燃料噴嘴和製造燃料噴嘴的方法

2023-09-21 04:50:30

專利名稱：：燃料噴嘴和製造燃料噴嘴的方法
技術領域：
：本發明通常涉及燃氣渦輪發動機，更具體地涉及一種用於燃氣渦輪發動機的燃料噴嘴和一種製造燃料噴嘴的方法。
背景技術：
：10至少一些燃氣渦輪發動機在燃燒器中點燃燃料-空氣混合物，並且產生經由熱氣通道引導至渦輪的燃燒氣體流。壓縮空氣由壓縮機引導至燃燒器。燃燒器組件典型地具有促進燃料和空氣輸送至燃燒器的燃燒區域的燃料噴嘴。渦輪將燃燒氣體流的熱能轉換為轉動渦輪軸的機械能。渦輪的輸出可用於給例如發電機或泵的機器供應動力。15至少一些已知的燃料噴嘴包括旋流器組件和聯接到旋流器組件上的多個葉片。在製造期間，製造蓋並將蓋附在燃料噴嘴組件上，使得蓋大體上外接葉片。這樣，蓋的內表面和旋流器組件的外表面限定流動通道，該流動通道用於接收^f皮引導穿過燃料噴嘴的氣流。在運轉期間，典型地燃料一皮引導穿過形成在旋流器組件內的多個20通道並穿過限定在各相應葉片的至少一側中的多個開口。已知的葉片還可包括利用鑄造或製造工藝形成在葉片內的空腔，使得被引導穿過旋流器組件通道的燃料-皮排出進入葉片空腔。此外，各葉片均包括多個開口，通常稱為注氣孔(gasinjectionhole),其穿過葉片側壁，使得開口在與葉片側壁的表面垂直的方向之上，從而使被引導進葉片空腔25的燃料能夠穿過葉片側壁從葉片空腔中排出，並且能夠與沿下遊方向前進的氣流相混合。為了製造已知的燃料噴嘴，通常利用型芯形成空腔，因而增加了鑄造工藝的複雜性並且增加了鑄造燃料噴嘴所需的時間。此外，已知的鑄模內的型芯可在葉片內移動，導致注氣孔的壁厚和長度直徑比(L/D)發生變化。這種變化導致氣流發生變化，這對燃燒的可操作性是有害的。此外，由於燃料噴嘴葉片外接燃料噴嘴本體，故限制了相鄰葉片5之間的間隔。這樣，形成穿過葉片的側面並進入葉片空腔的孔需要使用特殊設計的夾具，其構造成相對葉片的端面成直角地形成孔。此外，夾具的尺寸必須設置成使夾具能夠插入在相鄰葉片之間以執行操作。在製造期間，需要安裝在該緊密間隔中的夾具可能"巻入"葉片的側面，導致正在形成的孔的直徑發生更大的變化，這也是燃燒的可操作性所10不希望的特性。因此，製造已知的葉片以包括空腔並然後形成穿過葉片的側面並進入葉片空腔的開口是相對困難的且耗時的過程，因而增加了燃料噴嘴的總成本。
發明內容15在一個方面，提供了一種製造燃料噴嘴組件的方法。該方法包括製造旋流器組件，該旋流器組件包括徑向內表面、徑向外表面、由徑向內表面至少部分地限定的第一流動通道，和從旋流器組件的徑向外表面上徑向向外延伸的多個大體上實心的葉片，其中各葉片均包括在前緣處和軸向間隔開的後緣處連接在一起的第一側壁和第二側壁；該20方法還包括在各相應葉片中形成多個開口，其中各葉片開口限定從葉片前緣延伸到第一流動通道的第二流動通道。在另一個方面，提供了一種燃料噴嘴組件。該燃料噴嘴組件包括旋流器組件，該旋流器組件包括徑向內表面和徑向外表面，以及聯接到旋流器組件的徑向外表面上的多個葉片。各葉片均包括第一側壁和25第二側壁，該第一側壁和第二側壁在前緣處和軸向間隔開的後緣處連接，多個開口穿過各相應葉片形成。各開口從前緣延伸到通道，以限定從通道延伸到前緣的流動通道。在又一個方面，提供了一種燃氣渦輪發動機。該發動機包括壓縮機和與壓縮機流動連通的燃燒器。該燃燒器包括燃料噴嘴組件，該燃料噴嘴組件包括旋流器組件，該旋流器組件包括徑向內表面和徑向外表面，以及聯接到旋流器組件的徑向外表面上的多個葉片。