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CN109140508A - 具有cmc燃烧器圆顶的燃烧器组件 - Google Patents

具有cmc燃烧器圆顶的燃烧器组件 Download PDF

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CN109140508A
CN109140508A CN201810622676.2A CN201810622676A CN109140508A CN 109140508 A CN109140508 A CN 109140508A CN 201810622676 A CN201810622676 A CN 201810622676A CN 109140508 A CN109140508 A CN 109140508A
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cmc
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combustor dome
burner
support
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Abstract

本申请提供了燃烧器组件。示范性燃烧器组件包括：包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC)内衬套，包括外衬套凸缘的环形CMC外衬套，以及包括彼此周向相邻定位的多个瓦的环形CMC燃烧器圆顶。每个瓦具有与第二端部径向相对的第一端部。所述CMC内衬套，所述外衬套和所述燃烧器圆顶形成燃烧器，并且所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处。所述燃烧器组件也包括用于支撑所述燃烧器的支撑结构，所述支撑结构包括具有限定凹槽的框架通道的环形框架以及内支撑凸缘和外支撑凸缘。每个瓦的第一端部布置在所述框架通道的凹槽内。所述内衬套凸缘固定到所述内支撑凸缘，并且所述外衬套凸缘固定到所述外支撑凸缘。

Description

具有CMC燃烧器圆顶的燃烧器组件
技术领域
本主题大体上涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心大体上包括呈串流次序的压缩机部段、燃烧部段、涡轮部段和排气部段。在操作中，空气从风扇提供到压缩机部段的入口，在所述压缩机部段，一个或多个轴向压缩机渐进地压缩空气，直到空气到达燃烧部段为止。燃料与压缩空气混合并在燃烧部段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧部段被传送到涡轮部段。通过涡轮部段的燃烧气体流驱动涡轮部段，且接着被导引通过排气部段，例如到大气环境。
燃烧气体温度相对较高，使得在燃烧部段和下游涡轮部段中或附近的一些部件需要用于偏转或减轻燃烧气体温度影响的特征。更常见的是，诸如陶瓷基质复合(CMC)材料的非传统高温复合材料正用于诸如燃气涡轮发动机燃烧和涡轮部段的应用中。由CMC材料制造的部件与典型部件(例如，金属部件)相比具有更高温度能力，这可以允许改善部件性能和/或提高系统温度。通常，与热燃烧气体直接接触的部件可以由CMC材料制造，而燃烧器组件支撑结构包括金属部件，其不如CMC部件能够承受高温并且具有不同于CMC部件的热膨胀系数(CTE)。所以，将金属支撑结构暴露于相对较高的燃烧温度会产生金属支撑结构过热的风险，并且金属和CMC部件之间的CTE失配会对安装到金属支撑结构的CMC部件造成过度的热应力。
因此，用于减轻使用具有金属硬件的CMC部件的负面影响的改进燃烧组件将是期望的。作为示例，具有将金属支撑结构与燃烧器组件的燃烧室隔开的CMC燃烧器圆顶的燃烧器组件将是有益的。作为另一示例，将CMC燃烧器圆顶与燃烧器组件的结构负载路径分离的燃烧器组件将是有利的。另外，由多个CMC瓦(tile)形成的CMC 燃烧器圆顶将是期望的，例如，以便简化圆顶的制造和修理，同时也减少圆顶的不可接受的固有频率。
发明内容
本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
在本主题的一个示范性实施例中，提供了一种燃烧器组件。所述燃烧器组件包括：包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC) 内衬套，与所述CMC内衬套径向间隔开并且包括外衬套凸缘的环形 CMC外衬套，以及包括彼此周向相邻定位的多个瓦的环形CMC燃烧器圆顶。所述多个瓦的每个瓦具有与第二端部径向相对的第一端部。所述CMC内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器。所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处。所述燃烧器组件也包括用于支撑所述燃烧器的支撑结构。所述支撑结构包括具有限定凹槽的框架通道的环形框架，并且所述多个瓦的每个瓦的第一端部布置在所述框架通道的所述凹槽内。所述支撑结构还包括内支撑凸缘和外支撑凸缘。所述内衬套凸缘固定到所述内支撑凸缘，并且所述外衬套凸缘固定到所述外支撑凸缘。
在本主题的另一示范性实施例中，提供了一种燃烧器组件。所述燃烧器组件包括：包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC) 内衬套，与所述CMC内衬套径向间隔开并且包括外衬套凸缘的环形 CMC外衬套；以及具有第一端部和径向相对的第二端部的环形CMC 燃烧器圆顶。所述CMC内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器，并且所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处。所述燃烧器组件还包括用于支撑所述燃烧器的支撑结构。所述支撑结构包括环形框架，内支撑凸缘和外支撑凸缘。所述燃烧器组件也包括具有内托架通道的内CMC托架和包括外托架通道的外CMC托架。所述CMC燃烧器圆顶的第一端部布置在所述内托架通道内，并且所述CMC燃烧器圆顶的第二端部布置在所述外托架通道内。
