用于燃气涡轮发动机的具有可互换计量管的共振器的制作方法

本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及具有定位在燃气涡轮发动机的燃烧室衬里上的可互换声学计量管的共振器。

背景技术：

在涡轮发动机中，从压缩机部分排出的压缩空气和从燃料源引入的燃料混合在一起，并在燃烧部分中燃烧，从而产生限定热燃烧气体的燃烧产物。燃烧气体被引导通过涡轮部分中的热气体路径，在该处它们膨胀以使涡轮转子转动。涡轮转子链接到轴以向压缩机部分提供动力并且可链接到发电机以产生电力。

燃烧在燃烧部分内产生压力振荡，这导致声波形式的燃烧动力学。这些波可能导致火焰不稳定性，并且与一个或多个发动机部件的固有共振频率相匹配的振动最终能够在燃烧室部件中导致疲劳或磨损失效。可以使用诸如共振器箱的阻尼设备来抑制或吸收在发动机操作期间产生的声能，以将声学振荡保持在可接受的范围内。因为冷却需求和空间限制常常限制了阻尼燃烧动力学，特别是低频和中频动力学的能力，故燃料分级常常用于减轻燃烧动力学，这常常需要混合物中的非均匀性水平。然而，这些策略通常导致不期望的污染物排放，并可能限制燃烧室性能。燃烧动力学的减轻由于单个部件可能具有多个固有频率而且发动机部件的共振频率可随时间而变化的事实被进一步复杂化。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，本公开提供一种燃气涡轮燃烧室，其包括限定中心轴线并包括燃烧室衬里和流动套管的燃烧结构。燃烧室衬里包括内表面和外表面并且限定燃烧区域。在燃烧室衬里的外表面和流动套管之间径向地限定空气流动空间。燃气涡轮燃烧室还包括多个中空结构，其固定到且包围燃烧室衬里的外表面的相应部分并且其径向向外延伸到空气流动空间中。每个中空结构均包括翼型。每个中空结构均包括在燃烧区域和中空结构的内部容积之间提供声学连通的至少一个计量管。计量管可拆卸地联接到燃烧室衬里，以用于允许计量管与具有至少一个不同尺寸的至少一个额外计量管互换，从而实现相应中空结构的声学特性的改变。

根据一些方面，每个中空结构的径向外表面均可还包括用于允许进入中空结构的内部容积的可拆卸盖。在特定方面中，可拆卸盖可经由多个突出部可拆卸地联接到相应中空结构的径向外表面。可拆卸盖的转动使得突出部接合中空结构的表面以与中空结构形成密封。在另外的特定方面中，中空结构的接合突出部的表面可以径向向内倾斜。

根据本发明的其他方面，燃烧室衬里可还包括多个中空管套（boss），其固定到燃烧室衬里的外表面并且径向向外延伸到相应中空结构的内部容积中。中空管套被构造成将计量管接收在相应中空结构的内部容积内。在特定方面中，每个计量管的外部管表面可还包括外螺纹部分和围绕外部管表面周向设置的肩部。每个中空管套的开口均限定与计量管的外螺纹部分互补的内螺纹表面，使得当计量管被插入到螺纹开口中时每个计量管的肩部均接合相应中空管套的径向外边缘。在另外的特定方面中，每个计量管可还包括设置在计量管的肩部与对应中空管套的径向外边缘之间的楔形锁定垫圈结构。楔形锁定垫圈结构在操作期间将计量管锁定在适当位置，以防止计量管从对应中空管套中退出。

根据另外的方面，中空结构可包括翼型。在特定方面中，这些翼型中空结构可以在周向上间隔开，并且实现穿过空气流动空间的气体的涡流的减少。

根据本发明的另外的方面，本公开提供维修涡轮发动机部件的方法。在一个方面中，该方法包括以下步骤：进入中空结构的内部容积，所述中空结构固定到燃烧室衬里的外表面且径向向外延伸到限定在燃烧室衬里的外表面和从燃烧室衬里径向向外定位的流动套管之间的空气流动空间中，其中，中空结构包围燃烧室衬里的外表面的一部分并且包括第一计量管，所述第一计量管在所述中空结构的内部容积与由所述燃烧室衬里限定的燃烧区域之间提供声学连通；移除第一计量管；以及在第一计量管被移除的位置中安装第二计量管，其中，与第一计量管相比，第二计量管具有至少一个不同的尺寸。

根据该方法的一个方面，中空结构包括翼型。根据该方法的其他方面，进入中空结构的内部容积可包括移除可拆卸地联接到中空结构的径向外表面的盖。在特定方面中，该方法可还包括在第二计量管被安装在中空结构中之后将盖重新附接到中空结构的径向外表面。

