CN1892000A - 点火管及其组装的方法 - Google Patents

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Abstract

一种点火管组件(100)，其包括贯穿延伸的对称轴(134)；点火管(110)，其包括同轴贯穿延伸的第一开口(142)，该第一开口的直径按尺寸制为适于贯穿容纳点火器(62)的一部分，使得点火管外接于点火器，从而在点火管和点火器之间限定空隙；套圈(200)，其连接到点火管；以及多个冷却气体开口(140)，其延伸穿过点火管和套圈的至少其中之一，以便于将冷却气体引导进入空隙。

Description

点火管及其组装的方法
技术领域
本发明大致上涉及燃气轮机发动机，并具体涉及与燃气轮机发动机燃烧器一起使用的点火管。
背景技术
燃烧器用于在燃气轮机发动机中点燃燃料和气体混合物。已知燃烧器至少包括一个连接到限定燃烧区的燃烧器衬层的圆盖。更具体地，燃烧器衬层包括内衬层和从圆顶延伸至轮机喷嘴的外衬层。从燃烧器壳向内径向间隔放置了衬层，从而分别在内衬层和外衬层与燃烧器壳之间限定了内部通道和外部通道。
至少一些已知的燃气轮机发动机包括便于保持点火器在燃烧器内保持对齐的燃烧器管。更具体地，点火器延伸穿过点火管使得点火器相对于燃烧室保持对齐。
在运行过程中，高压气流从压缩机排出而进入燃烧器，气流在燃烧器中与燃料混合且利用点火器点燃。而且，进入燃烧器的气流的一部分被引导通过燃烧器外部通道以冷却外衬层、点火器，以便于在燃烧室内冲淡主燃烧区。因为点火器是非流线形体，气流可以会分离，且可以从每个点火器下游产生尾流。因此，点火器的下游侧和它们各自的点火管并未与点火器的上游侧和它们各自的分别使用未分离的气流来冷却的点火管一样有效地冷却。此外，由于点火器产生的尾流的结果，可以在点火管中产生周向温度梯度。另外，进入点火管内的热气可以产生相对高的温度，和温度梯度，和/或应力。随着时间流逝，随着温度梯度继续增加的操作可能导致损伤热应力进入燃烧器，其会超过在制造点火管中使用的材料的极限强度。因此，热诱导的瞬变和稳定态应力可以导致点火管的低循环疲劳(LCF)故障。
因为点火管替换过程价格昂贵且耗时，因此至少一些已知的燃烧器增加点火器和点火管之间的空隙而便于在点火管内减少诱导的热周向应力。作为空隙的结果，漏泄从燃烧室的通道穿到燃烧室以将冷却效果提供给临近燃烧器衬层的点火管。然而，因为这种气体用在燃烧工艺中，所以这种空隙只提供间歇冷却，故点火管会仍然需要替换。
发明内容
在第一个方面，提供了一种用于组装燃气轮机发动机点火管的方法。燃气轮机发动机包括燃烧器，以及至少一个至少部分地插入燃烧器中的点火器。该方法包括提供点火管作为组件，该组件包括贯穿延伸的对称轴；点火管和套圈，该点火管具有同轴贯穿延伸的第一开口，该第一开口的直径按尺寸制为适于贯穿容纳点火器的一部分，使得点火管外接于点火器，从而在点火管和点火器之间限定空隙；还有延伸穿过点火管和套圈的至少其中之一的多个冷却气体开口，以便于将冷却气体引导进入空隙，以及将点火管和套圈连接到燃烧器。
另一方面，提供了一种用于燃气轮机发动机的点火管组件。燃气轮机发动机包括燃烧器，以及至少一个至少部分插入燃烧器中的点火器。点火管组件包括贯穿延伸的对称轴；点火管，该点火管具有同轴贯穿延伸的第一开口，该第一开口的直径按尺寸制为适于贯穿容纳点火器的一部分，使得点火管外接于点火器，从而在点火管和点火器之间限定空隙；连接到点火管的套圈；以及延伸穿过点火管和套圈的至少其中之一的多个冷却气体开口，以便于将冷却气体引导进入空隙。
