專利名稱：用于燃料噴射器的主動熱保護的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及燃料輸送系統并且更具體地涉及用于將燃料輸送至內燃機的燃燒室的燃料噴射器(即燃料噴嘴)。
背景技術：
燃料噴射器(也叫作燃料噴嘴)是燃氣輪機的重要部件。因為燃料噴射器是燃料的來源，燃料噴射器能對發動機性能起著顯著的作用。
因為燃料噴射器至少部分地定位于發動機殼體內，燃料噴射器包括內燃料管延伸穿過其中的支架/支桿。燃料管將連接至霧化器或支架/支桿的其他梢端構件以改善燃料的輸送狀態以使得其將與發動機殼體中的空氣更完全地混合。通常，燃料噴射器定位于壓縮機單元的下游和渦輪的燃燒器的上游。通常，壓縮機和燃燒器之間燃料噴射器所處的位置(如果不是大部分，則至少部分位于其中)被稱為壓縮機排出區域。
在操作期間，支架/支桿由高溫高壓的壓縮空氣包圍。然而，期望在比壓縮空氣低得多的溫度下輸送燃料。更具體地，如果太多的熱傳遞至燃料，燃料會開始焦化，從而毀壞或降低燃料的質量。而且，燃料的焦化會引起燃料噴射器中的焦炭沉積，這負面地影響來自噴射器的燃料流動。高熱還會弱化燃料噴嘴的結構強度和加劇燃料噴嘴的腐蝕。
因此，已經試圖降低能從高溫壓縮空氣傳遞至穿過燃料噴射器的燃料的熱量。通常，增加包圍支桿/支架的隔熱罩，其在支架/支桿周圍提供滯留空氣的凹穴以防止或顯著降低熱對流至支架/支桿。
然而，不幸的是，由于技術進步，從而壓縮機下游的環境日漸嚴峻，燃料噴射器暴露于較高環境溫度并且需要承受這種較高的環境溫度，有時超過1600華氏度。而且，在多種系統中(尤其在飛行器中)，燃料在消耗之前更廣泛地用作散熱器或冷卻劑使得這個問題更復雜。這導致在燃料開始供給至燃料噴射器時燃料溫度急劇升高至350華氏度或更高，(即甚至在燃料進入噴射器之前)。過度的溫度也會弱化燃料噴嘴的金屬結構的強度并加速燃料噴嘴的金屬結構的腐蝕。通常，由不銹鋼制成的燃料噴嘴在800華氏度及以上顯著損失強度，由鎳合金制成的燃料噴嘴在1200華氏度及以上時也如此。
由于溫度和熱能源的這些增大，標準的隔熱罩/滯留空氣裝置變得不能有效地防止對燃料的有害影響。
本發明涉及對于燃料噴射器的現有技術狀態的改進。
發明內容
本發明的實施例提供了改進的燃料噴射器和渦輪發動機。在一個實施例中，提供了一種包括主動冷卻系統的改進燃料噴射器。而且，在一個實施例中，提供了一種包括主動冷卻系統的改進燃料噴射器，該主動冷卻系統通過冷卻通道從渦輪的壓縮機排出區域虹吸空氣，所述冷卻通道冷卻空氣然后使其穿過燃料噴射器。另外，提供了一種包括冷卻系統的改進渦輪發動機，該冷卻系統包括在壓縮機排出區域內具有入口和在燃燒器內具有出口以及部分與燃料噴射器熱連通的冷卻通道。
在本發明更具體的實施例中，提供了一種用于燃料燃燒發動機中的燃料噴射器。 燃料噴射器包括中心主體和冷卻系統。中心主體限定在燃料入口和燃料出口之間延伸的燃料流動通道。冷卻系統包括在冷卻空氣入口和冷卻空氣出口之間延伸的冷卻空氣通道。至少一部分冷卻空氣通道延伸穿過中心主體并且與中心主體熱連通。
在燃料噴射器的優選實施例中，中心主體包括支架結構以及至少部分地包圍支架結構并在它們之間形成間隙的隔熱罩。間隙形成冷卻空氣通道的一部分。而且，冷卻系統優選地包括夾置在冷卻空氣入口和冷卻空氣出口之間的熱交換器。
