CN1576699A - 槽口装配式燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种燃烧室(20)，包括外壁(52)和与内壳层(42)连接的内衬(54)，而该内壳层装在一内壳体(32)上。该内壳体包括在端部凸缘上的第一槽口(40)，内壳层的对应凸缘(44)装在该第一槽口上。该内壳层(42)也包括第二槽口(50)，该内衬的端部凸缘(56)装在该第二槽口上。内壳层(42)用一内保持器(64)保持在第一槽口(40)中。此外，内衬(54)被保持在附近的第二槽口(50)中，从而从后方把内衬和内壳层装配到内壳体上。

Description

槽口装配式燃烧室

技术领域

本发明一般涉及燃气轮机、特别涉及其中的燃烧室。

背景技术

普通燃气轮机发动机包括多级压缩机，该压缩机压缩空气与燃料在燃烧室中混合以便生成高热燃烧气体。燃烧气体流过高压汽轮机(HPT)，该高压汽轮机提取用作该压缩机的动力的能量。低压汽轮机(LPT)提取另一些能量以提供输出功，如驱动在涡轮风扇航空发动机应用中的风扇，或在陆上或海上应用中提供输出轴动力。

在设计驱动军用车辆，如主作战坦克的燃气轮机时，发动机的大小和重量必需尽可能小，从而集成各发动机部件以获得最佳性能、效率和使用寿命的难度增加。例如，正在开发中的一种发动机包括排气热交换器或换热器，该排气热交换器或换热器使用从这些汽轮机排出的高热燃烧气体对从压缩机排出的压缩空气额外加热以提高发动机效率。但是，这个高热压缩空气还必需用来冷却燃烧室部件本身，从而进一步增加燃烧室设计的复杂性。

在过去二十年中，人们在设计双壁燃烧室上做了很多工作，这些工作并未使得双壁燃烧室得到商业应用。径向外燃烧衬和内燃烧衬支撑在对应径向外部和内部环状支撑件上。压缩机排放的空气穿过支撑件中的孔，冲击冷却这些衬的外表面。所使用的冲击空气然后穿过这些衬中的气膜冷却和稀释孔以便冷却这些衬本身并为在环状燃烧室中生成的燃烧气体提供稀释空气。

双壁燃烧室设计的一个后果是衬与周围支撑件之间固有的工作温度差。工作温度差造成燃烧室各部件的热膨胀和收缩不同。这类热运动差别出现在轴向和径向上以及出现在稳态或静态运行中和出现在发动机随着功率的增加和减小的暂态运行中。

因此这些衬必需恰当装在其支撑件上以适应衬与支撑件之间的热运动差，同时尽量减少压缩空气冷却剂的不希望的泄漏。这些衬互相之间以及与支撑件必需同心，以便使得环绕公知结构和截面因素表示的燃烧室的出口端在径向和周向上最小化温度分布的不期望的改变。

衬的校准或与涡轮机的同心因此是环状燃烧室的一个重要设计目标，对于双壁衬结构来说显得特别困难。衬的校准影响到燃烧室性能的所有方面，包括燃烧室的冷却、燃烧气体的稀释和汽轮机性能。此外，安装到支撑件上的衬必需使其中的热致应力尽量小，以确保尽量延长燃烧室的使用寿命。

上述燃烧室只是停留在概念上，要长寿命地使用在坦克中在制作上尚有不足。例如，以往把螺栓焊到外衬上并且简单地栓接到外部支撑件上以便将外衬装到该外部支撑件上。然后，整个燃烧室经燃烧室外壁从后方装配到支撑壳体上。这种螺栓连接的设计本质上无法适合衬与外支撑件之间的热运动差，导致在工作中造成很大热应力。

