CN1854611A - 用于燃气涡轮发动机中的陶瓷燃烧室衬里的弹性金属支撑 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于发动机的燃烧系统，如燃气涡轮发动机。该燃烧系统有一个陶瓷组件，如陶瓷燃烧室衬里，和至少一个金属支撑组件，如金属环或多个金属锥，用于给所述陶瓷组件提供径向和轴向支撑；该至少一个金属支撑组件包括一个结构，如轴向槽或径向槽，用于使应力最小化和相对于所述陶瓷组件增加所述金属支撑组件弹性的装置。

Description

用于燃气涡轮发动机中的陶瓷 燃烧室衬里的弹性金属支撑

技术领域

本发明涉及一种发动机的燃烧系统，例如燃气涡轮发动机，更特别的，涉及一种用在燃烧系统中的陶瓷燃烧室衬里的弹性金属支撑。

背景技术

燃气涡轮发动机包括入口、压缩机、燃烧室、涡轮和出口。压缩机吸进周围的空气并加温加压。燃料在燃烧室中被加入到压缩空气中，进一步提高燃气的温度。高温燃气在涡轮中膨胀做功来驱动压缩机和其它机械装置，如发电机运转。

为了减少燃烧室中产生的NO_X，就需要降低火焰温度。这就要求高百分比的压缩空气与燃料混合以产生稀薄燃料空气混合物。这种稀薄燃烧减少了用于燃烧室衬里冷却的可得空气和/或增加了在燃烧室衬里冷却过程中的压力损失。为了减少冷却空气的需求和附带的压力损失，已经推荐高温陶瓷材料用作燃烧室衬里。虽然陶瓷材料具有极好的高温强度，它们的热膨胀系数(CTE)比那些金属低的多，但是由于CTE的失配产生的热应力的增长给陶瓷燃烧室衬里插入燃气涡轮发动机带来挑战。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于发动机的燃烧室系统，该系统具有陶瓷组分和至少一种金属组分，并带有能够控制产生热应力的结构。

本发明的又一个目的是提供一种如上所述的结构，该结构通过使用弹性分界层在接触区域传递本地接触应力。

本发明的另一个目的是提供一种如上所述的结构，该结构通过使用一种和陶瓷组分以及金属组分都不发生化学反应的分界层，来阻止陶瓷组分和金属组分之间的反应。

前述的目的本发明都能达到。

根据本发明提供一种用于发动机的燃烧系统。该燃烧系统大致包括一个陶瓷组件，至少一个金属支撑组件用于给陶瓷组件提供径向和轴向支撑，和至少一个金属支撑组件，具有使应力最小化和相对于陶瓷组件增加金属支撑组件弹性的装置。

用于燃气涡轮发动机中的陶瓷燃烧室衬里的弹性金属支撑的其它细节，和另外附加的其它目的和优点，将在后面的详细的说明及其相应的附图中阐述，其中同样的参考数字表示同样的元件。

附图说明

图1是金属外壳中的陶瓷燃烧室衬里的剖面图。

图2A是内燃系统的剖开分解图。

图2B是表示了主槽的金属支撑环的透视图；

图3是陶瓷衬里连接区域的一部分的剖面图；

图4表示用于陶瓷燃烧室衬里的双金属壁连接方法；

图5A-5H表示用U形金属环和波纹条作为弹性支撑；

图6表示金属外壳中的陶瓷燃烧室衬里的一个替换实施例；

图7是图6中内燃系统的分解图；

图8表示图6实施例中陶瓷衬里连接区域的一部分；

图9表示一种绝热环。

具体实施方式

现在参照附图，附图1-3描述了发动机，如燃气涡轮发动机，燃烧系统一个部分的第一实施例。在发动机内部，燃烧系统设置在发动机的压缩机部分和涡轮部分中间。在燃烧部分，被压缩空气由压缩机部分接收并以已知的方式与燃料混合。

现在参照图1，根据本发明的燃烧系统10可以包括上金属外壳12，下金属外壳14，燃料空气预混器16，燃料供应歧管18，金属支撑环20和陶瓷燃烧室衬里24。图2描述了图1中不带上下金属外壳12和14的燃烧系统10的分解图。

