CN101769533A - 用于在燃气涡轮发动机内促进冷却扩散末端的方法和设备 - Google Patents

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CN101769533A CN201010003972A CN201010003972A CN101769533A CN 101769533 A CN101769533 A CN 101769533A CN 201010003972 A CN201010003972 A CN 201010003972A CN 201010003972 A CN201010003972 A CN 201010003972A CN 101769533 A CN101769533 A CN 101769533A
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陈伟
W·L·伯恩
X·余
J·哈珀
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Abstract

本发明涉及用于在燃气涡轮发动机内促进冷却扩散末端的方法和设备。具体而言，提供了一种用于燃料喷嘴(222)的扩散末端(306)。扩散末端包括：包括外表面(401)和相反的内表面(403)的大致圆形的本体，且本体从排出端(407)延伸至进入端(405)；邻近排出端且限定在本体内的进入表面(402)；与进入表面相反的排出表面(400)；以及分别在排出表面与进入表面之间延伸的多个扩散开孔(404)，各开孔均相对于本体定向成自其以角γ和角θ向外排出扩散流，角γ在X-Z平面中于开孔中心线(502)与相切于外表面延伸的X轴线之间测得，角θ在Y-Z平面中于开孔中心线与从中心线沿径向向外延伸的Y轴线之间测得。

Description

用于在燃气涡轮发动机内促进冷却扩散末端的方法和设备
技术领域
本发明主要涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及在燃气涡轮发动机内使用的燃料喷嘴的扩散末端(diffusion tip)。
背景技术
至少一些公知的燃气涡轮发动机是在燃烧器中点燃燃料-空气的混合物来产生燃烧气流，该燃烧气流经由热气路径向下游引导至涡轮。压缩空气从压缩机引导至燃烧器。公知的燃烧器组件采用燃料喷嘴，其有助于将燃料和空气输送至限定在燃烧器中的燃烧区。涡轮将燃烧气流中的热能转变成使涡轮轴旋转的机械能。涡轮的输出可用来向机器如发电机或泵供以动力。
至少一些公知的燃料喷嘴包括扩散末端。扩散末端形成用于燃料、空气或两者的组合的通道，该通道结合燃料喷嘴的主预混回路一起工作。相组合的燃料和/或空气的混合物在引导至燃烧区之前从末端排出以便点燃。
在工作期间，燃料和/或空气通常经引导穿过形成在公知的扩散末端内的多条通路，且之后在离开扩散末端后燃烧。结果，扩散末端的外部表面就会暴露于高温燃烧气体。持续经受高温可在扩散末端中引起热应力。随着时间的推移，这些热应力可造成扩散末端破裂和/或机械故障。为了促进降低扩散末端的温度，至少一些公知的扩散末端包括各种冷却回路。然而，这些冷却回路可产生富含燃料的环境，这会增加形成在扩散末端上的不希望的烟尘沉积物。烟尘沉积物可不利地影响燃料喷嘴内的流动特性，以及/或者可升高燃烧温度。改变的流动特性和升高的温度相结合可不利地影响燃料喷嘴构件的工作。例如，金属合金的热分解或退火可导致构件的结构完整性下降。
此外，扩散末端工作温度的升高还可引起火焰附近的燃烧器器件(hardware)过早磨损，举例来说，这些燃烧器器件例如有燃烧器衬套和/或过渡件组件。结果，这些燃烧器器件可能比如果燃烧温度保持在较低温度下时需要更为频繁的更换，或更高的维修成本。为了适应更高温度的工作，至少一些公知的燃烧器采用由更能耐受热磨损的特殊金属合金制成的构件。然而，相比于具有燃烧器不包括由这些合金制成的耐热构件的发动机而言，这些构件会增加发动机的成本和/或重量。