在又一實施例中，提供一種改進的渦輪發動機包括發動機殼體、壓縮機、壓縮機排出區域、燃燒器、燃料噴射器和冷卻系統。壓縮機定位于發動機殼體內。壓縮機排出區域在壓縮機下游，壓縮空氣從壓縮機以高壓排出至壓縮機排出區域。燃燒器在發動機殼體內并且定位于壓縮機和壓縮機排出區域下游并且通過燃燒器邊界壁與壓縮機排出區域流體連通。燃燒器邊界壁在壓縮機排出區域和燃燒器之間產生壓差以使得燃燒器與壓縮機排出區域相比處于低壓。燃料噴射器安裝于發動機殼體內。燃料噴射器包括限定燃料流路的支架結構，所述燃料流路具有在燃燒器內的燃料出口。冷卻系統包括穿過支架結構并且與之熱連通的冷卻空氣通道。冷卻空氣通道包括在壓縮機排出區域中的冷卻空氣入口以及在燃燒器中的冷卻空氣出口。夾置在冷卻空氣入口和冷卻空氣出口之間的至少一部分冷卻空氣通道在發動機殼體以外。
本發明的其他方面、目標和優點將從下面結合附圖的詳細描述中變得更加明顯。
結合入說明書并構成其一部分的附圖示出了本發明的數個方面，并且連同描述一起用來解釋本發明的原理。在附圖中 圖1是根據本發明教導的渦輪發動機的簡化剖視圖； 圖2是圖1所示渦輪發動機的壓縮機排出區域和燃燒器的局部放大剖視圖；并且 圖3是圖1所示燃料噴射器的放大示意圖。
雖然本發明將結合某些優選實施例進行描述，但是并非限制于這些實施例。相反， 意圖是要覆蓋包括于本發明由所附權利要求所限定的精神和范圍內的所有替代、變型和等同。
具體實施例方式現在轉向圖1，示出了根據本發明教導的渦輪發動機100的簡化視圖。渦輪發動機 100尤其包括容納于艙室104(即包圍發動機殼體102的護罩)內的發動機殼體102，以及引起渦輪發動機100操作的其他部件。在發動機殼體102內，渦輪發動機100包括壓縮機 105、燃燒器106或燃燒室以及多個燃料噴射器110(也稱為或公知的燃料噴嘴)。
如箭頭112所示的環境空氣進入壓縮機105并且被壓縮使得其離開并進入燃燒器 106上游的壓縮機排出區域114。壓縮機排出區域114內的壓縮空氣是高壓且高溫的。壓縮機排出區域114的壓力在這里將稱為壓力P3。
壓縮機排出區域114的下游是燃燒器106，高溫高壓空氣在所述燃燒器中與經由噴射器110噴入燃燒器106的燃料115相混合并且然后燃燒。
燃燒器106由用作防火罩的燃燒器邊界壁118界定，所述邊界壁還將燃燒器106 限定在發動機殼體102內。燃燒器邊界壁118包括壓縮空氣在進入燃燒器106時穿過的孔洞或孔。燃燒器邊界壁118輕微地抑制從壓縮機排出區域114進入燃燒器106的空氣流動并且在燃燒器106內燃料噴射器110附近產生壓降得到壓力P4。橫跨燃燒器邊界壁118的壓降通常在大約百分之三(3% )至百分之五(5% )。這樣，壓力P3通常比壓力P4大大約百分之三(3%)至百分之五(5%)。通常，P4是幾百PSI以使得壓力P3和壓力P4之間的壓差在大約六(6)至十二(U)PSI。然而，基于燃燒器邊界壁118的設計也能產生其他壓差。
由于燃料噴射器110暴露于離開壓縮機105的高溫壓縮空氣，因此大量的熱能可從空氣傳遞至噴射器110。如果過多的熱能從空氣傳遞至穿過噴射器110的燃料，燃料將開始焦化或者不然的話分解，降低噴射器和渦輪100的性能。
因此，本實施例的燃料噴射器110合并有主動冷卻以幫助維持穿過燃料噴射器 110的燃料的燃料溫度低于預先確定的可接受水平，這大致是防止燃料焦化或其他惡化的水平。
參照圖3的簡化剖視圖，燃料噴射器110大致包括以支桿120的形式示出的支架結構、隔熱罩122、燃料霧化器124、主動冷卻系統126以及燃料管裝置128。
支桿120用作用于燃料噴射器110的支架并且包括燃料穿過其中流動至霧化器 124的中心孔130。更具體地，燃料管裝置1 安裝于孔130內。燃料管裝置1 示出為單管，然而，在可選實施例中，燃料管128能根據期望穿過噴射器的燃料流動類型由多個同心或不同心的管提供。燃料管裝置1 可操作地結合至燃料供應源132。
