CN101737803B - 一种燃气涡轮发动机及其燃料喷嘴组件 - Google Patents

一种燃气涡轮发动机及其燃料喷嘴组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴组件及其组装方法。提供了一种燃料喷嘴(400)，其构造成以便朝向限定于燃气涡轮发动机(100)内的燃烧腔室(128)引导流体。该燃料喷嘴包括由具有第一热膨胀系数的第一材料制成的第一空心管(420)和由具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料制成的第二管(410)，其中，第二管联接于第一管内，使得第一管基本围绕第二管，其中，在燃料喷嘴运行期间，第二管大约以与第一管相同的速率进行热膨胀。

Description

一种燃气涡轮发动机及其燃料喷嘴组件
技术领域
本发明大体而言涉及燃气涡轮发动机，且更特定而言，涉及用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃料喷嘴组件。 
背景技术
与燃气涡轮发动机一起使用的至少一些已知燃料喷嘴组件包括限定内部通路的管状部件。可流动通过该内部通路的多种流体可使得各个管状部件在不同温度下运行。不同温度可造成各种管状部件的相异的热生长，这可能会诱导热应变。为了缓解这样的热应变，至少一些已知的燃料喷嘴组件包括有助于补偿相异的热生长的波纹管组件。但是，波纹管组件通常会提高制造、操纵和保养燃气涡轮发动机的成本和复杂性。 
发明内容
在一实施例中，提供了一种组装用于与燃料涡轮发动机一起使用的燃料喷嘴的方法。该方法包括以下步骤：提供由具有第一热膨胀系数的第一材料制成的第一空心管；提供由具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二材料制成的第二空心管；以及将第二管联接在第一管内，使得第一管和第二管定向成朝向燃烧腔室引导流体。第一管基本上围绕第二管，且在燃料喷嘴运行期间，第二管大约以与第一管相同的速率进行热膨胀。 
在另一实施例中，提供了一种构造成以便朝向限定于燃气涡轮发动机内的燃烧腔室引导流体的燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括由具有第一热膨胀系数的第一材料制成的第一空心管和由具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料制成的第二管。第二管联接在第 一管内，使得第一管基本上围绕第二管，且在燃料喷嘴运行期间，第二管大约以与第一管相同的速率进行热膨胀。 
在又一实施例中，提供一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括燃烧腔室和构造成以便朝向该燃烧腔室引导流体的燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括第一管和第二管，第二管联接于第一管内，使得第一管基本上围绕第二管。第一管由具有第一热膨胀系数的第一材料制成，且第二管由具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料制成，使得在燃料喷嘴运行期间，第二管大约以与第一管相同的速率进行热膨胀。 
图1是示范性燃气涡轮发动机的示意图； 
图2是可与图1所示的燃气涡轮发动机一起使用的示范性燃烧器的截面示意图； 
图3是已知的燃料喷嘴组件的截面示意图；以及 
图4是可与图2所示的燃烧器一起使用的燃料喷嘴组件的截面示意图。 
部件列表： 
 
  100   燃气涡轮发动机
  102   压缩机
  104   燃烧器
  106   燃料喷嘴组件
  108   涡轮
  110   轴杆
  112   扩散器
  114   压缩机排放气室
  120   端盖
  122   燃料喷嘴组件
  124   燃烧器壳体
  126   燃烧器衬套
  128   燃烧腔室
  129   燃烧腔室冷却通路
  130   过渡件
  132   涡轮喷嘴
  134   多个开口
  136   外壁
  138   环形通路
  140   内壁
  142   引导腔
  300   燃料喷嘴组件
  310   内部管状部件
  320   外部管状部件
  330   波纹管组件
  400   燃料喷嘴组件
  410   内部管状部件
  420   外部管状部件
  430   凸缘