在本主题的另一示范性实施例中，提供了一种燃烧器组件。所述燃烧器组件包括：包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC) 内衬套，与所述CMC内衬套径向间隔开并且包括外衬套凸缘的环形 CMC外衬套，以及具有第一端部和第二端部的环形CMC燃烧器圆顶。所述CMC内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器，并且所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处。所述燃烧器组件也包括具有托架通道的CMC托架和用于支撑所述燃烧器的支撑结构。所述支撑结构包括具有框架通道的环形框架，内支撑凸缘和外支撑凸缘。所述CMC燃烧器圆顶的第一端部布置在所述框架通道内，并且所述CMC燃烧器圆顶的第二端部布置在所述托架通道内。而且，所述CMC燃烧器圆顶位于所述支撑结构和所述燃烧室之间。
具体地，本申请技术方案1涉及一种燃烧器组件，其包括：
包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC)内衬套；
与所述CMC内衬套径向间隔开的环形CMC外衬套，所述CMC 外衬套包括外衬套凸缘；
包括彼此周向相邻定位的多个瓦的环形CMC燃烧器圆顶，所述多个瓦的每个瓦具有与第二端部径向相对的第一端部，所述CMC内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器，所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处；以及
用于支撑所述燃烧器的支撑结构，所述支撑结构包括：
具有限定凹槽的框架通道的环形框架，所述多个瓦的每个瓦的第一端部布置在所述框架通道的所述凹槽内；
内支撑凸缘；以及
外支撑凸缘；
其中所述内衬套凸缘固定到所述内支撑凸缘，并且所述外衬套凸缘固定到所述外支撑凸缘。
本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的燃烧器组件，其还包括：
包括限定凹槽的托架通道的CMC托架，所述多个瓦的每个瓦的第二端部布置在所述托架通道的所述凹槽内。
本申请技术方案3涉及根据技术方案2所述的燃烧器组件，其中所述CMC托架固定在所述外衬套凸缘和所述外支撑凸缘之间，使得所述CMC托架相对于所述支撑结构轴向向后延伸。
本申请技术方案4涉及根据技术方案2所述的燃烧器组件，其中所述支撑结构包括多个第一突起和与所述多个第一突起径向间隔开的多个第二突起，并且其中所述多个第一突起和所述多个第二突起构造成将所述CMC燃烧器圆顶轴向地装载到所述框架通道和所述托架通道中。
本申请技术方案5涉及根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中所述框架通道从所述支撑结构的所述框架的后表面轴向地延伸。
本申请技术方案6涉及根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中所述多个瓦的每个瓦在其中限定孔，并且其中燃料喷嘴接收在每个孔中。
本申请技术方案7涉及根据技术方案6所述的燃烧器组件，其中所述支撑结构的所述框架限定多个窗口，并且其中每个燃料喷嘴通过所述多个窗口中的窗口被布置。
本申请技术方案8涉及根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中所述CMC燃烧器圆顶位于所述支撑结构和所述燃烧室之间。
本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中所述框架通道包括多个肋，其中所述多个瓦的每个瓦限定槽，并且其中所述多个肋中的肋接收在每个槽中。
本申请技术方案10涉及根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中所述内支撑凸缘和所述外支撑凸缘沿着周向方向为扇形。
本申请技术方案11涉及根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中每个瓦沿着每个径向边缘限定重叠部分，并且其中相邻瓦的重叠部分彼此重叠，使得所述CMC燃烧器圆顶包括具有重叠边缘的多个瓦。
本申请技术方案12涉及根据技术方案1所述的燃烧器组件，其中所述支撑结构由金属材料形成。
本申请技术方案13涉及一种燃烧器组件，其包括：
包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC)内衬套；
与所述CMC内衬套径向间隔开的环形CMC外衬套，所述CMC 外衬套包括外衬套凸缘；
具有第一端部和径向相对的第二端部的环形CMC燃烧器圆顶，所述CMC内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器，所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处；
用于支撑所述燃烧器的支撑结构，所述支撑结构包括环形框架，内支撑凸缘和外支撑凸缘；
包括内托架通道的内CMC托架，所述CMC燃烧器圆顶的第一端部布置在所述内托架通道内；以及
包括外托架通道的外CMC托架，所述CMC燃烧器圆顶的第二端部布置在所述外托架通道内。
本申请技术方案14涉及根据技术方案13所述的燃烧器组件，其中所述支撑结构包括多个第一突起和与所述多个第一突起径向间隔开的多个第二突起，并且其中所述多个第一突起和所述多个第二突起构造成将所述CMC燃烧器圆顶轴向地装载到所述内托架通道和所述外托架通道中。
本申请技术方案15涉及根据技术方案13所述的燃烧器组件，其中所述CMC燃烧器圆顶包括彼此周向相邻定位的多个瓦，所述多个瓦的每个瓦具有第一端部和径向相对的第二端部，所述瓦的第一端部限定所述CMC燃烧器圆顶的第一端部，并且所述瓦的第二端部限定所述CMC燃烧器圆顶的第二端部。
