CN107120685A - 燃烧器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃烧器组件。具体而言，一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件包括限定了开口、冷却孔且至少部分地限定了燃烧室的燃烧器圆顶。燃烧器圆顶包括第一侧和第二侧，冷却孔从第一侧延伸至第二侧。燃烧器组件另外包括至少部分地定位在燃烧器圆顶的开口内且包括热屏蔽件的燃料‑空气喷射器硬件组件。热屏蔽件包括隔热屏唇部。燃烧器圆顶中的冷却孔定向成将冷却空气流引导到隔热屏唇部上以将热屏蔽件的至少一部分维持在期望的操作温度范围内。

Description

燃烧器组件
联邦赞助研究
本发明在美国军队的合同号W911W6-11-2-0009下利用政府支持实现。政府可具有该发明中的某些权利。
技术领域
本主题大体涉及燃气涡轮发动机，或更具体而言涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件。
发明背景
燃气涡轮发动机大体包括彼此成流连通配置的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心大体包括成串流顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供至压缩机区段的入口，在那里一个或多个轴向压缩机逐步压缩空气直到其达到燃烧区段。燃料与压缩空气混合且在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段传送至涡轮区段。穿过涡轮区段的燃烧气体的流驱动涡轮区段且然后传送穿过排气区段，例如至大气。
在燃烧区段内，燃烧器通常包括附接至圆顶的燃料-空气喷射组件。燃料-空气喷射组件可包括热屏蔽件以保护例如燃料-空气喷射组件和/或圆顶的各种其它构件。因此，热屏蔽件在燃气涡轮发动机的操作期间承受相对高的温度。此暴露可能导致热屏蔽件的过早磨损和/或失效。因此，能够减少热屏蔽件的过早磨损和/或失效的燃烧器将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中显而易见，或可通过本发明的实践来了解。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件。燃烧器组件包括限定了开口和冷却孔且至少部分地限定了燃烧室的燃烧器圆顶。燃烧器圆顶包括第一侧和第二侧。冷却孔从第一侧延伸至第二侧。燃烧器组件还包括至少部分地定位在燃烧器圆顶的开口内且包括热屏蔽件的燃料-空气喷射器硬件组件。热屏蔽件包括隔热屏唇部。燃烧器圆顶中的冷却孔定向成将冷却空气流引导到隔热屏唇部上。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件。燃烧器组件包括限定了开口和冷却孔且至少部分地限定了燃烧室的燃烧器圆顶。燃烧器圆顶包括第一侧和第二侧。冷却孔从第一侧延伸至第二侧。燃烧器组件另外包括至少部分地定位在燃烧器圆顶的开口内且包括热屏蔽件的燃料-空气喷射器硬件组件。热屏蔽件限定周向通道，且燃烧器圆顶中的冷却孔定向成将冷却空气流引导到周向通道中。
在本公开的一个示例性方面中，提供了一种用于冷却燃气涡轮发动机的燃烧器的方法。燃烧器包括燃烧器圆顶。该方法包括提供冷却空气流至从燃烧器圆顶的冷侧延伸至燃烧器圆顶的热侧的冷却孔。燃烧器圆顶限定开口，且燃烧器包括至少部分地延伸穿过开口的燃料-空气喷射器硬件组件。该方法还包括将来自冷却孔的冷却空气流引导至燃料-空气喷射器硬件组件的热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧。隔热屏唇部位于燃烧器的燃烧室内。
技术方案1.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件，所述燃烧器组件包括：
燃烧器圆顶，其限定开口和冷却孔且至少部分地限定燃烧室，所述燃烧器圆顶包括第一侧和第二侧，所述冷却孔从所述第一侧延伸至所述第二侧；和
燃料-空气喷射器硬件组件，其至少部分地定位在所述燃烧器圆顶的开口内且包括热屏蔽件，所述热屏蔽件包括隔热屏唇部，且所述燃烧器圆顶中的所述冷却孔定向成将冷却空气流引导到所述隔热屏唇部上。
技术方案2.根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中，所述冷却孔从所述燃烧器圆顶的第一侧至所述燃烧器圆顶的第二侧朝所述燃烧器圆顶中的所述开口倾斜。
技术方案3.根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中，所述燃烧器圆顶还包括从所述燃烧器圆顶的第一侧延伸至所述燃烧器圆顶的第二侧的定向成将冷却空气流引导到所述隔热屏唇部上的多个冷却孔。
技术方案4.根据技术方案3所述的燃烧器组件，其中，所述燃烧器圆顶限定围绕所述开口延伸的圆周，且其中所述多个冷却孔沿围绕所述开口延伸的所述圆周间隔开。
技术方案5.根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中，所述隔热屏唇部包括热侧和冷侧，且其中所述燃烧器圆顶中的所述冷却孔定向成将所述冷却空气流引导到所述隔热屏唇部的冷侧上。