发明内容
在一个方面，描述了一种用于组装燃气涡轮发动机的方法。该方法包括提供具有扩散末端的燃料喷嘴，该扩散末端包括具有大致圆形截面区域的本体。扩散末端本体包括外表面、与外表面相反的内表面，以及邻近本体端部的进入表面。进入表面定位成从本体内表面沿径向向内。扩散末端本体还包括与进入表面相反的排出表面。该方法还包括将燃料喷嘴联接在燃烧器组件内，使得从排出表面延伸至进入表面的多个扩散开孔中的各者均定向为从燃料喷嘴排出扩散流。扩散流以角γ(gamma)和角θ(theta)排出，角γ进入X-Z平面中延伸且在开孔中心线与相切于外表面延伸的X轴线之间测得，角θ进入Y-Z平面中延伸且在该中心线与从中心线沿径向向外延伸的Y轴线之间测得。
在另一个方面，描述了一种用于燃料喷嘴的扩散末端。该扩散末端具有大致圆形的本体，该本体包括外表面和相反的内表面。扩散末端本体从排出端延伸至进入端。扩散末端包括邻近排出端且限定在本体内的进入表面。排出表面限定为与进入表面相反。多个扩散开孔分别在排出表面与进入表面之间延伸，各开孔均相对于本体定向为自该本体以角γ(gamma)和角θ(theta)向外排出扩散流，角γ在X-Z平面中于开孔中心线与相切于外表面延伸的X轴线之间测得，角θ在Y-Z平面中于开孔中心线与从中心线沿径向向外延伸的Y轴线之间测得。
在又一个方面，描述了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件。该燃烧器组件包括燃烧器和燃料喷嘴。燃料喷嘴构造成用以将燃料排出到燃烧器中。燃料喷嘴包括扩散末端，该扩散末端具有从进入端延伸至排出端的大致圆形的本体，邻近排出端且限定在本体内的进入表面。本体具有与进入表面相反的排出表面，以及分别从排出表面延伸至进入表面的多个扩散开孔。各开孔均相对于本体定向成自该本体以角γ(gamma)和角θ(theta)排出扩散流，角γ在X-Z平面中于开孔中心线与相切于外表面延伸的X轴线之间测得，角θ在Y-Z平面中于中心线与从中心线沿径向向外延伸的Y轴线之间测得。
附图说明
图1为示例性燃气涡轮发动机的简图；
图2为可用于图1中所示的燃气涡轮发动机的示例性燃烧器的截面简图；
图3为可用于图2中所示的燃烧器的示例性燃料喷嘴组件的透视截面图；
图4为可用于图3中所示的燃料喷嘴的示例性扩散末端组件的透视截面图；
图5为可用于图3中所示的燃料喷嘴的示例性扩散末端的平面图；
图6为图4中所示的扩散末端的放大截面图；以及
图7为图4中所示的扩散末端的备选实施例的放大截面图。零件清单
100燃气涡轮发动机
102压缩机组件
104燃烧器组件
108涡轮组件
110压缩机/涡轮轴
112扩散器
114压缩机排气室(discharge plenum)
220端盖
222燃料喷嘴组件
224燃烧器壳体
226燃烧器衬套
228燃烧腔室
229燃烧腔室冷却通路
230过渡部分或过渡件
232涡轮喷嘴
234外壁开口
236外壁
238过渡件环形通路
240内壁
242过渡件引导腔
244燃料喷嘴法兰
300进入流调节器(IFC)
302旋流器组件
304通路或预混回路
306扩散末端
308高压室
310进入端
312排出端
314燃烧器反应区
316环形流动通路
318圆柱形壁
320内径
322穿孔式(perforated)圆柱形外壁
324外径
326穿孔式端盖
328环形导叶
400外部表面或扩散末端表面或排出表面
401外表面
402相反的内部表面或进入表面
403相反的内表面
404扩散开孔
405进入端
406前开口
407排出端
408后开口
410轴向中心线
412径向内壁
500第一扩散开孔阵列或最外侧圆形阵列
501第二扩散开孔阵列或最内侧阵列
502中心
504开孔主轴线
505周向间距
600会聚末端
700发散开孔或发散末端
具体实施方式
图1为示例性燃气涡轮发动机100的简图。发动机100包括压缩机组件102和燃烧器组件104。发动机100还包括涡轮108和公共的压缩机/涡轮轴110(有时称为转子110)。
