專利名稱：將陶瓷燃燒室襯里連接到金屬安裝附件上的螺栓構造的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及旋轉機械技術，且具體而言，涉及用于將陶瓷基復合材料燃燒室襯里緊固到輪機燃燒室中的金屬安裝附件上的附接系統(tǒng)。
背景技術：
先進燃氣輪機的研制開發(fā)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于高溫應用如輪機燃燒室襯里。一種特定類別的該非金屬低熱膨脹的材料是陶瓷基復合(CMC)材料，所述陶瓷基復合材料可在比金屬明顯更高的溫度下進行工作，并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，陶瓷基復合材料還可通過取消常規(guī)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復合材料襯里的燃氣輪機的優(yōu)點，必須要開發(fā)出安裝陶瓷基復合材料襯里的新方法，所述方法可適應陶瓷基復合材料的低熱膨脹系數以及陶瓷基復合材料相對于常規(guī)金屬材料的相對較低的應變造成的損傷。因此，將陶瓷基復合材料用于燃燒室襯里的挑戰(zhàn)在于在滿足壽命和成本要求的具有成本效率的系統(tǒng)中研發(fā)出與現有金屬硬件之間的界面。
對于金屬燃燒室襯里而言，附接部件或功能部件易于采用硬釬焊、焊接、樁砧或其它成熟可靠的連接方法被連接到金屬襯里上。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里提供支承。
例如，典型的三凸耳金屬襯里安裝裝置提供了將金屬襯里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。來自燃燒室襯里的前向軸向載荷作用在釬焊塊體內。在存在層疊公差且前后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，這些設計不適用于陶瓷基復合材料襯里，這是因為將金屬塊硬釬焊或焊接到陶瓷基復合材料襯里上是不可行的。
在制品如燃燒室襯里的設計和應用過程中必須仔細考慮陶瓷基復合材料的機械性質，所述燃燒室襯里與具有明顯更高強度和更高熱膨脹特性的金屬硬件界面相接。盡管已經開發(fā)出一些用以將陶瓷基復合材料襯里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)，但仍需要適用于燃氣輪機燃燒室中的陶瓷基復合材料襯里的相對簡單但有效的附接系統(tǒng)。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的典型實施例中，在陶瓷基復合材料燃燒室襯里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(tǒng)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復合材料襯里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制造復雜性轉至螺栓本身，由此簡化了所述陶瓷基復合材料燃燒室襯里的制造工藝。
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復合材料襯里的軸向壓力載荷，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(huán)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復合材料襯里的較低的熱膨脹系數從而在高工作溫度下保持夾持力，使得該附接系統(tǒng)能夠在摩擦作用下承載工作載荷。
在典型實施例中，通過在所述襯里前端和后端上的呼啦圈式密封件在以常規(guī)方式進行安裝的過程中從內部使所述襯里居中。所述襯里的所述前端被附接到裝配在所述襯里上的環(huán)形內環(huán)上。具體而言，多個特定設計的緊固件穿過所述陶瓷基復合材料襯里中的孔以及從所述內環(huán)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里的曲率相匹配。所述內環(huán)通過多個周向隔開的徑向支柱被附接到徑向外環(huán)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(huán)緊固到所述陶瓷基復合材料襯里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復合材料襯里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?zhèn)鹊目椎目刂?，所述板面?zhèn)鹊目妆恢瞥梢欢ǔ叽缫越邮账雎菟ㄉ舷鄳陌迕鎮(zhèn)鹊臈U部。自鎖螺母適于被置于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復合材料襯里界面相接。
在又一實施例中，具有高熱膨脹系數的隔件可位于所述自鎖螺母下面以補償所述陶瓷基復合材料襯里的較低的熱膨脹系數。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復合材料襯里之間的熱膨脹系數差異。