技术方案6.根据技术方案5所述的燃烧器组件，其中，所述热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧至少部分地限定通道，且其中所述通道构造成接收来自所述冷却孔的冷却空气流。
技术方案7.根据技术方案5所述的燃烧器组件，其中，所述热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧至少部分地限定通道，且其中所述通道限定U形形状。
技术方案8.根据技术方案5所述的燃烧器组件，其中，所述热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧至少部分地限定通道，其中所述燃烧器圆顶包括前壁，其中所述燃烧器圆顶的前壁限定方向，其中由所述隔热屏唇部至少部分地限定的所述通道在与所述燃烧器圆顶的前壁的方向垂直的方向上限定高度，且其中所述通道的高度为至少大约0.025英寸。
技术方案9.根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中，所述冷却孔包括所述燃烧器圆顶的热侧处的出口，其中所述热屏蔽件的隔热屏唇部覆盖所述燃烧器圆顶中的冷却孔的出口。
技术方案10.根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中，所述燃烧器圆顶由陶瓷基质复合物材料形成。
技术方案11.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件，所述燃烧器组件包括：
燃烧器圆顶，其限定开口和冷却孔且至少部分地限定燃烧室，所述燃烧器圆顶包括第一侧和第二侧，所述冷却孔从所述第一侧延伸至所述第二侧；和
燃料-空气喷射器硬件组件，其至少部分地定位在所述燃烧器圆顶的开口内且包括热屏蔽件，所述热屏蔽件限定周向通道，所述燃烧器圆顶中的所述冷却孔定向成将冷却空气流引导到所述周向通道中。
技术方案12.根据技术方案11所述的燃烧器组件，其中，所述冷却孔从所述燃烧器圆顶的第一侧至所述燃烧器圆顶的第二侧朝所述燃烧器圆顶中的所述开口倾斜。
技术方案13.根据技术方案11所述的燃烧器组件，其中，所述热屏蔽件包括隔热屏唇部，其中所述隔热屏唇部包括热侧和冷侧，且其中所述隔热屏唇部的冷侧至少部分地限定所述周向通道。
技术方案14.根据技术方案11所述的燃烧器组件，其中，所述热屏蔽件包括隔热屏唇部，其中所述冷却孔包括所述燃烧器圆顶的第二侧处的出口，且其中所述热屏蔽件的隔热屏唇部覆盖所述燃烧器圆顶中的所述冷却孔的出口。
技术方案15.根据技术方案11所述的燃烧器组件，其中，所述周向通道沿所述燃烧器圆顶的第二侧重新引导来自所述冷却孔的冷却空气流。
技术方案16.根据技术方案11所述的燃烧器组件，其中，所述燃烧器圆顶由陶瓷基质复合物材料形成。
技术方案17.一种用于冷却燃气涡轮发动机的燃烧器的方法，所述燃烧器包括燃烧器圆顶，所述方法包括：
提供冷却空气流至从所述燃烧器圆顶的冷侧延伸至所述燃烧器圆顶的热侧的冷却孔，所述燃烧器圆顶限定开口，且所述燃烧器包括至少部分地延伸穿过所述开口的燃料-空气喷射器硬件组件；以及
将来自所述冷却孔的冷却空气流引导至所述燃料-空气喷射器硬件组件的热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧，所述隔热屏唇部位于所述燃烧器的燃烧室内。
技术方案18.根据技术方案17所述的方法，其中，将来自所述冷却孔的冷却空气流引导至所述隔热屏唇部的冷侧包括将来自所述冷却孔的空气流引导至由所述热屏蔽件的隔热屏唇部至少部分地限定的通道。
技术方案19.根据技术方案18所述的方法，其中，所述方法还包括：
将来自所述通道的冷却空气流沿所述燃烧器圆顶的热侧重新引导以形成沿所述燃烧器圆顶的热侧的冷却膜。
技术方案20.根据技术方案19所述的方法，其中，所述方法还包括：
通过由所述燃烧器圆顶限定的一个或多个额外的冷却孔引导额外量的冷却空气流以提供额外的冷却空气流至沿所述燃烧器圆顶的热侧的所述冷却膜。
本发明的这些和其它特征、方面和优点参照以下描述和所附权利要求将变得更好理解。结合到本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且与说明书一起用来说明本发明的原理。
附图说明
针对本领域的普通技术人员包括其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照了附图的说明书中阐述，在附图中：
图1是根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性截面视图。
图2是根据本公开的示例性实施例的燃烧器组件的透视图。
图3是图2的示例性燃烧器组件的前端的局部放大视图。
图4是图2的示例性燃烧器组件的区段的透视图。
图5是图2的示例性燃烧器组件的侧截面视图。
图6是根据本公开的示例性实施例的燃料-空气喷射器硬件组件的局部放大透视性截面视图，燃料-空气喷射器硬件组件附接至根据本公开的示例性实施例的燃烧器圆顶。
图7是附接至图2的示例性燃烧器组件的示例性燃烧器圆顶的示例性燃料-空气喷射器硬件组件的局部放大侧截面视图。
图8是附接图2的示例性燃烧器组件的示例性燃烧器圆顶的示例性燃料-空气喷射器硬件组件的一部分的局部放大透视性截面视图。
