CN1492187A - 燃气轮发动机的双环形燃烧室的预制机罩及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有纵向轴线的燃气轮发动机的双环形燃烧室的预制机罩，包括外环形部分，内环形部分和中间环形部分。多个沿圆周间隔设置的径向槽在至少一个环形部分上形成。外环形部分和内环形部分包括多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口。其中多个连接外环形部分和中间环形部分的外径向件设置在相邻窗口之间。多个连接内环形部分和中间环形部分的内径向件设置在相邻窗口之间。预制机罩还包括多个沿圆周间隔设置的加强筋，各加强筋包括：带有后边的中间部分，带有形状符合外环形部分后表面前边的外部分，和带有形状符合内环形部分后表面前边的内部分。各加强筋连接到内、外和中间环形部分。

Description

燃气轮发动机的双环形燃烧室的预制机罩及其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及一种燃气轮发动机的双环形燃烧室，具体地，涉及这种双环形燃烧室的具有焊接到适当位置的加强筋的预制机罩。
背景技术
燃气轮发动机中，带压空气从压气机级供应到燃烧室，在燃烧室与燃料进行混合并在燃烧腔中燃烧。进入燃料/空气混合器以及相应地进入燃烧室内和外通道的带压空气的数量一般通过内和外机罩进行调节，机罩位于燃料/空气混合器和燃烧室圆顶的上游。
在双环形燃烧室的情况下，机罩的内和外环形部分分开很大的距离，一般包括位于其间的中间环形部分。窗口一般设置在机罩的内和外环形部分，使燃料喷口接触燃料/空气混合器，并允许冷却空气沿前侧面流动。因为双环形燃烧室的机罩具有径向高度，这种机罩要承受压载荷，和相连的内和外衬里温度升高形成的内和外压载荷的变化。
因此，现有的设计用于双环形燃烧室的机罩是铸造的，并结合有多个从前和后侧面延伸的径向件或加强筋，以增加机罩结构的刚度。应当认识到这些提供了结构完整性的加强筋要加工到所需的厚度。已经发现，机罩的前表面和位于后侧面的加强筋之间存在温度梯度。这些温度不协调造成了加强筋和环面界面处的应力，可使低循环疲劳寿命降低。
考虑到上述情况，希望能够开发出一种多个环形燃烧室的机罩，不仅能满足必要的结构要求，而且可降低加强筋产生的温度梯度。还希望这种机罩轻一些和成本低些，同时保持相同的空气流动特性，以防止对燃烧室重新鉴定。
发明内容
在本发明的第一示例性实施例中，介绍了一种具有纵向轴线的燃气轮发动机的双环形燃烧室的预制机罩，预制机罩包括中间环形部分，外环形部分和内环形部分。中间环形部分包括多个沿圆周间隔设置的径向槽；外环形部分包括多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口，其中，多个连接所述外环形部分和所述中间环形部分的外径向件设置在相邻的窗口之间。内环形部分包括多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口，其中多个连接所述内环形部分和所述中间环形部分的内径向件设置在相邻的窗口之间。机罩还包括多个沿圆周间隔设置的加强筋，各加强筋包括中间部分，其带有通过所述中间环形部分的径向槽延伸的前边，和形状基本符合中间环形部分的前表面的后边，所以前后边之间延伸的区域位于中间环形部分的上游；外部分，带有形状符合外环形部分的后表面的前边；和内部分，带有形状符合内环形部分的后表面的前边。中间环形部分的各径向槽是密封的，加强筋连接到外、内和中间环形部分。
在本发明的第二示例性实施例中，介绍了一种具有纵向轴线的燃气轮发动机的双环形燃烧室的预制机罩，预制机罩包括中间环形部分，外环形部分和内环形部分。外环形部分包括多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口，其中多个连接外环形部分和中间环形部分的外径向件设置在相邻的窗口之间；和多个沿圆周间隔设置的径向槽。内环形部分包括多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口，多个连接所述内环形部分和所述中间环形部分的内径向件设置在相邻的窗口之间；和多个沿圆周间隔设置的径向槽。预制机罩还包括多个沿圆周间隔设置的加强筋，各加强筋包括带有前边和后边的中间部分，后边的形状基本符合所述中间环形部分的前表面，前后边之间延伸的区域位于中间环形部分的上游；带有后边和前边的外部分，后边可通过外环形部分的径向槽延伸，前边的形状符合外环形部分的后表面，所述外部分位于外环形部分的下游；和带有后边和前边的内部分，后边可通过内环形部分的径向槽延伸；前边的形状符合内环形部分的后表面，内部分位于内环形部分的下游。径向槽是密封的，各加强筋连接到所述外、内和中间环形部分。