本申请技术方案16涉及根据技术方案15所述的燃烧器组件，其中所述内CMC托架包括限定凹槽的内托架通道，所述多个瓦的每个瓦的第一端部布置在所述内托架通道的所述凹槽内，并且其中所述外 CMC托架包括限定凹槽的外托架通道，所述多个瓦的每个瓦的第二端部布置在所述外托架通道的所述凹槽内。
本申请技术方案17涉及根据技术方案15所述的燃烧器组件，其中所述多个瓦的每个瓦在其中限定孔，并且所述支撑结构的所述框架限定多个窗口，并且其中燃料喷嘴通过所述多个窗口中的窗口布置并且接收在每个孔中。
本申请技术方案18涉及根据技术方案15所述的燃烧器组件，其中所述框架包括多个肋，其中所述多个瓦的每个瓦限定槽，并且其中所述多个肋中的肋接收在每个槽中。
本申请技术方案19涉及根据技术方案13所述的燃烧器组件，其中所述CMC燃烧器圆顶位于所述支撑结构和所述燃烧室之间。
本申请技术方案20涉及一种燃烧器组件，其包括：
包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC)内衬套；
与所述CMC内衬套径向间隔开的环形CMC外衬套，所述CMC 外衬套包括外衬套凸缘；
具有第一端部和第二端部的环形CMC燃烧器圆顶，所述CMC 内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器，所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处；
包括托架通道的CMC托架；以及
用于支撑所述燃烧器的支撑结构，所述支撑结构包括具有框架通道的环形框架，内支撑凸缘和外支撑凸缘，
其中所述CMC燃烧器圆顶的第一端部布置在所述框架通道内，
其中所述CMC燃烧器圆顶的第二端部布置在所述托架通道内，并且
其中所述CMC燃烧器圆顶位于所述支撑结构和所述燃烧室之间。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整且启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，其中：
图1提供根据本发明主题的各种实施例的示范性燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
图2提供了根据本主题的示范性实施例的图1的燃气涡轮发动机的燃烧器组件的示意性横截面图。
图3提供了根据本主题的示范性实施例的图2的燃烧器组件的支撑结构的一部分的透视后侧视图。
图4提供了根据本主题的示范性实施例的形成图2的燃烧器组件的燃烧器圆顶的多个瓦的一部分的后侧视图。
图5提供了根据本主题的示范性实施例的图4的多个瓦的一部分的示意性周向横截面图。
图6和图7提供了根据本主题的其它示范性实施例的图1的燃气涡轮发动机的燃烧器组件的示意性横截面图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，其一个或多个实例图示于附图中。详细描述中使用数字和字母标记来指代图式中的特征。已在图式和描述中使用相同或类似的标记来指代本发明的相同或类似部分。如本说明书所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意欲表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。举例来说，“上游”是指流体流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。
现在参考附图，其中相同的数字贯穿附图指示相同的元件，图1 是根据本发明的示范性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。更具体地说，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机为高旁路涡扇喷气发动机10，其在本文中被称为“涡扇发动机10”。如图1中所示出，涡扇发动机10限定轴向方向A(平行于出于参考目的而提供的纵向中心线12延伸)和径向方向R。一般来说，涡扇10包括风扇区段14 和安置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示范性核心涡轮发动机16大体包括大体管状的外部壳体18，所述外部壳体18限定环形入口20。外部壳体18以串联流关系包覆：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压 (HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮机区段，其包括高压(HP)涡轮机28和低压(LP)涡轮机30；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(HP) 轴或转轴34将HP涡轮机28传动地连接到HP压缩机24。低压(LP) 轴或转轴36将LP涡轮机30传动地连接到LP压缩机22。在涡扇发动机10的其它实施例中，可提供额外转轴，使得发动机10可被描述为多转轴发动机。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括风扇38，所述风扇具有以间隔开的方式连接到盘42的多个风扇叶片40。如所描绘，风扇叶片40从盘42大体沿径向方向R向外延伸。风扇叶片40和盘42可通过LP轴36一起围绕纵向轴线12旋转。在一些实施例中，可包括具有多个齿轮的动力齿轮箱，以用于将LP轴36的旋转速度逐步降低到更高效的旋转风扇速度。
仍参考图1的示范性实施例，盘42由可旋转的前部外罩48覆盖，前部外罩48具有空气动力学轮廓以促使空气流通过多个风扇叶片40。另外，示范性风扇区段14包括环形风扇壳体或外部外罩50，所述环形风扇壳体或外部外罩50周向环绕风扇38和/或核心涡轮发动机16 的至少一部分。应了解，外罩50可配置成相对于核心涡轮发动机16 由多个沿圆周间隔开的出口导流板52支撑。此外，外罩50的下游区段54可在核心涡轮发动机16的外部部分上方延伸，以便在其间限定旁路空气流通道56。