因此，要求对双壁燃烧室的设计作出改进，以在保持衬支撑件的同心的同时适于工作中的热运动差。

发明内容

燃烧室包括外壁和与内壳层连接的内衬，而该内壳层装在内壳体上。该内壳体包括在端部凸缘上的第一槽口，该内壳层的对应凸缘装在该第一槽口上。该内壳层也包括第二槽口，该内衬的端部凸缘装在该第二槽口上。该内壳层用内保持器保持在第一槽口上。此外，该内衬被保持在周围的第二槽口上，从而从后方把该衬和该壳层装配到内壳体上。

附图说明

在以下结合附图的详细说明中，特别说明本发明例示性优选实施例及其他目的和优点，附图中：

图1为包括双壁燃烧室的实施例、用来驱动陆上车辆的燃气轮机发动机的局部剖面示意图；

图2为图1所示燃烧室内壁后端的放大轴向剖面图；和

图3为图2所示燃烧室后的内部支架的分解图，简示出其装配过程和维修时的拆卸过程。

具体实施方式

图l简示出用来驱动例如陆上车辆的燃气轮机发动机10。该发动机轴关于纵向或轴向中心线12对称，包括工作中压缩空气16的多级压缩机14。从压缩机排出的压缩空气在环状燃烧室20中与燃料18混合从而生成高热燃烧气体22。

从燃烧室排出的燃烧气体输入高压汽轮机(HPT)24，该高压汽轮机提取高热燃烧气体中的能量以驱动压缩机。该高压汽轮机是公知的并且其包括燃烧室排出端上的一环状定子喷管，该喷管把燃烧气体引导通过一排高压汽轮机转子叶片，该高压涡轮机转子叶片从由轴连接在燃烧室转子上的支撑转子圆盘向外延伸。

在该HPT后面是低压汽轮机(LPT)26，该低压汽轮机通常包括一个或多个定子喷嘴和转子叶片排，以提取额外能量来驱动输出驱动轴，该输出驱动轴然后驱动例如军用坦克应用中的变速器。

排气热交换器或换热器28接受来自LPT的燃烧气体，以便进一步加热恰当传送到该交换器中的压缩机排放空气。经如此加热的压缩机排放空气然后传送到燃烧室，以便经受燃烧过程并冷却燃烧室各部件。

图1所示环状燃烧室轴关于发动机中心线12对称，在结构上支撑在环状外壳30上。该燃烧室是多个部件的组件，进一步包括环状径向内壳体或燃烧室壳体32，该环状径向内壳体包括其两对置端的第一或后部凸缘34和第二或前部凸缘36以及后部凸缘34与前部凸缘36之间紧靠前部凸缘36的环状头部38。

如图2和3详示，内壳体32还包括一伸展在壳体后部凸缘34圆周上的环状第一槽口40，该壳体后部凸缘轴向向后、径向向外。

回到图1，该燃烧室进一步包括同心环绕内壳体32并支撑在内壳体32上的环状径向内壳层或支撑件42。该内壳层包括其对置端上的第一或后部凸缘44和第二或前部凸缘46以及后部凸缘与前部凸缘之间紧靠该壳层前部凸缘46的环状圆顶48。仍如图2和3详示，该内壳层也包括该壳层后部凸缘44上的环状第二径向外槽口50，该壳层后部凸缘本身座落在第一槽口40上。

图1所示燃烧室还包括用多个紧固件如螺栓恰当装配在内壳层前部凸缘46上的环状外燃烧室壁52。该环状外燃烧室壁52由外套和外衬构成，外套和外衬上有穿孔供工作中用作冷却剂的压缩空气16流入。

环状径向内衬54包括其对置端上的第一或后部凸缘56和第二或前部凸缘58，该对置端把内衬装在内壳层上而成为另一与外壁52径向向里间距的双壁结构，从而在这两双壁结构之间形成一环状燃烧室60。

该内衬的前部凸缘58包括供L形开口保持器62插入的径向向外凹槽，该L形开口保持器还插入在内壳层与其圆顶连接部上的轴向凹槽中，使得内衬可在内壳层上自由浮动，从而允许相对内衬和内壳层的后端的不加约束的热膨胀和收缩差。从图2可看得最清楚，内衬后部凸缘56呈座落在内壳层的第二槽口50中的径向向里伸展凸缘的形式。内壳层后部凸缘44也呈座落在第一槽口40上的径向向里伸展凸缘的形式。

