CN1441198A - 用于燃气涡轮发动机燃烧器的波纹式壳体及其成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃气涡轮发动机燃烧器(10)的壳体(22，26)包括具有环形波纹(40)的外壳体(22)。燃气涡轮发动机的燃烧器(10)包括：限定燃烧室(12)的中空本体(11)，其(11)具有衬套(14，16)；具有环形波纹(40)的外壳体(22)；连接到衬套(14，16)上的壳体(22，26)；和连接到衬套(14，16)上的内壳体(26)。用于成形燃气涡轮发动机燃烧器(10)壳体(22，26)的方法，包括在该壳体(22，26)的主体中成形环形波纹结构(40)。
Description
技术领域
在一燃气涡轮发动机中，加压的空气从压缩机级提供到燃烧器，在此与燃料混合并在该燃烧器中燃烧。所述加压的空气进入该燃料/空气混合器并相应地进入该燃烧器内外部通道的数量一般通过安置在该燃料/空气混合器和该燃烧器拱顶上游的内外壳体来调节的。这种壳体通常由一螺栓连接固定就位，该螺栓连接包含该燃烧器拱顶、该壳体和该内燃烧器衬套或外燃烧器衬套。因此，燃气涡轮发动机的外和内壳体要经受经过那里的轻微压力变化以及由发动机诱发的振动负荷。虽然这些环境因素对该外壳体有更大影响，但它们还是导致该内和外壳体两者的磨损并因此限制了它们的使用寿命。
背景技术
针对这一问题，现有技术一般采用下面解决方案之一。其中的第一个涉及应用板材金属本体，其适用的该壳体带有最好是通过围绕阻尼器丝材卷曲或卷绕该板金属成形在其前边缘上的突出部。然而，已经发现，这种结构设计使用寿命是有限的，这是由于磨擦型磨损将发生在该丝材和该板金属本体的接合处，其是因为在该丝材和该卷绕结构之间热力不匹配所致。更具体地，这种热力不匹配还引起该板金属围绕该丝材松绕，从而在丝材和壳体之间成形间隙。另外，从扩散器排出的纯粹噪音和/或燃烧器的传声性都导致对该丝材与该板金属卷绕结构之间的高循环疲劳振动负荷。于是，这种由磨擦和振动组合诱发的使该丝材和金属卷绕结构之间的摇动作用最终引起该壳体卷绕部分变薄，破裂并逐渐释放出板金属和丝材碎片。
其它的壳体结构设置涉及机加工的环件，其成形该壳体的前边缘突出部，此处焊接该环件到成形的板金属本体上。这样机加工环件提供了用于该壳体的实体突出部，这一点是所希望的，但是，将其沿圆周焊接到所述已成形的板金属本体上却导致在焊缝中和其周围两者中出现应力集中。
一种单构件式结构方案揭示在美国专利号No.5,924,288中，其名称为“One-Piece Combustor Cowl”，它揭示了在其前边缘处铸造有增大厚度实体突出部的壳体。虽然适合于其希望的目的，但是这种壳体却导致比板金属壳体更重和成本更高。
发明内容
上面讨论的这些以及其他缺陷和不足通过波纹式的壳体来克服或减轻。在本发明的一示范性实施例中，涉及用于燃气涡轮发动机燃烧器的壳体，该壳体包括带有环形波纹结构的主体。在另外示范性实施例中涉及燃气涡轮发动机的燃烧器，该燃烧器包括：限定燃烧室的中空本体；该空心本体具有衬套；具有一环形波纹结构的外壳体，该壳体连接到所述衬套上；和连接到该衬套上的内壳体。一种用于成形燃气涡轮发动机燃烧器壳体的方法，该方法包括在该壳体的主体中成形环形波纹结构。
附图说明
参考示例性附图，其中相同的元件在几个附图中编号相同：
图1是包括带有环形波纹结构的外壳体和内壳体的燃气涡轮发动机燃烧器的纵剖视图；
图2是图1中所示壳体的从前向后观看的视图；
图3是包括带环形波纹的外壳体和带环形波纹的内壳体燃气涡轮发动机燃烧器的纵剖视图；
图4是带波纹的外壳体和带波纹的内壳体两者的从前向后观看的立体视图；
图5是图3所示带波纹的外和内壳体的从后向前观看的立体视图；
图6是图1所示带波纹的壳体的放大局部剖面视图；
图7是图1所示带波纹的壳体并表明带有全卷绕结构的放大局部剖视图；以及
图8是图1所示带波纹的外壳体并表明带有部分卷绕结构的即为另一具体实施方式放大局部剖视图。零件表燃烧器10中空本体11燃烧室12 外衬套14内衬套16拱顶18拱顶形端部18空气/燃料混合器20外壳体22外螺栓连接24内壳体26内螺栓连接28外和内通道30和32中心壳体轴线34环形波纹结构40全卷绕结构50部分卷绕结构60第一端部62
具体实施方式
现在参见图1，其表示了适用于燃气涡轮发动机中的单个环形燃烧器10。燃烧器10包括中空本体11，其限定其中的燃烧室12。中空本体11一般是环形的结构并包括外衬套14，内衬套16和拱顶形端部或拱顶18。在本环形结构造型中，中空本体11拱凸形端部18还包括多个圆周上间隔安置的已知结构形式的空气/燃料混合器20。
在燃烧器10中，外壳体22设置在燃烧室12的上游并在外螺栓连接24处连接到外衬套14上以及拱顶18上。在燃烧室12的上游还设置内壳体26并在内螺栓连接28处连接到内衬套16及拱顶18上。外和内壳体22及26完成的功能是正确导向和调节来自燃气涡轮发动机扩散器的加压空气流向拱顶18以及分别在外及内衬套14与16邻近安置的外和内通道30和32。由图1和2应当理解到，外和内壳体22及26是类似燃烧器10的环形结构。作为一种典型的燃烧器壳体，外和内壳体22及26相对中心壳体轴线34轴向延伸。
