CN105190179A - 用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套和用于构造这样的衬套的方法 - Google Patents

用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套和用于构造这样的衬套的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种用于环筒燃气涡轮发动机(10)的燃烧器衬套(30)和用于构造这样的衬套的方法。燃烧器衬套包括环形壁构件(32)。冷却通道(34，42，50，54，56，58)穿过壁构件形成并且从衬套的入口端延伸至衬套的出口端。冷却通道的特性可以沿着冷却通道的长度变化。冷却通道可以使用电化学加工(ECM)工艺或三维打印工艺(3DP)穿过燃烧器衬套形成。

Description

用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套和用于构造这样的衬套的方法
本申请要求申请日为2013年2月6日的美国临时专利申请号61/761,367的权益，该申请通过引用合并于此。
技术领域
本发明总体涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器衬套(liner)和用于构造这样的衬套的方法。
背景技术
诸如环筒(can-annular)燃气涡轮发动机等的动力发生***包括用于提高燃烧效率的复杂的燃烧组成部件和工艺。市场趋向于促进延长发动机的组成部件的寿命、降低氮氧化物(NOx)的排放和升高烧成温度。已知的用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套典型地牵涉到一对同心环，如具有槽的板和套筒，它们协作以引导冷却空气以维持燃烧器排气区的适当的衬套温度。这些槽使用传统加工技术来构造，并且，结果不适于将允许更高效地满足沿着燃烧器衬套的热传递需求的结构改进。因此，继续有用于改进环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套和用于构造这样的衬套的方法的需要。
附图说明
结合附图在以下描述中说明本发明，附图示出：
图1是可以从本发明的一些方面受益的环筒涡轮发动机的简化示意图。
图2是体现了本发明的一些方面的燃烧器衬套的一个示例实施例的截面图。
图3是诸如图2中所示的燃烧器衬套的立体图。
图4是体现了本发明的一些方面的燃烧器衬套的另一示例实施例的截面图。
图5是诸如图4中所示的燃烧器衬套的立体图。
图6图示出体现了发明的一些方面的示例冷却通道的对应的侧视图。
图7和图8图示出体现了本发明的其他方面的冷却通道的对应截面形状。
图9图示出体现了本发明的一些实施例的冷却通道的截面形状的进一步的示例。
图10是体现了本发明的一些方面的用于构造用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套的方法的流程图。
具体实施方式
本发明人创新地认识到了与用于环筒燃气涡轮发动机的已知燃烧器衬套有关的某些限制。例如，已知燃烧器衬套的结构限制可能妨碍使冷却通道的一个或多个特性沿着冷却通道的长度变化的能力。该能力将允许将冷却通道定制成更高效地满足沿着燃烧器衬套的期望的热传递需求。鉴于这样的认识，本发明人提出用于环筒燃气涡轮发动机的创新性燃烧器衬套，和用于构造这样的衬套的方法，其中冷却通道可以利用用于形成结构的工艺穿过燃烧器衬套而形成，工艺诸如可以牵涉到复杂几何形状和/或严格控制的公差。在一个非限制性实施例中，形成工艺可以基于材料的减少，如电化学加工(ECM)工艺。在另一非限制性实施例中，形成工艺可以基于材料的添加，如三维打印(3DP)工艺，也称作增材制造。
在以下详细描述中，阐述了各种特定细节以便提供对这样的实施例的全面理解。然而，本领域技术人员将理解的是，本发明的实施例可以在没有这些特定细节的情况下实践，本发明不限于所描绘的实施例，并且本发明可以在各种各样可选实施例中实践。在其他实例中，没有详细描述本领域技术人员已经很好理解的方法、程序和组成部件，以避免不必要和繁琐的说明。
此外，各种操作可以描述作为对于理解本发明的实施例有帮助的方式进行的多个离散的步骤。然而，描述的顺序不应该解释为暗示这些操作需要以它们所呈现的顺序进行，也不是说它们甚至依赖于该顺序，除非另有如此的描述。此外，用语“在一个实施例中”的重复使用不一定是指相同实施例，尽管它可以是相同实施例。最后，如本申请中所使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等类似物意在是同义的，除非另有指出。
图1是诸如环筒燃气涡轮发动机10的燃气涡轮发动机的简化示意图。如本领域技术人员将领会的，涡轮发动机10包括用于压缩空气的压缩机12、用于使压缩空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧器14。在实践中，涡轮发动机包括可以在现有技术中称作燃烧器筒(combustorcan)的多个环形布置的燃烧器，但是在图1中为了图示的简单性仅示出一个燃烧器。图1进一步图示出涡轮机部分16，在其中能量被提取以使轴18旋转，该轴可以向压缩机12和诸如发电机(未示出)等的辅助设备提供动力。燃烧器14产生高温流(例如，以近似1700℃或更高温度流动的气体)，该高温流动从燃烧器14穿过过渡部15并进入涡轮机部分16内。
在一个示例实施例中，如可以在图2和图3中所领会的，用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套30包含环形壁构件32，其可以是一体构件。一个或多个冷却通道34穿过壁构件32形成并且可以从衬套30的入口端36延伸至衬套的出口端38。在一个示例实施例中，冷却通道34的截面形状可以是大体圆形的形状，如圆形、椭圆形或没有角的其他形状，并且通道可以沿着衬套30的纵向轴线40对齐。ECM或3DP的使用提供了以严格控制的公差形成具有相对大的长度与最大截面尺寸的比率(L/D)的冷却通道的能力。例如，这提供了在每单位面积中形成相对大数量的较小尺寸冷却通道的能力，这有益于提高衬套的热传递效率。在一个示例实施例中，可以实现具有从近似100到近似200的范围的L/D比率的冷却通道。
在一个示例实施例中，ECM或3DP的使用可以进一步提供使冷却通道的特性沿着冷却通道的长度变化的能力。例如，如图4和图5所图示的，冷却通道42的周向位置可以沿着衬套30的纵向轴线40变化。在一个示例实施例中，冷却通道42可以被配置成限定出在三维壁构件中的弯曲，如螺旋形状。与沿着衬套的纵向轴线对齐的冷却通道相比，该配置有效地增加了每个冷却通道的可用表面面积。
可以通过使用ECM或3DP沿着冷却通道的长度改变各个冷却通道特性的进一步的示例可以作为概念性被图示在图6中。例如，冷却通道50的直径沿着其长度不是恒定的。在另一示例中，冷却通道52的表面光洁度沿着其长度不是恒定的。例如，冷却通道的内表面部54可以具有的表面光洁度包含与通道的其它内表面部分相比相对较粗糙的表面光洁度。如本领域技术人员将领会的，该类型的结构特征可以沿着冷却通道的长度有效地提供具有局部增强了的热传递能力的紊流区。
图7和图8图示出体现了本发明的进一步的方面的冷却通道的对应截面形状。例如，ECM或3DP的使用进一步提供了形成可以包括诸如概念性地图示用于冷却通道56、58的对应的多瓣形状的截面形状的能力。与具有离散的圆形状的冷却通道相比，该类型的截面形状可以对于增加被润湿面积并因此增加每个冷却通道的可用热传递面积是有效的。此外，这样的多瓣形状的结构特征不需要沿着冷却通道的长度是恒定的。例如，瓣中的一个或多个的大小可以取决于给定衬套定位处所需求的热传递而沿着冷却通道的长度被调节。
图9进一步图示出可以通过ECM或3DP的使用对于冷却通道的是可行的截面形状的进一步的示例。例如，可以实现诸如正方形60、矩形62、三角形64、多边形形状66等的具有角的截面形状。
图10是用于构造用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套的方法的流程图100。在一个示例实施例中，在开始步骤102之后，步骤104允许建立沿着燃烧器衬套的期望的热传递需求。例如，期望的热传递需求可以通过历史数据的收集、建模、实验或用于获取指示出沿着燃烧器衬套的期望的热传递需求的信息的任何合适手段来获得。步骤106允许使用诸如可以牵涉到复杂几何形状和/或严格控制的公差的用于形成结构的工艺穿过燃烧器衬套形成冷却通道。形成工艺的非限制性实施例可以基于材料的减少，如电化学加工(ECM)工艺；或者，可选地，形成工艺可以基于材料的添加，如三维打印(3DP)工艺。在返回步骤110之前，步骤108允许控制形成工艺以使冷却通道特性基于期望的热传递需求沿着冷却通道的长度变化。例如，冷却通道特性可以改变以满足在衬套的给定位置处的相对较高的热传递需求。
虽然在这里已经示出并描述了本发明的各种实施例，但是显然这样的实施例是仅借助于示例提供的。可以在不脱离这里的发明的范围的情况下做出数个变化、改变和替换。于是，意在发明仅由随附权利要求的精神和范围限制。

