專利名稱：點火管及其組裝的方法
技術領域：
本發明大致上涉及燃氣輪機發動機，并具體涉及與燃氣輪機發動機燃燒器一起使用的點火管。
背景技術：
燃燒器用于在燃氣輪機發動機中點燃燃料和氣體混合物。已知燃燒器至少包括一個連接到限定燃燒區的燃燒器襯層的圓蓋。更具體地，燃燒器襯層包括內襯層和從圓頂延伸至輪機噴嘴的外襯層。從燃燒器殼向內徑向間隔放置了襯層，從而分別在內襯層和外襯層與燃燒器殼之間限定了內部通道和外部通道。
至少一些已知的燃氣輪機發動機包括便于保持點火器在燃燒器內保持對齊的燃燒器管。更具體地，點火器延伸穿過點火管使得點火器相對于燃燒室保持對齊。
在運行過程中，高壓氣流從壓縮機排出而進入燃燒器，氣流在燃燒器中與燃料混合且利用點火器點燃。而且，進入燃燒器的氣流的一部分被引導通過燃燒器外部通道以冷卻外襯層、點火器，以便于在燃燒室內沖淡主燃燒區。因為點火器是非流線形體，氣流可以會分離，且可以從每個點火器下游產生尾流。因此，點火器的下游側和它們各自的點火管并未與點火器的上游側和它們各自的分別使用未分離的氣流來冷卻的點火管一樣有效地冷卻。此外，由于點火器產生的尾流的結果，可以在點火管中產生周向溫度梯度。另外，進入點火管內的熱氣可以產生相對高的溫度，和溫度梯度，和/或應力。隨著時間流逝，隨著溫度梯度繼續增加的操作可能導致損傷熱應力進入燃燒器，其會超過在制造點火管中使用的材料的極限強度。因此，熱誘導的瞬變和穩定態應力可以導致點火管的低循環疲勞(LCF)故障。
因為點火管替換過程價格昂貴且耗時，因此至少一些已知的燃燒器增加點火器和點火管之間的空隙而便于在點火管內減少誘導的熱周向應力。作為空隙的結果，漏泄從燃燒室的通道穿到燃燒室以將冷卻效果提供給臨近燃燒器襯層的點火管。然而，因為這種氣體用在燃燒工藝中，所以這種空隙只提供間歇冷卻，故點火管會仍然需要替換。
發明內容
在第一個方面，提供了一種用于組裝燃氣輪機發動機點火管的方法。燃氣輪機發動機包括燃燒器，以及至少一個至少部分地插入燃燒器中的點火器。該方法包括提供點火管作為組件，該組件包括貫穿延伸的對稱軸；點火管和套圈，該點火管具有同軸貫穿延伸的第一開口，該第一開口的直徑按尺寸制為適于貫穿容納點火器的一部分，使得點火管外接于點火器，從而在點火管和點火器之間限定空隙；還有延伸穿過點火管和套圈的至少其中之一的多個冷卻氣體開口，以便于將冷卻氣體引導進入空隙，以及將點火管和套圈連接到燃燒器。
另一方面，提供了一種用于燃氣輪機發動機的點火管組件。燃氣輪機發動機包括燃燒器，以及至少一個至少部分插入燃燒器中的點火器。點火管組件包括貫穿延伸的對稱軸；點火管，該點火管具有同軸貫穿延伸的第一開口，該第一開口的直徑按尺寸制為適于貫穿容納點火器的一部分，使得點火管外接于點火器，從而在點火管和點火器之間限定空隙；連接到點火管的套圈；以及延伸穿過點火管和套圈的至少其中之一的多個冷卻氣體開口，以便于將冷卻氣體引導進入空隙。
再另一方面，提供了一種燃氣輪機發動機。燃氣輪機發動機包括燃燒器，該燃燒器包括在其兩者之間限定燃燒室的環形外襯層和環形內襯層，以及連接到燃燒器的至少一個點火管組件。點火管組件包括貫穿延伸的對稱軸；點火管，該點火管具有同軸貫穿延伸的第一開口，該第一開口的直徑按尺寸制為適于貫穿容納點火器的一部分，使得點火管外接于點火器，從而在點火管和點火器之間限定一個空隙；連接到點火管的套圈；以及延伸穿過點火管和套圈的至少其中之一的多個冷卻氣體開口，以便于將冷卻氣體引導進入空隙。
圖1是包括燃燒器的燃氣輪機發動機的示意圖；圖2是可以與圖1所示的燃氣輪機發動機一起使用的燃燒器的截面圖；圖3是點火管組件的放大截面圖；圖4是在圖3所示的點火管組件的分解圖；圖5是在圖3所示的點火管組件的一部分的頂視圖；以及圖6是在圖3所示的點火管組件的的一部分的頂部截面圖。
