將陶瓷燃燒室襯裡連接到金屬安裝附件上的螺栓構造的製作方法

2023-08-12 20:33:31

專利名稱：將陶瓷燃燒室襯裡連接到金屬安裝附件上的螺栓構造的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及旋轉機械技術，且具體而言，涉及用於將陶瓷基複合材料燃燒室襯裡緊固到輪機燃燒室中的金屬安裝附件上的附接系統。
背景技術：
先進燃氣輪機的研製開發已經提出將具有比當前使用的金屬材料更高的溫度性能的一些非金屬材料用於高溫應用如輪機燃燒室襯裡。一種特定類別的該非金屬低熱膨脹的材料是陶瓷基複合(CMC)材料，所述陶瓷基複合材料可在比金屬明顯更高的溫度下進行工作，並且允許大大降低冷卻需求，所述冷卻需求的降低可被解釋為引擎效率和輸出的增加。在具有更高溫度性能的同時，陶瓷基複合材料還可通過取消常規的冷卻增強功能部件如紊流器而允許減小燃燒室的壓力降。
然而，為了實現運轉具有陶瓷基複合材料襯裡的燃氣輪機的優點，必須要開發出安裝陶瓷基複合材料襯裡的新方法，所述方法可適應陶瓷基複合材料的低熱膨脹係數以及陶瓷基複合材料相對於常規金屬材料的相對較低的應變造成的損傷。因此，將陶瓷基複合材料用於燃燒室襯裡的挑戰在於在滿足壽命和成本要求的具有成本效率的系統中研發出與現有金屬硬體之間的界面。
對於金屬燃燒室襯裡而言，附接部件或功能部件易於採用硬釺焊、焊接、樁砧或其它成熟可靠的連接方法被連接到金屬襯裡上。這些附件功能部件通常沿徑向、軸向和切線方向為圓柱形襯裡提供支承。
例如，典型的三凸耳金屬襯裡安裝裝置提供了將金屬襯裡上的三個塊體半確定地捕獲在流套凸耳內的徑向浮動設計。來自燃燒室襯裡的前向軸向載荷作用在釺焊塊體內。在存在層疊公差且前後同心度未對齊的情況下，該構造可合理地通過單個凸耳承受所有正常作用的載荷。該技術的實例可參見共有的美國專利Nos.5,274,991；5,323,600；5,749,218；6,279,313和6,216,442。然而，這些設計不適用於陶瓷基複合材料襯裡，這是因為將金屬塊硬釺焊或焊接到陶瓷基複合材料襯裡上是不可行的。
在制品如燃燒室襯裡的設計和應用過程中必須仔細考慮陶瓷基複合材料的機械性質，所述燃燒室襯裡與具有明顯更高強度和更高熱膨脹特性的金屬硬體界面相接。儘管已經開發出一些用以將陶瓷基複合材料襯裡緊固到金屬部件上的緊固技術(例如參見美國專利Nos.6,904,757；6,895,761；6,895,757；6,854,738和6,658,853)，但仍需要適用於燃氣輪機燃燒室中的陶瓷基複合材料襯裡的相對簡單但有效的附接系統。

發明內容
在本發明的典型實施例中，在陶瓷基複合材料燃燒室襯裡與金屬安裝附件之間提供了剛性附接。具體而言，一種獨特的緊固系統提供了正向夾持(positive clamping)從而允許在摩擦作用下承載所述陶瓷基複合材料襯裡中的載荷且因此確保足夠的設計壽命。本文中披露的所述緊固構造將製造複雜性轉至螺栓本身，由此簡化了所述陶瓷基複合材料燃燒室襯裡的製造工藝。
更具體而言，通過夾持緊固件構造在摩擦作用下正向承載所述陶瓷基複合材料襯裡的軸向壓力載荷，所述夾持緊固件構造可受到處理以使得在高振動燃氣輪機環境中不易磨損。所述夾持接頭構造使用金屬組合以補償所述陶瓷基複合材料襯裡的較低的熱膨脹係數從而在高工作溫度下保持夾持力，使得該附接系統能夠在摩擦作用下承載工作載荷。