在涡扇发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过外罩50 和/或风扇区段14的相关联入口60进入涡扇10。当所述体积的空气 58横穿风扇叶片40时，如由箭头62指示的空气58的第一部分被引导或传送到旁路空气流通道56中，且如由箭头64指示的空气58的第二部分被引导或传送到LP压缩机22中。空气的第一部分62与空气的第二部分64之间的比率通常被称为旁路比。在空气的第二部分 64被传送通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26时，空气的第二部分64的压力接着增加，在燃烧区段26处，空气与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被传送通过HP涡轮机28，在HP涡轮机28处，经由连接到外部壳体18的HP涡轮定子轮叶68和连接到HP轴或转轴 34的HP涡轮转子叶片70的顺序级提取来自燃烧气体66的热能和/ 或动能的一部分，因此导致HP轴或转轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66接着被传送通过LP涡轮机30，在LP涡轮机30处，经由连接到外部壳体18的LP涡轮定子轮叶72和连接到 LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片74的顺序级提取来自燃烧气体66 的热能和动能的第二部分，由此导致LP轴或转轴36旋转，从而支持 LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被传送通过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32以提供推进力。同时，当空气的第一部分62在从涡扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被传送通过旁路空气流通道56时，空气的第一部分62的压力大幅度增大，从而也提供推进力。HP涡轮机28、LP涡轮机30和喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径 78，以用于将燃烧气体66传送通过核心涡轮发动机16。
应了解，虽然相对于具有核心涡轮发动机16的涡扇10予以描述，但是本公开主题可适用于其它类型的涡轮机械。举例来说，本公开主题可适合与涡轮螺桨、涡轮轴、涡轮喷气发动机、工业和海洋燃气涡轮发动机和/或辅助动力单元一起使用或用于以上各项中。
图2提供了根据本主题的示范性实施例的例如用于图1的燃气涡轮发动机中的燃烧器组件100的示意性横截面图。如图2中所示，燃烧器组件100包括环形内衬套102和环形外衬套104；外衬套104与内衬套102径向间隔开。内衬套102大体沿着轴向方向A在上游端部106和下游端部108之间延伸。类似地，外衬套104大体沿着轴向方向A在上游端部110和下游端部112之间延伸。燃烧器圆顶114大体沿着径向方向R在内衬套102的上游端部106和外衬套104的上游端部110之间延伸。内衬套102包括从内衬套的上游端部106向前延伸的内衬套凸缘116。外衬套104也包括从外衬套104的上游端部110 向前延伸的外衬套凸缘118。燃烧器圆顶114大体布置在内衬套102 和内衬套凸缘116之间的过渡以及外衬套104和外衬套凸缘118之间的过渡处。此外，内衬套102，外衬套104和燃烧器圆顶114形成限定燃烧室122的燃烧器120。燃烧器圆顶114位于燃烧器120的前端 124处。
内衬套102和外衬套104和它们的相应凸缘116、118以及燃烧器圆顶114包括陶瓷基质复合(CMC)材料，其是具有高温能力的非金属材料。因而，内衬套102可以被称为CMC内衬套102，外衬套 104可以被称为CMC外衬套104，并且燃烧器圆顶114可以被称为CMC燃烧器圆顶114。下面更详细描述示范性的CMC材料和用于形成CMC部件的方法或技术。
燃烧器120通过支撑结构126支撑在燃气涡轮发动机内。更特别地，支撑结构126支撑内衬套102和外衬套104以及燃烧器圆顶114，由此支撑燃烧器120。此外，CMC燃烧器圆顶114位于支撑结构126 和燃烧室122之间，使得CMC燃烧器圆顶114防护支撑结构126以免与燃烧室122内的环境直接相互作用，燃烧室122内的环境例如为燃烧气体66的相对极端温度。因此，由于CMC燃烧器圆顶114将支撑结构126与燃烧室122隔开，因此支撑结构126可以由金属材料(例如金属或金属合金)形成，其具有比CMC燃烧器圆顶114低的温度能力。
如图2和图3中所示，支撑结构126包括具有内构件130和外构件132的环形框架128。内构件130在框架内端处从框架的前表面128a 大体轴向地向前延伸，并且外构件132在框架外端处从前表面128a 大体轴向地向前延伸。支撑结构126还包括内支撑凸缘134和外支撑凸缘136。内构件130连接到内支撑凸缘134但与其径向间隔开；类似地，外构件132连接到外支撑凸缘136但与其径向间隔开。
如图3中所示，内支撑凸缘134，内构件130，外构件132和外支撑凸缘136均限定沿着周向方向C间隔开的多个孔138。内支撑凸缘134限定多个孔138a，内构件130限定多个孔138b，外构件130 限定多个孔138c，并且外支撑凸缘136限定多个孔138d。每个孔138a 与孔138b中的一个径向对准，每个孔138b与孔138c中的一个径向对准，并且每个孔138c与孔138d中的一个径向对准。
参考图2，应当领会内衬套凸缘116和外衬套凸缘118类似地均限定沿着周向方向C间隔开的多个孔。每个内衬套凸缘孔与内支撑凸缘孔138a中的一个，内构件孔138b中的一个，外构件孔138c中的一个和外支撑凸缘孔138d中的一个径向对准以形成径向系列的内孔。此外，每个外衬套凸缘孔与内支撑凸缘孔138a中的一个，内构件孔138b中的一个，外构件孔138c中的一个和外支撑凸缘孔138d中的一个径向对准以形成径向系列的外孔。附接机构140延伸通过每一系列的内孔并且通过每一系列的外孔以将支撑结构126，内衬套102和外衬套104相对于彼此保持就位。如图2中所示，内衬套凸缘116固定到内支撑凸缘134，并且外衬套凸缘118固定到外支撑凸缘136。
