系统200的一部分218的剖视图。根据如图2B所示的实施例，环状物210通过多个环状安装硬件220联接至发动机接口或后部涡轮支架202。此外，多个突出物212中的每个突出物通过多个突出物安装硬件222联接至CMC波瓣排气混合器204。安装装置或安装硬件220、222例如可以包括机加工螺栓和螺母或其它紧固件(未示出)。
现在参考图3A，示出了示例性排气混合系统300的一部分的立体图。排气混合系统300的该部分包括联接装置或配件302(又称连接法兰)的一部分和CMC波瓣排气混合器304的一部分。连接法兰302的该部分包括环状物306的一部分，所述环状物具有从该环状物沿第一方向310直线突出的指状物联接器308。环状物306固定于发动机接口312且指状物联接器308固定于CMC波瓣排气混合器，由此将排气混合系统300联接至涡轮发动机(例如，图1的发动机10)。
环状物306包括第一腿314，该第一腿与第二腿316成一体。第二腿316基本垂直于第一腿314，而第一腿314基本平行于第一方向310。
指状物联接器308包括孔(void)318，该孔318与CMC波瓣排气混合器304中的孔320对准。这样，紧固件或安装硬件(例如图2B中的多个突出物安装硬件222)可以穿过各孔318和320将CMC波瓣排气混合器304联接至联接配件302。此外，环状物306包括多个孔(见示意的环状孔332)，从而允许安装硬件(如图2B中的多个环状物安装硬件220)穿过它们以使环状物306可以被联接到发动机接口312。这样，通过发动机接口312，排气混合系统300被联接至发动机(例如图1中的发动机10)。
由于指状物联接器(如指状物联接器308)的几何形状和CMC波瓣排气混合器304被联接到发动机接口312的方式，由于空气动力学压力和热增长而产生的载荷被减少且实质为剪切载荷。
根据图3A中示出的实施例，指状物联接器308具有大小为L1的指长324、大小为L2的头长326、大小为W1的轴宽328、大小为W2的头宽330、大小为T1的轴厚332和大小为T2的头厚334。根据一实施例，指状物联接器的尺寸由以下原则界定：指长324(L1)为轴宽328(W1)的4至6倍；头厚334(T2)为轴厚332(T1)的2至3倍；轴宽328(W1)为头宽330(W2)的1至1.3倍；轴厚332(T1)大约为轴宽328(W1)的0.1倍。按上述原则制造的指状物联接器增强了联接器的挠曲能力，从而增强了联接配件302在一定范围的空气动力学或热力载荷下运行的能力。挠曲能力增加了载荷从支架312经联接配件302达到波瓣排气混合器304的机会，而不会产生破坏性的局部或结构应力。应当注意，在允许联接配件302作为支架312和波瓣排气混合器304之间媒介物的前提下，对于连接法兰的制造也可以采用其它原则。
参见图3B，示出了根据一实施例沿图3A所示的排气混合系统300的A-A线截取的剖视图。图3B中的排气混合系统300包括一组指状物安装硬件336(又称突出物安装硬件)。指状物安装硬件336包括穿过CMC波瓣排气混合器304的平头螺栓338和指状物联接器308的头端340。指状物安装硬件336还包括螺母342，所述螺母342连同平头螺栓338一起，将指状物联接器308固定于CMC波瓣排气混合器304。虽然图3B中所示的指状物安装硬件336包括螺母342和平头螺栓338，可以想象采用其他安装硬件或紧固系统的实施方式(未示出)。
如图3B所示，在环状物306的第二腿316和CMC波瓣排气混合器304之间存在间隙344。所述间隙344考虑到了在温度升高的运转期间环状物306和/或CMC波瓣排气混合器304的热增长。因此，当排气混合系统300在温度升高的情况下运转时，CMC波瓣排气混合器304的第一边缘346和环状物306之间发生约束的潜在可能性至少被最小化了。由于CMC波瓣排气混合器304和支架312一般地由不同的材料制造，联接配件302(与其环状物306和多个指状物联接器308一起)用作降低系统上的局部或结构应力的媒介物。