在工作中，空气流过压缩机组件102，以便将压缩空气供送给燃烧器组件104。燃料引导到限定在燃烧器组件104内的燃烧区域和/或燃烧区(未示出)，在其中，燃料与空气相混合并被点燃。产生的燃烧气体引导到涡轮108中，在其中，气流的热能转变成机械旋转能。涡轮108可旋转地联接到轴110上。还应当认识到，如本文所用的用语“流体”包括流动的任何介质或材料，包括但不限于气体和空气。
图2为燃烧器组件104的截面简图。燃烧器组件104联接成与涡轮组件108以及与压缩机组件102流动连通。在示例性的实施例中，压缩机组件102包括联接成相互流动连通的扩散器112和压缩机排气室114。
在示例性的实施例中，燃烧器组件104包括对多个燃料喷嘴222提供结构支承的端盖220，这些燃料喷嘴222以环形阵列定向成围绕涡轮外壳(未示出)。端盖220利用保持器件(图2中未示出)联接到燃烧器壳体224上。燃烧器衬套226联接在壳体224内，使得衬套226限定燃烧腔室228。环形燃烧腔室冷却通路229限定在燃烧器壳体224与燃烧器衬套226之间。
过渡部分或过渡件230联接到燃烧器腔室228上，以将腔室228中产生的燃烧气体向下游引向涡轮喷嘴232。在示例性的实施例中，过渡件230包括形成在外壁236中的多个开口234。过渡件230还包括限定在内壁240与外壁236之间的环形通路238。内壁240限定引导腔242。
在工作中，涡轮组件108通过轴110(图1中所示)来驱动压缩机组件102。随着压缩机组件102的旋转，如相关箭头所示，压缩空气排出到扩散器112中。在一个示例性的实施例中，压缩机组件102所排出的大部分空气经由压缩机排气室114引向燃烧器组件104，而小部分压缩空气则经引导来用于冷却发动机100的构件。更具体而言，室114内的加压压缩空气经由外壁开口234引导到过渡件230中并进入通路238中。然后，空气经引导从过渡件环形通路238进入燃烧腔室冷却通路229中。从通路229排出的空气经引导进入燃料喷嘴222中。
燃料和空气在燃烧腔室228内进行混合且被点燃。壳体224有助于使燃烧腔室228与外部环境如周围的涡轮构件相隔离。所产生的燃烧气体经引导从腔室228朝向涡轮喷嘴232穿过过渡件引导腔242。在示例性的实施例中，燃料喷嘴组件222通过燃料喷嘴法兰244联接到端盖220上。
图3为燃料喷嘴组件222的截面图。燃料喷嘴组件222包括进入流调节器(IFC)300、喷射燃料的旋流器组件302、环形的燃料-流体混合通路或预混回路304，以及中央扩散焰燃料喷嘴组件或扩散末端306。燃料喷嘴组件222还包括具有进入端310和排出端312的高压室308。室308界定喷嘴组件222。排出端312可以不界定喷嘴组件222，相反而是排出端312可伸入燃烧器的反应区314中。IFC 300包括由圆柱形壁318所限定的环形流动通路316。壁318限定通路316的内径320，而穿孔式圆柱形外壁322限定外径324。穿孔式端盖326联接到燃料喷嘴组件222的上游端上。在示例性的实施例中，流动通路316包括定位在其上的至少一个环形导叶328。此外，应当理解的是，在示例性的实施例中，喷嘴组件222限定了预混气体燃料回路，在其中，燃料和压缩流体在燃烧之前进行混合。
图4为扩散末端306的透视图。图5为扩散末端306的平面图。在示例性的实施例中，扩散末端306包括外部表面400和相反的内部表面402。在示例性的实施例中，外部表面400构造为排出表面，而内部表面402构造为进入表面。扩散末端306本体在截面上大致为圆形，且包括外表面401、相反的内表面403、进入端405，以及排出端407。扩散末端306还包括用于将扩散燃料和/或空气供送到燃烧区的多个扩散开孔404。在示例性的实施例中，表面400大致为平的。作为备选，表面400可为凹入的、凸起的，或使扩散末端306能够起到本文所述的作用的任何形状，这些作用包括本文所述的扩散末端306的流体流和火焰稳定特性。