最好如图2所示，金属支撑环20有一个上部环形构件32和一个下环形构件34。上金属构件32和下金属构件34被多个隔开的径向臂36连接在一起。上环形构件32有一个肩部22。燃料歧管18设置成搁在肩部22上。如图1和图3所示，上金属外壳12有一个第一凸缘部13，下金属外壳14有一个第二凸缘部15。燃料歧管18和肩部22被夹在第一凸缘部13和第二凸缘部15之间。凸缘部分13和15之间彼此锁紧。本领域中任何已知的适宜的方法，如螺栓可以用来把凸缘部分13和15锁紧在一起并因此保持燃料歧管18和上环形构件在固定位置。例如，如果需要，螺栓可以穿过凸缘部13、15、燃料歧管18和肩部22中成一直线的开口。

预混器16设置在外壳12和14之内，这样下部分17穿过下环形构件34的中心开口21。预混器安置在陶瓷燃烧室衬里24的颈部25之内。如图3所示，预混器16有一个C形通道26邻近其下端。安置在C形通道26内的是密封元件28，如索状密封(rope seal)。该密封元件28顶在陶瓷燃烧室衬里24的颈部25的内表面30上，以在预混器16和陶瓷燃烧器衬里24之间产生密封。

金属支撑环20向陶瓷燃烧室衬里既提供径向又提供轴向支撑。尺寸公差设定为在室温时金属支撑环20和陶瓷燃烧室衬里24之间存在滑动配合。在更高的温度时，金属支撑环20比陶瓷燃烧室衬里24膨胀的多，并导致二者之间的干涉。这种干涉在陶瓷燃烧室衬里24中产生环形张紧应力，这对陶瓷燃烧室衬里24的机械整体性是有害的。为了减少该应力并增加弹性，金属支撑环20有形成在下构件34中的多个分隔开的轴向槽23。如图2A和图2B所示，轴向槽23是U形的并在它们的底端开口。所具有的U形和开口轴向槽23允许在金属支撑环20和陶瓷燃烧室衬里24之间的相对运动。

陶瓷燃烧室衬里24具有在颈部25中的多个分隔开的开口38。每个开口38和相应的一个轴向槽23成一条直线。陶瓷燃烧室衬里24可以通过穿过孔38和穿过成一条直线的轴向槽23的多个紧固装置40与金属支撑环20连接。金属衬套(bushing)42可以放置成环绕着紧固装置40，如果需要，来传递紧固装置40和陶瓷燃烧室衬里24之间的接触负荷。任何本领域中已知的适宜的紧固件，如螺栓或销，对衬里24提供轴向和环状支撑的都可以用作紧固装置40。紧固装置40优选旋拧在金属支撑环20上。

图4表示的是图1-3中所示的燃烧系统的改变。替代单壁金属支撑环，金属支撑环20有一个双壁结构。在室温时，陶瓷燃烧室衬里24的颈部25与金属支撑环20的外壁60接触。当温度升高时，陶瓷燃烧室衬里24与金属支撑环20的内壁62接触。内壁60和外壁62的直径分别是这样的，在室温时存在滑动配合，在温度升高时，仅有轻微干涉。壁60和62都可以具有轴向槽(未示出)来减小刚度。

如图4所示，预混器16的下部17设置在支撑环20的中心开口21内。预混器16的外表面64中有一个C形通道26。密封元件66，如活塞环，位于C形通道26中。在使用中，密封元件66挤靠金属支撑环20的内表面68形成密封。

为了把金属支撑环20紧固到陶瓷燃烧室衬里24上，多个螺纹孔70可以位于金属支撑环20的外壁60的圆周上。颈部25可以具有和孔70成一条直线的多个开口38。紧固件40可以插入每个孔70和每个开口38中。如果需要，每个紧固件40可以有外螺纹和对应孔70中的内螺纹匹配。每个紧固件40可以是金属螺栓或任何其它本领域已知的适宜的紧固件。如果需要，衬套42可以放置成环绕着紧固件40。