应当注意，根据图3B所示出的实施例，CMC波瓣排气混合器304的安装区域350处的厚度348(T3)大于CMC波瓣排气混合器304的第一边缘354处的厚度352(T4)。增大的厚度348(T3)在安装区域350与指状物联接器308头部340交汇处为CMC波瓣排气混合器304增加完整性。
现在参考图4，流程图400示出了制造排气混合系统(例如，图1的排气混合系统44，图2A-2B的排气混合系统200，和/或图3A-3B的排气混合系统300)的示例性方法。
过程控制开始于块402处，该处所述方法包括形成具有第一腿和与第一腿基本垂直的第二腿的环。然后过程控制进行至块404，该处所述方法进一步包括形成多个联接指状物，所述多个联接指状物从环的第二腿沿基本平行于第一腿的方向突出。同时，环和多个联接指状物构成环形波瓣混合器连接法兰。应当理解，所述环和联接指状物可以形成为分体式结构然后接合在一起。这样，联接指状物的形成可以先于或同时于环的形成。可替换地，可以使用模具，将环和联接指状物作为单个的元件(或多个半环形的元件)来制造连接法兰。
制造连接法兰(即块402,404)之后，过程控制进行至块406，该处制造方法包括制造CMC波瓣混合器。应当注意，尽管流程图400中描述CMC波瓣混合器的制造(即，块406)先于连接法兰的制造(即，块402,404)发生，在替换的制造方法中，CMC混合器的制造可以先于或同时于连接法兰的制造。例如，氧化物-氧化物CMC混合器可以作为层压制件构成或成型。除了高温烧结和修整设计，层压制件过程类似于使用高分子复合材料的过程。
继续参考图4的流程图400，在制造CMC波瓣混合器之后，过程控制进行至块408，该处方法包括将CMC波瓣混合器固定于多个联接指状物中的每个联接指状物。根据一个实施例，CMC波瓣混合器以确保CMC波瓣混合器不与连接法兰的环接触的方式连接至每个联接指状物。也就是说，CMC波瓣混合器固定至连接法兰，以使得在CMC波瓣混合器的上游端和连接法兰的环之间存在间隙。可以理解，所述间隙考虑到了波瓣混合器和/或连接法兰的热增长。相应地，在正常高温运转过程中，CMC波瓣混合器与连接法兰的环相接触的可能性至少被最小化。
在CMC波瓣混合器固定于连接法兰之后，过程控制进行至块410，该处方法包括将连接法兰环的第二腿固定于发动机接口(例如，后部涡轮支架)。发动机接口是用以将排气混合系统(即，CMC波瓣混合器和连接法兰)联接至涡扇发动机的接口。换言之，CMC波瓣混合器和连接法兰通过发动机接口联接至涡扇发动机。连接法兰用作发动机接口和CMC波瓣混合器之间的媒介物，且因此，允许载荷从系统通过同时最小化局部应力。应当注意，铆钉、螺母和螺栓，和/或其它类型的紧固件也可以用于将连接法兰紧固于发动机接口。
然后在将环固定于发动机接口后，过程控制进行至结束。
应当注意，根据一替换的实施例，连接法兰可以在CMC波瓣混合器连接至连接法兰之前或同时连接至发动机接口。
关于此处描述的过程、系统、方法、启发法等，应当理解，尽管上述过程等的步骤按照特定的有序序列的发生来描述，但上述过程可以以不同于此处描述的顺序进行所述的步骤。还应当理解，某些步骤可以同时进行，可以添加其他步骤，或者此处描述的某些步骤可以被省略。换言之，此处提供的过程描述意在说明特定的实施例，且不应被理解为限制权利要求书。
权利要求书中使用的所有术语意在被给予最广义的合理的解释及其为此处描述的技术领域的人员所理解的普通的意义，除非此处作出明确的相反地指示。特别地，诸如“一”、“该”、“所述”等单数冠词应当被理解列举一个或多个所指示的元素，除非权利要求书给出明确的相反地限制。

Claims (20)

1.一种用于涡轮发动机的排气混合系统，所述排气混合系统包括：
连接法兰，所述连接法兰构造成将波瓣排气混合器联接至涡轮发动机，其中所述连接法兰包括：
环状物，所述环状物构造成联接至涡轮发动机；和
多个突出物，所述多个突出物中的每个突出物从附接至所述环状物的第一端沿与环状物中心轴线基本平行的第一方向朝与所述第一端相对的第二端直线延伸，其中，所述多个突出物构造成联接至波瓣排气混合器，所述多个突出物中的每个突出物包括从所述环状物延伸的轴部和联接至波瓣排气混合器的头部，所述头部的头厚大于所述轴部的轴厚，所述头厚和所述轴厚是在所述环状物的径向方向上测量的。
2.根据权利要求1所述的排气混合系统，其中，所述波瓣排气混合器由陶瓷基复合材料组成。
