CN107923254A - 用于燃烧室的非轴向对称过渡管道 - Google Patents

用于燃烧室的非轴向对称过渡管道 Download PDF

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Abstract

一种燃烧器过渡管道(110)，该燃烧器过渡管道(110)包括主管道部分(113)和延伸凸缘(115)，主管道部分(113)具有主开口和副开口，其中，第一轴线从主开口的中心延伸至副开口，延伸凸缘(115)连接至主管道部分(113)，其中，主管道部分(113)和延伸凸缘(115)形成后缘(120)，并且其中，主管道部分沿第一轴线的整个长度是非对称的。非轴向对称的主管道部分(113)提供改善的空气动力学、热载荷、结构强度和发动机紧凑性。

Description

用于燃烧室的非轴向对称过渡管道
背景技术
1.技术领域
所公开的实施方式总体上涉及燃气涡轮机燃烧室，并且更具体地涉及过渡管道结构。
2.相关技术的描述
先前的环形燃气涡轮发动机包括多个单独的燃烧室罐，这些燃烧室罐设置在转子轴的径向外侧并且与转子轴轴向对齐。在这些燃烧室罐中产生的燃烧气体被径向向内引导，然后通过过渡管道转换成沿轴向运动。然后拐角处的静叶片接收燃烧气体，使气体加速并引导气体以便输送至第一级涡轮动叶片。
在这些燃气涡轮发动机燃烧室中，已经使用了一体化出口件(IEP)设计。在IEP设计中，过渡管道将汇合以形成会聚的汇流部(CFJ)。图1示出了已经被用于形成CFJ汇流部的CFJ过渡管道10。CFJ过渡管道10具有位于主铸造管道部分12处的主开口11和位于顶部板状管道部分14处的副开口17。CFJ过渡管道10通过铸造为单一件而构造而成。另外图1还示出了凸缘16和环形凸缘19，凸缘16和环形凸缘19具有形成于凸缘16和环形凸缘19中的螺栓孔13。螺栓孔13用于使燃烧室的IEP互连。
CFJ过渡管道10经由支撑在主铸造管道部分12和顶部板状管道部分14的外表面上的肋18的结构进行冷却。肋18冷却CFJ过渡管道10的方式在主铸造管道部分12和顶部板状管道部分14之间的连接部中产生应力挑战。此外，在中央凹口15处将出现高应力。
由CFJ管道10的几何形状和CFJ过渡管道10的连接方式产生的应力挑战导致了对管道自身的结构整体性和主铸造管道部分12在燃气涡轮发动机周围的连接的限制。
为了克服这个问题，开发了后缘管道。然而，另外为了使过渡管道的效率最大化，后缘管道的各部分的形状获得改进。
发明内容
简而言之，本公开的多个方面涉及与燃气涡轮机燃烧室一起使用的后缘管道。
本公开的一个方面是一种后缘管道，该后缘管道具有主管道部分，该主管道部分具有主开口和副开口。第一轴线从主开口的中心延伸至副开口。延伸凸缘连接至主管道部分，其中，主管道部分和延伸凸缘形成后缘。主管道部分关于整个长度的第一轴线是非对称的。
本公开的另一方面是一种用于燃气涡轮发动机的设备。该设备具有主管道部分，该主管道部分具有主开口和副开口，其中，第一轴线从主开口的中心延伸至副开口。主管道部分关于第一轴线的整个长度是非对称的。
本公开的又一方面是一种燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括具有第一主开口和第一副开口的第一主管道部分，其中，第一轴线从第一主开口的中心延伸至第一副开口。第一主管道部分关于第一轴线的整个长度是非对称的。该燃气涡轮发动机还包括具有第二主开口和第二副开口的第二主管道部分，其中，第二轴线从第二主开口的中心延伸至第二副开口，并且其中，第二主管道部分关于第二轴线的大致整个长度是非对称的。
附图说明
图1示出了具有会聚的汇流部的过渡管道的现有技术的视图。
图2示出了后缘管道。
图3示出了后缘管道形成的环。
图4示出了非轴向对称的主管道部分的侧面等距视图。
图5示出了非轴向对称的主管道部分的正视图。
图6是非轴向对称的主管道部分的简化侧视图，示出了喉部。
图7示出了非轴向对称的主管道部分的速度剖面。
图8示出了具有延伸凸缘的非轴向对称的主管道部分的视图。
具体实施方式
为了便于理解本公开的实施方式、原理和特征，在下文中参照说明性实施方式的实施来解释它们。然而，本公开的实施方式不限于在所描述的系统或方法中使用。
以下描述为组成各种实施方式的部件和材料是说明性的而不是限制性的。许多合适的部件和可以执行与本文描述的材料相同或相似功能的材料包含在本公开的实施方式的范围内。
图2示出了可以与本发明的各方面一起使用的后缘管道110。后缘管道110具有主管道部分112，该主管道部分112具有主开口111和副开口117。主管道部分112可由多于一个面板形成，例如，图2中所示的主管道部分112由第一主面板部分121和第二主面板部分122形成，第一主面板部分121和第二主面板部分122在接缝123处通过焊接连接。主开口111在燃气涡轮发动机运行期间接收流体。环形凸缘119位于主开口111处并且围绕主开口111，通孔109位于环形凸缘119中。延伸凸缘115位于副开口117处。延伸凸缘115和主管道部分112一起形成后缘管道110的后缘120。
图3示出了后缘管道110的连接以便形成环，通过这种方式，后缘管道110的后缘120连接在一起，使得一个后缘管道110连接至另一个后缘管道110。