令人希望的是，该外和内壳体22及26两者是重量轻的和低成本的。为了实现这一点，外和内壳体22及26最好是由板金属制造的。用于该外和内壳体22及26的板金属材料可以包括钴基合金和镍基合金。具体地，用于这种钴基合金的优选航空航天材料规格包括AMS5608和用于这种镍基合金的优选航空航天材料规格包括AMS5536，AMS5878和AMS5599。
为了提高外壳体22的刚度，外壳体22模制以构成环形的波纹结构40。通过提高外壳体22的刚度，外壳体的频率特性也增加。提高的刚度与增大的频率存在比例关系。于是，随着刚度提高，则频率也增大。令人希望的是，使外壳体22的频率增大到使外壳体22的频率高于发动机频率的数值点。
参见图3，在变型实施例中，外和内壳体22及26两者都制有环形波纹结构40。图4和5表明了带有环形波纹结构40的外和内壳体22及26的立体视图。
图6表明了在外壳体2中成形环形波纹结构的各种参数。当模制环形波纹结构时，有关于环形波纹40的三个参数：
(a)在外壳体22中环形波纹的数目，其表示为“W”；(b)每个环形波纹40的高度，其表示为“h”；和(c)每个环形波纹40的间距，其表示为“S”。用于成形环形波纹40的两个重要参数是环形波纹40的间距S和高度h。环形波纹的间距和高度最优化以使外壳体22自然频率将增加到该发动机的运行范围之外。在外壳体22中波纹的数目不会显著地影响外壳体22的刚度。
在一示范性具体实施例中，环形波纹的间距是从约0.010英寸到约0.500英寸，同时优选的间距为约0.080英寸。该环形波纹的高度是从约0.010英寸到约0.050英寸，优选高度为约0.0334英寸。通过成形具有上述指定范围的间距和高度的环形波纹结构，提高了外壳体22的刚度，以便外壳体22的频率增大到典型发动机运行范围之外。
图7和8表明了具有环形波纹结构的外壳体22并且外壳体22成形全卷绕结构50(图7)或部分卷绕结构(图8)。全卷绕50和部分卷绕60两者配置在外壳体22的第一端部62上。第一端部62是空气通过其中进入燃烧器10的端部(图1)。通过在第一端部62上设置全卷绕50或部分卷绕60，当空气进入燃烧器时有一光滑表面，这样就提供改善的空气动力特性。虽然两个卷绕造型都可应用到外壳体22上，但因为可使外壳体22的本体较少的变形来成形部分卷绕60部分卷绕结构60是优选的。
具有环形波纹40的外壳体22可在希望数目的小时中承受作用其上的应力级而不会屈服于高循环疲劳载荷并以与燃料/空气混合器和内/外通道的需要相一致的方式将空气流导入到燃烧器中。具有环形波纹40的外壳体22在材料方面既重量轻又成本低，并且在制造工艺和燃料消耗率方面也如此。另外通过将环形波纹40结合到外壳体22上，现有技术壳体的阻尼器丝材(未示出)就可省去了。而且，内壳体26也可以具有环形波纹40，其在内壳体26上应具有相同的效果。希望的空气流进入燃烧器10通常是难于实现的，但可以通过任意改变外壳体22的结构设置来控制。使外壳体22含有波纹的优点是几乎对进入燃烧器10的要求空气流无任何影响，其包括所述通道压力的复原也如此。
虽然参考优选实施例描述了本发明，但是应该理解，通过本领域中这些熟练技术人员可以做出各种修改变型以及对其中的一些元件做出等同部件的替换而不会脱离本发明的保护范围。另外，根据本发明教导原则也可做出许多改型以适应特殊的场合或材料同样不能脱离本发明的实质范围。因此这就意味着本发明决不能局限到作为实施本发明最佳方式的所述的具体实施例上，而是本发明应包括所有落入所附权利要求书限定保护范围内的具体实施方案。
Claims (34)
1.一种用于燃气涡轮发动机燃烧器(10)的壳体(22，26)，其中改进包括一成形在所述壳体(22，26)中的环形波纹结构(40)。
2.如权利要求1所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述主体由板金属制造。
3.如权利要求1所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述壳体(22，26)是一外壳体(22)。
4.如权利要求1所述的壳体(22，26)，其特征在于，该壳体(22，26)是一内壳体(26)。
5.如权利要求1所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述环形波纹(40)包括至少两个环形波纹(40)。
6.如权利要求5所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述环形波纹(40)具有一位于每个环形波纹(40)之间的间距。
7.如权利要求6所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述间距在大约0.010英寸到大约0.500英寸之间。
8.如权利要求6所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述间距约为0.80英寸。