图9是根据本公开的示例性实施例的用于冷却燃气涡轮发动机的燃烧器的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的存在的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来表示附图中的特征。在附图和描述中使用相似或类似的标号来表示本发明的相似或类似的部分。如本文所使用，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用以将一个构件与另一个区分开，且不意在强调独立构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”表示相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”表示流体从其流动的方向，且“下游”表示流体流至的方向。
现在参照附图，其中相同的数字贯穿附图指示相同的元件，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面视图。更具体而言，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡扇喷气发动机10，在本文中称作“涡扇发动机10”。如图1中所示，涡扇发动机10限定轴向方向A(平行于为了参考提供的纵向中心线12延伸)、径向方向R和围绕轴向方向A延伸的周向方向(未示出)。大体上，涡扇10包括风扇区段14和布置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
绘出的示例性核心涡轮发动机16大体上包括限定环形入口20的大致管状的外壳18。外壳18包围且核心涡轮发动机16包括(成串流关系)：包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24的压缩机区段；燃烧区段26；包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30的涡轮区段；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或转轴34将HP涡轮28传动地连接至HP压缩机24。低压(LP)轴或转轴36将LP涡轮30传动地连接至LP压缩机22。压缩机区段、燃烧区段26、涡轮区段和喷嘴区段32一起限定核心空气流路37。
对于绘出的实施例，风扇区段14包括可变桨距风扇38，其具有以间隔开的方式联接至盘42的多个风扇叶片40。如绘出的那样，风扇叶片40大体沿径向方向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地联接至构造成共同地一致改变风扇叶片40的桨距的合适的变桨机构44，每个风扇叶片40可相对于盘42围绕桨距轴线P旋转。风扇叶片40、盘42和变桨机构44可通过跨过动力齿轮箱46的LP轴36围绕纵向轴线12一起旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮以用于将风扇38相对于LP轴36的旋转速度调节至更加有效的旋转风扇速度。
还参照图1的示例性实施例，盘42由可旋转的前毂48覆盖，前毂48空气动力学地成形以促进穿过多个风扇叶片40的空气流。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳或外机舱50，其沿周向环绕核心涡轮发动机16的至少一部分和/或风扇38。示例性机舱50由多个沿周向间隔的出口导向导叶52相对于核心涡轮发动机16支撑。此外，机舱50的下游区段54越过核心涡轮发动机16的外部部分延伸以便限定其之间的旁通空气流通道56。
在涡扇发动机10的操作期间，一定量空气58通过风扇区段14和/或机舱50的关联的入口60进入涡扇10。在一定量空气58穿越风扇叶片40时，由箭头62指出的空气58的第一部分引导或传送到旁通空气流通道56中，且由箭头64指出的空气58的第二部分引导或传送到核心空气流路37中，或更特别地到LP压缩机22中。空气的第一部分62和空气的第二部分64之间的比率通常称作旁通比。空气的第二部分64的压力然后在其传送穿过高压(HP)压缩机24且到燃烧区段26中时增加，在那里其与燃料混合且燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66传送穿过HP涡轮28，在那里来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由联接至外壳18的HP涡轮定子导叶68和联接至HP轴或转轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级取得，因此导致HP轴或转轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66然后传送穿过LP涡轮30，在那里热能和动能的第二部分经由联接至外壳18的LP涡轮定子导叶72和联接至LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级从燃烧气体66取得，因此导致LP轴或转轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后传送穿过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时，空气的第一部分62的压力在空气的第一部分62传送穿过旁通空气流通道56时在其从涡扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前显著地增加，也提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定用于将燃烧气体66传送穿过核心涡轮发动机16的热气体通路78。
