CN1837591A - 喷油器支承板组件及漩涡式喷嘴组件 - Google Patents

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Abstract

一个涡轮机喷油器的支承板，有一个有着以环道82为边界的开口80的支承板30。一个回转球环90，嵌在环道内并在那里可相对转动。一个锁，可以是一个喷嘴套管108，阻止回转球环脱离环道。一个喷油器喷嘴38，穿过漩涡式喷嘴的开口98。在发动机的运转过程中，球环在环道内回转以适应喷嘴绕横向和径向轴的旋转运动。

Description

喷油器支承板组件及漩涡式喷嘴组件
政府权利陈述
本发明依据美国政府合同N0019-02-C-3003。美国政府拥有本发明的一定权利。
技术领域
本发明涉及用于涡轮机的喷油器支承板组件和空气漩涡式喷嘴组件，尤其是适应喷油器旋转运动的组件。
背景技术
现代飞行器的燃气涡轮机的燃烧室模块包括一个用一个壳体为边界的环形燃烧室。燃烧室有径向内、外衬套和一个在衬套前端之间径向延伸的隔板。隔板上贯穿了许多开口。每个隔板的开口里有一个有着大的中心开口的空气漩涡式喷嘴。喷油器支承板有一个相对较小的柱状中心开口，喷油器支承板夹紧到漩涡式喷嘴上，在某种程度上，允许支承板相对于漩涡式喷嘴滑动或浮动。
燃烧室模块还包括一个给燃烧室供应燃油的喷油器。喷油器有一个固定在壳体上并从其内部径向突出的杆。与杆一体的喷嘴，沿杆的垂直方向延伸并且穿过支承板的柱状开口突出。喷嘴穿过支承板的部分是柱状的，它的直径与支承板开口的直径几乎相同。
在发动机的工作过程中，燃烧空气经由空气漩涡式喷嘴进入燃烧室前端。漩涡式喷嘴使进入的空气成漩涡，与喷油器供应的燃油充分混合。充分混合有助于使燃烧室排出的不合要求的废气达到最小值。漩涡式喷嘴也可以调节进入燃烧室前端的空气量。这是很重要的，因为过量的空气会熄灭燃烧火焰，这就是所谓的稀混合气熄灭问题。当工作在怠速工况或附近和/或突然减速以获得大功率时，涡轮机特别容易出现稀混合气熄灭。前面提到的喷油嘴和支承板开口几乎相同的直径有助于阻止空气泄漏，空气泄漏会导致燃烧室更容易出现稀混合气熄灭。
在发动机的工作过程中，燃烧室前端附近的部件，例如，空气漩涡式喷嘴和隔板，由于邻近燃烧火焰所以暴露在高温下。喷油器杆和固定杆的壳体暴露在相对低的温度下。这些部件之间的温度差引起了不同的膨胀和收缩，这样就会使喷油嘴相对于漩涡式喷嘴产生径向和/或周向移位。如前所述，支承板可滑动地安装在漩涡式喷嘴上，这个事实使得支承板可以滑动并且适应喷嘴的移位，同时可以继续阻止喷嘴附近的有害空气泄漏。
尽管传统的支承板可以有效地适应喷嘴相对于漩涡式喷嘴的平移，但不能很容易地适应喷嘴的角度定向的变化。例如，如果温度梯度、压力负荷或其它影响因素引起喷嘴和/或隔板围绕一个横向或径向轴旋转，那么喷嘴和/或支承板的中心开口会受到磨损。这种磨损会引起空气从开口泄漏，这将使燃烧室更容易出现稀混合气熄灭。在最恶劣的环境下，旋转运动会引起喷油嘴断裂。另外，喷嘴的旋转运动会把支承板拖开远离漩涡式喷嘴(这种现象称为“打嗝”)，这将引起空气穿过支承板和漩涡式喷嘴之间的平界面发生有害泄漏。
所需要的就是一个喷油器支承板组件和一个漩涡式喷嘴组，适应喷油器喷嘴相对于燃烧室硬件(如隔板和漩涡式喷嘴)的旋转。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一个支承板组件包括一个支承板，支承板上有喷油器开口，这个开口以一个有弧形内表面的环道为边界。一个有着与环道内表面几何相似的外表面的回转球环由一个锁锁入开口中。在发动机的工作过程中，回转球环可以在环道中回转以适应穿过这个回转球环的喷油器喷嘴的旋转。
