CN117146297A - 燃烧室及火焰筒后支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种火焰筒后支撑结构，其容许使用金属支撑保持火焰筒的径向支撑，降低火焰筒壁在连接处的应力。根据本发明的一方面的火焰筒后支撑结构，包括安装在外机匣上的支撑臂，还包括环形元件；在所述支撑臂的根部设置有弹性结构和环形槽，所述环形元件设置在所述环形槽中，并由多个环形段首尾配合组成，所述弹性结构用于预设一定的预紧力，以使所述环形元件的各个环形段与被支撑的火焰筒保持接触状态；相邻环形段的侧面相互贴合并预留能够自由膨胀的空间。本发明还提供一种燃烧室，其包括前述火焰筒后支撑结构。

Description

燃烧室及火焰筒后支撑结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机的火焰筒的支撑结构，尤其涉及火焰筒的后支撑结构。

背景技术

传统高温合金制造的燃烧室火焰筒寿命带来极大挑战，所以必须考虑发展耐温能力更高的陶瓷基复合材料CMC。受限于制造工艺，CMC材料目前主要用于燃烧室火焰筒内外环、涡轮叶片等，不能大范围使用。因CMC材料的线膨胀系数较低，与其他金属零件的连接结构设计需要关注，避免热态下膨胀量不同导致内应力较大从而产生结构失效。

中国专利CN103486619B记载一种火焰筒固定结构，其包括金属材料的外支撑环，火焰筒外壁的尾端通过铆钉与该外支撑环连接，同时外支撑环安装在燃烧室机匣上。

在工作状态下，陶瓷基复合材料CMC与金属环件因膨胀量不同导致两者连接处产生高应力，造成连接处结构失效，可能引起燃烧室CMC火焰筒内火焰蹿出，引发发动机故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火焰筒后支撑结构，其容许使用金属支撑保持火焰筒的径向支撑，降低火焰筒壁在连接处的应力。

根据本发明的一方面的火焰筒后支撑结构，包括安装在外机匣上的支撑臂，还包括环形元件；在所述支撑臂的根部设置有弹性结构和环形槽，所述环形元件设置在所述环形槽中，并由多个环形段首尾配合组成，所述弹性结构用于预设一定的预紧力，以使所述环形元件的各个环形段与被支撑的火焰筒保持接触状态；相邻环形段的侧面相互贴合并预留能够自由膨胀的空间。

在一个或多个实施例中，在所述支撑臂的根部沿周向于所述环形槽的底面开设有多个独立腔体，在所述腔体内放置所述弹性结构。

在一个或多个实施例中，所述环形段用于接触火焰筒的表面开设有冷却孔。

在一个或多个实施例中，所述环形段在两端延伸出方向相反的凸耳结构，相邻环形段的凸耳结构方向相反并通过侧面相互贴合，在凸耳结构的端面之间预留能够自由膨胀的空间。

在一个或多个实施例中，所述支撑臂和所述环形元件为金属材料。

根据本发明另一方面的燃烧室，包括火焰筒和火焰筒后支撑结构，所述火焰筒后支撑结构为任一项前述的火焰筒后支撑结构，所述火焰筒为CMC火焰筒。

根据本发明的实施例使用分段环形元件以及弹性结构支撑火焰筒，实现火焰筒的径向浮动，保证密封。在热态下，分段环形元件以及弹性结构易变形的特点使得火焰筒壁实现不同材料之间的冷热匹配，受到较小的限制，使得火焰筒能够自由释放热变形，降低火焰筒壁在连接处的应力，降低失效风险，提高寿命。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是燃烧室的示意性半剖视图。

图2是燃烧室的局部放大图，示出了火焰筒后支撑结构。

图3是火焰筒后支撑结构的横向剖视图。

图4是金属环的局部视图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。

图1是燃烧室的示意性半剖视图，其相对于发动机轴线10对称的另一半被省略。如图1所示，航空发动机燃烧室包括燃烧室扩压器1、外机匣2、内机匣3、头部帽罩4、火焰筒5和6、固定销7等。发动机工作时，高温压缩空气从压气机流入燃烧室内扩压器1，进而一股11进入外环腔内，一股13进入内环腔，大部分12进入火焰筒5和6内，在火焰筒5和6内进行燃烧。燃烧时会造成火焰筒5和6处于较高温度的工作环境中。目前主流发动机的火焰筒壁为高温合金材料，并进行冷却设计。随着对发动机推力的要求越来越高，火焰筒需要承受的温度逐渐升高，金属已经不能满足相应的使用环境需求，新型的陶瓷基复合材料CMC成为火焰筒的未来发展趋势。火焰筒壁5和6由于采用了陶瓷基复合材料CMC，其属于一种非金属的材料，如果有金属件支撑，容易出现非金属材料与金属材料之间的冷热变形不协调的问题，从而导致产生结构性的破坏。火焰筒5和6前端与头部帽罩4通过环形槽相匹配连接，保证火焰筒5和6前端能有一定的径向和轴向自由膨胀，火焰筒5后端采用支撑臂8配合，支撑臂8安装于外机匣2上，后面将描述支撑臂8的用于与火焰筒5配合的结构，其可以解决非金属材料与金属材料之间的冷热变形不协调的问题。

