NO330389B1 - Holdesegment for virvelanordning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt gassturbinmotorer, og mer spesielt virvelenheter for å levere komprimert luft til brenneren i slike motorer.

En gassturbinmotor omfatter en kompressor som frembringer trykkluft til en brenner hvori luften blir blandet med brennstoff og antent for å generere varme for-brenningsgasser. Disse gassene strømmer nedstrøms til én eller flere turbiner som trekker ut energi fra dem for å drive kompressoren og å frembringe nyttig arbeid så som å drive et fly under flyvning. Brennstoff er typisk levert til forbrenneren gjennom et antall brenn-stoffdyser plassert ved én ende av forbrenningssonen. Luften blir tilført gjennom omliggende enheter, kjent som virvelenheter, som gir en virvlende bevegelse til luften for å forårsake at luft og brennstoff blir grundig blandet. Virvelenhetene er montert i en domplate som er forbundet med oppstrømmsenden på forbrennerens indre og ytre linjer, og hver brenseldysespiss går inn i en tilsvarende av virvelenhetene.

Virvelenhetene må motstå vibrasjonsstress pga. varierende strømninger på trykk av luftstrømmen som kommer ut av kompressoren. Vibrasjonene forårsaker vekslende stress i forbrenningskomponentene og kan føre til høye utmattelsesfeil i deler som ellers ikke er høyt stresset fra varme- eller trykkbelastning. En konvensjonell virvelenhet omfatter en primær virvelanordning og en separat, sekundær virvelanordning. Primærvirvelanordningen har et antall perifert atskilte virvelblad eller luftpassasjer. Bladene eller passasjene er vinklet i forhold til den aksielle senterlinje for virvelenheten for å gi en virvlende bevegelse til luftstrømmen. Sekundærvirvelanordningen har også et antall perifert atskilte virvelblad eller luftpassasjer. Bladene eller passasjene av sekundærvirvelanordningen er vinklet for å produsere en virvel av luft inn i den samme eller motsatt retning som primærvirvelanordningen for ytterligere å fremme brennstoffluft-blanding. Primærvirvelanordningen er plassert i glidende kontakt med sekundærvirvelanordningen som er fast montert på domplaten. Denne anordningen tillater at primærvirvelanordningen mottar brenseldysen og har rom for relativ bevegelse mellom brenseldysen og domplaten.

En holder er plassert over primærvirvelanordningen og er sveiset til sekundærvirvelanordningen for å holde de to virvelanordningene i kontakt med hverandre. Én type holder er stanset ut av metallplate til et sirkulært ringrom. Luftstrømmen gjennom bladene eller passasjene av primærvirvelanordningen skaper imidlertid en reaksjonskraft som har en tendens til å forårsake at primærvirvelanordningen roterer i forhold til sekundærvirvelanordningen og brenseldysen. Hvis den tillates å rotere ville ikke primærvirvelanordningen være i stand til å gi det nødvendige nivå av virvling til luften, og effektiv blanding av luft og brennstoff ville ikke bli oppnådd. Dessuten kunne rotasjon av primærvirvelanordningen forårsake sterk slitasje på brennstoffdysens spiss. Primær-virvelanordningens rotering er således hindret i konvensjonelle virvelenheter ved å anordne minst én utadvendt knast på primærvirvelanordningen som kommer i kontakt med en stasjonær struktur på sekundærvirvelanordningen for å begrense relativ rotasjon av virvelanordningene.

I brennere med virvelenheter som er relativt nært atskilt, kan to antirotasjonsknaster brukes for hver virvelenhet. Bruken av to antirotasjonsknaster gir mer kontakt-areal enn en enkelt knastanordning, og reduserer dermed slitasje. For å gi rom for virvelenheter med to antirotasjonsknaster, er den ringformete holder i ett stykke erstattet med et par holdesegmenter. Holdesegmentene er hvert på mindre enn 180 grader i lengde og er sveiset til sekundærvirvelanordningen på en utkraget måte. Holdesegmentene er utsatt for sveiseskjøtsprekking på grunn av ujevnt trykkstrømvariasjoner som forårsaker vibrerende eksitering av holdesegmentene. Mest typisk starter slik sprekking i endene på holdesegmentene. Holdesegmenter med feil kan forårsake ikke planlagte maskinfjerninger for å hente ut primærvirvelanordninger som er blitt frie når vedlikehold utføres på brensel-dysene.