根据本发明的第三示例性实施例，介绍了一种制造燃气轮发动机的双环形燃烧室的机罩的方法，包括下列步骤：冲压出具有要求形状的外环形部分，内环形部分和中间环形部分；切割出多个加强筋；在所述内，外和中间环形部分中至少一个上切割出多个沿圆周间隔设置的径向槽；将所述加强筋插入所述径向槽；连接所述加强筋到所述内、外和中间环形部分。在中间环形部分设置径向槽，加强筋从中间环形部分后面的位置插入所述径向槽。还可以在外和内环形部分设置径向槽。加强筋从内和外环形部分前面的位置插入径向槽。另外的步骤包括在外环形部分切割出多个具有要求尺寸的圆周向间隔设置的窗口，形成相邻窗口之间的外径向件；和在内环形部分切割出多个具有要求尺寸的圆周向间隔设置的窗口，形成相邻窗口之间的内径向件。
附图说明
图1是包括与本发明相同的双环形燃烧室的燃气轮发动机的示意性截面图；
图2是图1所示燃烧室的剖视图，包括根据本发明的预制机罩；
图3是图2所示机罩的部分前视图；
图4是图3和图2所示机罩的部分后视图；
图5是图2到4所示机罩的分解透视图，其中显示出加强筋正从机罩的后面位置插入；
图6是另一可选择的机罩结构的分解前透视图，其中显示出加强筋正在从机罩前面的位置插入；
图7是第二个可选择的机罩结构的分解截面图，其中加强筋的外、中间和内部分为单独部分；和；
图8是连接图2到5显示的机罩的外环形部分和中间环形部分的外径向件的部分剖视图。
零部件表
10  燃气轮发动机         12  低压压气机
14  高压压气机           14  燃烧室
18  高压汽轮机喷口组件   20  高压汽轮机
22  低压汽轮机           24  高压轴
28  纵向轴线             30  燃烧腔
32  外衬里               34  内衬里
36  圆顶                 38  外燃料/空气混合器
40  内燃料/空气混合器    42  燃料喷口
44  机罩                 46  外通道
48  外壳                 50  内通道
52  扩散器               54  机罩的外环形部分
56  外环形连接件         58  机罩的内环形部分
60  内环形连接件         62  机罩的中间环形部分
64  中间体               66  中间环形连接件
68  外径向件             70  内径向件
72  外环形部分的窗口     73  中间环形部分的窗口
74  内环形部分的窗       75  外环形部分上的连接件开口
76  加强筋               77  内环形部分上的连接件开口
78  加强筋的中间部分     79  中间环形部分上的连接件开口
80  加强筋中间部分前边   82  加强筋中间部分后边
84  中间环形部分前表面   86  加强筋中间部分的区域
88   加强筋的外部                 90  加强筋外部的前边
92   加强筋外部的后边             94  外环形部分的后表面
96   加强筋外部分的区域           98  加强筋的内部分
100  加强筋内部分的前边           102 加强筋内部分后边
104  内环形部分的后表面           106 加强筋内部分的区域
108  中间环形部分的径向槽
110  加强筋外部分的外延伸尖端
112  加强筋内部分的内延伸尖端
114  前边80和90之间的台阶
116  前边80和100之间的台阶
118  外径向槽                     120  内径向槽
具体实施方式
现在详细地参见附图，附图中相同的数字表示相同的部件。图1是燃气轮发动机10的示意图，燃气轮发动机具有连续流体连通的风扇11、低压压气机12、高压压气机14和燃烧室16。燃烧室16一般产生燃烧气体，并从高压涡轮导向器组件18排出，离开后的气体引导到普通的高压汽轮机20，再输送到普通的低压汽轮机22。高压汽轮机20通过适当的轴24驱动高压压气机14，同时低压汽轮机22通过另一个轴26驱动低压压气机12，这些装置绕纵向或轴向的中心轴线28同轴设置。
如图2所示，燃烧室16还包括燃烧腔30。燃烧腔由外衬里32，内衬里34和圆顶36形成。燃烧室圆顶36最好设计成双环形的，两个沿圆周排列的燃料/空气混合器38和40设置在圆顶36形成的开口中。燃料喷口42根据各种发动机操作条件下燃烧室16希望的性能向燃料/空气混合器38和40提供燃料。
还可以注意到，环形机罩44位于燃烧腔30的上游，以引导空气流入燃料/空气混合器38和40，并引导空气流入外衬里32和外壳48之间的外通道46，以及内衬里34和支撑锥体49之间的内通道50。通过这种方式，对流冷却空气供应到外和内衬里32，34的外表面，气膜冷却的空气供应到这些衬里的内表面。扩散器52接受来自高压压气机14的气流将空气流供应到燃烧室16。可以看到机罩44的外环形部分54最好通过多个圆周向间隔设置的第一连接件56连接到外衬里32和圆顶36的外部分，内环形部分58最好通过多个圆周向间隔设置的第二连接件60连接到内衬里34和圆顶36的内部分。机罩44的中间环形部分62最好通过多个圆周向间隔设置的连接件66连接到位于外和内燃料/空气混合器38，40之间的中间体64。应当认识到，机罩44最好是加工出来，而不是铸造件。因此机罩44的外环形部分54、内环形部分58和中间环形部分62最好是由金属片(或其他具有类似性质的材料)冲压而成，以具有要求的形状。
