用于涡轮机的燃烧器组件
阅读：992发布：2020-05-08
专利汇可以提供用于涡轮机的燃烧器组件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于 涡轮 机的 燃烧器 组件。总体上提供一种 涡轮机 ，其包括限定逆流 燃烧室 的环形衬套组件。衬套组件包括第一部件，其限定内径(ID)燃烧器入口部分、外径(OD)燃烧器出口部分和外径(OD)涡轮护罩部分，在其中第一部件在内径燃烧器入口部分与外径燃烧器出口部分之间限定基本上实心的体积。，下面是用于涡轮机的燃烧器组件专利的具体信息内容。
1.一种涡轮机，所述涡轮机包括:
环形衬套组件，在其内限定逆流燃烧室，所述衬套组件包括第一部件，所述第一部件限定内径(ID)燃烧器入口部分、外径(OD)燃烧器出口部分和外径(OD)涡轮护罩部分，其中，所述第一部件在所述内径燃烧器入口部分与所述外径燃烧器出口部分之间限定基本上实心的体积。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述第一部件是从所述ID燃烧器入口部分至所述OD燃烧器出口部分和所述OD涡轮护罩部分限定的单个整体部件。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中，所述涡轮护罩部分至少在所述涡轮机的涡轮部段的第一涡轮动叶之上延伸。
4.根据权利要求3所述的涡轮机，其中，在所述第一涡轮动叶之上延伸的所述第一部件的OD涡轮护罩部分被限定在所述ID燃烧器入口部分的直接径向向内。
5.根据权利要求3所述的涡轮机，其中，主燃烧区在所述燃烧室处被限定在所述第一部件的ID燃烧器入口部分的直接径向向外，并且其中，所述主燃烧区被限定于在所述第一涡轮动叶之上延伸的所述OD涡轮护罩部分的直接径向向外。
6.根据权利要求3所述的涡轮机，其中，从圆顶组件的偏转器壁限定一径向平面，并且其中，所述第一部件的OD涡轮护罩部分在所述第一涡轮动叶之上至少延伸至所述径向平面。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述环形衬套组件包括陶瓷基质复合物材料。
8.根据权利要求7所述的涡轮机，其中，所述陶瓷基质复合物材料包括碳化硅(SiC)、硅、硅石或氧化铝基质材料，或者其组合。
9.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，在所述ID燃烧器入口部分与所述OD燃烧器出口部分之间所述第一部件的体积的近似95%或更大是实心的。
10.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，在所述ID燃烧器入口部分与所述OD燃烧器出口部分之间在所述第一部件处限定一半径范围。
用于涡轮机的燃烧器组件
技术领域
背景技术
[0002] 各种涡轮机、诸如燃气涡轮发动机包括燃烧器组件，其带有逆流燃烧器组件，在其中流过燃烧部段。通常，涡轮机设计者和制造商面临挑战以减少零件数量、重量和尺寸以改善涡轮机效率、性能和成本。因此，需要一种涡轮机，其通过改善的燃烧器和涡轮结构改善涡轮机效率、性能和成本。
发明内容
[0003] 本发明的方面和优点将在接下来的说明中部分地来阐述，或者可从说明中显而易见，或者可通过本发明的实践来了解。
[0004] 总体上提供一种涡轮机，其包括限定逆流燃烧室的环形衬套组件。衬套组件包括第一部件，其限定内径(ID)燃烧器入口部分、外径(OD)燃烧器出口部分和外径涡轮护罩部分，在其中第一部件在内径燃烧器入口部分与外径燃烧器出口部分之间限定基本上实心的体积。
[0005] 在各个实施例中，第一部件是从ID燃烧器入口部分至OD燃烧器出口部分和OD涡轮护罩部分限定的单个整体部件。
[0006] 在一个实施例中，涡轮护罩部分至少在涡轮机的涡轮部段的第一涡轮动叶之上延伸。在另一实施例中，在第一涡轮动叶之上延伸的第一部件的OD涡轮护罩部分被限定在ID燃烧器入口部分的直接径向向内。
[0007] 在又一实施例中，主燃烧区在燃烧室处被限定在第一部件的ID燃烧器入口部分的直接径向向外。主燃烧区被限定于在第一涡轮动叶之上延伸的OD涡轮护罩部分的直接径向向外。
[0008] 在又一实施例中，从圆顶组件的偏转器壁限定径向平面。第一部件的OD涡轮护罩部分在第一涡轮动叶之上至少延伸至该径向平面。
[0010] 在一个实施例中，在ID燃烧器入口部分与OD燃烧器出口部分之间第一部件的体积的近似95%或更大是实心的。