  440   内部流动通道
  450   外部流动通道
需要一种带有波纹管组件的简单和廉价替代物的燃料喷嘴组件。本发明有助于减轻轴向和径向热应变，同时限制有助于这种减轻所必需的零件和接头的数量。 
图1是一种示范性燃气涡轮发动机的示意图。燃气涡轮发动机100 包括压缩机102和燃烧器104，燃烧器104包括燃料喷嘴组件106。燃气涡轮发动机100还包括涡轮108和公共的压缩机/涡轮轴杆110。在一实施例中，燃气涡轮发动机100是能够以商业的方式从南卡罗来纳(South Carolina)格林维尔(Greenville)的通用电气公司(GeneralElectric Company)获得的PG9371 9FBA重型燃气涡轮发动机。应当指出的是，本发明并不限于任一种特定发动机，且可结合其它燃气涡轮发动机来使用。 
在运行期间，空气流动通过压缩机102且压缩空气被供应到燃烧器104，且更具体而言，被供应到燃料喷嘴组件106。燃料被引导到限定于燃烧器104内的燃烧区域，其中燃料与压缩空气混合并点燃该混合物。所生成的燃烧气体被引导到涡轮108，其中，气流热能转化成机械旋转能。涡轮108可旋转地联接到轴杆110上，并驱动轴杆110。 
图2是燃烧器104的截面示意图。燃烧器104与压缩机102和涡轮108流体连通地联接。压缩机102包括彼此流体连通地联接的扩散器112和压缩机排放气室114。燃烧器104包括为多个燃料喷嘴组件122提供结构支承的端盖120。端盖120利用保持硬件(在图2中未图示)联接到燃烧器壳体124上。燃烧器衬套126定位成自燃烧器壳体124沿径向向内，使得燃烧器衬套126在燃烧器104内限定了燃烧腔室128。环形燃烧腔室冷却通路129限定于燃烧器壳体124与燃烧器衬套126之间。过渡件130联接至燃烧腔室128，以有助于向下游朝向涡轮喷嘴132引导燃烧腔室128中所生成的燃烧气体。在该示范性实施例中，过渡件130包括限定于外壁136中的多个开口134。过渡件130还包括限定于内壁140与外壁136之间的环形通路138。内壁140限定了引导腔142。在该示范性实施例中，燃料喷嘴组件122经由燃料喷嘴凸缘(未标号)联接到端盖120。 
在运行期间，涡轮108经由轴杆110(在图1中示出)驱动压缩机102。随着压缩机102旋转，压缩空气被排放到扩散器112内，如相关联的箭头所示。在该示范性实施例中，从压缩机102排放出的大部 分空气被引导穿过压缩机排放气室114而朝向燃烧器104，且引导其余压缩空气以用于冷却发动机部件。更具体而言，排放气室114内的加压压缩空气经由外壁开口134而导入过渡件130内并导入环形通路138内。然后将空气从环形通路138引导通过环形燃烧腔室冷却通路129并到达燃料喷嘴组件122。燃料与空气混合，且混合物在燃烧腔室128内点燃。燃烧器壳体124有助于屏蔽燃烧腔室128及其相关联的燃烧过程与外部环境隔离，例如，诸如与周围涡轮部件隔离。所生成的燃烧气体从燃烧腔室128引导通过引导腔142并朝向涡轮喷嘴132。 
图3是已知燃料喷嘴组件300的截面示意图。燃料喷嘴组件300包括限定内部通路的两个同心地对准的管状部件，内部管状部件310和外部管状部件320。在该示范性实施例中，管状部件310和320由相同的材料成分制成。可流动通过内部通路的多种流体可使得管状部件310和320在不同的温度下运行。 
使管状部件310和320以不同的温度运行可造成差热生长，其可最终引起疲劳裂缝或接头故障。通常在管状部件310和320以及它们的附连接头之间引起这样的热应变。为了缓解这样的热应变，燃料喷嘴组件300包括波纹管组件330，其由与管状部件310和320的材料成分不同的材料成分制成。 
在该示范性实施例中，波纹管组件330包括多个部件(未图示)和多个接头(未图示)。与不带有波纹管组件330的燃料喷嘴组件相比，与波纹管组件330相关联的部件和接头的数量提高了制造、操纵和保养燃气涡轮发动机100的成本和复杂性。举例而言，在一实施例中，波纹管组件330包括薄的波纹管管状部件(未图示)，其通过角焊(未图示)而联接到端帽(未图示)上。此外，薄的波纹管管状部件通过钎焊或焊接而联接到管状部件310和320中的至少一个上。在一实施例中，屏蔽罩和转接件(未图示)也通过焊接而联接到波纹管组件330上，以有助于使波纹管组件330与相配合的零件屏蔽开。
