專利名稱：燃料噴嘴頂端組件的制作方法
技術領域：
本文大體上涉及用于燃氣渦輪發動機的燃料噴嘴的系統和
布置，并且更具體地涉及一種用于燃料噴嘴頂端(tip)及其構件的布置。
背景技術：
燃氣渦輪發動機通過產生流過渦輪的壓縮氣體使渦輪自 旋。壓縮氣體通過燃燒燃料如丙烷、天然氣、煤油或噴氣燃料來產生， 這些燃料在通過一組燃料噴嘴噴射到燃燒器或燃燒室中之后進行燃 燒。燃料噴嘴包括含有頂端組件的若干構件。燃料噴嘴頂端可經受來 自于壓縮氣體的負載，該壓縮氣體在朝向燃燒器的下游方向上流過該 頂端。由于噴嘴上的損耗，可引起噴嘴頂端的構件分離。例如，銅焊 連結可能會斷裂和容許噴嘴頂端向下游流動。盡管連結斷裂不太可 能，但如果噴嘴頂端進入渦輪中，則因這種連結斷裂而引起的潛在破 壞就可能相當嚴重。
發明內容
在 一 個實施例中， 一 種系統包括燃料噴嘴頂端保持件 (retainer),其包括具有一定幾何形狀的結構部件，該結構部件阻止頂 端插入件軸向地向燃料噴嘴下游移動。
當參照附圖來閱讀如下詳細描述時，本文的這些及其它特 征、方面和優點將變得更容易理解，所有附圖中的相似標號表示相似 的零件，在附圖中圖1為根據本技術的實施例的具有聯接到燃燒器上的燃料
4噴嘴的渦輪機系統的框圖；圖2為根據本技術的實施例的具有聯接到端蓋上的多個燃 料噴嘴的如圖1中所示的燃燒器的剖面側-見圖；圖3為根據本技術的實施例的具有帶軸向保持特征的燃料 噴嘴頂端的如圖2中所示的燃料噴嘴已組裝的截面側視圖；圖4為根據本技術的實施例的如圖3中所示的燃料噴嘴頂 端的分解截面側視圖，其中，該燃料噴嘴頂端具有頂端插入件、噴嘴 頂端管，以及用以對頂端插入件提供軸向保持的肩部。圖5為根據本技術的實施例的已部分組裝的如圖4中所示 的燃料噴嘴頂端的分解截面側視圖；圖6為根據本技術的實施例的已完全組裝的如圖4和圖5 中所示的燃料噴嘴頂端的截面側視圖；圖7為根據本技術的實施例的如圖3至圖6中所示的燃料 噴嘴頂端的端視圖；以及圖8為根據本技術的另一實施例的帶頂端插入件及具有用 于軸向保持的肩部界面(interface)的頂端管的燃料噴嘴頂端的截面側 視圖。
具體實施例方式下文將描述本發明的一個或多個特定實施例。為了提供對 這些實施例的簡要描述，在說明書中可能未對實際實現方式的所有特 征進行描述。應當認識到，在任何這些實際實現方式的研發中，如任 何工程或設計項目中一樣，必須作出許多特定實現方式的決定，以實 現研發人的特定目標，如遵循相關系統和相關商業約束，這可能從一 種實施方式更改成另一種。此外，應當認識到，這些研發工作可能很 復雜和耗費時間，但對于擁有本文益處的普通技術人員來說只不過是 進行設計、制作和生產的例行任務。在介紹本發明的各種實施例的元件時，用語"一個"、"一種"、"該"以及"所述，，旨在表示存在元件中的一個或多個。用語"包括"、"包 含"以及"具有"意指包括性的，且表示存在除所列元件之外的其它元 件。工作參數和/或環境條件的任何實例并未排除所公開實施例的其它 參凄t/條件。如下文的詳細論述，燃料噴嘴系統的各種實施例可用于改 善渦輪發動機系統的性能。具體而言， 一個實施例包括燃料噴嘴頂端， 其包括管狀頂端和插入件。在一些實施例中，燃料噴嘴頂端包括軸向 保持特征，如軸向抵靠結構，用以阻止頂端插入件朝下游方向軸向移 動。例如，管狀頂端和頂端插入件可通過肩部對接，以保持插入件， 從而阻止其在軸向上移動。具體而言，因在噴嘴中點燃鄰近的燃料而