图5A-5H描述了根据本发明的燃烧系统的又一个实施例。在图5A的实施例中有一个后混器72和陶瓷燃烧室罐或衬里24。如图5B，5C和5H中的细节所示，后混器72可以有个倾斜表面74。一个定型的金属支撑环120被用作支撑陶瓷燃烧室衬里24的内径。金属支撑环120可以有一个平面构件76，该平面构件76具有一个靠置后混器72中的切口(undercut)80的表面78。支撑环120还具有外金属凸缘82和陶瓷燃烧室衬里24接触。在金属凸缘82中，有一个C形通道84和多个弹性旋塞86放在通道84上。每个旋塞86具有一个开口88。开口88绕支撑环120与陶瓷燃烧室衬里24的颈部25中的开口38成一条直线。为了连接陶瓷燃烧室衬里24和支撑环120，紧固件40放置成穿过开口38和88。每个紧固件可以包括本领域已知任何适宜的紧固件，如金属螺栓。金属旋塞86的作用相当于梁。当金属旋塞86被加载时，它们象粱一样弯曲。在给定载荷下，弯曲程度受旋塞材料的刚度、旋塞长度、宽度和高度控制。因此为了增加旋塞86的弹性程度，可以选择柔软材料，增加旋塞长度和/或减少旋塞宽度和高度。弹性旋塞86能够大幅变形来容纳热增长的失配而不产生高负载。这样的布置比图1-4所示的金属环结构更有弹性。

现在参照图5D到5G所示的实施例，金属支撑环220可以设置在与混合器72的表面74相邻的地方。代替使用轴向槽来提供弹性，一个波纹状的外部弹簧90可以放置在金属支撑环220和陶瓷衬里24的内表面92之间。一个波纹状的内部弹簧元件94可以放置在与陶瓷衬里24的外表面96相邻处。每个弹簧元件90和94可以有一个末端切口，这样它们在压力下可以自由伸展并因此被分段。并且，每个弹簧元件90和94可以分别有多个彼此隔开的开口98和100。一个外部分段的夹环102用来把波纹弹簧元件90、94和燃烧室衬里24保持在一起。如图5G所示，夹环102也有多个隔开的开口104。当适当设置后，开口104和开口98、100和陶瓷燃烧室衬里24的颈部25上的开口38成一条直线。多个紧固件40可以用来把夹环102连接到弹簧元件90和94上并连接到陶瓷燃烧室衬里24上。紧固件40可以包括任何本领域中已知的适宜的紧固件，如金属螺栓。陶瓷燃烧室衬里24的轴向支撑来自紧固件40，在一定温度下衬里24和金属支撑环220之间的干涉导致摩擦。金属衬套(未示出)可以插入开口中来传播紧固器40和陶瓷燃烧室衬里24之间的接触负荷。金属衬套(未示出)尺寸可以设定为小于开口直径，这样当发动机运转时，在升高的温度下，衬套和陶瓷衬里24中的开口之间没有干涉的情形存在。

由于热增长差异产生的热应力和结构刚度成比例，温度增加和CTE的不同，陶瓷燃烧室衬里可以和金属锥(cones)连接，如后面将要谈到的，在一个地方，经受的温度比陶瓷燃烧室衬里其它地方的温度低。另外，在上文谈到的金属支撑环的实施例可以由低CTE材料如IN909和IN783制成。为了减少金属支撑环的结构刚度，可以象上面谈到的那样引入轴向槽。如果要求进一步降低结构刚度，一种具有较低杨氏模数(Young’s modulus)，薄的壁厚度，增加或较长槽的材料可以考虑用作金属支撑环。虽然低结构刚度在控制热应力时是关键的，但是高的结构刚度在陶瓷燃烧室衬里中来保持对由于发动机震动产生共振的阻抗也是需要的。因此必须执行得非常仔细以在对热应力之间的阻抗和结构共振得阻抗之间达到很好的平衡。

图1-5G中描述的陶瓷燃烧室衬里24的实施例可以包括三分段-由小直径圆筒在接触区形成的颈部25、圆顶部106和大圆筒部分108。三个分段一起形成整体的陶瓷燃烧室衬里。由小圆筒形成的颈部25可以局部加厚来在接触区域提供额外的强度。陶瓷燃烧室衬里24的其余部分具有均匀厚度。