此外，波纹管组件330适应燃料喷嘴组件300内的轴向热生长，但仅在附连接头处适应径向热生长。为了适应燃料喷嘴组件300内的径向热生长，需要额外的波纹管组件330。举例而言，在一实施例中，波纹管组件330联接到管状部件310和320其中至少一个的各个轴向端部处。但是，与具有很少或不具有波纹管组件330的燃料喷嘴组件相比，结合额外的波纹管组件330提高了制造、操纵和保养燃气涡轮发动机100的成本和复杂性。此外，当结合额外的波纹管组件330时，包括额外的材料在附连接头处产生了额外的载荷。 
图4是可与燃烧器104(在上文示出)一起使用的示范性燃料喷嘴组件400的截面示意图。如在下文中更详细地描述的，燃料喷嘴组件400可利用简单的低载荷设计来减少或消除对波纹管组件330(在图3中示出)的需要。 
在该示范性实施例中，燃料喷嘴组件400包括两个基本同心地对准的管状部件，内部管状部件410和外部管状部件420，它们具有不同的强度、耐久性和热膨胀系数，如在下文中更详细地描述。应当指出的是，虽然该示范性实施例包括两个管状部件，但将理解的是，管状部件的数量决不意图以任何方式限制本发明。 
在该示范性实施例中，管状部件410与420基本上是圆柱形的且具有基本圆形的截面轮廓。在备选实施例中，管状部件410和/或420中的至少一个具有构造成以便适应额外的热移位的非均匀轮廓。举例而言，在一实施例中，管状部件410和/或420中的至少一个是波纹式圆柱体。管状部件410和420焊接到提供坚固的钎焊接头的端件上，该端件包括燃料喷嘴末端(未标号)和凸缘430。在一实施例中，管状部件410和420以电子束焊接的方式焊接到燃料喷嘴末端和凸缘430上。在该示范性实施例中，管状部件410和420定向成使得可完成单个钎焊操作。凸缘430为燃料喷嘴组件400提供额外的支承和坚固性。在一实施例中，凸缘430由与外部管状部件420的材料成分相同的材料成分制成。在一实施例中，小段材料转接件焊接于管状部件410和420 的轴向端部处，以便在高温下提供坚固性或增强钎焊接头坚固性。 
管状部件410和420限定了用于多种流体(包括液体、气体和其任何混合物)的内部通路。更具体而言，内部管状部件410限定了内部流动通道440，且外部管状部件420限定了外部流动通道450。一般而言，内部流动通道440处于比外部流动通道450更低的温度下。举例而言，在一实施例中，内部管状部件410用于引导燃料，且外部管状部件420用于引导空气。由于内部流动通道440大体上处于低于外部流动通道450的温度，各个管状部件410和420大体上以不同的运行温度运行。因此，用于制造内部管状部件410的材料大体上比用于制造外部管状部件420的材料更冷。 
为了有助于减小由于管状部件410和420的温度差而造成的热应变，外部管状部件420由具有比制造内部管状部件410所用材料的热膨胀系数更低的热膨胀系数的材料制成。制造管状材料410和420所使用的材料至少部分地基于管状部件410和420的运行条件进行选择，运行条件包括什么流体将被引导通过管状部件410和420。具体而言，管状部件410和420的相应热膨胀系数是成比例的，使得管状部件410和420在相应的运行温度下将膨胀基本上类似的轴向距离。在一实施例中，外部管状部件420由400系列不锈钢制成，诸如马氏体不锈钢或铁素体不锈钢，且内部管状部件410由300系列不锈钢制成，诸如奥氏体不锈钢。 
举例而言，在一实施例中，外部管状部件420具有两倍于内部管状部件410的温度升高，但具有内部管状部件410的热膨胀率大约一半的热膨胀率。对于更具体的实例而言，在一实施例中，管状部件410和420的闲置温度为大约70华氏度，内部管状部件410的运行温度为大约360华氏度，且外部管状部件420的运行温度为大约640华氏度。在此实施例中，如果内部管状部件410由具有大约10e-6in/in/F的热膨胀系数的材料制成，则外部管状部件420将由具有大约6.4e-6in/in/F的热膨胀系数的材料制成，以在相应的运行温度下膨胀基本类 似的轴向距离。 
考虑制造管状部件410和420所使用的材料的材料成分及其对照低循环疲劳比的相应的应变范围，将管状部件410和420的壁厚选择成在结构上足够强以容忍可由引导通过其中的流体产生的内部压力和振动载荷。此外，还将管状部件410和420的壁厚选择成有助于必需的热差生长，而不会对附连接头引起额外的载荷。举例而言，在一实施例中，外部管状部件420通常是内部管状部件410的两倍或四倍厚。对于更具体的实例，在一实施例中，内部管状部件410为大约1/16英寸厚，且外部管状部件420为1/8至1/4英寸厚或更厚。 
