CN113898976B - 一种燃气轮机的燃烧室及其cmc火焰筒 - Google Patents

一种燃气轮机的燃烧室及其cmc火焰筒 Download PDF

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Abstract

一种CMC火焰筒，其连接支撑结构包括连接在所述上游侧端的移动部；连接在所述火焰筒头部的移动配合部；设置在所述上游侧端的第一周向侧和所述火焰筒头部之间的第一弹性部；以及设置在所述上游侧端的第二周向侧和所述火焰筒头部之间的第二弹性部；其中，所述移动部和所述移动配合部配合成移动副，多个所述移动副沿所述上游侧端和所述火焰筒头部的周向分布，所述第一弹性部和所述第二弹性部在所述上游侧端的两侧保持所述上游侧端的位置，并容许所述上游侧端和所述火焰筒头部之间因受热膨胀而沿所述移动副的移动方向进行相对移动，上述火焰筒可有效解决CMC火焰筒内、外环与高温合金的火焰筒头部之间的热膨胀失配问题。

Description

一种燃气轮机的燃烧室及其CMC火焰筒
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，具体涉及一种具有CMC火焰筒的燃烧室。
背景技术
现代大涵道比涡扇航空发动机是一种燃气轮机，通常由进气道、风扇增压级、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、尾喷管串联组成。其燃烧室火焰筒内、外环均采用镍基或钴基耐高温合金材料制成。随着航空发动机技术指标要求不断提高，燃烧室进、出口温度和压力也越来越高，传统的耐高温合金材料已暴露出其耐温能力不足，需使用大量冷却空气降低其工作温度的问题。同时大量冷却气的引入也会使得燃烧不够充分，生成过量污染排放物，难以满足高标准的航空发动机产品需求。
陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites，CMC)是在脆性的陶瓷基体中引入增韧补强材料而形成的一类复合材料，其中，碳化硅纤维增韧补强碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)作为一种新型耐高温陶瓷基复合材料，具有耐高温(短时工作温度可达1650℃)、低密度(<3.0g/cm3，约为耐高温合金的1/3)、低膨胀系数(4～5×10-6/℃，只有耐高温合金的1/3)、高比强、高模量、抗氧化、抗烧蚀，对裂纹相对不敏感等优点。因此，与传统的耐高温合金材料相比较，将陶瓷基复合材料应用于航空发动机燃烧室等热端零部件后，单个发动机构件可减重30％以上，能大幅度降低冷却空气用量，并具有将发动机涡轮前工作温度提高约200℃～300℃的潜力，进一步提高航空发动机热效率，同时还能够大幅降低航空发动机油耗，降低NOx、COx排放量并显著提升构件的疲劳使用寿命。基于上述优势，陶瓷基复合材料成为了先进航空发动机热端零部件的理想材料选择。
以SNECMA、GE和罗罗为代表的国际航空发动机公司很早就意识到了陶瓷基复合材料的优异性能和应用前景，积极开展了陶瓷基复合材料在航空发动机中的研究和应用。在各大公司所在国家政府机构(比如美国航空航天管理局NASA和能源部DoE)陶瓷基复合材料研制项目支持下，联合高校和科研机构，以型号研制为验证平台，从地面燃气轮机到军用小涵道比涡扇发动机再到商用大涵道比涡扇发动机，从技术风险较低的密封片、调节片和尾喷管等构件到航空发动机核心的高压涡轮和燃烧室构件，对陶瓷基复合材料构件进行了大量应用验证。在本世纪初，陶瓷基复合材料尤其是SiCf/SiC复合材料在燃烧室火焰筒内、外环上的工程应用呈现出快速发展的势头。最新报道显示，GE公司已经成功完成了GE9X发动机SiCf/SiC复合材料构件的第二阶段测试，测试的复合材料部件包括燃烧室火焰筒内、外环，2018年已完成适航取证，预计2019年底实现在GE9X发动机上的商业应用。
