CN1598408A - 具有改进的偏转板的燃气涡轮发动机的燃烧器拱顶罩组件 - Google Patents

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CN1598408A
CN1598408A CNA2004100566148A CN200410056614A CN1598408A CN 1598408 A CN1598408 A CN 1598408A CN A2004100566148 A CNA2004100566148 A CN A2004100566148A CN 200410056614 A CN200410056614 A CN 200410056614A CN 1598408 A CN1598408 A CN 1598408A
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Abstract

一种具有穿过其间的纵向中心线轴线的燃气涡轮发动机的燃烧器拱顶罩组件，包括：具有一个内部分，一个外部分，一个前表面和多个在其内形成的沿圆周彼此间隔的孔的一个环形拱顶板；其中，在每一个所述的孔之间限定的一个径向部分包括一个在其内形成的冷却槽；与在其下游端处的所述拱顶板外部分连接的一个外罩；与在其下游端处的所述拱顶板内部分连接的一个内罩；和与所述拱顶板中的每一个所述孔连接并位于其后面的一个偏转板。

Description

具有改进的偏转板的燃气涡轮发动机 的燃烧器拱顶罩组件
技术领域
本发明总的涉及燃气涡轮发动机的燃烧器拱顶罩组件，尤其涉及包括被构形来限制施加于其上的应力的偏转板的燃烧器拱顶罩组件。另外，还提供了在每一个径向部分有一个冷却槽的燃烧器拱顶罩组件的拱顶板，该冷却槽带有基本上与这种偏转板的径向表面对准的清洗孔。
背景技术
在燃气涡轮发动机的燃烧器技术内众所周知，拱顶部分与内外衬里结合，用于形成一个燃烧室的边界。燃料和空气的混合物在这种燃烧室中点火和燃烧，其产品可以与涡轮的叶片耦合，产生通过一个或多个轴的功。该环形的燃烧器拱顶在圆周上设置多个混合器，使燃料/空气混合物可进入该燃烧室。
虽然，通常的燃烧器结构在旋流器罩之间有适当的空间。可安装增强该双孔平板结构的零件(例如加入肋、冷却孔等)，但当前的燃烧器设计仍有一些几何形状限制，使其输出减少。如授与Pritchard Jr.等人的美国专利6 381 964号所述，一个特别的燃料/空气混合器结构包括含有一个前置混合器的燃料喷嘴。该燃料喷嘴放在一个主混合器内。因此，该燃料喷嘴和与之相应的旋流器组件的尺寸比先前使用的大大增大，从而减少了相邻的旋流器罩之间的距离。使用直径较大的环形拱顶板会增加发动机的重量，并需要改造与它接合的零件。这样，要放大拱顶板的孔，因此要减小相邻孔之间的圆周距离。
通常在燃烧器拱顶罩组件中有多块偏转板。这种偏转板与邻近每一个在圆周上隔开的孔的拱顶板连接，并保护该拱顶板不受该燃烧室的过度影响。利用作在相邻的孔之间的该拱顶板的径向部分上的冷却孔来冷却该偏转板的侧边缘。然而，靠近相邻的偏转板和较薄的径向部分产生附加的应力，使得沿着径向部分的各个部分产生变形和裂纹。
考虑到上述问题，希望开发出一种相邻的旋流器之间的间隔小的燃烧器拱顶罩组件。还希望开发出一种可限制加上其它的应力的偏转板。该燃烧器拱顶罩组件的另一个特点是其拱顶板可以提供另外的清洗空气至该偏转板的一些区域，同时对在该与它相邻的燃烧室中的温度和燃料和空气的混合物有好的影响。
发明概述
