受控的防漏燃烧器护环的制作方法

本发明总地涉及燃气涡轮发动机，并且涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧室的护环组件。

背景技术：

燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮机部段。护环可位于燃烧器衬垫中，以提供进入发生燃烧过程的区域的触及以及对于燃烧器衬垫提供冷却。

授予jause等人的美国专利申请公开号2014/0083112公开一种燃烧器衬垫护环，该燃烧器衬垫护环可包括限定燃烧器衬垫中的孔的周界壁且进一步包括至少一个冷却空气流动通道。护环壁中的冷却空气流动通道可以是槽或孔。该通道可增大向护环和围绕护环的燃烧器衬垫的冷却流，以防止由于热应力造成的破裂。

本发明涉及克服发明人发现的或现有技术中已知的一个或多个问题。

技术实现要素：

公开一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的护环。护环包括下部环形平台，该下部环形平台具有顶表面、与顶表面相对的底表面、在下部平台的外周缘端部处在顶表面和底表面之间延伸的外表面以及内周缘端部。护环进一步包括轴环，该轴环邻近于下部环形平台的内周缘端部从该下部环形平台的顶表面延伸。护环包括位于轴环的外周缘端部处的外表面，其中，轴环的外表面与下部环形平台的外表面周向地偏移。护环进一步包括位于下部平台的顶表面中的多个顶部槽和位于下部平台的底表面中的多个底部槽。每个顶部槽和底部槽从轴环的外表面径向地延伸至下部平台的外表面。多个顶部槽沿着下部平台的周缘彼此等距地隔开，并且多个底部槽沿着下部平台的周缘彼此等距地隔开。每个顶部槽可与相邻的底部槽周向地偏移。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图2是图1所示燃烧室320的一部分的剖视图。

图3是围绕共振器339的图2所示燃烧室的截面部分的放大视图。

图4是以相较于图3偏移的角度围绕共振器339的图2所示燃烧室的截面部分的放大视图。

图5是图3所示燃烧室的一部分的立体图。

图6是用于燃气涡轮发动机的燃烧室的护环的立体图。

具体实施方式

这里公开的系统和方法包括具有护环组件的燃烧室。护环组件可组装至燃烧室的外衬垫和延伸穿过外衬垫的导管。护环组件可包括浮动护环，该浮动护环特征在于多个冷却槽。冷却槽可提供用于冷却空气的开口通道，控制并将冷却空气引导至外衬垫的某些热点区域。

图1是示例性燃气涡轮发动机100的示意图。出于清楚和易于解释起见，已省略或放大其中一些表面(这里和在其它附图中)。此外，本发明可参照向前和向后方向。通常，对于“向前”和“向后”的所有参照与主要空气(即，在燃烧过程中使用的空气)的流动方向相关联，除非另外规定。例如，向前相对于主要空气流处于“上游”，而向后相对于主要空气流处于“下游”。

此外，本发明可总地参照燃气涡轮发动机的转动的中心轴线95，该中心轴线可通常由该燃气涡轮发动机的轴120(由多个轴承组件150支承))的纵向轴线所限定。中心轴线95对于各种其它发动机同心部件可以是共用或共享的。对于径向、轴向和周向方向和测量的所有参照指代中心轴线95，除非另有规定，且诸如“内部”和“外部”的术语通常指示距中心轴线95的较小和较大径向距离，其中，径向96可以是垂直于中心轴线95且从该中心轴线向外辐射的任何方向。

燃气涡轮发动机100包括入口110、轴120、压缩机200、燃烧器300、涡轮机400、排气部500以及动力输出联接器600。燃气涡轮发动机100可具有单轴或双轴配置。

压缩机200包括压缩机转子组件210、压缩机固定叶片(定子)250以及入口引导叶片255。压缩机转子组件210机械地联接于轴120。如图所示，压缩机转子组件210是轴向流转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220包括压缩机转子盘，该压缩机转子盘轴向地填充有压缩机转子叶片。定子250轴向地跟随每个压缩机盘组件220。与跟随压缩机盘组件220的相邻定子250配对的每个压缩机盘组件220被认为是压缩机级。压缩机200包括多个压缩机级。入口引导叶片255轴向地先于压缩机级。

