CN106461224B - 燃气涡轮发动机的燃烧室装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧室装置(10)，其限定了燃烧区(26)，其中空气和燃料燃烧以产生高温燃烧产物。该燃烧室装置包括外壁(20)、联接结构(78)、燃料喷射***(40)、燃料进给组件(60)和配合构件(76)，该联接结构(78)在外壁上邻近其燃料入口开口(64)。燃料喷射***提供燃料在燃烧区内燃烧。燃料进给组件包括燃料进给管，燃料进给管延伸穿过外壁中的燃料入口开口并具有出口部分和入口部分，该出口部分由第一材料构成并与燃料供给结构螺纹接合，该入口部分贴附到出口部分并由第二材料构成。配合构件相对于外壁固定燃料进给组件。燃料供给结构包括由第一材料构成的带螺纹的内表面。

Description

燃气涡轮发动机的燃烧室装置
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮发动机中的燃烧室装置，并且，更具体地，涉及一种包括燃料进给管的燃烧室装置，燃料进给管具有由第一材料构成的第一端部和由与第一材料不同的第二材料构成的第二端部。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，燃料从一个或多个燃料源输送到包括一个或多个燃烧室装置的燃烧区段，其中燃料与空气混合，并点燃以产生限定工作气体的热燃烧产物。工作气体直接从燃烧区段引导到涡轮区段。每个燃烧装置可以包括一个或多个级，每个级在各自的燃烧室装置内供给待点燃的燃料。
发明内容
根据本发明的第一实施例，燃烧室装置设置在燃气涡轮发动机中。燃烧室装置限定了燃烧区，其中空气和燃料燃烧产生高温燃烧产物。燃烧室装置包括外壁、联接结构、燃料喷射***、燃料进给组件和配合构件，该外壁限定了内部容积并包括燃料入口开口，该联接结构在邻近燃料入口开口的外壁上，该联接结构包括带螺纹的内联接部。该燃料喷射***至少部分位于外壁的内部容积内并包括燃料供给结构，用于将燃料提供给至少一个燃料喷射器，燃料喷射器输送燃料以在燃烧区中燃烧。燃料供给结构包括由具有第一硬度和第一热膨胀系数的第一材料构成的带螺纹的内表面。该燃料进给组件将燃料输送到燃料喷射***，并包括燃料进给管，燃料进给管延伸穿过外壁中的燃料入口开口。燃料进给管包括出口部分和入口部分，该出口部分由第一材料构成并包括带螺纹的外表面，其与燃料供给结构的带螺纹的内表面螺纹接合，以产生与燃料供给结构的第一密封联接；该入口部分贴附到出口部分并由具有比第一硬度更软的第二硬度和第二热膨胀系数的第二材料构成。配合构件围绕燃料进给管的入口部分布置并与之接合，并包括带螺纹的外联接部，其与联接结构的内联接部螺纹接合，以产生与联接结构的第二密封联接，并相对于外壁固定燃料进给组件。
根据本发明的第二实施例，燃烧室装置设置在燃气涡轮发动机中。燃烧室装置限定了燃烧区，其中空气和燃料燃烧产生高温燃烧产物。燃烧室装置包括外壁、联接构件、燃料喷射***、燃料进给组件和配合构件，该外壁限定了内部容积并包括燃料入口开口，该联接构件贴附到外壁上邻近燃料入口开口，该联接构件包括带螺纹的内联接部。该燃料喷射***至少部分位于外壁的内部容积内并包括燃料供给结构，用于将燃料提供给至少一个燃料喷射器，燃料喷射器将燃料输送到燃烧区内的主燃区上游燃烧。该燃料供给结构包括由具有第一硬度和第一热膨胀系数的第一材料构成的带螺纹的内表面。燃料进给组件将燃料输送到燃料喷射***并包括燃料进给管，燃料进给管延伸穿过外壁中的燃料入口开口。燃料进给管包括出口部分和入口部分，该出口部分由第一材料构成并与外壁的内部容积内侧的燃料供给结构的带螺纹的内表面螺纹接合，以产生与燃料供给结构的第一密封联接；该入口部分贴附到出口部分并由具有比第一硬度更软的第二硬度的第二材料构成。该配合构件围绕燃料进给管的入口部分布置并与之接合，并包括带螺纹的外联接部，其与联接构件的内联接部螺纹接合，以相对于外壁固定燃料进给组件。配合构件产生与联接构件的压缩配合，以在夹紧位置将燃料进给管夹紧在适当的位置。