从图3到5可以认识到，机罩44最好包括多个分别在外环形部分54和内环形部分58上形成的窗口72，74，以连接燃料喷口42到燃料/空气混合器38，40。因此，多个沿圆周面间隔设置的连接外环形部分54和中间环形部分62的外径向件68在相邻的窗口72之间形成，多个沿圆周面间隔设置的连接内环形部分58和中间环形部分62的内径向件70在相邻的窗口74之间形成。窗口72和74的位置最好基本径向对齐，并具有所要求的尺寸，可允许适当数量的空气流过。窗口73可在中间环形部分62形成，以提供冷却空气到中间体64。另外的开口75、77和79分别设置在外、内和中间环形部分54，58和62，以便利用连接件56、60和66如上所述连接这些机罩部分。
为了使机罩44具有结构完整性，多个沿圆周间隔设置的加强筋76连接到机罩。这是因为机罩44必须能够抵抗压力载荷的改变，载荷改变在大约80到120磅/平方英寸的范围，最好在大约90到110磅/平方英寸的范围，最佳的压力载荷改变为至少100磅/平方英寸。此外，机罩44必须能够抵抗内和外引发压力载荷，压力载荷为大约500到700磅，更好是在大约540到660磅的范围，最好载荷为至少600磅。
可以看到加强筋76的位置与外和内径向件68和70对准。更具体地，各加强筋76最好包括中间部分78，其带有前边80和后边82，后边的形状基本符合中间环形部分62的前表面84，所以在前边和后边80，82之间延伸的区域86位于中间环形部分62的上游。各个加强筋76还包括带有前边90和后边92的外部分88，前边90的形状最好基本符合外环形部分54的后表面94的形状，所以在前和后边90，92之间延伸的区域96位于外环形部分54的下游。类似地，各加强筋76的内部分98带有前边100和后边102，前边100的形状最好基本符合内环形部分58的后表面104的形状，所以在前边和后边100，102之间延伸的区域106位于内环形部分58的下游。
应当理解加强筋的外部分88和内部分98最好分别包括延伸尖端110和112，尖端从后边92和102的外和内端部延伸。延伸尖端110和112不仅有助于加强筋76的制造，当分别位于外环形部分54和内环形部分58的后表面94和104时，还可以提供对加强筋76的额外支撑。
在本发明的第一实施例中，从图3到5可以看到，多个沿圆周间隔设置的径向槽108设置在中间环形部分62，这些槽108基本上与外和内径向件68和70对齐，其尺寸允许加强筋中间部分78的前边80穿过。这样可允许加强筋76从机罩44后的位置(见图5)插入，直到加强筋外部分88和内部分98的前边90和100接触外和内环形部分54，58的后表面94和104。然后，加强筋中间部分79的后边82最好激光焊接到中间环形部分62的前表面84，加强筋外和内部分88，98的前边90，100分别连接到外和内环形部分88，98的后表面94，104。为了帮助加强筋76定位，只有加强筋中间部分78的区域86延伸穿过槽108，第一台阶114最好位于加强筋中间和外部分78，88的前边80，90之间，第二台阶116最好位于加强筋中间和内部分78，98的前边80和100之间。
在一可选择的实施例中，如图6所示，机罩外环形部分54和内环形部分58分别包括多个沿圆周间隔设置的径向槽118和120。这些槽最好基本上互相对齐，并位于外和内径向件68和70上。此外，径向槽118和120的尺寸最好允许加强筋外部分88和内部分98的后边92和102在滑动穿过。该结构允许加强筋76从机罩44前面的位置(见图6)插入，直到加强筋的中间部分78的后边82靠到中间环形部分62的前表面84。还应当认识到，加强筋的外部分88和内部分98的前边90和100将位于临近的径向槽118和120，在这里通过激光焊接连接到机罩44。加强筋中间部分78的后边82连接到中间环形部分78的前表面84。因此，加强筋外部分区域96和内部分区域106在外和内环形部分54和58的后表面94，104的后面延伸。
尽管加强筋76的中间部分78，外部分88和内部分98最好形成整体构件，比如可通过激光焊接实现，应当认识到，这些加强筋部分可以形成多个单件(见图7)。加强筋76最好用与外、内和中间环形部分54、58和62相同的材料制成，以减少其间经受的温度梯度的数量。具体地，加强筋76和环形部分前表面之间的温度梯度应在大约640-960华氏度的范围，更好是在大约720-880华氏度的范围，最好不大于约800华氏度。减少加强筋76和机罩环形部分54、58和62之间的温度梯度具有希望的减少应力作用，应力可使机罩44的低循环疲劳寿命降低。
