CN101676632B - 用于合成气燃料喷嘴的可重复使用的焊接接头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于合成气燃料喷嘴的可重复使用的焊接接头。一种系统，一个实施例，包括构造成以便关于涡轮机燃烧器(16)来密封涡轮机燃料喷嘴(12)的环形密封件(42)，其中，该环形密封件(42)包括具有内环面、第一基部部分以及与第一基部部分相对的第一外围部分的第一环形密封部分(46)。该实施例还包括构造成以便联接到具有外环面、第二基部部分以及与第二基部部分相对的第二外围部分的第二环形密封部分(48)上的第一环形密封部分(46)。此外，该实施例包括能够由焊缝(49)来密封的第一和第二外围部分。

Description

用于合成气燃料喷嘴的可重复使用的焊接接头
技术领域
本公开大体涉及用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴的系统和布置，且更具体地，涉及用于将燃料喷嘴附连到涡轮发动机的端盖上的系统。
背景技术
燃气涡轮发动机通过产生流过涡轮机的加压气体来使涡轮转动。加压气体通过燃烧燃料-诸如丙烷、天然气、煤油或喷气燃料来产生，该燃料在由一组燃料喷嘴喷射到燃烧器或燃烧室中之后被燃烧。燃料喷嘴和燃烧器之间的连接在磨损和破裂之后可能经历泄露。因此，该连接有时候可能会经历修复。另外，可移除燃料喷嘴以便修复、维护或替换。不幸的是，已有的连接特别地不能够重复使用。例如，如果从燃烧器上移除了燃料喷嘴，则该移除可能会破坏燃料喷嘴、燃烧器或两者的一部分。结果，将燃料喷嘴重新连接到燃烧器上尤其有问题。
发明内容
一种系统，一个实施例，包括构造成以便关于涡轮机燃烧器来密封涡轮机燃料喷嘴的环形密封件，其中，该环形密封件包括具有内环面、第一基部部分以及与第一基部部分相对的第一外围部分的第一环形密封部分。该实施例还包括构造成以便联接到具有外环面、第二基部部分以及与第二基部部分相对的第二外围部分的第二环形密封部分上的该第一环形密封部分。此外，该实施例包括能够由焊缝来密封的该第一和第二外围部分。
附图说明
在参看附图阅读了以下详细描述之后，本公开的这些和其它特征、方面和优点将得到更好地理解，其中，在全部附图中相似的符号代表相似的部件，其中：
图1是具有利用根据本技术的一个实施例的可重复使用的焊接接头而联接到燃烧器上的燃料喷嘴的涡轮机系统的简图；
图2是根据本技术的一个实施例的如图1中所示的涡轮机系统的侧剖视图；
图3是如图1中所示的燃烧器的侧剖视图，其中多个燃料喷嘴利用根据本技术的一个实施例的可重复使用的焊接接头而联接到端盖上；
图4是根据本技术的某些实施例的如图3中所示的燃烧器的端盖和燃料喷嘴的透视图；
图5是如图4中所示的带有燃料喷嘴的端盖的一部分的侧剖视图，其具有根据本技术的一个实施例的可重复使用的焊接接头；
图6是根据本技术的一个实施例的、如图5所示的可重复使用的焊接接头的详细侧剖视图；
图7是根据本技术的另一个实施例的可重复使用的焊接接头的详细侧剖视图；且
图8是根据本技术的另一个实施例的可重复使用的焊接接头的详细侧剖视图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个具体的实施例。为了试图提供对这些实施例的简要描述，可能并不在本说明书中描述实际的实施的所有特征。将了解的是，在开展任何这样的实际的实施时，比如在任何工程或者设计项目中，必须做出许多对实施而言特定的决定来实现开发者的特定目标-诸如符合系统相关的和商业相关的约束，该特定目标可能在一种实施与另一种实施之间有所不同。此外，将了解的是，这样的开展工作可能是复杂且耗时的，但是对于从本公开获益的本领域普通技术人员而言，其将仍然是设计、加工和制造的惯常工作。