根据该方法的另外的方面，第一和第二计量管中的每一个的外部管表面可包括外螺纹部分和围绕外部管表面周向设置的肩部，并且燃烧室衬里的由中空结构包围的部分可包括被构造成接收第一和第二计量管的中空管套。中空管套径向向外延伸到相应中空结构的内部容积中。根据该方法的特定方面，中空管套的开口限定与第一和第二计量管的外螺纹部分互补的内螺纹表面，使得当计量管被插入到中空管套中时，每个计量管的肩部均接合中空管套的径向外边缘。在方法的该特定方面中，移除第一计量管可包括将第一计量管从中空管套旋开，并且安装第二计量管可包括将第二计量管螺纹连接到中空管套中，使得第二计量管的肩部接合中空管套的径向外边缘。

根据该方法的另一方面，第一计量管可被构造为阻尼中空结构内的第一共振频率，并且第二计量管可被构造为阻尼中空结构内的第二共振频率，其中，第二共振频率不同于第一共振频率。

根据本发明的另外的方面，本公开提供阻尼燃气涡轮发动机中的多个共振频率的方法。燃气涡轮发动机包括燃烧结构，该燃烧结构包括限定燃烧区域的燃烧室衬里和从燃烧室衬里径向向外设置的流动套管。流动套管与燃烧室衬里配合以在流动套管和燃烧室衬里之间限定空气流动空间。在一个方面中，该方法包括以下步骤：提供径向向外延伸到空气流动空间中的多个中空结构，其中，中空结构被固定到且包围燃烧室衬里的外表面的相应部分；将至少一个可互换计量管安装在所述中空结构中的至少一个中，其中每个可互换计量管均被构造成阻尼对应中空结构内的选择的共振频率；确定在包括可互换计量管的中空结构中的至少一个内不同的共振频率要被阻尼；从其中不同的共振频率要被阻尼的所述至少一个中空结构中移除所述可互换计量管；以及将额外的可互换计量管安装到其中不同的共振频率要被阻尼的所述至少一个中空结构中并且在所述可互换计量管定位的位置处安装到燃烧室衬里中，每个可互换计量管均可拆卸地联接到燃烧室衬里并且在燃烧区域和对应中空结构的内部容积之间提供声学连通。额外的可互换计量管被构造成阻尼不同的共振频率。

根据该方法的一些方面，可互换计量管中的每一个的外部管表面均包括外螺纹部分和围绕外部管表面周向设置的肩部，并且燃烧室衬里的由其中不同的共振频率要被阻尼的中空结构包围的部分包括中空管套，其被构造成接收可互换计量管中的每一个。中空管套还包括与可互换计量管中的每一个的外螺纹部分互补的内螺纹部分。在方法的该特定方面中，移除可互换计量管包括将可互换计量管从中空管套旋开，并且安装额外的可互换计量管包括将额外的可互换计量管螺纹连接到中空管套中，使得额外的可互换计量管的肩部接合对应中空管套的径向外边缘。根据该方法的其他方面，中空结构包括翼型。

附图说明

虽然本说明书以具体指出并明确要求保护本发明的权利要求结束，但相信根据结合附图的以下描述将更好地理解本发明，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是根据本发明的方面并入了多个共振器结构的燃气涡轮发动机的燃烧室部分的横截面的局部侧视图，其中燃烧室衬里的一部分被移除；

图2是沿着线2-2截取的图1中所示的燃烧室部分的横截面的局部放大透视图；

图3是来自图2中的截面3-3的可互换声学计量管的放大横截面视图；

图4是根据本发明的方面的翼型中空结构的分解视图；

图5a是根据本发明的另一方面的另一翼型中空结构的分解视图；和

图5b是沿着线5-5截取的图5a中所示的翼型中空结构的横截面的局部放大透视图。

具体实施方式

在优选实施例的以下详细描述中，参考形成本发明的一部分的附图，并且在附图中通过说明而非限制的方式示出了可以在其中实践本发明的具体优选实施例。应当理解，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出改变。