在典型實施例中，通過在所述襯裡前端和後端上的呼啦圈式密封件在以常規方式進行安裝的過程中從內部使所述襯裡居中。所述襯裡的所述前端被附接到裝配在所述襯裡上的環形內環上。具體而言，多個特定設計的緊固件穿過所述陶瓷基複合材料襯裡中的孔以及從所述內環的固體(solid)箍部突出出來的徑向柔順的周向隔開的彈簧夾指中對齊的孔。每個彈簧夾指是彎曲的以與所述襯裡的曲率相匹配。所述內環通過多個周向隔開的徑向支柱被附接到徑向外環上，且所述組件被安裝以便在允許進行有限程度的軸向和徑向運動的情況下進行浮動。所述典型實施例中使用的用以將所述內環緊固到所述陶瓷基複合材料襯裡上的所述緊固件是與自鎖螺母一起使用的螺紋螺栓，所述螺紋螺栓包括被形成具有一體墊圈的薄但尺寸較大的頭部。
使所述專用螺栓的所述墊圈面成型為圓柱形以與所述陶瓷基複合材料襯裡的未經機加工的表面相匹配。為了確保所述成型墊圈面在組裝過程中適當對齊，所述成型墊圈面的取向受到所述金屬彈簧夾指中的板面側的孔的控制，所述板面側的孔被製成一定尺寸以接收所述螺栓上相應的板面側的杆部。自鎖螺母適於被置於所述彈簧夾指的埋頭平面上。
在另一典型實施例中，可使用所述螺栓頭下面的圓柱形成型的隔件以與所述陶瓷基複合材料襯裡界面相接。
在又一實施例中，具有高熱膨脹係數的隔件可位於所述自鎖螺母下面以補償所述陶瓷基複合材料襯裡的較低的熱膨脹係數。與該隔件和部分正常機械設計過程相似地，可預想使用第二部件的其它相似方案以適應所述螺栓與所述陶瓷基複合材料襯裡之間的熱膨脹係數差異。
因此，在一方面中，本發明涉及一種用於燃氣輪機的燃燒室襯裡，所述燃燒室襯裡具有包括陶瓷基複合材料的大體上呈圓柱形的燃燒室襯裡本體，所述燃燒室襯裡本體在其後端處具有直徑擴大的部分，所述直徑擴大的部分設有螺栓孔的周向陣列。
在另一方面中，本發明涉及一種包括大體上同心地位於流套內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯裡的燃氣輪機燃燒室，所述燃燒室襯裡包括陶瓷基複合材料，所述燃燒室襯裡的前端設有第一組多個周向布置的螺栓孔；位於所述燃燒室襯裡的所述前端外表面周圍的內部金屬環，所述內部金屬環設有第二組多個周向隔開的螺栓孔；和延伸穿過所述第一組多個螺栓孔和所述第二組多個螺栓孔的多個螺栓。
在又一方面中，本發明涉及一種包括大體上同心地位於流套內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯裡的燃氣輪機燃燒室，所述燃燒室襯裡包括陶瓷基複合材料，所述燃燒室襯裡的前端設有第一組多個周向布置的螺栓孔；位於所述燃燒室襯裡的所述前端外表面周圍的內部金屬環，所述內部金屬環具有固體環形部分和多個軸向延伸的周向隔開的彈簧夾指，且第二組多個周向隔開的螺栓孔位於相應的所述彈簧夾指中；和延伸穿過所述第一組多個螺栓孔和所述第二組多個螺栓孔的多個螺栓；其中自鎖螺母被可螺合地緊固到每個螺栓上且與相應的彈簧夾指的徑向外表面接合；且其中所述第二組多個螺栓孔被分別形成具有適於接收相應的所述螺栓的板面側的杆部的板面側的埋頭孔。
下面將結合附圖對本發明進行詳細描述。