[0011] 在各个实施例中，在ID燃烧器入口部分与OD燃烧器出口部分之间在第一部件处限定一半径范围(radius)。在一个实施例中，在ID燃烧器入口部分与OD燃烧器出口部分之间第一部件的体积等于或小于在第一部件处所限定的半径范围。
[0012] 在又各个实施例中，涡轮机还包括喷嘴组件，其在第一部件OD燃烧器出口部分处联结至环形衬套组件。在一个实施例中，喷嘴组件被限定为与环形衬套组件的第一部件成一体的单个结构。在另一实施例中，环形衬套组件还包括置于喷嘴组件下游的一个或更多个静叶组件。该一个或更多个静叶组件作为与环形衬套组件的第一部件成一体的单个结构来联结。
[0013] 本公开的另一方面针对一种用于燃气涡轮发动机的气体发生器。气体发生器包括复合环形衬套组件，其在其内限定逆流燃烧室。衬套组件包括第一部件，其限定了一起一体形成的内径(ID)燃烧器入口部分、外径(OD)燃烧器出口部分和外径(OD)涡轮护罩部分。在ID燃烧器入口部分与OD燃烧器出口部分之间第一部件的体积的近似95%或更大是实心的。
[0014] 在一个实施例中，第一部件是从ID燃烧器入口部分至OD燃烧器出口部分和OD涡轮护罩部分限定的单个整体部件。
[0015] 在另一实施例中，气体发生器还包括圆顶组件，其包括偏转器壁。从偏转器壁限定径向平面，并且第一部件的ID燃烧器入口部分从径向平面至一半径范围来限定，该半径范围限定在衬套组件的第一部件处。
[0016] 在又一实施例中，第一部件的OD涡轮护罩部分被限定在第一部件的ID燃烧器入口部分的径向向内。
[0017] 在又一实施例中，主燃烧区在燃烧室处被限定在衬套组件的第一部件与第二部件之间。主燃烧区直接径向上在衬套组件的第一部件与第二部件之间限定在第一部件的半径范围与圆顶组件的偏转器壁之间。
[0018] 在又一实施例中，第一部件的OD涡轮护罩部分在第一涡轮动叶之上延伸。
附图说明
[0020] 参考附图在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开内容、包括其最佳实施方式，其中：图1是根据本公开的各个实施例的涡轮机发动机的示例性实施例的示意性横截面视图；以及
图2是关于图1所描绘的涡轮机的气体发生器的一部分的示例性实施例的示意性横截面视图。
图2是关于图1所描绘的涡轮机的气体发生器的一部分的示例性实施例的示意性横截面视图。
[0021] 在本说明书和附图中重复使用附图标记旨在代表本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
[0022] 现在将详细参考本发明的实施例，其中的一个或更多个示例在附图中示出。各个示例通过解释本发明、而非限制本发明来提供。事实上，对于本领域技术人员将显而易见的是可在本发明中做出各种修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分所示出或说明的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本发明旨在涵盖在所附权利要求及其等同物的范围内的这样的修改和变化。
[0023] 如此处所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地来使用以将一个构件与另一构件区分而不旨在表示单个构件的位置或重要性。
[0024] 术语“上游”和“下游”涉及相对于流体路径中的流体流的相对方向。例如，“上游”涉及流体流来的方向，而“下游”涉及流体流去的方向。
[0025] 总体上提供包括气体发生器组件的涡轮机的实施例，其可经由减少零件数量、重量和尺寸来改善涡轮机的性能和效率。这里总体上所提供的实施例提供了大致集成的燃烧器流动路径和涡轮流动路径结构，这样以减少在其之间使用的附连方法或附连结构或紧固器的量。这里总体上所提供的实施例可进一步减少或消除经过衬套组件的至少一部分的冷却空气流，从而改善涡轮机和气体发生器的效率和性能。
[0026] 现在参考附图，图1是示例性涡轮机10的示意性部分横截面侧视图，其在这里涉及可包括本公开的各个实施例的“发动机10”。尽管下面通常参照燃气涡轮发动机来进一步描述，但是本公开也可适用于一般涡轮机械，包括船用和工业燃气涡轮发动机、辅助动力单元以及用于涡轮风扇、涡轮喷气机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机核心。
