CN1145758C - 燃烧器后衬面台阶形热侧的造形方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧器衬有一台阶形燃烧器衬表面和一构成空气冷却槽的悬臂部。悬臂部的所造形的后衬缘减少了燃烧气体流的紊流，并减少暴露于燃烧气体中的燃烧器衬表面积。在造形的后衬缘上还涂以热障涂料，以减少热流进入悬臂部，从而降低燃烧器衬的工作温度。这样，减少了冷却空气量，能减少排放，改善发动机性能，和延长燃烧器组件的工作寿命。

Description

燃烧器后衬面台阶形热侧的造形方法和装置
本发明总的涉及透平机，尤其涉及透平机的槽形冷却环燃烧器。
透平机包括一压气机，用以压缩适于与燃料混合并被引导到该混合物在其内点燃以产生灼热气体的燃烧器的空气。这些气体被引导到透平，透平从燃烧气体提取能量，为压气机提供动力，并产生有用功，以推进飞行中的航空器，并为诸如发电机的负载提供动力。藉助于提高燃烧器的运转温度，至少部分地实现燃气透平效率的提高。燃烧器运转温度的主要限制一直是燃烧室器衬的材料限制。
冷却燃烧室衬的有效技术是薄膜对流冷却，其中冷却空气的保护膜界面沿衬内表面流经空气冷却槽，使衬与热燃气隔离。除了在衬和热燃气之间形成保护界面之外，冷却空气能对衬进行对流冷却。例如，参阅美国专利No.4,259,842。然而，这些空气槽往往会助长燃烧气体的紊流，使其与槽端部分离，这便提高了这些槽端部的传热率，从而提高燃烧器衬的热负荷。
冷却燃烧器衬热障的另一有效技术是采用涂于燃烧器衬内表面的热障涂料，以提供对燃烧气体的隔热。热障涂料减少了对应于给定燃烧气体温度所需要的冷却空气，或能提高燃烧气体温度，以提高发动机效率。例如，参阅美国专利No.5,960,632。然而，应用热障涂料的工艺限制，即热障涂料不希望的聚集妨害了热障涂料应用于燃烧器衬的后衬缘，从而使这些后衬缘暴露于灼热燃气中，并使不希望的热流进入该衬。
因此，希望提供一种燃烧器组件，它带有可涂以热障涂料的后衬缘，而不会在空气冷槽中引起不希望的热积累，这些后衬缘减少了在各缘处的燃烧气体紊流，并减少了悬臂部的燃烧器衬表面。
在本发明的一个实施例中，燃烧器包括一燃烧器衬，它有台阶形燃烧器衬表面；至少一个构成空气冷却槽的悬臂部。该悬臂部的后衬缘被造形成能减少燃烧气体流的紊流，并能减小悬臂部的燃烧器衬暴露表面。热障涂料涂于所造形的后衬缘，进一步减少了热流进入悬臂部，并降低了燃烧器的运转温度。这样，便减少了所要求的冷却空气量，能降低排放，提高了发动机性能，延长了燃烧器组件的工作寿命。此外，由于该热障涂料，可达到较高的燃烧气体温度，提高了透平机的效率，而不会对燃烧器组件材料有有害的影响。
图1是现在技术燃烧器组件的局部剖视图；
图2是图1所示燃烧器组件的一部分的放大视图；
图3是燃烧器衬第一实施例的类似于图2的放大视图；
图4是燃烧器衬第二实施例的类似于图3的放大视图；
图5是燃烧器衬第三实施例的类拟于图3的放大视图。
现有技术燃烧器组件示于图1，它结合薄膜对流冷却和热障涂料技术，以降低常规透平机中燃烧器衬的运转温度。一常规的燃料喷器(未示)将雾化燃料喷入燃烧器组件10的燃烧区12，形成一种通常与涡流(未示)混合的空气燃料混合物。一点燃器或交叉火焰管(cross-fire tube)(未示)点燃燃料喷射器下游的空气一燃料混合物，而后燃烧气体经一透平喷嘴(未示)自燃烧器组件排出，该喷嘴将高能燃烧气体引导一排透平叶片上。这些燃气转动透平叶轮(未示)，它将旋转能量供给压气机，对负荷提供动力和/或将其转化的推力。