引起的噴嘴頂端構件所經受的極端溫度可導致噴嘴頂端中的保持銅 焊失效。在沒有二次保持機構如肩部的情況下，在頂端插入件中，噴 嘴頂端構件可能會移位和向下游流動，造成對渦輪葉片的破壞。因渦 輪葉片損壞引起的停機時間和修理或替換，對于渦輪機的操作人員來 說可能代價高昂。現轉到附圖且首先參看圖1，示出了渦輪機系統IO的實施 例的框圖。該圖包括燃料噴嘴12、燃料源14，以及燃燒器16。如圖 所示，燃料源14向渦輪機系統IO輸送液體燃料或氣體燃料如天然氣， 經由燃料噴嘴12進入燃燒器16中。在與壓縮空氣相混合后，如箭頭 18所示，在燃燒器16中進行點火，且產生的排氣促使渦輪20內的葉 片旋轉。渦輪20中的葉片與軸22之間的聯接將引起軸22旋轉，如 圖所示，軸22還聯接到整個渦輪機系統10的多個構件上。例如，所 示的軸22傳動地聯接到壓縮機24和負載26上。如所認識到的那樣， 負載26可以是可通過渦輪機系統10的旋轉輸出產生動力的任何適合 的裝置，如發電設備或車輛。空氣源28可經由管道向進氣口 30輸送空氣，進氣口 30然 后將空氣輸送到壓縮機24中。壓縮機24包括傳動地聯接到軸22上 的多個葉片，從而壓縮來自于進氣口 30的空氣，且如箭頭32所示的那樣將其輸送給燃料噴嘴12和燃燒器16。燃料噴嘴12然后可混合壓 縮空氣和燃料(由標號IS示出)，以產生最佳混合比用于燃燒，例如， 促使燃料更為完全地燃盡以便不浪費燃料或產生過多排放物的燃燒。 在穿過渦輪20之后，排氣在排氣口 34處流出系統。如下文更為詳細 描述的那樣，渦輪機系統10的實施例包括燃料噴嘴12內的一些結構 和構件，用以改善軸向保持，從而提高安全性和減少因噴嘴構件分離 而引起的潛在停才幾時間。圖2示出了具有多個燃料噴嘴12的燃燒器16的實施例的 剖面側視圖。如圖所示，各燃料噴嘴12均包括具有獨特軸向保持特 征(例如，軸向抵靠或阻擋特征)的燃料噴嘴頂端36，以阻止頂端構件 在下游方向上的任何潛在軸向移動。在一個實施例中，燃燒器16的 特征在于可安裝在端蓋38上的五個或多個燃料噴嘴12,該端蓋38位 于燃燒器16的基座處。端蓋38可包括將燃料和壓縮空氣輸送給各燃 料噴嘴12的管道或通道。各燃料噴嘴12均^更于壓縮空氣和燃料的混 合物沿方向40進入燃燒器16。空氣燃料混合物然后在燃燒器16中燃 燒，從而產生熱的壓縮排氣，其驅動渦輪20內的葉片旋轉。燃燒器 16包括流動套筒(flowsleeve)42和包繞燃燒區的襯套44。在一些實施 例中，流動套筒42和襯套44彼此同軸，以限定中空環形空間45,該 環形空間45可使用于冷卻的空氣通過和進入燃燒區中(例如，經由襯 套44中的穿孔)。襯套44還可設計成用以控制空氣燃料混合物和熱的 排氣向下游沿方向40朝向過渡件46的流量和速度。例如，空氣燃料 混合物可沿方向40流出各燃料噴嘴頂端36，其中，混合物在其進入 燃燒器襯套44時點燃，導致經由過渡件46將壓縮的排氣向下游40 輸送到渦輪20中。如所認識到的那樣，由于噴嘴12構件上存在熱輻 射，故點燃靠近燃料噴嘴頂端36的空氣燃料混合物可引起損耗。例 如，如果燃料噴嘴頂端36的構件由于磨損而移位，則頂端構件可能 向下游40流動，引起對渦輪20的葉片及其它構件的代價高昂的破壞。 因此，如下文所述，各燃料噴嘴頂端36均通過獨特的軸向保持特征有效地固定。圖3中示出了燃料噴嘴12的一個實施例的截面側視圖。如 下文進一步地圖示和描述，燃料噴嘴12包括獨特的軸向保持特征47, 其構造成用以提供有效的止動或阻擋，以防止燃料噴嘴頂端36構件 朝下游方向40的不期望的軸向移動。燃料噴嘴12包括凸緣50，凸緣 50可通過螺母和螺栓，或其它適合的聯接機構聯接到端蓋38上。壓 縮空氣可經由端蓋38和凸緣50從壓縮機30輸送到壓縮空氣通路48 中。