各葉片均包括第一側壁和第二側壁，該第一側壁和第二側壁在前緣處和軸向間5隔開的後緣處連接，多個開口穿過各相應葉片形成。各開口從前緣延伸到第一流動通道，以限定從通道延伸到前緣的流動通道。圖1是示範性燃氣渦輪發動機的示意圖；io圖2是可與圖1中所示的燃氣渦輪發動機一起使用的示範性燃燒器的截面示意圖3是可與圖2中所示的燃燒器一起使用的示範性燃料噴嘴組件的截面示意圖4是將罩移開的圖3中所示的燃料噴嘴組件的一部分的透視15圖5是可與圖3和圖4中所示的燃料噴嘴一起使用的示範性旋流器葉片的截面圖；和圖6是可與圖3和圖4中所示的燃料噴嘴一起使用的另一種示範性旋流器葉片的截面圖。20部件列表tableseeoriginaldocumentpage6tableseeoriginaldocumentpage7tableseeoriginaldocumentpage8250注氣孔252第二臺階254第三臺階256第四臺階260注氣孔262注氣孔264注氣孔tableseeoriginaldocumentpage9具體實施例方式圖1是示範性燃氣渦輪發動機100的示意圖。發動機100包括壓縮機102和多個燃燒器104。發動機100還包括渦輪108和共用的壓5縮才幾/渦輪軸110(有時稱為轉子110)。在運行中，空氣流經壓縮機102，且壓縮空氣供應給燃燒器104。將燃料引導至燃燒器104內的燃燒區域，在該燃燒器104內燃料與空氣混合併且被點燃。產生燃燒氣體，並將燃燒氣體引導至渦輪108，在渦輪108中，氣流熱能轉換為機械旋轉能。渦輪108以》炎轉的方式10聯j妻到軸110上，並且驅動該軸110。圖2是燃燒器104的截面示意圖。燃燒器組件104與渦輪組件108和壓縮機組件102流動連通地聯衝矣。壓縮機組件102包括糹皮此流動連通地聯接的擴散器112和壓縮機排出增壓室114。在示範性實施例中，燃燒器組件104包括為多個燃料噴嘴122提15供結構支承的端蓋120。端蓋120利用保持硬體(retentionhardware)(圖2中未示出)聯接到燃燒器外殼124上。燃燒器襯套126定位在外殼124內並且聯接到外殼124上，使得襯套126限定燃燒室128。環形的燃燒室冷卻通道129在燃燒器外殼124和燃燒器襯套126之間延伸。過渡部分或過渡件130聯接到燃燒室128上，以促使將在室128中產生的燃燒氣體引向渦輪噴嘴132。在示範性實施例中，過渡件1305包括形成在外壁136中的多個開口134。過渡件130還包括限定在內壁140和外壁136之間的環形通道138。內壁140限定引導空腔142。在運行中，渦輪組件108經由軸IIO(示於圖1中)驅動壓縮機組件102。當壓縮機組件102旋轉時，壓縮空氣排出進入擴散器112，如相關箭頭所示。在示範性實施例中，從壓縮機組件102排出的空氣的大10部分穿過壓縮機排出增壓室114引向燃燒器組件104,而壓縮空氣的小部分可引導來用於冷卻發動機100的部件。更具體地，增壓室114內加壓的壓縮空氣經由外壁開口134引導進過渡件130,並且引導進通道138。然後，空氣從過渡件的環形通道138引導進燃燒室冷卻通道129。空氣從通道129排出，並被引導進燃料噴嘴122。15燃料和空氣在燃燒室128內混合併點燃。外殼124有利於將燃燒室128和與燃燒室128相關的燃燒過程與外部環境隔離，該外部環境為例如周圍的渦輪部件。產生的燃燒氣體穿過過渡件引導空腔142從燃燒室128引向渦輪噴嘴132。在示範性實施例中，燃料噴嘴組件122經由燃料噴嘴凸緣144聯接到端蓋120上。20圖3是燃料噴嘴組件122的截面圖。圖4是將罩移開的圖3中所示的燃料噴嘴組件122的一部分的透視圖。