在本发明的第一个示例性实施例中，说明了一种具有穿过其间的纵向中心线轴线的燃气涡轮发动机的燃烧器拱顶罩组件，它包括：具有一个内部分，一个外部分，一个前表面和多个在其内形成的沿圆周彼此间隔的孔的一个环形拱顶板；其特征为，在每一个所述的孔之间限定的一个径向部分包括一个在其内形成的冷却槽；与在其下游端处的所述拱顶板外部分连接的一个外罩；与在其下游端处的所述拱顶板内部分连接的一个内罩；和与所述拱顶板中的每一个所述孔连接并位于其后面的一个偏转板；每一个偏转板还包括：
在其上游端，具有一前端，一后端，一个内表面和一个外表面的一个环形部分；与所述环形部分的所述后端连接的一个基本上为平面形的法兰，所述平面形法兰包括一外圆周表面，一内圆周表面，一第一径向表面，一第二径向表面和一个孔；该孔被加工到所述环形部分的所述内表面的尺寸，以形成相对的径向部分；以一预定的角度与所述平面形法兰的所述外圆周表面连接的一第一法兰；和以一预定的角度与所述平面形法兰的所述内圆周表面连接的一第二法兰；其中，所述偏转板的平面形法兰的所述第一和第二个径向部分的形状作成使每个所述拱顶板冷却槽的至少一部分在所述拱顶板的后面与一个燃烧室成流动连通。
在本发明的第二个示例性实施例中，说明一种燃气涡轮发动机燃烧器的偏转板，它包括：在其上游端，具有一前端，一后端，一个内表面和一个外表面的一个环形部分；与所述环形部分的所述后端连接的一个基本上为平面形的法兰，所述平面形法兰包括一外圆周表面，一内圆周表面，一第一径向表面，一第二径向表面和在其上作出的孔；所述孔被加工到所述环形部分的所述内表面的尺寸，以形成相对的径向部分；以一预定的角度，与所述平面形法兰的所述外圆周表面连接的一第一法兰；和以一个预定的角度，与所述平面形法兰的所述内圆周表面连接的一第二法兰；其中，所述第一和第二个径向部分包括一个有缺口的部分，以减小施加于所述平面形法兰的所述径向部分上的应力。
在本发明的第三个实施例中，说明了一种具有穿过其间的中心轴线的燃气涡轮发动机燃烧器的环形拱顶板，它包括：一内部分，一外部分和位于所述内部分和外部分之间的一个中间部分；其中，在所述中间部分上作出多个沿圆周彼此间隔的孔，所述中间部分还包括：
在每一个所述孔之间限定的一个径向部分；
在每一个径向部分上形成的一个冷却槽，该槽上作出多个冷却孔和至少一个基本上比在其内形成的所述冷却孔大的清洗孔。
附图简述
图1为包括本发明的燃烧器拱顶罩组件的燃气涡轮发动机燃烧器的横截面图；
图2为图1所示的燃烧器拱顶罩组件的放大的部分横截面图；
图3为图1和图2所示的燃烧器拱顶罩组件的拱顶板的放大的部分正视图；
图4为图1和图2所示的燃烧器拱顶罩组件的偏转板的放大的正视图；
图5为图4所示的偏转板的侧向透视图；
图6为图4和图5所示的偏转板的放大的部分透视图；
图7为图3所示的拱顶板的部分后视图，图4和图5所示的偏转板放在靠近它的地方，并与该拱顶板上的一个孔对准，该燃烧器拱顶罩组件则处在较冷的工作状态；
图8为图3所示的拱顶板的部分后视图，图4和图5所示的偏转板位于靠近它的地方，并与该拱顶板上的一个孔对准，而该燃烧器拱顶罩组件处在较热的工作状态；和
图9为具有另一种结构的拱顶板的部分的后视图，图4和图5所示的偏转板靠近它，并与这种拱顶板上的一个孔对准。
发明详述
现详细地参照附图，图中相同的符号表示相同的零件。图1表示具有穿过其间的纵向中心线轴线12的一个示例性燃气涡轮发动机燃烧器10。燃烧器10包括由外衬里16，内衬里18和位于其上游端的一个拱顶板20构成的一个燃烧室14。多个燃料/空气混合器22在该拱顶板20内在圆周上互相隔开，以便将燃料和空气的混合物通入燃烧室14中。在该燃烧室中由点火器(没有示出)进行点火，并形成燃烧气体。该燃烧气体用于驱动在下游的一个或多个涡轮。更具体地说，每一个空气/燃料混合器22包括一个燃料喷嘴24，一个旋流器26和一块偏转板28。