附图说明
虽然本说明书利用权利要求书得出结论(该权利要求书特别指出并清楚地要求保护本发明，但是相信从下面的描述结合所附附图可以更好地理解本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是根据本发明的一个实施例的用于燃气涡轮发动机的燃烧室装置的示意性截面图；
图2是图1的燃烧室装置的一部分的侧剖视图；
图2A是图2的一部分的放大图；并且
图3是根据本发明的另一个实施例的燃烧室装置的一部分的侧剖视图。
具体实施方式
在优选的实施例的以下详细描述中，参考附图，这些附图构成了本文的一部分，并且其中通过图示的方式示出，而不是通过限制的方式，其中，可以实践本发明的具体的优选实施例。可以理解的是，可以利用其他实施例并且可以进行改变，而不脱离本发明的精神和范围。
参照图1，示意性地示出了用于燃气涡轮发动机14的燃烧区段12的燃烧室装置10。图1所示的燃烧室装置10可构成环管式燃烧区段12的一部分，其可以包括类似于图1中所示且本文描述的燃烧室装置10的环形阵列。提供燃烧室装置10用于燃烧燃料和来自压缩机区段(未示出)的压缩空气，来产生限定了热工作气体的热燃烧产物，其提供到涡轮区段(未示出)，其中工作气体膨胀，以使涡轮机转子(未示出)旋转，并提供输出功率，其可用于生产电力。
图1所示的燃烧室装置10包括外壁20、衬垫24、过渡管道28和主燃料喷射***30，该外壁20也被称为燃烧室外壳或洞门壁且联接到发动机壳体22；该衬垫24其限定了燃烧区26，其中燃料和压缩空气混合并燃烧产生燃烧产物；该过渡管道28联接到衬垫24，用于将燃烧产物输送至涡轮区段；该主燃料喷射***30被设置成将燃料输送到燃烧区26的主燃区26A内。
在所示的实施例中，外壁20包括大致圆柱形的构件，其限定了内部容积32。外壁20和衬垫24之间的内部容积32的外部限定了气流通道34，将要输送到燃烧区26内的压缩空气流动通过该通道。外壁20包括第一区段20A和连接(例如通过螺栓连接)到第一区段20A的第二区段20B，第一区段20A包括位于燃烧室装置10的头端10A处的第一端部20A1，第二区段20B包括远离第一端部20A1的第二端部20B1并且其联接到发动机壳体22。
在示出的实施例中，主燃料喷射***30包括中央指引(pilot)燃料喷射器36和绕指引燃料喷射器36布置的主燃料喷射器38的环形阵列。然而，主燃料喷射***30可以包括不背离本发明的精神和范围的其他结构。在发动机14运转时，指引燃料喷射器36和主燃料喷射器38分别将燃料输送到燃烧区26的主燃区26A内。
图1所示的燃烧室装置10还包括预混合燃料喷射组件40，也被称为C-级燃料喷射***，预混合燃料喷射组件40的至少一部分位于外壁20和衬垫24之间的外壁20的内部容积32中。预混合燃料喷射组件40将一定量的燃料输送到通过气流通道34的空气中，气流通道34位于燃烧区26的上游，即，预混合燃料喷射组件40从燃烧区26的主燃区26A向上游输送燃料。
预混合燃料喷射***40包括燃料供给结构42和多个燃料喷射器44，其从燃料供给结构42接收燃料，并将燃料喷射到通过气流通道34的空气中。虽然燃料喷射器44在图1中示出为构成于环形燃料环50中的开口，但是燃料喷射器44可以包括任何合适类型的燃料喷射器。