支桿120還包括燃料供應132連接于此的安裝頭部134。安裝頭部134用作燃料噴射器110的入口，而燃料霧化器IM是燃料噴射器110的出口。安裝頭部134還包括用來將燃料噴射器110安裝至發動機殼體102的徑向延伸的安裝法蘭136。在所示實施例中， 多個螺栓138穿過發動機殼體102和安裝法蘭136以將燃料噴射器110緊固至發動機殼體 102。然而，其他支架結構可用于本發明的實踐實施例中。并且支桿能由多個不同部件的組合形成。
隔熱罩122提供了阻止熱從高溫高壓的壓縮機空氣傳遞至穿過燃料噴射器110的燃料115的第一熱障。隔熱罩122包括安裝法蘭140，其與支桿120的安裝法蘭136對齊并且被夾在發動機殼體102和安裝法蘭136之間以將隔熱罩122緊固就位。
霧化器IM在燃料噴射器110的對置下游或出口端142處。燃料霧化器124以簡化形式示出，并且能被排除于本發明的實施例以外或由用于促進燃料115與燃燒器106內的空氣混合的可選結構替代。燃料霧化器1 用來促進從噴射器110噴射的燃料115與先前壓縮好的空氣相混合以提高渦輪的性能并且促進燃料115的改進燃燒。燃料噴射器110 出口端142借助于霧化器IM與燃燒器106流體連通并且延伸穿過燃燒器邊界壁118。
現在已經確認了渦輪100和噴射器110的大致環境，將更完全地描述主動冷卻系統U6。
主動冷卻系統1 大致用來降低從離開壓縮機105的高溫高壓空氣傳遞至燃料的熱能的量。更具體地，與其中僅是在隔熱罩122和支桿120之間形成滯留空氣間隙的標準裝置相比，主動冷卻系統用來降低從隔熱罩122傳遞至支桿120的熱能。主動冷卻系統1 用來通過至少部分地由形成于燃料噴射器110的支桿120和隔熱罩122之間的間隙156形成的冷卻空氣通道150虹吸壓縮機排出區域114內的上游空氣。在空氣穿過冷卻空氣通道 150時，空氣被充分地冷卻以將其隔熱能力增大至超過僅提供滯留空氣間隙的情況。
冷卻空氣通道150包括壓縮機排出區域114中的入口 152以及形成于燃料噴射器 110與燃燒器106流體連通的出口端142中的出口 154。這個裝置允許壓縮機排出區域114 中的高壓高溫空氣將由于入口 152和出口 IM之間的壓差而被迫穿過冷卻空氣通道150并且排出至燃燒器106中。更具體地，入口 152和出口巧4之間的壓差是由于壓力P3和P4 之間的百分之三至百分之五的壓差而產生。這種被迫穿過冷卻空氣通道150的空氣在這里將稱為“冷卻空氣”。
冷卻空氣通道150包括夾置于入口 152和出口巧4之間的若干主要部分。更具體地，冷卻空氣通道150包括示出為熱交換器155的熱傳遞部分以及示出為形成于隔熱罩122 和支桿120之間的間隙156的穿過燃料噴射器110的部分。
隨著被迫穿過冷卻空氣通道150的冷卻空氣從入口 152行進至出口 154，冷卻空氣離開發動機殼體102并且然后穿過位于發動機殼體102以外的以空氣至空氣(air-to-air) 熱交換器形式示出的熱交換器155。優選地，熱交換器155定位于渦輪艙室104內并且處于在發動機殼體102以外流動的低溫艙室空氣113內。熱交換器155將熱能從冷卻空氣傳遞至艙室空氣113，這里所使用的艙室空氣也可稱為環境空氣，以降低冷卻空氣的溫度。
接著，冷卻空氣在已經由熱交換器155冷卻之后進入燃料噴射器110。更具體地， 冷卻空氣進入形成于隔熱罩122和支桿120之間的間隙156。這種冷卻空氣因此降低從隔熱罩122傳遞至支桿120的熱量。
在穿過間隙156之后，冷卻空氣被排入燃燒器106并且與燃料115 —起燃燒。