更具体地说，拱顶板20是环形形状，它包括一个内部分30，一个外部分32，一个前表面34和多个在圆周上隔开作出的孔36(见图3)。因此，在拱顶板20的每一个相邻的孔36之间形成一个径向部分37。如这里所述，每一个孔36在拱顶板20上具有至少一个预先确定的直径，使在拱顶板20中的相应的孔36之间的圆周距离(由径向部分37确定)不大于预先确定的量。从图3中可看出，每一个径向部分37包括一个作有多个冷却孔41的冷却区域或槽35。如这里更详细地所述那样，冷却槽35包括位于其中间部分25内的至少一个清洗孔23。利用多个连接件40(例如螺钉和螺母)，将一个环形的外罩38固定在下游端39上的拱顶板20的外部分32，以及外衬里16上。同样，利用多个连接件46(螺钉和螺母)，将一个环形的内罩44固定在下游端45上的拱顶板20的内部分30以及内衬里18上。
偏转板28与拱顶板20中的每一个孔36相适应，因此在圆周上隔开一定距离。每一个偏转板28利用铜焊等与拱顶板20连接。更具体地说，每一个偏转板28包括一个基本上为环形的部分27，该环形部分在上游端，具有一个前端77，一个后端78，一个内表面79和一个外表面80(见图4和图5)。环形部分27的尺寸作成可使外表面80放在拱顶板孔36的内表面42内。一个基本上为平面形的法兰29从环形部分27的后端28伸出，并具有一个外圆周表面82，一个内圆周表面84，第一个径向表面86，第二个径向表面88和作出的孔90。孔90的尺寸作成环形部分27的内表面79的尺寸，使得形成相对的径向部分92和94。
另外，第一个法兰31以预定的角度与平面形法兰29的外圆周表面82连接；而第二个法兰33同样以预定的角度，与平面形法兰29的内圆周表面84连接。第一和第二个有角度的法兰31和33分别与外和内拱顶部分32和30邻近延伸。热屏障涂层43和51加上有角度法兰31和33的至少一部分上。
为了限制加在偏转板28上的应力，仅径向部分92和94上除去一部分93(用相对于径向部分94的假想线表示)，使得分别形成有缺口的部分96和98。该有缺口的部分96和98位于径向部分92和94具有最小的圆周长度100的地方。有缺口的部分96和98基本上为半圆形，使其第一和第二个径向表面86和88包括一个弧形部分102和104。每一个部分96和98具有预先确定的径向长度106(近似为径向表面86和88的5-25％)和一个预先确定的圆周长度108(近似为径向部分37的圆周长度为70-90％)。因此，径向部分92和94将保持最小的圆周长度110(近似为圆周长度100的10-30％)。
该弧形部分102和104作成不是平面形的。从图5和图6可清楚地看出，该弧形部分102和104包括由平面形法兰29的径向表面86/88和后表面112形成的一个倒角(用符号107相对于径向表面部分102表示)。为了形成倒角107，该后表面112与径向表面86和88形成大约为35°～55°的角度。这样，偏转板28具有改善的耐久性，以及热屏障涂层的粘接性改善。
关于在冷却槽35的中间部分25上作出的清洗孔23，从图3，6和7可看出，这种清洗孔基本上为圆形的。图7中的偏转板28和拱顶板20表示成反映在燃烧器拱顶罩组件10的较冷状态下，相邻的偏转板28的相对位置。这样，在这种偏转板28之间有一个小间隙114，以允许热增大。冷却槽中间部分25上的清洗孔23与缺口部分96和98对准使空气可流过，与拱顶板20后面的燃烧室14流动连通，同时压力损失最小。虽然由于偏转板28的热增大稍有妨碍，但图8表示在燃烧器拱顶罩组件10的较热状态下，通过清洗孔23，与燃烧室14流动连通。
