CN1576544A - 冷却燃气涡轮发动机燃烧室的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机(10)的燃烧室(16)包括一个钟形罩组件(70)。该钟形罩组件包括一个单个本体(76)。该体(76)又包括一个防溅板(77)，一个喇叭形圆锥体(78)，和至少一个在该体内作出的冷却通道(200)。该冷却通道用于排出冷却空气，对该钟形罩组件的至少一部分进行冷却。

Description

冷却燃气涡轮发动机燃烧室的方法和装置
发明领域
本申请总之涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及燃气涡轮发动机的燃烧室。
背景技术
燃烧室用于点燃在燃气涡轮发动机中的燃料和空气的混合物。已知的燃烧室包括至少一个固定在燃烧室衬里上的限定燃烧区的钟形罩。在燃烧室上固定着燃料喷射器，它与钟形罩有流动连通关系，并将燃料供给燃烧区。燃料经固定在一眼镜形板或钟形罩板上的钟形罩组件进入燃烧室。
钟形罩组件包括一个固定在钟形罩板上的和从喇叭形圆锥体沿径向向内的空气涡旋式喷嘴。该喇叭形圆锥体是扩张的，并沿径向从空气涡旋式喷嘴向外伸出，以便于混合空气和燃料，和使混合物沿径向向外扩散至燃烧区中。扩张的防溅板沿圆周方向围绕着该喇叭形圆锥体延伸，并沿径向从该喇叭形圆锥体向外伸出。防溅板防止在燃烧区内产生的热的燃烧气体冲击钟形罩板。
为了便于降低防溅板的温度，至少一些已知的燃烧室钟形罩组件供给冷却空气，以便通过部分地在圆周方向、在该喇叭形圆锥体和防溅板之间延伸的间隙，对钟形罩组件进行对流冷却。这种钟形罩组件是复杂的多零件组件，需要多个铜焊工序进行制造和装配。另外，在使用过程中，冷却空气可与燃烧气体混合，并对燃烧室的辐射有不利影响。
因为多零件的燃烧室钟形罩组件要拆卸维修也是复杂的。因此，至少有一些其他的已知的燃烧室钟形罩组件包括一个零件的组件。然而，这种组件仍需要预装配焊接，而这可能对防溅板和喇叭形圆锥体的寿命有不利影响。
发明概述
在一个方面，提供了操作包括一个燃烧室的燃气涡轮发动机的方法。该方法包括将燃料供给燃烧室，和将压缩的空气流通入包括防溅板和整体形成的喇叭形圆锥体的燃烧室钟形罩组件，使得至少一部分压缩空气流通过至少在该喇叭形圆锥体和防溅板之间形成的一个冷却通道，以冷却防溅板。
在另一个方面中，提供了一种燃气涡轮发动机的燃烧室。该燃烧室包括一个钟形罩组件，该组件包括具有一个防溅板；一个喇叭形圆锥体；和至少一个在它们之间限定的用于排出冷却空气以冷却该防溅板的冷却通道。
在又一个方面中，提供了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括一个燃烧室，该燃烧室又包括一个环形的钟形罩组件。该燃烧室包括一个空气涡旋式喷嘴和在圆周上围绕着该空气涡旋式喷嘴延伸的单个本体。该单个本体包括一个防溅板，一个喇叭形圆锥体和至少一条在它们之间延伸的冷却通道。该至少一条冷却通道用于排出冷却空气，以冷却该防溅板。
附图的简要说明
图1为燃气涡轮发动机的示意图；
图2为图1所示的燃气涡轮发动机中使用的燃烧室的横截面图；和
图3为图2所示的和沿着区域3所取的燃烧室的一部分的放大图。
发明的详细说明
图1为燃气涡轮发动机10的示意图，它包括一个风扇组件12，一个高压压缩机14和一个燃烧室16。发动机10又包括一个高压涡轮18，一个低压涡轮20和一个增压器22。风扇组件12包括一组沿着径向从转子圆盘26向外伸出的风扇叶片24。发动机10具有一个进气侧28和一个排气侧30。在一个实施例中，燃气涡轮发动机10为由通用电气公司(Cininati，Ohio)销售的CF6-80发动机。
在工作时，空气流过风扇组件12，而压缩空气则供给高压压缩机14。高度压缩的空气输出至燃烧室16。燃烧室16出来的气流驱动涡轮18和20，而涡轮20则驱动风扇组件12。
图2为在燃气涡轮发动机10(如图1所示)中使用的燃烧室16的横截面图。图3为沿着区域3(如图2所示)所取的燃烧室16的一部分的放大图。燃烧室16包括一个环形的外衬里40，一个环形的内衬里42，和在外衬里40和内衬里42之间延伸的一个钟形罩形末端44。外衬里40和内衬里42形成一个燃烧室46。