在介绍本发明各实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”意图表示存在一个或者多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的且表示除了所列举的元件之外可能存在另外的元件。操作参数和/或环境条件的任何实例并不排除所公开的实施例的其它参数/条件。
如以下详细讨论的，可采用燃料喷嘴和燃烧器密封系统的各实施例来提高涡轮发动机的可靠性。特别地，一个实施例包括第一和第二环形密封部分，第一和第二环形密封部分可在外围位置处焊接，以有助于在不破坏由密封部分联接的构件的情况下断开和重新连接。例如，密封部分可在焊缝和被密封在一起的构件之间包括过量材料和/或偏移，从而使得可以容易地切割焊缝以用于进行多次反复的简单的重新焊接。环形密封部分可以是环，其中，第一环形密封部分联接到燃烧器端盖或基部上，或者是燃烧器端盖或基部的一部分。第二环形密封部分可联接燃料喷嘴的外壁上，或者是燃料喷嘴的外壁的一部分。第一和第二环形密封部分的外围部分可相对于燃烧器端盖表面位于大体横向方向(例如偏移)上。例如，当移除喷嘴时，环形密封部分的外围部分处的焊缝被破坏。当焊缝被破坏时，来自两个环形部分的材料被移除。环形部分的设计使得能够简单地替换燃料喷嘴及在第一和第二环形部分的外围部分处简单地重新焊接。如以下所讨论的，环形部分的一个实施例设计成使得能够在已从各个环形部分上移除材料之后重新焊接。环形密封件的设计还提供了能够承受由燃料喷嘴和燃烧器中的热膨胀引起的应力的接头的布置。如将在以下进一步讨论的，所公开的实施例使得燃料喷嘴和燃烧器端盖之间的焊接连接能够有改进的可靠性。备选地，端盖和燃料喷嘴可通过钎焊或其它适当的联接机构结合起来。接头的联接机构必须被密封，以便防止氢基气体泄露。
现在转到附图且首先参看图1，其示意了涡轮机系统10的一个实施例的简图。如以下详细讨论的，所公开的实施例在涡轮机系统10中的各构件之间采用了独特地可重复使用的焊接接头。因此，可以切断焊接接头并对其重新焊接而不用从结合的构件上大量地移除材料。涡轮机系统10可使用液体或气体燃料-诸如天然气和/或富氢合成气-来运行涡轮机系统10。正如所描绘的，燃料喷嘴12摄入燃料供应14，使燃料与空气混合，且将空气燃料混合物分布到燃烧器16中。空气燃料混合物在燃烧器16内的腔室中燃烧，从而产生热的加压排气。燃烧器16引导该排气通过涡轮机18而朝向排气出口20。在排气穿过涡轮机18时，气体迫使涡轮机叶片使沿着系统10的轴线的轴21进行旋转。正如所示意的，轴21连接到涡轮机系统10的各构件上，包括压缩机22。压缩机22也包括联接到轴21上的叶片。因此，压缩机22内的叶片随着轴21的旋转而旋转，从而通过压缩机22压缩来自进气口24的空气，使其进入燃料喷嘴12和/或燃烧器16。轴21还连接到负载26上，负载26可以是车辆或者固定负载，诸如电厂中的发电机或者飞行器上的推动器。负载26可以是由涡轮机系统10的旋转输出提供动力的任何合适的装置。
如以下进一步讨论的，对燃料喷嘴12和燃烧器16之间的接头的改进提供了可重复使用的连接，以有助于简单地进行替换、修复等。所公开的实施例减小了在燃料喷嘴12和燃烧器16之间的连接中发生燃料泄露的机会，同时使得能够简单地移除和重新连接燃料喷嘴12而不会损坏燃料喷嘴12和燃烧器16。换句话说，可以按照使得能够多次反复地重新使用接头的方式来切断连接。连接的切断不会移除所结合的构件的主要的结构部分，而是其移除了不会降低构件的结构整体性的次要部分。