然而，应了解的是，图1中绘出的示例性涡扇发动机10仅作为示例提供，且在其它示例性实施例中，涡轮发动机10可具有任何其它合适的构造。应了解的是，在还有其它示例性实施例中，本公开的方面可结合到任何其它合适的燃气涡轮发动机中。例如，在其它示例性实施例中，本公开的方面可结合到例如涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机或动力生成燃气涡轮发动机中。
现在参照图2至图4，提供了用于根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的燃烧器组件100的视图。例如，图2至图4的燃烧器组件100可定位在图1的示例性涡扇发动机10的燃烧区段26中，其限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。更具体而言，图2提供了燃烧器组件100的透视图；图3提供了图2的燃烧器组件100的前端的局部放大视图；且图4提供了图2的示例性燃烧器组件100的区段的透视性截面视图。
如图所示，燃烧器组件100限定中心线101，且大体上包括燃烧器圆顶102和燃烧室衬套。在组装在燃气涡轮发动机中时，燃烧器组件100的中心线101与燃气涡轮发动机的中心线(见图1的中心线12)对准。对于绘出的实施例，燃烧室衬套构造为燃烧室外衬套104，且燃烧器圆顶102和燃烧室外衬套104整体地形成。另外，燃烧器组件100包括燃烧室内衬套106(见图4)。燃烧器圆顶102、燃烧室外衬套104和燃烧室内衬套106各自沿周向方向C延伸。更具体而言，燃烧器圆顶102、燃烧室外衬套104和燃烧室内衬套106各自沿周向方向C连续地延伸以限定环形形状，而没有将另外组合多个件的任何接缝或接头。燃烧器圆顶102、燃烧室外衬套104和燃烧室内衬套106至少部分地限定燃烧室108。燃烧室108也沿周向方向延伸以限定环形形状。因此，燃烧器组件100可称为环形燃烧器。
还参照图2至图4，对于绘出的实施例，燃烧器圆顶102、燃烧室内衬套106和燃烧室外衬套104各自由陶瓷基质复合物(“CMC”)材料形成。CMC材料是具有高温能力的非金属材料。用于燃烧器圆顶102和燃烧室衬套(例如，外衬套104和内衬套106)的示例性CMC材料可包括碳化硅、硅、二氧化硅或氧化铝基质材料及其组合。陶瓷纤维可嵌入基质内，诸如像蓝宝石和碳化硅(例如，Textron的SCS-6)的包括单丝的氧化稳定增强纤维，以及包括碳化硅(例如，Nippon Carbon的Ube Industries的和Dow Corning的)、硅酸铝(例如，Nextel的440和480)以及短切晶须和纤维(例如，Nextel的440和)以及可选地陶瓷颗粒(例如，硅、铝、锆、钇的氧化物及其组合)和无机填料(例如，叶蜡石、硅灰石、云母、滑石、蓝晶石和蒙脱石)的粗纱和纱。
然而，应了解的是，在其它实施例中，燃烧室外衬套104和燃烧器圆顶102可不整体地形成，且替代地可以任何其它合适的方式接合。另外，在其它实施例中，燃烧器圆顶102、燃烧室内衬套106和燃烧室外衬套104可非沿周向方向C连续地延伸，且替代地可由多个独立构件形成。此外，在还有其它实施例中，燃烧器圆顶102、燃烧室内衬套106和燃烧室外衬套104中的一者或多者可由任何其它合适的材料(诸如金属材料)形成，且可包括一个或多个涂层(诸如环境屏障涂层)。
具体地参照图4，燃烧室外衬套104和燃烧室内衬套106各自大体沿轴向方向A延伸——燃烧室外衬套104在前端110和后端112之间延伸且燃烧室内衬套106同样在前端114和后端116之间延伸。另外，燃烧器圆顶102包括前壁118和过渡部分。特别地，绘出的燃烧器圆顶102包括外过渡部分120和内过渡部分122。外过渡部分120沿径向方向R沿前壁118的外缘定位，且内过渡部分122沿径向方向R沿前壁118的内缘定位。内过渡部分122和外过渡部分120各自关于燃烧器圆顶102的前壁118沿周向延伸(见图2)。
此外，外过渡部分120从前壁118朝外衬套104延伸，且内过渡部分122从前壁118朝内衬套106延伸。如上所述，对于绘出的实施例，外衬套104与燃烧器圆顶102(包括前壁118和外过渡部分120)整体地形成，且因此外过渡部分120从前壁118无缝地延伸至外衬套104。例如，燃烧器圆顶102和燃烧室外衬套104一起限定从燃烧器圆顶102延伸至燃烧室外衬套104的连续且无缝的表面。
相反，燃烧室内衬套106独立于燃烧器圆顶102和燃烧室外衬套104形成。燃烧室内衬套106使用安装组件124附接至燃烧器圆顶102。用于绘出的实施例的安装组件124大体上包括沿周向方向C大致连续地延伸的支撑部件126和多个支架128。支撑部件126包括前端132处的凸缘130。支撑部件126的凸缘130和多个支架128布置在燃烧器圆顶102的联接凸缘134和内燃烧室内衬套106的联接凸缘136的相对侧上。附接部件138(或更具体而言，螺栓和螺母)将支撑部件126的凸缘132和多个支架128压在一起，以附接燃烧器圆顶102和燃烧室内衬套106。另外，支撑部件126延伸至后端140，后端140包括用于附接至燃气涡轮发动机的结构构件(诸如，壳或其它结构部件)的安装凸缘142。因此，燃烧室外衬套104、燃烧器圆顶102和燃烧室内衬套106各自可通过安装组件124的支撑部件126在燃烧器组件100的前端处(即，在内衬套106的前端114处)支撑在燃气涡轮发动机内。
