用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒氣體管道的結(jié)構(gòu)安裝裝置的制造方法
【專利說明】用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒氣體管道的結(jié)構(gòu)安裝裝置
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助開發(fā)的聲明
[0002]本發(fā)明的開發(fā)由美國能源部授予的合同號DE-FC26-05NT42644部分支持。因此，美國政府可以擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的環(huán)管形燃燒系統(tǒng)的安裝裝置。具體地，該裝置允許相對徑向運(yùn)動，但防止燃燒系統(tǒng)的環(huán)形腔室和固定有環(huán)形腔室的渦輪導(dǎo)葉載體之間的相對軸向運(yùn)動。
【背景技術(shù)】
[0004]傳統(tǒng)的環(huán)管形燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包括多個單獨(dú)的燃燒器罐，其每一個可以被固定到相應(yīng)的過渡管道，所述過渡管道引導(dǎo)燃燒氣體從燃燒器罐并通過入口導(dǎo)葉到渦輪入口環(huán)形部的相應(yīng)部分。燃燒氣體的每個流保持從燃燒器的離散直到離開各自的過渡管道。與此相反，在使用管形燃燒器的某些新興燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，過渡管道陣列被替換為管道裝置，其接收來自重新定位燃燒器罐的離散燃燒氣體流，將它們加速至適合于遞送到第一行渦輪葉片的速度，并將它們引導(dǎo)到共同管道結(jié)構(gòu)，該共同管道結(jié)構(gòu)可以包括其中燃燒氣體流不再彼此分開的環(huán)形腔室。環(huán)形腔室直接排氣到渦輪機(jī)入口。(其中即使在共同管道結(jié)構(gòu)內(nèi)各個流也保持離散的其他結(jié)構(gòu)存在。)通過該裝置產(chǎn)生的適當(dāng)取向和速度消除了對存在于常規(guī)裝置中的第一行入口導(dǎo)葉的需求。此配置的示例可以在Charron等人的2011年8月25日公布的美國專利申請公開號2011/0203282中看到，其通過引用整體并入本文。
[0005]在傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒器裝置中，由于燃燒氣體流在過渡管道中不被大量加速，在圍繞過渡管道的增壓室內(nèi)的壓縮空氣和過渡管道中的燃燒氣體流的靜壓力之間存在相對小的靜壓差。因此，存在一個比較小的在過渡管道的外表面上向內(nèi)按壓的力。
[0006]與此相反，在新興技術(shù)的管道裝置中，燃燒氣體流以顯著更高的速度行進(jìn)。這導(dǎo)致顯著更大的壓力差(至多6個大氣壓)，并產(chǎn)生作用在管道裝置的外表面上的力。在具有加速幾何形狀的配置中，其將燃燒氣體流加速到用于遞送到第一行渦輪機(jī)葉片的適當(dāng)速度，例如具有環(huán)形腔室的配置，環(huán)形腔室經(jīng)歷這些力中最大的力，因為燃燒氣體流在環(huán)形腔室內(nèi)時被充分加速。這些力起作用以使管道裝置，特別是環(huán)形腔室變形，并且在本領(lǐng)域中有改善余地以抵制這種變形。
【附圖說明】
[0007]本發(fā)明在以下的描述結(jié)合附圖進(jìn)行說明，所述附圖示出了:
[0008]圖1是可使用本文中所描述的安裝裝置的管道裝置的示意性圖示。
[0009]圖2是圖1的管道裝置的示意性圖示，其被定位在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒段內(nèi)。
[0010]圖3是圖2的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒段內(nèi)的管道裝置的環(huán)形腔室的沿圖1的A-A的示意性剖面，其示出了安裝裝置的示例性實施例。