示出的实施例中的燃料供给结构42包括进给块46、燃料进给管48和环形燃料环50，其将燃料输送到燃料喷射器44。燃料环50可经由连接到外壁20的多个环支撑件52(在图1中只示出了一个)所支撑，该环支撑件52可环绕燃料环50的周向间隔设置。
现在参考图2，进给块46包括由具有第一硬度和第一热膨胀系数的第一材料构成的带螺纹的内表面54。第一材料可以包括镍基合金，例如，诸如INCONEL 625、INCONEL 617或INCONEL 600的INCONEL合金(INCONEL是特种金属公司的注册商标)，或诸如HASTELLOY X的HASTELLOY合金(HASTELLOY是Haynes国际公司的注册商标)，。虽然第一材料优选地包括至少约45％的镍(质量)，但是也可以使用其它类型的金属或金属合金，例如铬基合金或高强度的不锈钢，例如AISI 410。第一材料的第一硬度优选包含至少约220HB的布氏硬度系数。
燃烧室装置10还包括燃料进给组件60，用于将燃料输送到预混合燃料喷射***40。燃料进给组件60包括燃料进给管62，其延伸穿过外壁20中的燃料入口开口64，其中燃料进给管62包括入口部分66和出口部分68，出口部分68经由位于焊接接头70处的焊点贴附到入口部分66上。在示出的实施例中，焊接接头70位于外壁20的燃料入口开口64内，但是焊接接头70可设在燃料进给管62的入口和出口部分66、68之间的任何合适的位置，只要夹紧位置CL(下面将要讨论)与入口部分66对准。
燃料进给管62的入口部分66由具有比第一硬度更软的第二硬度和与第一热膨胀系数相同或不同的第二热膨胀系数的第二材料构成。第二材料可包括不锈钢，例如，AISI304、AISI 316、AISI 347或其他类似的不锈钢。这样的不锈钢通常具有约17-25％的铬含量(质量)以及8-15％的镍含量(质量)，尽管第二材料可包括其它比所述第一材料更软的合适的材料。第二材料的第二硬度包括小于第一材料的布氏硬度系数，并且可以是在约140-190HB的范围内。
仍参照图2，燃料进给管62的出口部分68由第一材料构成，且包括带螺纹的外表面72，其与燃料供给结构42的进给块46的带螺纹的内表面54螺纹接合，以产生与燃料供给结构42的第一密封联接SC1。在示出的实施例中，燃料进给管62的出口部分68连接到外壁20的内部容积32内侧的燃料供给结构42，虽然燃料进给管62的出口部分68可以连接到燃料入口开口64内或外壁20外侧的燃料供给结构42中，如果需要的话，只要夹紧位置CL(下面将要讨论)与入口部分66对准。由于燃料进给管62的出口部分68和进给块46的带螺纹的内表面54两者都是由第一材料构成的(进给块46本身和预混合燃料喷射***40的其它部件也可以由第一材料构成)，这两个部件之间的热膨胀相对差被认为在发动机14运行期间被最小化或避免，使得第一密封联接被认为在发动机运行期间基本上保持紧密、安全并且结构稳固。
现在参照图2和2A，根据本发明的该实施例的燃烧室装置10还包括配合构件76，其围绕燃料进给管62的入口部分66的一部分配置并与之接合，并且联接结构包括联接构件78，其被贴附到邻近燃料入口开口64的外壁20。图2和图2A的配合构件76包括四个零件76A-D，并可由第二材料或任何合适的材料构成，尽管优选至少是和第二材料一样硬的材料构成。