Følgelig er det et behov for en forbedret virvelenhet som har mer holdbare holdesegmenter.

De ovennevnte behov er møtt av den foreliggende oppfinnelse, som frembringer en virvelenhet som har første og andre deler plassert i glidende kontakt med hverandre. De to delene blir holdt i glidende kontakt ved ett eller flere holdesegmenter som er sammenføyd med den andre del og som engasjerer den første del. Holdesegmentene er buete deler som definerer indre og ytre buete kanter og første og andre ender. Hver ende har et konkavt utsnitt utformet i den for å redusere sveiseskjøten og bøyningsstress som kan oppstå fra de tvungne vibrasjoner av holdesegmentet.

Den foreliggende oppfinnelse og dens fordeler over tidligere teknikk vil bli åpenbare etter å ha lest den følgende detaljerte beskrivelse og de medfølgende krav, med henvisning til tegningene.

Det som oppfinnelsen spesielt angår er især beskrevet og spesifisert i kravene i den siste del av beskrivelsen. Oppfinnelsen kan imidlertid best forstås med henvisning til den følgende beskrivelse i sammenheng med tegningen, hvor figur 1 viser et aksialt snitt av en fremre del av brenneren, og illustrerer en utførelse av en virvelenhet; figur 2 viser et perspektivriss av virevelenheten på figur 1 med primærvirvelanordningen fjernet; figur 3 viser et grunnriss av et holdesegment på figur 2; figur 4 er et aksialt snitt som illustrerer en alternativ utførelse av en virvelenhet.

Det henvises nå til tegningene, hvor identiske henvisningstall betegner de samme elementer gjennom de forskjellige riss. Figur 1 viser den fremre ende av brenneren 10 av den type som er regnet for bruk i en gassturbinmotor, og omfatter et hult legeme 12 som definerer et forbrenningskammer 14. Det hule legemet 12 er generelt ringformet, og er definert ved en ytre foring 16 og en indre foring 18. Oppstrømsenden på det hule legemet 12 er i det vesentlige stengt av ved en hette 20 som er festet på den ytre foring 16 ved den første festeanordning 22 og til den indre foring 18 ved en annen festeanordning 24.1 det minste én åpning 26 er utformet i hetten 20 for innføring av brennstoff og komprimert luft. Den komprimerte luft blir innført i brenneren 10 fra en kompressor (ikke vist) i en retning som er generelt indikert ved pilen A på figur 1. Den komprimerte luft passerer primært gjennom åpningen 26 til å understøtte forbrenning og delvis inn i det området som ligger rundt det hule legemet 12 hvor det er brukt til å kjøle begge foringene 16, 18 og turbomaskineri lenger nedstrøms.

Plassert mellom og sammenkoplet de ytre og indre foringer 16, 18 nær opp-strømsendene er en ringformet domplate 28. Et antall perifert atskilte virvelenheter 30 (bare én er vist på figur 1) er montert i domplaten 28. Hver virvelenhet 30 omfatter en primærvirvelanordning 32 som omfatter et antall vinklede passasjer 34. Passasjene 34 er vinklet i forhold til den aksielle senterlinje 31 for virvelenheten 30 for å overføre en virvlende bevegelse til luftstrømmen. Primærvirvelanordningen 32 har også en integrert hylse 36 som koaksialt mottar en brennstoffdyse 38.

Virvelenheten 30 omfatter videre en sekundær virvelanordning 40 som er til-støtende primærvirvelanordningen 32 nedstrøms fra denne, og er fast mottatt i domplaten 28. Sekundærvirvelanordningen 40 omfatter en venturi 42 og et antall perifert atskilte virvelblad 44 plassert koaksialt rundt venturien 42. Venturi en 42 og hylsen 36 av primærvirvelanordningen 32 er begge koaksialt innrettet med en aksiell senterlinje 31 for virvelenheten 30. Luft fra åpningen 26 passerer gjennom passasjen 34. Den virvlende luft som kommer ut av passasjene 34 virker sammen med brennstoff som er injisert i brennstoffdysen 38 for å blandes mens den passerer inn i venturien 42. De sekundære virvelbladene 44 virker så til å presentere en virvel av luft som virvler inn i motsatt retning som virker med brennstoff/luftblandingen for ytterligere å forstøve blandingen og å forberede den for forbrenning i forbrenningskammeret 14. Det skal bemerkes at skjønt figur 4 illustrerer virvelenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse i en enkel ringformet brenner, er den foreliggende oppfinnelse like anvendelig til andre typer av brennere, deriblant flerrings-brennere. Det skulle også bemerkes at den foreliggende oppfinnelse er anvendelig til samroterende virvelenheter i tillegg til den kontraroterende virvelenhet som er beskrevet ovenfor.