这样，从清洗孔23出来的气流与一些在相邻的旋流器罩之间的热地点对准。这可以大大地稀释燃料/空气的比例，并降低局部温度和在这些位置形成NOx。另外，通过清洗孔23的气流以对流方式冷却偏转板径向表面86和88(不加热屏障涂层)的弧形部分102和104，以及清洗由有缺口的部分96和98形成的空穴，以防止吸收热的燃烧产品。
从图9还可看出，清洗孔23可以为椭圆，槽或任何其他希望的形状。另外，该清洗孔23不应有多于预先确定的收集区域(仅为不大于有缺口部分96和98的面积)，以便在执行其所希望的功能和对燃烧过程的不希望的影响之间取得平衡。清洗孔23的直径至少为冷却孔41的二倍，它们之间的间隔最小，大约与其直径的二倍相当。因此，可根据有缺口部分96和98的尺寸，调整清洗孔23的实际尺寸和间隔。
燃料喷嘴24最好为Pritchard Jr.等人的美国专利6 381 964号中所述的形式。这里引入该专利供参考。该燃料喷嘴24比一般的燃料喷嘴大，因此需要在拱顶板20上较大的孔36。因此，每一个拱顶板20上的孔36具有至少是预先确定的直径(大约至少比先前的拱顶板孔大3倍)，这时其孔36之间的圆周距离64(即径向部分37的孔)不大于预先确定的大小(大约为先前的拱顶板的1/3或更小)。
每一个旋流器26分别位于拱顶板20的前表面34和外罩38与内罩44的上游端47和49之间，基本上与拱顶板20的孔36对准。另外，每一个旋流器26包括一个前部分50和一个后端部分52。旋流器26不与空气/燃料混合器22的任何其他零件固定式连接，但可在径向和轴向方向，相对于通过每一个孔36的中心线轴线53，自由浮动。每一个旋流器26包括叶片48，它的排列方向可在相对于中心线轴线53的基本上径向的方向形成漩涡。
如在题为“具有自动浮动的旋流器的燃气涡轮发动机的燃烧器拱顶罩组件”的专利申请中所公开的，该旋流器的前部分50包括一个径向法兰70，它可分别在与外罩38和内罩44相适应的第一和第二个接片件54和56之间运动。该序号No.__/___，___，的专利申请是同时提出申请的，也为本发明的受让人所拥有，引用在此供参考。该旋流器的向前部分也包括一个用于容纳燃料喷嘴24的轴向部分72。在该轴向部分72的前表面上设有一个抗回转件(没有示出)，以便与相邻的旋流器的该抗回转件接合，从而防止旋流器26旋转。
该旋流器的后端部分52包括一个法兰74，它可以沿着该拱顶板的前表面34的凸台部分75，在径向滑动。唇部76与法兰74连接，并且基本上与法兰74垂直，因此基本上与中心线轴线53平行。该唇部76伸向该拱顶板前表面34的后面，与偏转板28的环形部分27接合，从而限制该旋流器26的径向运动。旋流器后端部分52的法兰74最好被成形为如在题为“具有作成一定轮廓的旋流器的燃烧器拱顶罩组件”的同时提出申请的专利申请中所描述的那样。
序号为No.__/___，___，的该专利申请也为本发明的受让人所拥有，引用这里供参考。
已经图示并说明了本发明的优选实施例，该技术领域内的普通技术人员，在不偏离本发明范围的条件下，可对该燃烧器拱顶罩组件和这些偏转板及其拱顶板通过适当的修改来实现的进一步配合。
            零件清单
10-燃气涡轮机燃烧器(一般地说)，
12-纵向中心线轴线，
14-燃烧室，
16-外衬里，
18-内衬里，
20-拱顶，
22-燃料/空气混合器，
23-在拱顶板冷却槽中的清洗孔，