Claims (19)

1.一种用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套，包括：
环形壁构件；和
冷却通道，其穿过所述壁构件形成并且从所述衬套的入口端延伸至所述衬套的出口端；
其中所述冷却通道的特性沿着所述冷却通道的长度变化。
2.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述冷却通道的周向位置沿着所述衬套的纵向轴线变化。
3.根据权利要求2所述的燃烧器衬套，其中所述冷却通道限定出弯曲形状。
4.根据权利要求2所述的燃烧器衬套，其中所述冷却通道限定出螺旋形状。
5.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述冷却通道的直径沿着其长度不是恒定的。
6.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述冷却通道的表面光洁度沿着其长度不是恒定的。
7.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述冷却通道的截面形状沿着其长度不是恒定的。
8.根据权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述冷却通道的截面形状包含多瓣形状。
9.一种燃烧器，包括根据权利要求1所述的燃烧器衬套。
10.一种用于构造用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套的方法，所述方法包括：
建立沿着所述燃烧器衬套的期望的热传递需求；
使用用于形成结构的工艺穿过所述燃烧器衬套形成冷却通道；和
基于所述期望的热传递需求控制所述形成工艺以使冷却通道特性沿着所述冷却通道的长度变化。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述形成工艺包含电化学加工工艺。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述形成工艺包括三维打印工艺。
13.根据权利要求10所述的方法，进一步包含使所述冷却通道的周向位置沿着所述衬套的纵向轴线变化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述冷却通道限定出螺旋形状。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包含控制所述形成工艺使得所述冷却通道的直径沿着其长度不是恒定的。
16.根据权利要求10所述的方法，进一步包含控制所述形成工艺使得所述冷却通道的表面光洁度沿着其长度不是恒定的。
17.根据权利要求10所述的方法，进一步包含控制所述形成工艺使得所述冷却通道的截面形状沿着其长度不是恒定的。
18.根据权利要求10所述的方法，进一步包含控制所述形成工艺使得所述冷却通道的截面形状包含多瓣形状。
19.一种用于环筒燃气涡轮发动机的燃烧器衬套，包含：
环形壁构件；和
冷却通道，其穿过所述壁构件形成并且从所述衬套的入口端延伸至所述衬套的出口端，
其中所述冷却通道的特性沿着所述冷却通道的长度变化，并且其中所述冷却通道通过如下工艺来形成，所述工艺选自由电化学加工工艺和三维打印工艺构成的组。
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