具有细分为多个区域的内壁和外壁的燃气涡轮机燃烧室

具体实施方式

本发明的各实施例在下文中以应用于燃气涡轮飞机发动机为背景进行说明。

然而，本发明还可应用于其它航空发动机的燃气涡轮机燃烧室或者工业涡轮机的燃气涡轮机燃烧室。

图1为双路式(two-spool)燃气涡轮飞机发动机的高度示意性的视图，该飞机发动机在燃气流的流动方向上从上游到下游包括：螺旋桨叶片(2)；高压(HP)压缩机3；燃烧室1；高压(HP)涡轮机4；低压(LP)涡轮机5；所述高压涡轮机和低压涡轮机分别通过轴被连接至所述的高压压缩机和所述的螺旋桨叶片。

如高度示意性地在图2中所示，燃烧室具有绕轴线A的环形外形，燃烧室由内环形壁10、外环形壁20和燃烧室端部壁30所限定，该燃烧室端部壁30连接于内壁10和外壁20上。端部壁30限定燃烧室的上游端部且表现有开口32，该开口32分布在轴线A的四周用以容纳喷射器(未示出)，该喷射器能够将燃料和空气喷射进燃烧室中。在端部壁30的另一边，内壁10和外壁20分别通过内罩12和外罩22而延伸，内罩12和外罩22能够引导在燃烧室四周流动的空气。

燃烧室的内壁10和外壁20由陶瓷基复合材料(CMC)制成。端部壁30也可由陶瓷基复合材料制成，在该情况下，其优选地由与内壁10和外壁20相同的材料制成，或者其可由金属材料制成，因为端部壁暴露到的温度低于内壁10和外壁20所暴露到的温度。

燃烧室通过可弹性变形的连接元件(未在图2中示出)而被支承在内金属壳15和外金属壳25之间，所述可弹性变形的连接元件将内壳15连接至内壁10并且将外壳25连接至外壁20。所述弹性连接元件在壳15和内壁10之间的空间16以及壳25和外壁20之间的空间26中延伸，所述空间16和26运送在燃烧室四周流动的冷却空气流(箭头f)。所述连接元件(例如由金属制成的连接元件)的弹性使它们能够吸收所述陶瓷基复合材料燃烧室壁和所述金属壳之间的热源的差别的尺寸变化。

在燃烧室下游的端部，燃烧室的出口连接至高压涡轮机喷嘴40的入口，该入口构成所述高压涡轮机的入口节(inlet stage)。喷嘴40包括多个绕轴线A成角度分布的静止叶片42。叶片42在它们的径向端部上被分别固定到内壁和外壁上，或者被固定到平台44和46上，该平台44和46具有通过喷嘴40限定流动通道的内表面，该喷嘴40用于来自燃烧室的燃气流(箭头F)。

在燃烧室的出口和进入高压涡轮机喷嘴的入口之间的连接处，通过内环形唇部54和外环形唇部56形成密封。唇部54具有紧固到或者支承于内壁10的外表面上的一个端部部分，而唇部54的另一端部部分则支承于壁44的环形边缘(rim)上。唇部56具有紧固到或者支承于外壁20的外表面上的一个端部部分，而唇部56的另一端部部分则支承于壁46的环形边缘上。

现在已经完全地了解了上述的燃烧室组件。

如图3至图5所示，并且根据本发明，燃烧室的内壁10和外壁20分别被圆周地细分为相邻的多个区域100和200，每一区域连续地在燃烧室的整个轴向长度上延伸，即，从燃烧室的端部壁延伸到燃烧室的下游端部。

沿着区域100的纵向边缘，区域100向燃烧室的外侧发生折叠，从而形成具有U形横截面的部分并且由折回的边缘102作为其终端，该折回的边缘102与燃烧室内壁10的外表面分隔一定距离并且基本上与其相平行。边缘102通过圆形部分104被连接至区域100的其它部分上。密封垫13被插入到相邻区域100的相面对的纵向边缘的圆形部分104之间。密封垫13通过销14被保持在其位置上，销14在圆形部分104的顶部穿过，销14还穿过位于所述顶部之间的密封垫13的相应部分。

燃烧室端部壁30沿着其内边缘而向上游折叠，从而形成环形凸缘34，区域100通过机械紧固元件(例如螺钉或螺栓)(未示出)而被紧固到该环形凸缘34上。

同样地，内罩12被圆周地细分为相邻的区域120，该区域120与区域100一体制成，并且通过将区域100向上游延伸到其与端部壁30发生连接的部位的另一边而形成。应当注意到，只有在那些在端部壁30和燃烧室的下游端部之间延伸的区域100的部分中，区域100的纵向边缘才圆周地延伸并且折回从而形成圆形部分104和边缘102。