附接机构140可以是螺栓，销或其它合适的紧固件。而且，内衬套凸缘孔和外衬套凸缘孔的每一个可包括垫圈(未示出)，其帮助这些部件沿着定位在附接机构140上的套管142径向移动，同时防止或减少部件上的磨损以及部件的粘合。在内衬套102和外衬套104由CMC材料形成的情况下垫圈可能特别有用。
如图2和3中所示，支撑结构126的框架128包括框架通道144。在所示的实施例中，框架通道144在框架内端处从框架128的后表面 128b大体轴向地向后延伸，使得框架通道144与内构件130相对地限定。框架通道144限定用于接收燃烧器圆顶114的内端的凹槽146，如下面更详细地所述。
另外，燃烧器组件100包括环形CMC托架148，其包括限定凹槽152的托架通道150。凹槽152构造用于接收燃烧器圆顶114的外端，如下面更详细地所述。CMC托架148固定在外衬套凸缘118和外支撑凸缘136之间，使得CMC托架148相对于支撑结构126轴向向后延伸。应当理解CMC托架148限定沿着周向方向C间隔开的多个孔，并且每个托架孔与径向系列的外孔对准，使得附接机构140延伸通过每个径向对准的外支撑凸缘孔138d，外衬套凸缘孔，托架孔和外构件孔138c，如图2中所示。与内衬套凸缘孔和外衬套凸缘孔的每一个相似，托架孔的每一个可以包括垫圈(未示出)，其帮助CMC 托架148沿着定位在附接机构140上的套管142径向移动，同时防止或减少托架148上的磨损以及托架148的粘合。
在一些实施例中，CMC托架148可以沿周向方向分段成一起形成环形CMC托架148的多个CMC托架部段。因此，每个托架部段包括托架通道150的一部分并且限定周向间隔开的孔中的一个或多个以便用附接机构140固定托架部段。适当地，一个或多个密封件可以定位在每个托架部段的周向边缘之间，例如以防止流体通过在每个托架部段之间形成的裂缝或中断从燃烧室122泄漏。
如图2中所示，CMC燃烧器圆顶114与结构负载路径分离。更特别地，CMC燃烧器圆顶114通过其接收在框架通道144和托架通道150内而固定就位，即，在所示的实施例中，圆顶114的第一端部布置在框架通道144内并且第二端部布置在托架通道150内。相反， CMC内衬套102和外衬套104通过内和外安装件，即，内和外构件 130、132以及内和外支撑凸缘134、136，安装到支撑结构126。因而，圆顶114不安装到支撑结构126的内或外安装件，而是由支撑结构126 支撑和约束，而没有由于金属支撑结构126与CMC圆顶114之间的热膨胀不同引起的CMC燃烧器圆顶114上的过度或不可接受的热应变。
仍然参考图2和图3，支撑结构126的框架128包括多个第一突起154和多个第二突起156，多个第二突起156与多个第一突起154 径向间隔开。多个第一突起154和多个第二突起156构造成将CMC 燃烧器圆顶114轴向装载到框架通道144和CMC托架通道150中。因而，第一和第二突起154、156帮助保持CMC燃烧器圆顶114合理地紧靠通道144、150并且由此帮助将圆顶114保持在燃烧器组件100 内的适当位置。
此外，如图2中所示，第一气流开口158限定在内衬套凸缘116 和框架通道144之间，并且第二气流开口160限定在外衬套凸缘118 和CMC托架148之间。气流开口158、160提供到燃烧室122的气流。在示范性实施例中，内衬套凸缘116和外衬套凸缘118均在气流开口158、160内限定突起162。每个突起162可以是可机加工的，以帮助控制内衬套凸缘116和框架通道144之间以及外衬套凸缘118和CMC 托架148之间的间隙的宽度，由此控制通过气流开口158、160的气流。例如，每个突起162可以由CMC层片(ply)的堆积(buildup) 形成，例如，用形成内衬套102和外衬套104的CMC材料铺设的CMC 层片堆叠或多个CMC层片。可以机加工该堆积以在内衬套和外衬套凸缘116、118上限定突起162和/或更精确地限定气流开口158、160 的宽度。
现在转到图4，在本主题的示范性实施例中，环形CMC燃烧器圆顶114包括多个CMC瓦164。瓦164彼此周向相邻地定位以形成环形圆顶114。因而，瓦164将CMC燃烧器圆顶114周向地分段成多个段。因此，瓦164可以简化CMC燃烧器圆顶114的制造，例如，由CMC材料形成圆顶段(即，瓦164)可以比由CMC材料形成单件环形燃烧器圆顶更简单，原因是瓦段具有比环形圆顶更简单的形状。而且，瓦164可以简化圆顶114的修理，原因是单独的瓦164而不是整个圆顶114可以被替换。此外，将CMC燃烧器圆顶114分段成多个瓦164可以帮助降低相对于圆顶的不可接受的固有频率。例如，分段CMC燃烧器圆顶114具有更高的固有频率和增加的阻尼，这减小了燃烧器组件110内的圆顶振动的问题。
多个瓦164的每个瓦164具有与第二端部168径向相对的第一端部166。如图4中所示，第一端部166可以是瓦164的内端，而第二端部168可以是瓦164的外端。每个瓦164也具有与第二侧172周向相对的第一侧170，并且第一侧170和第二侧172的每一个限定瓦164 的径向延伸边缘。应当注意，每个瓦164在其中限定孔174，并且燃料喷嘴176(图2)接收在每个孔174中。
返回参考图2，形成燃烧器圆顶114的多个瓦164的每个瓦164 的第一端部166布置在框架通道144内，即，在由框架通道144限定的凹槽146内。类似地，每个瓦164的第二端部168布置在托架通道 150内，即，在由托架通道150限定的凹槽152内。因而，框架通道 144和托架通道150将瓦164在燃烧器组件100内固定就位。此外，框架通道144和托架通道150将瓦164相对于支撑结构126固定就位。如图3中所示，支撑结构126的框架128还限定大体对应于瓦孔174 的多个窗口178。因而，每个燃料喷嘴176通过框架128的多个窗口 178中的窗口178布置以接收在瓦孔174中。