[0027] 如在图1中所示，为了参考目的，发动机10具有这里延伸穿过的纵向或轴向中心线轴线12。发动机10限定轴向A以及上游端99和下游端98。上游端99通常对应于空气从此处进入发动机10的发动机10的端部而下游端98通常对应于空气在此处离开发动机10的通常与上游端99相反的端部。参考轴向A被限定成与发动机10的轴向中心线12同向。参考径向R从轴向中心线10垂直于轴向A延伸。
[0028] 发动机10包括气体发生器100，其通常可包括限定环形入口20的大致管状的外壳。外壳通常以串联流动关系包围或至少部分地形成：具有增压或低压(LP)压缩机22、高压(HP)压缩机24的压缩机部段21，燃烧部段26，以及包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30的涡轮部段31。高压(HP)转子轴34通常将HP涡轮28驱动地连接至HP压缩机24。低压(LP)转子轴36通常将LP涡轮30驱动地连接至LP压缩机22。
[0029] 然而，应理解的是，在其他实施例中，LP压缩机22还可包括附连至其的风扇或螺旋桨组件。在未绘出的另一些其他实施例中，发动机10可包括中间管筒(spool)，其包括置于LP压缩机22与HP压缩机之间的中压压缩机，以及置于HP涡轮28与LP涡轮30之间的中压涡轮。在未绘出的又一些其他实施例中，发动机10可包括空气动力学地联结至气体发生器100的自由涡轮。
[0030] 空气流通过入口20进入发动机10，例如经由箭头77示意性所示。空气流77通过压缩机部段21被愈加压缩以在燃烧部段26处产生压缩空气，例如经由箭头82示意性所示。压缩空气82流入燃烧部段26并且与液体和/或气体燃料混合以产生燃烧气体88，如关于图2进一步所示出和所说明的那样。燃烧气体88然后流入涡轮部段31并且膨胀以经由可旋转地联结至相应压缩机22、24的轴34、36驱动压缩机部段21。
[0031] 现在参考图2，总体上提供气体发生器100的一部分的示例性实施例的示意性横截面视图。气体发生器100通常包括压缩机部段21(图1)的至少一部分例如HP压缩机24、燃烧部段26和涡轮部段31(图1)的至少一部分例如HP涡轮28。气体发生器100包括限定逆流燃烧部段的燃烧部段26。例如，由箭头82示意性所示，压缩空气流大体沿轴向第一方向离开压缩机部段21。如箭头84示意性所示，当空气流84进入燃烧室66时，进入燃烧室66的空气流从空气流82的轴向第一方向转向大致180度至轴向第二方向(也就是，与轴向第一方向相反)。进入燃烧室66的空气流84与来自燃料喷射器70的液体和/或气体燃料流(由箭头86示意性示出)混合。空气流84与燃料流86混合在一起并且燃烧(或者在其他实施例中，爆炸)以产生燃烧气体，例如由箭头88示意性所示。燃烧气体流88转向大致180度以在轴向第一方向上流过HP涡轮28，例如由箭头90示意性所示。
[0032] 气体发生器100的燃烧器组件26包括限定逆流燃烧室66的环形衬套组件105。衬套组件105包括第一部件110和第二部件120，它们一起在其之间形成燃烧室66。例如，第一部件110和第二部件120各自限定衬套组件105的衬套。衬套组件105至少部分或全部由陶瓷基质复合物(CMC)材料形成。
[0033] 示例性CMC材料可包括碳化硅(SiC)、硅、硅石或氧化铝基质材料以及其组合。陶瓷纤维可置入基质内，例如氧化稳定加强纤维，其包括单丝如蓝宝石和碳化硅(例如，Textron的SCS-6)，以及粗纱和纱线，其包括碳化硅(例如，Nippon Carbon的NICALON®、Ube Industries的TYRANNO®和Dow Corning的SYLRAMIC®)，水合硅酸铝(例如，Nextel的440和480)，以及截切晶须和纤维(例如Nextel的440和SAFFIL®)，和可选地陶瓷颗粒(例如Si、Al、Zr、Y的氧化物及其组合)和无机填料(例如叶蜡石、钙硅石、云母、滑石、蓝晶石和蒙脱石)。例如，在某些实施例中，可包括陶瓷耐火材料覆层的纤维束形成为强化带，例如单向强化带。多个带可被放在一起(例如，作为叠层)以形成预成型构件。纤维束可在形成预成型件之前或在预成型件形成之后以浆料合成物来浸渍。预成型件然后可经受热处理例如固化或烧净(burn-out)以在预成型件中产生高炭残余物，并且经受随后的化学处理例如以硅熔融渗透以获得由具有期望的化学成分的CMC材料形成的构件。在其他实施例中，CMC材料可形成为例如碳纤维布，而非带。