燃烧器300包括一个或多个燃料喷射器310并且包括一个或多个燃烧室320。燃烧室320可包括外衬垫311和内衬垫312。外衬垫311可限定燃烧室320的外边界并且可通常包括中空主体形状。内衬垫312可定位成相对于外衬垫311径向地向内。内衬垫312可限定燃烧室320的内边界并且可通常包括中空主体形状。燃料喷射器310可绕中心轴线95环形地设置。

涡轮机400包括涡轮机转子组件410和涡轮机喷嘴450。涡轮机转子组件410机械地联接于轴120。如图所示，涡轮机转子组件410是轴向流转子组件。涡轮机转子组件410包括一个或多个涡轮机盘组件420。每个涡轮机盘组件420包括涡轮机盘，该涡轮机盘周向地填充有涡轮机叶片。涡轮机喷嘴450轴向地先于在涡轮机盘组件420。每个涡轮机盘组件420在与先于涡轮机盘组件420的相邻涡轮机喷嘴450配对时被认为是涡轮机级。涡轮机400可包括多个涡轮机级。

排气部500包括排气扩散器510和排气收集器520。动力输出联接器600可位于轴120的端部处。

图2是图1所示燃烧室320的一部分的剖视图。出于清楚起见，并未示出燃烧室320的某些部分。如图所示，燃烧室320可以是双壁式腔室。具体地说，外衬垫311包括两个衬垫：外部外衬垫322和内部外衬垫321。外部外衬垫322可形成外部屏障，而内部外衬垫321可形成内部屏障。内部外衬垫321可定位相对于外部外衬垫322径向地向内，以在它们之间形成具有环形形状的腔室333。类似地，内衬垫312包括两个衬垫：内部内衬垫323和外部内衬垫324。外部内衬垫324可形成外部屏障，而内部内衬垫323可形成内部屏障。内部内衬垫323可定位相对于外部内衬垫324径向地向内，以在它们之间形成具有环形形状的内部腔室。此外，燃烧区域319可位于内部外衬垫321和内部内衬垫323之间。

燃烧室320可包括拱形板335，该拱形板位于燃烧室320的前端部处，在此，燃料和空气喷射到燃烧室320中。拱形板335可包括环形或环面形状。拱形板335的轴线可以相对于中心轴线95同心。

燃烧室320可包括诸如管件325的导管，该管件插入通过外部外衬垫322和内部外衬垫321。管件325可穿透通过两个衬垫，并且形成进入燃烧区域319的开口。通道328可在管件325的内壁之间延伸并且与燃烧区域319流体连通。在一些情形中，燃烧室320可包括多个管件325，这些管件绕燃烧室320周向地插入。在燃烧过程期间，燃料可趋于如箭头336所示沿向外方向流动。诸如共振器339的某些部件可防止或阻碍燃料沿箭头336的方向流动，这将在下文进行解释。

在特定的实施例中，共振器339可与燃烧室320联接。共振器339可组装在管件325外部。共振器339可位于燃烧室320的前端部附近，并且可组装至外部外衬垫322。在一些情形中，支承支架326可将共振器339联接于外部外衬垫322。此外，附加的成角度支承支架329可有助于支承支架326将共振器339联接于外部外衬垫322。支承支架326可定位成相对于外部外衬垫322径向地向外，以在它们之间形成通道334。共振器339可以是其内具有腔室的诸如中空筒体的中空结构。在一些实施例中，共振器339是中空罐。在一些实施例中，共振器339包括多个孔，这些孔延伸穿过顶表面或者穿过共振器339的侧壁。多个孔可允许来自共振器339外部的空气流入到共振器339中。这可将燃料(或热气体)沿如箭头340所指示的向内方向吹扫远离共振器339的腔室。此外，共振器339可以是腔室共振器，该腔室共振器吸收由于燃烧过程产生的振动力。