在示範性實施例中，燃料噴嘴組件122具有中心軸線146並且包括旋流器組件151，該旋流器組件151包括輪轂150、聯接到輪轂150上的多個葉片152和聯接到輪轂150的下遊端156上的中心體管道154。更具體地，4侖轂150包25括徑向內表面160和徑向外表面162，多個葉片152從旋流器組件的徑向外表面162徑向向外延伸。在示範性實施例中，輪轂150、葉片152和凸緣144鑄造或製造為圖4中所示的整體部件。可選地，葉片152和凸緣144可使用例如焊接或釺焊工藝聯接到輪轂150上。燃料噴嘴組件122還包括蓋或罩166,其聯接到燃料噴嘴組件上並且形成燃料噴嘴組件的外周。此外，罩166還限定空氣通道168。具體地，空氣通道168限定在罩166的徑向內表面169和輪轂150的徑向外表面162之間。其限定預混合燃料通道171。預混合管道170布置在凸緣144、輪轂150和中心體管道154內。更具體地，預混合管道170具有Jf關接到凸緣144上的第一端172和在注氣孔210的下遊終止的笫二端174。預混合管道170具有大體上為圓形的截面輪廓，並且具有小於輪轂15010和中心體管道154的內徑180的外徑178。在示範性實施例中，燃料噴嘴組件122還可包括霧化液體燃料盒196，其從預混合管道170徑向向內地布置。如圖3中所示，液體燃料盒196的徑向外表面184和中心體管道154的徑向內表面192限定另一個通道194,該通道194用於引導燃料或空氣穿過燃料噴嘴組件，使得燃料或空氣從燃料噴嘴15末梢198排出。可選地，燃料噴嘴組件122不包括液體燃料盒196。預混合管道170還可包括波紋管組件186,其有利於補償輪轂150和預混合管道170之間的變化的熱膨脹率。再次參考圖4，各葉片152均包括第一側壁200和第二側壁202。第一側壁200和第二側壁202在前緣204處和軸向間隔開的後緣20620處連接。各葉片還包括多個開口210，本文稱為注氣孔210，其從葉片前緣204延伸到預混合通道171,使得引導穿過預混合通道171的燃料然後被引導穿過各相應開口210並從各相應葉片152的前緣204排出。如圖4中所示，各葉片152的後緣是扭曲的，使得後緣在氣流168中產生圍繞中心體154的旋流。25圖5是示範性葉片152的截面圖。在此實施例中，葉片152已經加工或鑄造成使得前緣204從將葉片152聯接到輪轂150上的葉片根部212到軸向下遊的葉片末梢214成漸縮形。在示範性實施例中，葉片前緣204製造或加工成使得前緣152相對於輪轂150成在約90度和約150度之間的角度e。此外，燃料噴嘴組件122還包括多個注氣孔210，其從葉片前緣204穿過葉片152和輪轂150延伸，使得被引導穿過預混合管道通道171和葉片152的燃料然後在葉片前緣204處經由相應的注氣孔從葉片152排出。5在圖5中所示的一個示範性實施例中，示範性葉片152包括三個注氣孔210，應了解的是，各葉片152可包括單個注氣孔210,兩個注氣孔210，或n個注氣孔210，其中n》3。例如，在此實施例中，葉片152至少包括第一開口或注氣孔220,第二注氣孔222和第三注氣孔224。在此實施例中，圖5顯示第一注氣孔220大體上平行於第10二注氣孔222，而第二注氣孔222大體上平行於第三注氣孔224。然而這些孔不必為平行的。此外，第一注氣孔220、笫二注氣孔222和第三注氣孔224中的每一個注氣孔均^v燃料噴嘴組件112的中心軸線146偏離角度a。在一個實施例中，a在約45度和約IIO度之間，或者超出垂直方向。