[0034] 仍参照图2，衬套组件105的第一部件110限定了内径(ID)燃烧器入口部分112、外径(OD)燃烧器出口部分114和外径(OD)涡轮护罩部分116。在各个实施例中，第一部件110在ID燃烧器入口部分112与OD燃烧器出口部分114之间限定基本上实心的体积。在一个实施例中，在ID燃烧器入口部分112与OD燃烧器出口部分114之间第一部件110的体积111的近似95%至近似100%是实心的。在另一实施例中，第一部件110的体积111的近似97%至近似100%是实心的。在又一实施例中，第一部件110的体积111的近似99%至近似100%是实心的。在还又一实施例中，第一部件110的体积的近似100%是实心的。在各个实施例中，第一部件110的体积111的近似0%至近似5%是多孔的或者以其他方式在体积111中限定空隙。在一个实施例中，第一部件110的体积111的近似0%至近似3%是多孔的。在另一实施例中，第一部件110的体积111的近似0%至近似1%是多孔的。在又一实施例中，第一部件110的体积111的近似0%是多孔的。
[0035] 在又各个实施例中，第一部件110的基本上实心的体积111在ID燃烧器入口部分112、OD燃烧器出口部分114、燃烧器流动路径在此转向的半径范围163(下面进一步限定)之间，并且沿着对应于喷嘴组件140或者一个或更多个静叶组件141、142的平面，例如下面进一步所述。这样，在第一部件110的ID燃烧器入口部分112与OD燃烧器出口部分114之间的基本上实心的体积111减小热梯度，从而改善燃烧器组件26和气体发生器100性能。
[0036] 包括CMC材料的第一部件110使能够将第一部件110的ID燃烧器入口部分112和OD燃烧器出口部分114限定为大致单个整体部件，其中整体部件的两侧各构成连续流动路径的一部分。例如，与在ID燃烧器入口部分112与OD燃烧器出口部分116之间限定凹腔、通路、空间或者分隔相比，CMC材料使能够减小穿过第一部件110的基本上实心的体积111的温度梯度，从而减少穿过其的冷却流量。在一个实施例中，第一部件110进一步限定了进一步经过OD涡轮护罩部分116、OD燃烧器出口部分114和ID燃烧器入口部分112的单个整体部件。这样，衬套组件105的第一部件110可使实现特别改善的燃烧器组件26和气体发生器100，例如经由减少或消除经过第一部件110的冷却空气，或者减少径向尺寸或体积(例如沿径向、周向和轴向)，从而减少气体发生器100和发动机10尺寸和重量并且改善效率和性能。
[0037] 应理解的是，在各个实施例中OD涡轮护罩部分116限定了在HP涡轮28处大致围绕第一涡轮转子228延伸的一部分，第一涡轮转子228包括附连至其的第一涡轮动叶328。第一涡轮转子228置于燃烧器组件26的燃烧室66的下游。在一个实施例中，第一涡轮转子228置于第一涡轮静叶或喷嘴组件140直接下游流动布置中(即，邻近于此)。喷嘴组件140在衬套组件105处在第一部件110与第二部件120之间置于OD燃烧器出口部分114处。在一个实施例中，喷嘴组件140被限定为与衬套组件105的第一部件110一体的单个结构。例如，喷嘴组件140可作为单个整体结构被附连至喷嘴组件的第一部件110。
[0038] 在各个实施例中，第一部件110可在喷嘴组件140的下游进一步延伸，从而进一步包括涡轮部段31的中间静叶组件141。如关于图2所绘，中间静叶组件141置于喷嘴组件140和第一涡轮动叶328的下游。此外，相对于流动布置，中间静叶组件141置于第一涡轮动叶328与第二涡轮动叶329之间。应理解的是，在各个实施例中气体发生器100可包括在第一涡轮动叶328组件下游的多个第二涡轮动叶329排(例如，涡轮部段31的第三级、第四级等)和置于各对第二涡轮动叶排之间的中间静叶组件141。
[0039] 在又一实施例中，第一部件110可在喷嘴组件140的下游进一步延伸，从而进一步包括涡轮部段31的出口静叶组件142。如关于图2所绘，出口静叶组件142置于第二涡轮动叶329的下游。应理解的是，在各个实施例中出口静叶组件142可限定下游涡轮转子组件的入口静叶组件(例如，低压涡轮的入口静叶组件)。
[0040] 应理解的是，在各个实施例中，OD涡轮护罩部分114作为单个整体结构部分地或整个地延伸涡轮部段31的涡轮动叶(例如，涡轮动叶328、329)的OD，从而改进气体发生器100性能和操作。这样的性能和操作改进包括但不限于改善热效率，从而减少或大致消除穿过其的冷却的开口，或者减少或消除提供至此的冷却流体流(例如，来自压缩机部段21)。更进一步，这样的性能和操作的改进可包括减少气体发生器100的重量和复杂性，由此改进推力输出和比燃料消耗。