圖1是根據本發明典型實施例的包括雙環附接硬體組件的陶瓷燃燒室襯裡的局部剖視圖；圖2是用於陶瓷燃燒室襯裡的雙環附接硬體組件的透視圖；圖3是圖1所示內環的側剖視圖；圖4是用於圖1和圖3所示的附接硬體組件中的螺母和螺栓的透視圖；圖5是示出根據本發明典型實施例的內環彈簧夾指、襯裡和螺栓之間的相互作用的局部透視圖；圖6是加上鎖定螺母后沿圖5中的線6-6截取的剖視圖；和圖7是沿圖5中的線7-7截取的剖視圖。
具體實施例方式
圖1和圖2示出了輪機燃燒室10的襯裡構造，所述輪機燃燒室包括燃燒室殼體12、徑向外部流套(flow sleeve)14和徑向內部燃燒室襯裡16。襯裡16和流套14大體上同心地布置在殼體12內，且本發明在此主要涉及襯裡前端18被緊固到內環20上的方式，所述內環20被進一步附接到徑向外部附接環22上。
在典型實施例中，襯裡16由非金屬低熱膨脹的陶瓷基複合材料製成，所述材料可在明顯更高的溫度下進行工作從而降低了冷卻要求。
為了將陶瓷基複合材料燃燒室襯裡16在襯裡前端18處連接到金屬附接硬體上，初始通過在襯裡的前端和後端上的常規的呼啦圈式密封件26從內部使後者居中。內部環形附接環20在襯裡的前端18上進行伸縮。附接環20被形成具有在後端處的固體環或帶狀部分28，且多個(例如32個)徑向柔順的金屬彈簧夾指30從所述固體環或帶狀部分中向前延伸出來。夾指30圍繞襯裡周部等距間隔，且是彎曲的從而與襯裡的曲率相匹配。夾指的前端32與襯裡的前端18相接合，所述夾指可選地可相對於內部附接環的剩餘部分加厚以增加強度。襯裡的直徑也通過錐形部分34在其前端18處擴大從而確保組裝間隙。
多個緊固件36用以將夾指30的端部32夾持到襯裡的前端18上。典型實施例中的緊固件36以具有螺紋杆37和帶有一體墊圈40(參見圖4至圖7)的薄但尺寸過大的圓柱形頭部38的螺紋螺栓形式存在，所述墊圈的面42被成型以與襯裡16的彎曲內表面相匹配。通過使墊圈面成型為圓柱形以與襯裡16前部18的未經機加工的彎曲表面相匹配，使得不需要對陶瓷基複合材料襯裡進行鍃孔處理。螺栓36還具有在杆部37中形成的平面或板面44，所述平面或板面裝配在夾指30中互補的板面側的孔46中(圖5)。如果不用於控制取向的螺栓杆與彎曲墊圈面的組合，則喪失了成型墊圈面所能實現的優點。換句話說，專用圓柱形墊圈面42與徑向柔順的附接夾指30中的板面側的螺栓孔46和互補螺栓杆部44的這種組合允許組件夾持載荷足夠高從而在摩擦作用下承載接頭的橫向正常工作載荷。還注意到，增加墊圈面42的內徑以容納使得能夠進行製造從而生產出圓柱形墊圈面42所需的杆-頭底切部48。底切部產生的偏移還減小了清理頭-杆圓角所需的陶瓷基複合材料襯裡圓孔49中的各倒角的尺寸。
使用自鎖螺母50以將各部件緊固地夾持在一起，且所述內環夾指30的外表面被形成具有相似數量的用於接收螺母50的埋頭平面51。
返回圖1和圖2，在內部附接環20的後端處，固體環部28通過多個軸向取向的徑向支柱52被連接到外部附接環22上。在典型實施例中，存在16個這種支柱，可以圍繞內環20周部間隔開的大體上呈U形的部段54的形式成對地設置所述支柱。這些部段54可被塞焊到外環22上，且支柱部分52被對焊到內環20上。外環22在流套14的凸緣24內部向前徑向延伸，所述凸緣要不然以常規的方式被捕獲在燃燒室殼體中的環形溝槽54中。在典型實施例中，夾指30數量與徑向支柱數量之比被最優化為2∶1，但其它應用情況可能需要不同的比率。