现在参照图6-8，表示根据本发明的燃烧系统10的另一个实施例。燃烧系统10包括上金属外壳12，下金属外壳14，燃料空气预混器16，燃料歧管18，和陶瓷燃烧室衬里24。陶瓷燃烧室衬里24的连接系统包括带有径向槽112的内部连续金属锥110，和带有径向槽116的外部分段的金属锥114。

外金属锥114夹在燃料歧管18和下金属外壳14之间。外金属锥114优选和燃料歧管18具有相同数的辐条122，以使对燃料空气预混器16的外部空气流产生最小的破坏。外金属锥114具有连接到辐条122的肩部118。如图6所示，燃料歧管18可以整体或部分安置在肩部118上。并且，上金属外壳12具有第一凸缘部13，下金属外壳具有第二凸缘部15。在优选实施例中，燃料歧管16的一部分和肩部118设置在第一凸缘部13和第二凸缘部15之间。如果需要，凸缘部13和15可以彼此紧固。例如，每个凸缘部13和15，燃料歧管18，和肩部122可以具有成一条直线的开口，紧固件，如螺栓可以穿过上述开口。

外锥114可以包括三分段来辅助燃烧系统10的安装，如果需要，更多或更少的分段也是可能的。优选的，外锥114的材料选成和形成下金属外壳14的材料一致来最小化两个组件之间的热冲突。

如图6-8所示，每个锥110和114有一个中心开口124。这允许燃料空气预混器16安置成靠着陶瓷燃烧室衬里24。

如图8所示，陶瓷燃烧室衬里24在接触区有一个向外展开的锥部126。锥部126设置在内金属锥110和外金属锥114之间。优选的，在陶瓷燃烧室衬里24被放置在锥110和114之间之后，使用任何本领域已知的适宜的方法，把内金属锥110紧固到外金属锥114。

优选的，当内锥110是连续的时，如果需要它也可以由多个部分组成。如图9所示，绝热材料111可以插在锥110、114和陶瓷燃烧室衬里24之间来阻止热量从陶瓷燃烧室衬里24传递到锥110、114和陶瓷燃烧室衬里24和锥110、114之间潜在反应。优选的，绝热材料111是弹性和容易变形的把夹紧力均匀地分布到陶瓷燃烧室衬里24上。

锥110和114之间最初的缝隙可以设为小于陶瓷燃烧室衬里24的向外展开圆锥部126。用这种方法，压缩的夹紧力可以在安装期间引入，在发动机运转期间保持。该夹紧力优选的是这样：当燃烧系统10温度上循环升降时，陶瓷燃烧室衬里24和锥110和114之间的相对运动是可能的。这种相对运动释放了锥110和114和陶瓷燃烧室衬里24之间累积的热应力。

这个实施例的圆锥形结构允许陶瓷燃烧室衬里24在安装过程中精确定位并在发动机运转中保持同心。它也能容纳在发动机运转中热膨胀的失配。

陶瓷燃烧室衬里24由四分段组成—在连接区向外展开的锥部126，由较小的直圆筒形成的颈部25，圆顶部128，和大的圆筒部130。它们一起形成整体的陶瓷燃烧室衬里24。向外展开的锥部126可以加厚来提供额外强度。陶瓷燃烧室衬里24的其余部分可以有较薄的厚度。它还具有一个方便的装置来平衡由于穿过燃料—空气预混器16的压力下降造成的，施加在陶瓷燃烧室衬里24的推力负荷。这样的设计消除了锁紧孔的需要，锁紧孔可以是应力增长之源。

燃料空气预混器16可以由高温合金制成。和陶瓷燃烧室衬里的CTE相比它的高CTE可以导致陶瓷燃烧室衬里24在一定温度下干涉和过载。因此原始缝隙的尺寸需要被设定为在发动机的所有情形下，这样的干涉和过载都不会发生。这可以通过把统计学的成分累积起来分析得到。为了堵上这个缝隙，密封元件132，如活塞环可以设置在预混器16的壁136的C形通道134中，并设置在燃料空气预混器16、陶瓷燃烧室衬里24的颈部25内。燃料空气预混器16可以在密封元件132匹配的地方局部加粗。预混器16额外厚度的部分帮助减少通过缝隙的泄露。可以引入斜面(未表示)来使密封元件132容易滑入它的密封槽134。