通常燃烧室46为环形形状，并安置在衬里40和42之间。外衬里40和内衬里42延伸至放置在燃烧室的钟形罩形末端44的下游的涡轮喷嘴56。在一个示例性实施例中，外衬里40和内衬里42中的每一个衬里包括多块板58，该板包括一系列台阶60，每一个台阶形成燃烧室衬里40和42的不同部分。
在示例性实施例中，燃烧室钟形罩形末端44包括一个被设置成单个圆环形状的环形钟形罩组件70。在另一个实施例中，燃烧室钟形罩形末端44包括双圆环形状的一个钟形罩组件70。在又一个实施例中，燃烧室钟形罩形末端44包括三个圆环形状的一个钟形罩组件70。燃烧室钟形罩组件70形成对燃烧室16的上游端72的结构支承；而钟形罩组件70包括钟形罩板或眼镜形板74和一个防溅板以及喇叭形圆锥体组件76。防溅板和喇叭形圆锥体组件76为单个的，并包括防溅板部分77和喇叭形圆锥体部分78。在示例性实施例中，防溅板和喇叭形圆锥体组件利用铸造方法制造。
通过与燃料源(没有示出)连接，并穿过燃烧室钟形罩形末端44的燃料喷射器80，将燃料供给燃料室16。更具体地说，燃料喷射器80穿过钟形罩组件70，并在基本上与燃烧室中心对称的纵轴线82同心的方向(没有示出)排出燃料。燃烧室16还包括一个从燃料喷射器80的下游伸入燃烧室16中的燃料点火器84。
燃烧器16还包括一个具有环形出口92的环形空气涡旋式喷嘴90。该出口基本上围绕着中心的对称纵轴线82对称地延伸。出口92包括一个径向的外表面94和一个沿径向向内的面向流动的表面96。环形空气涡旋式喷嘴98包括一个径向外表面100和一个沿着径向向内面向流动的表面102。出口流动表面96和空气涡旋式喷嘴流动表面102形成用于向下游排出一部分空气的后面的文吐里通道，或环形空间104。
出口92包括一个整体作出的，向外伸出的径向法兰部分110。出口法兰部分110包括一个从出口流动表面96伸出的上游表面112，和一般为与出口流动表面96垂直的、基本上平行的下游表面114。整体作出的径向法兰部分116从空气涡旋式喷嘴90伸出。法兰部分116包括一个上游表面118；和基本上与上游表面118平行，并从空气涡旋式喷嘴的流动表面102伸出的下游表面120。空气涡旋式喷嘴法兰表面118和120基本上与出口法兰表面112和114平行，并基本上与空气涡旋式喷嘴的流动表面102垂直。
出口92包括一个整体作出的连接接头130，接头上作出固定槽134。防溅板和喇叭形圆锥体组件76，利用该连接接头130与出口92连接，并从固定槽134向下游伸出。更具体地说，喇叭形圆锥体部分78包括一个径向的内流动表面140和一个径向外表面142。当防溅板和喇叭形圆锥体组件76与出口92连接时，喇叭形圆锥体的径向内流动表面140基本上与出口流动表面96在一个平面上。更具体地说，在扩张地从弯头146向外伸出至喇叭形圆锥体部分78的尾端148之前，喇叭形圆锥体的内流动表面140扩张，并从连接接头130向下游延伸至弯头146。
在喇叭形圆锥体部分78的前缘和弯头146之间，喇叭形圆锥体的外表面142基本上与喇叭形圆锥体的内表面140平行。喇叭形圆锥体的外表面142是扩张的，并从弯头146沿么向向外伸出，使得在该示例性实施例中，在弯头146和喇叭形圆锥体的尾端148之间，外表面142也基本上与喇叭形圆锥体的内表面140平行。
防溅板部分77有利于防止在燃烧室16内产生的燃烧气体冲击燃烧室的钟形罩平板74，并包括一个法兰部分160和一个扩张部分162。法兰部分160沿着轴向从扩张部分162的上游延伸至前缘166，并且基本上与燃烧室中心的对称纵轴线82平行，使得法兰部分的前缘166在喇叭形圆锥体的前缘150的上游。
防溅板的扩张部分162沿着径向从法兰部分160向外和向其下游延伸至后缘168。更具体地说，在法兰部分160和防溅板弯头180之间，扩张部分162基本上与喇叭形圆锥体的尾端148和喇叭形圆锥体弯头146之间的喇叭形圆锥体部分78平行。扩张部分162扩张地从弯头180向外延伸至后缘168。