一个更详细的实施例中，弧形表面是球形的。
在另一个更详细的实施例中，支承板有翼片以便于与漩涡式喷嘴可滑动连接。
各种实施例的前述特征以及其它特征可以通过下面对本发明的最佳实施例和附图的描述更明显地看出。
附图说明
图1是涡轮机的环形燃烧室前端横截面的侧视图，示出本发明的空气漩涡式喷嘴组件和支承板组件的最佳实施例；
图2和图3是图1所示组件的分解透视图和装配透视图；
图2A是图2的漩涡式喷嘴的透视图，示出一种替代结构；
图4是支承板可滑动安装在空气漩涡式喷嘴上的一种替代方法的透视图；
图5和图6是支承板可滑动安装在空气漩涡式喷嘴上的一种替代方法的分解透视图和装配透视图；
图7是本发明的支承板组件的最佳实施例的横截面的侧视放大图，示出更多细节。
具体实施方式
图1示出一个燃气涡轮机的环形燃烧室，有内衬套10和外衬套12，划定发动机轴线14形成环形燃烧室16。隔板18和隔板挡热板20在衬套前端之间径向延伸。一个环形机罩或顶盖罩22罩住燃烧室的前端。一个空气漩涡式喷嘴24装在隔板和隔热板的中心开口中。在发动机的工作过程中，漩涡式喷嘴沿径向引导空气然后沿轴向进入燃烧室。在空气进入漩涡式喷嘴时，一前一后的回转叶片组26、28把漩涡传递给空气。喷油器支承板30夹紧到漩涡式喷嘴前端上，并且足够的紧以阻止空气穿过支承板和漩涡式喷嘴之间的平界面或接触面32发生泄漏，但是又要足够的松以使支承板相对于漩涡式喷嘴能作径向和周向滑动或浮动。
喷油器34包括一个径向延伸的杆36和一个喷嘴38，该喷嘴与杆为一体并且在杆的大致垂直方向上延伸。杆固定在发动机壳体40上。喷嘴至少有一个部分42是柱状的。
图2和图3示出了空气漩涡式喷嘴组件和是漩涡式喷嘴组件的一个部件的支承板组件的最佳实施例。漩涡式喷嘴24有一个前表面46和一个分段的周向延伸的轨道48，该轨道的轴向宽度为WR。一个槽50周向延伸，沿着径向向内面对轨道表面。槽的后部边缘52轴向偏离面46一个距离G。轨道和槽可以是周向连续的，然而在最佳实施例中，轨道是被三个等角度分布的隔断部分56分成三个分段54。理想地是，每个隔断部分延伸了轨道的整个轴向宽度WR。作为一种替代结构，隔断部分也可以是如图2A所示的窗口形状58。
支承板组件包括支承板30，该支承板有三个径向突出的翼片62。一个翼片装入漩涡式喷嘴轨道的一个隔断部分56中。有一个搭叠裂口65的座圈如螺旋环64嵌入槽50中以把支承板夹紧在漩涡式喷嘴的面46上。部分地取决于偏置距离G的夹紧力把支承板足够紧地压在漩涡式喷嘴的面上以阻止空气穿过支承板和漩涡式喷嘴之间的平界面或接触面32(如图1)发生泄漏。然而夹紧力又要足够弱以使支承板根据如不同热增长等因素的影响相对于漩涡式喷嘴径向和周向滑动或浮动。标出支承板的尺寸使三个翼片的外缘66都一直沿轴向嵌在座圈的后部，而不用考虑支承板相对于漩涡式喷嘴的实际位置。翼片也与相邻的轨道分段54配合以限制支承板相对于漩涡式喷嘴的旋转。限制旋转是为了防止过多的磨损。最后，翼片有助于抵制支承板震动和同漩涡式喷嘴的面46局部分离的趋势。我们总结出三个翼片和两个翼片相比能提供更好的抗震性。
理想地，座圈是所例举的螺旋环64，受到沿轴向的挤压以便于装入槽50中，或者可以经过隔断部分56沿周向放入槽中。其它形式的座圈，如常用的卡环也可以用在这里。