采用耐高温合金材料制备的火焰筒内、外环通常通过焊接或螺栓连接的方式与采用相同或相似的耐高温合金材料制备的火焰筒头部端壁装配在一起，连接部位的应力集中程度不会高于金属基体很多。但是当采用上述的装配方式将陶瓷基复合材料和耐高温合金材料连接到一起时，由于这两种材料的物理化学特性和热机械性能差异很大，会产生连接界面应力过大、密封不良、热膨胀失配等技术问题；同时，对于采用预浸料带-铺层-溶渗工艺技术制备的陶瓷基复合材料构件还需要解决开孔或弯折部位的脱胶分层问题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种CMC火焰筒，其连接支撑结构可有效解决陶瓷基复合材料(CMC)的火焰筒内、外环与耐高温合金材料的火焰筒头部的装配连接，有效缓解热膨胀失配问题。
CMC火焰筒包括火焰筒外环、火焰筒内环和火焰筒头部，所述火焰筒外环和所述火焰筒内环分别由CMC材料制成，所述火焰筒外环和所述火焰筒内环分别具有上游侧端和下游侧端，至少一个所述上游侧端通过连接支撑结构连接并支撑于所述火焰筒头部，所述CMC火焰筒的连接支撑结构包括连接在所述上游侧端的移动部；连接在所述火焰筒头部的移动配合部；设置在所述上游侧端的第一周向侧和所述火焰筒头部之间的第一弹性部；以及设置在所述上游侧端的第二周向侧和所述火焰筒头部之间的第二弹性部；
其中，所述移动部和所述移动配合部配合成移动副，多个所述移动副沿所述上游侧端和所述火焰筒头部的周向分布，所述第一弹性部和所述第二弹性部在所述上游侧端的两侧保持所述上游侧端的位置，并容许所述上游侧端和所述火焰筒头部之间因受热膨胀而沿所述移动副的移动方向进行相对移动。
所述移动配合部为固定在所述火焰筒头部的柱体，提供柱形外表面，所述移动部为固定在所述上游侧端的金属套环，所述金属套环提供柱形内表面，所述金属套环套在所述柱体的外周侧，以使所述柱形内表面和所述柱形外表面配合成移动副。
所述金属套环的一端具有凸环，另一端为外螺纹端，所述上游侧端具有穿孔，所述金属套环穿过所述穿孔，所述外螺纹端连接紧固螺母，所述上游侧端夹在所述紧固螺母和所述凸环之间。
所述第一弹性部和所述第二弹性部分别具有安装边，第一弹性部的安装边夹在所述螺母和所述第一周向侧之间，所述第二弹性部的安装边夹在所述凸环和所述第二周向侧之间。
所述螺母和所述第一弹簧的安装边之间夹有弹性垫片。
所述第一弹性部、第二弹性部为板簧，分别具有接触所述火焰筒头部的接触部。
所述下游侧端连接有金属索环结构，所述金属索环结构包括两层金属环以及弹性挡圈，所述下游侧端由该两层金属环夹住，该两层金属环由弹性挡环连接，该弹性挡环迫使该两层金属环夹紧所述下游侧端。
所述两层金属环的一方具有向另一方折弯的环边，所述环边具有环槽，所述弹性挡环固定在所述环槽中，并与所述一方将所述另一方和所述下游侧端夹住。
本发明的另一目的是提供一种燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室包括燃烧室外机匣、扩压器、燃油喷嘴、燃烧室内机匣以及上述火焰筒，火焰筒与所述燃烧室内机匣固定连接，以提供主要支撑；火焰筒和所述燃烧室外机匣浮动连接，以提供辅助支撑。
所述燃烧室的移动配合部提供凹部，所述燃烧室外机匣上安装了支撑悬臂，所述支撑悬臂具有球头部，所述球头部插入所述凹部，与所述凹部可滑动以及可转动配合。
通过上述连接支撑结构将CMC火焰筒内外环与高温合金材料的火焰筒头部端壁装配在一起，弹性部及移动副可降低构件内部的热应力和连接界面的应力集中，调节和吸收振动应力，显著提升火焰筒构件的疲劳使用寿命。
此外，火焰筒内、外环下游侧端设计的具有弹性垫环的金属索环结构可有效防止CMC火焰筒弯折部位的开孔或脱胶分层问题。
附图说明
图1为大涵道比涡扇航空发动机示意图；
图2为包含CMC火焰筒的燃烧室示意图；
图3为CMC火焰筒外环连接支撑结构示意图；
图4为CMC火焰筒内环连接支撑结构示意图；
图5为CMC火焰筒末段金属索环结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