燃料空气预混器16的出口末端138直接暴露到灼热的气焰中。为了避免过热，出口端138的壁面应该薄并从侧面冷却。大量的孔139确保了冷却空气的平稳散布。

陶瓷燃烧室衬里24仅在向外展开的锥部126支撑。陶瓷燃烧室衬里24的出口端140可以自由地滑进滑出带有指状密封(finger seal)的燃烧室渐变管。这种布置阻止了可能潜在损害陶瓷燃烧室衬里24的干涉和其它方式的变形。另外，密封元件，例如活塞环可以放置在陶瓷燃烧室衬里24和渐变管之间来减少压缩机排放空气到该管的泄露，这对NO_X的散发是有害的。

这里展示的各种燃烧系统实施例具有几大优点。例如，实施例具有(1)通过具有预设刚度结构构件控制热应力的装置；(2)预设的结构刚度可以是结构材料和/或结构构件几何尺寸的结果；(3)通过使用弹性分界层在接触区传播本地应力的装置；(4)通过使用和陶瓷和金属构件都不反应的分界层来阻止陶瓷构件和金属结构之间反应的装置；和(5)通过陶瓷构件和金属结构之间的绝热分界层减少热量流动。

Claims (29)

1、一种用于发动机的燃烧系统包括：

一个陶瓷组件；

至少一个金属支撑组件用于给所述陶瓷组件提供径向和轴向支撑；和

所述至少一个金属支撑组件具有用于使应力最小化和相对于所述陶瓷组件增加所述金属支撑组件弹性的装置。

2、根据权利要求1所述的一种燃烧系统，其中所述陶瓷组件包括一个陶瓷燃烧室衬里和所述至少一个金属支撑组件包括一个金属环。

3、根据权利要求2所述的一种燃烧系统，其中所述金属环有一个上部和一个通过多个臂和所述上部连接的一个下部，其中所述金属环有和所述陶瓷燃烧室衬里接触的一个表面，所述应力最小化和弹性增加装置包括在所述金属环中的多个轴向槽。

4、根据权利要求3所述的一种燃烧系统，还包括所述陶瓷燃烧室衬里具有多个开口，每个所述开口和其中一个轴向槽成一条直线，还包括穿过所述开口和所述轴向槽和把所述陶瓷燃烧室衬里紧固到所述金属环上的装置。

5、根据权利要求2所述的一种燃烧系统，还包括一个燃料一空气预混器，该预混器有一个设置在所述金属环中和与所述陶瓷燃烧室衬里接触的下部，所述燃料空气预混器的所述下部有一个C形通道和在所述燃料空气预混器和所述陶瓷燃烧室衬里产生密封的装置，所述密封装置被放置在所述C形通道内。

6、根据权利要求5所述的一种燃烧系统，其中所述产生密封装置包括一个位于所述C形通道内的陶瓷索状密封。

7、根据权利要求5所述的一种燃烧系统，还包括所述金属环具有一个支撑肩、一个位于所述支撑肩上的燃料供应歧管、一个围绕着所述燃料空气预混器的上金属外壳、和一个围绕着所述陶瓷燃烧室衬里的下金属外壳。

8、根据权利要求7所述的一种燃烧系统，还包括所述歧管和所述支撑肩被设置在所述上金属外壳的第一凸缘部和所述下金属外壳的第二凸缘部之间，和把所述第一凸缘部定位到所述第二凸缘部的装置。

9、根据权利要求2所述的一种燃烧系统，还包括在室温下位于所述金属环和所述陶瓷燃烧室衬里之间的滑动配合。

10、根据权利要求2所述的一种燃烧系统，其中所述金属环有一个外壁和一个内壁，所述陶瓷燃烧室衬里在室温下与外壁接触，在升高的温度下与内壁接触。

11、根据权利要求10所述的一种燃烧系统，其中所述内壁有一个第一直径，所述外壁有一个大于所述第一直径的第二直径，所述内壁和外壁隔开，这样在室温时设置在所述内壁和外壁之间的所述陶瓷燃烧室衬里的一部分存在滑动配合。