圖中各標號含義如下10燃氣輪機發動機；12風扇組件；14高壓壓縮機；16燃燒器；18高壓輪機；20低壓輪機；22升壓機；24風扇葉片；26轉子盤；28吸入側；30排出側；32發動機轉軸；40燃燒器外襯層；42燃燒器內襯層；46燃燒器殼；48燃燒室；52外部通道；53前內噴嘴支座；54內部通道；56輪機噴嘴；58多個板；60多個階梯；62點火器；64點火管組件；66燃燒器外襯層開口；100點火管組件；102上游側；104下游側；110點火管；112本體部分；114凸緣部分；120厚度；122本體部分內表面；124本體部分外表面；126本體部分外直徑；130開口；132直徑；134軸；136空腔；138直徑；140開口；142非斜角開口；144非斜角開口；150燃燒器的熱側；152熱流通路；200套圈；202容納環；204連接環；206開口；210直徑；212套圈入口；214直徑；216套圈出口；220套圈開口；222徑向外表面；300連接裝置；302本體部分；304翼片；310外直徑；312內直徑；314內直徑。
具體實施例方式
圖1是燃氣輪機發動機10的示意圖，其包括風扇組件12，高壓壓縮機14，以及燃燒器16。發動機10還包括高壓輪機18，低壓輪機20，和升壓機22。風扇組件12包括從轉子盤26向外徑向延伸的一排扇葉24。發動機10有吸入側28和排出側30。在一個實施例中，燃氣輪機發動機10是可以在市場上買得到的俄亥俄州辛辛那提市通用電子公司的GE90發動機。
在運行過程中，氣體沿著發動機轉動軸32流過風扇組件12，且壓縮氣體被供給高壓壓縮機14。高度壓縮的氣體被送到燃燒器16。來自燃燒器16的氣流驅動輪機18和20，且輪機20驅動風扇組件12。
圖2是在燃氣輪機發動機10中使用的燃燒器16的截面圖。燃燒器16分別包括環形外襯層40，環形內襯層42，和在外襯層40和內襯層42之間延伸的圓頂端(未示出)。外襯層40和內襯層42從燃燒器殼46被向內隔開而限定燃燒室48。外襯層40和燃燒器殼46限定外部通道52，而內襯層42和前內部噴嘴支座53限定內部通道54。
燃燒室48在外形上通常為環形且布置在襯層40和42之間。外襯層40和內襯層42從燃燒器圓頂端延伸至放置在圓頂端下游的輪機噴嘴56。在例示的實施例中，外襯層40和內襯層42各自都包括多個板58，該板58包括一系列的階梯60，每個階梯形成燃燒器襯層40和42的獨特部分。
多個燃料點火器62延伸穿過燃燒器殼46和外部通道52，且連接到燃燒器的外襯層40。在一個實施例中，兩個燃料點火器62延伸穿過燃燒器殼46。點火器62是圍繞燃燒器16周向放置的非流線形體且是來自圓頂端燃燒器的下游。布置的每個點火器62用于在燃燒室48內點燃燃料/氣體混合物，且每個點火器62包括連接到燃燒器外襯層40的點火管組件64。更具體地，每個點火管組件64連接在延伸穿過燃燒器外襯層40的開口66中，使得每個點火管組件64相對于每個開口66同心對齊。點火管組件64保持每個相應點火器62與燃燒器16對齊。在一個實施例中，燃燒器外襯層開口66的截面輪廓基本為環形。
在發動機運行期間，氣流(未示出)以相對高的速度引出高壓壓縮機14(如圖1所示)并引入燃燒器16，氣流在燃燒器16中與燃料混合且燃料/氣體混合物使用點火器62點燃以進行燃燒。當氣流進入燃燒器16時，氣流的一部分(未在圖2顯示)被引導穿過燃燒器外部通道52。因為每個點火器62是非流線形體，所以當氣流接觸點火器62時，在每個點火器62下游氣流中產生尾流。