再另一方面，提供了一种燃气轮机发动机。燃气轮机发动机包括燃烧器，该燃烧器包括在其两者之间限定燃烧室的环形外衬层和环形内衬层，以及连接到燃烧器的至少一个点火管组件。点火管组件包括贯穿延伸的对称轴；点火管，该点火管具有同轴贯穿延伸的第一开口，该第一开口的直径按尺寸制为适于贯穿容纳点火器的一部分，使得点火管外接于点火器，从而在点火管和点火器之间限定一个空隙；连接到点火管的套圈；以及延伸穿过点火管和套圈的至少其中之一的多个冷却气体开口，以便于将冷却气体引导进入空隙。
附图说明
图1是包括燃烧器的燃气轮机发动机的示意图；
图2是可以与图1所示的燃气轮机发动机一起使用的燃烧器的截面图；
图3是点火管组件的放大截面图；
图4是在图3所示的点火管组件的分解图；
图5是在图3所示的点火管组件的一部分的顶视图；以及
图6是在图3所示的点火管组件的的一部分的顶部截面图。
图中各标号含义如下：10燃气轮机发动机；12风扇组件；14高压压缩机；16燃烧器；18高压轮机；20低压轮机；22升压机；24风扇叶片；26转子盘；28吸入侧；30排出侧；32发动机转轴；40燃烧器外衬层；42燃烧器内衬层；46燃烧器壳；48燃烧室；52外部通道；53前内喷嘴支座；54内部通道；56轮机喷嘴；58多个板；60多个阶梯；62点火器；64点火管组件；66燃烧器外衬层开口；100点火管组件；102上游侧；104下游侧；110点火管；112本体部分；114凸缘部分；120厚度；122本体部分内表面；124本体部分外表面；126本体部分外直径；130开口；132直径；134轴；136空腔；138直径；140开口；142非斜角开口；144非斜角开口；150燃烧器的热侧；152热流通路；200套圈；202容纳环；204连接环；206开口；210直径；212套圈入口；214直径；216套圈出口；220套圈开口；222径向外表面；300连接装置；302本体部分；304翼片；310外直径；312内直径；314内直径。
具体实施方式
图1是燃气轮机发动机10的示意图，其包括风扇组件12，高压压缩机14，以及燃烧器16。发动机10还包括高压轮机18，低压轮机20，和升压机22。风扇组件12包括从转子盘26向外径向延伸的一排扇叶24。发动机10有吸入侧28和排出侧30。在一个实施例中，燃气轮机发动机10是可以在市场上买得到的俄亥俄州辛辛那提市通用电子公司的GE90发动机。
在运行过程中，气体沿着发动机转动轴32流过风扇组件12，且压缩气体被供给高压压缩机14。高度压缩的气体被送到燃烧器16。来自燃烧器16的气流驱动轮机18和20，且轮机20驱动风扇组件12。
图2是在燃气轮机发动机10中使用的燃烧器16的截面图。燃烧器16分别包括环形外衬层40，环形内衬层42，和在外衬层40和内衬层42之间延伸的圆顶端(未示出)。外衬层40和内衬层42从燃烧器壳46被向内隔开而限定燃烧室48。外衬层40和燃烧器壳46限定外部通道52，而内衬层42和前内部喷嘴支座53限定内部通道54。
燃烧室48在外形上通常为环形且布置在衬层40和42之间。外衬层40和内衬层42从燃烧器圆顶端延伸至放置在圆顶端下游的轮机喷嘴56。在例示的实施例中，外衬层40和内衬层42各自都包括多个板58，该板58包括一系列的阶梯60，每个阶梯形成燃烧器衬层40和42的独特部分。
多个燃料点火器62延伸穿过燃烧器壳46和外部通道52，且连接到燃烧器的外衬层40。在一个实施例中，两个燃料点火器62延伸穿过燃烧器壳46。点火器62是围绕燃烧器16周向放置的非流线形体且是来自圆顶端燃烧器的下游。布置的每个点火器62用于在燃烧室48内点燃燃料/气体混合物，且每个点火器62包括连接到燃烧器外衬层40的点火管组件64。更具体地，每个点火管组件64连接在延伸穿过燃烧器外衬层40的开口66中，使得每个点火管组件64相对于每个开口66同心对齐。点火管组件64保持每个相应点火器62与燃烧器16对齐。在一个实施例中，燃烧器外衬层开口66的截面轮廓基本为环形。