外部管路51可描述為流量調節器，其在壓縮空氣在通路52內向 下游流動時對其進行調節。如圖所示，燃料噴嘴12還包括壓縮空氣 通路52和燃料通if各54。通路48,52和54 i殳置成4皮此同軸，且因此為 環形形狀。如圖所示，通路48,52和54由內部管路49、外部管^各51 和中間管路53所限定。來自于燃料通路54的燃料經由翼片(vane)開 孔57供送給旋流噴嘴(swizzle)56。壓縮空氣經由波紋管59沿方向58 流動，波紋管59將空氣抽吸到燃料噴嘴頂端36中。空氣從空氣通路 52經由將空氣與燃料相混合的旋流噴嘴56進行輸送。旋流噴嘴56包 括翼片，用以圍繞燃料噴嘴12產生旋渦效應，以在空氣向下游61流 動時促進其流動。此外，噴嘴管頂端構件62可焊接或銅焊60到燃料 噴嘴12內的基座表面上，從而安裝該結構。當空氣流出管頂端時， 由旋流噴嘴56所產生的旋渦空氣燃料混合物流動并與空氣相混合。 具體而言，旋流噴嘴56的設計增強了燃料空氣混合物朝燃燒器16的 流動及其混合，從而減少或防止了空氣燃料混合物附著到噴嘴12內 壁63上。在一個實施例中，燃料噴嘴頂端36包括管頂端62、擴散頂 端插入件64，以及管頂端端件66。壓縮空氣沿方向58的流動可在擴 散頂端插入件64上產生應力，如下文將詳細地描述，該擴散頂端插
氣流出燃料噴嘴頂端36時，空氣燃料混合物可在由標號65所示的噴 嘴12出口附近點燃。如所認識到的那樣，對于氣體燃料和液體燃料二者的渦輪機系統，管頂端62、頂端端件66,以及擴散頂端插入件 64可為噴嘴12組件的一部分。如圖所示，管頂端62聯:接到如由界面 60所示的旋流噴嘴56上。圖4為示出具有軸向保持特征47的燃并十噴嘴頂端36的一 個實施例的分解截面側視圖。如圖所示，管頂端端件66包括端件肩 部68。端件肩部68的內環形面67具有的直徑69大于其余管頂端端 件66的內環形面的直徑，從而產生肩部68。因此，肩部68具有環形 形狀，其構造成用以提供軸向抵靠面以用作有效的軸向止動件。例如， 端件肩部68構造成用以收容插入件界面肩部70, 乂人而對擴散頂端插 入件64提供有效的軸向保持，以防止沿方向58的軸向移動。肩部68 和70可分別描述為外環形肩部和內環形肩部。此外，包括肩部68和 70的燃料噴嘴36的這些部分可稱為燃料噴嘴頂端保持件。如所認識 到的那樣，在方向58上沿噴嘴軸線72朝向燃燒室16的空氣流壓力 產生沿方向58作用在擴散頂端插入件64上的軸向力。銅焊位置74 也可提供保持機構，以使頂端插入件保持定位在管頂端端件66內。 如所認識到的那樣，適當的銅焊74可將頂端64 4關接在組件內。然而， 銅焊74并不提供像肩部68和70之間的軸向界面/抵靠那樣的有效止 動。例如，如果僅銅焊74存在于管頂端端件66與擴散頂端插入件64 之間(例如，沒有肩部68和70),則如果銅焊74斷裂，擴散頂端插入 件64就可沿下游方向58通過。在一個實施例中，端件肩部68和插入件界面肩部70可稱 為二次保持機構，從而在銅焊74失效的情況下阻止擴散頂端插入件 64向下游58移動。此外，在將擴散頂端插入件64置于管頂端端件 66內之后，管頂端62可通過在燃料噴嘴頂端組件36的位置76和78 之間進行電子束焊接或其它適合的結合或制造工藝來聯接到管頂端 端件66上。噴嘴頂端36的一個實施例還包括漸縮的環形面79,其可 便于焊接，以及提供在擴散頂端插入件64上游的軸向止動。此外， 漸縮的環形面79以及肩部68和70阻擋沿相反方向的軸向移動，從而軸向地鎖定插入件64。在其它實施例中，噴嘴頂端36并不包括銅焊74，其中，肩部68和70為用于擴散管頂端插入件64的主要保持部件。