在示例性的实施例中，各扩散开孔404均包括前开口406和相反的后开口408，前开口406和后开口408定向成使得各开孔404均在开口406和开口408之间延伸。前开口406沿排出表面400限定，而后开口408沿进入表面402限定。在示例性的实施例中，前开口406分别限定为测得距扩散末端306的轴向中心线410有半径R。作为备选，开口406可以以能使扩散末端306如本文所述地工作的任何定向进行设置。在示例性的实施例中，扩散末端306包括多排扩散开孔404。各排扩散开孔404均可包括以圆形阵列周向地间隔开505的任意数目的开孔404。
在示例性的实施例中，前开口406分别限定在径向内壁412中具有直径D。冷却孔或扩散开孔404的直径由如下公式确定：
Figure G2010100039728D00081
其中，N为冷却孔的排数，d0和d1为实验性经验系数，R0为冷却孔的平均半径，而r为该排的半径。在一个实施例中，直径D可在大约0.030英寸至大约0.060英寸之间。各扩散开孔404均以各种角度(下文更为详细地描述)定向，且具有使扩散末端306起到如本文所述的作用的圆形、椭圆形或任何其它截面形状。
坐标系限定在各个前开口406处，使得X轴线相对于具有半径R的圆大致相切地对齐，Y轴线在径向上垂直于X轴线，以及Z轴线大致平行于中心线410对齐。角γ(gamma)在X-Z平面中自X轴线测得，而角θ(theta)在Y-Z平面中自Y轴线测得。在示例性的实施例中，各扩散开孔404均沿以角γ和角θ从各相应的前开口406延伸的相应的线F定向。因此，扩散开孔404以螺旋阵列设置成围绕扩散末端306。角γ由如下公式确定：
Figure G2010100039728D00082
其中，a和b为实验性经验系数，Re，swirler为对于旋流器组件302的雷诺数，而Re，diffusion为对于扩散末端306冷却的雷诺数。在一个实施例中，角γ在大约15°至大约60°之间。
图5示出了扩散末端306和多个圆形扩散开孔阵列500。各扩散开孔阵列500均定位在相对于中心线410至各相应开孔的中心502测得的半径处。例如，第一扩散开孔阵列500定位在半径R1处，而第二扩散开孔阵列501定位在半径R2处。各开孔的中心502均限定在前开口406主轴线504的中点上。在示例性的实施例中，扩散开孔404，以及对应的阵列500和阵列501包括朝向中心线410定向的至少一个开孔404。此外，在示例性的实施例中，最内侧的阵列501包括以角β(beta)向内定向的扩散开孔404，角β限定为在半径R2与开孔主轴线504之间。角β由如下公式确定：
Figure G2010100039728D00091
其中，c为实验性经验系数，而d由先前限定用于直径D的公式所确定，Tfiring为火焰温度，而Tcooling为冷却空气温度。在示例性的实施例中，角β(beta)在大约0°至大约90°之间。作为备选，最外侧的阵列500可包括以角β(beta)向内定向，和/或以限定为在半径R1与轴线504之间的角α(alpha)向外定向的扩散开孔404。角α由与上文限定角β相同的公式确定。在一个实施例中，角α(alpha)在大约90°至大约180°之间。在一个实施例中，最外侧的环形阵列500包括以交替模式(pattern)定向的扩散开孔404，其中，该模式包括以角α(alpha)定向的至少一些开孔，以及以角β(beta)定向的至少一些开孔。
在示例性的实施例中，角γ(gamma)和θ(theta)可变地选择成用以有助于增强对扩散末端306的排出表面400的冷却。更具体而言，角γ(gamma)选择成用以确保在扩散开孔404的后方产生小的分隔气泡。分隔气泡有助于在整个排出表面400上形成冷却空气膜层。角θ(theta)可变地选择成用以有助于在整个扩散表面400上分布大致均匀的冷却空气膜层。此外，在示例性的实施例中，角γ(gamma)和θ(theta)二者都选择成用以形成有助于最大限度地增强扩散末端冷却的复合角。此外，半径R1和/或R2以及扩散开孔404的周向间距505选择成有助于优化扩散末端306的热梯度及其它的燃烧特性。开孔间距还可选择成有助于减小诱导到扩散末端306中的应力集中。