如图4中进一步所示，每个瓦164限定槽180，并且如图2中所示，框架通道144包括多个肋182。多个肋182中的肋182接收在每个槽180中以帮助防止瓦164的旋转。也就是说，槽180和肋182是帮助将瓦164保持在适当位置的防旋转特征。在所示的实施例中，沿着每个瓦164的第一端部166限定槽180，但是在其它实施例中，可以沿着每个瓦164的第一侧170或第二侧172限定槽180。当然，取决于槽180的位置，框架128或框架通道144包括在适当位置的肋182 以便肋182接收在槽180内。
现在转到图5，根据本主题的示范性实施例，提供了形成CMC 燃烧器圆顶114的相邻瓦164的周向横截面图。如图5中所示，每个瓦164沿着由第一和第二侧170、172限定的每个径向边缘限定重叠部分184，并且相邻瓦164的重叠部分184彼此重叠。更具体地，每个重叠部分184限定对接表面186，相邻瓦164的重叠部分184沿着所述对接表面对接。也就是说，如图5中所示，第一瓦164a的第二重叠部分184b的对接表面186与第二瓦164b的第一重叠部分184a的对接表面186接触或对接。类似地，第二瓦164b的第二重叠部分184b 的对接表面186与第三瓦164c的第一重叠部分184a的对接表面186 接触或对接。此外，如图5中所示，限定在瓦164上的重叠部分184 在相邻瓦164之间交替。例如，第一瓦164a和第三瓦164c的重叠部分184邻近每个瓦的前表面188被限定，而第二瓦164b的重叠部分 184邻近瓦的后表面190被限定。因而，第二瓦164b的第一重叠部分 184a与第一瓦164a的第二重叠部分184b对接，并且第二瓦164b的第二重叠部分184b与第三瓦164c的第一重叠部分184a对接。对于形成燃烧器圆顶114的每个瓦164，图5中所示的交替图案可以继续。也可以使用其它图案；例如，每个瓦164的第一重叠部分184a可以邻近前表面188被限定，并且每个瓦164的第二重叠部分184b可以邻近后表面190被限定，使得每个瓦164的第一重叠部分184a与相邻瓦 164的第二重叠部分184b对接。
应当理解对于形成CMC燃烧器圆顶114的多个瓦164，每个瓦侧170、172可以限定重叠部分184，所述重叠部分与由相邻瓦侧170、 172限定的重叠部分184重叠，使得圆顶114包括具有重叠边缘的多个瓦164。重叠瓦边缘提供每个瓦164之间的密封，例如以帮助防止流体通过在每个瓦164之间形成的裂缝或中断从燃烧室122泄漏。当然，在其它实施例中，重叠部分184可以被省略，使得每个瓦具有沿侧170、172的大致平面的径向边缘，以及在相邻瓦侧170、172之间使用的另一密封机构，如花键密封件等，以帮助防止瓦164周围的泄漏。
返回参考图3，内支撑凸缘134和外支撑凸缘136沿着周向方向 C为齿痕形(scalloped)。更特别地，如图3中所示，形成支撑结构 126的材料围绕每个内支撑凸缘孔138a和每个外支撑凸缘孔138d，但是更少的材料在每个孔138a、138d之间延伸。齿痕边缘192减少制造支撑结构126所需的材料的量，这可以减少发动机重量和部件成本，以及减少邻近燃烧器120的支撑结构126的材料的量，这可以减少到支撑结构126的热传递并且允许支撑结构和CMC燃烧器圆顶114的部分之间的空气缓冲。
图6和图7示出了燃烧器组件100的其它示范性实施例。图6示出了燃烧器组件100的实施例，其中框架通道144在框架外端处从框架128的后表面128b大体轴向地向后延伸，使得框架通道144与外构件132相对地限定。另外，CMC托架148固定在内衬套凸缘116 和内支撑凸缘134之间。因而，与图2和图3中所示的实施例相比，在图6的实施例中框架通道144和CMC托架148处于径向相对位置。因此，形成圆顶114的多个CMC瓦164的每个瓦164的第一端部166 布置在托架通道150内，即，在通道150的凹槽152内。此外，每个瓦164的第二端部168布置在框架通道144内，即，在通道144的凹槽146内。因此，槽180可以限定在每个瓦164的第二端部168中，使得包括在框架通道144中的肋182可以接收在槽180内。在其它方面，图6的实施例与图2-5中所示的实施例大致相同，使得图2-5的先前描述基本上适用于图6的实施例，如通过使用共同的附图标记指示。
在图7所示的实施例中，使用CMC托架148代替框架通道144，使得实施例利用两个CMC托架148a、148b并且省略框架通道144。更特别地，燃烧器组件100包括具有限定凹槽152a的内托架通道150a 的内CMC托架148a和具有限定凹槽152b的外托架通道150b的外CMC托架148b。因而，形成圆顶114的多个CMC瓦164的每个瓦 164的第一端部166布置在内托架通道150a内，即，在通道150a的凹槽152a内。此外，每个瓦164的第二端部168布置在外托架通道 150b内，即在通道150b的凹槽152b内。因此，多个第一框架突起 154和多个第二框架突起156将CMC燃烧器圆顶114装载到内托架通道150a和外托架通道150b中。而且，框架128而不是框架通道144 限定接收在CMC圆顶瓦164的槽180中的多个肋182。应当领会，槽180因此可以不同于如图4中所示在瓦164的端部上被限定。例如，槽180可以从第一端部166径向向外或从第二端部168径向向内被限定，或者槽可以沿着侧170、172中的一个被限定。在图7的实施例的另一构造中，燃烧器圆顶114可以是单件燃烧器圆顶114而不是由多个瓦164形成的圆顶。利用两个CMC托架148允许例如单件燃烧器圆顶114安装在燃烧器组件100中。在其它方面，在任一上述构造中，图7的实施例与图2-5中所示的实施例大致相同，使得图2-5的先前描述基本上适用于图7的实施例，如通过使用共同的附图标记指示。
如本文中所述，内衬套102和外衬套104，托架148以及形成燃烧器圆顶114的瓦164可以由陶瓷基质复合(CMC)材料形成，其是具有高温能力的非金属材料。由于燃烧气体66的相对较高的温度，在热气体路径78中或附近使用CMC材料可能是特别有用的，并且在燃烧器组件100内使用CMC材料可以允许到CMC部件的减少冷却气流和更高的燃烧温度，以及其它益处和优点。然而，涡扇发动机10 的其它部件，例如HP压缩机24，HP涡轮机28和/或LP涡轮机30 的部件，也可以包括CMC材料。