燃烧区12是圆环形径向内外支承件或壳层(未示)及一相应的外衬20的内衬22构成。内外衬22，20各包抗若干由燃烧器衬表面28的悬臂部26构成的空气冷却槽24。现在参照图2，燃烧器衬表面28包括一系列台阶30，每一台阶构成燃烧器衬表面28的截然不同部分，由空气冷却槽24跟燃烧器衬表面28的其余部分隔开。空气冷却槽24包开口32，自空气增压室(未示)接收空气，并在高温燃烧气体的燃烧器衬表面28之间形成一层薄薄的空气保护界面，以及为燃烧器衬22提供对流冷却。空气自开口32流经燃烧器衬表面28和燃烧器衬悬臂部26底面36之间的槽24。
已知的热障涂料38涂在燃烧器衬表面28上，并自悬臂部26延伸到各台阶30的悬臂部26，进一步使燃烧器衬表面28和高温燃烧气体隔离。然而，由于工艺限制，每悬臂部26的后衬缘40并不涂以热障涂料38，因为热障涂料38最终不希望地聚集在各悬臂部26上。这样，这种燃烧器组件10的优点是每悬臂部26的后衬缘40暴露于灼热燃烧气体中，随后能使不希望的热流进入各悬臂部26。
此外，各后衬缘40含有方角几何形状，即每一后衬缘40基本上垂直于燃烧器衬表面28和各悬臂部26的底面36。方角几何形状助长了燃烧气体流的紊流，因为该气体流和各后衬缘40分离。紊流提示了各后衬缘40的传热率，这又导致悬臂26的热负荷的不希望的增加。此外，方角几何形状使不希望大的燃烧器衬表面暴露于燃烧气体，从而增加了悬臂26的热负荷，并提高了其中金属的温度。
克服了这些缺点的燃烧器衬的第一实施例示于图3，它包括一连串由空气冷却槽64隔开的燃烧器衬表面62。燃烧器衬表面62彼此相连，并彼此成台阶。每一燃烧器衬表面62包含一悬臂部66，彼此相邻延伸而形成空气冷却槽64。每一悬臂部26包含一后衬缘70，它被造形成能允许涂以热障涂料，能减少排气紊流，并减少暴露于高温燃烧气体内的燃烧器衬表面积。
具体地说，每一后衬缘70由第一弧形半径部72和大体直的垂直于悬臂部66的底缘76的第二部74组成。这样，就避免了已知燃烧器衬的方角几何形状，并减少了暴露于灼热燃烧气体中的燃烧器衬表面积，即燃烧器衬“热侧”的表面积。此外，作为燃气自靠近各后衬缘70的悬臂部66分离的燃烧气体紊流减少了，从而使输入悬臂部66的热量减少，并降低了悬臂部66的工作温度。而且，后衬缘70的几何形状通过调节涂后衬缘表面的喷雾角(未示)，同时用橡皮塞(未示)塞住各冷却槽(64)的开口允许热障涂料78涂于后衬缘70。因此，由于热障涂料78而使后衬缘70的工作温度进一步降低，从而延长了燃烧器衬60的工作寿命，并减少排放和改善发动机性能。
图4表示燃烧器衬90的第二实施例，包含一系列由空气冷却槽94隔开的燃烧器衬表面92。燃烧器衬表面92彼此相连接，并彼此成台阶。每一燃烧器衬表面92包含一悬臂部96，彼此相邻延伸而形成空气冷却槽94。每悬臂部96包含一后衬缘100，它被造形成能允许涂以热障涂料，能减少排气紊流，并减少暴露于高温燃烧气体中的燃烧器衬表面积。
具体地说，每一悬臂部96被制成锥形，在接近各后衬缘100处变薄，从而减少暴露于灼热燃烧气体中的燃烧器衬表面积。每一后衬缘100由第一弧形半径部102和大体直的垂直于悬臂部96的底缘106的第二部94组成。这样，就避免了已知燃烧器衬的方角几何形状，并减少了暴露于灼热燃烧气体中的燃烧器衬表面积，即燃烧器衬“热侧”的表面积。此外，作为燃气自靠近各后衬缘100的悬臂部96分离的燃烧气体紊流减少了，从而使输入悬臂部96的热量减少，并降低了悬臂96的工作温度。而且，后衬缘100的几何形状通过调节涂后衬缘表面的喷雾角(未示)同时用橡皮塞(未示)塞住各冷却槽(94)的开口，允许热障涂料108涂于后衬缘100。因此，由于热障涂料108而使后衬缘100的工作温度进一步降低，从而延长了燃烧器衬90的工作寿命，并减少排放和改善发动机性能。