把支承板夹紧到漩涡式喷嘴上还有其它的方法，尽管比较少用，但也能符合要求。图4示出的漩涡式喷嘴组件中，一个固定板68在焊缝69处焊接到漩涡式喷嘴上以轴向阻挡支承板30a。图5和图6中，U形夹70和72分别从支承板30b和漩涡式喷嘴24b沿径向突出。每个T形销74有一个尾翼76和一个横臂78。每个销的尾翼76穿过相应的U形夹切口，并且焊接或铜焊到支承板U形夹70上以把支承板可滑动地夹紧到漩涡式喷嘴上。漩涡式喷嘴U形夹72的切口要有足够的周向宽度使得支承板既可以平行也可以垂直线79移动，尽管支承板被限制在接触面32(如图1)处。
再参照图2和图3，支承板30有一个中心开口80以一个沿轴向稍拉长的环道82为边界。环道的径向内表面84是一个弧形表面，特别是球形表面。在环道的前端有两对直径上对置的负载切口86。每个切口有一个周向宽度WS。在一个比较少用的实施例中，如图5所示，只有一对负载切口。
加上参照图7，回转球环90有一个前端92、一个后端94、一个弧形外表面96和一个柱状中心开口98。外表面96的形状与环道内表面84的相同，因此是一个有着曲率中心C的标准球形表面。倒角100是开口98的前端的边界。回转球环的轴向长度L比支承板环道前端的负载切口86的周向宽度WS稍小一些。技术人员对回转球环进行定向使球环的长度L与一对负载切口86的宽度WS成一直线，从而把回转球环装入环道内。技术人员把球环经过负载切口嵌入环道，并且把球环回转90度装入如图7所示的最佳装配位置。在装配状态下，回转球环紧密地嵌在支承板环道的内部以阻止空气穿过环道内表面84和回转球环外表面96之间的平界面发生泄漏。
支承板和回转球环由钴基钨铬合金6B或钨铬合金31(AMS参数分别为5894和5382)制成，这两种材料在高温下的摩擦系数都很低。
回转球环关于与回转球环轴线106垂直的平面104是非对称的，并且经过球形外表面96的中心C。外表面96在平面的前方延伸距离DF ，在平面的后方延伸一个更大的距离DA。非对称性减少了球环的轴向长度，这对飞行器发动机是很重要的，因为空间是非常宝贵的并且格外的重量一直是不希望有的。非对称性(DA大于DF)的极性导致表面96留在平面104后方的面积部分比留在平面前方的大。这是很重要的，因为在发动机工作过程中，局部压力差会引起回转球环向后(图7的右边)加负荷。平面104后方的较大表面积有助于在环道内表面84上更宽地分散所加的负荷，这样就降低了球环和环道上的压力。
喷油嘴套管108起一个锁的作用，防止回转球环回转到一个将使它向后脱出负载切口和脱离支承板环道的方向上。套管的径向柱状外表面110的直径与回转球环的开口98的直径几乎相同。套管的径向柱状内表面112的直径与喷油器喷嘴38的柱状部分42的直径几乎相同。倒角120是柱状表面112的前端的边界。凸耳114从套管的前端沿径向延伸并且与环道表面116非常接近。套管的后端可塑性变形。在装配过程中，技术人员把套管压入回转球环的中心开口里直到凸耳114嵌入负载切口86中。回转球环的倒角100有助于引导套管装入开口。然后，技术人员使套管后端变形，变形的后端抓住回转球环的后端。图7中，实线表示套管的变形状态，虚线表示无变形状态。套管由钴基海纳25合金(AMS参数为5759)制成。
如上所述安装套管，回转球环可以在环道内回转但不能从负载切口86向后脱出。球环的过度回转是被阻止的，因为凸耳114接触环道表面116，这样就阻止了进一步回转。例如，如果图7中的球环绕垂直于例举的平面并且经过C的轴线做顺时针回转，凸耳(接近例举的顶部)会接触环道表面116，这样就阻止了进一步回转。
图5和图6示出了另一种形式的锁，是一个焊接或铜焊或以其它方式固定在支承板上的环118。环118有足够的径向厚度以阻止回转球环的过度回转。尽管环118是本发明的另一种实施例中示出，但也可用于图1、2、3和7的实施例中。