此外，焊接或銅焊74可與肩部68和70處的界面分開或與之獨立。然而， 一些實施例可包括直接位于肩部68和70的界面處的焊接或銅焊74。圖5為如圖4中所示的已經部分地組裝的燃^F噴嘴36的一個實施例的分解截面側視圖。在該圖中，擴散頂端插入件64已置于管頂端端件66內，其中，銅焊74將擴散頂端插入件64附接到內環形面67上。此外，在銅焊74失效的情況下，軸向頂端保持由端件肩部68與插入件界面肩部70之間的有效界面提供。此外，肩部68和肩部70彼此軸向抵靠，以提供不同于銅焊74的有效止動，由于熱應力和開裂的結果，銅焊74隨著時間的推移可能會斷裂。如圖所示，內環形面67和肩部68可描述為環形槽，其收容和保持擴散頂端插入件64的環形凸起(例如，肩部70)。即使銅焊74(即，作為輔助鎖固)失效，該軸向界面也會阻止擴散頂端插入件64的軸向移動。擴散頂端插入件64包括開孔80，開孔80允許空氣經由燃料噴嘴頂端36的端部沿方向58分布或流出。在一個實施例中，擴散頂端插入件64和管頂端端件66由鎳合金構成，鎳合金能夠經受與燃料噴嘴36下游的燃燒相關的高溫。此外，由于管頂端62并未暴露在燃燒的高溫下的緣故，管頂端62可由比鎳合金便宜的不銹鋼合金構成。因此，由于使用了適合的材料來用于構件，故燃料噴嘴36的實施例可節省制造成本。圖6示出了完全組裝的圖4和圖5中所示的實施例的截面側視圖。該圖示出了通過在位置76和位置78處的電子束焊接而位于管頂端62與管頂端端件66之間的電子束焊接。具體而言，擴散頂端插入件64沿軸線72的保持可通過端件肩部68與插入件界面肩部70之間的軸向界面以及由銅焊74提供。所示的保持技術，尤其是肩部68和肩部70，在存在或不存在銅焊74的情況下阻止了向下游58釋
10放擴散頂端插入件64。換句話說，該布置在銅焊74失效的情況下阻止了擴散頂端插入件64向下游移動，>^人而防止了對渦|侖20內的葉片代價高昂的破壞，以及避免了渦輪機系統IO代價高昂的停機時間。此外，在另一個實施例中，端件肩部68和插入件界面肩部70的形狀可不同于所示的直角界面。例如，內環形面67連同擴散頂端插入件64的對應配合面一起相對于軸線72成角度為30度至90度之間的漸縮形狀，從而為銅焊74提供了漸縮形界面(例如，部分錐形的界面)來作為在軸向58上的有效保持。因此，軸向保持特征47可通過90度的界面、角度為0度至90度之間的界面或多個不同界面的組合來提供有效的止動。漸縮形界面可為30度、45度、60度，或相對于軸線72的一些其它角度。在其它實施例中，環形面67和頂端插入件64的對應表面的角度可處在10度至60度的范圍。圖7為燃料噴嘴頂端36的實施例的端視圖。如圖所示，燃料噴嘴頂端36包括氣孔80,其可定位在中心附近和位于擴散頂端插入件64的周邊部分。在其它實施例中，氣孔80的位置、尺寸和幾何
可容許空氣沿方向58流出燃料噴嘴頂端36以便在燃燒器16內燃燒。如上文所述，擴散頂端插入件64的實施例在銅焊74失效的情況下由端件肩部68和插入件界面肩部70保持，從而防止擴散頂端插入件64向下游流動和{皮壞渦4侖才幾構件。圖8為具有整體式構造的管頂端84的燃料噴嘴頂端82的另一個實施例的示圖。具體而言，管頂端82結合了圖3至圖7的實施例的管頂端62和管頂端端件66，并且能使擴散頂端插入件64從左向右地安裝。管頂端84可由鎳合金構成，用以經受輻射和高溫。擴散頂端插入件64也可由鎳合金構成。具體而言，管頂端84包含環形內表面，其從上游端87至管肩部88具有恒定的直徑。內表面86從左到右直至肩部88并不包括任何斜面或漸縮面。這種布置能使擴散頂端插入件64安置成穿過管頂端84上游端上的開口，直到其由管肩
