用于火焰筒的浮动壁瓦块及其浮动壁

摘要

本发明提供了一种用于火焰筒的浮动壁瓦块，包括：瓦块本体，该瓦块本体由陶瓷基复合材料构成，该瓦块本体的相对两侧的边缘分别具有至少一个凸台，该凸台在背向火焰筒内壁的一面上具有凹槽；以及与每个凸台相对应的挂钩螺栓，该挂钩螺栓包括螺栓部和与该螺栓部呈一定角度的挂钩部，该挂钩部的形状与该凹槽的形状相适应以使得该挂钩部能够至少部分地容纳于该凹槽内。本发明还提供了一种火焰筒的浮动壁。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机燃烧室的火焰筒，尤其涉及用于火焰筒的浮动壁瓦块及 其浮动壁。

背景技术

随着先进燃气轮机的研制水平以及新材料的工程运用能力不断提升，现已 有技术能将一些具有更高温度性能的非金属材料代替金属材料用于轮机的高 温部位，如燃烧室中火焰筒的内衬或浮动壁结构。燃烧室是在燃气轮中用于组 织燃料发生燃烧反应的部件，而火焰筒是设于燃烧室中用于安排参加燃烧、掺 混和冷却空气的组件。陶瓷基复合材料(CMC)是上述低热膨胀非金属材料中 的一种。这种材料能在比金属许用温度更高的环境下工作，以此显著地降低冷 却需求，这些降低的冷却需求可增加发动机效率和发动机输出。

然而，如何实现陶瓷基复合材料浮动壁在燃气轮机上的运用具有诸多难 点。浮动壁一般是由诸多铺设在火焰筒内壁上的浮动壁瓦块来构成。每个浮动 壁瓦块贴在火焰筒内壁上并通过紧固装置被紧固于火焰筒内壁上。对于传统的 火焰筒浮动壁而言，每个浮动壁瓦块是由金属材料构成的。因此，通常采取一 体化铸造的加工方法使浮动壁瓦块本体的背面(即，贴向火焰筒内壁的一面) 具有一定数量的螺栓，如图1所示。再通过浮动壁瓦块上的螺栓与火焰筒内壁 上的螺栓孔进行成熟可靠的螺栓连接。这些螺栓通过沿火焰筒径向、轴向和周 向等方向为浮动壁提供支承。

然而，由于陶瓷基复合材料零件的特殊成型方法，这种设计不适用于陶瓷 基复合材料的浮动壁。通常而言，陶瓷基复合材料浮动壁通过采用陶瓷纤维编 制的三维骨架，配合特有的陶瓷基复合材料成型工艺的方法加工。因此，将陶 瓷纤维三维编制的工艺运用在瓦块与螺栓一体化的结构上时，会为瓦块与螺栓 交界处的连接强度带来显著的弱化，同时，该交界面也是这种结构本身最为脆 弱的区域。

显然，如果简单地照搬金属浮动壁与火焰筒之间的连接方法，而采用瓦块 与螺栓一体化的浮动壁结构，会给浮动壁自身的强度性能带来显著的负面影 响。

因此，本领域需要一种用于火焰筒的改善的陶瓷基复合材料浮动壁。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概 述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性 或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化 形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种用于火焰筒的浮动壁瓦块，包括：

瓦块本体，该瓦块本体由陶瓷基复合材料构成，该瓦块本体的相对两侧的 边缘分别具有至少一个凸台，该凸台在背向火焰筒内壁的一面上具有凹槽；以 及

与每个凸台相对应的挂钩螺栓，该挂钩螺栓包括螺栓部和与该螺栓部呈一 定角度的挂钩部，该挂钩部的形状与该凹槽的形状相适应以使得该挂钩部能够 至少部分地容纳于该凹槽内。

在一实例中，该凸台及其凹槽是通过陶瓷纤维编织工艺从该瓦块本体的边 缘延伸编织而成，而该挂钩螺栓由金属构成。

在一实例中，该凹槽的尺寸大于该挂钩部的尺寸以使得该挂钩部容纳于 该凹槽内时留有一定的余地以容许该挂钩部的热膨胀。

在一实例中，该挂钩螺栓包括基座，该螺栓部位于该基座的一面上，该 挂钩部由从该基座的与该面垂直的另一面向外延伸的柱状体构成从而与该螺 栓部垂直。

在一实例中，该柱状体为圆柱体，以及该凹槽的截面形状相应地为半圆形。

在一实例中，该螺栓部在底部具有异形凸台和圆形凸台，该异形凸台的截 面形状与火焰筒内壁上的螺栓孔的形状相匹配。

在一实例中，在该瓦块本体的该凸台的径向靠内一侧具有自该瓦块本体 的边缘延伸出并越过凸台的挡溅部。

在一实例中，该瓦块本体在周向两侧的每一侧边缘具有两个凸台，在该瓦 块本体周向两侧通过陶瓷纤维编织工艺自该瓦块本体的边缘沿周向延伸编织 出该挡溅部。

在一实例中，还包括位于该瓦块本体与火焰筒内壁之间的至少一个弹簧衬 垫，该弹簧衬垫包括弹簧片和位于该弹簧片两端的套圈。

在一实例中，该套圈的开口形状与该螺栓部的底部的异形凸台的截面形状 相匹配，该套圈套在该螺栓部的底部的异形凸台上。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于火焰筒的浮动壁，包括：