护环组件330可组装至环形部件，该环形部件插入到通过外部外衬垫322和内部外衬垫321的开口中。例如，护环组件330可联接于与燃烧区域319流体连通的管件325。护环组件330可保护管件325免受振动力和/或热膨胀或收缩的影响。在一些实施例中，存在多个护环组件330，这些护环组件绕燃烧室320的周缘组装，且每个护环组件330均联接于管件325。在一些实施例中，护环组件330是共振器护环组件、焊枪护环组件、点火器护环组件、火焰护目镜护环组件或者燃料喷射器护环组件。

图3是围绕共振器339的图2所示燃烧室的截面部分的放大视图。图4是以相较图3偏移的角度围绕共振器339的图2所示燃烧室的截面部分的放大视图。图5是图3所示燃烧室的一部分的立体图。如图3-5所示，护环组件330可包括两个子组件：内护环组件331和外护环组件332(有时称为第二护环组件)。内护环组件331可包括浮动护环341(有时称为开槽式冷却护环)、保持护罩342以及保持螺母343。外护环组件332可包括细长护环344、外保持护罩345以及外保持螺母346。

护环组件330可通常绕组装轴线385回转。组装轴线385可以是管件325的中心轴线。对于径向、轴线和周向方向以及关于护环组件330及其部件的测量的所有参照指代组装轴线385，且诸如“内”和“外”的术语通常指示距组装轴线385的较小或较大径向距离。

在一些情形中，保持护罩342(有时称为第一固定部件)是环形部件，该环形部件具有基部平台360和上部平台361(有时称为上环部)。基部平台360可以是这样的环形结构，该环形结构具有环形顶表面379、环形底表面以及内表面380，该内表面位于基部平台360的内周缘端部处并且限定该内周缘端部。上部平台361也可以是这样的环形结构，该环形结构具有环形顶表面、环形底表面以及内表面369，该内表面位于上部平台361的周缘端部处并且限定该周缘端部。上部平台361可从基部平台360的顶表面379轴向地向上延伸。附加地，上部平台361可在基部平台360的外周缘端部之上形成壁结构。在一些情形中，保持护罩342是护环。此外，保持护罩342可具有带螺纹的外表面。在某些实施例中，基部平台360可固定地附连于内部外衬垫321。基部平台360可通过铜焊或焊接附连于内部外衬垫321。在某些实施例中，基部平台360的顶表面379可以是搁架，该搁架接纳诸如浮动护环341的另一部件。顶表面379可称为接纳表面。

在一些情形中，保持螺母343(有时称为第二固定部件)是环形部件，该环形部件具有覆盖部分362和壁部分363(有时称为下部环形壁)覆盖部分362可以是环形顶板结构，该环形顶板结构具有位于覆盖部分362的一个周缘端部处的内表面366。在一些情形中，内表面366是圆形的。覆盖部分362还可包括从覆盖部分362的顶表面延伸的孔364(在图5中示出)。孔364可以是螺钉孔，该螺钉孔配置成接纳诸如螺钉、螺栓、销等等的紧固件。在一些情形中，孔364配置成由诸如焊接部的粘合剂部件填充。在一些情形中，覆盖部分362包括多个孔364。壁部分363可以是在覆盖部分362的外周缘端部下方延伸的圆柱形壁。在一些实施例中，壁部分363的内表面带有螺纹。壁部分363可在壁部分363的内表面中包括螺纹凸起365。

保持螺母343能可固定地附连于保持护罩342。在一些实施例中，保持螺母343组装在保持护罩342之上。在保持螺母343的外表面带螺纹的实施例中，保持螺母343螺接到保持护罩342的壁部分363的带螺纹内表面中。在一些实施例中，保持螺母343和保持护罩342通过焊接固定在一起。在此类实施例中，焊接部插入到孔364中。在其它实施例中，保持螺母343和保持护罩342通过将紧固件紧固通过孔364而固定在一起。