Primærvirvelanordningen 32 omfatter en baseseksjon 46 som har hylsen 36 utformet på sin fremre ende. Baksidens baseseksjon 46 definerer en nedstrømsvendt plan overflate. Sekundærvirvelanordningen 40 omfatter en baseseksjon 48 som definerer en oppstrømsvendt plan overflate som er i glidende kontakt med den plane overflate av primærvirvelanordningen 32 når virvelenheten 30 er sammenmontert. Venturien 42 strekker seg aksialt (i forhold til den aksielle senterlinje 31 for virvelenheten 30) ned-strøms fra den sekundære baseseksjonen 48, og som nevnt ovenfor er virvelbladene 44 plassert koaksialt rundt venturien 42.

De primære og sekundære virvelanordninger 32 og 40 blir holdt i glidende kontakt med to holdesegmenter 50 som er sammenføyd med sekundærvirvelanordningen 40 på motsatte sider av venturien 42 fra hverandre. Spesielt er holdesegmentene 50 sammenføyd (fortrinnsvis ved sveising) med den oppstrømsvendte plane overflate av den sekundære baseseksjon 48, og engasjerer baseseksjonen 46 av primærvirvelanordningen 32. Holdesegmentene 50 er plassert slik at de hindrer relativ aksiell bevegelse av de to virvelanordningene 32 og 40, men tillater begrenset lateral bevegelse av primærvirvelanordningen 32 i forhold til sekundærvirvelanordningen 40. Denne anordningen tillater at primærvirvelanordningen 32 flyter eller beveger seg lateralt slik at hylsen 36 kan bli koaksialt innrettet med, og motta brenseldysen 38, men ellers hindrer de to virvelanordningene 32 og 40 fra å bli atskilt mens virvelenheten 30 blir installert i motoren. Den flytende primærvirvelanordningen 32 gir også rom for relativ bevegelse mellom brennstoffdysen 38 og domplaten 28 under drift fra motoren.

Det henvises nå til figur 2, som viser virvelenheten 30 med primærvirvelanordningen 32 fjernet. Man kan se at holdesegmentene 50 er buete deler som har relativt smale bredder. Hvert holdesegment 50 definerer en bue som er mindre enn 180 grader og har en radiell (i forhold til virvelanordningens senterlinje 31) indre og ytre kanter som definerer parallelle kurver. Kurvaturradien for den ytre kant er nær tilpasset kurvaturradien som definert ved baseseksjonen 48 av sekundærvirvelanordningen 40. Hvert holdesegment 50 er sammenføyd på en utkraget måte med en tilsvarende én av to buete, aksialt gående kanter 52 som er utformet på den oppstrømsvendte plane overflate av sekundærbaseseksjonen 48. Kantene 52 er plassert langs kanten av den oppstrømsvendte plane overflate, og er plassert på motsatte sider av venturien 42 fra hverandre. Holdesegmentene 50 er plassert slik at deres ytre kanter er i hovedsak på linje med den ytre kant av den sekundære baseseksjon 48.

Holdesegmentene 50 er utstyrt med rundtakkete ender. Dvs., hver ende har et konkavt utsnitt 54 utformet i det slik at den indre kant av holdesegmentet 50 definerer en bue A i som er mindre enn buen A2definert med den ytre kant, som sett på figur 3.1 en foretrukket geometri har hvert utsnitt 54 en buet del og en rett del nær den indre kant og definerer en spiss 56 ved ytre hjørne av holdesegmentet 50. Bredden w av spissen 56 er fortrinnsvis lik bredden av kantene 52 på sekundærvirvelanordningen 40. De rundtakkete endene reduserer spenninger i sveiseskjøten og bøyninger som oppstår fra den tvungne vibrasjonen av de utkragete holdesegmenter 50. De buete utsnitt 54 reduserer også stresskonsentrasjonsfaktoren i hjørnene på holdesegmentene 50, som er hvor de fleste sprekker historisk begynner i konvensjonelle holdesegmenter. De rundtakkete endene hindrer også resonansrfekvensen for holdesegmentene 50 litt, hvilket kan ha en positiv effektiv på spenningene i sveiseskjøten og bøyningene.