用于本文所述的燃料喷嘴组件的方法、装置和系统有助于燃气涡轮发动机的运行。更具体而言，本文所述的燃料喷嘴组件有助于减小在燃料喷嘴组件内引起的热应变，同时在保持相关联的燃料喷嘴组件的结构坚固性的同时减小组装所必需的零件和接头。本文所描述或示出的方法、装置或系统的实践通常既不限于燃料喷嘴组件也不限于燃气涡轮发动机。而是，本文所述或所示的方法、装置和系统可单独地且独立于本文所述的其它部件和/步骤来利用。 
此书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，而且还使得本领域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，以及执行任何结合的方法。本发明的可获得专利权的范畴由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质不同的等效结构元件，则这样的其它实例也预期在权利要求书的范畴内。尽管可能在某些附图中示出且在其它附图中未示出本发明的各种实施例的具体特征，但这只是为了方便的目的。根据本发明的原理，附图的任何特征可组合任何其它附图的任何特征来参考和/或要求保护。 
虽然已关于各种具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员将了解，在权利要求书的精神和范畴内，可以进行修改来实践本发明。

Claims (10)

1.一种燃料喷嘴组件(400)，其构造成以便朝向限定于燃气涡轮发动机(100)内的燃料腔室(128)引导流体，所述燃料喷嘴组件包括：
由具有第一热膨胀系数的第一材料制成的第一空心管(420)，所述第一空心管包括第一流动通道以用于将空气引导通过所述第一空心管；以及
由具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料制成的第二管(410)，所述第二管包括第二流动通道以用于将燃料传送通过所述第二管，所述第二流动通道的温度低于第一流动通道的温度；其中，所述第二管联接在所述第一管内，使得所述第一管基本上围绕所述第二管，其中，在燃料喷嘴运行期间，所述第二管大约以与所述第一管相同的速率进行热膨胀。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(400)，其特征在于，所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(400)，其特征在于，所述第一管(420)和所述第二管(410)基本同心地对准。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(400)，其特征在于，所述第一管(420)和所述第二管(410)中的至少一个为直圆柱体。
5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(400)，其特征在于，所述第一管(420)和所述第二管(410)中至少一个是波纹式圆柱体。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(400)，其特征在于，所述第一材料是400系列不锈钢。
7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(400)，其特征在于，所述第二材料是300系列不锈钢。
8.一种燃气涡轮发动机(100)，包括：
燃烧腔室(128)；以及
构造成以便朝向所述燃烧腔室引导流体的燃料喷嘴(400)，所述燃料喷嘴包括第一管(420)和第二管(410)，所述第二管(410)联接在所述第一管内，使得所述第一管基本上围绕所述第二管，其中，所述第一管由具有第一热膨胀系数的第一材料制成、并且包括第一流动通道以用于将空气引导通过所述第一管，所述第二管由具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料制成、并且包括第二流动通道以用于将燃料传送通过所述第二管，所述第二流动通道的温度低于所述第一流动通道，其中，在燃料喷嘴运行期间，所述第二管大约以与所述第一管相同的速率进行热膨胀。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(400)，其特征在于，所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(400)，其特征在于，所述第一管(420)和所述第二管(410)基本同心地对准。
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