在空氣被抽出并且排回入發動機殼體102時，冷卻空氣通道150的入口 152和出口 1 都定位于燃料噴射器Iio的安裝結構(即安裝法蘭136)的發動機殼體側。這允許入口 152和出口 IM在燃料噴射器110安裝至發動機殼體102時都定位于發動機殼體102 內。安裝法蘭136與發動機殼體102的一部分重疊并且包括背離出口端142的上游表面 157以及面向出口端142的下游表面158。
雖然冷卻空氣通道150的第一部分示出為分別穿過支桿120和隔熱罩122的安裝法蘭136、140，以及燃料噴射器110延伸穿過其中的發動機殼體102中的同一孔洞，但是冷卻空氣通道150的第一部分能徑向地隔開以使得其不穿過這些結構。相反，通道能通過為了冷卻空氣通道150的入口部分而特定形成的孔洞直接進入發動機殼體102。
而且，雖然熱交換器155先前描述為空氣至空氣熱交換器，但是也能合并其他熱交換器。例如，能使用液體形式的冷卻介質穿過熱交換器155并且然后傳遞至另外的位置用來將熱能排放至環境空氣。
本發明的另一個特點在于燃料流動通道160也用來降低燃料115進入燃料噴射器 110之前的溫度。這樣，燃料流動通道160包括熱交換器162以從燃料115移走熱能。
如前面所提到的，燃料115能用作用于渦輪發動機100的其他部件的冷卻劑。因而，熱交換器162能用來在燃料115供應至燃料噴射器110之前移走由燃料115從其他部件吸收的一部分熱能。
這里所引用的所有參考文獻，包括出版物、專利申請以及專利，通過參照參考結合于此，如同每份參考文獻單獨地且具體地指示為通過參考結合于此并且在這里完整地闡述一樣。
詞語“包含”、“具有”和“包括”構造為開放式的詞語(即意味著“包括但不限于”)， 除非另有聲明。這里引用的數值范圍僅是用作分別涉及落入該范圍內的每個單獨數值的縮寫方法，除非文中另有說明，并且每個單獨數值如同在這里單獨引用一樣合并入說明書。這里所述的所有方法能以任何適當的順序執行，除非文中另有說明或者內容明顯矛盾。這里提供的任何和所有示例或者示例性語言(舉例來說，“比如”)僅是為了更好地示出本發明并且不是對本發明的范圍進行限制，除非另有聲明。說明書中的語言不應當視為是將任何未在權利要求中聲明的元素指示為實踐本發明所必須的。
這里描述了本發明的優選實施例，包括發明人已知的用于實施本發明的最佳模式。在閱讀前述描述的基礎上，這些優選實施例的變化對于本領域普通技術人員而言變得很明顯。發明人預期熟練技術人員可根據需要采用這些變化，并且發明人認為本發明能以除了這里具體描述之外的方式實踐。因此，本發明包括所附權利要求中所述的主題在適用法律許可下的所有變型和等同。而且，所有可能變化中的上述元素的任何組合由本發明涵蓋，除非文中另有說明或者內容明顯矛盾。
權利要求
1.一種用于燃料燃燒發動機中的燃料噴射器，該燃料噴射器包括 中心主體，其限定在燃料入口和燃料出口之間延伸的燃料流動通道；冷卻系統，其包括在冷卻空氣入口和冷卻空氣出口之間延伸的冷卻空氣通道；至少一部分冷卻空氣通道延伸穿過中心主體并且與中心主體熱連通。
2.如權利要求1的燃料噴射器，其中，中心主體包括支架結構，支架結構由隔熱罩包圍并在它們之間形成間隙，所述間隙形成冷卻空氣通道的一部分。
3.如權利要求1的燃料噴射器，還包括用來將燃料噴射器安裝至發動機殼體的安裝結構，冷卻空氣入口和冷卻空氣出口相對于安裝結構定位為使得當燃料噴射器安裝至發動機殼體時冷卻空氣入口和冷卻空氣出口都定位于發動機殼體內。
4.如權利要求1的燃料噴射器，其中，冷卻系統包括熱交換器，其形成夾置在冷卻空氣入口和冷卻空氣出口之間的一部分冷卻空氣通道。
5.如權利要求4的燃料噴射器，其中，中心主體包括用來將燃料噴射器安裝至發動機殼體的安裝結構，熱交換器相對于安裝結構定位為使得當燃料噴射器安裝至發動機殼體時熱交換器定位于發動機殼體以外。