如图2A所示，第一零件76A包括倾斜内表面80和带螺纹的外联接部82，其与联接构件78的内联接部84螺纹接合，以产生第二密封联接SC2。第二零件76B包括倾斜内表面86和倾斜外表面88，其在本文将要讨论的压配安装过程中，沿着第一零件76A的倾斜内表面80滑动。第三零件76C包括第一和第二倾斜外表面90、92，其中，在压配安装过程中，第一倾斜表面90沿第二零件76B的倾斜内表面86滑动，而第二倾斜表面92沿第四零件76D的倾斜内表面94滑动。第四零件76D还包括带螺纹区段96，其在现在就要描述的压配安装过程中螺纹接合第一零件76A的带螺纹区段98。
在压配安装过程中，根据本发明的该实施例的配合构件76的第一零件76A通过将配合构件76的第一零件76A的带螺纹的外联接部82螺纹连接到联接构件78的内联接部84而被联接到联接构件78。之后，利用布置在第一和第四零件76A、76D之间的配合构件76的第二和第三零件76B、76C，通过将第四零件76D的带螺纹区段96螺纹连接到第一零件76的带螺纹区段98，将第四零件76D联接到第一零件76。随着此步骤被执行，相应的倾斜表面80、86、88、90、92、94沿彼此滑动，迫使配合构件76的第二和第三零件76B、76C向燃料进给管62的入口部分66移动，该入口部分66最终由第二和第三零件76B、76C在夹紧位置CL处结构变形，在适当位置夹紧燃料进给管62，并产生第三个密封联接SC3，从而实现压缩配合。
值得注意的是，由于燃料进给管62的入口部分66由比构成燃料进给管62的出口部分68的第一材料更软的第二材料构成，比起如果入口部分66由例如第一材料的更硬材料所构成的情形，入口部分66将更容易变形。
配合构件76和联接构件78之间的压缩配合产生第二密封联接SC2，并且相对于外壁20在结构上固定燃料进给组件60，并且还在配合构件76和燃料进给管62之间产生第三密封联接SC3。关于类似类型的压缩配合的其它细节存在于美国专利第4,826,218号中，其全部公开内容通过引用并入本文。
在发动机14运行期间，燃烧区26中产生的热燃烧产物将燃烧区26中及其周围的部件加热到相对高的温度。这种加热的结果为这些部件遇到热增长。根据本发明的一个方面，由于燃料进给管62的出口部分68和进给块46的带螺纹的内表面54两者都是由相同的材料(即第一材料)所构成，在发动机14运行期间，这两个部件之间的热膨胀相对差和相对运动被认为最小化或避免。因此，第一密封联接SC1被认为在发动机14运行期间基本上保持紧密、安全且结构稳固，使得如果第一密封联接SC1变松或如果燃料进给管62由比进给块46热膨胀更大的材料构成所引起的对这些部件的损坏(如开裂，碎裂，等等)被认为是大幅地减少或避免。
在图3示出的一个可选实施例中，其中类似于上文描述的参考图1-2A的结构具有相同的增加了100的附图标记，联接结构包括构成在外壁120的燃料入口开口164内的带螺纹的内联接部184，即，通过限定燃料入口开口164的外壁120的一部分，其中，根据本实施例，外壁120本身限定联接构件178。在本发明的该实施例中，带螺纹的内联接部184与仅包括三个零件176A-C的配合构件176进行协作。
具体地说，根据本发明的该实施例的配合构件176的第一零件176A包括倾斜内表面180和带螺纹的外联接部182，其在本文将要讨论的压配安装过程中螺纹接合联接结构的内联接部184，以产生密封联接SC。第二零件176B包括倾斜内表面186和倾斜外表面188，其在压配安装过程中，沿着外壁120的倾斜内表面200滑动，倾斜内表面200限定了外壁120的燃料入口开口164的一部分。第三零件176C包括第一和第二倾斜外表面190、192，其中，在现在将要说明的压配安装过程中，第一倾斜表面190沿着第一零件176A的倾斜内表面180滑动，而第二倾斜表面192沿着第二零件176B的倾斜内表面186滑动。