Størrelsen av det konkave utsnitt 54 kunne være store nok til tilstrekkelig å dempe spenningene i sveiseskjøten og bøyningen. Utsnittene 54 er fortrinnsvis dimensjonert til å definere et endeområde 58 (dvs. den delen av holdesegmentet 50 i hvilket utsnittene 54 er utformet) som definerer et område A (figur 3) som er mindre enn området B definert ved utsnitt 54. I én foretrukket utførelse er holdesegmentet 50 dimensjonert slik at den ytre kant har en kurveradius på omkring 3,2 cm og den indre kant av har en kurveradius på omkring 2,4 cm. Hver spiss 56 har en bredde w på omkring 0,1 cm. Hvert konkavt utsnitt 54 har en dybde d på omkring 0,25 cm og en buet del som definerer en radius r på omkring 0,5 cm.

Det mindre holderendeområder 58 forbedrer sveiseforberedelsene for å sveise holdesegmentene 50 til kantene 52. Fordi mindre materiale er til stede i endeområdene 58, blir materialet "forbrukt" bedre under sveising. Sveiseskjøtene blir således generelt sterkere ved endene og mangler diskontinuiteter eller sprekkstartere. Dette styrker skjøten ved endeområdene, hvilket, som nevnt ovenfor, er hvor sprekker vanligvis oppstår i konvensjonelle holdesegmenter. Sveiseskjøtene er fortrinnsvis en 100 % gjennomtrengingssveising langs hele lengden av holdesegmentene 50 i motsetning til den omkring 70 % gjennomtrengingssveising som vanligvis blir brukt i konvensjonelle holdesegmenter.

Holdesegmentene 50 er fortrinnsvis laget av en høytemperaturlegering som er egnet for bruk i turbinseksjonen av gassturbinmotorer, så som nikkelbase- eller kobolt-baselegeringer. Ett konvensjonelt tilgjengelig materiale som er spesielt å foretrekke på grunn av dets motstand mot høy syklusutmatting er den nikkelbaserte legering Hastalloy X. Tykkelsen av holdesegmentene 50 vil bli bestemt av anvendelsen, og bør være slik at resonansfrekvensen for holdesegmenter 50 er utenfor operasjonsfrekvensområdet for motoren. Typisk vil holdesegmentene 50 være noe tykkere enn konvensjonelle holdesegmenter for å øke stivheten og styrken.

Figur 4 illustrerer en alternativ virvelenhet 130 i hvilken en primærvirvelanordninger 132 og en sekundærvirvelanordning 140 er integrert utformet som et enhetlig virvellegeme 160 som er fast mottatt i en domplate 128. Primærvirvelanordningen 132 omfatter et første antall perifert atskilte virvelblad 134 plassert rundt en sentral åpning, og senkundærvirvelanordningen 140 omfatter en venturi 142 og et annet antall perifert atskilte virvelskovler 144 plassert koaksialt rundt venturien 142. Som i den første utførelsen blir innkomne signaler som passerer gjennom det første virvelblad 134 virvlet inn i venturien 142. Denne virvlende luft virker sammen med brennstoff injisert fra en brenseldyse (ikke vist på figur 4) for å blandes når den passerer inn i venturien 142. Sekundærvirvelbladene 144 virker så til å presentere en virvel av luft som virvler i samme eller motsatt retning, og som virker sammen brennstoffluftblandingen for ytterligere å atomisere blandingen.

Virvelenheten 130 omfatter en separat hylse 36 som er montert på den fremre ende av virvellegemet 160 for å motta en brennstoffdyse. Hylsen 136 omfatter en nedstrømsvendt plan overflate som glidende engasjerer en oppstrømsvendt plan overflate av virvellegemet 160. Hylsen 136 blir holdt i glidende kontakt med virvellegemet 160 av to holdesegmenter 150 som er sammenføyd med virvellegemet 160 på motsatte sider av denne. Spesielt er holdesegmentene 150 sammenføyd (fortrinnsvis ved sveising) på en utkraget måte til to kanter 152 som er utformet på den oppstrømsrettete plane overflate av virvellegemet 160. Holdesegmentene 150 engasjerer hylsen 136 for å hindre relativ aksiell bevegelse av hylsen 136 og virvellegemet 160, men tillater begrenset lateral bevegelse av hylsen 136 i forhold til virvellegemet 160. Denne anordningen tillater at hylsen 136 flyter eller beveger seg lateralt slik at den kan motta brennstoffdysen, men ellers hindre hylsen 136 og virvellegemet 160 fra å bli atskilt mens virvellegemet 130 blir installert i motoren. Den flytende hylsen 136 gir også rom for relativ bevegelse mellom brennstoffdysen og domplaten 128 under operasjon av motoren.