12、根据权利要求10所述的一种燃烧系统，其中所述外壁和内壁位于所述金属环的下部。

13、根据权利要求10所述的一种燃烧系统，还包括一个燃料空气预混器，在所述预混器外壁具有一个C形通道，活塞环设置在所述C形通道内以在所述燃料空气预混器和所述金属环之间产生密封。

14、根据权利要求10所述的一种燃烧系统，还包括：所述金属环的所述外壁具有一个螺纹通道，用于接收一个紧固装置，所述紧固装置穿过所述陶瓷燃烧室衬里中的至少一个开口来把所述金属环固定到所述陶瓷燃烧室衬里。

15、根据权利要求2所述的一种燃烧系统，其中所述应力最小化和弹性增加装置包括环绕着所述金属环的圆周间隔的多个弹性旋塞。

16、根据权利要求2所述的一种燃烧系统，其中所述应力最小化和弹性增加装置包括一个设置在所述金属环和所述陶瓷燃烧室衬里的一个内表面之间的外部弹簧元件、一个设置成与所述陶瓷燃烧室衬里的一个外表面相邻的内部弹簧元件、和一个设置在所述内弹簧元件外面的夹紧环，其中每个所述弹簧元件和所述夹紧环有与所述陶瓷燃烧室衬里中开口成一条直线的多个开口，装置穿过所述成一条直线的开口把夹紧环和所述弹簧元件连接到所述陶瓷燃烧室衬里。

17、根据权利要求16所述的一种燃烧系统，其中所述弹簧元件是分段的使得在压缩下可以自由伸展。

18、根据权利要求16所述的一种燃烧系统，其中所述弹簧元件是波纹状的。

19、根据权利要求16所述的一种燃烧系统，其中所述陶瓷元件包括一个陶瓷燃烧室衬里，所述至少一个金属支撑元件包括一个外金属锥和一个内金属锥，其中所述应力最小化和弹性增加装置包括每个所述锥中的多个径向槽。

20、根据权利要求19所述的一种燃烧系统，其中所述内金属锥是连续的，所述外金属锥是分段的。

21、根据权利要求19所述的一种燃烧系统，其中所述外金属锥有一个肩部，还包括一个与所述肩部接触的燃料供应歧管。

22、根据权利要求21所述的一种燃烧系统，还包括一个具有第一凸缘部的上金属外壳和具有第二凸缘部的下金属外壳，所述燃料供应歧管和所述肩部位于所述第一凸缘部和第二凸缘部之间，还包括所述第一凸缘部被紧固到所述第二凸缘部。

23、根据权利要求19所述的一种燃烧系统，还包括每个所述锥具有一个中心开口和穿过所述中心开口的一个燃料空气预混器和具有一个与所述陶瓷燃烧室衬里的一个内表面接触的一个外表面。

24、根据权利要求23所述的一种燃烧系统，还包括所述燃料空气预混器的所述外表面中的一个C形通道，和设置在所述C形通道中用于在所述燃料空气预混器和所述陶瓷燃烧室衬里的所述内表面之间产生密封的装置，其中所述密封装置包括一个活塞环。

25、根据权利要求19所述的一种燃烧系统，其中所述外金属锥至少有三分段。

26、根据权利要求19所述的一种燃烧系统，还包括一个下金属外壳，其中所述外金属锥由和形成所述金属外壳完全一样的材料形成，其中所述外金属锥被紧固到所述外金属锥。

27、根据权利要求19所述的一种燃烧系统，还包括插入在所述锥和所述陶瓷燃烧室衬里之间的隔热材料，以阻止热量从该陶瓷燃烧室衬里流到所述锥，其中所述隔热材料是弹生和可变形的。

28、根据权利要求19所述的一种燃烧系统，还包括当所述燃烧系统循环升降温度时，所述陶瓷燃烧室衬里相对所述锥移动，以释放累积的热应力。

29、根据权利要求19所述的一种燃烧系统，还包括所述陶瓷燃烧室衬里具有夹在所述内金属锥和所述外金属锥之间的向外展开的部分，其中所述陶瓷燃烧室衬里有一个与所述展开锥部分相邻的直圆筒部分，一个与所述直圆筒部分相邻的圆顶部分，一个与所述圆筒部分相邻的更大直径的圆筒部分。

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