如将在下文参照图5至图7更详细地描述的那样，燃烧器圆顶102另外限定开口144，且燃烧器组件100包括燃料-空气喷射器硬件组件146。更具体而言，燃烧器圆顶102限定多个开口144，且燃烧器组件100包括相应的多个燃料-空气喷射器硬件组件146——每个开口144构造成接收多个燃料-空气喷射器硬件组件146中的相应的一个。对于绘出的实施例，每个开口144沿周向方向C大致均匀地间隔开。特别地参照图3，由燃烧器圆顶102限定的开口144中的每一个包括中心148，且燃烧器圆顶102限定从一个开口144的中心148至相邻开口144的中心148沿周向方向C测得的间距S。因此，如图所绘，间距S可限定为一个开口144的中心148和相邻开口144的中心148之间的弧长。此外，尽管燃料-空气喷射器硬件组件146在图2和图3中示意性绘出，但燃料-空气喷射器硬件组件146的中心线149(见图5)可穿过开口144的中心148，其延伸穿过开口144。因此，在某些示例性实施例中，间距S也可限定为在相邻的燃料-空气喷射器硬件组件146的中心线149之间(且更特别地在穿过相应的开口144的中心线149的部分之间)沿周向方向C的距离。对于多个开口144中的每一个，间距S可一致。
大体上，燃料-空气喷射器硬件组件146构造成接收来自燃气涡轮发动机的压缩机区段的压缩空气和来自燃料喷嘴(未示出)的可燃燃料的流，燃烧器组件100安装在燃气涡轮发动机中(见图1)。燃料-空气喷射器硬件组件146将燃料与压缩空气混合，且将此燃料-空气混合物提供至燃烧室108。如还将在下文更详细地论述的那样，燃料-空气喷射器硬件组件146中的每一个包括用于将组件直接地附接至燃烧器圆顶102的构件。值得注意的是，对于绘出的实施例，多个燃料-空气喷射器硬件组件146中的每一个的此构件构造成使得一个或多个组件独立于相邻的燃料-空气喷射器硬件组件146附接至燃烧器圆顶102。更具体而言，对于绘出的实施例，每个燃料-空气喷射器硬件组件146独立于其它的燃料-空气喷射器硬件组件146中的每一个附接至燃烧器圆顶102。因此，除了穿过燃烧器圆顶102之外，无燃料-空气喷射器硬件组件146的部分附接至相邻的燃料-空气喷射器硬件组件146。此构造能够通过沿周向方向C大致连续地延伸的示例性燃烧器圆顶102的构造至少部分地实现。
如也可在图2至图4中看出的那样，燃烧器圆顶102大体上包括第一侧(或冷侧150)和第二侧(或热侧152)，热侧152暴露于燃烧室108。燃烧器圆顶102限定从冷侧150延伸至热侧152的多个冷却孔154，以允许冷却空气流穿过其。如可看出的那样，多个冷却孔154包括围绕由燃烧器圆顶102限定的开口144中的每一个延伸(确切地说围绕由燃烧器圆顶102限定的开口144中的每一个的圆周间隔开)的多个冷却孔154。此冷却孔154可构造成提供冷却空气流至位于燃烧室108内的燃料-空气喷射器硬件组件146的某些构件。
现在参照图5至图7，提供了图2的示例性燃烧器组件100的额外的视图。特别地，图5提供了图2的示例性燃烧器组件100的侧截面视图；图6提供了附接燃烧器圆顶102的燃料-空气喷射器硬件组件146的透视性截面视图；且图7提供了附接燃烧器圆顶102的示例性燃料-空气喷射器硬件组件146的侧截面视图。
特别地参照图5，更清楚地绘出了至少部分地延伸穿过由燃烧器圆顶102限定的多个开口144中的相应的一个的示例性燃料-空气喷射器硬件组件146。示例性燃料-空气喷射器硬件组件146限定中心线149，且大体上包括至少部分地定位在燃烧器圆顶102的冷侧150附近的第一部件，以及至少部分地定位在燃烧器圆顶102的热侧152附近的第二部件。第一部件和第二部件一起限定将第一部件接合至第二部件且将燃料-空气喷射器硬件组件146安装至燃烧器圆顶102的附接界面168。此外，附接界面168与燃烧室108屏蔽(即，不直接暴露于燃烧室)，以保护附接界面168免受燃烧室108内的相对热的操作温度。对于绘出的实施例，第一部件是密封板156，且第二部件是热屏蔽件158。燃料-空气喷射器硬件组件146还包括旋流器160，旋流器160附接至密封板156，例如通过焊接。热屏蔽件158、密封板156和旋流器160各自可由金属材料(诸如金属合金材料)形成。
热屏蔽件158限定外径DHS，或更具体而言，热屏蔽件158包括大致定位在燃烧室108内且限定外径DHS的隔热屏唇部162。隔热屏唇部162构造成保护或屏蔽燃料-空气喷射器硬件组件146的至少一部分免受操作期间燃烧室108内的相对高的温度。值得注意的是，隔热屏唇部162大体上包括面向后朝燃烧器圆顶102的前壁118的冷侧164和面向下游的热侧166。热屏蔽件158(确切地说隔热屏唇部162)在热侧166上可包括环境屏障涂层，或其它合适的防护涂层(未示出)。