[0011]圖4是沿圖3的沿B-B的視圖。
[0012]圖5-7是安裝裝置的替代示例性實施例。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明人設(shè)計了一種可以抵抗與新興技術(shù)環(huán)管型燃燒裝置相關(guān)聯(lián)的管道變形的創(chuàng)新安裝裝置。該安裝裝置允許相對徑向運(yùn)動，同時防止相對于渦輪導(dǎo)葉載體的管道的相對軸向運(yùn)動，其中管道安裝到渦輪導(dǎo)葉載體。此外，安裝裝置提供了支撐作用，其幫助管道保持其形狀/輪廓，盡管壓力引起的力起作用以使管道變形。
[0014]圖1是管道裝置10從后向前看所觀察的示意性圖示，其可與正確取向的罐式燃燒器(未示出)一起使用。管道裝置10接收燃燒氣體，并引導(dǎo)其朝向渦輪(未示出)的入口環(huán)形部(未示出)。管道裝置10可包括多個錐體12，其分別被配置成接收從相應(yīng)的罐式燃燒器傳出的燃燒氣體的離散流。每個錐體12可以是離散管道的一部分，并且各管道可并入共同管道結(jié)構(gòu)。共同管道結(jié)構(gòu)可包括所有的燃燒氣體流流動進(jìn)入的環(huán)形腔室14。加速結(jié)構(gòu)16可以存在，以將它從進(jìn)入錐體12時行進(jìn)的速度加速到適于遞送至第一行渦輪機(jī)葉片(未示出)的速度，該速度可以接近0.8馬赫及以上。
[0015]圖2示出了管道裝置10(為清楚起見無錐體12)，其被定位在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪導(dǎo)葉載體20內(nèi)。壓縮空氣離開壓縮機(jī)出口擴(kuò)散器22并進(jìn)入圍繞管道裝置10的增壓室24。當(dāng)朝向入口(未示出)移動到燃燒器罐(未示出)時，壓縮空氣在增壓室24內(nèi)相對緩慢地移動。一旦壓縮空氣與燃料混合并在罐內(nèi)燃燒，它由管道裝置10接收并經(jīng)由在圖2中部分可見的加速結(jié)構(gòu)16加速到接近0.8馬赫及以上的相對快的速度。在渦輪導(dǎo)葉載體20中部分可見的是環(huán)形腔室14，其經(jīng)歷了大量的壓力引起的力。
[0016]圖3是圖1的沿A-A的剖面，其示出了包括環(huán)形腔室14的管道裝置10的共同管道結(jié)構(gòu)。在環(huán)形腔室14的后端是出口 30，在進(jìn)入出口 30緊接后方的渦輪入口環(huán)形部(未示出)之前，燃燒氣體從該出口排出。安裝裝置32的一個示例性實施例包括外徑安裝裝置34和內(nèi)徑安裝裝置36。外徑安裝裝置34可允許在徑向方向38上的運(yùn)動并限制在軸向方向40上的運(yùn)動。在如圖所示的示例性實施例中，這可以通過開槽裝置實現(xiàn)，例如由與環(huán)形腔室14的外徑52相關(guān)聯(lián)的徑向取向外徑凸緣50和相對于渦輪機(jī)導(dǎo)葉載體20固定的徑向取向外安裝槽54形成的開槽裝置實現(xiàn)。(凸緣和槽的位置可以很容易地切換并仍然實現(xiàn)相同目標(biāo)或相對徑向而非軸向運(yùn)動)。
[0017]當(dāng)被接合時，外徑安裝裝置34允許環(huán)形腔室14的外徑52相對于渦輪導(dǎo)葉載體20的徑向運(yùn)動。這是非常重要的，因為在瞬時事件期間，兩者可能以不同的速率加熱和冷卻，這可能導(dǎo)致在徑向方向上的相對熱增長，該熱增長需要相對的徑向運(yùn)動來避免兩者之間的熱應(yīng)力。此外，操作過程中的振動可能需要徑向運(yùn)動的自由。然而，相對的軸向運(yùn)動必須被防止以阻止環(huán)形腔室14到達(dá)第一行渦輪葉片。