在发动机运行期间，气流(未示出)以相对高的速度引出高压压缩机14(如图1所示)并引入燃烧器16，气流在燃烧器16中与燃料混合且燃料/气体混合物使用点火器62点燃以进行燃烧。当气流进入燃烧器16时，气流的一部分(未在图2显示)被引导穿过燃烧器外部通道52。因为每个点火器62是非流线形体，所以当气流接触点火器62时，在每个点火器62下游气流中产生尾流。
图3是点火管组件100的放大截面图，该点火管组件连接到燃烧器外衬层40且能与燃气轮机发动机10(如图1所示)一起使用。图4是点火管组件100的分解图。图5是从5-5截取的点火管组件100的一部分的顶部截面图。点火管组件100有上游侧102和下游侧104。在例示的实施例中，每个点火管组件100包括点火管110，该点火管110包括本体部分112和连接到本体部分112的凸缘部分114。在例示的实施例中，本体部分112和凸缘部分114一体形成使得点火管110的截面轮廓基本为L形。在另一实施例中，本体部分112和凸缘部分114形成分立部件且使用焊接或者铜焊工艺连接在一起，例如形成点火管110。
在例示的实施例中，本体部分112包括在本体部分内部表面122和本体部分外部表面124之间延伸的厚度120。本体部分112的外直径126按尺寸制为使得本体部分112能至少部分插入通过燃烧器外衬层66。本体部分112还包括具有直径132的开口130。在例示的实施例中，开口130沿着基本垂直于对发动机操作轴32的对称轴134方向延伸穿过本体部分112。在一个实施例中，开口130基本为圆形且其大小可容纳点火器62，以便于在本体内部表面122和点火器62之间形成空腔或者空隙136。因此，在内部表面122和点火器62之间形成了空腔136，大约外接于点火器62。本体部分外直径126大约与燃烧器外衬层开口66的内直径138相等，因此，点火管本体部分112以紧公差容纳在燃烧器外衬层开口66内。在例示的实施例中，本体内部表面122有基本圆形的外围。
在例示的实施例中，本体部分112还包括从内部表面122延伸到外部表面124的多个开口140，使得能够引导气流(未示出)从上游侧102穿过开口140进入空腔136之内。然后气体从空腔136被引导进入燃烧器16的热侧且流下热流通路，即下游侧152。在例示的实施例中，开口140基本外接于本体部分112，且通过本体部分112而成形使得通过开口140引导的气流基本平行于发动机操作的轴32流动。
更具体地，本体部分112包括开口140，该开口140包括多个斜角和非斜角的开口142和144，其促使冷却风进入点火管110，而由此冷却热表面，然后清除空腔136中相对热的气。例如，在例示的实施例中，开口140的至少一部分能笔直穿过本体部分112而成形和/或以复角(compound angle)穿过本体部分112而成形。而且，开口140能围绕主体部分112外围以均匀的模式而成形，即围绕主体部分112基本均匀隔开，和/或以优选的模式，即围绕主体部分112非均匀间隔可取决于部件和点火的需求。
因此，在运行过程中，气流从上游侧102被引导穿过开口140以促使减少和/或除去空腔136中的热气环流区。接着，空腔136里的热气被排出而进入燃烧器16中的热边150且向下流过热流通路152。
在例示的实施例中，点火管组件100还包括套圈200。在例示的实施例中，套圈200连接到点火管110且包括容纳环202和连接环204。连接环204是环形且从凸缘部分114延伸使得连接环204基本平行于凸缘部分114。容纳环202从连接环204径向向外延伸。更具体地，容纳环202从连接环204发散式延伸，使得延伸穿过套圈200的开口206在套圈200的入口212处的直径210比套圈200的出口216处的直径214大。因此，套圈入口212促使将点火器62引导进入点火管110，且套圈入口214保持点火器62相对于燃烧器16对齐(如图1和2所示)。在例示的实施例中，容纳环202和连接环204一体成形。