6.如權利要求1的燃料噴射器，其中，燃料出口和冷卻空氣出口定位為彼此鄰近。
7.如權利要求6的燃料噴射器，還包括霧化器，冷卻空氣出口和燃料出口由霧化器形成。
8.如權利要求7的燃料噴射器，其中，中心主體包括用來將燃料噴射器安裝至發動機殼體的安裝結構，安裝結構在燃料噴射器的上游端附近，而霧化器在燃料噴射器的下游端附近。
9.如權利要求5的燃料噴射器，其中，冷卻空氣入口和冷卻空氣出口相對于安裝結構定位為使得當燃料噴射器安裝至發動機殼體時冷卻空氣入口和冷卻空氣出口都定位于發動機殼體內。
10.如權利要求9的燃料噴射器，其中，冷卻空氣入口和熱交換器之間的一部分冷卻空氣通道穿過所述安裝結構。
11.如權利要求3的燃料噴射器，其中，所述安裝結構是徑向向外延伸的法蘭，其包括面向燃料噴射器上游端的第一表面以及面向燃料噴射器下游端的第二表面，第二表面面向冷卻空氣入口和冷卻空氣出口。
12.一種渦輪發動機，其包括 發動機殼體；發動機殼體內的壓縮機；壓縮機下游的壓縮機排出區域，在所述壓縮機排出區域中壓縮空氣從壓縮機以高壓排出；在發動機殼體內并且定位于壓縮機和壓縮機排出區域下游的燃燒器，燃燒器通過燃燒器邊界壁與壓縮機排出區域流體連通，燃燒器邊界壁在壓縮機排出區域和燃燒器之間產生壓差以使得燃燒器與壓縮機排出區域相比處于低壓；安裝于發動機殼體內的燃料噴射器，所述燃料噴射器包括限定燃料流路的支架結構， 所述燃料流路具有在燃燒器內的燃料出口 ；以及冷卻系統，其包括穿過支架結構并且與之熱連通的冷卻空氣通道，冷卻空氣通道包括在壓縮機排出區域中的冷卻空氣入口以及在燃燒器中的冷卻空氣出口，夾置在冷卻空氣入口和冷卻空氣出口之間的至少一部分冷卻空氣通道在發動機殼體以外。
13.如權利要求12的渦輪發動機，其中，熱交換器與發動機殼體外的環境空氣熱連通用來將熱能從由壓縮機排出空氣進入冷卻空氣入口且離開冷卻空氣出口進入燃燒器的空氣傳遞至環境空氣。
14.如權利要求13的渦輪發動機，其中，燃料噴射器還包括隔熱罩，隔熱罩至少部分地包圍支架結構并在其間形成間隙，所述間隙形成冷卻空氣通道的一部分。
15.如權利要求12的渦輪發動機，其中，發動機殼體包括支架結構延伸穿過其中的孔洞，燃料噴射器還包括用來將燃料噴射器緊固于所述孔洞內和緊固至發動機殼體的安裝結構，冷卻空氣入口和在發動機殼體外的那部分之間的一部分冷卻空氣通道穿過用來將燃料噴射器緊固至發動機殼體的安裝結構。
16.如權利要求15的渦輪發動機，其中，安裝結構是徑向向外延伸的安裝法蘭，所述安裝法蘭從與發動機殼體的一部分外表面重疊的支架結構向外延伸。
17.如權利要求12的渦輪發動機，還包括可操作地結合至燃料噴射器的燃料供應路徑，燃料供應路徑包括用來將熱能從穿過燃料供應路徑的燃料傳遞至環境的熱交換器。
全文摘要
提供了一種燃料噴射器和具有該燃料噴射器的渦輪發動機。該燃料噴射器包括使流過燃料噴射器的燃料與渦輪發動機內的熱能隔絕的主動冷卻系統。該冷卻系統包括具有入口和出口的冷卻空氣通道。入口和出口與渦輪發動機的發動機殼體內部流體連通。入口處于比出口較高的氣壓下以使得通過冷卻空氣通道虹吸空氣。冷卻空氣通道的一部分包括用于從冷卻空氣吸收熱能的熱交換器。冷卻空氣在已經穿過熱交換器之后穿過燃料噴射器。熱交換器定位于發動機殼體外部并且與環境熱連通。
文檔編號F02M53/04GK102187081SQ200980141560
公開日2011年9月14日 申請日期2009年8月27日 優先權日2008年9月19日
發明者P·G·希克斯, F·P·李 申請人:伍德沃德公司