防溅板的扩张部分162沿径向向外与喇叭形圆锥体部分78隔开，使得在其中间形成环形间隙190。具体地说，在扩张部分162的径向内表面192和喇叭形圆锥体的外表面142之间形成间隙190。间隙190的直径D1，可以改善防溅板和喇叭形圆锥体组件76的生产性。
在防溅板和喇叭形圆锥体组件76上作出多个在圆周上彼此隔开的开口200。具体地说，开口200在基本上与中心线轴线82平行的方向上，沿轴向穿过组件76，因此开口200使防溅板法兰部分160位于组件76内。开口200排出低压的冷却空气，以冷却防溅板和喇叭形圆锥体组件76。在一个实施例中，冷却空气为压缩机的空气。在示例性实施例中，开口200是利用放电加工(EDM)方法制造的。
在工作过程中，冷却空气经开口200送至防溅板和喇叭形圆锥体组件76中。开口200有利于提供在降低的空气压力下要被排放的连续的冷却空气流，以便冲击冷却喇叭形圆锥体部分78。降低的空气压力有利于改善冲击冷却喇叭形圆锥体部分78的冷却和回流极限。冷却空气增强对流传热和便于降低喇叭形圆锥体部分78的工作温度。这有利于延长喇叭形圆锥体部分78的使用寿命，同时降低喇叭形圆锥体部分78的氧化形成速率。
另外，因为冷却空气通过开口200排出，因此防溅板扩张部分162为薄膜冷却。更具体地说，开口200将薄膜冷却用的冷却空气供给防溅板的扩张部分的内表面192。因为开口200是在防溅板和喇叭形圆锥体组件76的圆周上隔开的，因此，薄膜冷却基本上围绕着喇叭形圆锥体部分78，在圆周方向，沿着防溅板的内表面192进行。另外，因为开口200有利于基本上均匀的冷却空气流动，因此，防溅板和喇叭形圆锥体组件76可使薄膜冷却最快，同时减少冷却空气与燃烧空气的混合，从而减小喇叭口冷却对燃烧室辐射的不利影响。
上述的燃气涡轮发动机的燃烧室系统成本低，工作可靠。该燃烧室系统包括单个防溅板和喇叭形圆锥体组件，该组件又包括多个穿过它的作出的冷却开口。经该开口供给的冷却空气有利于防溅板和喇叭形圆锥体组件的喇叭形圆锥体部分的大致沿圆周方向的冲击冷却与防溅板和喇叭形圆锥体组件的防溅板部分的薄膜冷却。结果，防溅板和喇叭形圆锥体部件有利于可靠地和成本低廉地延长燃料室的使用寿命。
上面已详细地说明了燃烧室组件的示例性实施例。但燃烧室组件不是仅限于这里所述的特定实施例，而每一个组件的零件可以与所述的其他零件独立地和分开地使用。例如，每一个防溅板和喇叭形圆锥体组件的零件可以与其他燃烧室组合使用。
虽然，已利用各种具体的实施例说明了本发明，但技术熟练的人知道，在权利要求书的精神的范围内，本发明可作改进。
                    零件清单
10  燃气涡轮发动机              96   径向向内的面对流动的表面
12  风扇组件                    100  径向外表面
14  高压压缩机                  102  径向向内的面对流动的表面
16  燃烧室                      104  后部文吐里通道或环形空间
18  高压涡轮                    110  径向法兰部分
20  低压涡轮                    112  上游表面
22  增压器                      114  下游表面
24  风扇叶片                    116  径向法兰部分
26  转子圆盘                    118  上游表面
28  进气侧                      120  下游表面
30  排气侧                      130  连接接头
40  环形外衬里                  134  固定槽
42  环形内衬里                  140  内部流动表面
44  钟形罩形末端                142  径向外表面
46  燃烧室                      146  弯头
56  涡轮喷嘴                    148  尾端