图4和图5示出了可用于代替图2所示的主管道部分112的非轴向对称(NAS)主管道部分113。NAS主管道部分113由第一主面板部分121和第二主面板部分122形成，第一主面板部分121和第二主面板部分122通过接缝123连接。接缝123可以通过将第一主面板部分121和第二主面板部分122焊接在一起而形成。NAS主管道部分113的第一主面板部分121和第二主面板部分122具有长度L。
主开口111形成在NAS主管道部分113的一个远端处，副开口117形成在NAS主管道部分113的相反端处。主开口111是圆形的，第一轴线A沿着NAS主管道部分113的长度L从主开口111的中心延伸至副开口117。副开口117呈可以形成弧形的弯曲矩形形状。形成的弧形可以优选在20°-45°的范围内。但是，应该理解的是，根据NAS主管道部分113的最终形状，可以使用其他角度。NAS主管道部分113的宽度W随着NAS主管道部分113沿着其长度L从主开口111延伸至副开口117而变窄。尽管宽度W总体上沿着长度L减小，但在一些位置，宽度可以发生变化。变窄可以从NAS主管道部分113的喉部124处开始。喉部124也可以是圆形转变为更像矩形的形状的位置。
如图5所示，从第一主面板部分121的壁至轴线A的距离D1小于从第二主面板部分122的壁至轴线A的同一点处并且延伸方向彼此相反而获取的距离D2。在与轴线A延伸的方向垂直的方向上获取诸如D1或D2的距离。一般而言，在从轴线A上的同一点所取的位置处，距离D1与距离D2不同。距离D1和距离D2不同使得NAS主管道部分113的总体形状是非轴向对称的。此外，当在从主开口111到副开口117的主管道部分113的整个长度上取得距离D1时，距离D1可以增大和减小。例如，在图6中，从轴线A到点B处的距离大于从轴线A到点C处的距离，而点D处的距离大于点C处的距离，但小于点B处的距离。
一般而言，NAS主管道部分113在其整个长度L上是非对称的锥形，即，NAS主管道部分113类似于锥形结构，但不具有锥形所具有的对称性。这与图2中所示的主管道部分112不同，图2中所示的主管道部分112在其大部分长度上是锥形的。因此，NAS主管道部分113能够适应更复杂的几何形状。
诸如NAS主管道部分113的非对称形状的制造和开发是复杂的。然而，主管道部分的形状也将影响其他性能参数。
首先，NAS主管道部分113的形状将影响内部空气动力学。转向图6和图7，分别示出了NAS主管道部分113的简化侧视图，以及示出了NAS主管道部分113的喉部124和速度剖面。具体而言，喉部124处的速度剖面可影响NAS主管道部分113的平均流动角度以及平均流动角度的变化。在先前的管道部分中，如果进入管道部分的气流是均匀的，那么当主管道部分通向涡轮机时，随着越来越多的空气进入涡轮机，气流的转角横跨管道部分而改变。因此气流有转向的趋势。NAS主管道部分113可用于使流入开口部分的气流分布不均匀，并克服转向的趋势。如图7所示，喉部124内的气流具有更均匀的速度。
NAS主管道部分113减少暴露于热气流的金属的量，并且因此可能比其他类型的管道使用更少的冷却空气。例如，NAS主管道部分113和延伸凸缘115(下面在图8中示出)的总热表面面积可小于0.7m2。NAS主管道部分113和延伸凸缘115的面积平均传热系数可以小于1100W/m2K。NAS主管道部分113和延伸凸缘115的每度K的总热通量小于1200W/K。
其次，可以影响燃烧室的中间框架空气动力学。主燃烧室的进气必须通过过渡管道以填充燃烧室筒的涡轮侧。在相邻过渡管道之间形成较大的间隙是有益的。这是因为中间框架空气动力学也将影响NAS主管道部分113的外表面上的被动外部传热系数分布。这具有与主动冷却要求相似的效果。通过使相邻的NAS主管道部分113之间的间隙相对均匀并且例如相距2.5cm，可以在NAS主管道部分113的外侧获得高速气流。这与可能具有许多高速流动区域和低速流动区域的其他构型的管道形成对比。产生可预测的高速气流可减少对例如95％的中间框架空气的冷却空气的需求。
第三，通过NAS主管道部分113的非轴向对称形状，可以改善NAS主管道部分113的热载荷，并且进一步改善燃气涡轮发动机的总冷却空气消耗。通过使NAS主管道部分113尽可能紧凑，有利于使NAS主管道部分113的热侧的表面面积最小化。NAS主管道部分113的从NAS主管道部分113的主开口111至后缘120取得的长度与燃烧室筒的尺寸大致相同。
第四，NAS主管道部分113可用于影响燃烧室的紧凑性。燃烧室的组件可以缩短，并且燃烧室可以被撤回到燃气涡轮发动机的内部。燃气涡轮发动机的总体外壳直径也可以减小，从而进一步降低总体成本。总体外壳直径也可以减小，这降低了发动机的整体成本。此外，发动机的轴线可以降低，这通过减小外围尺寸来降低设备成本，并且通过减小支撑腿的尺寸来提高稳定性。另外，NAS主管道部分113的使用可以用来提供额外的结构强度。从圆形到方形的长距离过渡可能产生一些相对平坦的区段，这些区段易于由于压力负载而塌陷。通过为NAS主管道部分113提供紧凑的形状，当从圆形过渡到方形时，紧凑的形状有助于使NAS主管道113的大部分具有正的曲率(凸形的)，这能够高度抵抗压力载荷。
图8示出了具有延伸凸缘115的NAS主管道部分113的视图。应当理解的是，NAS主管道部分113可以用于不使用延伸凸缘115并且形成后缘管道110的实施方式。
虽然已经以示例形式公开了本公开的一些实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离如所附权利要求中阐释的本发明的主旨和范围及其等同物的情况下，可以对上述实施方式进行许多修改、添加和删除。