[0041] 仍参照图2，燃烧部段26包括在衬套组件105上游端处限定的圆顶组件130。圆顶组件130可包括涡旋器组件(未绘出)，当空气流84与燃料流86混合时，经过圆顶组件130进入燃烧室66的空气流84通过涡旋器组件来调节。圆顶组件130通常可包括在衬套组件105的第一部件110与第二部件120之间延伸的偏转器壁135。偏转器壁135通常可在偏转器壁下游的燃烧室66与偏转器壁135上游的通常较冷的扩散器凹腔之间限定热屏蔽。
[0042] 径向平面151从偏转器壁135沿着径向R来限定。在各个实施例中，第一部件110的OD涡轮护罩部分114在第一涡轮动叶328之上至少延伸至径向平面151。例如，OD涡轮护罩部分114基本上在第一涡轮动叶328之上在其前缘与后缘之上延伸。
[0043] 在又各个实施例中，在第一部件110处在ID燃烧器入口部分112与OD燃烧器出口部分114之间限定半径范围163。在一个实施例中，在ID燃烧器入口部分112与OD燃烧器出口部分114之间第一部件110的体积111等于或小于在第一部件110处限定的半径范围163。这样，衬套组件105的第一部件110可在ID燃烧器入口部分112与OD燃烧器出口部分114之间限定基本上实心的整体部件。在各个实施例中，第一部件110的ID燃烧器入口部分112从径向平面151至半径范围163来限定。在一个实施例中，第一部件110的OD涡轮护罩部分114被限定在ID燃烧器入口部分112的直接径向向内。
[0044] 仍参照图2，在各个实施例中，燃烧室66包括沿着第一部件110的ID燃烧器入口部分112的径向R直接向外限定的主燃烧区68。在又各个实施例中，主燃烧区68沿着在第一涡轮动叶328之上延伸的OD涡轮护罩部分114的径向R直接向外限定。例如，在一个实施例中，主燃烧区68、ID燃烧器入口部分112和OD燃烧器出口部分114被限定在径向平面151与从半径范围163沿着径向R延伸的参考径向平面152之间，例如沿着区域154所绘。在一个实施例中，主燃烧区68在燃烧室66处在第一部件110与第二部件120之间沿着径向R来限定。在各个实施例中，主燃烧区68进一步限定在偏转器壁135与半径范围163或从其延伸的参考径向平面152之间。这样，燃烧器组件26经由单个整体第一部件110提供了基本紧凑的布置，同时进一步提供热效率改进。此外，燃烧器组件26可提供基本紧凑和高效的布置，同时减小在整体式第一部件110的OD涡轮护罩部分114处的冷却需要，从而改善总体气体发生器100和发动机10性能。
[0045] 应理解的是，主燃烧区68通常可限定燃烧室66的一部分，空气流84和燃料流86在其处混合且被燃烧以产生燃烧气体88。在各个实施例中，燃烧部段26可以限定稀燃燃烧器，在其中燃料/空气混合物在主燃烧区68处混合和燃烧以在主燃烧区68处产生与总燃烧器燃料/空气比相比更高的或通常浓的燃料/空气比。例如，第一部件110、第二部件120或两者可包括孔口或稀释开口以允许附加的空气进入燃烧室66(例如，主燃烧区68的下游)以完成燃烧过程并且在喷嘴组件140和/或第一涡轮转子228处将燃烧气体88稀释或熄灭至期望的燃料/空气比和温度，并且考虑到期望的排放输出。然而，应理解的是，燃烧部段26可限定富燃、稀燃或组合燃烧过程中的任何一个，以及与此相联系的燃烧器组件。
[0046] 气体发生器100的至少一部分可通过本领域已知的一个或更多个工艺或方法制造，例如但不限于机加工工艺、增材式制造、层叠(layup)、铸造或其组合。燃烧部段26可包括用于涡轮发动机10的燃烧器组件118用的任何合适的材料，例如但不限于铁和铁基合金、钢和不锈钢合金、镍和钴基合金或者钛和钛基合金，除非本文中另外说明。气体发生器100和发动机10的各个部分可包括用于将本文中所说明的部分、元件或构件紧固或以其他方式粘合在一起的一个或更多个结构或方法，尽管可能在本文中没有描绘这样的紧固件。这样的结构和方法可包括但不限于螺栓、螺母、系杆、螺钉、销等；或者一个或更多个结合过程，包括但不限于焊接、钎焊等。
[0047] 本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何所包括的方法。本发明的可取得专利保护的范围由权利要求来限定并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果其包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则这样的其他示例意图在权利要求的范围内。
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