58  板                          150  前缘
60  台阶                        160  法兰部分
70  环形的钟形罩组件            162  扩张部分
72  上游端                      166  前缘
74  景象板                      168  后缘
76  防溅板和喇叭形圆锥体组件    180  防溅板弯头
77  防溅板部分                  190  环形间隙
78  喇叭形圆锥体部分            192  径向内表面
80  燃料喷射器                  D1  直径
82  对称轴线                    200  开口
84  燃料点火器
90  环形空气涡旋式喷嘴
92  环形出口
94  径向外表面

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机(10)的燃烧室(16)，所述燃烧室包括由单个本体(76)组成的钟形罩组件(70)，该本体(76)包括一个防溅板(77)，一个喇叭形圆锥体(78)和至少一个在所述本体内作出的冷却通道(200)；该冷却通道用于排出冷却空气，对所述钟形罩组件的至少一部分进行冷却。
2.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其特征为，所述至少一个冷却通道(200)被设置成能在其内容纳冷却空气，对所述喇叭形圆锥体(78)的至少一部分进行冲击冷却。
3.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其特征为，所述至少一个冷却通道(200)包括多个沿圆周彼此隔开的冷却通道。
4.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其特征为，所述至少一个冷却通道(200)有利于延长所述燃烧室的使用寿命。
5.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其特征为，在所述防溅板(77)和所述喇叭形圆锥体(78)之间限定一个间隔(190)，所述间隙的直径(D1)比所述至少一个冷却通道(200)的直径大。
6.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其特征为，该燃烧室有一条中心轴线(82)，所述间隙(190)被限定得能使冷却空气沿径向向外从那里排出。
7.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其特征为，所述至少一个冷却通道有利于降低在所述钟形罩组件的喇叭形圆锥体(78)内的氧化形成速率。
8.一种包括一个燃烧室(16)的燃气涡轮发动机(10)，该燃烧室包括一个环形的钟形罩组件(70)；所述燃烧室的钟形罩组件包括一个空气沿涡旋式喷嘴(90)和一个围绕所述空气涡旋式喷嘴沿圆周方向延伸的单个本体(76)；所述单个本体包括一个防溅板(77)，一个喇叭形圆锥体(78)和至少一条在它们之间限定的冷却通道(200)；所述至少一条冷却通道用于沿基本上平行于所述钟形罩组件的中心线(82)从那里排出冷却空气，对所述燃烧室钟形罩组件的至少一部分进行冷却。
9.如权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征为，所述至少一条冷却通道(200)被设置成能从那里排出冷却空气，对所述喇叭形圆锥体(78)进行冲击冷却。
10.如权利要求9所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征为，所述至少一条冷却通道(200)包括多个围绕所述喇叭形圆锥体(78)沿圆周方向彼此间隔的冷却通道。
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