图6和图7示出了扩散末端306的备选实施例。更具体而言，扩散末端306在图6中构造为会聚末端600，而在图7中为发散末端700。会聚末端包括形成为具有开口408的多个开孔，开口408比开口406具有更大的截面面积。如图6中所示，开口408大于开口406，这就在开口408与开口406之间形成了会聚的通路。相反，在图7中，开口408比开口406具有更小的截面面积，致使在开口408与开口406之间限定了发散的开孔700。结合燃料喷嘴222一起使用会聚的扩散末端600还是发散的扩散末端700，这取决于扩散开孔404的定向、在表面400与表面402之间测得的扩散末端306厚度、越过扩散末端306的压降，以及所需的末端306传热系数。在备选实施例中，可使用会聚开孔和发散开孔两者的结合来增强对扩散末端的冷却。
在工作期间，流经由扩散开孔404的排出会增强对扩散末端306的冷却。扩散流经由开孔404的流动形成与预混回路流相混合和共旋的扩散回路流，且在这种情况下，会使得形成在扩散末端306附近的燃烧回流区稳定。通过选择对于扩散开孔404的各种角度定向，可优化排出流的切向和轴向速度，以控制预混回路及从扩散开孔404排出的扩散流的混合和/或共旋。扩散回路流和预混回路流的共旋有助于防止燃烧火焰接触扩散末端表面400，从而降低过热和/或减少在整个扩散末端表面上形成的碳黑。预混回路和扩散流的分层(stratification)有助于提高冷却膜的有效性，以及减小扩散末端的热梯度和烟尘沉积物。以不同方位来定向扩散开孔404有助于增大扩散末端306的内表面面积，以便增强扩散末端的冷却，增加对于冷却扩散流的停留时间，以及提高对于扩散末端306的传热速率。此外，在工作期间，有助于减小燃烧热声和火焰振荡，因为预混回路和扩散流的共旋会加强总体旋流，增强了在燃烧腔室内的混合和/或燃烧，以及使旋流轴线稳定。
本文所述的发明提供了优于公知的扩散末端构造的若干优点。例如，本文所述的扩散末端的一个优点在于，成角的扩散开孔有助于增强整个扩散末端排出表面上的冷却流。另一个优点在于，本文所述的扩散开孔有助于防止燃料与可燃物在扩散末端上接触，因而减少了在扩散末端上的烟尘积聚和热应力。另一优点在于，本文所述的扩散开孔有助于增强热传递和对扩散末端的冷却。此外，本文所述的扩散开孔有助于减小诱导到扩散末端中的热梯度，并且使扩散末端能够由较为便宜的材料制成，从而导致生产成本的下降。
上文详细地描述了用于均匀冷却结合燃气涡轮发动机一起使用的扩散末端的方法和设备的示例性实施例。该方法和设备不限于本文所述的特定实施例，而是系统构件和/或方法步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地和单独地使用。例如，该方法还可结合其它燃料系统和方法使用，而不限于仅利用如本文所述的燃料系统和方法来实施。相反，示例性实施例可结合许多其它燃气涡轮发动机应用来进行和使用。
尽管在一些图中示出了而另一些图中未示出本发明的各种实施例的具体特征，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，可结合任何其它附图中的任何特征来参考和/或要求保护附图中的任何特征。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何相结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它的实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构成分，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构成分，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。