外環22與流套14之間的徑向間隙56允許陶瓷基複合材料襯裡進行有限程度的徑向浮動，而外環22前部和後部的間隙58、60允許進行有限程度的軸向浮動。
注意到，在適當地處於金屬部件特別是螺栓36和自鎖螺母50的材料限制範圍內的溫度下在陶瓷基複合材料襯裡16的冷卻低應力區域中實施螺栓接頭。該構造中的徑向載荷是螺栓接頭上的獨立載荷，且組件夾持載荷的大小適於在工作溫度下承載該獨立載荷且不損失夾持力。就這方面而言，徑向柔順的附接前夾指30必須製成具有足夠柔性的尺寸以使得該獨立載荷不破壞接頭的工作夾持。夾指30因此具有一定厚度和長度尺寸以便能夠支承由於襯裡16上的壓差所致的軸向載荷，同時允許夾指徑向偏移從而適應具有低熱膨脹係數的陶瓷基複合材料襯裡16與通過徑向支柱52被連接到外環22上的具有更高熱膨脹係數的金屬內環20的熱長大差異。
本文中所述的本發明為圓柱形/錐形陶瓷基複合材料燃燒室襯裡16提供了徑向、切向和軸向支承。該徑向柔順前部附件(內環20和夾指30)將壓力載荷作用在內環上，所述內環沿襯裡的圓柱形軸線在襯裡上產生淨前部載荷。在渦輪機上存在停機載荷(trip load)的極端情況下，壓力載荷可增加超過2倍。如果摩擦係數足夠高，那麼可通過摩擦承載這種異常載荷。如果摩擦不夠，那麼螺栓36的杆將在剪切作用下承載所述2倍的壓力載荷。在任何一種情況下，陶瓷基複合材料與前部附件上的金屬夾指30之間的滑動磨損被最小化。
本發明的另一可選實施例可包括在螺栓頭36下面使用圓柱形成型的隔件從而與陶瓷基複合材料襯裡16界面相接且消除了對襯裡的內圓柱形表面進行鍃孔處理的需要。
又一可選實施例可包括將具有高熱膨脹係數的隔件設置在螺母50下面以補償陶瓷基複合材料襯裡16的較低的熱膨脹係數。
儘管已經結合當前被認為最實用且優選的實施例對本發明進行了描述，但應該理解，本發明不限於所披露的實施例，而是相反地，本發明旨在覆蓋所附技術方案的精神和範圍內所包括的多種變型(包括陶瓷基複合材料以外的其它材料)和等效布置。
零件表燃燒室10燃燒室殼體12燃燒室襯裡16流套14前端18內環20外環22呼啦圈式密封件26固體環或帶狀部分28金屬彈簧夾指30前端32緊固件36螺紋杆37圓柱形頭部38墊圈40面42平面或板面44螺栓孔46底切部48環指30螺母50埋頭平面51徑向支柱52U形部段54環形溝槽54徑向間隙5權利要求
1.一種用於燃氣輪機的燃燒室襯裡(16)，所述燃燒室襯裡具有包括陶瓷基複合材料的大體上呈圓柱形的燃燒室襯裡本體，所述燃燒室襯裡本體在其後端處具有直徑擴大的部分(18)，所述直徑擴大的部分設有螺栓孔(49)的周向陣列。
2.一種包括大體上同心地位於流套(14)內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯裡(16)的燃氣輪機燃燒室，所述燃燒室襯裡包括陶瓷基複合材料，所述燃燒室襯裡的前端(18)設有第一組多個周向布置的螺栓孔(49)；位於所述燃燒室襯裡的所述前端外表面周圍的內部金屬環，所述內部金屬環(20)設有第二組多個周向隔開的螺栓孔(46)；和延伸穿過所述第一組多個螺栓孔和所述第二組多個螺栓孔的多個螺栓(36)。