对于绘出的实施例，热屏蔽件158相比于燃烧器组件100的总体尺寸(且更具体而言，相比于燃烧室108和燃烧器组件100的燃烧器圆顶102的前壁118的尺寸)是相对小的热屏蔽件158。例如，燃烧室108包括限定在内衬套106和外衬套104之间的环带高度HA。特别地，燃烧器圆顶102的前壁118限定与燃烧器组件100的中心线101相交的方向DFW，且对于绘出的实施例，环带高度HA限定在与燃烧器圆顶102的前壁118的方向DFW平行的方向上。另外，前壁118的方向DFW正交于燃料-空气喷射器硬件组件146的中心线149。燃烧室108的环带高度HA与热屏蔽件158的外径DHS的比率(“HA∶DHS”)为至少大约1.3∶1。例如，燃烧室108的环带高度HA与热屏蔽件158的外径DHS的比率HA∶DHS可为至少大约1.4∶1、至少大约1.5∶1、至少大约1.6∶1，或达到大约1.8∶1。如本文所使用，近似用语(诸如“大约”或“大概”)表示在10％的误差容限内。
此外，燃烧器圆顶102的示例性前壁118沿前壁118的方向DFW限定长度LFW。对于绘出的实施例，前壁118的长度LFW从过渡部分120和前壁118之间的第一弯曲部121以及过渡部分122和前壁118之间的第一弯曲部123限定。前壁118的长度LFW与热屏蔽件158的外径DHS的比率(“LFW∶DHS”)为至少大约1.1∶1。例如，前壁118的长度LFW与热屏蔽件158的外径DHS的比率LFW∶DHS可为至少大约1.15∶1、至少大约1.2∶1，或在1.1∶1与1.5∶1之间。
此外，如上文相对于图2所描述的那样，燃烧器组件100限定沿周向方向C测得的从一个开口144的中心148至相邻开口144的中心148的间距S(见图2)。对于绘出的实施例，间距S与热屏蔽件158的外径DHS的比率(“S∶DHS”)为至少大约1.3∶1。例如，多个开口144的间距S与热屏蔽件158的外径DHS的比率S∶DHS为至少大约1.4∶1、至少大约1.5∶1、至少大约1.7∶1，或达到大约1.9∶1。
因此，利用此构造，燃烧器圆顶102可在燃烧器组件100的操作期间相对暴露于燃烧室108内的操作温度。然而，热屏蔽件158的缩小的足迹可导致较轻的总体燃烧器组件100。另外，本公开的发明人已经发现，假定燃烧器圆顶102由CMC材料形成，则燃烧器圆顶102可很好地承受此升高的温度。
尽管具有缩小的足迹，但热屏蔽件158仍可保护燃料-空气喷射器硬件组件146的各种其它金属构件。例如，还参照图5，燃料-空气喷射器硬件组件146的密封板156和旋流器160限定最大外径DMAX(也见下文的图7)。密封板156和旋流器160的最大外径DMAX小于或等于热屏蔽件158的外径DHS。例如，在某些示例性实施例中，热屏蔽件158的外径DHS与密封板156和旋流器160的最大外径DMAX的比率(“DHS∶DMAX”)可在大约1∶1与大约1.1∶1之间。
现在具体地参照图6和图7，如之前所论述，燃料-空气喷射器硬件组件146包括第一部件(或密封板156)和第二部件(或热屏蔽件158)。燃料-空气喷射器硬件组件146另外包括旋流器160，如本文所使用的旋流器160大体上指提供成用于接收和混合燃料和空气的流以及用于提供此混合物至燃烧室108的各种构件。
密封板156至少部分地定位在燃烧器圆顶102的冷侧150附近，且热屏蔽件158至少部分地定位在燃烧器圆顶102的热侧152附近。密封板156和热屏蔽件158彼此接合，以将燃料-空气喷射器硬件组件146安装至燃烧器圆顶102。特别地，如上所述，密封板156和热屏蔽件158一起限定附接界面168。在某些示例性实施例中，密封板156与热屏蔽件158可旋转地接合，且因此附接界面168可为由密封板156和热屏蔽件158的互补螺纹表面形成的可旋转附接界面。
具体而言，对于绘出的实施例，密封板156限定定位在燃烧器圆顶102的冷侧150附近的第一凸缘170，且热屏蔽件158包括定位在燃烧器圆顶102的热侧152附近的第二凸缘172。在组装期间，热屏蔽件158和密封板156可在附接界面168处对于给定的燃烧器组件拧紧至期望的夹持力(即，当附接界面168为可旋转附接界面168时，拧至特定的转矩)。因此，在组装时，第一凸缘170和第二凸缘172朝彼此压紧(相对于燃烧器圆顶102)，使得它们附接至燃烧器圆顶102。旋流器160和/或燃料-空气喷射器硬件组件146的其它构件可然后通过焊接或以任何其它合适的方式附接至例如密封板156。另外，一旦组装，密封板156可在附接界面168处焊接至热屏蔽件158，以防止密封板156相对于隔热屏的松动(即，防止密封板156相对于热屏蔽件158的旋转)。然而，应了解的是，旋流器160和/或燃料-空气喷射器硬件组件146的其它构件可以任何其它合适的方式(诸如通过使用机械紧固件或其它机械紧固手段)附接至例如密封板156。
此外，简要参照图8，提供了密封板156和燃烧器圆顶102的一部分的局部放大透视性截面视图。密封板156限定槽174，且燃烧器圆顶102另外限定槽176。燃料-空气喷射器硬件组件146包括延伸穿过密封板156中的槽174且到燃烧器圆顶102中的槽176中的销178。销178可为圆柱形的金属销，或备选地可具有任何其它合适的形状且可由任何其它合适的材料构造。无论如何，销178可防止密封板156相对于燃烧器圆顶102的旋转。销178可焊接或另外附着至密封板156，例如在密封板156的安装之前，或一旦密封板156和销178就位。