在一些情形中，浮动护环341是环形部件，该环形部件具有升起平台351(有时称为圆柱形平台或轴环)和下部平台352(有时称为下部环形平台)。升起平台351可以是从下部平台352延伸的圆柱形轴环。此外，升起平台351可包括外表面355。下部平台352可以是环形盘结构，该环形盘结构具有顶表面353和底表面354。下部平台352可包括外表面356。

如图3和图5中所示，多个槽可定位在顶表面353中。例如，顶表面353可包括至少一个顶部槽347。顶部槽347可以是从顶表面353朝向底表面354延伸某一深度的圆柱形沟槽。顶部槽347可沿着顶表面353径向地延伸。此外，顶部槽347可从升起平台351的外表面355径向地延伸至下部平台352的外表面356。在一些实施例中，顶部槽347是直圆柱形沟槽。在一些实施例中，顶部槽347是弧形的圆柱形沟槽或弯曲的圆柱形沟槽。

在某些实施例中，浮动护环341并非可固定地附连于保持护罩342或保持螺母343。浮动护环341可定位在保持护罩342的基部平台360和保持螺母343的覆盖部分362之间。具体地说，浮动护环341的下部平台352可在覆盖部分362和基部平台360径向地延伸。浮动护环341的升起平台351可与覆盖部分362径向地隔开。在一些情形中，浮动护环341配置成在燃气涡轮发动机100的操作期间热膨胀。

细长护环344可以是具有轴部分370和凸缘部分371的护环。轴部分370可以是具有圆形顶表面的细长环形结构。此外，轴部分370可围绕管件325组装。凸缘部分371可以是从轴部分370周向地向外延伸的环面。在一些情形中，浮动护环341固定抵靠于细长护环344。

外保持护罩345可包括与保持护罩342类似的结构配置。外保持护罩345可以是具有基部平台372和上部平台373的环形部件。基部平台372可以是具有环形顶表面和环形底表面的环形结构。上部平台373也可以是这样的环形结构，该环形结构具有环形顶表面和环形底表面以及内表面，该内表面位于上部平台373的一个周缘端部处。上部平台373可从基部平台372的顶表面轴向地向上延伸。附加地，上部平台373可在基部平台372之上形成升起壁。在一些情形中，外保持护罩345是护环。此外，外保持护罩345可具有带螺纹的外表面。在某些实施例中，基部平台372可固定地附连于内部外衬垫321。基部平台372可通过焊接或铜焊附连于外部外衬垫322。在某些实施例中，基部平台372可以是搁架，该搁架接纳诸如细长护环344的另一部件。基部平台372可称为接纳表面。

外保持螺母346可包括与保持螺母343类似的结构配置。在一些情形中，外保持螺母346是具有覆盖部分374和壁部分375的环形部件。覆盖部分374可以是环形顶板结构，该环形顶板结构具有位于覆盖部分374的一个周缘端部处的内表面。覆盖部分374还可包括从覆盖部分374的顶表面延伸的孔376(在图5中示出)。孔376可以是螺钉孔，该螺钉孔配置成接纳诸如螺钉、螺栓、销等等的紧固件。在一些情形中，孔376配置成由诸如焊接部的粘合剂部件填充。在一些情形中，覆盖部分374包括多个孔376。壁部分375可以是在覆盖部分374下方延伸的圆柱形壁。壁部分375可在壁部分375的内表面中包括螺纹凸起377。

外保持螺母346能可固定地附连于外保持护罩345。在一些实施例中，外保持螺母346组装在外保持护罩345之上。在外保持螺母346的外表面带螺纹的实施例中，外保持螺母346螺接到外保持护罩345的壁部分375的带螺纹内表面中。在一些实施例中，外保持螺母346和外保持护罩345通过焊接固定在一起。在此类实施例中，焊接部插入到孔376中。在一些实施例中，外保持螺母346和外保持护罩345通过将紧固件紧固通过孔376而固定在一起。