下面结合图1和图2对本发明所涉及的燃气轮机进行阐述。所述燃气轮机包括进气道1、风扇2、行星齿轮箱3、低压压气机4、高压压气机5、燃烧室6、高压涡轮7、低压涡轮8、低速轴9和高速轴10，外界大气101进入燃气轮机后分为外涵气流102和内涵气流103。图1中的燃烧室6的放大细节图如图2所示，包括燃烧室外机匣61、扩压器62、燃烧室内机匣63、燃油喷嘴64、外帽罩65、旋流器66、头部转接段67、挡溅盘68、内帽罩69、火焰筒外环70、火焰筒内环71。其中，外帽罩65、内帽罩69和头部转接段67之间采用焊接的方式连接，头部转接段67和挡溅盘68之间也采用焊接的方式连接，整个焊接体构成火焰筒头部73。CMC火焰筒包括火焰筒外环70、火焰筒内环71和火焰筒头部73，火焰筒头部73的材质为焊接成整体的高温合金，火焰筒外环70和火焰筒内环71分别由CMC材料制成，火焰筒外环70和火焰筒内环71分别具有上游侧端771和下游侧端772，至少一个所述上游侧端通过连接支撑结构连接并支撑于火焰筒头部73。火焰筒外环70和火焰筒内环71的陶瓷基复合材料采用预浸料带-铺层-溶渗工艺技术制备，火焰筒壁面上均开有斜孔用于壁面的冷却。图3示出CMC火焰筒外环70与火焰筒头部73的连接支撑结构示意图，所述连接支撑结构包括连接在上游侧端771的移动部；连接在火焰筒头部73的移动配合部；设置在上游侧端771的第一周向侧761和火焰筒头部73之间的外环外周弹性部605(第一弹性部)以及设置在上游侧端771的第二周向侧762和火焰筒头部73之间的外环内周弹性部607(第二弹性部)。所述移动部和所述移动配合部配合成移动副，多个所述移动副沿上游侧端771和火焰筒头部73的周向分布，外环外周弹性部605(第一弹性部)和外环内周弹性部607(第二弹性部)在上游侧端771的两侧保持上游侧端771的位置，并容许上游侧端771和火焰筒头部73之间因受热膨胀而沿所述移动副的移动方向进行相对移动。所述移动配合部为固定在火焰筒头部73的柱体，提供柱形外表面，所述移动部为固定在上游侧端771的金属套环606，金属套环606提供柱形内表面，金属套环606套在所述柱体的外周侧，以使所述柱形内表面和所述柱形外表面配合成移动副。在图3中，所述移动部为固定在上游侧端771的金属套环606，金属套环606提供柱形内表面；所述移动配合部为固定在火焰筒头部73的金属扣眼602，金属扣眼602提供柱形外表面，金属套环606套在金属扣眼602的外周侧，以使金属套环606的柱形内表面和金属扣眼602的柱形外表面配合成移动副，所述移动副提供沿上游侧端771与火焰筒头部73的连接方向移动，沿火焰筒外环70的上游侧端771和火焰筒头部73的周向分布。金属扣眼602和火焰筒头部73之间采用焊接的方式连接，以提供稳固支撑。
图4示出CMC火焰筒内环71与火焰筒头部73的连接支撑结构示意图。CMC火焰筒内环71的连接支撑结构包括连接在上游侧端771的移动部、连接在火焰筒头部73的移动配合部、设置在上游侧端771的第一周向侧761和火焰筒头部73之间的内环内周弹性部608(第一弹性部)以及设置在上游侧端771的第二周向侧762和火焰筒头部73之间的内环外周弹性部609(第二弹性部)。所述移动部和所述移动配合部配合成移动副，多个所述移动副沿所述上游侧端771和火焰筒头部73的周向分布，内环内周弹性部608(第一弹性部)和内环外周弹性部609(第二弹性部)在上游侧端771的两侧保持上游侧端771的位置，并容许上游侧端771和火焰筒头部73之间因受热膨胀而沿所述移动副的移动方向进行相对移动。所述连接支撑结构中的移动部和移动配合部配合成移动副，所述移动配合部为固定在火焰筒头部73的柱体，提供柱形外表面，所述移动部为固定在上游侧端771的金属套环606，金属套环606提供柱形内表面，金属套环606套在所述柱体的外周侧，以使所述柱形内表面和所述柱形外表面配合成移动副。在图4中，所述移动部为固定在上游侧端771的金属套环606，金属套环606提供柱形内表面；所述移动配合部为固定在火焰筒头部73的金属锁扣610，金属锁扣610提供柱形外表面，金属套环606套在金属锁扣610的外周侧，以使金属套环606的柱形内表面和金属锁扣610的柱形外表面配合成移动副，沿火焰筒内环71的上游侧端771和火焰筒头部73的周向分布。金属锁扣610与火焰筒头部73之间采用焊接的方式连接，以提供稳固支撑。