多个浮动壁瓦块，该多个浮动壁瓦块铺设于该火焰筒的内壁上，每个浮动 壁瓦块包括瓦块本体和用于将该瓦块本体固定于火焰筒内壁上的挂钩螺栓，其 中，

该瓦块本体由陶瓷基复合材料构成，该瓦块本体的相对两侧的边缘分别具 有至少一个凸台，该凸台在背向火焰筒内壁的一面上具有凹槽，以及

该挂钩螺栓包括螺栓部和与该螺栓部呈一定角度的挂钩部，该挂钩部的 形状与该凹槽的形状相适应，对应于每个凸台，与该凸台相对应的该挂钩螺栓 的该螺栓部穿过火焰筒内壁上的螺栓孔并由螺帽拧紧，与此同时，该挂钩部能 够至少部分地容纳于该凹槽内从而将该瓦块本体限制成贴附火焰筒内壁。

在一实例中，该凸台及其凹槽是通过陶瓷纤维编织工艺从该瓦块本体的边 缘延伸编织而成，而该挂钩螺栓由金属构成。

在一实例中，该凹槽的尺寸大于该挂钩部的尺寸以使得该挂钩部容纳于 该凹槽内时留有一定的余地以容许该挂钩部的热膨胀。

在一实例中，该挂钩螺栓包括基座，该螺栓部位于该基座的一面上，该 挂钩部由从该基座的与该面垂直的另一面向外延伸的柱状体构成从而与该螺 栓部垂直。

在一实例中，该柱状体为圆柱体，以及该凹槽的截面形状相应地为半圆形。

在一实例中，该螺栓部在底部具有异形凸台和圆形凸台，该异形凸台的截 面形状与火焰筒内壁上的螺栓孔的形状相匹配从而使得该异形凸台正好卡在 该螺栓孔内。

在一实例中，在该瓦块本体的该凸台的径向靠内一侧具有自该瓦块本体 的边缘延伸出并越过凸台的挡溅部，该挂钩螺栓位于该挡溅部的径向靠外一侧 从而被该挡溅部遮挡以与该火焰筒的腔内部分隔离开。

在一实例中，该瓦块本体在周向两侧的每一侧边缘具有两个凸台，在该瓦 块本体周向两侧通过陶瓷纤维编织工艺自该瓦块本体的边缘沿周向延伸编织 出该挡溅部。

在一实例中，在该浮动壁瓦块与火焰筒内壁之间设有弹簧衬垫，该弹簧衬 垫包括弹簧片和位于该弹簧片两端的套圈，对于每个套圈，有一挂钩螺栓的该 螺栓部依次穿过该套圈和该火焰筒内壁上的螺栓孔并由螺帽拧紧，该弹簧片在 该浮动壁瓦块和火焰筒内壁之间产生形变以在径向上起到紧固该浮动壁瓦块 的作用。

在一实例中，该套圈的开口形状与该螺栓部的底部的异形凸台的截面形状 相匹配，从而该套圈套在该螺栓部的异形凸台上。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本 发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类 似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了现有技术的浮动壁瓦块的结构的示意图；

图2A是示出了根据本发明的一方面的浮动壁瓦块的结构的示意图；

图2B是示出了根据本发明的一方面的浮动壁瓦块的侧视图；

图2C是示出了根据本发明的一方面的浮动壁瓦块的剖视图；

图2D是示出了根据本发明的一方面的浮动壁瓦块的另一剖视图；

图3是示出了根据本发明的一方面的浮动壁瓦块的局部结构的示意图；

图4是示出了根据本发明的一方面的挂钩螺栓的结构的示意图；

图5A是示出了根据本发明的一方面的弹簧衬垫的侧视图；

图5B是示出了根据本发明的一方面的弹簧衬垫的俯视图；

图5C是示出了根据本发明的一方面的弹簧衬垫的局部放大图；以及

图6是示出了可在其上铺设根据本发明的一方面的浮动壁瓦块的火焰筒 内壁上的螺栓孔的示意图。

符号说明：

100：浮动壁瓦块

110：瓦块本体

111：凸台

112：凹槽

113：挡溅部

120：挂钩螺栓

121：螺栓部

122：挂钩部

123：异形凸台

124：圆形凸台

125：基座

130：弹簧衬垫

131：弹簧片

132：套圈

200：火焰筒内壁

201：螺栓孔

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和 具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围 进行任何限制。