[0018]內(nèi)徑安裝裝置36是指被需要以固定環(huán)形腔室14的內(nèi)徑60的裝置。內(nèi)徑安裝裝置36被配置為允許相對徑向運(yùn)動并防止相對軸向運(yùn)動，并且可包括:與環(huán)形腔室14的內(nèi)徑60相關(guān)聯(lián)的內(nèi)徑凸緣62、支架64、以及相對于渦輪導(dǎo)葉載體20固定的徑向取向內(nèi)安裝槽66。支架64包括導(dǎo)葉載體端68和環(huán)形腔室端70。導(dǎo)葉載體端68可以包括支架徑向取向凸緣72，其被配置為裝配在徑向取向內(nèi)安裝槽66內(nèi)。環(huán)形腔室端70可固定地固定到內(nèi)徑凸緣62。通過固定地被固定意味著相對運(yùn)動在該位置是不允許的。
[0019]在這種結(jié)構(gòu)中可以看出，環(huán)形腔室14的內(nèi)徑60通過內(nèi)徑凸緣62、支架64、支架徑向取向凸緣72和徑向取向內(nèi)安裝槽66，以允許內(nèi)徑60與渦輪導(dǎo)葉載體20之間的相對徑向運(yùn)動并防止相對軸向運(yùn)動的方式被固定到渦輪導(dǎo)葉載體20。支架64將通過內(nèi)徑60的任何徑向運(yùn)動浮動，并且因此會在徑向取向內(nèi)安裝槽66內(nèi)浮動。然而，軸向運(yùn)動將被防止，因為支架的導(dǎo)葉載體端68通過渦輪導(dǎo)葉載體20的前表面80被防止軸向運(yùn)動。支架64的固有剛性將防止環(huán)形腔室端70軸向運(yùn)動。支架64將能夠通過支架徑向取向凸緣72和徑向取向內(nèi)安裝槽66的相互作用保持其取向。
[0020]安裝裝置32可任選地包括補(bǔ)充支撐裝置90，其在導(dǎo)葉載體端68和環(huán)形腔室端70之間的支架64的補(bǔ)充支撐點(diǎn)94處為管道裝置10的附加位置92提供補(bǔ)充支撐。這可以經(jīng)由附加突出部96和補(bǔ)充支撐點(diǎn)94的滑動關(guān)系來實現(xiàn)，其允許熱增長錯配，但仍為內(nèi)徑60提供了必要的支撐。
[0021]以這種方式支撐管道裝置10并且特別是內(nèi)徑60是很重要的。在增壓室24中相對高的靜壓力希望將內(nèi)徑60和外徑52帶到一起。但是，當(dāng)環(huán)形腔室被形成為統(tǒng)一單元時，這個力將基本上由環(huán)形腔室14本身的環(huán)形形狀接納。在示出的示例性實施例中，統(tǒng)一單元包括環(huán)形腔室14，其由被固定在一起以形成環(huán)形腔室14的多個弧形段形成。由于存在燃燒器罐，可能有許多弧形段。然而，段的數(shù)量不必直接與燃燒器罐的數(shù)量相關(guān)。例如，可能存在六個離散段代替十二個，每段可以與兩個相鄰的燃燒器罐相關(guān)聯(lián)，或四個離散弧段，每個與三個燃燒器觸相關(guān)聯(lián)，等等。
[0022]周向相鄰段的邊緣可以是例如直接彼此螺栓固定。這減少了相鄰段之間的空氣泄漏，并且從而增加了發(fā)動機(jī)的效率。然而，壓力引起的力也向后推動內(nèi)徑60，(如右圖所示)，并且沒有適當(dāng)?shù)闹危瑑?nèi)徑60可能傾向于向后移動。至少，這將改變管道裝置10的輪廓。在最末端并在適當(dāng)?shù)臈l件下，這可能致命地使管道裝置10彎曲。管道裝置10可在傳統(tǒng)過渡管道的較高溫度下工作，以減少所使用的冷卻空氣量，這繼而提高發(fā)動機(jī)的效率。增加的工作溫度使得管道裝置更接近其工作極限，并且這降低了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。上述，加上環(huán)形腔室14的幾何形狀，凈得一種裝置，其中在工作期間自然發(fā)生的熱增長可以大于它將采取的使環(huán)形腔室14屈服的應(yīng)變量。出于所有這些原因，傳統(tǒng)支架在新技術(shù)管道裝置10中不再足夠。
[0023]先前安裝裝置試圖通過剛性地固定至渦輪導(dǎo)葉載體20，或者固定到發(fā)動機(jī)的另一部分來支撐內(nèi)徑。該剛性固定內(nèi)徑60到渦輪導(dǎo)葉載體20的實施方案是不夠的，因為該環(huán)形腔室14不同地響應(yīng)熱變化，因而在環(huán)形腔室14和渦輪導(dǎo)葉載體20之間存在相對熱生長。剛性連接導(dǎo)致兩者之間不可接受的熱斗。固定內(nèi)徑60到其他位置的實施方案往往沒有提供足夠的支撐，因為其他位置增加了它們自己的熱生長