图2是火焰筒5后端支撑结构的局部放大图。火焰筒5后端采用支撑臂8的配合结构在如图2所示。支撑臂8并不与火焰筒5直接接触，而是通过弹性结构9和环形元件101与火焰筒5接触。支撑臂8在图中所示的实施例中大致为锥形筒状，其顶端或大端装在外机匣2上，根部或小端用于连接火焰筒5。

图3是支撑臂8根部沿垂直发动机轴线10方向剖开的剖视图，其中支撑臂8的中心与发动机轴线重合。如图3所示，支撑臂8根部在周向开设环形槽82和若干数量的独立腔体81，环形槽82用于放置环形元件101，独立腔体81用于放置弹性结构9，弹性结构9可为弹簧等各类具有弹性能起到同样功能的构件。弹性结构9在装配之初预设一定的预紧力，保证弹性结构9在任何工况下都应具有压力，保证环形元件101与火焰筒5在任何工况下都应保持接触状态，从而实现较好的密封。

如图3所示，支撑臂8根部开设的若干独立腔体81位于环形槽82的底面，环形元件101部分放置在支撑臂8根部的环形槽82内，约束环形元件101只能随着金属支撑8在径向运动。环形槽82的底面是指沿着槽的凹入深度方向的底面，并非指该底面比腔体81还要低。

如图3和图4所示，环形元件101在周向为分段式的，分为若干段，环形段1011两侧具有方向相反的凸耳结构1013和1014，两个环形元件1011通过方向相反的凸耳结构1013和1014的侧面接触配合，凸耳结构1013和1014的端面之间预留有能够自由膨胀的空间1012，使得环形元件101能自由适应火焰筒5的变形，并在弹性结构9的约束下，保证环形元件101与火焰筒5在任何工况下都应保持接触状态。不限于凸耳结构1013和1014的形式，例如一方凸耳结构替换为U形，只要两个环形段1011/1012形成的自由膨胀的空间1012不能产生泄露气就可以满足要求。

前述实施例使用支撑臂8对CMC火焰筒进行径向的装配定位，支撑臂内放置环形元件和弹性结构，弹性结构顶住环形元件，保证环形元件与CMC火焰筒贴合，实现对CMC火焰筒的径向约束，装配后有一定的预紧力，保证各个状态下都能达到比较好的密封效果，环形元件为分段式结构，能够充分适应热匹配的问题，同时更利于装配和更换；同时分段式的搭接结构不会造成大量的气体泄漏，使得CMC火焰筒能够自由释放热变形，降低CMC火焰筒壁在连接处的应力，降低失效风险，提高使用寿命。

如图4所示，环形元件101与火焰筒5配合的端面，可以根据需要开设不同的冷却孔1011，降低火焰筒5对环形元件101的热传导。

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。例如环形元件和支撑臂在一个实施例中为高温合金，火焰筒为CMC，在另一个实施例中，环形元件和支撑臂为另一种金属，而火焰筒为另一种不同材料，前述的火焰筒后支撑结构适合于支撑结构材料与火焰筒材料热膨胀系数不同的场合。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 (6)

1.火焰筒后支撑结构，包括安装在外机匣上的支撑臂，其特征在于，还包括环形元件；在所述支撑臂的根部设置有弹性结构和环形槽，所述环形元件设置在所述环形槽中，并由多个环形段首尾配合组成，所述弹性结构用于预设一定的预紧力，以使所述环形元件的各个环形段与被支撑的火焰筒保持接触状态；相邻环形段的侧面相互贴合并预留能够自由膨胀的空间。

2.如权利要求1所述的火焰筒后支撑结构，其特征在于，在所述支撑臂的根部沿周向于所述环形槽的底面开设有多个独立腔体，在所述腔体内放置所述弹性结构。

3.如权利要求1所述的火焰筒后支撑结构，其特征在于，所述环形段用于接触火焰筒的表面开设有冷却孔。

4.如权利要求1所述的火焰筒后支撑结构，其特征在于，所述环形段在两端延伸出方向相反的凸耳结构，相邻环形段的凸耳结构方向相反并通过侧面相互贴合，在凸耳结构的端面之间预留能够自由膨胀的空间。

5.如权利要求1所述的火焰筒后支撑结构，其特征在于，所述支撑臂和所述环形元件为金属材料。

6.燃烧室，包括火焰筒和火焰筒后支撑结构，其特征在于，所述火焰筒后支撑结构为如权利要求1至5中任一项所述的火焰筒后支撑结构，所述火焰筒为CMC火焰筒。