如前文所述的，由于陶瓷基复合材料的加工工艺特点，浮动壁瓦块与螺栓 不适用于一体化结构，因为这会为瓦块与螺栓交界处的连接强度带来显著的弱 化，同时使该交界面成为这种结构本身最为脆弱的区域。更麻烦的是，陶瓷基 复合材料构成的零件也不适合导致明显结构改变的机械加工，如后期开孔、螺 纹等等，否则会使构成零件框架的纤维骨架遭到破坏，由此使得材料强度等性 能会产生显著的弱化。与此同时，金属材料的热胀系数相较于陶瓷基复合材料 更大，因此在高温环境下，金属螺栓会产生较大的热膨胀从而带来崩裂周围陶 瓷基材料浮动壁的风险。因此，对于陶瓷基复合材料浮动壁瓦块而言，传统技 术上采用在陶瓷基复合材料浮动壁瓦块上直接开孔，通过螺栓直接穿透浮动壁 瓦块上的螺栓孔和燃烧室火焰筒内壁上的相应螺栓孔并以紧固螺母连接的方 式在结构强度上是极其脆弱的。

鉴于此，根据本发明的一方面，首先对陶瓷基复合材料的瓦块与金属螺栓 进行分体式设计，同时，通过对瓦块本体和金属螺栓的结构进行特殊设计，使 得金属螺栓与金属材料的燃烧室火焰筒进行螺栓连接，而与陶瓷基复合材料的 瓦块本体进行钩挂连接，以解决现有技术的上述技术缺陷。下文将结合附图对 陶瓷基复合材料的浮动壁瓦块结构进行详细描述。

图2A是示出了根据本发明的一方面的浮动壁瓦块200的结构的示意图。 图2B是示出了浮动壁瓦块200从图2A中A-A视线方向看去的侧视图，图2C 是示出了浮动壁瓦块200从图2B中B-B视线方向看去的侧视图，以及图2D 是示出了浮动壁瓦块200从图2A中C-C视线方向看去的侧视图。

如图2A-2D所示，浮动壁瓦块100被紧固于火焰筒的内壁200上。在图 2A中，可看见浮动壁瓦块100整体呈弧形片状，这是由火焰筒内壁200的形 状所决定的。以火焰筒为参照，图2A中垂直于纸面的方向为轴向，垂直于火 焰筒内壁200的方向为径向，以及沿火焰筒内壁200圆周的方向为周向。

图2A中仅示出了一块浮动壁瓦块100以及火焰筒内壁200的一部分，事 实上，整个火焰筒内壁200上铺设了多块这样的浮动壁瓦块100，从而一起构 成火焰筒的浮动壁。

为了能够将浮动壁瓦块100紧固于火焰筒内壁200上，浮动壁瓦块100 被分体设计为包括瓦块本体110和挂钩螺栓120。瓦块本体110可由陶瓷基复 合材料构成。瓦块本体110的相对两侧的边缘分别可具有至少一个凸台111， 凸台111在背向火焰筒内壁的一面(即，面向火焰筒内部的一面)上具有凹槽 112。在如图所示的实例中，瓦块本体100在周向两侧的每一侧边缘具有两个 凸台111，如图3所示，图3示出了浮动壁瓦块的局部结构的示意图。

由于陶瓷基复合材料的加工工艺特点，本发明特别设计了这样的凸台加凹 槽的结构，凸台111及位于其上的凹槽112可通过陶瓷纤维编织工艺从所述瓦 块本体的边缘延伸编织而成。由此工艺形成的凸台111及凹槽112作为与螺栓 耦合的紧固件，有非常良好的结构强度，保证火焰筒工作的可靠性。

另外，本发明特别地设计了挂钩螺栓120，即一种挂钩与螺栓相结合的特 殊螺栓结构。挂钩螺栓120可由金属构成，以便于加工。图4示出了根据本发 明的一方面的这样的挂钩螺栓120。挂钩螺栓120大体可包括螺栓部121和与 该螺栓部121呈一定角度的挂钩部122两个部分。较优地，挂钩螺栓120可包 括基座125，螺栓部121可位于该基座125的一面上，而挂钩部120可以是从 基座125的与该面垂直的另一面向外延伸的柱状体从而与该螺栓部垂直。

进一步地，螺栓部121在底部具有异形凸台123和圆形凸台124。异形凸 台123的截面形状与火焰筒内壁200上开始的螺栓孔201的形状相匹配，从而 在安装时，异形凸台123可以正好卡在螺栓孔201内。在如图所示的实例中， 异形凸台123的截面形状是圆形被截去了相对的两部分。图6示出了螺栓孔201 的形状。