在例示的实施例中，套圈200还包括多个开口220，该开口220从径向外部表面222延伸穿过连接环204至连接环204的径向内部表面224。因此，开口220延伸穿过连接环204而促使气流引导过连接环开口220并进入空腔136内。在例示的实施例中，开口220以一个角度成形，该角度与轴134相切或者垂直以促使将冷却风引导进入空腔136。
在一个实施例中，开口220的至少一部分能笔直穿过套圈200即大致平行于轴134而成形和/或以复角穿过套圈200而成形。而且，开口220能围绕套圈200的外围以均匀的模式而成形，即围绕套圈200基本均匀隔开，和/或以优选的模式，即围绕套圈200非均匀间隔可取决于部件和点火的需求。
更具体地，在运行过程中，气流从上游侧102被引导穿过开口220并进入空腔136以促使减少和/或除去空腔136中的热气环流区。接着，空腔136里的热气排出而进入燃烧器16中的热边150且向下流过热流通路152。
在一个实施例中，套圈200磨擦式连接到点火管110，使得套圈200在点火管110上“浮动”。更具体地，点火器62在套圈200中径向流动且套圈200在点火管110的顶端上浮动以允许热生长中的差异。在备选实施例中，套圈200使用连接装置300而连接到点火管110(如图4所示)。
图6是连接装置300的顶视图(如图4所示)。在例示的实施例中，连接装置300包括本体部分302和连接到本体部分302的多个翼片304。在一个实施例中，本体部分302和翼片304一体成形使得连接装置300的横截轮廓为U形。在另一实施例中，本体部分302和翼片304形成为分立部件且例如使用焊接或铜焊工艺连接在一起。
在例示的实施例中，本体部分302的外径310比套圈200的外径312大而促使靠着点火管110连接和/或夹持套圈200。而且，本体部分302还有内径314，其尺寸足够大使得本体部分302不会妨碍套圈开口220。
在例示的实施例中，翼片304以大约垂直于本体部分302的角度延伸而促使连接装置300连接到燃烧器的外衬层40。因此，装置300大约外接于套圈200和点火管110以促使将套圈200和点火管110连接至燃烧器的外衬层40。
其中描述的例示的点火管组件包括点火管，该点火管具有多个开口，该开口延伸穿过其中的侧壁以促使将冷却气体引导穿过点火管进入在点火管和点火器之间形成的空腔。开口可以斜角和/或非斜角的，其延伸穿过点火管的侧壁以促使清除空腔内相对热的气体，而由此冷却点火器和点火管组件。在例示的实施例中，点火管组件还可以包括套圈，该套圈包括延伸穿过套圈底部环的多个开口而促使将冷却气体引导穿过套圈进入在点火管和点火器之间形成的空腔。开口可以斜角和/或非斜角的，其延伸穿过套圈的底部以促使清除空腔内相对热的气体，而由此冷却点火器和点火管组件。可以根据应用需要来使用配置的变型或组合。例示的点火管组件还可以包括连接装置以促使套圈和点火管都连接到外燃烧器衬层。
因此，其中描述的点火管组件有助于减少点火器和点火管的损坏，以及减少与更换点火器和点火管有关的成本和时间。而且，其中描述的点火器组件利用燃烧过程中没被利用的冷却风，由此冷却风以相对持续不断的方式提供而促使冷却点火器，由此增加了点火器的寿命。
上述的点火管有成本效益且高度可靠。点火管和套圈包括多个开口，该开口将气流围绕点火器径向向内或周向地引导气流。更具体地，冷却风促使清除围绕点火器采集的热燃烧气体，由此减少点火管和燃烧器外衬层之间的温度梯度。因此，以成本效益可取和可靠的方式促成了低热应力和点火管提高的寿命。