图2是涡轮机系统10的一个实施例的侧剖视图。涡轮机系统10包括位于一个或多个燃烧器16内的一个或多个燃料喷嘴12，其中，根据所公开的实施例的独特的方面，各个燃料喷嘴12通过可重复使用的焊接接头而密封就位。在一个实施例中，六个或更多个燃料喷嘴12可以环形或其它布置附连到各个燃烧器16的基部上。此外，该系统10可包括呈环形布置的多个(例如4，6，8，12个)燃烧器16。空气通过进气口24进入系统10，并且可以在压缩机22中被加压。然后经压缩的空气可与燃气混合，以用于在燃烧器16内燃烧。例如，燃料喷嘴12可以合适的比率将燃料空气混合物喷射到燃烧器中，以用于最优化的燃烧、排放、燃料消耗和功率输出。燃烧产生热的加压排气，该加压排气则驱动涡轮机18内的叶片27，以使轴21旋转，且因此驱动压缩机22和负载26。叶片17的旋转致使轴21旋转，从而致使压缩机22内的叶片19吸入空气并对空气加压。正如所了解的，系统中的若干构件组-包括燃料喷嘴12和燃烧器16组-可通过所公开的实施例的独特的可重复使用的焊接接头而联接在一起。
在图3中示意了如图2所示的燃烧器16的一个实施例的详细视图。在图中，多个燃料喷嘴12通过所公开的实施例的独特的可重复使用的焊接接头而在燃烧器16的基部附近附连到端盖30上。在一个实施例中，六个燃料喷嘴12附连到端盖30上。经压缩的空气和燃料被引导通过端盖30而到达各个燃料喷嘴12，燃料喷嘴12将空气燃料混合物分布到燃烧器16中。燃烧器16包括大体由壳体32、衬套34以及流动套管36限定的腔室。在某些实施例中，流动套管36和衬套34彼此同轴以限定中空的环形空间，该空间可使用于冷却的空气能够通过，且使得能够进入燃烧区域(例如通过衬套34中的孔口)中。壳体32、衬套34以及流动套管36的设计提供了空气燃料混合物通过转接件38(例如会聚区段)而朝向涡轮机18的最优流动。例如，燃料喷嘴12可通过衬套34和流动套管36将加压的空气燃料混合物分布到燃烧器16中，其中混合物发生燃烧。所产生的排气气体流动通过转接件38而流到涡轮机18，从而使得涡轮机18的叶片与轴21一起旋转。当加压气体燃料和/或空气流动通过燃料喷嘴12时，燃料喷嘴12和端盖30之间的连接可能经历应力。特别地，加压空气可处在650-900°F附近的温度下，其导致端盖30热膨胀。燃料可处在70-500°F附近，从而导致喷嘴12热膨胀，该热膨胀相对于端盖30的热膨胀量较小。喷嘴12和端盖30可由类似的或者不同的材料制成，诸如不锈钢，合金或其它合适的材料。由于材料、温度、几何形状和/或热膨胀特性之间的差异，喷嘴12和端盖30之间的接头可能经受相当大的应力。如以下详细讨论的，喷嘴12和端盖30之间的接头的一个实施例在接头热膨胀期间提供了牢靠的密封和应力释放。燃料喷嘴12和端盖30之间的密封的接头大体防止了富氢燃料泄露到燃烧器16中，从而消除了不希望的火焰分配或自燃。
图4是端盖30的一个实施例的详细透视图，其中多个燃料喷嘴12通过独特的可重复使用的接头42而附连在表面40处。在该图示中，六个燃料喷嘴12通过可重复使用的接头42以环形布置附连到端盖底面40上。然而，任何适当数量的和布置的燃料喷嘴12都可通过独特的可重复使用的接头-例如焊接接头或环形密封接头42而附连到端盖底面40上。在一实施例中，环形密封接头42可包括附连到端盖底面40上的第一环形部分和附连到喷嘴外表面44上的第二环形部分。环形密封接头42呈这样一种布置：该布置使得燃料喷嘴12和端盖底面40之间的密封焊缝能够在外围方向43上、远离端盖底面40有一定偏移而定位。例如，焊缝，诸如电子束焊缝，可沿着轴线45、远离且大体周向于端盖底面40在外围方向43上以一定的偏移结合环形密封接头42的两个环形部分。例如，可破坏位于外围方向43中的焊缝，以便移除燃料喷嘴12来进行修复或替换。由于磨损和破裂，诸如在喷嘴外表面44上形成裂缝，喷嘴12可能需要修复。在这样的情况下，可能需要通过破坏密封接头42来移除喷嘴12。在替换或修复后，燃料喷嘴12可沿着环形密封接头42而布置且被重新焊接，从而提供了用于燃料喷嘴12的在结构方面强健的密封接头。此外，在某些情况下，利用所示意的环形密封接头42构造，可移除和替换燃料喷嘴12达1，2，3，4，5或更多次。换句话说，密封接头42的设计使得材料能够被移除多次以便多次反复地移除和重新附连燃料喷嘴12，同时仍然使得能够在替换时有用来重新附连喷嘴12的牢靠的焊缝，而不破坏底面40和/或燃料喷嘴12的结构整体性。在某些实施例中，端盖30的生命周期大约与燃料喷嘴12直到替换的生命周期的倍数(例如5倍)相同。换句话说，本设计容许有在结构上结实的、将与端盖30的典型的生命周期相匹配的焊接密封接头42。