可弹性变形的连接元件17提供内壁10和内金属壳15之间的连接，该可变形的连接元件17还用于将区域100相互之间保持在其位置上。所述连接元件17在圆周上被设置成一行或多行，区域100的每一边缘102通过至少一个连接元件而被连接至金属壳15上。至少一行圆周上的连接元件被设置在区域100的下游端部的附近，该区域在燃烧室的上游端部上被紧固至端部壁30。然而，还提供有至少一行其它的圆周上的连接元件，从而保证区域100之间的良好的相互保持(retention)。在所示的实例中，第二行圆周上的连接元件17设置在燃烧室的端部壁附近。

在所示的实例中，连接元件17具有表现为Ω形截面的桥构件，所述桥构件具有被紧固到内金属壳15上的顶部17a和将脚部17d和17e作为终端的桥构件的分支17b和17c，所述脚部17d和17e被紧固到两个相邻区域100的相邻边缘102的外表面上。所述连接元件可通过螺栓连接、螺钉紧固或者铆接的方式而被紧固到金属壳15上以及被紧固到边缘102上。应当注意到，为了紧固脚部17d和17e，边缘102形成耳片102a(图5)，该耳片比所述边缘的其它部分沿圆周方向延伸一个较大的距离，边缘102(除耳片形成区域102a之外)的圆周尺寸可能会非常小。

区域200沿着它们的纵向边缘以密封的方式被连接在一起以形成外壁20。按照与区域100相似的方式，区域200沿着它们的纵向边缘被向外折叠，从而形成具有U形横截面的部分且将折回的边缘202作为终端，该折回的边缘202与燃烧室外壁20的外表面分隔一定距离且二者彼此基本平行。通过圆形部分204，边缘202被连接至区域200的其余部分。密封垫23被插入到相邻区域200的圆形部分204和相面对的纵向边缘之间。密封垫23按照与密封垫13通过销14被保持在其位置上相同的方式而被销24保持在其位置上。

燃烧室端部壁30沿着其外边缘向上游发生折叠，从而形成环形凸缘36，区域200通过机械紧固件元件(例如螺钉或者螺栓)(未示出)而被紧固至环形凸缘36上。

同样地，外罩22也被圆周地细分为相邻的区域220，其与区域200一体地制成且通过区域200向上游延伸到它们与燃烧室端部壁30发生连接的部分的另一边而形成。应当注意到，只有在燃烧室的端部壁30和下游端部之间延伸的区域200的长度的部分上，区域200的纵向边缘才折回从而形成圆形部分204和边缘202。

可弹性变形的连接元件27提供外壁20和外金属壳25之间的连接，该连接元件27还保证区域200之间的相互保持。按照与连接元件17相同的方式，连接元件27在圆周上设置成单行或多行。通过至少一个连接元件，区域200的每一个边缘202被连接于金属壳25上。

在所示的实例中，连接元件27形成与连接元件17相似的Ω形截面的桥构件，每一个桥构件具有紧固到金属壳25上的顶部27a以及以脚部27d和27e作为终端的分支27b和27c，该脚部27d和27e被连接至两个相邻部分200的相邻边缘202的外表面上。所述的连接元件可通过螺栓连接、螺钉紧固连接或者铆接的方式而被紧固于金属壳25上以及紧固到边缘202上。按照与边缘102相同的方式，边缘202形成用于紧固连接元件27的脚部27d和27e的耳片202a，边缘202(形成耳片202a的区域之外)的圆周尺寸可远小于所述耳片的尺寸。

区域100和200(分别与区域120和220一体地形成)由具有纤维强化物的陶瓷基复合材料制成，该强化物由被陶瓷基密化的耐火纤维制成。所述纤维强化物的纤维可为碳纤维或陶瓷纤维，并且中间相(interphase)，例如热解碳(PyC)或者氮化硼(BN)，可被插入到强化纤维和陶瓷基之间。所述纤维强化物可通过叠置纤维层(例如编织纺织品或者编织层)而制成，或者通过三维编织而制成。所述陶瓷基可由碳化硅或者由某种其它的陶瓷碳化物、氮化物或氧化物制成，并且还可包括一个或多个自我修复的基相(matrix phase)，即在某一温度下通过呈现糊状状态而能够修复裂缝的相。具有自我修复基(self-healing matrices)的陶瓷基复合材料在文件US 5965266、US 6291058和US 6068930中有所说明。

所述的中间相可通过化学蒸汽渗透而沉积在强化纤维上。为了实现陶瓷基的密化，能够进行化学蒸汽渗透密化处理或者液体处理，或者实际上进行活性处理(reactive process)(使用熔融金属进行灌注)。用于生产陶瓷基复合材料部件的处理方式已经成为公知的技术。特别地，通过对纤维强化物进行强化，可完成第一密化阶段，而该强化物通过工具(tooling)被保持在所需的外形；随后进行的密化处理在没有这种支承工具的情况下继续进行。