在图1和图2中，示出来自燃气涡轮发动机（未单独标记）的燃烧室部分或结构10，其包括流动套管12和限定燃烧区域15的燃烧室衬里14。应注意，燃烧室衬里14的部分在图1中被移除，以示出在本文中将描述的燃烧室结构10内的所选内部结构。燃烧室结构10限定中心轴线ca。燃气涡轮发动机的压缩机部分（未示出）压缩周围空气，该周围空气的一部分最终进入入口16到空气流动空间18中，该空气流动空间径向地被限定在燃烧室衬里14和流动套管12之间。燃烧室结构10将压缩空气与燃料组合并点燃该混合物，从而产生包含流过燃烧区域15的热燃烧气体cg的燃烧产物。燃烧室衬里14的内表面31（参见图2）与热燃烧气体cg接触，该热燃烧气体然后行进到燃气涡轮发动机的涡轮部分（也未示出）。燃烧室衬里14可包括任何合适的横截面形状，诸如图1和图2中所描绘的基本上圆形的横截面形状，以及例如椭圆形或矩形。此外，燃烧室衬里14可以在不同形状之间转变，诸如例如从大体圆形转变到大体矩形的横截面形状。

如贯穿全文所使用的，除非另有说明，否则参照燃烧室衬里14的中心轴线ca使用术语“周向”、“轴向”、“内部/径向向内”、“外部/径向向外”及其衍生物，并且参照通过燃烧区域15朝向涡轮部分的热燃烧气体cg的流动使用术语“上游”和“下游”。

参考图1-3，围绕燃烧室衬里14周向分布并固定到燃烧室衬里14的是共振器结构20，其包括多个中空结构，本文也被称为共振器箱22。每个共振器箱22均直接固定到且包围燃烧衬里14的外表面30的一部分。翼型共振器箱22的环形阵列朝向燃烧室结构10的上游端设置，并且沿径向外部方向延伸到并通过限定在燃烧室衬里14和流动套管12之间的空气流动空间18。翼型共振器箱22包括可拆卸地安装或联接到燃烧室衬里14的一个或多个声学计量管26。燃烧室衬里14包括被构造成接收声学计量管26的多个孔口32。孔口32从燃烧室衬里14的内表面31延伸穿过燃烧室衬里14的厚度到翼型共振器箱22的中空内部容积22a中。

具有翼型共振器箱22的燃烧室衬里14可以可选地包括设置在翼型共振器箱22的下游的一个或多个额外共振器结构20。这些额外共振器24可包括任何已知的形状，诸如矩形或梯形，并且可还包括延伸穿过燃烧室衬里14的厚度的多个计量孔。

现在参考图3，根据所示实施例的声学计量管26可拆卸地联接到燃烧室衬里14的外表面30并且从燃烧室衬里14径向向外延伸到翼型共振器箱22的内部容积22a中。孔口32延伸穿过燃烧室衬里14的厚度，使得翼型共振器箱22的内部容积22a和燃烧区域15处于声学连通。被接收在孔口32中的声学计量管26用作赫姆霍兹（helmholtz）共振器颈部，以阻尼在燃烧区域15中发生的燃烧频率动力学，如下面将更详细地讨论的。

根据本发明的声学计量管可移除并且可与在至少一个尺寸上不同的一个或多个额外声学计量管互换。例如，可以根据需要互换不同长度、内部直径和/或内部几何形状的声学计量管，以实现相应中空结构的声学特性的改变。在图3中所示的示例性实施例中，声学计量管26包括肩部34和外螺纹部分36，其相对于声学计量管26的轴线ta围绕声学计量管26周向设置。

环绕声学计量管26的是中空管套38，该中空管套固定到燃烧室衬里14的外表面30并从燃烧室衬里14的外表面30径向向外延伸到翼型共振器箱22的内部容积22a中。中空管套38可以例如被焊接到燃烧室衬里14。中空管套38的开口39被构造成接收声学计量管26并与延伸穿过燃烧室衬里14的孔口32对准。中空管套38的径向外边缘40接合声学计量管26的肩部34，并且中空管套38的开口39限定与声学计量管26的外螺纹部分36互补的内螺纹表面42。应注意，在图3中移除了螺纹连接的一部分，以示出在声学计量管26和中空管套38之间的接合处内的所选结构。声学计量管26可以例如通过以下方式安装到中空管套38的开口39中：将声学计量管26螺纹连接或旋拧到中空管套38中，使得中空管套38的内螺纹表面42接合声学计量管26的外螺纹部分36，并将声学计量管在期望位置处固定到燃烧室衬里14。然后可以通过从中空管套38旋开声学计量管26来移除声学计量管26并用具有相同或不同尺寸的另一声学计量管替换。如本文中更详细地解释的，应注意，根据本发明的声学计量管26可通过进入翼型共振器箱22的内部容积22a被交换而不需要进入燃烧室衬里14的内表面31和/或燃烧区域15。

