專利名稱：用于氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的環(huán)型整體的波紋襯套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的襯套，而且更具體地涉及一種基本上正弦曲線橫截面的環(huán)形整體波紋襯套，其中，在相鄰波紋間的波紋幅度和/或波長(zhǎng)從上游端到下游端變化。
背景技術(shù)：
燃燒室襯套一般應(yīng)用在位于氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)和渦輪部分之間的燃燒部段中，然而這類襯套也可應(yīng)用在采用后燃燒室的航空發(fā)發(fā)機(jī)的排氣部段中。燃燒室通常包括外部殼體和內(nèi)部燃燒室其中燃燒燃料以產(chǎn)生處于強(qiáng)烈高溫(亦即3000°F或甚至更高)的熱氣體。為了防止這種強(qiáng)烈的高熱在其排到渦輪之前損壞該燃燒室殼體和所環(huán)繞的發(fā)動(dòng)機(jī)，則在燃燒室的內(nèi)部設(shè)置一熱屏蔽件或燃燒室襯套。
一種類型的襯套設(shè)計(jì)包括多個(gè)環(huán)形的金屬板材帶，它們通過(guò)銅焊連接，其中每個(gè)板帶在成形之后還要經(jīng)受穿孔操作以便結(jié)合最佳的冷卻孔和成形的稀釋孔。然后，每個(gè)板帶定位焊接并銅焊到相鄰的板帶上，即通過(guò)公稱為“腹帶”的加強(qiáng)件定位焊接并銅焊到所述金屬板帶上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種襯套的制造是勞動(dòng)強(qiáng)度很大的和困難的，特別地因?yàn)槭┘拥郊訌?qiáng)件和金屬板帶上的銅焊工序的效率低下的原故。
為了消除多個(gè)單獨(dú)金屬板帶，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出環(huán)形整體金屬板襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并揭示在如下文獻(xiàn)中授予Wakeman等人的美國(guó)專利5,181,379；Napoli的美國(guó)專利5,233,828以及美國(guó)專利5,279,127；Nicoll等人的美國(guó)專利5,465,572和Nicoll等人的美國(guó)專利5,483,794。雖然這些專利中每個(gè)主要涉及這種整體襯套的各種冷卻方式，但也應(yīng)能注意到所披露用于這種襯套的可選擇構(gòu)形是波紋狀的，因此構(gòu)成波紋壁結(jié)構(gòu)。依此方式，改善了這種襯套的抗彎性和對(duì)襯套變形的限制。該波紋結(jié)構(gòu)優(yōu)選地采用低淺正弦波形，但是每個(gè)波紋(波形)的幅度和相鄰波紋(波形)之間的波長(zhǎng)表明和描述為沿襯套的軸向長(zhǎng)度上基本上一致。
已經(jīng)確定的是，因?yàn)槟承┑攸c(diǎn)將弱于其他部位，對(duì)于整體金屬板襯套的剛性需要沿其軸向長(zhǎng)度可能是變化的。因此希望開(kāi)發(fā)一種用于氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)形整體波紋襯套，其能提供如襯套所需的沿其軸向長(zhǎng)度變化的剛性值。而且還希望這種襯套制造和組裝將更加容易，包括在其上游端和下游端處連接的方式。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一示范性實(shí)施例中，揭示了用于氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的環(huán)形整體襯套，其包括相鄰于燃燒室的上游端的第一端部，相鄰于該燃燒室的下游端的第二端部和多個(gè)位于第一和第二端部之間的波紋結(jié)構(gòu)，每個(gè)波紋具有幅度和位于相鄰波紋之間的波長(zhǎng)，其中該波紋的幅度從第一端部到第二端部變化。該在相鄰波紋間的波長(zhǎng)即可以基本相同或者也可以從該襯套的第一端到第二端變化。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，揭示了用于氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的環(huán)形整體襯套，其包括相鄰于燃燒室的上游端的第一端部，相鄰于燃燒室的下游端的第二端部和多個(gè)位于第一端和第二端之間的波紋結(jié)構(gòu)，每個(gè)波紋具有幅度和在相鄰波紋之間的波長(zhǎng)，其中，位于相鄰波紋間的波長(zhǎng)從第一端到第二端變化。每個(gè)波紋的幅度既可以基本相同或者也可以從襯套的第一端到第二端變化。


