CN1220845C - 带有凸缘的中空结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有至少一个凸缘的中空结构，该中空结构能够消除由于热疲劳而产生裂纹的可能，从而提高了耐用性。根据本发明带有凸缘的中空结构包括至少一个绕该中空结构固定附连的环形凸缘，该中空结构在其壁厚方向上有温度梯度，其中，所述至少一个环形凸缘包括由金属材料形成的外部部分，该金属材料的线性膨胀系数大于形成所述至少一个环形凸缘的另外部分的金属材料的线性膨胀系数。

Description

带有凸缘的中空结构
技术领域
本发明涉及一种带有凸缘的中空结构，更具体地，涉及一种带有提高了的耐用性的环形凸缘的中空结构。
背景技术
一种带有绕其固定的环形凸缘的中空结构在许多技术领域得到了应用，该中空结构在工作过程中具有沿中空结构的壁厚方向的温度梯度。
例如，一种传统的燃气涡轮系统，包括多个将工作气体，即燃气，供应到燃气涡轮中的燃烧器。这样的多个燃烧器以彼此相邻的关系绕涡轮转子的中心轴成圆周状设置。每个燃烧器包括圆筒结构，该结构包括衬套和尾部圆筒，该衬套带有连接在其一端的燃烧喷嘴，该尾部圆筒连接到该衬套上。该尾部圆筒包括在其排放口的外圆周处的端部环形凸缘，以将该尾部圆筒连接到涡轮的外壳。
根据上述的现有技术的燃烧系统的结构，燃气经过一个或多个燃烧喷嘴注入到燃烧器的内部空间，燃气在该内部空间内和空气混合在一起，然后该混合物纵向地流向燃烧器的排放口，之后该混合物供应给涡轮转子。
然而，内部空间和其外部环境之间的温度差导致了在端部环形凸缘处、沿尾部圆筒的壁厚方向产生了温度梯度，这一事实使现有技术的燃烧系统出现缺陷。
当燃气涡轮系统处于其正常的工作状态时，由于尾部圆筒的内表面暴露在最高温度为1500℃的燃气下，尾部圆筒的内表面的温度急剧地升高，而同时尾部圆筒的外表面的温度由于被外部环境空气冷却而没有明显地升高，以致沿尾部圆筒的壁厚方向会出现几百度的温度梯度。所以，如果端部凸缘具有矩形的排放口，由于上述的大范围的温度梯度，排放口将变形，这样，端部凸缘的长壁侧将向内弯曲，而其短壁侧将向外弯曲，导致它们之间的每个拐角处产生很高水平的热应力，所以可能会由于热疲劳在其内部产生裂纹。
为了解决该问题，提出了一种装置，该装置能够减小尾部圆筒的壁厚方向上的温度梯度的范围。更具体地，该装置具有冷却装置，该冷却装置包括设置在尾部圆筒内表面附近的流动通道，用于为穿过其中的冷却流体提供流动路径，从而降低尾部圆筒的内表面的温度。
但是，该装置具有固有的缺点。
即，如果内表面、进而尾部圆筒的内部空间的温度降低，燃气涡轮系统的效率将降低。
另一种习知类型的管状中空结构，例如排放导管，具有多个相互以相等间隔的纵向关系固定连接到其外圆周上的多个环形凸缘。当经过排放导管排放高温气体时，该中空结构，即该排放导管，由于导管壁的厚度方向上的大范围的温度梯度而向外膨胀，和上述的燃烧器的情况类似。同时，由于排放导管的外表面的热膨胀受到了多个凸缘中的每个的限制，中空结构在其纵向上变形成为波浪形，这样，中空结构固定有多个凸缘中的每一个凸缘的每一部分形成波谷，而位于两个相邻凸缘之间的中空结构的其他部分形成波峰，因此导致形成中空结构壁的材料弯曲。所以，和上述燃烧器的情况类似，在多个凸缘分别固定到其上的部分处，中空结构将经受高水平的热应力。
本发明的目的是提供一种燃气涡轮燃烧器，其中，环绕其端部环形凸缘的热应力可被最小化，同时不影响燃气涡轮系统的效率。
本发明的另一目的是提供一种具有至少一个凸缘的中空结构，该结构能够排除由于热疲劳而产生的裂纹，从而提高其耐用性。
发明内容
通常，限制材料的热膨胀的因素包括材料的热膨胀系数、温差的大小以及材料的初始长度。在现有技术中，主要通过在较低的最大温度下冷却材料的高温部分来控制温差，以减小在正常工作期间燃烧器的端部凸缘的热应力，从而导致燃气涡轮系统的效率受到影响，而本发明基于控制材料的热膨胀系数来避免影响到燃气涡轮系统的效率，绕端部环形凸缘使用了多种具有彼此不同的线性膨胀系数的材料，从而减小热应力的量。