Claims (20)

1.一种后缘管道(110)，包括：
主管道部分(113)，所述主管道部分(113)具有主开口和副开口，其中，第一轴线从所述主开口的中心延伸至所述副开口；
延伸凸缘(115)，所述延伸凸缘(115)连接至所述主管道部分(113)，其中，所述主管道部分(113)和所述延伸凸缘(115)形成后缘(120)；以及
其中，所述主管道部分沿所述第一轴线的整个长度是非对称的。
2.根据权利要求1所述的后缘管道，还包括第一主面板部分(121)和第二主面板部分(122)，其中，从所述第一轴线上的点至所述第一主面板部分的第一距离小于从所述第一轴线上的同一点至所述第二主面板部分的第二距离。
3.根据权利要求1或2所述的后缘管道，还包括形成在第一主面板部分(121)与第二主面板部分(122)之间的接缝(123)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的后缘管道，其中，所述主开口(111)是圆形的，所述副开口(117)是矩形的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的后缘管道，其中，至所述第一轴线的距离沿着所述第一轴线的长度而增大和减小。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的后缘管道，其中，所述副开口(117)呈25°-45°之间的弧形。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的后缘管道，其中，随着所述主管道部分(113)沿着所述主管道部分(113)的长度(L)从所述主开口(111)延伸至所述副开口(117)，所述主管道部分(113)的宽度(W)变窄。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的后缘管道，其中，所述主管道部分(113)还包括喉部(124)，其中，所述喉部(124)适于提供大致均匀的气流。
9.一种用于燃气涡轮发动机的设备，所述设备包括：
主管道部分(112)，所述主管道部分(112)具有主开口和副开口，其中，第一轴线从所述主开口的中心延伸至所述副开口；
其中，所述主管道部分(112)沿着所述第一轴线的整个长度是非对称的。
10.根据权利要求9所述的设备，还包括第一主面板部分(121)和第二主面板部分(122)，其中，从所述第一轴线上的点至所述第一主面板部分的第一距离小于从所述第一轴线上的同一点至所述第二主面板部分的第二距离。
11.根据权利要求9-11中任一项所述的设备，还包括形成在第一主面板部分(121)与第二主面板部分(122)之间的接缝(123)。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的设备，其中，所述主开口(111)是圆形的，所述副开口(117)是矩形的。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的设备，其中，所述副开口(117)呈25°-45°之间的弧形。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的设备，其中，随着所述主管道部分沿着所述主管道部分的长度(L)从所述主开口(111)延伸至所述副开口(117)，所述主管道部分的宽度(W)变窄。
15.一种燃气涡轮发动机，包括：
第一主管道部分(113)，所述第一主管道部分(113)具有第一主开口和第一副开口，其中，第一轴线从所述第一主开口的中心延伸至所述第一副开口；其中，所述第一主管道部分沿着所述第一轴线的整个长度是非对称的；
以及第二主管道部分(113)，所述第二主管道部分(113)具有第二主开口和第二副开口，其中，第二轴线从所述第二主开口的中心延伸至所述第二副开口；其中，所述第二主管道部分沿着所述第二轴线的整个长度是非对称的。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，还包括形成在第一主面板部分(121)与第二主面板部分(122)之间的接缝(123)。
17.根据权利要求15和16中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，到所述第一轴线的距离沿着所述第一轴线的长度而增大和减小。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的燃气涡轮发动机，还包括第一主面板部分(121)和第二主面板部分(122)，其中，从所述第一轴线上的点至所述第一主面面板部分的第一距离小于从所述第一轴线上的同一点至所述第二主面板部分的第二距离。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，随着所述主管道部分沿着所述主管道部分的长度(L)从所述主开口(111)延伸至所述副开口(117)，所述主管道部分的宽度(W)变窄。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述主管道部分(113)还包括喉部(124)，其中，所述喉部(124)适于提供大致均匀的气流。
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