在示範性實施例中，a顯示為大約60度。15第一開口或注氣孔220布置在第二注氣孔222的上遊，第二注氣孔222布置在第三注氣孔224的上遊。更具體地，第一注氣孔220具有進口230，第二注氣孔222具有布置在進口230的軸向下遊的進口232，第三注氣孔224具有布置在進口232的軸向下遊的進口234。如圖5中所示，各相應的進口允許將被引導穿過預混合管道通道171的20燃料引導穿過各相應的進口230、232和234並進入各相應的注氣孔220、222和224,並且在葉片152的前緣204處排出。圖6是另一個示範性葉片152的截面圖。在此實施例中，葉片152已經加工或鑄造成使得前緣204包括在葉片根部212和葉片末梢214之間延伸的多個臺階240。在此實施例中，臺階240從葉片根部21225到葉片末梢214之間按上升的順序形成，使得第一臺階242形成為接近葉片根部212,並且布置在第n個臺階的軸向上遊，該第n個臺階形成為接近葉片末梢214，並且像這樣形成葉片末梢214。此外，葉片152還包括從葉片上表面282穿過葉片152和輪轂150延伸的多個注氣孔250，使得被引導穿過預混合管道通道171的燃料被引導穿過葉片152，並且在上表面282處從葉片152排出。雖然圖6示出的示範性葉片152包括四個臺階240和三個注氣孔250，但是應了解的是，各葉片152均可包括n個臺階240和n-l個注5氣孔210，其中11>2。例如，在此實施例中，葉片152至少包括第一臺階242、第二臺階252、第三臺階254和第四臺階256。葉片152還包括延伸穿過第一臺階242的笫一開口或注氣孔260、延伸穿過笫二臺階252的第二注氣孔262和延伸穿過第三臺階254的第三注氣孔264。如圖6中所示，第一注氣孔260大體上平行於第二注氣孔262,10該第二注氣孔262大體上平行於第三注氣孔264。此外，第一注氣孔260、第二注氣孔262和第三注氣孔264中的每一個注氣孔均穿過相應的臺階形成，使得各注氣孔260、262和264均大致垂直於延伸穿過燃料噴嘴組件122的中心軸線146。此外，第一開口或注氣孔260布置在第二注氣孔262的上遊，該15第二注氣孔262布置在笫三注氣孔264的上遊。更具體地，第一注氣孔260具有進口270，第二注氣孔262具有布置在進口270的軸向下遊的進口272，第三注氣孔264具有布置在進口272的軸向下遊的進口274。如圖6中所示，各相應的進口均允許被引導穿過預混合管道通道171的燃料被引導穿過各相應的開口270、272和274，並且進入20各個相應的注氣孔260、262和264以及在葉片152的上表面282處排出。各臺階240均包括組合而形成各單獨的臺階240的前緣表面280和上表面282。在示範性實施例中，上表面282垂直於前緣表面280或者與前緣表面280成直角地形成。可選地，上表面282可以以除直25角以外的角度形成。如圖6中所示，所有的前緣表面280和上表面282的組合形成葉片前緣204。在製造期間，凸緣144、輪轂150和多個葉片152鑄造為整體結構，以形成旋流器組件151。此外，如上所述，多個葉片152在鑄造之後大體上是實心的。也就是說，葉片152沒有有意地鑄造成有空洞或空腔以容納燃料流。罩166聯接到旋流器組件151上，使得罩166然後圍繞葉片152布置，如附圖所示。如圖5或圖6中所示，多個注氣孔250穿過葉片152的上表面2825形成。注氣孔250將在連接該罩166之前形成在上表面282中。此外，注氣孔250可鑄造在葉片152內。