图5表示燃烧器衬120的第三实施例，包含一系列由空气冷却槽124隔开的燃烧器衬表面122。燃烧器衬表面112彼此相连，并彼此成台阶。每一燃烧器衬表面122包含一悬臂部126，彼此相邻延伸而形成空气冷却槽124。每一悬臂部126包含一后衬缘130，它被造形成能允许涂以热障涂料，能减少排气紊流，并减少暴露于高温燃烧气体中的燃烧器衬表面积。
具体地说，每一悬臂部130由倒角的第一部132和大体直的垂直于悬臂部126底缘136的第二部134组成。这样，就避免了已知燃烧器衬的方角几何形状，并减少了暴露于灼热燃烧气体中的燃烧器衬表面积，即燃烧器衬“热侧”的表面积。此外，作为燃气自靠近各后衬缘130的悬臂部126分离的燃烧气体紊流减少了，从而使输入悬臂部126的热量减少，并降低了悬臂部126的工作温度。而且后衬缘130的几何形状，通过调节涂后衬缘表面和喷雾角(未示)，同时用橡皮塞(未示)塞住各冷却槽(124)的开口，允许热降涂料138涂于后衬缘130。因此，由于热降涂料138而使后衬缘130的工作温度进一步降低，从而延长了燃烧器衬120的工作寿命，并减少排放和改善发动机性能。
虽然就各具体实施例说明了本发明，然而，熟悉该技术的人们会鉴别，通过在权利要求书的精神和范围内的修改可实施本发明。

Claims (17)

1.一种减轻透平机燃烧器衬热负荷的方法，该燃烧器衬包括若干由燃烧器衬表面悬臂部形成的空气冷却槽，每一悬臂部具有一后衬缘，所述方法包括如下步骤：
将每后衬缘造形成能减少由于燃烧气流与后衬缘分离时相对于一钝头缘产生的燃烧气体流紊流；
用热障涂料涂以后衬缘。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于造形各后衬缘的步骤包括成形一弧形后衬缘的步骤。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于造形各后衬缘的步骤还包括将悬臂部制成锥形的步骤。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于造形各后衬缘的步骤包括将后衬缘制成倒角的步骤。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于造形各后衬缘的步骤包括减小热侧表面积的步骤。
6.一种燃烧器衬，包括：
一个第一衬表面；
一个与第一衬表面相连且局部伸出第一表面的第二衬表面，所述第二衬表面包括一顶缘和一后衬缘，所述后衬缘涂以热障涂料。
7.一种权利要求6所述的燃烧器衬，其特征在于所述后衬缘至少部分是弧形的。
8.一种权利要求6所述的燃烧器衬，其特征在于所述后衬面包括一倒角缘。
9.一种权利要求6所述的燃烧器衬，其特征在于所述第二衬表面是锥形的。
10.一种权利要求9所述的燃烧器衬，其特征在于所述后衬面至少部分是弧形的。
11.一种权利要求6所述的燃烧器衬，其特征在于所述部分伸出的第二表面与所述第一表面构成一冷却槽。
12.一种燃烧器衬，包括：
一台阶表面，至少包括由一冷却槽彼此分隔的第一和第二台阶，所述第二台阶伸出所述第一台阶，并包括一后衬表面；
所述后衬表面至少包括一第一部和一第二部，所述第一和第二部分别涂以热障涂料。
13.按权利要求12所述的燃烧器衬，其特征在于所述第一和第二部之一是弧形的。
14.按权利要求12所述的燃烧器衬，其特征在于所述第一和第二部之一是锥形的。
15.按权利要求12所述的燃烧器衬，其特征在于所述第一和第二部之一是包括一倒角缘。
16.按权利要求12所述的燃烧器衬，其特征在于所述第二台阶还包括一顶表面，所述冷却槽包括一顶表面，所述后衬缘将所述第二台阶顶表面连接到冷却槽顶面。
17.按权利要求16所述的燃烧器衬，其特征在于所述后衬面仅包含一方形缘角。
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