3.根据权利要求1所述的排气混合系统，其中，所述环状物包括：
第一环形腿，所述第一环形腿具有从其延伸的多个突出物；和
与第一环形腿成一体的第二环形腿。
4.根据权利要求3所述的排气混合系统，其中，第一环形腿基本垂直于第二环形腿。
5.根据权利要求1所述的排气混合系统，其中，所述环状物由多个半环状物组成。
6.根据权利要求1所述的排气混合系统，其中，所述多个突出物中的突出物总数目是波瓣排气混合器中波瓣总数目的两倍。
7.根据权利要求2所述的排气混合系统，其中，所述连接法兰由超级合金组成。
8.一种涡轮发动机，包括：
联接环，所述联接环构造成联接至涡轮发动机的发动机接口；和
多个联接指状物，其中，所述多个联接指状物中的每个联接指状物具有附接至联接环的第一端和与第一端相对的第二端并且从所述第一端朝所述第二端直线地突出，并且所述多个联接指状物中的每个联接指状物的第二端构造成联接至排气混合器，所述排气混合器构造成将发动机中心气流和旁路气流混合，所述多个联接指状物中的每个联接指状物包括从所述联接环延伸的轴部和联接至排气混合器的头部，所述头部的头厚大于所述轴部的轴厚，所述头厚和所述轴厚是在所述联接环的径向方向上测量的。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其中，每个联接指状物从所述第一端沿第一方向朝所述第二端延伸，所述第一方向基本平行于联接环的中心轴线。
10.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其中，所述排气混合器是由陶瓷基复合材料氧化物-氧化物材料组成的波瓣排气混合器，所述联接环和所述多个联接指状物由金属合金材料组成。
11.根据权利要求10所述的涡轮发动机，其中，所述多个联接指状物中的联接指状物总数量是波瓣排气混合器中波瓣总数量的两至四倍。
12.根据权利要求10所述的涡轮发动机，其中，所述多个联接指状物中的每个联接指状物在所述第二端包括孔，所述孔构造成允许安装硬件经由该孔至波瓣排气混合器以将每个联接指状物联接至波瓣排气混合器。
13.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其中，所述联接环包括：
基本与第一方向平行的第一腿；和
与第一腿成一体的第二腿，其中，第二腿基本垂直于第一腿。
14.根据权利要求13所述的涡轮发动机，还包括多个螺栓，其中，第二腿构造成允许多个螺栓贯穿该第二腿以将联接环固定于发动机接口。
15.一种排气混合系统的制造方法，包括：
制作环状的波瓣混合器连接法兰，其中，制作波瓣混合器连接法兰包括：
形成具有第一腿和与第一腿基本垂直的第二腿的环；和
形成多个联接指状物，所述联接指状物从第二腿沿基本平行于第一腿的方向突出，所述多个联接指状物中的每个联接指状物具有附接至所述环的第一端和与第一端相对的第二端并且从所述第一端朝所述第二端直线地突出，所述多个联接指状物中的每个联接指状物包括从所述环延伸的轴部和联接至排气混合器的头部，所述头部的头厚大于所述轴部的轴厚，所述头厚和所述轴厚是在所述环的径向方向上测量的。
16.根据权利要求15所述的制造方法，还包括制作陶瓷基复合材料波瓣混合器，所述陶瓷基复合材料波瓣混合器构造成增强旁路气流与中心气流的混合，其中陶瓷基复合材料波瓣混合器包括多个波瓣。
17.根据权利要求16所述的制造方法，还包括将所述环的第二腿固定于发动机接口以将波瓣混合器连接法兰联接至涡扇发动机。
18.根据权利要求16所述的制造方法，其中，形成联接指状物包括形成数量为所述多个波瓣中波瓣数量的两至四倍的联接指状物。
19.根据权利要求16所述的制造方法，还包括将陶瓷基复合材料波瓣混合器固定于所述多个联接指状物中的每个联接指状物。
20.根据权利要求19所述的制造方法，其中，将陶瓷基复合材料波瓣混合器固定于所述多个联接指状物中的每个联接指状物包括将陶瓷基复合材料波瓣混合器固定于每个联接指状物以使陶瓷基复合材料波瓣混合器和环的第二腿之间有间隙。
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