在運行中，燃料噴嘴組件122經由圍繞組件122的增壓室131(示於圖2中)從冷卻通道129(示於圖2中)中接收壓縮空氣。用於燃燒的空氣的大部分經由通道168進入組件122,並被引導到預混合部件。10進入增壓室131的一部分高壓空氣也可引導進空氣霧化液體燃料盒196。燃料噴嘴組件122經由燃料供應通道171和194從燃料源(未示於圖3中)接收燃料。如上所述，燃料從預混合燃料供應通道171引導到多個葉片152。此外，引導進通道168的空氣與燃料混合，燃料/空氣15混合物經由轉動葉片152形成旋渦，向下遊引導並從燃料噴嘴組件122排出。相似地，在一些運轉模式期間，燃料被引導穿過燃料供應通道194並且穿過燃料噴嘴末梢198排出。本文描述的是可用於燃氣渦輪發動機的示範性燃料噴嘴組件。該燃料噴嘴組件包括多個注氣孔，這些注氣孔例如將諸如天然氣的燃料20噴射進交叉流動的氣流。例如，已知的葉片包括供應孔，其在多個徑向高度處垂直於葉片表面定向。這些葉片表面大體上平行於相鄰葉片之間的軸向流。然而，本文描述的燃料噴嘴包括穿過旋流器葉片的前緣安置的注氣孔。此外，在優選實施例中，葉片的前緣製造為使得前緣相對於燃料噴嘴的中心線成角度，這與具有與中心線146垂直或偏25離90度的前緣的已知葉片相對。可選地，可通過使葉片的前緣成臺階狀來製造燃料噴嘴組件，以便注氣孔徑向向內地定向。在製造期間，注氣孔然後沿前緣布置，使得注氣孔在所期望的徑向位置處噴射氣體，這是獲得所期望的燃料空氣分布所需要的。由於本文描述的燃料噴嘴包括布置在葉片前緣處的注氣孔，故在運行期間，從注氣孔排出的燃料分成圍繞葉片的兩股流，即吸入側流和壓力側流，這有助於燃料和空氣的環向混合。此外，燃料越過相對於混合物在燃燒器內燃燒的點的一段給定軸向距離從葉片噴射。因為現在分5布了與燃料的輸送時間常數有關的燃燒動態頻率，故這種軸向分布的噴射認為是與稀燃預混合燃燒系統相關的良好特徵。這導致具有較少能量的任何給定的自然系統(naturalsystem)頻率，從而導致較低的燃燒動態性。本文描述的燃料噴嘴的一個優點是葉片不需要在鑄造過程期間10形成的空腔，因此降低了製造燃料噴嘴的成本，並且提供良好的混合特性。此外，注氣孔向內徑向地形成或鑄造，因此不需要鑄造型芯和複雜且耗時的加工。此外，鑽削注氣孔的筒易性允許當運行條件(燃料成分)改變時更容易地改變孔口尺寸以對燃料噴嘴"重新設定尺寸"。例如，通過簡單地鑽削以形成更大的孔，可使小孔變大，並且可利用插15入件而使大孔變小。同樣地，在運行期間，通過在自然頻率的範圍內分布能量，軸向分布的注氣孔減弱了燃燒系統具有高動態不穩定性的趨勢。此外，主要由於孔的定向，注氣孔位置和直徑公差更容易相對於基準線設計以精確方式形成。20因此，本文描述的燃料噴嘴有利於顯著地降低作為燃燒系統中的最大成本的燃料噴嘴成本，消除和/或減小作為當前的稀燃預混合氣體渦輪燃燒系統存在的首要問題的燃燒動態性，並且該燃料噴嘴允許接近均勻的燃料噴嘴分流，從而導致低排放。此外，本文還描述了一種製造燃料噴嘴組件的示範性方法。該方25法包括製造旋流器組件，其包括徑向內表面、徑向外表面、由徑向內表面至少部分地限定的第一流動通道和從旋流器組件的徑向外表面上徑向向外延伸的多個大體上實心的葉片，其中各葉片均包括在前緣處和軸向間隔開的後緣處連接在一起的第一側壁和第二側壁；該方法還包括在各個相應的葉片中形成多個開口，其中各葉片開口限定從葉片前緣延伸到第一流動通道的第二流動通道。雖然根據各種特定實施例描述了本發明，但是本領域技術人員將承認的是，在權利要求的精神和範圍內，可利用變型實施本發明。權利要求1.