因此，形成燃烧室60的外和内双壁以及圆顶48共同支撑在该燃烧室壳体或内壳层42上，而内壳层42又支撑在内壳体32的后部凸缘34上，从而从后方将燃烧室以相应的装载路径装配到该支撑外壳30上。该内壳体的前部凸缘36用一排紧固件如螺栓恰当装在该外壳的对应凸缘上。

如图2所示，以合适的紧公差内壳层后部凸缘44座落在第一槽口44上，同样，以合适的紧公差内衬后部凸缘56座落在第二槽口上。环状内保持器64用例如螺栓紧固件固定连接在内壳体后部凸缘34上，从而把该壳层后部凸缘44轴向保持在第一槽口40上。

同样，环状外保持器66固定连接在第二槽口50上，从而把内衬后部凸缘56轴向保持在第二槽口上。该外保持器66可以是具有一个开口的整环，也可是分成3-约8段的多段环。保持器的各段可点焊到在内衬后部凸缘56的与第二槽口的径向前部凸肩相对的后面上的第二槽口50上。同样，内保持器64最好为整环，该整环位于内壳层后部凸缘44的与第一槽口40在内壳层后部凸缘前面上的径向凸肩相对的后面上。

这样，图1所示内衬54同心围绕其支撑内壳层42安装，支撑内壳层42又同心围绕其支撑内壳体32安装，而内壳体悬挂在外壳30上。内衬54及其支撑内壳层42的后端装在内壳体后部凸缘34上，从而工作中容许相对其后端有热膨胀和收缩差。

工作中，燃烧室60中生成燃烧气体22从衬到其支撑套再到支撑内壳体32产生了递减温度梯度。这些部件为在径向和轴向上发生膨胀和收缩的环状或锥形件。内衬54和内壳层42可相对其受支撑后端自由膨胀和收缩，从而它们之间由热运动差造成的热应力较小。此外，从后方装配内衬及其支撑内壳层可确保它们相对发动机同心。

如图1所示，内保持器64构成HPT24的喷管的支撑件的一部分。因此，内燃烧衬54和该涡轮机喷管共同支撑在内壳体后部凸缘34上，并且内衬54与该涡轮机喷管之间保持同心以确保工作中燃烧气体22在该涡轮机喷管的定子叶片之间流动时精确地径向对齐。

应恰当装配燃烧室的各部件以在各部件之间保持所需不同对齐来提高燃烧室工作时的性能。内外燃烧衬与HP汽轮机喷管的同心是重要设计目标。

燃烧室中还需要其他对齐。特别是，内壳体头部38包括一排恰当装配在对应孔70中的燃料注入器68。对应地，圆顶48包括一排恰当装配在圆顶中的对应孔74中的空气旋流器72。

燃料注入器和空气旋流器可呈任何公知结构，燃料注入器经对应旋流器的中央注入燃料，旋流器一般包括两排反转径向叶片把压缩机的压缩空气旋流成两个围绕注入燃料的反转气流，使得燃料雾化，提高燃烧室中的燃烧效率。

由于燃料注入器70装在内壳体头部38中，空气旋流器72装在圆顶48中，为正确装配燃烧室和燃烧室的良好性能，内壳体头部与圆顶必需恰当对齐。

确切说，如图2和3所示，多个薄片或键76分别装在内壳层后部凸缘44与第一槽口40之间的凹槽或开口78中以保持头部38中的孔70与圆顶48中的孔74在圆周上的对齐，从而使得在其空气旋流器中相应对齐燃料燃烧室。