本发明涉及一种带有凸缘的中空结构，其中绕所述中空结构固定连接有至少一个环形凸缘，所述中空结构的内部空间温度高于外部环境温度从而在其壁厚方向上具有温度梯度，该中空结构包括：所述至少一个环形凸缘，该凸缘包括由金属材料形成的外部部分和被外部部分环绕的内部部分，其中形成外部部分的金属材料的线性膨胀系数大于形成所述内部部分的金属材料的线性膨胀系数。
换言之，本发明提供一种带有凸缘的中空结构，其中，至少一个环形凸缘绕中空结构固定连接，该中空结构具有沿其厚度方向的温度梯度。所述中空结构包括所述的至少一个环形凸缘，所述凸缘包括外部部分，形成该外部部分的金属材料的线性膨胀系数大于形成所述至少一个环形凸缘的另外部分、并与前述金属材料不同的金属材料的线性膨胀系数。
根据本发明的一个方面，通过用金属材料形成暴露在较低温度下的部分凸缘，该金属材料的线性膨胀系数大于形成暴露在较高温度下的部分凸缘的不同金属材料的线性膨胀系数，由于正常工作期间较低温度部分有较大的膨胀量，较高温度部分和较低温度部分之间的热膨胀差异将变得比由相同材料制成较高温度部分和较低温度部分的情况小，从而导致中空结构径向向外膨胀的限制减小，这样减小了中空结构在其纵向上变为波浪形的变形，从而减小了连接有多个凸缘中的每一个的部分的热应力，进而消除了由于热疲劳而产生裂纹的可能。
因此，在本发明的一个实施例中，中空结构是绕涡轮转子的中心轴、以彼此相邻的关系、圆周状设置的多个燃气涡轮燃烧器中的一个，该多个燃气涡轮燃烧器中的一个包括通常为管状的尾部圆筒，该尾部圆筒用于提供使燃气向排放口纵向流动的流动通道，所述尾部圆筒在其排放口的外部圆周处具有用于将其连接到涡轮外壳的端部环形凸缘。其中，该端部环形凸缘包括所述至少一个凸缘；其中，所述端部环形凸缘包括由金属材料形成的外部部分，该金属材料的线性膨胀系数大于形成所述端部环形凸缘的另外部分的金属材料的线性膨胀系数。
根据本发明的该方面，通过用金属材料形成暴露在较低温度下的部分，该金属材料的线性膨胀系数大于形成暴露在较高温度下的部分的不同金属材料的线性膨胀系数，由于正常工作期间较低温度部分有较大的膨胀量，较高温度部分和较低温度部分之间的热膨胀差异将会变小(被称作双金属效果)，小于由相同材料制成较高温度部分和较低温度部分的情况，导致了弯曲变形的量的减小，从而减小了由于变形而产生的热应力，尤其是在其角部分处产生的热应力，从而排除了由于热疲劳而产生裂纹的可能。
可选地，可以通过沿排放口的长侧或短侧设置双金属结构来减小排放口的角处的热应力。
根据本发明的另一方面，所述端部环形凸缘包括由形成排放口的圆周部分的第一金属材料形成的第一环形部分，和由线性膨胀系数大于第一金属材料的线性膨胀系数的第二金属材料形成的第二环形部分；其中，所述第一和第二环形部分通过用焊剂焊接互相连接在一起，该焊剂的线性膨胀系数在第一金属材料和第二金属材料的线性膨胀系数之间。
优选地，第二金属材料的线性膨胀系数比第一金属材料的线性膨胀系数大10％。
更为优选地，形成所述凸缘的内部部分的金属材料为哈司特镍合金-X(Hastelloy-X)，并且形成所述凸缘的外部部分的金属材料是A-286或者SUS不锈钢。
附图说明
图1是根据本发明的燃烧器的尾部圆筒的第一优选实施例的放大剖视图；
图2是图1中示出的尾部圆筒的端部环形凸缘的透视图；
图3是沿图2中的线A-A和B-B所截取的剖视图；
图4是尾部圆筒的端部环形凸缘的端视图；
图5是根据本发明的燃烧器的尾部圆筒的第二优选实施例的剖视图；
图6是根据本发明带有多个凸缘的中空结构的第三优选实施例的一般概观。
具体实施方式
下文详细描述根据本发明的燃烧器的优选实施例的特征。
图1是根据本发明的燃烧器的尾部圆筒的第一优选实施例的放大剖视图。图2是图1中示出的尾部圆筒的端部环形凸缘的透视图。图3和5分别是沿图2中的线A-A和B-B截取的尾部圆筒的剖视图。图4是尾部圆筒的端部环形凸缘的端视图。