图5是燃料喷嘴12的一个实施例的侧剖视图的示意。在所示意的实施例中，环形密封接头42包括外部环形密封部分46和内部环形密封部分48。密封部分46具有呈L形形状的截面。密封部分46可通过焊缝而附连到端盖底面40上，或者可以通过铸造，机加工或其它合适的工艺而是端盖底面40的一体部分。密封部分46沿着轴线45在轴向方向43上自表面40向外突出。密封部分48也在径向方向上自燃料喷嘴12的表面44向外突出，从而限定了具有比表面44更大的直径的环形凸缘。因此，密封部分46和48在在交叉方向上远离表面40和44而朝向彼此突出。该布置使得接头42能够重新使用。接头42在外围方向上径向于表面44的位置容许切断接头而不会损害或者影响喷嘴12的性能。在所示的实施例中，密封部分48具有呈矩形或实心截面形式的截面，其是自喷嘴外表面44起的径向突出部。在某些实施例中，密封部分48可为喷嘴12(例如表面44)的一体的部分或者密封部分48可以是可通过焊接、钎焊或其它合适的附连工艺而附连到喷嘴外表面44上的环或其它构件。在一个实施例中，喷嘴12、环形密封部分46和48以及端盖30可由不锈钢合金构成。
正如所描绘的，外部环形密封部分46和内部环形密封部分48之间的焊缝49可在燃料喷嘴12和端盖底面40之间提供结构增强和密封。针对所涉及的温度和条件，焊缝49可以是任何合适的类型。例如，电子束焊缝49可承受极高的温度，并且在喷嘴12和端盖30构件之间提供密封。如以上所述，加压空气和燃料可在下游方向43上朝向燃烧区域而流动通过燃料喷嘴12。焊缝49将燃料喷嘴12固定到端盖底面40上，从而防止燃烧器16内的燃料泄露。部分46和48的突出的几何形状将焊缝49定位成距离两个表面40和44有一定偏移，从而如以下进一步所述使得能够多次反复地进行简单的切断和重新焊接。
在某些实施例中，可在燃料喷嘴12和基部30之间单独地使用焊缝49或者可结合一个或多个其它紧固机构使用焊缝49。在所示的实施例中，可使用螺纹51将燃料喷嘴12固定到端盖基部30中。螺纹51固定喷嘴12而防止其在方向43上向下游运动。在备选实施例中，焊缝49可能是燃料喷嘴12和端盖30之间的唯一的联接或附连。例如，在没有喷嘴12和端盖30的螺纹51的情况下，焊缝49可通过沿着轴线45固定喷嘴12来提供结构支承，从而防止方向43上的力移开喷嘴12。此外，在去除或未去除螺纹51的情况下，在喷嘴12安装到端盖30上时，密封接头42和喷嘴底面40都提供了用来沿着轴线45正确地定位喷嘴12的结构，从而在构件之间提供密封。
图6是环形密封接头42的一个实施例的详细侧剖视图。如图所示，内部环形密封部分48包括可通过焊缝49结合到外部环形密封部分46上的矩形截面。外部环形密封部分46的截面可描述成L形的。在所示的实施例中，可从外部环形密封部分46和内部环形密封部分48上移除材料，以使得能够通过机加工或其它切割技术从端盖30上移除燃料喷嘴12。线50示意了从外部环形密封部分46和内部环形密封部分48上多次反复移除材料以破坏多次反复的焊缝49，以便移除燃料喷嘴12。例如，可以通过在环形密封部分46和48其中各个上从线52右边移除材料来破坏焊缝49。在已将燃料喷嘴12替换到端盖底面40上之后，新的焊缝可沿着线52位于外部环形密封部分46和内部环形密封部分48之间，从而提供结构支承和密封，以防止燃料泄露到燃烧器16中。