如图所示，上部间隙367可形成在浮动护环341的外表面355和保持螺母343的内表面366之间。在某些情形中，顶部槽347在顶部槽347和保持螺母343的覆盖部分374的底表面383之间限定空气流通道。附加地，空气流可进入到上部间隙367中，并且如箭头337所示行进通过顶部槽347。空气流可以源自例如从延伸穿过外部外衬垫322(未示出)的撞击冷却孔、在腔室333内行进的空气。此外，空气流可例如由箭头337所示持续流入到下部间隙368中。下部间隙368可形成在浮动护环341的外表面356和保持护罩342的内表面369之间。在一些实施例中，例如图4中所示，空气流通路可持续行进通过下部间隙368并行进到底部槽348中。

图4以与图3相同的方式与管件325组装在一起的护环组件330。此外，图4示出处于与图3中示出的浮动护环341相比不同的角度的浮动护环341。具体地说，图4示出底部槽348且并不示出顶部槽347。例如下文将在图6中描述地是，顶部槽347和底部槽348可彼此周向地偏移。

在一些情形中，多个槽可位于浮动护环341的底表面354中。例如，底表面354可包括至少一个底部槽348。底部槽348可以是从底表面354朝向顶表面353延伸某一深度的圆柱形沟槽。底部槽348可沿着底表面354径向地延伸。此外，底部槽348可从升起平台351的外表面355径向地延伸至下部平台352的外表面356。在一些实施例中，底部槽348是直圆柱形沟槽。在一些实施例中，底部槽348是弧形圆柱形沟槽。

在某些情形中，底部槽348在底部槽348和保持护罩342的基部平台360的顶表面379之间限定空气流通道。空气流可例如由箭头338所示从下部间隙368行进通过底部槽348。空气流可同样如箭头338所示持续行进通过底部槽348并且离开进入出口区域378。出口区域378可以是形成在浮动护环341的下部平台352的底表面354、内部外衬垫321的顶表面381以及保持护罩342的内表面380之间的开口。空气流也可行进经过相邻的衬垫部分327(有时称为热点区域)并且冷却相邻的衬垫部分327。在一些实施例中，相邻的衬垫部分327是内部内衬垫321紧邻于出口区域378的一部分。

图6是用于燃气涡轮发动机的燃烧室的护环的立体图。具体地说，图6是浮动护环341的立体图。如上所述，浮动护环341可包括下部平台352和升起平台351。升起平台351可从下部平台352的顶表面353向上延伸。浮动护环341可通常绕轴线395回转。对于径向、轴线和周向方向以及关于浮动护环341及其部件的测量的所有参照是指轴线395，且诸如“内”和“外”的术语通常指示距轴线395的较小或较大径向距离。

在某些情形中，浮动护环341包括多个顶部槽347和多个底部槽348。在一些情形中，浮动护环341包括至少两个顶部槽347和至少两个底部槽348。在一些情形中，浮动护环341包括至少两个顶部槽347和至少两个底部槽348。在一些情形中，浮动护环341包括至少四个顶部槽347和至少四个底部槽348。在一些情形中，浮动护环341包括至少六个顶部槽347和至少六个底部槽348。在一些情形中，浮动护环341包括至少八个顶部槽347和至少八个底部槽348。在一些情形中，浮动护环341包括至少12个顶部槽347和至少12个底部槽348。

每个顶部槽347可具有宽度349。在一些情形中，宽度349范围从0.015”至0.1”。在一些情形中，宽度349是0.04”。每个底部槽348可具有宽度350。在一些情形中，宽度350范围从0.015”至0.1”。在一些情形中，宽度350是0.03”。

每个顶部槽347可具有深度384。在一些情形中，深度384范围从0.015”至0.1”。在一些情形中，深度384是0.04”。每个底部槽348可具有深度382。在一些情形中，深度382范围从0.015”至0.1”。在一些情形中，深度382是0.03”。

在某些实施例中，深度384和宽度349具有相等的长度。这样，每个顶部槽347可具有正方形横截面。在某些实施例中，深度382和宽度350具有相等的长度。这样，每个底部槽348可具有正方形横截面。