用于此类部件的示范性CMC材料可以包括碳化硅(SiC)、硅、氮化硅、或氧化铝基质材料和其组合。陶瓷纤维可嵌入基质内，例如氧化稳定的增强纤维，包括如蓝宝石和碳化硅(例如Textron的SCS-6) 的单丝；以及粗纱和纱线，包括碳化硅(例如Nippon Carbon的UbeIndustries的和Dow Coming的)、硅酸铝(例如Nextel的440和480)；以及短切的晶须和纤维(例如Nextel的440和)和任选地陶瓷颗粒(例如Si、Al、Zr、Y以及其组合的氧化物)和无机填充剂(例如叶蜡石、硅灰石、云母、滑石、蓝晶石和蒙脱石)。举例来说，在某些实施例中，将纤维束形成为增强带，例如单向增强带，所述纤维束可包括陶瓷耐火材料涂层。多个带可铺设在一起(例如，作为板层)以形成预成型部件。纤维束在形成预成型件之前或在形成预成型件之后可浸渍有浆料组合物。预成型件可随后经受热处理，例如固化或烧穿，以在预成型件中产生高焦化残余物，并随后经受化学处理，例如利用硅的熔融浸渗或化学蒸汽浸渗，以获得由具有期望化学组合物的CMC材料形成的部件。在其它实施例中，CMC材料可形成为例如碳纤维织物而非形成为带。
更具体地说，CMC材料，且确切地说SiC/SiC/Si-SiC(纤维/基质) 连续纤维增强陶瓷复合物(continuous fiber-reinforced ceramic composite，CFCC)材料和工艺，的实例描述于美国专利第5,015,540； 5,330,854；5,336,350；5,628,938；6,024,898；6,258,737；6,403,158和 6,503,441号以及美国专利申请公开第2004/0067316号中。此类工艺一般需要使用多个预浸体(预浸材料)层来制造CMC，例如板层材料可包括由陶瓷纤维、纺织或编织陶瓷纤维织物或已浸渍有基质材料的堆叠式陶瓷纤维丝束组成的预浸材料。在一些实施例中，每个预浸材料层呈“带”形式，所述带包括期望陶瓷纤维强化材料、CMC基质材料的一个或多个前驱体和有机树脂粘合剂。可通过以含有陶瓷前驱体和粘合剂的浆液浸渍加强材料来形成预浸材料带。用于前驱体的优选材料将取决于对于CMC部件的陶瓷基质期望的特定组成，举例来说，如果期望基质材料是SiC，那么优选材料是SiC粉末和/或一种或多种含碳材料。著名的含碳材料包括碳黑、酚树脂和呋喃树脂，包括糠醇 (C4H3OCH2OH)。其它典型的浆液成分包括促进预浸材料带的灵活性的有机粘合剂(例如聚乙烯醇缩丁醛(PVB))、和促进浆液的流动性以实现对纤维增强材料的浸渍的粘合剂(例如甲苯和/或甲基异丁基酮(MIBK))的溶剂。浆液可进一步含有意图存在于CMC部件的陶瓷基质中的一个或多个颗粒填充剂，在Si-SiC基质的状况下，填充剂例如是硅和/或SiC粉末。短切的纤维或触须或其它材料也可嵌入于如先前描述的基质内。还可以使用用于产生复合材料物品，且更确切地说，其它浆液和预浸材料带组成物的其它组成物和工艺，例如美国专利申请公开第2013/0157037号中描述的工艺和组成物。
所得预浸材料带可与其它带叠置，使得由带形成的CMC部件包括多个薄层，每个薄层从个别预浸材料带衍生。每个薄层含有包覆于陶瓷基质中的陶瓷纤维加强材料，例如在如下文更全面描述的焙烧和致密化循环期间完全或部分地通过转化陶瓷基质前驱体来形成所述陶瓷基质。在一些实施例中，加强材料呈单向丝束阵列形式，每个丝束含有连续的纤维或长丝。还可以使用单向丝束阵列的替代方案。另外，合适的纤维直径、丝束直径和中心间丝束间隔将取决于特定应用、特定薄层和其形成的带的厚度、以及其它因素。如上文所描述，还可以使用其它预浸材料或非预浸材料。
在叠置带或板层以形成叠层之后，叠层被压实，并适当时固化，同时经受高压和高温以产生预成型件。预成型件接着在真空或惰性氛围中得到加热(焙烧)，以分解粘合剂、移除溶剂，并将前驱体转化成期望陶瓷基质材料。由于粘合剂的分解，结果是可经历致密化，例如熔融浸润(melt infiltration，MI)以填充孔隙度并产生CMC部件的多孔CMC框架。以上工艺的专有处理技术和参数将取决于材料的特定组成。举例来说，硅CMC部件可由例如通过通常被称作Silcomp 工艺的工艺以熔化的硅浸润的纤维材料形成。制造CMC部件的另一技术是被称为浆液铸造熔融浸润(MI)工艺的方法。在使用浆液铸造 MI方法进行制造的一个方法中，通过首先提供包括含碳化矽(SiC) 纤维的平衡二维(2D)纺织织物的板层来产生CMC，所述板层具有彼此大体呈90°角度的两个纺织方向，具有在纺织的两个方向上延行的大体上相同数目个纤维。术语“含碳化矽纤维”指具有包括碳化矽并优选地大体上是碳化矽的组成的纤维。举例来说，纤维可具有以碳包围的碳化矽核心，或相反，纤维可具有由碳化矽包围或以碳化矽囊封的碳核心。
用于形成CMC部件的其它技术包括聚合物浸润和裂解(polymer infiltrationand pyrolysis，PIP)和氧化物/氧化物工艺。在PIP工艺中，碳化矽纤维预成型件以例如聚硅氮烷等预陶瓷聚合物浸润，并接着进行热处理以形成SiC基质。在氧化物/氧化物处理中，铝或硅铝酸盐纤维可预浸并接着层压成预选的几何形状。部件还可由碳纤维加强碳化矽基质(carbon fiber reinforced silicon carbide matrix，C/SiC)CMC构造。C/SiC处理包括以预选几何形状在工具上叠置的碳纤维预成型。如在SiC/SiC的浆液铸造方法中利用，所述工具由石墨材料组成。在约1200℃下在化学蒸汽浸润工艺期间通过工具来支持纤维预成型，由此形成C/SiC CMC部件。在其它实施例中，2D、2.5D和/或3D预成型件可用于MI、CVI、PIP或其它工艺中。举例来说，2D纺织织物的切割层可在如上文所描述的交替纺织方向上堆叠，或长丝可卷绕或编织并与3D纺织、缝合或针刺法组合以形成具有多轴向纤维体系结构的2.5D或3D预成型件。还可以使用形成2.5D或3D预成型件的其它方式，例如使用其它纺织或编织方法或利用2D织品。