在根据本发明的该实施例的压配安装过程中，配合构件176的第一零件176A通过将配合构件176的第一零件176A的带螺纹的外联接部182螺纹连接到联接结构的内联接部184而被直接联接到外壁120。该步骤利用布置在配合构件176的第一零件176A与外壁120的倾斜内表面200之间的配合构件176的第二和第三零件176B、176C执行。随着此步骤被执行，相应的倾斜表面180、186、188、190、192、200沿彼此滑动，以迫使配合构件176的第二和第三零件176B、176C向燃料进给管162的入口部分166移动，入口部分166最终由配给部件176的第二和第三零件176B、176C在夹紧位置CL处结构变形，以在适当位置夹紧燃料进给管162，从而实现压缩配合。配合构件176和联接结构之间的压缩配合产生另一个密封联接SC，并相对于外壁120结构上固定燃料进给组件160。
值得注意的是，燃料进给管162的入口部分166由比构成燃料进给管162的出口部分168的材料(即如上所述的第一材料)更软的材料(即如上所述的第二材料)所构成。因此，比起如果入口部分66由例如第一材料的更硬材料所构成的情形，入口部分66将更容易变形。
还应注意的是，根据本实施例，燃料进给管162的出口部分168和进给块的带螺纹的内表面(如上所述参考图1和2，但在本实施例中未示出)都由第一材料构成，使得参照图1-2A实施例的上述热生长特性和优点也在本发明的这个实施例中实现。
还应注意的是，任何合适类型的螺纹连接可用于本文讨论的螺纹联接位置。然而，至少与本文公开的密封联接相关的螺纹连接优选能够执行密封功能以及联接功能。
虽然本发明的具体实施例已被说明和描述，但本领域技术人员显而易见的是，可以进行各种其它的变化和修改而不脱离本发明的精神和范围。因此，在所附权利要求中意在涵盖属于本发明的范围之内的所有这些变化和修改。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机中的燃烧室装置，所述燃烧室装置限定了燃烧区，空气和燃料在其中燃烧以产生高温燃烧产物，所述燃烧室装置包括：
外壁，其限定了内部容积并包括燃料入口开口；
联接结构，其在所述外壁上邻近所述燃料入口开口，所述联接结构包括带螺纹的内联接部；
燃料喷射***，其至少部分位于所述外壁的所述内部容积中并包括燃料供给结构，用于将燃料提供给至少一个燃料喷射器，所述至少一个燃料喷射器输送燃料以在所述燃烧区中燃烧，所述燃料供给结构包括由具有第一硬度和第一热膨胀系数的第一材料构成的带螺纹的内表面；
燃料进给组件，其用于将燃料输送到所述燃料喷射***，所述燃料进给组件包括燃料进给管，所述燃料进给管延伸穿过所述外壁中的所述燃料入口开口并包括：
出口部分，其由所述第一材料构成并包括带螺纹的外表面，其与燃料供给结构的所述带螺纹的内表面螺纹接合，以产生与所述燃料供给结构的第一密封联接；以及
入口部分，其贴附到所述出口部分并由具有比所述第一硬度更软的第二硬度和第二热膨胀系数的第二材料构成；以及
配合构件，其围绕所述燃料进给管的所述入口部分布置并与之接合，并包括带螺纹的外联接部，所述带螺纹的外联接部与所述联接结构的所述内联接部螺纹接合，以
产生与所述联接结构的第二密封联接；并且
相对于所述外壁固定所述燃料进给组件。
2.如权利要求1所述的燃烧室装置，其中，所述联接结构包括联接构件，所述联接构件贴附到所述外壁邻近所述燃料入口开口。