如图3中进一步所示的，楔形锁定垫圈结构44可相对于轴线ta围绕声学计量管26周向设置，其中，楔形锁定垫圈结构44被夹置在声学计量管26的肩部34和中空管套38的径向外边缘40之间。当声学计量管26被固定到燃烧室衬里14时（即通过与中空管套38接合），楔形锁定垫圈结构44将声学计量管26锁定在适当位置。例如，楔形锁定垫圈结构44可以是nord-lock^®型楔形锁定垫圈（nord-lock是位于瑞典的公司nord-lockinternationalab的注册商标），其具有防止声学计量管26从中空管套38的开口39退出的多个径向延伸的凹槽。可以将扭矩施加到声学计量管26，以压缩在径向外边缘40和肩部34之间的楔形锁定垫圈结构44。

此外，尽管根据本发明的可互换声学计量管26连同径向向外延伸到空气流动空间18中的翼型共振器箱22一起示出，但应注意，可互换管26也可在燃烧室结构10内与包括任何合适的形状和/或位置的共振器箱一起使用。根据本发明的可互换声学计量管26还可用在还包括常规固定的计量管的共振器结构中。此外，在一些情况下，共振器结构中的一个或多个的共振器箱可包括与共振器箱中的其他共振器箱相比具有不同尺寸的声学计量管，以便实现对多个共振频率的阻尼。

参考图2，可以使用如本文中所述的可互换声学计量管26以有效地替换一个或多个共振器箱22中的磨损或断裂的计量管。此外，声学计量管26能够与具有不同尺寸的声学计量管26互换以在燃气涡轮发动机中实现阻尼期望的共振频率，这都不需要昂贵地维修常规的共振器箱、燃烧衬里14、和/或其他发动机部件。例如，可互换声学计量管26可以用于阻尼通常落在100至1000hz的范围内的中频动力学（ifd）。ifd已经被证明特别难以用常规构造来解决并且目前限制许多燃烧系统的性能。使用当前公开的结构和方法来减少或消除ifd可允许移除一个或多个燃料级，从而减少系统复杂性并通过提高燃烧温度和降低污染水平来促进改进的性能特性。

现在参考图4和图5，共振器箱22的一部分可以是可移除的，使得可以进入共振器箱的内部容积22a以替换或交换声学计量管26中的一个或多个。在图4中，翼型共振器箱22被示出为具有可移除地联接到翼型共振器箱22的主体48的径向外表面46。径向外表面46可以经由一个或多个合适的紧固件（诸如图4中所描绘的一个或多个螺钉50，但也可以使用其他合适类型的紧固件）联接到主体48。紧固件优选地相对于径向外表面46径向向内凹入，使得紧固件不从径向外表面46径向向外延伸到空气流动路径（未标记）中，使得在径向外表面46上的进入空气流动af基本上不受影响。

在图5a和图5b中所描绘的另一示例性实施例中，翼型共振器箱22的径向外表面46可还包括可移除或可拆卸的盖49，其允许进入翼型共振器箱22的内部容积22a。在该实施例中，径向外表面46可以诸如通过焊接固定到翼型共振器22的主体48。根据该实施例的径向外表面46包括接受可拆卸盖49的互补孔口51。保持件板52可以位于径向外表面46的内侧以接收并固定可拆卸盖49。例如，可拆卸盖49可还包括多个突出部54，其中，可拆卸盖49的转动导致突出部54接合位于保持件板52和径向外表面46之间并由其限定的盲槽56，以形成将可拆卸盖49锁定在适当位置中的捕获密封，如图5b中所示的。在一些实施例中，盲槽56的一部分可径向向内倾斜以有助于将可拆卸盖49锁定在适当位置。如图5a和图5b中所示，可拆卸盖49可以联接到径向外表面46，使得可拆卸盖49与中空管套38的位置径向对准，该中空管套38将声学计量管26固定到燃烧室衬里14以允许容易进入声学计量管26。

参考图5a和图5b，每个翼型共振器箱22均包括前缘58和后缘60，其中，前缘58面向进入的空气流动af。翼型共振器箱22的主体48可以可选地包括一个或多个孔62。孔62可以沿着主体48布置在一个或多个合适的位置处，以有助于减少来自燃烧过程的动态响应并且向翼型共振器箱22的内部容积22a、声学计量管26、和/或由翼型共振器箱22包围的燃烧室衬里的外表面30的部分提供冷却空气流动。在图5b中所示的示例性实施例中，翼型共振器箱22包括沿着前缘58定位的多个孔62。

使用根据本发明的可互换声学计量管允许根据需要有效地调整共振频率以响应改变的燃烧频率动力学。参考图2和图3，在本发明的一个示例性方面中，为了将声学计量管26的共振频率与要阻尼的频率相匹配，可以使用以下简化方程，其中，v是共振器容积（即22a），l是如图3中所示的计量管26的长度，并且a是共振器颈部开口的横截面面积（在图3中，d是共振器颈部的直径，且a为π*d²/4）：