因此，在一方面中，本發(fā)明涉及一種用于燃氣輪機的燃燒室襯里，所述燃燒室襯里具有包括陶瓷基復合材料的大體上呈圓柱形的燃燒室襯里本體，所述燃燒室襯里本體在其后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(fā)明涉及一種包括大體上同心地位于流套內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯里的燃氣輪機燃燒室，所述燃燒室襯里包括陶瓷基復合材料，所述燃燒室襯里的前端設有第一組多個周向布置的螺栓孔；位于所述燃燒室襯里的所述前端外表面周圍的內部金屬環(huán)，所述內部金屬環(huán)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(fā)明涉及一種包括大體上同心地位于流套內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯里的燃氣輪機燃燒室，所述燃燒室襯里包括陶瓷基復合材料，所述燃燒室襯里的前端設有第一組多個周向布置的螺栓孔；位于所述燃燒室襯里的所述前端外表面周圍的內部金屬環(huán)，所述內部金屬環(huán)具有固體環(huán)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于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于接收相應的所述螺栓的板面?zhèn)鹊臈U部的板面?zhèn)鹊穆耦^孔。
下面將結合附圖對本發(fā)明進行詳細描述。


圖1是根據本發(fā)明典型實施例的包括雙環(huán)附接硬件組件的陶瓷燃燒室襯里的局部剖視圖；圖2是用于陶瓷燃燒室襯里的雙環(huán)附接硬件組件的透視圖；圖3是圖1所示內環(huán)的側剖視圖；圖4是用于圖1和圖3所示的附接硬件組件中的螺母和螺栓的透視圖；圖5是示出根據本發(fā)明典型實施例的內環(huán)彈簧夾指、襯里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的襯里構造，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里16。襯里16和流套14大體上同心地布置在殼體12內，且本發(fā)明在此主要涉及襯里前端18被緊固到內環(huán)20上的方式，所述內環(huán)20被進一步附接到徑向外部附接環(huán)22上。
在典型實施例中，襯里16由非金屬低熱膨脹的陶瓷基復合材料制成，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。
為了將陶瓷基復合材料燃燒室襯里16在襯里前端18處連接到金屬附接硬件上，初始通過在襯里的前端和后端上的常規(guī)的呼啦圈式密封件26從內部使后者居中。內部環(huán)形附接環(huán)20在襯里的前端18上進行伸縮。附接環(huán)20被形成具有在后端處的固體環(huán)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(huán)或帶狀部分中向前延伸出來。夾指30圍繞襯里周部等距間隔，且是彎曲的從而與襯里的曲率相匹配。夾指的前端32與襯里的前端18相接合，所述夾指可選地可相對于內部附接環(huán)的剩余部分加厚以增加強度。襯里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夾持到襯里的前端18上。典型實施例中的緊固件36以具有螺紋桿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被成型以與襯里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里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復合材料襯里進行锪孔處理。螺栓36還具有在桿部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?zhèn)鹊目?6中(圖5)。如果不用于控制取向的螺栓桿與彎曲墊圈面的組合，則喪失了成型墊圈面所能實現的優(yōu)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?zhèn)鹊穆菟?6和互補螺栓桿部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制造從而生產出圓柱形墊圈面42所需的桿-頭底切部48。底切部產生的偏移還減小了清理頭-桿圓角所需的陶瓷基復合材料襯里圓孔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(huán)夾指30的外表面被形成具有相似數量的用于接收螺母50的埋頭平面51。
返回圖1和圖2，在內部附接環(huán)20的后端處，固體環(huán)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(huán)22上。在典型實施例中，存在16個這種支柱，可以圍繞內環(huán)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(huán)22上，且支柱部分52被對焊到內環(huán)20上。外環(huán)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(guī)的方式被捕獲在燃燒室殼體中的環(huán)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(yōu)化為2∶1，但其它應用情況可能需要不同的比率。
外環(huán)22與流套14之間的徑向間隙56允許陶瓷基復合材料襯里進行有限程度的徑向浮動，而外環(huán)22前部和后部的間隙58、60允許進行有限程度的軸向浮動。
注意到，在適當地處于金屬部件特別是螺栓36和自鎖螺母50的材料限制范圍內的溫度下在陶瓷基復合材料襯里16的冷卻低應力區(qū)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于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必須制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于襯里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系數的陶瓷基復合材料襯里16與通過徑向支柱52被連接到外環(huán)22上的具有更高熱膨脹系數的金屬內環(huán)20的熱長大差異。