上述移动副还可以由其他的配置方式，不限于柱面之间的配合，例如导向槽和滑块的配合，只要沿上游侧端771与火焰筒头部73的连接方向移动即可。
回到图3，金属套环606的一端具有凸环801，另一端为外螺纹端802，上游侧端771具有穿孔，金属套环606穿过所述穿孔，外螺纹端802连接紧固螺母603，上游侧端771夹在紧固螺母603和凸环801之间。紧固螺母603和金属套环606上的外螺纹端802配合用于压紧外环外周弹性部605(第一弹性部)、外环内周弹性部607(第二弹性部)和CMC火焰筒内外环70的上游侧端771。紧固螺母603和其中一个弹性部的安装边之间夹有弹性垫片604，弹性垫片604用于紧固螺母603的防松，保证紧固螺母603、外环外周弹性部605(第一弹性部)和CMC火焰筒内外环70三者之间的紧固。
上述外环外周弹性部605(第一弹性部)、外环内周弹性部607(第二弹性部)、内环内周弹性部608(第一弹性部)和内环外周弹性部609(第二弹性部)均具有安装边。在图3中，外环外周弹性部605(第一弹性部)的安装边夹在紧固螺母603与CMC火焰筒外环70的上游侧端771的第一周向侧761之间，外环内周弹性部607(第二弹性部)的安装边夹在凸环801和上游侧端771第二周向侧762之间，紧固螺母603和外环外周弹性部605(第一弹性部)的安装边之间夹有弹性垫片604，用于紧固螺母603的防松。在图4中，内环内周弹性部608(第一弹性部)的安装边夹在紧固螺母603与CMC火焰筒内环71的上游侧端771的第一周向侧761之间，内环外周弹性部609(第二弹性部)的安装边夹在凸环801和第二周向侧762之间，紧固螺母603和内环内周弹性部608(第一弹性部)的安装边之间夹有弹性垫片604，用于紧固螺母603的防松。上述安装方式可将第一弹性部、第二弹性部和上右侧端771三者沿移动副的运动方向紧固，保证第一弹性部、第二弹性部沿移动副的运动方向释放弹性力，从而有效吸收调节火焰筒头部73在热膨胀时的热应力。
优选的，上述外环外周弹性部605(第一弹性部)、外环内周弹性部607(第二弹性部)、内环内周弹性部608(第一弹性部)和内环外周弹性部609(第二弹性部)为板簧，分别具有接触火焰筒头部73的接触部。板簧具有一定强度的弹性力，可为高温合金的火焰筒头部73提供充足的热变形区间，降低构件内部的热应力和连接界面的应力集中，调节和吸收振动应力。同时，通过各层构件夹紧的连接方式可以紧固CMC火焰筒内环71和CMC火焰筒外环70，避免出现CMC材质的脱胶分层问题。此外，外环外周弹性部605(第一弹性部)、外环内周弹性部607(第二弹性部)也可以一侧固定在火焰筒头部73，另一侧与火焰筒外环70的上游侧端771接触；内环内周弹性部608(第一弹性部)和内环外周弹性部609(第二弹性部)一侧固定在火焰筒头部73，另一侧与火焰筒外环70和火焰筒内环71的上游侧端771接触，只要起到容许上游侧端771和火焰筒头部73沿移动副的移动方向进行相对移动，并提供沿该方向弹性力的作用即可。上述支撑连接方式可降低构件内部的热应力和连接界面的应力集中，调节和吸收振动应力，由此显著提升火焰筒的疲劳寿命。
图2至图4中，火焰筒头部73与燃烧室内机匣63固定连接，以提供主要支撑，例如火焰筒头部73的内帽罩69与扩压器62之间通过螺栓连接实现定位与紧固。火焰筒头部73与燃烧室外机匣61还具有悬臂支承结构，以提供辅助支撑。燃烧室外机匣61上安装有支撑悬臂601，支撑悬臂601具有球头部665，球头部665插入金属扣眼602所提供的凹部664，可实现球头部665与凹部664的滑动以及转动配合，从而实现火焰筒头部73与燃烧室外机匣61之间的浮动连接。燃烧室外机匣61、燃烧室内机匣63和火焰筒通过上述固定支撑和辅助浮动支撑相配合的连接方式既可以保证火焰筒的固定，又能有效降低火焰筒的热应力。