3.如权利要求2所述的燃烧室装置，其中，所述配合构件产生与所述联接构件的压缩配合，以在夹紧位置处将所述燃料进给管夹紧在适当的位置，其中，在所述夹紧位置处在所述燃料进给管的所述入口部分和所述配合构件之间构成第三密封联接。
4.如权利要求3所述的燃烧室装置，其中，所述配合构件由所述第二材料构成。
5.如权利要求3所述的燃烧室装置，其中，所述配合构件使所述燃料进给管的所述入口部分在所述夹紧位置处结构变形。
6.如权利要求1所述的燃烧室装置，其中，所述燃料进给管的所述入口部分在焊接接头处被焊接到其所述出口部分上。
7.如权利要求6所述的燃烧室装置，其中，所述焊接接头位于所述外壁中的所述燃料入口开口内侧。
8.如权利要求1所述的燃烧室装置，其中，所述第一材料包括至少含45%质量的镍的金属合金。
9.如权利要求8所述的燃烧室装置，其中，所述第二材料包括不锈钢。
10.如权利要求1所述的燃烧室装置，其中，所述燃料供给结构从所述燃烧区中的主燃区向上游输送燃料。
11.如权利要求1所述的燃烧室装置，其中，燃料进给管的所述出口部分连接到所述外壁的所述内部容积内侧的所述燃料供给结构。
12.如权利要求1所述的燃烧室装置，其中，所述外壁的所述内部容积限定了空气通到所述燃烧区的通道。
13.一种燃气涡轮发动机中的燃烧室装置，所述燃烧室装置限定了燃烧区，空气和燃料在其中燃烧产生高温燃烧产物，所述燃烧室装置包括：
外壁，其限定了内部容积并包括燃料入口开口；
联接构件，其贴附到所述外壁邻近所述燃料入口开口，所述联接构件包括带螺纹的内联接部；
燃料喷射***，其至少部分位于所述外壁的所述内部容积中并包括燃料供给结构，用于将燃料提供给至少一个燃料喷射器，所述至少一个燃料喷射器从所述燃烧区中的主燃区向上游输送待燃烧的燃料，所述燃料供给结构包括由具有第一硬度和第一热膨胀系数的第一材料构成的带螺纹的内表面；
燃料进给组件，其用于将燃料输送到所述燃料喷射***，所述燃料进给组件包括燃料进给管，所述燃料进给管延伸穿过所述外壁中的所述燃料入口开口并包括：
出口部分，其由所述第一材料构成且与所述外壁的所述内部容积内侧的所述燃料供给结构的所述带螺纹的内表面螺纹接合，以产生与所述燃料供给结构的第一密封联接；以及
入口部分，其贴附到所述出口部分并由具有比所述第一硬度更软的第二硬度的第二材料构成；以及
配合构件，其围绕所述燃料进给管的所述入口部分布置并与之接合，并包括带螺纹的外联接部，所述带螺纹的外联接部与所述联接构件的所述内联接部螺纹接合，以相对于所述外壁固定所述燃料进给组件，其中，所述配合构件产生与所述联接构件的压缩配合，以在夹紧位置将所述燃料进给管夹紧在适当的位置。
14.如权利要求13所述的燃烧室装置，其中，所述配合构件由所述第二材料构成。
15.如权利要求13所述的燃烧室装置，其中，由于与所述联接构件的所述压缩配合，所述配合构件使所述燃料进给管的所述入口部分在所述夹紧位置处结构变形。
16.如权利要求14所述的燃烧室装置，其中，在所述配合构件和所述联接构件之间构成第二密封联接，并在夹紧位置在所述燃料进给管的所述入口部分和所述配合构件之间构成第三密封联接。
17.如权利要求13所述的燃烧室装置，其中，所述燃料进给管的所述入口部分在焊接接头处焊接到其所述出口部分上，所述焊接接头位于所述外壁中的所述燃料入口开口内侧。
18.如权利要求13所述的燃烧室装置，其中，所述第一材料包括至少含45%质量的镍的金属合金。
19.如权利要求18所述的燃烧室装置，其中，所述第二材料包括不锈钢。
20.如权利要求13所述的燃烧室装置，其中，所述外壁的所述内部容积限定了空气通到所述燃烧区的通道。
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