在优选实施例中，键76例如用钎焊固定装在内壳层后部凸缘44径向内表面中的对应装配凹槽中。此外，第一槽口40中的互补对齐开口78径向向外与对应的键76对齐。尽管键76可与内壳层后部凸缘44制成一体，但分开制作键后把它们固定安装在该凸缘中更实际、更经济。

该优选实施例使用三个在圆周上稍稍偏离120°的不等距分布的键76，以确保内壳层42只能在一个取向上装到内壳体32上，从而确保燃料注入器和空气旋流器正确对齐在其相应孔中。这三个键从发动机中心轴线径向向外伸展，从而容许在径向上有热膨胀和收缩差。

这些键最好较小以便能防止内壳层与其支撑内壳体之间的相对转动，然而还要大到足以承受装有该燃气轮机发动机的车辆受到的外部负载。装在车辆上的发动机当车辆在高低不平地形上行驶、特别在高速军用时受到各种振动负载。因此，每个键76最好能承受由车辆行驶造成的最大预期外部负载而不发生故障。因此所述多个键不但确保内壳层42与内壳体32之间沿圆周的转位对齐，还加强了负载承受能力。

如图2和3所示，该燃烧室最好还包括分别装配在内衬后部凸缘56与第二槽口50之间的圆柱形插口82中以便保持内衬中公知稀释孔84之间沿圆周对齐的多个轴向销80。内和外燃烧衬都包括用于以公知方式引导一部分冷却用压缩空气16的气膜冷却斜孔图案。此外，两个衬还都包括较大的稀释孔，如图1和3所示内衬中的一排稀释孔84。

这些稀释孔沿圆周与对应燃料注入器和旋流器对齐以减小工作中来自排放的燃烧气体的热流。因此燃烧室的正确性能要求稀释孔与对应旋流器对齐，这一对齐由对齐插口82中的配合销80实现。

如图2和3所示，销80最好例如用焊接固定连接在内壳层42上，从而在第二槽口50上方从内壳体层前方凸肩沿径向向外伸展。对应地，插口82为沿轴向穿过内衬后部凸缘56与对应销轴向对齐设置的圆柱形孔。

在该优选实施例中，三个销稍稍偏离120°不等距地分布在第二槽口50的前方凸肩的圆周上。这样，内衬54中的稀释孔84可保持与对应空气旋流器沿圆周对齐。不等距分布的销80确保内衬在其支撑内壳体上只有一个正确装配位置。

由于内衬与其支撑内壳体之间的预期负载较小，因此在该部位上可使用销80而不使用更坚固的键76。因此，位于第二槽口50上的销可呈任何适合于承受作用其上的预期负载的结构。同样。位于第一槽口40上的键76可呈任何适合于承受作用在其上的预期负载的结构。

如图1所示，内壳体32由于其C形轴向剖面一般呈喇叭口形。因此该内壳体的头部38在轴向上位于其第一和第二端部凸缘34、36的前方，以便容纳在内壳体后部凸缘34前方的内壳层42。此外，内壳层42向外地与内壳体32在径向上相间距，从而内壳层与内壳体之间形成一环状空间，引导压缩空气16流过该燃烧室的内壁。

如图2和3所示，内壳层后部凸缘44中最好有一排与环状空间86流体连通的轴向旁通孔88，以便引导一部分空气16沿轴向从中流过。

如上所述，内保持器64通常为HP喷管的环状支撑件的一部分。该保持器包括用螺栓恰当连接在内壳体后部凸缘34上的径向内部和供定子喷管装配其上的径向外部。

图2所示内保持器64还包括一排穿过其径向外凸缘、沿圆周与各旁通孔88对齐的轴向孔90。这样，可计量穿过旁通孔88中的压缩空气16，以便形成在HP喷嘴内环带与其内支撑件之间的环状空腔中的压缩。如图2所示，内保持器64的其中有孔90的径向小凸缘为支撑叶状密封(未示出)的其他公知的部件。