圖1是包括本發(fā)明燃燒室襯套的氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)剖視圖；圖2是圖1所示燃燒室的放大剖視圖；圖3是用于圖1和圖2所示燃燒室的本發(fā)明外襯套的部分透視圖；圖4是圖1-3所示外襯套的放大剖視圖；圖5是圖4所示外襯套的放大部分剖面圖，其中該波紋的幅度和相鄰波紋之間的波長(zhǎng)相同；圖6是圖4所示外襯套的該中間部段的放大、部分剖面圖；圖7是圖4所示外襯套的該上游部段的放大、部分剖面圖；以及圖8是圖4所示外襯套的該下游部段的放大、部分剖面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參看細(xì)節(jié)附圖，其中相同的編號(hào)在所有附圖中表示相同的元件，圖1表明示例性的氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10，其在串行流通道中具有低壓壓氣機(jī)12，高壓壓氣機(jī)14和燃燒室16。燃燒室16以傳統(tǒng)方式燃燒氣體并從其中排出以通過(guò)高壓渦輪導(dǎo)向裝置組件18，從此處該燃燒氣體導(dǎo)引到傳統(tǒng)的高壓渦輪20，然后，又到傳統(tǒng)的低壓渦輪22。高壓渦輪20通過(guò)適當(dāng)軸24驅(qū)動(dòng)高壓壓氣氣壓14，同時(shí)低壓渦輪22通過(guò)另外適當(dāng)軸26驅(qū)動(dòng)低壓壓氣機(jī)12，所有的都圍繞縱向或軸向中心軸28共軸布置。
如圖2所示，燃燒室16還包括燃燒室腔30，其通過(guò)外襯套32，內(nèi)襯套34以及安置在其上游端的拱頂36限定成。將能看出的是，燃料/空氣混合器38安置在拱項(xiàng)36中以便將燃料和空氣的混合物導(dǎo)入到燃燒室腔30中，在這里，其由點(diǎn)火器點(diǎn)燃(未示出)，從而形成分別地用于驅(qū)動(dòng)高壓渦輪20和低壓渦輪22的燃燒氣體。
按照本發(fā)明，還從圖3和4中得知，外襯套32是環(huán)形的并由金屬板材類制為整體結(jié)構(gòu)。更具體地，外襯套32包括安置在相鄰于燃燒室16的上游端的第一端部42，其中第一端部42通過(guò)鉚釘帶40連接到整流罩44和拱頂36上(該鉚釘帶40本身經(jīng)過(guò)如螺栓46和螺母48的機(jī)械連接或焊接連接或其他類似形式的連接連接到整流罩44和拱頂36上)。因此，將能理解的是，外襯套32最好借助鉚釘41連接到鉚接帶40上并因此不需要外襯套32具有在上游端部42處形成其上的法蘭。起動(dòng)槽55和57最好分別設(shè)置在鉚接帶40和上游的外襯套端部42中以有助于沿外襯套32的該熱側(cè)部形成冷卻膜。外襯套32還包括安置在相鄰于燃燒室16的下游端的第二端部50。在此處，第二端部50最好通過(guò)鉚釘53連接到密封組件52上。按此方式，外襯套32能夠按照所經(jīng)受的任何熱增長(zhǎng)或壓力波動(dòng)沿軸向移動(dòng)。
外襯套32還包括多上波紋結(jié)構(gòu)，其通常用參考編號(hào)54(見(jiàn)圖3)標(biāo)明并形成在其第一端42和第二端50之間。將能理解的是，在剖面圖中觀看時(shí)波紋54具有基本正弦的形狀(圖4)，如(在圖5中示)按照通過(guò)其中延伸的中間軸線59看出的那樣。從圖5還應(yīng)理解的是每個(gè)波紋54具有給定的幅度以及位于相鄰波紋54之間的給定波長(zhǎng)58。不同于現(xiàn)有技術(shù)中所揭示的襯套所含波紋具有基本上相同的幅度相同的波長(zhǎng)，外襯套32的波紋54構(gòu)造成具有可變化的幅度和/或在相鄰波紋之間可變化的波長(zhǎng)。依此方式，外襯套32就能夠沿其不同的軸向位置提供任何所需的剛度值，同時(shí)不用對(duì)外襯套32為其最弱點(diǎn)作多余設(shè)計(jì)。
例如已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，外襯套32的中間部段60一般是最弱的并最易于變曲。因此，在中間部段60中安置的波紋64的幅度62(圖6所示)最好大于安置在外襯套32相鄰于第一外襯套端部42的上游部段70(圖7所示)中的波紋68的幅度66。類似地，安置在中間部段60中的波紋64的幅度62最好大于安置在外襯套32相鄰于第二外襯套端部50的下游部段76中(圖8)的波紋74的幅度72。由于外襯套32在第一外襯套端部42處固定連接產(chǎn)生比在第二外襯套端部50處稍微大的彎曲危險(xiǎn)，并且在第一外襯套端部42處的溫度通常高于在第二外襯套端部50處的溫度，因此，波紋68的幅度66最好等于或大于波紋74的幅度72的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，要么分別地與位于中間部段60，上游部段70和下游部段76中波紋64，68和74的變化的幅度62，66和72相結(jié)合，或者不考慮它們，都能夠使所述位于相鄰波紋間的波長(zhǎng)的改變用來(lái)適應(yīng)外襯套32在不同軸向位置上的剛度。因此，在其中外襯套32中間部段60認(rèn)為是最易于彎曲的情況下，位于相鄰波紋64之間的波長(zhǎng)78最好小于位于上游部段70的相鄰波紋68之間的波長(zhǎng)80并小于位于下游部段76相鄰波紋74之間的波長(zhǎng)82。類似地，出于以上關(guān)于它們各自幅度的原因，位于上游部段70的相鄰波紋68之間的波長(zhǎng)80最好等于或小于位于下游部段76的相鄰波紋74之間的波長(zhǎng)82。