圖3是點火管組件100的放大截面圖，該點火管組件連接到燃燒器外襯層40且能與燃氣輪機發動機10(如圖1所示)一起使用。圖4是點火管組件100的分解圖。圖5是從5-5截取的點火管組件100的一部分的頂部截面圖。點火管組件100有上游側102和下游側104。在例示的實施例中，每個點火管組件100包括點火管110，該點火管110包括本體部分112和連接到本體部分112的凸緣部分114。在例示的實施例中，本體部分112和凸緣部分114一體形成使得點火管110的截面輪廓基本為L形。在另一實施例中，本體部分112和凸緣部分114形成分立部件且使用焊接或者銅焊工藝連接在一起，例如形成點火管110。
在例示的實施例中，本體部分112包括在本體部分內部表面122和本體部分外部表面124之間延伸的厚度120。本體部分112的外直徑126按尺寸制為使得本體部分112能至少部分插入通過燃燒器外襯層66。本體部分112還包括具有直徑132的開口130。在例示的實施例中，開口130沿著基本垂直于對發動機操作軸32的對稱軸134方向延伸穿過本體部分112。在一個實施例中，開口130基本為圓形且其大小可容納點火器62，以便于在本體內部表面122和點火器62之間形成空腔或者空隙136。因此，在內部表面122和點火器62之間形成了空腔136，大約外接于點火器62。本體部分外直徑126大約與燃燒器外襯層開口66的內直徑138相等，因此，點火管本體部分112以緊公差容納在燃燒器外襯層開口66內。在例示的實施例中，本體內部表面122有基本圓形的外圍。
在例示的實施例中，本體部分112還包括從內部表面122延伸到外部表面124的多個開口140，使得能夠引導氣流(未示出)從上游側102穿過開口140進入空腔136之內。然后氣體從空腔136被引導進入燃燒器16的熱側且流下熱流通路，即下游側152。在例示的實施例中，開口140基本外接于本體部分112，且通過本體部分112而成形使得通過開口140引導的氣流基本平行于發動機操作的軸32流動。
更具體地，本體部分112包括開口140，該開口140包括多個斜角和非斜角的開口142和144，其促使冷卻風進入點火管110，而由此冷卻熱表面，然后清除空腔136中相對熱的氣。例如，在例示的實施例中，開口140的至少一部分能筆直穿過本體部分112而成形和/或以復角(compound angle)穿過本體部分112而成形。而且，開口140能圍繞主體部分112外圍以均勻的模式而成形，即圍繞主體部分112基本均勻隔開，和/或以優選的模式，即圍繞主體部分112非均勻間隔可取決于部件和點火的需求。
因此，在運行過程中，氣流從上游側102被引導穿過開口140以促使減少和/或除去空腔136中的熱氣環流區。接著，空腔136里的熱氣被排出而進入燃燒器16中的熱邊150且向下流過熱流通路152。
在例示的實施例中，點火管組件100還包括套圈200。在例示的實施例中，套圈200連接到點火管110且包括容納環202和連接環204。連接環204是環形且從凸緣部分114延伸使得連接環204基本平行于凸緣部分114。容納環202從連接環204徑向向外延伸。更具體地，容納環202從連接環204發散式延伸，使得延伸穿過套圈200的開口206在套圈200的入口212處的直徑210比套圈200的出口216處的直徑214大。因此，套圈入口212促使將點火器62引導進入點火管110，且套圈入口214保持點火器62相對于燃燒器16對齊(如圖1和2所示)。在例示的實施例中，容納環202和連接環204一體成形。
在例示的實施例中，套圈200還包括多個開口220，該開口220從徑向外部表面222延伸穿過連接環204至連接環204的徑向內部表面224。因此，開口220延伸穿過連接環204而促使氣流引導過連接環開口220并進入空腔136內。在例示的實施例中，開口220以一個角度成形，該角度與軸134相切或者垂直以促使將冷卻風引導進入空腔136。