9.如权利要求1所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述环形波纹(40)具有一高度。
10.如权利要求9所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述高度在大约0.10英寸到约0.050英寸之间。
11.如权利要求9所述的壳体(22，26)，其特征在于，所述高度约为0.0334英寸。
12.如权利要求1所述的壳体(22，26)，其特征在于，还包括一配置在所述壳体(22，26)第一端部(62)上的部分卷绕部分(60)。
13.如权利要求1所述的壳体(22，26)，其特征在于，还包括一配置在所述壳体(22，26)第一端部(62)上的全卷绕部分(50)。
14.一种燃气涡轮发动机的燃烧器(10)，其包括：
限定一燃烧室(12)的中空本体(11)，所述中空本体(11)具有一衬套(14，16)；
具有一环形波纹结构(40)的外壳体(22)，所述外壳体(22)连接到所述衬套(14，16)上；以及
连接到所述衬套(14，16)上的内壳体(26)。
15.如权利要求14所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述内波纹具有一内环形波纹(40)。
16.如权利要求14所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述主体由板金属制造。
17.如权利要求14所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述环形波纹结构(40)包括至少两个环形波纹(40)。
18.如权利要求17所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述环形波纹(40)具有一位于每个环波纹(40)间的间距。
19.如权利要求18所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述间距在大约0.01英寸到大约0.50英寸之间。
20.如权利要求18所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述间距约为0.080英寸。
21.如权利要求14所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述环波纹(40)具有一高度。
22.如权利要求21所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述高度在大约0.010英寸到大约0.050英寸之间。
23.如权利要求21所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述高度约为0.0334英寸。
24.如权利要求14所述的燃烧器(10)，其特征在于，还包括一配置在所述外壳体(22)第一端部(62)上的部分卷绕结构(60)。
25.如权利要求14所述的燃烧器(10)，其特征在于，还包括一配置在外壳体(22)第一端部(62)上全卷绕结构(50)。
26.如权利要求14所述的燃烧器，其特征在于，还包括一配置在外壳体(22)和内壳体(26)之间的混合器(20)。
27.一种用于成形一燃气涡轮发动机燃烧器(10)的壳体(22，26)的方法，其包括：在壳体(22，26)的一主体中成形一环形波纹结构(40)。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括成形一第二环形波纹(40)。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括使所述环形波纹(40)间隔距离在从大约0.01英寸到大约0.5英寸之间布置。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括使环形波纹(40)间隔距离在大约0.08英寸布置。
31.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括使所述环形波纹(40)成形0.01英寸到约0.05英寸之间的高度。
32.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括使所述环形波纹(40)成形约0.0334英寸的高度。
33.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括在所述主体第一端部(62)上成形部分卷绕结构(60)。
34.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括在所述主体的第一端部(62)上成形全卷绕结构(50)。
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