尽管根据不同具体的实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员可以认识到，在权利要求的精神和范围内可以进行修改而进行实施。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机发动机(10)的点火管组件(100)，所述燃气轮机发动机包括燃烧器(16)，和至少一个至少部分插入燃烧器中的点火器(62)，所述点火管组件包括：
贯穿延伸的对称轴(134)；
点火管(110)，所述点火管包括同轴贯穿延伸的第一开口(130)，所述第一开口的直径(132)按尺寸制为适于贯穿容纳点火器的一部分，使得所述点火管外接于点火器，从而在点火管和点火器之间限定了空隙(136)；
套圈(200)，其连接到所述点火管；以及
多个冷却气体开口(140)、(220)，其延伸穿过点火管和套圈的至少其中之一，以便于将冷却气体引导进入所述空隙。
2.根据权利要求1所述的点火管(100)组件，其特征在于，所述多个开口(140)至少包括以第一角度延伸穿过所述点火管(110)的第一冷却风开口(142)和以不同于所述第一角度的第二角度延伸穿过所述点火管的第二冷却风开口(144)。
3.根据权利要求1所述的点火管组件(100)，其特征在于，所述第一多个开口(140)至少包括以第一复角延伸穿过所述点火管的第一冷却气体开口(142)和以不同于所述第一复角的第二复角延伸穿过所述点火管的第二冷却风开口(144)。
4.根据权利要求1所述的点火管(100)组件，其特征在于，所述第一多个开口(220)至少包括以第一角度延伸穿过所述套圈(200)的第一冷却气体开口(222)和以不同于所述第一角度的第二角度延伸穿过所述套圈的第二冷却风开口(222)。
5.根据权利要求1所述的点火管组件(100)，其特征在于，所述第一多个开口(220)至少包括以第一复角延伸穿过所述套圈(200)的第一冷却气体开口(222)和以不同于所述第一复角的第二复角延伸穿过所述套圈的第二冷却风开口(222)。
6.根据权利要求1所述的点火管组件(100)，其特征在于，进一步包括护圈(300)，所述护圈按尺寸制为靠所述套圈(200)周向安装以将所述点火管(110)和所述套圈固定到燃烧器(16)。
7.根据权利要求6所述的点火管组件(100)，其特征在于，所述护圈(300)包括多个翼片(304)，所述翼片连接到燃烧器以将所述点火管(110)和所述套圈(200)固定到燃烧器。
8.一种包括燃烧器(16)的燃气轮机发动机(10)，所述燃烧器(16)包括限定燃烧室(48)的环形外衬层(40)和环形内衬层(42)，以及连接到所述燃烧器的至少一个点火管组件(110)，所述点火管组件包括：
贯穿延伸的对称轴(134)；
点火管(110)，所述点火管包括同轴贯穿延伸的第一开口(130)，所述第一开口的直径(132)按尺寸制为适于贯穿容纳点火器(62)的一部分，使得所述点火管外接于点火器，从而在所述点火管和点火器之间限定了空隙(136)；
套圈(200)，其连接到所述点火管；以及
多个冷却气体开口(140)、(220)，其延伸穿过所述点火管和套圈的至少其中之一，以便于将冷却气体引导进入空隙。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述第一多个开口(140)至少包括以第一角度延伸穿过所述点火管(110)的第一冷却风开口(142)和以不同于所述第一角度的第二角度延伸穿过所述点火管的第二冷却风开口(144)。
10.根据权利要求8所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述第一多个开口(140)至少包括以第一复角延伸穿过所述点火管的第一冷却气体开口(142)和以不同于所述第一复角的第二复角延伸穿过所述点火管的第二冷却风开口(144)。
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