在一個實施例中，開口220的至少一部分能筆直穿過套圈200即大致平行于軸134而成形和/或以復角穿過套圈200而成形。而且，開口220能圍繞套圈200的外圍以均勻的模式而成形，即圍繞套圈200基本均勻隔開，和/或以優選的模式，即圍繞套圈200非均勻間隔可取決于部件和點火的需求。
更具體地，在運行過程中，氣流從上游側102被引導穿過開口220并進入空腔136以促使減少和/或除去空腔136中的熱氣環流區。接著，空腔136里的熱氣排出而進入燃燒器16中的熱邊150且向下流過熱流通路152。
在一個實施例中，套圈200磨擦式連接到點火管110，使得套圈200在點火管110上“浮動”。更具體地，點火器62在套圈200中徑向流動且套圈200在點火管110的頂端上浮動以允許熱生長中的差異。在備選實施例中，套圈200使用連接裝置300而連接到點火管110(如圖4所示)。
圖6是連接裝置300的頂視圖(如圖4所示)。在例示的實施例中，連接裝置300包括本體部分302和連接到本體部分302的多個翼片304。在一個實施例中，本體部分302和翼片304一體成形使得連接裝置300的橫截輪廓為U形。在另一實施例中，本體部分302和翼片304形成為分立部件且例如使用焊接或銅焊工藝連接在一起。
在例示的實施例中，本體部分302的外徑310比套圈200的外徑312大而促使靠著點火管110連接和/或夾持套圈200。而且，本體部分302還有內徑314，其尺寸足夠大使得本體部分302不會妨礙套圈開口220。
在例示的實施例中，翼片304以大約垂直于本體部分302的角度延伸而促使連接裝置300連接到燃燒器的外襯層40。因此，裝置300大約外接于套圈200和點火管110以促使將套圈200和點火管110連接至燃燒器的外襯層40。
其中描述的例示的點火管組件包括點火管，該點火管具有多個開口，該開口延伸穿過其中的側壁以促使將冷卻氣體引導穿過點火管進入在點火管和點火器之間形成的空腔。開口可以斜角和/或非斜角的，其延伸穿過點火管的側壁以促使清除空腔內相對熱的氣體，而由此冷卻點火器和點火管組件。在例示的實施例中，點火管組件還可以包括套圈，該套圈包括延伸穿過套圈底部環的多個開口而促使將冷卻氣體引導穿過套圈進入在點火管和點火器之間形成的空腔。開口可以斜角和/或非斜角的，其延伸穿過套圈的底部以促使清除空腔內相對熱的氣體，而由此冷卻點火器和點火管組件。可以根據應用需要來使用配置的變型或組合。例示的點火管組件還可以包括連接裝置以促使套圈和點火管都連接到外燃燒器襯層。
因此，其中描述的點火管組件有助于減少點火器和點火管的損壞，以及減少與更換點火器和點火管有關的成本和時間。而且，其中描述的點火器組件利用燃燒過程中沒被利用的冷卻風，由此冷卻風以相對持續不斷的方式提供而促使冷卻點火器，由此增加了點火器的壽命。
上述的點火管有成本效益且高度可靠。點火管和套圈包括多個開口，該開口將氣流圍繞點火器徑向向內或周向地引導氣流。更具體地，冷卻風促使清除圍繞點火器采集的熱燃燒氣體，由此減少點火管和燃燒器外襯層之間的溫度梯度。因此，以成本效益可取和可靠的方式促成了低熱應力和點火管提高的壽命。
盡管根據不同具體的實施例對本發明進行了描述，但是本領域的技術人員可以認識到，在權利要求的精神和范圍內可以進行修改而進行實施。
權利要求
1.一種用于燃氣輪機發動機(10)的點火管組件(100)，所述燃氣輪機發動機包括燃燒器(16)，和至少一個至少部分插入燃燒器中的點火器(62)，所述點火管組件包括貫穿延伸的對稱軸(134)；點火管(110)，所述點火管包括同軸貫穿延伸的第一開口(130)，所述第一開口的直徑(132)按尺寸制為適于貫穿容納點火器的一部分，使得所述點火管外接于點火器，從而在點火管和點火器之間限定了空隙(136)；套圈(200)，其連接到所述點火管；以及多個冷卻氣體開口(140)、(220)，其延伸穿過點火管和套圈的至少其中之一，以便于將冷卻氣體引導進入所述空隙。