在一个实施例中，外部环形密封部分46可包含朝向内部环形密封部分48略微突出的唇缘部分，其由标号53描绘。唇缘部分53提供了用来将焊缝49定位在两个环形部分46和48之间的结构。正如所示意的，环形密封部分46和48的材料可被移除若干次，如由线52左侧的两条另外的线50所示的。这些线50中的各条示意了反复移除材料以便破坏焊缝49并且还用新的焊缝49重新密封的位置。环形部分46和48可大小设置成用于任何期望次数的焊缝破坏和重新焊接。所示的实施例显示了仅三条线，但是其可大小设置成用于更多数量的焊缝破坏和重新焊接。例如，接头42可将密封部分46和48大小设置成以便在环形密封接头42不再可以重复使用之前进行五次或更多次喷嘴修复。如以上所述，可将五次或更多次喷嘴修复的持续时间选择为跨越端盖30的预期寿命，使环形密封接头42的构件匹配周围的燃烧器16构件的寿命预期。箭头43指向外围方向和轴向方向，其是相对于端盖30的方向，焊缝49可在此定位于环形密封接头42中。
图7是环形密封接头42的备选实施例的详细剖切侧视图。环形密封接头42包括带有L形截面的环形密封部分46，以及带有U形截面的环形密封部分54。在所示的构造中，环形密封部分46和54通过焊缝49而结合。正如所了解的，内部环形密封部分54可以是从喷嘴外表面44起的一体的径向突出部，或者可以是通过焊接、钎焊或其它合适的紧固件联接到喷嘴外表面44上的单独的环构件。此外，外部环形密封部分46可以是从端盖底面40起的一体的轴向突出部，或者可以通过焊接、钎焊或其它合适的紧固件而联接到底面40上。如以上所述，可通过机加工工艺从环形密封部分46和54上移除材料以破坏焊缝49，从而使得能够从端盖30上移除燃料喷嘴12。线50示意了可能随着燃料喷嘴12关于端盖30的多次反复地移除和重新附连而从环形密封部分46和54上移除的材料部分。箭头43指出外围方向和轴向方向，其是相对于端盖30的方向，焊缝49可位于此处。在一个实施例，环形密封部分46和54可包括一对更薄的环形壁，这就使得更容易移除材料以分离喷嘴12。
图8是类似于图9的接头42的环形密封接头42的另一个实施例的详细侧剖视图。然而，在所示的实施例中，接头包括带有相向的唇缘部分60的外部和内部环形密封部分56和58。类似于图7的实施例，密封部分56和58分别具有L形和U形截面。唇缘部分60可有助于焊缝49在燃料喷嘴12和端盖30之间形成。如由线62所示，可移除来自环形密封部分56和58的材料来破坏焊缝49，从而使得能够移除燃料喷嘴12。在如线62所示移除材料之后，可替换燃料喷嘴12，且可以重新焊接环形密封部分56和58，其中由所移除的材料腾出的空间可由焊接材料填充。箭头43指向外围方向和轴向方向，其是相对于端盖30的方向，焊缝49可位于此处。正如所描绘的，焊缝49在平行于轴线45的方向上被切断，而图6和7的实施例使得能够有垂直于轴线45的焊缝。
正如所了解的，环形密封接头42内的环形密封部分的构造可为各种形状，诸如矩形或梯形，其设计成容许焊缝49被破坏和重新结合，以使得能够修复和替换燃料喷嘴12。此外，环形密封接头42内的环形密封部分的设计将使得能够在构件之间进行重新焊接，该重新焊接在燃料喷嘴12和端盖30之间提供结构释放和防泄露密封。接头42为被密封的两个构件增加材料，从而使得结合的构件的材料不受反复移除的影响。接头42大体在喷嘴12和端盖30的外围位置处定位焊缝49。外围位置自表面40沿轴向偏移，且自表面44沿径向偏移。然而，在其它实施例中，偏移可以在相同的方向上，例如都是沿轴向或都是沿径向。
虽然本文中仅仅示意和描述了本公开的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。然而，将理解的是，所附的权利要求书意图覆盖落在本公开的实际精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