用双槽口把内衬54和内壳层42装配在配合内壳体32上的优点包括结构简单以及可在保持简单装配的内衬和内壳层的沿圆周精确对齐的同时使得燃烧室与HP喷管同心的上述其他优点。如图2所示，内壳层后部凸缘44在径向上支撑在第一槽口40上，在轴向上被保持在一个侧面上的内保持器34与另一侧面上的第一槽口的凸肩之间。这些部件之间的制作公差和间隙可较小以把内壳层后部凸缘直接保持在第一槽口中而无需另外的密封件。

同样，内衬后部凸缘56在径向上支撑在第二槽口50上，在轴向上保持在一个侧面上的外保持器66与另一侧面上的第二槽口50的凸肩之间。同样，制作公差或间隙可较小以把内衬后部凸缘直接保持在第二槽口中而无需另外的密封件。

用双槽口把燃烧室内壁装到内壳体上，因此结构较简单，装配工作和维修时的拆卸工作简单。确切说，图3简示出燃烧室内壁的装配和拆卸。

沿圆周使若干销80与其插口82对齐，同时把内衬54沿轴向围绕内壳层42安装，使得内衬后部凸缘56座落在第二槽口50上。

然后在内衬后部凸缘56轴向抵靠槽口凸肩后，把外保持器66焊接在第二槽口50的露出的边缘上。

然后在沿圆周对齐配合键76与开口78的同时，把其中装好内衬的内壳层42沿轴向围绕内壳体32安装，使得内壳层后部凸缘44座落在第一槽口40上。然后可沿轴向把内保持器64装到第一槽口40的露出的支架上，从而在轴向上把内壳层后部凸缘44保持在第一槽口中。

为了修理燃烧室、例如更换其内衬54，该装配过程反过来进行。在拆下紧固件后沿轴向从内壳体32上取下内保持器64。然后可沿轴向从内壳体32上取下内壳层42和支撑在其上的内衬54。然后例如通过磨去焊点从第二槽口50上取下外保持器66，露出第二槽口上的内衬54。

然后可从内壳层上取下内衬，更换新内衬，然后重复装配过程以便用新的外保持器66以及用原来的内保持器或新的内保持器64重新装配该燃烧室。

图1所示双槽口后部装配环状燃烧室因此具有结构简单、便于装配、拆卸和维修的优点。燃烧室与HP喷嘴之间的同心和燃料注入器、空腔旋流器和稀释孔的对齐得到确保。此外，可如所公知地使得压缩空气流过旁通孔。

尽管以上说明了本发明例示性优选实施例，但本领域普通技术人员显然可根据该说明对本发明作出种种修正，因此，符合本发明真正精神和范围的所有这些修正都包括在后附权利要求中。

因此，美国专利权所要获得的是受后附权利要求限定和鉴别的本发明。

部件列表

10发动机

12中心轴线

14多级压缩机

16压缩空气

18燃料

20环状燃烧室

22燃烧气体

24高压汽轮机(HPT)

26低压汽轮机(LPT)

28换热器

30外壳体

32内壳体

34第一、后部凸缘

36第二、前部凸缘

38头部

40第一槽口

42内壳体层

44第一、后部凸缘

46第二、前部凸缘

48环状圆顶

50第二槽口

52外壁

54内衬

56第一、后部凸缘

58第二、前部凸缘

60燃烧室

62保持环

64内保持器

66外保持器

68燃料注入器

70孔

72空气旋流器

74孔

76键

78开口

80轴向销

82圆柱形插口

84稀释孔

86环状空间

88旁通孔

90孔

Claims (10)

1、一种燃烧室(20)，包括：环状外壳(30)；环状内壳体(32)，包括对置端上的第一和第二凸缘(34，36)和对置端之间的头部(38)，所述第一凸缘(34)沿圆周具有第一槽口(40)，所述第二凸缘(36)固定支撑在所述外壳(30)上；所述头部(38)包括插入在头部中的孔(70)中的一排燃料注入器(68)；