24-燃料喷嘴，
25-拱顶板冷却槽的中间部分，
26-旋流器，
27-偏转板的环形部分，
28-偏转板，
29-偏转板的平面形法兰，
30-拱顶板的内部分，
31-偏转板的有角度法兰(外)，
32-拱顶板的外部分，
33-偏转板的有角度法兰(内)，
34-拱顶板的前表面，
35-拱顶板的冷却槽，
36-拱顶板上的孔，
37-相邻孔之间的拱顶板的径向部分，
38-外罩，
39-外罩的下游端，
40-外连接件，
41-冷却槽上的冷却孔，
42-拱顶板孔的内表面，
43-在偏转板的外部有角度法兰上的热屏障涂层，
44-内罩，
45-内罩的下游端，
46-内连接件，
47-外罩的上游端，
48-旋流器的叶片，
49-内罩的上游端，
50-旋流器的向前部分，
51-偏转板的内部有角度法兰的热屏障涂层，
52-旋流器的后端部分，
53-通过拱顶板孔的中心线轴线，
54-第一(外)接片件，
55-在偏转板和旋流器后部之间的空穴，
56-第二(内)个接片件，
57-偏转板环形部分的内表面，
58-抗回转件，
60-抗回转件，
62-旋流器轴向部分的前表面，
64-相邻的拱顶板孔之间的圆周距离，
70-旋流器前部分的径向法兰，
72-旋流器前部分的轴向部分，
74-旋流器后部的法兰，
75-拱顶板前表面的凸台部分，
76-旋流器后部的唇部，
77-偏转板环形部分的前端，
78-偏转板环形部分的后端，
79-偏转板环形部分的内表面，
80-偏转板环形部分的外表面，
82-偏转板平面形法兰的外圆周表面，
84-偏转板平面形法兰的内圆周表面，
86-偏转板平面形法兰的第一个径向表面，
88-偏转板平面形法兰的第二个径向表面，
90-偏转板平面形法兰的孔，
92-偏转板平面形法兰的径向部分，
94-偏转板平面形法兰的径向部分，
96-径向部分92中的缺口部分，
98-径向部分94中的缺口部分，
100-径向部分的最小圆周长度，
102-径向表面86的弧形部分，
104-径向表面88的弧形部分，
106-缺口部分的预先确定的径向长度，
107-倒角，
108-缺口部分的预先确定的圆周长度，
110-径向部分的最小圆周长度，
112-平面形法兰的后表面，
114-相邻的偏转板之间的间隙(冷状态)。

Claims (10)

1.一种具有穿过其间的纵向中心线轴线(12)的燃气涡轮发动机的燃烧器拱顶罩组件(10)，包括：
(a)具有一个内部分(30)，一个外部分(32)，一个前表面(34)和多个在其内形成的沿圆周彼此间隔的孔(36)的一个环形拱顶板(20)；其中，在每一个所述的孔(36)之间限定的一个径向部分(37)包括一个在其内形成的冷却槽(35)；
(b)与在其下游端(39)处的所述拱顶板外部分(32)连接的一个外罩(38)；
(c)与在其下游端(45)处的所述拱顶板内部分(30)连接的一个内罩(44)；和
(d)与所述拱顶板(20)中的每一个所述孔连接并位于其后面的一个偏转板(28)；每一个偏转板(28)还包括：
(1)在其上游端，具有一前端(77)，一后端(78)，一个内表面(79)和一个外表面(80)的一个环形部分(27)；
(2)与所述环形部分(27)的所述后端(78)连接的一个基本上为平面形的法兰(29)，所述平面形法兰(29)包括一外圆周表面(82)，一内圆周表面(84)，一第一径向表面(86)，一第二径向表面(88)和一个孔(90)；该孔被加工到所述环形部分(27)的内表面(79)的尺寸，以形成相对的径向部分(92，94)；
(3)以一预定的角度与所述平面形法兰(29)的所述外圆周表面(82)连接的一第一法兰(31)；和