本文中所述的本發(fā)明為圓柱形/錐形陶瓷基復合材料燃燒室襯里16提供了徑向、切向和軸向支承。該徑向柔順前部附件(內環(huán)20和夾指30)將壓力載荷作用在內環(huán)上，所述內環(huán)沿襯里的圓柱形軸線在襯里上產生凈前部載荷。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。如果摩擦系數足夠高，那么可通過摩擦承載這種異常載荷。如果摩擦不夠，那么螺栓36的桿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，陶瓷基復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(fā)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復合材料襯里16界面相接且消除了對襯里的內圓柱形表面進行锪孔處理的需要。
又一可選實施例可包括將具有高熱膨脹系數的隔件設置在螺母50下面以補償陶瓷基復合材料襯里16的較低的熱膨脹系數。
盡管已經結合當前被認為最實用且優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但應該理解，本發(fā)明不限于所披露的實施例，而是相反地，本發(fā)明旨在覆蓋所附技術方案的精神和范圍內所包括的多種變型(包括陶瓷基復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燃燒室襯里16流套14前端18內環(huán)20外環(huán)22呼啦圈式密封件26固體環(huán)或帶狀部分28金屬彈簧夾指30前端32緊固件36螺紋桿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(huán)指30螺母50埋頭平面51徑向支柱52U形部段54環(huán)形溝槽54徑向間隙5權利要求
1.一種用于燃氣輪機的燃燒室襯里(16)，所述燃燒室襯里具有包括陶瓷基復合材料的大體上呈圓柱形的燃燒室襯里本體，所述燃燒室襯里本體在其后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于流套(14)內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯里(16)的燃氣輪機燃燒室，所述燃燒室襯里包括陶瓷基復合材料，所述燃燒室襯里的前端(18)設有第一組多個周向布置的螺栓孔(49)；位于所述燃燒室襯里的所述前端外表面周圍的內部金屬環(huán)，所述內部金屬環(huán)(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(huán)(20)包括固體環(huán)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)位于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里的所述前端處與所述燃燒室襯里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里的后端處與所述燃燒室襯里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(huán)的所述第二組多個螺栓孔(46)被分別形成具有適于接收所述螺栓的板面?zhèn)鹊臈U部(44)的板面?zhèn)鹊穆耦^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(huán)(20)徑向外部且與其隔開的外部金屬環(huán)(22)，且多個周向隔開的支柱(52)在所述內環(huán)與所述外環(huán)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(huán)上的彎曲部段(54)進行連接。
10.一種包括大體上同心地位于流套(14)內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯里(16)的燃氣輪機燃燒室，所述燃燒室襯里包括陶瓷基復合材料，所述燃燒室襯里的前端(18)設有第一組多個周向布置的螺栓孔(49)；位于所述燃燒室襯里的所述前端外表面周圍的內部金屬環(huán)(20)，所述內部金屬環(huán)(20)具有固體環(huán)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?zhèn)鹊穆菟?46)位于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?zhèn)鹊穆菟追謩e適于接收相應的所述螺栓的板面?zhèn)鹊臈U部(44)。
全文摘要
一種燃氣輪機燃燒室包括大體上同心地位于流套(14)內的大體上呈圓柱形的燃燒室襯里(16)，所述燃燒室襯里包括陶瓷基復合材料，所述燃燒室襯里的前端設有多個周向布置的螺栓孔(46)。內部金屬環(huán)(20)位于所述燃燒室襯里的所述前端的外表面周圍，所述內部金屬環(huán)(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(huán)(22)在所述內部金屬環(huán)(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(huán)與所述外環(huán)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(yōu)先權日2005年10月12日
發(fā)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