例如10个的多个燃烧器10以彼此相邻的关系绕涡轮转子的中心轴圆周状设置。如图1所示，每个燃烧器10包括圆筒形结构，该结构包括带有连接到燃烧器10的一端的燃烧喷嘴(未示出)的衬套12和与衬套12连接的尾部圆筒14。如图2所示，尾部圆筒14包括设置在涡轮转子(未示出)的旋转轴附近的前面部分16、远离涡轮转子的旋转轴设置的后面部分18、以及分别毗邻相邻的尾部圆筒(未示出)的侧面部分设置的两个侧面部分20，该相邻的尾部圆筒分别绕涡轮转子的旋转轴设置。
在尾部圆筒14内有为燃气设置的流动通道，该通道沿其纵向设置并指向排放口22，在该排放口的外圆周处设置有用于将尾部圆筒14连接到涡轮外壳(未示出)的端部环形凸缘24。该端部环形凸缘24具有从排放口22轴向向外延伸的接合面26，该接合面用于将凸缘24连接到涡轮外壳。
该排放口22通常是矩形形状，前面部分16和后面部分18作为其长侧布置，侧面部分20作为其短侧布置。
如图3所示，端部环形凸缘24包括由金属材料形成的外部部分32，形成外部部分32的金属材料的线性膨胀系数大于形成端部环形凸缘的内部部分30的金属材料的线性膨胀系数。更具体地，如图4所示，端部环形凸缘24包括由形成排放口22的圆周部分的第一金属材料形成的第一环形部分34和由线性膨胀系数大于第一金属材料的第二金属材料形成的第二环形部分36，该第二环形部分形成第一环形部分34的圆周部分。优选地，用焊剂通过焊接将第一和第二环形部分34、36彼此连接，该焊剂的线性膨胀系数在第一金属材料和第二金属材料的线性膨胀系数之间。优选地，如图4所示，第一环形部分34和第二环形部分36之间的连接面38放置得相对排放口22处于平行关系。
优选地，该第一金属是哈司特镍合金-X(hastelloy-X)，其线性膨胀系数为1.5E-5(1/℃)(在400℃下)，而第二金属是A-286或者SUS不锈钢，这两种金属材料的线性膨胀系数为1.8E-5(1/℃)(在400℃下)。考虑到强度，A-286是比SUS不锈钢更优选的材料。
优选地，第二金属材料的线性膨胀系数比第一金属材料的线性膨胀系数大10％，从而排除了由于热疲劳而产生裂纹的可能。
已对本发明优选实施例的燃烧器10的特征进行了说明，下文将详细描述其工作过程。
在燃烧器10的正常工作过程中，燃气经过一个或多个燃烧喷嘴(未示出)朝向尾部圆筒14的排放口22注入燃烧器10的衬套12的内部空间中。然后，燃气在燃烧器10的内部空间内和空气混合在一起，并且该混合物，即工作流体，经过排放口22供应给涡轮转子(未示出)。
在工作状态下，尾部圆筒14的内表面暴露在最高温度为1500℃的燃气下，而尾部圆筒14的外表面暴露在外部环境周围的空气下，导致在尾部圆筒14的壁厚方向上有几百度的温度梯度。
根据本发明的这一实施例，通过由第二金属材料形成暴露在低温下的部分，由第一金属材料形成暴露在高温下的部分，第二金属材料的线性膨胀系数大于第一金属材料的线性膨胀系数，由于正常工作期间低温部分的膨胀量较大(被称作双金属效应)，第一金属的高温部分和第二金属材料的低温部分的热膨胀之间的差异将小于用相同材料制成高温和低温部分的情况，导致弯曲变形量的减小，从而减小了由于变形而引起的热应力，尤其是在其角部分的热应力，因而能够排除由于热疲劳而产生裂纹的可能性，以使燃烧器10的使用寿命得以延长。
尽管在本实施例中通过使用上述的其中所有前、后和侧面部分都是双金属的双金属效应可以实现热应力的减小，但是另外一种仅这些部分中的一个是双金属的实施例也能有效地减少热应力。
下文将详细描述本发明的第二优选实施例。在认为合适的地方，和第一实施例相同的附图标记在第二实施例的附图中指代与第一实施例对应的部件。图5是根据本发明的燃烧器的尾部圆筒的第二优选实施例的剖视图，以和图3相同的方式示出。
如图5所示，该实施例的端部环形凸缘24的高度h小于前一实施例，以减小热应力。可视高温度、低温度和所使用的金属的特性选择高度h。
根据本发明的这一实施例，通过形成带有较低断面的凸缘部分，尾部圆筒的内表面，即高温部分的温度降低，同时尾部圆筒的外表面，即低温部分的温度升高，两部分之间的温差减小，导致弯曲变形量减小，从而减小了由于变形而导致的热应力，尤其是在端部环形凸缘24的排放口的角部分处产生的热应力。