涡轮机燃烧器(16)；
燃料喷嘴(12)；和
环形密封件(42)，其包括：
自所述涡轮机燃烧器(16)的基部(40)突出的第一环形密封部分(46)，其中，所述第一环形密封部分(46)的内周边具有垂直于所述基部(40)的第一圆柱面；
自所述燃料喷嘴(12)的外部突出的第二环形密封部分(48)，其中，所述第二环形密封部分(48)的外周边具有第二圆柱面，所述第二圆柱面在从离开所述基部至相应的第一和第二环形密封部分的外围部分的共同方向上沿第一圆柱面延伸一定距离；以及
所述第一和第二环形密封部分(46，48)之间的焊缝(49)，其中，所述焊缝(49)位于所述第一和第二环形密封部分(46，48)的外围部分处，远离所述基部(40)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一环形密封部分(46)包括L-形截面，且所述第二环形密封部分(48)包括U形截面。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一环形密封部分(46)包括L形截面，且所述第二环形密封部分(48)包括矩形截面。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二环形密封部分(46，48)包括在所述外围部分处朝向彼此延伸的相对的唇缘(60)，且所述焊缝(49)将所述相对的唇缘(60)固定到彼此上。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个燃料喷嘴(12)，包括联接到所述涡轮机燃烧器(16)的所述基部(40)上的所述燃料喷嘴(12)，其中，所述燃料喷嘴(12)中的每一个相应包括所述第一或第二环形密封部分(46，48)中的一个。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二环形密封部分(46，48)构造成以便使得能够多次反复地移除材料，以使得能够进行多次焊缝(49)切断和重新焊接而不从所述燃料喷嘴(12)和涡轮机燃烧器(16)上移除材料。
7.一种系统，包括：
构造成以便将涡轮机燃料喷嘴(12)密封到涡轮机燃烧器(16)的环形密封件(42)，其中，所述环形密封件(42)包括：
具有内环面、第一基部部分以及与所述第一基部部分相对的第一外围部分的第一环形密封部分(46)；
其中，所述第一环形密封部分(46)构造成以便联接到具有外环面、第二基部部分以及与所述第二基部部分相对的第二外围部分的第二环形密封部分(48)上；且所述第一基部构造成可以连接到所述涡轮机燃烧器，所述第二基部构造成可以连接到所述燃料喷嘴；
其中，所述内环面和外环面沿着彼此在至第一和第二外围部分的共同方向延伸一定距离；
其中，所述第一和第二外围部分可通过焊缝(49)来密封。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一和第二环形密封部分(46，48)构造成以便使得能够多次反复地移除材料，以使得能够进行多次焊缝(49)切断和重新焊接而不从所述燃料喷嘴(12)和涡轮机燃烧器(16)上移除材料。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一环形密封部分(46)包括L形截面。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一环形密封部分(46)包括L形截面，且所述第二环形密封部分(48)包括U形截面。
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