每个顶部槽347可由周向距离358彼此隔开，该周向距离等于下部平台352的周长除以顶部槽的数量。每个底部槽348可由周向距离359彼此隔开，该周向距离等于下部平台352的周长除以底部槽348的数量。换言之，每个顶部槽347可沿着下部平台352的周缘彼此等距地隔开，且每个底部槽348可沿着下部平台352的周缘彼此等距地隔开。在特定的实施例中，周向距离358范围是从0.1”至1.0”。在特定的实施例中，周向距离359范围是从0.1”至1.0”。

每个顶部槽347的位置可沿着下部平台352的周向平面偏离相邻的底部槽348。例如，顶部槽347可与底部槽348隔开周向距离357。在一些情形中，每个底部槽348定位在一对顶部槽347之间的一半位置处。这样，周向距离357可等于周向距离358的1/2。

上述部件(或它们的子部件)的一个或多个可由不锈钢和/或称为“超合金”的耐久高温材料制成。超合金或高性能合金是具有优良机械强度和高温下的耐蠕变形、良好的表面稳定性以及耐腐蚀和氧化性的合金。超合金可包括诸如hastelloy、合金x、inconel、waspaloy、rene合金、haynes合金、合金188、合金230、incoloy、mp98t、ims合金和cmsx单晶合金的材料。

工业实用性

燃气涡轮发动机可适用于各种工业应用，例如油和气体工业的各个方面(包括油和天然气的运输、收集、存储、回收和提升)、发电工业、热电联供、航天以及其它运输工业。

参照图1，气体(通常是空气10)作为“工作流体”进入入口110，并且由压缩机200压缩。在压缩机200中，工作流体通过一系列压缩机盘组件220在环形流动通路115中压缩。具体地说，空气10经编号的“级”中压缩，这些级与每个压缩机盘组件220相关联。例如，“第四级空气”可与沿从入口110朝向排气部500行进的下游方向或“向后”方向、在第四个压缩机盘组件220相关联。类似地，每个涡轮机盘组件420可与经编号的级相关联。

一旦经压缩空气10离开压缩机200，该空气进入燃烧器300，在此，该空气扩散并且增加燃料。空气10和燃料经由燃烧室310喷射到燃烧室320中并且燃烧。通过一系列涡轮机盘组件420的每个级经由涡轮机400从燃烧反应中提取能量。废气90然后在排气扩散器510中扩散、收集和改向。废气90经由排气收集器520离开系统，并且可进一步处理(例如，以减少有害排放物，和/或回收来自废气90的热量)。

随着现代发动机的温度升高，燃烧器衬垫中的破裂或其它变形变得日益普遍。具体地说，在通向诸如共振器管件的燃烧区域中的开口通道附近，在燃烧器衬垫的各部分中会产生热点。这些热点可能由于接近诸如燃烧区域的极端高温区域而产生。诸如护环组件的围绕共振器管件的部件可包括某些冷却特征件，以降低这些热点位置中的温度。例如，具有多个顶部冷却槽和底部冷却槽的护环可联接于共振器管件，以提供通至热点位置的冷却空气通道。

护环组件330可包括浮动护环341，该浮动护环具有多个顶部冷却槽347和底部冷却槽348。冷却空气可行进通过浮动护环341的顶部冷却槽347、经过浮动护环341的下部平台352的外表面356并且通过底部冷却槽348离开。冷却空气可行进经过热点区域327并且由此降低燃烧器衬垫的温度。冷却空气通道的组合可为热点提供受控量的空气泄漏。

前文详细描述在本质上仅仅是示例性的，并且并不旨在限制本发明或本申请以及本发明的使用。所描述的实施例并不局限于结合特定类型的燃气涡轮发动机来使用。因此，虽然本发明为了便于解释而示出和描述了特定的护环组件，但应意识到的是，根据本发明的护环组件能以各种其它配置实施以触及燃烧器内部，能用于各种其它类型的燃气涡轮发动机并且能用在其它类型的机器中。此外，不期望受到前述背景或详细描述中呈现的任何理论的限制。还应理解的是，这些视图可包括放大的尺寸以更佳地说明所示出的附图标记，并且并不被认为有限制，除非明确地这样陈述。