。

另外，如在图1、图2、图4和图5b中所看到的，径向向外延伸到空气流动空间18中的翼型共振器箱22（具有或不具有可互换声学计量管26）进一步允许调节在燃烧室头部的上游的进入的空气流动af。共振器箱22的翼型消除或减少进入空气流动空间18的压缩空气的涡流，并且实现流动矫直而不会引起不可接受的大压降。翼型共振器22的形状和周向间隔也可用于达到所期望的涡流减少。根据本发明的示例性方面，翼型共振器箱22可具有约0.24的翼展宽度与弦长的比率。在其他示例性方面中，到相邻共振器的周向距离与弦长的比率可以为约0.1至0.5。认为使用这些比率中的一个或多个可有效地减少涡流、矫直流动、和/或最小化压降。共振器箱和翼型的其他方面，诸如共振器容积、翼型件相对于进入的空气流动的角度、翼型件的弦或径向渐缩和/或扭曲等，也可以被改变和优化以实现所期望的阻尼特性和/或流动调节益处。

本发明还包括使用如本文中所公开的可互换计量管来维修燃气涡轮发动机部件并阻尼燃气涡轮发动机中的多个共振频率的方法。为了说明目的，在此参考图1-5的部件，但是在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以利用其他合适的部件和构造来实现当前公开的方法。燃气涡轮发动机包括燃烧结构10，其包括限定燃烧区域15的燃烧室衬里14和从燃烧室衬里14径向向外设置的流动套管12。流动套管12与燃烧室衬里14配合以在其之间限定空气流动空间18。诸如共振器箱22的多个中空结构被直接固定到且包围燃烧室衬里14的外表面30的相应部分并且径向向外延伸到空气流动空间18中。在该方法的一些实施例中，共振器箱22包括翼型共振器箱24。中空结构22中的一个或多个包括一个或多个可互换计量管（诸如声学计量管26），其被构造成阻尼在对应中空结构22内的选择共振频率。每个可互换声学计量管26均可拆卸地联接到燃烧室衬里14并且在燃烧区域15和对应中空结构22的内部容积22a之间提供声学连通。

该方法包括进入中空结构中的一个或多个的内部容积，以便计量管中的至少一个能够被移除，并且第二计量管能够被安装在第一计量管从其被移除的位置中。在一些情况下，第一计量管可能被损坏或破裂，并且可能需要用具有相同或不同尺寸的新计量管来更换。在其他情况下，已经确定在燃烧室结构内的不同共振频率待被阻尼，在该情况下，第一计量管可以被替换为与第一计量管相比在至少一个尺寸中不同的第二计量管。根据本发明的一个方面，进入中空结构的内部容积的步骤可包括从中空结构移除盖。盖可包括例如在图5a中所描绘的可拆卸盖49，其可拆卸地联接到中空结构22的径向外表面46。根据本发明的该方面的方法可还包括在将第二计量管安装在中空结构中之后将盖重新附接到径向外表面。

应当注意，在该方法的所有方面中，进入中空结构的内部容积的步骤通过移除中空结构的径向外表面的全部或部分来执行，以便计量管可以被移除或安装而没有进入燃烧区域或燃烧室衬里的内表面。因此，不需要从燃烧室衬里移除中空结构或者拆卸燃气涡轮燃烧室的中空结构和/或任何其他部件以便更换计量管。

同样根据本发明，如图3中所描绘的，第一和第二计量管26中的每一个的外表面均可包括外螺纹部分36和围绕声学计量管26的外部管表面周向设置的肩部34。燃烧室衬里14的由中空结构22包围的部分包括被构造成接收声学计量管26的孔口32。根据本发明的一些方面，孔口可包括中空管套38，其包括径向外边缘40和与相应计量管26的外螺纹部分36互补并与其接合的内螺纹表面42。移除第一计量管可包括从中空管套旋开第一计量管，并且安装第二计量管可包括将第二计量管螺纹连接到中空管套中，使得第二计量管的肩部接合环绕中空管套的径向外边缘。应注意，根据本发明的可互换计量管在燃气涡轮燃烧室内不起任何结构目的，即将燃烧室衬里附接到燃烧室结构和/或将共振器箱附接到燃烧室衬里，并且因此其可以在维修期间从燃烧室衬里以整体方式被移除而没有不利影响。

虽然已经示出和描述了本发明的具体实施例，但是对于本领域技术人员讲显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种其他改变和修改。因此，旨在在所附权利要求书中覆盖在本发明的范围内的所有这样的改变和修改。