2.根據權利要求1所述的點火管(100)組件，其特征在于，所述多個開口(140)至少包括以第一角度延伸穿過所述點火管(110)的第一冷卻風開口(142)和以不同于所述第一角度的第二角度延伸穿過所述點火管的第二冷卻風開口(144)。
3.根據權利要求1所述的點火管組件(100)，其特征在于，所述第一多個開口(140)至少包括以第一復角延伸穿過所述點火管的第一冷卻氣體開口(142)和以不同于所述第一復角的第二復角延伸穿過所述點火管的第二冷卻風開口(144)。
4.根據權利要求1所述的點火管(100)組件，其特征在于，所述第一多個開口(220)至少包括以第一角度延伸穿過所述套圈(200)的第一冷卻氣體開口(222)和以不同于所述第一角度的第二角度延伸穿過所述套圈的第二冷卻風開口(222)。
5.根據權利要求1所述的點火管組件(100)，其特征在于，所述第一多個開口(220)至少包括以第一復角延伸穿過所述套圈(200)的第一冷卻氣體開口(222)和以不同于所述第一復角的第二復角延伸穿過所述套圈的第二冷卻風開口(222)。
6.根據權利要求1所述的點火管組件(100)，其特征在于，進一步包括護圈(300)，所述護圈按尺寸制為靠所述套圈(200)周向安裝以將所述點火管(110)和所述套圈固定到燃燒器(16)。
7.根據權利要求6所述的點火管組件(100)，其特征在于，所述護圈(300)包括多個翼片(304)，所述翼片連接到燃燒器以將所述點火管(110)和所述套圈(200)固定到燃燒器。
8.一種包括燃燒器(16)的燃氣輪機發動機(10)，所述燃燒器(16)包括限定燃燒室(48)的環形外襯層(40)和環形內襯層(42)，以及連接到所述燃燒器的至少一個點火管組件(110)，所述點火管組件包括貫穿延伸的對稱軸(134)；點火管(110)，所述點火管包括同軸貫穿延伸的第一開口(130)，所述第一開口的直徑(132)按尺寸制為適于貫穿容納點火器(62)的一部分，使得所述點火管外接于點火器，從而在所述點火管和點火器之間限定了空隙(136)；套圈(200)，其連接到所述點火管；以及多個冷卻氣體開口(140)、(220)，其延伸穿過所述點火管和套圈的至少其中之一，以便于將冷卻氣體引導進入空隙。
9.根據權利要求8所述的燃氣輪機發動機(10)，其特征在于，所述第一多個開口(140)至少包括以第一角度延伸穿過所述點火管(110)的第一冷卻風開口(142)和以不同于所述第一角度的第二角度延伸穿過所述點火管的第二冷卻風開口(144)。
10.根據權利要求8所述的燃氣輪機發動機(10)，其特征在于，所述第一多個開口(140)至少包括以第一復角延伸穿過所述點火管的第一冷卻氣體開口(142)和以不同于所述第一復角的第二復角延伸穿過所述點火管的第二冷卻風開口(144)。
全文摘要
一種點火管組件(100)，其包括貫穿延伸的對稱軸(134)；點火管(110)，其包括同軸貫穿延伸的第一開口(142)，該第一開口的直徑按尺寸制為適于貫穿容納點火器(62)的一部分，使得點火管外接于點火器，從而在點火管和點火器之間限定空隙；套圈(200)，其連接到點火管；以及多個冷卻氣體開口(140)，其延伸穿過點火管和套圈的至少其中之一，以便于將冷卻氣體引導進入空隙。
文檔編號F02C7/266GK1892000SQ20061010135
公開日2007年1月10日 申請日期2006年7月5日 優先權日2005年7月5日
發明者T·G·霍蘭德, S·C·維塞, M·A·麥馬斯特斯 申請人:通用電氣公司