所述的燃烧室端部壁30被生产为单个的环形部件，其可由金属制成，对于所述区域100、200和端部壁30的凸缘34、36之间的机械紧固件来说可以由金属制成，这是由于该机械紧固件所提供的连接被提供在“冷”区域中。

所述密封垫13、23可被制造成纤维结构的形式，该纤维结构由耐火纤维制成。能够使用由陶瓷纤维制成的非密化的纤维结构，例如，碳化硅纤维或者某种其它的陶瓷碳化物、氮化物或氧化物的纤维，所述纤维结构通过例如编织(weaving)或织(braiding)而获得。还能够使用耐火纤维(碳纤维或陶瓷纤维)制成的纤维结构，该耐火纤维至少局部地由陶瓷基密化，所述陶瓷基通过化学蒸汽渗透或通过液体处理而获得。

在图5的实施例中，密封垫13、23表现出8形的截面。在不同的实施例中，如图6所示，密封垫13、23可表现出X形的截面。

因为密封垫13、23通过销而被保持在其位置上，而所述销例如位于空间16、26中的“冷”区域中的14、24，所以所述销可由金属制成。

所述的可弹性变形的连接元件17、27由厚度薄的金属制成，从而向其提供所需的弹性。应当注意，能够使用与两个区域100或者200不同形的(common with)的连接元件，例如，通过特别的弹性连接件将每个耳片102a、202a连接到金属壳15或25上。还应当注意，为了使区域100、200和金属壳15、25之间的连接元件在区域100、200之间施加相互的支承力，该连接元件可被施予预应力。

所述连接元件和所述金属壳之间机械连接以及所述连接件和所述区域100、200之间的机械连接可通过螺钉、螺栓或者铆钉实现，这些螺钉、螺栓或者铆钉均由金属制成，因为它们位于空间16、26中的“冷”区域中。

当提供有多行圆周上的连接元件17、27的时候，其中的一行元件，例如接近燃烧室的下游端部的那行连接元件，被无间隙地紧固到边缘102、202和到金属壳15、25上，而为了适应在纵向方向上的差别的尺寸变化，所述的或者每一其它行的元件在纵向方向上具有间隙地紧固。

连接件17、27的弹性结合区域100、200的边缘101、202的弹性变形的能力，特别是通过耳片102a、202a，使得易于补偿热源的差别的尺寸变化，所述变化发生于所述的陶瓷基复合材料壁10、20和金属壳15、25之间。

图7显示了不同的实施例，其中罩12、22分别从区域100、200形成。从而，罩12、22壳由金属制成，它们可被制成各个单体构件。通过例如金属螺栓或者螺钉，按照与区域100、200的上游端部相同的方式，罩12、22被紧固到燃烧室端部壁30的凸缘34、36上。

在燃烧室的下游端部和涡轮机喷嘴之间提供密封的一种方式在图8中显示。

举例来说，环形密封唇部56由金属制成。按照与外壁20相同的方式，该环形密封唇部56被圆周地细分为相邻的区域560。每一唇部区域560的上游部分560a被紧固到或者支承在相应的壁区域200的外表面上。可通过铜焊提供紧固连接。唇部区域560从上游部分560a向下游延伸，形成部分560b，该部分560b从壁区域200的外表面逐渐地离开。

弹性金属舌片57具有一个被紧固到在壁区域200的下游附近的连接耳片202a的端部，其中的紧固可与发生于桥构件脚部27的紧固同形。弹性舌片57在其另一端部支承在唇部区域560的部分560b上。对舌片57在弯曲状态下施加预应力，从而在唇部区域560上施加弹性力，并且同时支承在壁区域200的外表面上以及涡轮机喷嘴的壁46的环形边缘上(图2)。

按照与唇部56相同的方式，内环形密封唇部54被圆周地细分为相邻的区域，每一唇部区域被紧固到或者支承在相应的壁区域100上，并且按照与唇部区域560相同的方式与金属舌片相配合。

在所述的实施例中，形成燃烧室的每一内壁和外壁的区域的数目特别地视所述的陶瓷基复合材料纤维强化物发生变形的能力而定，从而在制造一个区域的同时，使该数目能够适应区域的外形。

因此，如在图2至6的实施例中，当纤维强化物表现出较小的变形能力的时候或者当将施加到该强化物上的变形变大的时候，特别是如果所述的罩被结合到所述区域中的话，区域的数目可变得更多。

因此，每一燃烧室壁的区域的数目按照这样的方式进行选择，每一区域占据对应于一倍或多倍的燃烧室端部壁的喷射器壳体的角度节距(angular pitch)，例如，一倍、两倍或三倍于所述喷射器壳体的角度节距。

在所示的实例中，区域的数目等于喷射器壳体的数目。