还参照图6和图7的实施例，第一凸缘170直接地相对于燃烧器圆顶102的冷侧150定位，且第二凸缘172直接地相对于燃烧器圆顶102的热侧152定位。因此，例如在密封板156与燃烧器圆顶102之间或热屏蔽件158与燃烧器圆顶102之间不需要用于安装燃料-空气喷射器硬件组件146的中间构件。值得注意的是，燃烧器圆顶102包括在冷侧150上围绕燃烧器圆顶102中的开口144的圆周延伸的凸起的突出部180(图7)，以对于围绕限定在燃烧器圆顶102中的开口144的燃烧器圆顶102的附接部分提供期望的厚度和额外的强度。另外，燃烧器圆顶102包括在热侧152上围绕燃烧器圆顶102中的开口144的圆周延伸的凹部181，以接收热屏蔽件158的凸缘172。然而，应了解的是，在某些实施例中，燃烧器组件100可在第一凸缘170和第二凸缘172与燃烧器圆顶102之间包括中间构件。
还对于绘出的实施例，燃烧器圆顶102由CMC材料形成，而燃料-空气喷射器硬件组件146由金属材料(诸如金属合金材料)形成。为了防止相对于燃烧器圆顶102的热膨胀(即，密封板156和热屏蔽件158将燃料-空气喷射器硬件组件146附接至燃烧器圆顶102的部分的热膨胀)超过期望的量，由密封板156和热屏蔽件158限定的附接界面168至少部分地定位在燃烧器圆顶102的开口144中。利用此构造，附接界面168可由热屏蔽件158和/或燃料-空气喷射器硬件组件146的其它构件保护。例如，热屏蔽件158可构造成在燃烧器组件100的操作期间保护或防护附接界面168免受燃烧室108中的一定量的热量。因此，在燃烧器组件100的操作期间，将燃料-空气喷射器硬件组件146附接至燃烧器圆顶102的构件可防止超过期望的量的热膨胀，使得燃料-空气喷射器硬件组件146至燃烧器圆顶102的附接在燃烧器组件100的操作期间保持完好。
此外，为了在燃烧器组件100的操作期间将热屏蔽件158维持在期望的操作温度范围内，除了保护附接界面168之外，燃烧器圆顶102构造成在燃烧器组件100的操作期间提供冷却空气流至热屏蔽件158。如上所述，燃烧器圆顶102包括延伸穿过燃烧器圆顶102的冷却孔154。特别地，对于绘出的实施例，冷却孔154定向成将冷却空气流引导到热屏蔽件158的隔热屏唇部162上，确切地说是到热屏蔽件158的隔热屏唇部162的冷侧164上。例如，绘出的示例性冷却孔154从燃烧器圆顶102的冷侧150至燃烧器圆顶102的热侧152朝燃烧器圆顶102中的开口144倾斜(即，当其从燃烧器圆顶102的冷侧150延伸至燃烧器圆顶102的热侧152时朝开口144倾斜)。此外，冷却孔154包括燃烧器圆顶102的热侧152处的出口182，且对于绘出的实施例，热屏蔽件158的隔热屏唇部162覆盖燃烧器圆顶102中的冷却孔154的出口182。例如，隔热屏唇部162的至少一部分相比冷却孔154的出口182的至少一部分相对于开口144的中心148延伸得较远。例如，在图5中绘出的截面图中，在与燃烧器圆顶102的前壁118的方向DFW平行的方向上，相对于开口144的中心148，隔热屏唇部162相比绘出的冷却孔154的出口182的至少一部分延伸得较远。利用此构造，穿过冷却孔154的空气流的至少大部分必定流到隔热屏唇部162的冷侧164上。
具体而言，对于绘出的实施例，热屏蔽件158的隔热屏唇部162的冷侧164至少部分地限定通道184。特别地，通道184由隔热屏唇部162的冷侧164与热屏蔽件158的第二凸缘172以及燃烧器圆顶102的热侧152的一部分一起限定。对于绘出的实施例，隔热屏唇部162在类似于燃烧器圆顶102中的开口144的圆周的形状的圆形方向上延伸。因此，通道184可称为周向通道。
在燃烧器组件100的操作期间，冷却空气流穿过燃烧器圆顶102中的冷却孔154提供，且由于冷却孔154的定向，冷却空气流提供到通道184中，使得通道184接收冷却空气流。在某些实施例中，冷却空气流可起源于燃烧器组件100安装到其中的燃气涡轮发动机的压缩机区段(见图1)。冷却空气流可从隔热屏唇部162移除一定量的热量，以将热屏蔽件158维持在期望的操作温度范围内。另外，冷却空气流可使将燃料-空气喷射器硬件组件146附接至燃烧器圆顶102的构件维持在期望的操作温度范围内。如图所绘，绘出的示例性通道184限定U形形状。因此，通道184也可将来自冷却孔154的冷却空气流沿燃烧器圆顶102的热侧152且向下游重新引导以开始用于燃烧器圆顶102的冷却流。然而，在其它实施例中，若需要，通道184可具有任何其它合适的形状以用于提供此功能。
为了确保上述功能由通道184实现，通道184可至少限定最小高度DC。具体而言，通道184可在与燃烧器圆顶102的前壁118的方向DFW垂直的方向上限定高度DC(见图5)。通道184的高度DC取决于穿过通道184的冷却空气的预期量，以将通道184中的冷却空气的速度维持在阈值之上。例如，在某些实施例中，通道184的高度DC可为至少大约0.010英寸、诸如至少大约0.025英寸、诸如至少大约0.050英寸，或任何其它合适的高度。
值得注意的是，如前所述，燃烧器圆顶102还可包括沿燃烧器圆顶102中的开口144的圆周间隔开的多个冷却孔154。特别地，燃烧器圆顶102还可包括定向成将冷却空气流引导到隔热屏唇部162的冷侧164上的多个冷却孔154。此构造还可确保热屏蔽件158在燃烧器组件100的操作期间维持在期望的操作温度范围内，且/或将燃料-空气喷射器硬件组件146附接至燃烧器圆顶102的构件维持在期望的操作温度范围内。