如图5所示，CMC火焰筒内环71和CMC火焰筒外环70的下游侧端772还具有金属索环结构，所述金属索环结构包括两层金属环以及弹性挡环703，两层金属环包括金属锁环外环701和金属锁环内环702。金属锁环外环701和金属锁环内环702夹住下游侧端772，金属锁环外环701和金属锁环内环702由弹性挡环703连接，弹性挡环703迫使金属锁环外环701和金属锁环内环702夹紧下游侧端772。
金属锁环外环701具有向另一方折弯的环边709，环边709具有环槽711，弹性挡环703固定在环槽711中，并与金属锁环外环701将金属锁环内环702和下游侧端772夹住。弹性挡环703和金属锁环外环701、金属锁环内环702之间用点焊固定连接，防止其相互之间的热态松动。因此，CMC火焰筒内外环的下游侧端772被两个金属锁环夹紧，可以有效防止CMC火焰筒在弯折部位易开孔或脱胶分层的问题。金属锁环外环701和金属锁环内环702也可以图5相反的方向安排布置，只要能起到夹紧下游侧端772即可。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.CMC火焰筒，包括火焰筒外环、火焰筒内环、火焰筒头部，所述火焰筒外环和所述火焰筒内环分别由CMC材料制成，所述火焰筒外环和所述火焰筒内环分别具有上游侧端和下游侧端，至少一个所述上游侧端通过连接支撑结构连接并支撑于所述火焰筒头部，其特征在于，所述连接支撑结构包括：
连接在所述上游侧端的移动部；
连接在所述火焰筒头部的移动配合部；
设置在所述上游侧端的第一周向侧和所述火焰筒头部之间的第一弹性部；以及
设置在所述上游侧端的第二周向侧和所述火焰筒头部之间的第二弹性部；
其中，所述移动部和所述移动配合部配合成移动副，多个所述移动副沿所述上游侧端和所述火焰筒头部的周向分布，所述第一弹性部和所述第二弹性部在所述上游侧端的两侧保持所述上游侧端的位置，并容许所述上游侧端和所述火焰筒头部之间因受热膨胀而沿所述移动副的移动方向进行相对移动，所述第一弹性部和所述第二弹性部用于凭借自身弹性力以调节和吸收热应力，
所述移动配合部为固定在所述火焰筒头部的柱体，提供柱形外表面，所述移动部为固定在所述上游侧端的金属套环，所述金属套环提供柱形内表面，所述金属套环套在所述柱体的外周侧，以使所述柱形内表面和所述柱形外表面配合成移动副，
所述金属套环的一端具有凸环，另一端为外螺纹端，所述上游侧端具有穿孔，所述金属套环穿过所述穿孔，所述外螺纹端连接紧固螺母，所述上游侧端夹在所述紧固螺母和所述凸环之间。
2.如权利要求1所述的CMC火焰筒，其特征在于，所述第一弹性部和所述第二弹性部分别具有安装边，第一弹性部的安装边夹在所述螺母和所述第一周向侧之间，所述第二弹性部的安装边夹在所述凸环和所述第二周向侧之间。
3.如权利要求2所述的CMC火焰筒，其特征在于，所述螺母和所述第一弹性部的安装边之间夹有弹性垫片。
4.如权利要求1所述的CMC火焰筒，其特征在于，所述第一弹性部、第二弹性部为板簧，分别具有接触所述火焰筒头部的接触部。
5.如权利要求1所述的CMC火焰筒，其特征在于，所述下游侧端连接有金属索环结构，所述金属索环结构包括两层金属环以及弹性挡圈，所述下游侧端由该两层金属环夹住，该两层金属环由弹性挡环连接，该弹性挡环迫使该两层金属环夹紧所述下游侧端。
6.如权利要求5所述的CMC火焰筒，其特征在于，所述两层金属环的一方具有向另一方折弯的环边，所述环边具有环槽，所述弹性挡环固定在所述环槽中，并与所述一方将所述另一方和所述下游侧端夹住，以防止CMC火焰筒在弯折部位开孔或脱胶分层。
7.一种燃气轮机的燃烧室，包括燃烧室外机匣、扩压器、燃油喷嘴、燃烧室内机匣以及火焰筒，其特征在于，所述火焰筒为如权利要求1至6中任一项所述的CMC火焰筒，所述火焰筒与所述燃烧室内机匣固定连接，以提供主要支撑；所述燃烧室外机匣和所述火焰筒浮动连接，以提供辅助支撑。
8.如权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述移动配合部提供凹部，所述燃烧室外机匣上安装了支撑悬臂，所述支撑悬臂具有球头部，所述球头部插入所述凹部，与所述凹部可滑动以及可转动配合。
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