為了在當(dāng)前外襯套中提供至少相同的剛度，已經(jīng)確定外襯套32的整體彎曲限界優(yōu)選在近似35-250Psi(磅/平方英寸)的范圍內(nèi)。更加優(yōu)選的外襯套32的整體變曲限界范圍應(yīng)是近似為85-200Psi，同時(shí)，這種整體彎曲限界的最佳范圍應(yīng)是約120-180Psi。
已經(jīng)試驗(yàn)和分析了用于外襯套32的各種不同的構(gòu)形，包括其中形成的波紋54的數(shù)目，其厚度84(見(jiàn)圖5)以及用來(lái)構(gòu)成這種外襯套32的材料。應(yīng)該理解，上面討論的整體彎曲限界是至關(guān)重要的，但是涉及的其它參數(shù)的最優(yōu)化也是重要的，因?yàn)榘ㄖ亓?、成本，形成該材料的能力的因素以及類似因素必須考慮到。為此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在外襯套32中形成的波紋54的總數(shù)(其由波形的總數(shù)目限定)優(yōu)選在約6-12。在圖1-4中描述的波紋54的總數(shù)目是61/2，其僅為示范性目的而表明的。外襯套32的優(yōu)選厚度84當(dāng)應(yīng)用金屬極材(如為Hastelloy X，HS 188，HA 230等)時(shí)，最好是約0.030-0.080英寸。依此方式，該材料就可容易地形成波紋54，同時(shí)提供所需的剛度并比先前的襯套減少了成本。
關(guān)于沿著外襯套32的熱(徑向上內(nèi)側(cè))側(cè)形成冷卻流，作為優(yōu)選方式是，其上形成多孔的冷卻模式，這如同在美國(guó)專利5,181,379；5,233,828及5,465,572中描述的那樣(即關(guān)于尺寸、造型等)。應(yīng)當(dāng)明白，冷卻孔的模式可以依據(jù)它們相對(duì)波紋54的位置，沿外襯套32的軸向位置，沿外襯套32的徑向位置，這種波紋的幅度56以及這種波紋的波長(zhǎng)58而變化的。更具體地，更密集的多孔冷卻模式(位于具有直徑約20密耳的冷卻孔之間的間距大約是其直徑的5倍)最好是采用在如下軸向位置中，其中波紋54的幅度增大和/或相鄰波紋間的波長(zhǎng)減小。這是源于需要在凹槽88中提供更多的冷卻空氣，因其更陡峭和因此不易受到來(lái)自上游外襯套端部42的冷卻流的影響。作為優(yōu)選，可將更密集的多孔冷卻模式設(shè)置在波紋54的上游側(cè)92上并鄰近于燃料/空氣混合器38的徑向位置。相反地，較小密度的多孔冷卻模式(位于具有直徑約20密耳的冷卻孔之間的間距約為其直徑的 陪)最好設(shè)置在外襯套32之如下軸向位置上，其中波紋54的幅度減小和/或相鄰波紋間的波長(zhǎng)增加。這種較小密度的多孔冷卻模式還可優(yōu)選地設(shè)置在波紋54的下游側(cè)94上以及位于相鄰的燃料/空氣混合器38之間的徑向位置上。
雖然已經(jīng)表示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是通過(guò)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的適當(dāng)修改就可做出另外的燃燒室16的外襯套的適當(dāng)變型，而沒(méi)有脫離本發(fā)明的范圍。特別應(yīng)當(dāng)理解，本文和權(quán)利要求書中的概念可應(yīng)用在內(nèi)襯套34中并仍然符合本發(fā)明。雖然內(nèi)襯套34一般不需要其上制有波紋以滿足剛度要求，但對(duì)于內(nèi)襯套34應(yīng)為特別有利的是無(wú)法蘭結(jié)構(gòu)，其可在其上游及下游端由鉚釘連接，如同關(guān)于外襯套32描述的那樣，從而簡(jiǎn)化了制造并降低了成本。
權(quán)利要求
1.一種用于氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)的燃燒室(16)的環(huán)形整體襯套(32，34)，其包括(a)一相鄰于所述燃燒室(16)的上游端的第一端部(42)；(b)一相鄰于所述燃燒室(16)的下游端的第二端部(50)；以及(c)多個(gè)在所述第一和第二端部(42，50)之間的波紋(54)；每個(gè)波紋(54)具有一幅度(56)和位于相鄰波紋(54)之間的波長(zhǎng)(58)；其中該幅度(56)和位于相鄰波紋(54)之間的波長(zhǎng)(58)；其中該幅度(56)和/或位于相鄰波紋(54)之間的波長(zhǎng)(58)的至少一個(gè)從所述第一端(42)到所述第二端(50)變化。