(4)以一预定的角度与所述平面形法兰(29)的所述内圆周表面(84)连接的一第二法兰(33)；
其中，所述偏转板的平面形法兰(29)的所述第一和第二个径向部分(92，94)的形状作成使每个所述拱顶板冷却槽(35)的至少一部分在所述拱顶板(20)的后面与一个燃烧室(14)流动连通。
2.如权利要求1所述的燃烧器拱顶罩组件(10)，其特征为，所述拱顶板(20)的每一个冷却槽(35)包括至少一个作在其中间部分(25)上的清洗孔(23)，该清洗孔的直径基本上比在所述冷却槽(35)中作出的多个冷却孔(41)大。
3.如权利要求1所述的燃烧器拱顶罩组件(10)，其特征为，在所述偏转板平面形法兰(29)的所述第一和第二个径向部分(92，94)上作出一个有缺口的部分(96，98)，以减少施加于其上的应力。
4.如权利要求3所述的燃烧器拱顶罩组件(10)，其特征为，所述第一和第二个径向部分(92，94)上的所述缺口部分(96，98)配置在具有最小的圆周长度(100)的点上。
5.如权利要求3所述的燃烧器拱顶罩组件(10)，其特征为，在所述第一和第二个径向部分(92，94)上的所述缺口部分(96，98)基本上为弧形。
6.如权利要求3所述的燃烧器拱顶罩组件(10)，其特征为，所述第一和第二个径向部分(92，94)上的所述缺口部分(96，98)具有预定的径向长度(106)和预定的圆周长度(108)。
7.如权利要求3所述的燃烧器拱顶罩组件(10)，其特征为，所述第一和第二个径向部分(92，94)在所述缺口部分(96，98)上，保持最小的圆周长度(110)。
8.如权利要求3所述的燃烧器拱顶罩组件(10)，其特征为，在所述第一和第二个径向部分(92，94)上的所述缺口部分(96，98)包括一个倒角(107)。
9.一种具有穿过其间的纵向中心线轴线(12)的燃气涡轮发动机燃烧器(10)的偏转板(28)，它包括：
(a)在其上游端，具有一前端(77)，一后端(78)，一内表面(79)和一外表面(80)的一个环形部分(27)；
(b)与所述环形部分(27)的所述后端(78)连接的一个基本上为平面形的法兰(29)，所述平面形法兰(29)包括一外圆周表面(82)，一内圆周表面(84)，一第一径向表面(86)，一第二径向表面(88)和在其上作出的孔(90)；所述孔被加工到所述环形部分(27)的所述内表面(79)的尺寸，以形成相对的径向部分(92，94)；
(c)以一预定的角度，与所述平面形法兰(29)的所述外圆周表面(82)连接的一第一法兰(31)；和
(d)以一预定的角度，与所述平面形法兰(29)的所述内圆周表面(86)连接的一第二法兰(33)；
其中，所述第一和第二径向部分(92，94)包括一个有缺口的部分(96，98)，以减小施加于所述平面形法兰(29)的所述径向部分(92，94)上的应力。
10.一种具有穿过其间的纵向中心线轴线(12)的燃气涡轮发动机燃烧器(10)的环形拱顶板(20)，包括：
(a)一个内部分(30)；
(b)一个外部分(32)；和
(c)位于所述内、外部分(30，32)之间的一个中间部分；
其中，在所述中间部分上作出多个沿圆周彼此间隔的孔(36)，所述中间部分还包括：
(1)在每一个所述孔(36)之间限定的一个径向部分(37)；和
(2)在每一个径向部分(37)上形成的一个冷却槽(35)，该槽上作出多个冷却孔(41)，和至少一个基本上比在其内形成的所述冷却孔(41)大的清洗孔(23)。
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