尽管已根据各种具体实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，本发明可利用在权利要求精神和范围内的修改而予以实施。

Claims (10)

1.一种用于燃料喷嘴(222)的扩散末端(306)，所述扩散末端包括：
大致圆形的本体，其包括外表面(401)和相反的内表面(403)，所述本体从排出端(407)延伸至进入端(405)；
进入表面(402)，其邻近所述排出端且限定在所述本体内；
与所述进入表面相反的排出表面(400)；以及
多个扩散开孔(404)，其分别延伸在所述排出表面与所述进入表面之间，各所述开孔均相对于所述本体定向成从所述本体以角γ(gamma)和角θ(theta)向外排出扩散流，所述角γ在X-Z平面中于所述开孔的中心线(502)与相切于所述外表面延伸的X轴线之间测得，所述角θ(theta)在Y-Z平面中于所述开孔的中心线与从所述中心线沿径向向外地延伸的Y轴线之间测得。
2.根据权利要求1所述的扩散末端(306)，其特征在于，所述多个扩散开孔(404)中的各者均以周向间距(505)以及变化的径向间距中的至少一者间隔开。
3.根据权利要求1所述的扩散末端(306)，其特征在于，所述多个扩散开孔(404)中的各者均包括渐缩形开孔。
4.根据权利要求3所述的扩散末端(306)，其特征在于，所述多个扩散开孔(404)中的各者均包括会聚的渐缩形开孔(600)和发散的渐缩形开孔(700)中的至少一者，其中，所述会聚的渐缩形开孔和所述发散的渐缩形开孔提供增大的内表面面积且大致有助于增强热传递。
5.根据权利要求1所述的扩散末端(306)，其特征在于，所述排出表面(400)为大致凹入的。
6.根据权利要求1所述的扩散末端(306)，其特征在于，所述多个扩散开孔(404)限定一组内部阵列(501)和一组外部阵列(500)，所述内部阵列定位在第一径向范围内且包括相对于第一半径和开孔主轴线成角β(beta)的至少一个成角的扩散开孔；所述外部阵列定位在第二径向范围内且包括相对于第二半径和开孔主轴线成角α(alpha)的至少一个成角的扩散开孔，其中，所述第一径向范围小于所述第二径向范围。
7.根据权利要求6所述的扩散末端(306)，其特征在于，所述外部阵列还包括以交替的角α(alpha)和角β(beta)成角的多个扩散开孔(404)。
8.一种用于燃气涡轮发动机(100)的燃烧器组件(104)，所述燃烧器组件包括：
燃烧器；以及
构造成用以将燃料排出到所述燃烧器中的燃料喷嘴(222)，所述喷嘴包括扩散末端(306)，所述扩散末端(306)包括：具有外表面(401)和相反的内表面(403)的大致圆形的本体，所述本体从进入端(405)延伸至排出端(407)；邻近所述排出端且限定在所述本体内的进入表面(402)；与所述进入表面相反的排出表面(400)；以及分别从所述排出表面延伸至所述进入表面的多个扩散开孔(404)，各所述开孔均相对于所述本体定向成从所述本体以角γ(gamma)和角θ(theta)排出扩散流，所述角γ(gamma)在X-Z平面中于所述开孔的中心线(502)与相切于所述外表面延伸的X轴线之间测得，所述角θ(theta)在Y-Z平面中于所述中心线与从所述中心线沿径向向外延伸的Y轴线之间测得。
9.根据权利要求8所述的燃烧器组件(104)，其特征在于，所述多个扩散开孔(404)中的各者均以周向间距(505)和变化的径向间距中的至少一者间隔开。
10.根据权利要求8所述的燃烧器组件(104)，其特征在于，所述排出表面(400)为大致凹入的。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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