ii部88保持。例如，在組裝燃料噴嘴頂端82期間，擴散頂端插入件64可沿方向58插入管頂端84中，使得擴散頂端插入件64可由銅焊74以及由管肩部88和插入件界面肩部70保持。所示的實施例在銅焊74失效的情況下提供了對擴散頂端插入件64的有效保持。如所認識到的那樣，由管肩部88和插入件界面肩部7(U是供的軸向保持阻止因沿方向58的燃料流作用力而引起的擴散頂端插入件64移位，從而阻止了擴散頂端插入件64向下游流動和對渦輪葉片的代價高昂的破壞。盡管本文僅示出和描述了本公開內容的一些實施例，但本領域的技術人員可想到許多修改和變化。因此，應當理解到，所附權利要求旨在涵蓋落入本公開內容的真正精神內的所有這些修改和變化。
權利要求
1.一種渦輪機系統(10)，包括渦輪(20)；燃燒器(16)；壓縮機(24)；以及燃料噴嘴(12)，其包括包括內環形肩部(67，88)的管狀頂端(62，66，84)；以及設置在所述管狀頂端(62，66，84)內的擴散頂端插入件(64)，其中，所述內環形肩部(67，88)阻止所述擴散頂端插入件(64)相對于所述燃料噴嘴(12)沿下游方向的軸向移動。
2. 根據權利要求1所述的渦輪機系統(IO)，其特征在于，所述管 狀頂端(62,66，84)包括設置成圍繞所述擴散頂端插入件(64)的至少兩段 (62,66)。
3. 根據權利要求2所述的渦輪機系統(10)，其特征在于，所述兩 段(62，66)由不同材料制成。
4. 根據權利要求1所述的渦輪機系統(IO)，其特征在于，所述管 狀頂端(62,66,84)為整體式結構(84)。
5. 根據權利要求1所述的渦輪機系統(IO)，其特征在于，所述內 環形肩部(67，88)包括為第 一直徑的第 一環形面、為第二直徑的第二環 形面，以及位于所述第一環形面與所述第二環形面之間的第三表面， 其中，所述第三表面相對于所述第一直徑和所述第二直徑的軸線成大 約90度的角。
6. 根據權利要求1所述的渦輪機系統(IO)，其特征在于，所述內 環形肩部(67,88)包括為第一直徑的第一環形面、為第二直徑的第二環 形面，以及處于所述第一環形面與所述第二環形面之間的第三表面， 其中，所述第三表面以相對于所述第一直徑和所述第二直徑的軸線成 大約30度至大約90度之間的角度漸縮。
7. 根據權利要求1所述的渦輪機系統(IO)，其特征在于，所述渦 輪機系統(10)包括含有所述渦輪機系統(10)的車輛。
8. 根據權利要求1所述的渦輪機系統(IO)，其特征在于，所述燃 料噴嘴(12)包括壓縮空氣通路(48)、旋流噴嘴(56)、波紋管(59)、燃料 通路(52)，以及流量調節器(51)。
9. 根據權利要求1所述的渦輪機系統(IO)，其特征在于，所述燃 料噴嘴(12)包括位于所述管狀頂端(62，66，84)與所述擴散頂端插入件 (64)之間的銅焊(74)。
10. 根據權利要求9所述的渦輪機系統(10)，其特征在于，所述內 環形肩部(67,88)與所述擴散頂端插入件(64)之間的界面阻止所述擴散 頂端插入件(64)的軸向移動。
全文摘要
本發明涉及燃料噴嘴頂端組件。具體而言，在一個實施例中，一種系統包括燃料噴嘴頂端保持件，該燃料噴嘴頂端保持件包括具有一定幾何形狀(67，88)的結構部件(62，66，84)，該結構部件(62，66，84)阻止頂端插入件(64)軸向地向燃料噴嘴(12)下游移動。
文檔編號F23R3/28GK101676535SQ20091017563
公開日2010年3月24日 申請日期2009年9月17日 優先權日2008年9月17日
發明者D·M·拜利, S·R·西蒙斯 申請人:通用電氣公司