关于制造机罩44的工艺，应当认识到，外环形部分54、内环形部分58和中间环形部分62基本上通过冲压适当的材料片形成，如金属片，以具有要求的形状。接下来，通过激光切割在外环形部分54和内环形部分58切割出适当尺寸的窗口72和74，所以在其间形成径向件68和70。在中间环形部分62通过激光切割出多个径向槽108，或者，在外和内环形部分54，58激光切割出多个径向槽118和120。然后将加强筋76插入适当的径向槽108，118和120。应当指出，加强筋76的形状加工成可插入适当的径向槽中和到达所在位置，加强筋的中间部分78的后边82应符合并靠到中间环形部分62的前表面84，加强筋外部分88的前边90应符合并靠到外环形部分54的后表面94。加强筋内部分98的前边100应符合并靠到内环形部分58的后表面104。最后，加强筋76最好通过激光焊接到相对机罩44的外、内和中间部分54、58和62的适当位置。密封适当的径向槽108、118和120并将加强筋76的其余边连接到机罩44的适当表面。
如上所示，当径向槽在中间环形部分62上形成时，加强筋76一般从机罩44后面的位置插入。相反地，当径向槽118和120分别在外和内环形部分54和58上形成时，加强筋76最好从机罩44的前面插入。在这些情况下，形成的径向槽108，118和120最好与径向件68和70对齐。在应用的情况下，径向槽118和120最好基本平齐地形成。
该工艺方法的另外步骤还包括向后翻卷窗口68和70的周边，以得到更好的空气流动特性。这在图8显示，图中显示出内径向件70的横截面。
上面已经显示和介绍了本发明的优选实施例，双环形燃烧室及其预制机罩的其他应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可由所属领域的技术人员通过适当改进来实现。

Claims (22)

1.一种具有纵向轴线(28)的燃气轮发动机(10)的双环形燃烧室(16)的预制机罩(44)，包括：
(a)中间环形部分(62)，包括多个沿圆周间隔设置的径向槽；
(b)外环形部分(54)，包括多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口；其中，多个连接所述外环形部分(54)和所述中间环形部分(62)的外径向件(68)设置在相邻窗口(72)之间；
(c)内环形部分(58)，包括多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口，其中多个连接所述内环形部分(58)和所述中间环形部分(62)的内径向件(70)设置在相邻窗口(74)之间；和
(d)多个沿圆周间隔设置的加强筋(76)，各所述加强筋(76)包括：
(1)中间部分(78)，带有前边(80)和后边(82)，所述前边穿过所述中间环形部分(62)的所述径向槽(108)延伸；所述后边的形状基本符合所述中间环形部分(62)的前表面(84)，在所述前后边(80，82)之间延伸的区域(86)位于所述中间环形部分(62)的上游；
(2)外部分(88)，带有形状符合所述外环形部分(54)的后表面(92)的前边(90)；和
(3)内部分(98)，带有形状符合所述内环形部分(58)的后表面(104)的前边(100)；
其中，所述中间环形部分(62)的各所述径向槽(108)是密封的，所述加强筋(76)连接到所述外、内和中间环形部分(54，58，62)。
2.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，所述预制机罩还包括：
(a)第一台阶(114)，位于所述中间部分前边(80)和所述外部分前边(90)之间；和
(b)第二台阶(116)，位于所述中间部分前边(80)和所述内部分前边(100)之间；
其中，只有所述加强筋中间部分(78)能够通过所述径向槽(108)延伸。
3.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，各所述加强筋(76)是整体形成构件。
4.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，所述机罩(44)能够承受至少大约80磅/平方英寸的压力载荷变化。
5.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，所述机罩(44)能够承受至少大约500磅的内和外引发压载荷。
6.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，所述外、内和中间环形部分(54，58，62)和所述加强筋(76)之间的温度梯度不大于约华氏960度。
7.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，所述外、内和中间环形部分(54，58，62)由金属片冲压而成。
8.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，各所述加强筋(76)的外部分(88)包括延伸通过所述后边(92)的外尖端(110)。
9.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，各所述加强筋(76)的内部分(98)包括延伸通过所述后边(102)的内尖端(112)。
10.根据权利要求1所述的预制机罩(44)，其特征在于，所述中间环形部分(62)的所述径向槽(108)基本上与所述外和内径向件(68，70)对齐。