根据上述实施例，比起仅降低高温部分的温度的现有技术的情况，可以更大程度地防止由降低高温部分的温度而导致的燃气涡轮系统的效率的降低。
下文将详细描述本发明的另一优选实施例。图6是根据本发明带有多个凸缘的中空结构的第三优选实施例的一般概观。
在该实施例中，中空结构，即排气导管50具有多个彼此以纵向等间隔关系固定连接到排气导管50的外圆周54的多个环形凸缘52。如同第一实施例，多个环形凸缘52中的每一个在排气导管50的高温部分处由第一金属材料制成，在排气导管50的低温部分处由第二金属材料制成。
在该实施例中，当热的排放气体经过排气导管50时，由于沿导管50的壁厚方向上存在大范围的温度梯度，和第一实施例的燃烧器的情况类似，该中空结构，即该排气导管50将向外扩张，如虚线所示。但此时由于形成环形凸缘52的低温部分的第二金属材料的线性膨胀系数大于形成环形凸缘52的高温部分的第一金属材料的线性膨胀系数，凸缘52向外膨胀得比包括一种金属材料的凸缘的情况大。由于凸缘52的第二金属材料的热膨胀，环形凸缘52之间的中空结构的变形将减小，从而减小了在连接多个凸缘52中的每一个的部分处的热应力。
尽管参照其具体实施例对本发明进行了说明和图示，但是在不背离本发明的精神的前提下可对本发明做各种改进和变形。例如，尽管在该实施例中的端部环形凸缘24在各自的整体外围处具有双金属状的结构，但是也可以仅有其一个或者有多个部分，如前面部分、后面部分或侧面部分，具有这样的结构。
在上述的实施例中，形成端部环形凸缘24的内部部分30的金属材料是hastelloy-X，该材料通常被用来制造尾部圆筒14，但可以使用任何其他适用的材料。在这种情况下，通过由线性膨胀系数至少大于形成端部环形凸缘24的内部部分30的金属材料的线性膨胀系数一定量的金属材料形成端部环形凸缘24的外部部分32，可以减小在端部环形凸缘24的排放口的角处产生的弯曲变形量，从而减小由于那里的变形而导致的热应力，从而增长其使用寿命。
根据上述的本发明，提供了一种燃气涡轮燃烧器，其中，在正常工作期间，绕其端部环形凸缘的热应力能够减到最小而不影响燃气涡轮系统的效率。
根据上述的本发明，提供了一种具有至少一个凸缘的中空结构，所述凸缘能够排除由于热疲劳而产生裂纹的可能性，并因而具有提高了的耐用性。

Claims (6)

1.一种带有凸缘的中空结构，其中绕所述中空结构固定连接有至少一个环形凸缘，所述中空结构的内部空间温度高于外部环境温度从而在其壁厚方向上具有温度梯度，该中空结构包括：
所述至少一个环形凸缘，该凸缘包括由金属材料形成的外部部分和被外部部分环绕的内部部分，其中形成外部部分的金属材料的线性膨胀系数大于形成所述内部部分的金属材料的线性膨胀系数。
2.如权利要求1所述的带有凸缘的中空结构，其中，所述中空结构是多个相互以相邻关系绕涡轮转子的中心轴圆周状配置的燃气涡轮燃烧器中的一个，包括用于为沿纵向流向其排放口的燃气提供流动通道的一般为管状的尾部圆筒，所述至少一个环形凸缘为在所述尾部圆筒排放口的外周处的一端部环形凸缘，用于与涡轮外壳连接。
3.如权利要求2所述的带有凸缘的中空结构，其中，所述内部部分为所述端部环形凸缘的形成排放口的外周部分的第一环形部分，所述外部部分为第二环形部分；其中，所述第一和第二环形部分通过用焊剂焊接而互相连接在一起，该焊剂的线性膨胀系数在形成内部部分的金属材料和形成外部部分的金属材料的线性膨胀系数之间。
4.如权利要求3所述的带有凸缘的中空结构，其中，形成外部部分金属材料的线性膨胀系数比形成内部部分的金属材料的线性膨胀系数大10％。
5.如权利要求1到4中的任一项所述的带有凸缘的中空结构，其中，形成所述内部部分的金属材料是哈司特镍合金-X，形成所述外部部分的金属材料是A-286。
6.如权利要求1到4中的任一项所述的带有凸缘的中空结构，其中，形成所述内部部分的金属材料是哈司特镍合金-X，形成所述外部部分的金属材料是SUS不锈钢。
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