一種燃料噴嘴(122)，包括旋流器組件(151)，其包括徑向內表面(160)和徑向外表面(162)；聯接到所述旋流器組件的徑向外表面上的多個葉片(152)，各所述葉片均包括第一側壁(200)和第二側壁(202)，所述第一側壁和第二側壁在前緣(204)處和軸向間隔開的後緣(206)處連接；和穿過各相應葉片形成的多個開口(270)，各所述開口均從所述前緣延伸到所述通道，以限定從所述通道延伸到所述前緣的流動通道。2.根據權利要求1所述的燃料噴嘴(122),其特徵在於，各所述葉片(152)均包括根部(212)和末梢(214)，所述前緣(204)從所述根部到所述末梢成漸縮形。3.根據權利要求2所述的燃料噴嘴(122)，其特徵在於，所述前緣(204)從中心軸線(146)偏離角度(e)，所述角度(e)在約90度和約15015度之間。4.根據權利要求2所述的燃料噴嘴(122),其特徵在於，所述葉片末梢(214)布置在所述葉片根部(212)的軸向下遊。5.根據權利要求1所述的燃料噴嘴(122)，其特徵在於，所述多個開口(270)至少包括第一開口和第n個開口，所述第一開口到所述第20n個開口中的每個開口均從所述燃料噴嘴的中心軸線(146)偏離角度a。6.根據權利要求1所述的燃料噴嘴(122)，其特徵在於，所述多個開口(270)至少包括第一開口和第二開口，所述第二開口形成在所述第一開口的下遊。7.根據權利要求6所述的燃料噴嘴(122),其特徵在於，所述第25—開口大體上平行於所述第二開口。8.根據權利要求1所述的燃料噴嘴(122),其特徵在於，各所述葉片(152)均包括根部(212)和末梢(214)，所述前緣(204)包括在所述根部和所述末梢之間延伸的多個臺階(240),所述臺階從所述根部到所述末梢按上升的順序形成，使得接近所述葉片根部形成的第一臺階布置在接近所述葉片末梢形成的第n個臺階的上遊。9.根據權利要求8所述的燃料噴嘴(122)，其特徵在於，所述多個開口(270)至少包括笫一開口和第二開口，所述笫一開口和第二開口中的每一個開口均大致垂直於所述燃料噴嘴的中心軸線(146)。10.—種燃氣渦輪發動機(100)組件，包括壓縮機(102);和與所述壓縮機流動連通的燃燒器(104)，所述燃燒器包括至少一個燃料噴嘴組件(122)，所述燃料噴嘴組件包括10旋流器組件(151)，其包括徑向內表面(160)和徑向外表面(162);聯接到所述旋流器組件的徑向外表面上的多個葉片(152)，各所述葉片均包括第一側壁(200)和第二側壁(202)，所述第一側壁和第二側壁在前緣(204)處和軸向間隔開的後緣(206)處連接；和15穿過各相應葉片形成的多個開口(270)，各所述開口均從所述前緣延伸到所述通道，以限定從所述通道延伸到所述前緣的流動通道(168)。全文摘要本發明涉及燃料噴嘴和製造燃料噴嘴的方法，燃料噴嘴(122)包括旋流器組件(151)，該旋流器組件(151)包括徑向內表面(160)和徑向外表面(162)；燃料噴嘴(122)還包括聯接到旋流器組件的徑向外表面上的多個葉片(152)。各葉片均包括第一側壁(200)和第二側壁(202)，第一側壁和第二側壁在前緣(204)處和軸向間隔開的後緣(206)處連接，多個開口(270)穿過各相應葉片形成。各開口從前緣延伸到通道，以限定從通道延伸到前緣的流動通道。文檔編號F23R3/38GK101303131SQ200810096769公開日2008年11月12日申請日期2008年5月6日優先權日2007年5月7日發明者G·A·博德曼,J·B·麥米蘭,T·E·詹森申請人:通用電氣公司