2.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，每個(gè)波紋(54)的幅度(56)按照所述襯套(32，34)在其軸向位置上所需剛度要求來(lái)設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，位于所述襯套(32，34)的中間部段(60)內(nèi)的波紋(64)的幅度(62)大于位于所述襯套(32，34)的鄰近所述第一端(42)的部段(70)中的波紋(68)的幅度(66)。
4.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，位于所述襯套(32，34)的中間部段(60)內(nèi)的波紋(64)的幅度(62)大于位于所述襯套(32，34)的鄰近所述第二端部(50)的部段(70)中的波紋(74)的幅度(72)。
5.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，位于所述襯套(32，34)的鄰近所述第一端(42)的部段(70)中的波紋(68)的幅度(66)不小于位于所述襯套(32，34)的鄰近所述第二端(50)的部段(70)中的波紋(74)的幅度(72)。
6.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，位于每個(gè)相鄰對(duì)波紋(54)之間的波長(zhǎng)(58)按照所述襯套(32，34)在其軸向位置上所需剛度來(lái)設(shè)置。
7.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，位于所述襯套(32，34)的中間部段(60)內(nèi)的波紋(64)之間的波長(zhǎng)(76)小于位于所述襯套(32，34)的鄰近所述第一端(42)的部段(70)中的波紋(68)之間的波長(zhǎng)(80)。
8.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，位于所述襯套(32，34)的中間部段(60)內(nèi)的波紋(64)之間的波長(zhǎng)(78)小于位于所述襯套(32，34)的鄰近所述第二端(50)的部段(76)中的波紋(74)之間的波長(zhǎng)(82)。
9.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，位于所述襯套(32，34)的鄰近所述第一端(42)的部段(70)中的波紋(68)之間的波長(zhǎng)(80)不大于位于所述襯套(32，34)的鄰近所述第二端(50)的部段(76)中的波紋74之間的波長(zhǎng)(82)。
10.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，在所述襯套(32，34)波紋(54)的總數(shù)在約6-12的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，還包括在所述襯套(32，34)中形成的多孔冷卻模式，使得每個(gè)波級(jí)(54)的密度與其幅度(56)相對(duì)應(yīng)。
12.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，還包括在所述襯套(32，34)上形成的多孔冷卻模式，使得每個(gè)波紋(54)的密度與相鄰波紋(54)間的波長(zhǎng)(58)相對(duì)應(yīng)。
13.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，每個(gè)波紋(54)的幅度(56)基本相同。
14.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，相鄰波紋(54)之間的波長(zhǎng)(58)基本相同。
15.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，襯套(32，34)是用于所述燃燒室(16)的外襯套(32)。
16.如權(quán)利要求1所述的襯套(32，34)，其特征在于，襯套(32，34)是用于所述燃燒室(16)的內(nèi)襯套(34)。
全文摘要
一種用于氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)的燃燒室(16)的環(huán)形整體襯套(32，34)包括相鄰于燃燒室(16)的上游端的第一端(42)；相鄰于燃燒室(16)的下游端的第二端(50)；和多個(gè)在第一和第二端(42，50)之間的波紋結(jié)構(gòu)(54)；每個(gè)波紋(54)具有幅度(56)和位于相鄰波紋(54)間的波長(zhǎng)(58)；其中幅度和/或位于相鄰波紋(54)之間的波長(zhǎng)(58)的至少一個(gè)從第一端(42)到第二端(50)變化。
文檔編號(hào)F23R3/52GK1450304SQ0311057
公開(kāi)日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2003年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月10日
發(fā)明者G·法默, S·M·德瓦尼, J·L·范迪克 申請(qǐng)人:通用電氣公司