图7示出一个喷油器组件，它的喷油器喷嘴有一个柱状部分42穿过回转球环的柱状中心开口98。柱状开口98的直径与喷油器柱状部分42的直径几乎相同以阻止空气泄漏。倒角120便于不加思考地把喷油嘴装入开口98中。在发动机的工作过程中，支承板相对于漩涡式喷嘴径向和周向移动以适应由不同的热增长或其它影响因素引起的喷嘴运动。球环在支承板环道内绕中心C旋转以适应喷嘴的旋转。
尽管本文所描述的是环形燃烧室，但本发明的适用范围可扩大到其它的燃烧室结构，如圆筒或圆筒环形燃烧室。
尽管本发明是参照特定的实施例进行描述的，但在不背离权利要求所述发明的条件下，本领域技术人员可以对形式和细节做各种变化。

Claims (22)

1.一种支承板组件，包括：
一个支承板，它有一个贯穿其中的开口，该开口以一个有着弧形轮廓内表面的环道为边界；
一个回转球环，它嵌在环道里面，该回转球环有一个与环道内表面形状相同的弧形轮廓；
一个锁，它阻止回转球环脱离环道。
2.如权利要求1所述的组件，其中，弧形轮廓是球形的。
3.如权利要求1所述的组件，其中，环道有在装配过程中安装回转球环的负载切口。
4.如权利要求1所述的组件，其中，锁有一个由回转球环界定的套管。
5.如权利要求4所述的组件，其中，环道有负载切口，套管的一端至少有一个凸耳嵌入一个负载切口中，套管的另一端进行变形以抓住回转球环。
6.如权利要求1所述的组件，其中，锁有一个固定到支承板上的环。
7.如权利要求1所述的组件，其中，支承板有翼片以便于与空气漩涡式喷嘴的连接。
8.如权利要求1所述的组件，其中，回转球环是非对称的。
9.如权利要求1或8所述的组件，其中，回转球环有一个贯穿其中的开口，该开口界定一个轴线，该回转球环还有一个前端、后端和有中心的球形外表面，其中，该外表面在与轴线垂直并且经过中心的平面的前方延伸一个轴向距离DF，其中，该外表面在平面的后方延伸一个轴向距离DA，其中，DA大于DF。
10.一种漩涡式喷嘴组件，包括
一个流体漩涡式喷嘴，它有一个周向延伸的轨道，该轨道有一个周向延伸的槽；
一个支承板，它有一个径向延伸的翼片；
一个座圈，它与槽和翼片配合可滑动地把支承板夹紧到漩涡式喷嘴上。
11.如权利要求10所述的组件，其中，座圈为一个嵌入槽中的环。
12.如权利要求11所述的组件，其中，环为一个螺旋环。
13.如权利要求10所述的组件，其中，轨道被周向隔成几个分段，翼片与分段配合以限制支承板相对于漩涡式喷嘴的旋转。
14.如权利要求13所述的组件，其中，轨道有一个轴向宽度，每个隔断部分延伸了轨道的整个轴向宽度。
15.如权利要求14所述的组件，准确地是有三个翼片和三个隔断部分。
16.一种用于喷油器组件的支承板，它有一个贯穿其中的开口，该开口以一个环道为边界，该环道有一个球形内表面。
17.如权利要求16所述的支承板，它有径向突出的翼片。
18.如权利要求16所述的支承板，它有一个负载切口。
19.一种用于喷油器组件的回转球环，它有一个球形外表面和一个穿透回转球环的开口。
20.如权利要求19所述的回转球环，其中，回转球环有一个轴线和一个中心，其中，外表面相对与轴线垂直的平面是非对称的并且经过中心。
21.一种用于喷油器组件的喷嘴套管，它有一个安装有柱状部分的喷油器喷嘴的柱状内表面，该内表面的直径与喷嘴柱状部分的直径几乎相同，并且该套管的后端可塑性变形。
22.如权利要求21所述的喷嘴套管有从套管的前端沿径向延伸的凸耳。
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