环状内壳层(42)，包括对置端上的第一和第二凸缘(44，46)和对置端之间的圆顶(48)以及围绕所述第一凸缘(44)的径向外部第二槽口(50)，所述内壳层的第一凸缘座落在所述第一槽口(40)上；

所述圆顶(48)包括装在圆顶的孔(74)中并且沿圆周对齐地容纳所述燃料注入器(68)中的对应的一些的一排空气旋流器(72)；

环状内衬(54)，包括对置端上第一和第二凸缘(56，58)，所述内衬的第一凸缘(56)座落在所述第二槽口(50)上；

装在所述内壳层第二凸缘上的环状燃烧室外壁(52)；以及固定连接在所述内壳体第一凸缘(34)上以便在轴向上把所述内壳层第一凸缘(44)保持在所述第一槽口(40)上的环状内保持器(64)。

2、按权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述内壳体(32)呈喇叭口形，所述头部(38)位于所述第一和第二凸缘(34，36)轴向前方，以便容纳所述内壳体第一凸缘(34)前方的内壳层，从而在其间形成环状空间(86)引导压缩空气在其中流动。

3、按权利要求2所述的燃烧室，进一步包括一排穿过所述内壳层第一凸缘(44)、与所述环状空间(86)流体连通的旁通孔(88)。

4、按权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述内保持器(64)包括径向外部凸缘，凸缘中有一排沿圆周与所述旁通孔(88)中的对应的一些对齐的穿孔(90)。

5、按权利要求4所述的燃烧室，进一步包括分别装在所述内壳层第一凸缘(44)与所述第一槽口(40)之间的开口(78)中用于保持所述头部(38)中的所述燃料注入器(68)与所述圆顶(48)中的所述空气旋流器(72)之间沿圆周对齐的多个键(76)。

6、按权利要求5所述的燃烧室，其特征在于，所述内衬(54)包括一排稀释孔(84)，从而引导在其中流动的稀释空气；以及

进一步包括分别装在所述内衬第一凸缘(56)与所述第二槽口(50)之间的插口(82)中的，用于保持所述稀释孔(84)与所述圆顶(48)中的所述旋流器孔(74)之间沿圆周对齐的多个销(80)。

7、按权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，所述键(76)固定装在所述内壳层第一凸缘(44)中，所述开口(78)位于所述第一槽口(40)中与键径向对齐；以及

所述销(80)在所述第二槽口(50)的径向外部固定连接在所述内壳层(42)上，所述插口(82)位于所述内衬第一凸缘(56)中与销轴向对齐。

8、按权利要求7所述的燃烧室，进一步包括固定连接在所述第二槽口(50)上以便在轴向上把所述内衬第一凸缘(56)保持在所述第二槽口上的环状外保持器(66)。

9、一种装配按权利要求8所述的燃烧室的方法，包括：在沿圆周对齐所述销(80)与插口(82)的同时，沿轴向把所述内衬(54)围绕内壳层(42)安装，使得所述内衬第一凸缘(56)座落在所述第二槽口(50)上；

在沿圆周对齐所述键(76)与开口(78)的同时，沿轴向把所述内壳层(42)围绕所述内壳体(32)安装，使得所述内壳层第一凸缘(44)座落在所述第一槽口(40)上；

把所述外保持器(66)固定连接在所述第二槽口(50)上，从而在轴向上把所述内衬第一凸缘(56)围绕所述第二槽口保持；以及

沿轴向把所述内保持器(64)装在所述第一槽口(40)上，从而在轴向上把所述内壳层第一凸缘(44)保持在所述第一槽口上。

10、一种维修按权利要求8所述的燃烧室的方法，包括：

从所述内壳体(32)上取下所述内保持器(64)；从所述内壳体(32)上取下所述内壳层(42)和内衬(54)；从所述第二槽口(50)上取下所述外保持器(66)露出所述内衬(54)；

从所述内壳层(42)上取下并更换所述内衬(54)；以及将所述更换的衬与在所述内壳体上的所述内壳体层重新装配在一起。

Images