3.根據權利要求2所述的燃氣輪機燃燒室，其中所述內部金屬環(20)包括固體環形部分(28)和多個軸向延伸的周向隔開的彈簧夾指(30)，所述第二組多個周向隔開的螺栓孔(46)位於相應的所述彈簧夾指(30)中。
4.根據權利要求3所述的燃氣輪機燃燒室，其中自鎖螺母(50)被可螺合地緊固到每個螺栓(36)上且與在相應的彈簧夾指的徑向外表面中形成的埋頭平面(51)相接合。
5.根據權利要求4所述的燃氣輪機燃燒室，進一步包括在所述襯裡的所述前端處與所述燃燒室襯裡的徑向內表面相接合的第一組多個彈性金屬密封件(26)。
6.根據權利要求5所述的燃氣輪機燃燒室，進一步包括在所述襯裡的後端處與所述燃燒室襯裡的所述徑向內表面相接合的第二組多個彈性金屬密封件(26)。
7.根據權利要求3所述的燃氣輪機燃燒室，其中所述內部金屬環的所述第二組多個螺栓孔(46)被分別形成具有適於接收所述螺栓的板面側的杆部(44)的板面側的埋頭孔。
8.根據權利要求2所述的燃氣輪機燃燒室，進一步包括在所述內部金屬環(20)徑向外部且與其隔開的外部金屬環(22)，且多個周向隔開的支柱(52)在所述內環與所述外環之間進行延伸。
9.根據權利要求8所述的燃氣輪機燃燒室，其中所述周向隔開的支柱(52)成對設置，每對通過固定到所述外部金屬環上的彎曲部段(54)進行連接。
10.一種包括大體上同心地位於流套(14)內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯裡(16)的燃氣輪機燃燒室，所述燃燒室襯裡包括陶瓷基複合材料，所述燃燒室襯裡的前端(18)設有第一組多個周向布置的螺栓孔(49)；位於所述燃燒室襯裡的所述前端外表面周圍的內部金屬環(20)，所述內部金屬環(20)具有固體環形部分(28)和多個軸向延伸的周向隔開的彈簧夾指(30)，且第二組多個周向隔開的板面側的螺栓孔(46)位於相應的所述彈簧夾指中；和延伸穿過所述第一組多個螺栓孔和所述第二組多個螺栓孔的多個螺栓(36)；其中自鎖螺母(50)被可螺合地緊固到每個螺栓上且與相應的彈簧夾指的徑向外表面相接合；且其中所述板面側的螺栓孔分別適於接收相應的所述螺栓的板面側的杆部(44)。
全文摘要
一種燃氣輪機燃燒室包括大體上同心地位於流套(14)內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯裡(16)，所述燃燒室襯裡包括陶瓷基複合材料，所述燃燒室襯裡的前端設有多個周向布置的螺栓孔(46)。內部金屬環(20)位於所述燃燒室襯裡的所述前端的外表面周圍，所述內部金屬環(20)設有第二組多個周向隔開的螺栓孔(49)，且多個螺栓(36)延伸穿過所述第一組多個螺栓孔和所述第二組多個螺栓孔且通過自鎖螺母(50)緊固。外部金屬環(22)在所述內部金屬環(20)徑向外部且與其隔開，且多個周向隔開的支柱(50)在所述內環與所述外環之間進行延伸。
文檔編號F23R3/00GK1948732SQ20061011495
公開日2007年4月18日 申請日期2006年8月14日 優先權日2005年10月12日
發明者D·E·布爾曼, T·G·小達金斯, M·S·希羅德, J·J·利平斯基 申請人:通用電氣公司