挂钩部122的形状与凸台111上的凹槽112的形状相适应，以使得该挂钩 部122能够至少部分地容纳于凹槽内111内。在如图所示的实例中，挂钩部122 为圆柱体，相应的，凸台111上的凹槽112的截面形状为半圆形。

对应于每个凸台111，有一对应的挂钩螺栓120以合起来起到将瓦块本体 110紧固到火焰筒内壁200上的紧固组合件的作用。安装时，挂钩螺栓120的 螺栓部121穿过火焰筒内壁200上的螺栓孔201，并由螺帽(未示出)拧紧， 与此同时，挂钩螺栓120的挂钩部122正好部分地容纳于凹槽112内，从而将 瓦块本体110限制成贴附火焰筒内壁200，如图所示。此时，挂钩螺栓120的 异形凸台123正好卡在火焰筒内壁200上的螺栓孔201内。

较优地，凸台111上的凹槽112的尺寸稍大于挂钩部122的尺寸，以使得 在安装状态下，挂钩部122容纳于凹槽112内时留有一定的空间余地以容许挂 钩部122的热膨胀。由于挂钩部122是由金属制成，因此膨胀系数相对于陶瓷 基复合材料更大，通过将凹槽112设计为开放的缺口，并且尺寸稍大于挂钩部 122，有效地增强了安全系数。

在一实施例中，还在瓦块本体110与火焰筒内壁200之间设置了弹簧衬垫 130。图5A、5B以及5C分别示出了弹簧衬垫130的侧视图、俯视图、和局部 放大图。具体地，图5B是从图5A的D箭头所标示的方向看去的视图。从图 5B可以清楚地看出，弹簧衬垫130包括中间的弹簧片131和位于弹簧片131 的两端的套圈132。从图5A可清楚地看出，弹簧片131并非是平直的，而是 有多个区段，这使得弹簧片在瓦块本体110与火焰筒内壁200之间时会发生形 变从而在径向上起到紧固作用。

从图5C可以看出，套圈132的开口形状与螺栓部121的底部的异形凸台 123的截面形状相匹配。在安装时，每个弹簧衬垫130可与两个凸台111和相 应的两个挂钩螺栓120一起安装。具体地，一个挂钩螺栓120的螺栓部121依 次穿过弹簧衬垫130的一个套圈132再穿过火焰筒内壁200上的螺栓孔201并 由螺帽拧紧，另一挂钩螺栓120的螺栓部121依次穿过弹簧衬垫130的另一个 套圈132再穿过火焰筒内壁200上的螺栓孔201并由螺帽拧紧。最终，套圈132 套在螺栓部121的异形凸台123上。

在该实施例中，弹簧衬垫130一方面对陶瓷基复合材料浮动壁结构进行了 沿燃烧室火焰筒径向上的定位，另一方面为机械强度较差的陶瓷基复合材料浮 动壁进行了沿燃烧室火焰筒径向上的缓冲。

根据本发明的另一方面，在瓦块本体110的凸台111的径向上靠内一侧具 有自瓦块本体110的边缘延伸出并越过凸台111的挡溅部113。在如图所示的 实例中，该挡溅部113是在瓦块本体110周向两侧通过陶瓷纤维编织工艺自瓦 块本体110的边缘沿周向延伸编织而成的。如图所示，在周向上，挡溅部113 延伸得比凸台111更长，以使得，与凸台111的凹槽112钩挂在一起的挂钩螺 栓120正好位于挡溅部113的径向靠外一侧，从而被挡溅部113遮挡以与火焰 筒的腔内部分隔离开，由此可以有效地保护金属材料的挂钩螺栓120以及金属 燃烧室火焰筒不受高温燃气的辐射及热对流影响。

在本发明中，对浮动壁瓦块采用了分体设计，而且考虑到在陶瓷基复合材 料零件上进行螺纹机械加工的复杂性及潜在强度损失，因此本设计选用金属挂 钩螺栓与陶瓷基复合材料的瓦块本体进行连接。同时，考虑到陶瓷基复合材料 的材料特点，在瓦块本体上设计了独特的带凹槽缺口的凸台结构，以及设计了 与其相配合的带挂钩的螺栓结构。陶瓷基复合材料的浮动壁四周的凸台与挂钩 螺栓结构在沿燃烧室火焰筒轴向及周向两个维度对陶瓷基复合材料浮动壁进 行了定位。另外，针对钩挂连接这种特殊的连接方式，还设计了金属弹簧衬垫 以便在为机械强度较差的陶瓷基复合材料浮动壁进行了沿燃烧室火焰筒径向 上的缓冲的同时，对陶瓷基复合材料浮动壁结构进行了沿燃烧室火焰筒径向上 的定位。以此方式，提供的连接方案能在三维对陶瓷基复合材料浮动壁进行固 定。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使 用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且 本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范 围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授 予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。