因此，可以使用各种工艺来形成CMC燃气涡轮机部件，例如CMC 内衬套102，CMC外衬套104，CMC托架148，以及形成CMC燃烧器圆顶114的CMC圆顶瓦164。当然，其它合适的工艺(包括上述任何工艺的变型和/或组合)也可以用于形成CMC部件以便与本文中所述的各种保持组件和流路组件实施例一起使用。
如本文中所述，本主题提供了一种燃烧器组件，其具有与结构负载路径分离的CMC燃烧器圆顶，由此使圆顶中的应力和应变水平最小化，并且将其金属支撑结构与燃烧器组件的燃烧室隔开，这有助于控制金属支撑结构的热偏转和热应力。燃烧器组件也可以利用CMC 内燃烧器衬套和CMC外燃烧器衬套。如上所述，使用CMC材料来形成燃烧器圆顶和衬套可以减少圆顶和衬套所需的冷却，同时也允许增加燃烧温度，这可以提高发动机性能。优选地，CMC燃烧器圆顶由多个CMC圆顶瓦形成，其将圆顶周向地分段成多个段。利用多个CMC 圆顶瓦而不是单件CMC燃烧器圆顶可以简化圆顶的制造以及圆顶的修理，原因是每个圆顶瓦可以被单独更换。而且，分段CMC燃烧器圆顶可以通过提高圆顶的固有频率和阻尼来减小燃烧器组件内的振动。当然，本主题也可以具有其它益处和优点。
此书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件，或如果其包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构元件，那么预期此类其它实例在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种燃烧器组件，其包括：
包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC)内衬套；
与所述CMC内衬套径向间隔开的环形CMC外衬套，所述CMC外衬套包括外衬套凸缘；
包括彼此周向相邻定位的多个瓦的环形CMC燃烧器圆顶，所述多个瓦的每个瓦具有与第二端部径向相对的第一端部，所述CMC内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器，所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处；以及
用于支撑所述燃烧器的支撑结构，所述支撑结构包括：
具有限定凹槽的框架通道的环形框架，所述多个瓦的每个瓦的第一端部布置在所述框架通道的所述凹槽内；
内支撑凸缘；以及
外支撑凸缘；
其中所述内衬套凸缘固定到所述内支撑凸缘，并且所述外衬套凸缘固定到所述外支撑凸缘。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其还包括：
包括限定凹槽的托架通道的CMC托架，所述多个瓦的每个瓦的第二端部布置在所述托架通道的所述凹槽内。
3.根据权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述CMC托架固定在所述外衬套凸缘和所述外支撑凸缘之间，使得所述CMC托架相对于所述支撑结构轴向向后延伸。
4.根据权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述支撑结构包括多个第一突起和与所述多个第一突起径向间隔开的多个第二突起，并且其中所述多个第一突起和所述多个第二突起构造成将所述CMC燃烧器圆顶轴向地装载到所述框架通道和所述托架通道中。
5.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中所述框架通道从所述支撑结构的所述框架的后表面轴向地延伸。
6.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中所述多个瓦的每个瓦在其中限定孔，并且其中燃料喷嘴接收在每个孔中。
7.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其中所述支撑结构的所述框架限定多个窗口，并且其中每个燃料喷嘴通过所述多个窗口中的窗口被布置。
8.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中所述CMC燃烧器圆顶位于所述支撑结构和所述燃烧室之间。
9.一种燃烧器组件，其包括：
包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC)内衬套；
与所述CMC内衬套径向间隔开的环形CMC外衬套，所述CMC外衬套包括外衬套凸缘；
具有第一端部和径向相对的第二端部的环形CMC燃烧器圆顶，所述CMC内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器，所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处；
用于支撑所述燃烧器的支撑结构，所述支撑结构包括环形框架，内支撑凸缘和外支撑凸缘；
包括内托架通道的内CMC托架，所述CMC燃烧器圆顶的第一端部布置在所述内托架通道内；以及
包括外托架通道的外CMC托架，所述CMC燃烧器圆顶的第二端部布置在所述外托架通道内。
10.一种燃烧器组件，其包括：
包括内衬套凸缘的环形陶瓷基质复合材料(CMC)内衬套；
与所述CMC内衬套径向间隔开的环形CMC外衬套，所述CMC外衬套包括外衬套凸缘；
具有第一端部和第二端部的环形CMC燃烧器圆顶，所述CMC内衬套，所述CMC外衬套和所述CMC燃烧器圆顶形成限定燃烧室的燃烧器，所述CMC燃烧器圆顶位于所述燃烧器的前端处；
包括托架通道的CMC托架；以及
用于支撑所述燃烧器的支撑结构，所述支撑结构包括具有框架通道的环形框架，内支撑凸缘和外支撑凸缘，
其中所述CMC燃烧器圆顶的第一端部布置在所述框架通道内，
其中所述CMC燃烧器圆顶的第二端部布置在所述托架通道内，并且
其中所述CMC燃烧器圆顶位于所述支撑结构和所述燃烧室之间。
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