根据本公开的一个或多个实施例的燃烧器组件可提供用于将大体上由金属材料形成的燃料-空气喷射器硬件组件附接至大体上由CMC材料形成的燃烧器圆顶的高效手段。另外，利用此构造，热屏蔽件尺寸可确定成，在燃烧器组件的操作期间，在不过于大和/或不给燃烧器组件增加不恰当量的重量的情况下，提供期望的量的保护以免受燃烧室内的相对高的温度。此外，包括本公开的一个或多个特征的燃料-空气喷射器硬件组件可允许热屏蔽件提供期望的量的保护以免受燃烧室内的相对高的温度，同时维持在期望的操作温度范围内，且同时将燃料-空气喷射器硬件组件146附接至燃烧器圆顶102的构件维持在期望的操作温度范围内。此外，包括穿过燃烧器圆顶的多个冷却孔可允许更紧凑的燃料-空气喷射器硬件组件，因为燃料-空气喷射器硬件组件将不需要为穿过其的冷却空气流腾出空间。另外，穿过燃烧器圆顶提供冷却空气流可允许较好的源压力(与使冷却空气流过燃料-空气喷射器硬件相对比)。
然而，应了解的是，燃烧器组件100且尤其是燃烧器圆顶102和燃料-空气喷射器硬件组件146仅通过示例提供，且其它实施例可具有任何其它合适的构造。例如，在其它示例性实施例中，燃料-空气喷射器硬件组件146可以任何其它合适的方式附接至燃烧器圆顶102，燃料-空气喷射器硬件组件146的热屏蔽件158可具有任何其它合适的构造，且同样，燃烧器圆顶102可具有任何其它合适的构造。
现在参照图9，提供了一种用于冷却燃气涡轮发动机的燃烧器的方法(200)。示例性方法(200)可与上文参照图1至图8的一者或多者描述的一个或多个示例性燃气涡轮发动机一起使用。因此，燃烧器可包括燃烧器圆顶和燃料-空气喷射器硬件组件。燃烧器圆顶可限定开口，且燃料-空气喷射器硬件组件可至少部分地延伸穿过开口。
绘出的示例性方法(200)大体上包括在(202)处通过从燃烧器圆顶的冷侧延伸至燃烧器圆顶的热侧的冷却孔提供冷却空气流。另外，示例性方法(200)包括在(204)处将来自冷却孔的冷却空气流引导至燃料-空气喷射器硬件组件的热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧。隔热屏唇部的冷侧位于燃烧器的燃烧室内。更特别地，对于绘出的实施例，在(204)处将来自冷却孔的冷却空气流引导至隔热屏唇部的冷侧包括在(206)处将来自冷却孔的空气流引导至由热屏蔽件的隔热屏唇部至少部分地限定的通道。
还参照图9，示例性方法(200)另外包括在(208)处沿燃烧器圆顶的热侧重新引导来自通道的冷却空气流以形成沿燃烧器圆顶的热侧的冷却膜。此外，示例性方法(200)包括在(210)处通过由燃烧器圆顶限定的一个或多个额外的冷却孔提供额外的冷却空气流至沿燃烧器圆顶的热侧的冷却膜。
根据上文参照图9所描述的示例性方法(200)的一个或多个方面操作的燃烧器可允许开始和维持沿燃烧器圆顶的热侧的冷却空气的冷却膜，以助于将燃烧器圆顶维持在期望的温度范围内。
此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件，所述燃烧器组件包括：
燃烧器圆顶，其限定开口和冷却孔且至少部分地限定燃烧室，所述燃烧器圆顶包括第一侧和第二侧，所述冷却孔从所述第一侧延伸至所述第二侧；和
燃料-空气喷射器硬件组件，其至少部分地定位在所述燃烧器圆顶的开口内且包括热屏蔽件，所述热屏蔽件包括隔热屏唇部，且所述燃烧器圆顶中的所述冷却孔定向成将冷却空气流引导到所述隔热屏唇部上。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述冷却孔从所述燃烧器圆顶的第一侧至所述燃烧器圆顶的第二侧朝所述燃烧器圆顶中的所述开口倾斜。
3.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器圆顶还包括从所述燃烧器圆顶的第一侧延伸至所述燃烧器圆顶的第二侧的定向成将冷却空气流引导到所述隔热屏唇部上的多个冷却孔。
4.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器圆顶限定围绕所述开口延伸的圆周，且其中所述多个冷却孔沿围绕所述开口延伸的所述圆周间隔开。
5.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述隔热屏唇部包括热侧和冷侧，且其中所述燃烧器圆顶中的所述冷却孔定向成将所述冷却空气流引导到所述隔热屏唇部的冷侧上。
6.根据权利要求5所述的燃烧器组件，其特征在于，所述热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧至少部分地限定通道，且其中所述通道构造成接收来自所述冷却孔的冷却空气流。
7.根据权利要求5所述的燃烧器组件，其特征在于，所述热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧至少部分地限定通道，且其中所述通道限定U形形状。
8.根据权利要求5所述的燃烧器组件，其特征在于，所述热屏蔽件的隔热屏唇部的冷侧至少部分地限定通道，其中所述燃烧器圆顶包括前壁，其中所述燃烧器圆顶的前壁限定方向，其中由所述隔热屏唇部至少部分地限定的所述通道在与所述燃烧器圆顶的前壁的方向垂直的方向上限定高度，且其中所述通道的高度为至少大约0.025英寸。
9.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述冷却孔包括所述燃烧器圆顶的热侧处的出口，其中所述热屏蔽件的隔热屏唇部覆盖所述燃烧器圆顶中的冷却孔的出口。
10.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器圆顶由陶瓷基质复合物材料形成。
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