Holdesegmentene 150 er de samme som holdesegmentene beskrevet ovenfor og vist på figur 3 idet de er buete stykker som har rundtakkete ender. Hver ende har et konkavt utsnitt utformet i det slik at den indre kant av holdesegmentet 150 definerer en bue som er mindre enn den buen som er definert av den ytre kant. De rundtakkete endene reduserer sveiseskjøtens og bøyningenes spenninger som oppstår fra de tvungne vibrasjoner av de utkragede holdesegmentene 150 på samme måte som beskrevet ovenfor i forbindelse med den første utførelse.

I det ovenstående er det beskrevet en forbedret virvelenhet som har mer holdbare holdesegmenter. Mens spesielle utførelser av den foreliggende oppfinnelse er beskrevet, vil det være åpenbart for fagfolk i teknikken at forskjellige modifikasjoner kan gjøres uten å avvike fra oppfinnelsens ånd og omfang som definert i kravene.

Claims (12)

1. Holdesegment (50) for en virvelenhet (30) i en gassturbinmotor,karakterisertved at segmentet (50) omfatter en buet del som definerer indre og ytre buete kanter og første og andre ender, hvor hver har et konkavt utsnitt (54) utformet i den.

2. Holdesegment (50) ifølge krav 1,karakterisert vedat den indre kant definerer en første bue og den ytre kant definerer en annen bue, hvor den første bue er mindre enn den andre buen.

3. Holdesegment (50) ifølge krav 1,karakterisert vedat hver ende av holdesegmentet (50) har et endeområde (58) som definerer et første område og hvert utsnitt (54) definerer et annet område, hvor det nevnte første område er mindre enn det andre området.

4. En virvelenhet (36) omfattende en første del (32, 36); en annen del (40, 160) plassert i glidende kontakt med den nevnte første del (32, 36),karakterisert vedminst ett holdesegment (50) som er sammenføyd med den nevnte andre del (40, 160) og engasjerer den første del (32, 36), hvor det første holdesegment (50) er en buet del som definerer indre og ytre buete kanter og første og andre ender, og hver ende har et konkavt utsnitt (54) utformet i den.

5. Virvelenhet (30) ifølge krav 4,karakterisert vedat den nevnte indre kant definerer en første bue, og den nevnte ytre kant definerer en annen bue, hvor den første buen er mindre enn den andre buen.

6. Virvelenhet (30) ifølge krav 4,karakterisert vedat hver ende av det nevnte holdesegment (50) har et endeområde (58) som definerer et første område, og hvert utsnitt (54) definerer et annet område, hvor det første område er mindre enn det andre området.

7. Virvelenhet (30) ifølge krav 4,karakterisert vedat den nevnte andre del (40, 160) har en perimeter og en kant utformet langs den nevnte perimeter, og holdesegmentet 50 er sveiset til den nevnte kant på en utkraget måte.

8. Virvelenhet (30) ifølge krav 7,karakterisert vedat holdesegmentet (50) er sveiset til kanten via en 100 % gjennomtrengingssveising.

9. Virvelenhet (30) ifølge krav 4,karakterisert vedat den videre omfatter et annet holdesegment (50) sammenføyd med den andre del (40, 16), og som engasjerer en første del (32, 36), hvor det andre holdesegment (50) er en buet del som definerer indre og ytre buete kanter og første og andre ender, og hver ende har et konkavt utsnitt (54) utformet i den.

10. Virvelenhet (30) ifølge krav 9,karakterisert vedat det nevnte andre holdesegment (50) er plassert på motsatt side av den andre del (40, 160) fra det førstnevnte holdesegment (50).

11. Virvelenhet (30) ifølge krav 4,karakterisert vedat den første del (32, 36) er en primærvirvelanordningen (32) og den andre del (40, 160) er en sekundær virvelanordning (40).

12. Virvelenhet (30) ifølge krav 4,karakterisert vedat den nevnte første del (32, 36) er en hylse (36), og den andre del (40,160) er et virvellegeme (160).