11.一种具有纵向轴线(28)的燃气轮发动机(10)的双环形燃烧室(16)的预制机罩(44)，包括：
(a)中间环形部分(62)；
(b)外环形部分(54)，包括：
(1)多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口(72)；其中，多个连接所述外环形部分(54)和所述中间环形部分(62)的外径向件(68)设置在相邻的窗口(72)之间；和
(2)多个沿圆周间隔设置的径向槽(118)；
(c)内环形部分(58)，包括：
(1)多个沿圆周间隔设置的具有要求尺寸的窗口(74)，其中，多个连接所述内环形部分(58)和所述中间环形部分(62)的内径向件(70)设置在相邻的窗口(74)之间；和
(2)多个沿圆周间隔设置的径向槽(120)；和
d)多个沿圆周间隔设置的加强筋(76)，各所述加强筋(76)还包括：
(1)中间部分(78)，带有前边(80)和后边(82)，所述前后边的形状基本符合所述中间环形部分(62)的前表面(84)，在所述前后边(80，82)之间延伸的区域(86)位于所述中间环形部分(62)的上游；
(2)外部分(88)，带有后边(92)和前边(90)，所述后边可通过所述外环形部分(54)的所述径向槽(118)延伸；所述前边的形状符合所述外环形部分(54)的后表面(94)；所述外部分(94)位于所述外环形部分(54)的下游；和
(3)内部分(98)，带有后边(102)和前边(100)，所述后边可通过所述内环形部分(58)的所述径向槽(120)延伸；所述前边的形状符合所述内环形部分(58)的后表面(96)；所述内部分(98)位于所述内环形部分(58)的下游；
其中，各所述径向槽(118，120)是密封的，各所述加强筋(76)连接到所述外、内和中间环形部分(54，58，62)。
12.一种制造燃气轮发动机(10)的双环形燃烧室(16)的机罩(44)的方法，包括下列步骤：
(a)冲压出具有要求形状的外环形部分(54)，内环形部分(58)和中间环形部分(62)；
(b)切割出多个加强筋(76)；
(c)在所述内，外和中间环形部分(54，58，62)中至少一个上切割出多个沿圆周向间隔设置的径向槽(108，118，120)；
(d)将所述加强筋(76)插入所述径向槽(108，118，120)；
(e)连接所述加强筋(76)到所述内、外和中间环形部分(54，58，62)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述加强筋(76)成形的步骤，使所述加强筋可插入所述径向槽(108，118，120)并与所述内、外和中间环形部分(54，58，62)对接。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述中间环形部分(62)切割出所述加强筋径向槽(108)。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述外和内环形部分(54，58)切割出所述加强筋径向槽(118，120)。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述加强筋(76)激光焊接到所述外和内环形部分(54，58)的后表面(94，104)，和所述中间环形部分(62)的前表面(84)。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述加强筋(76)从所述中间环形部分(62)后面的位置插入所述径向槽(108)。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述加强筋(76)从所述内和外环形部分(54，58)前面的位置插入所述径向槽(118，120)。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述内和外环形部分(54，58)的所述径向槽(118，120)基本上是平齐的。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
(a)在所述外环形部分(54)切割出多个具有要求尺寸的沿圆周向间隔设置的窗口(72)，形成连接所述外环形部分(54)和所述中间环形部分(62)的外径向件(68)；和
(b)在所述内环形部分(58)切割出多个具有要求尺寸的沿圆周向间隔设置的窗口(74)，形成连接所述内环形部分(58)和所述中间环形部分(62)的内径向件(70)。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述内和外环形部分(58，54)的所述窗口(74，72)的尺寸允许希望数量的气流通过。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括翻卷形成所述内和外环形部分(58，54)的所述窗口(74，72)的周边的步骤。
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