CN102012043B - 整体燃料喷射器和相关制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及整体燃料喷射器和相关制造方法。用于燃料喷嘴的整体燃料喷射头包括：基本上中空的泡囊主体，其形成有上游端面、下游端面和在上游端面与下游端面之间延伸的外周壁；内部挡板，其从孔口的下游端径向向外延伸，在尚未到达外周壁之前终止，从而在泡囊主体中限定上游燃料室和下游燃料室，上游燃料室与下游燃料室通过在挡板与外周壁之间的径向间隙而流体连通。多个一体式预混合管轴向地延伸通过泡囊主体中的上游燃料室和下游燃料室并且通过挡板，其中至少一个燃料喷射孔在预混合管中的每个与上游燃料室之间延伸，从而使上游室中的燃料能够喷射到多个预混合管内。该燃料喷射头是通过直接金属激光烧结形成。
Description
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮燃料喷射喷嘴的整体燃气涡轮燃料喷射头，并且涉及生产该燃料喷射头的方法。
背景技术
某些目前燃气涡轮燃料喷射喷嘴包含许多小的燃烧空气管，其捕获在上游板与下游板之间并且由外周壁包围，从而形成压力泡囊(vesicle)。管通常在管壁内包括多个很小的低角度孔，用于将燃料从泡囊内喷射至管内部，其中，在离开管并进入燃烧室之前燃料与空气混合。这种燃料喷射喷嘴公开于2006年3月7日授予的共同拥有的美国专利No.7,007,478中。
应了解的是，上文所述的燃料喷射喷嘴必须在需要用于密封氢燃料的管/板和板/壁的界面处存在许多钎焊接头，并且必须需要昂贵的EDM程序来形成许多小的低角度燃料喷射孔。此外，需要复杂的组装方法来满足特定的性能标准。因此，仍然需要制造复杂燃料喷嘴几何形状的工艺，其减小(若非完全排除)可能泄漏的接头，并且也显著地减小对后加工和/或EDM操作的需要。
发明内容
根据示范性但非限制性的实施例，本发明涉及使用快速构造方法来生产燃气涡轮燃料喷射头。具体而言，本发明利用被称作直接金属激光烧结(DMLS)的快速制造技术来制造整体喷嘴喷射头，其排除了现有喷嘴构造的接头、钎焊和其它方面。DMLS是附加层工艺，其使用激光和细微金属粉末(例如，钴和/或铬合金粉末和镍基合金粉末特别适合于本文所公开的涡轮喷嘴应用，但本发明并不受此限制)直接从CAD模型生产金属构件。CAD模型被切成薄层(0.02mm的数量级)并且然后逐层重新构造这些层，其中每个粉末层的激光熔融编程区与下方的层连续。层厚度大体上基于准确度与制造速度的考虑来选择。最初，钢板通常固定于机器内以用作支承件和散热器。分配器将粉末递送至支承板并且涂覆器臂或叶片将粉末散布在板上。机器软件控制激光束聚焦和移动使得在激光束撞击粉末的任何地方，粉末熔化成固体。该工艺逐层继续直到完成构建。将DMLS应用至燃料喷射喷嘴的喷射头解决了上述问题。此外，使用DMLS工艺使新的设计特征能够合并于喷嘴的燃料喷射头内。
因此，根据一个示范性但非限制性实施例，本发明涉及用于燃料喷嘴的整体燃料喷射头，其包括：基本上中空的泡囊主体，其形成有上游端面、下游端面和在上游端面与下游端面之间延伸的外周壁；在上游端面中的中心开口，其由部分地延伸通过泡囊主体的孔口限定，孔口适于接收燃料供给管；内部挡板，其从孔口的下游端径向向外延伸，在尚未到达外周壁之前终止，从而限定泡囊主体中的上游燃料室和下游燃料室，上游燃料室和下游燃料室通过在挡板与外周壁之间的径向间隙而流体连通，使得在使用中，燃料将从燃料供给管流入下游燃料室、流过径向间隙并流入上游室；以及多个一体式预混合管，其轴向地延伸通过泡囊主体中的上游燃料室和下游燃料室并且通过挡板，其中入口在上游端面处，出口在下游端面处，至少一个燃料喷射孔在所述预混合管中的每个与上游燃料室之间延伸，从而使上游室中的燃料能够喷射到多个预混合管内。
另一方面，本发明涉及用于燃料喷嘴的整体燃料喷射头，其包括：基本上中空的泡囊主体，其形成有上游端面、下游端面以及在上游端面与下游端面之间延伸的外周壁；在上游端面中的中心开口，其由部分地延伸通过泡囊主体的孔口所限定，孔口适于接收燃料供给管；内部挡板，其从孔口的下游端径向向外延伸，在尚未到达外周壁之前终止，从而限定泡囊主体中的上游燃料室和下游燃料室，上游燃料室和下游燃料室利用在挡板与外周壁之间的径向间隙而流体连通，使得在使用中，燃料将从燃料供给管流入下游燃料室、流过径向间隙并流入上游室；其中内部挡板在挡板的上游侧上形成有薄划线，薄划线布置成栅格图案，从而限定由薄划线界定的多个空间；多个一体式预混合管，其轴向地延伸通过上游燃料室，通过挡板中的相应空间并且通过泡囊主体中的下游燃料室，其中入口在上游端面处，出口在下游端面处，至少一个燃料喷射孔在空气供应管中的每个与上游燃料室之间延伸，从而使上游室中的燃料能够喷射到多个预混合管内；其中预混合管中的每个在下游燃料室中形成有冷却翅片。
又一方面，本发明涉及生产燃料喷射头的方法，其包括：(a)形成基本上中空的泡囊主体，其具有上游端面、下游端面和在上游端面与下游端面之间延伸的外周壁；(b)在上游端面中形成中心开口，其由部分地延伸通过泡囊主体的孔口限定，孔口适于接收燃料供给管；(c)形成多个一体式预混合管，其轴向地延伸通过中空泡囊主体，其中入口在上游端面处，出口在下游端面处；以及(d)形成至少一个燃料喷射孔，其在预混合管中的每个与中空泡囊主体之间延伸；其中，步骤(a)至(d)通过直接激光金属烧结来执行。
现将结合在下文所述的附图来更详细地描述本发明。
附图说明
图1是根据本发明的第一示范性实施例制造的燃料喷射头的透视图；
图2是从图1取得的燃料喷射头的部分剖视的放大上游透视图；
图3是图2所示的燃料喷射头的也被剖视的局部下游透视图；
图4是沿着图3的剖面线4-4从喷射头内的内部挡板的上游侧观察的燃料喷射头的局部内部截面图；
图5是燃料喷射头的排出端或后端的局部示意截面；以及
图6是用于形成图1-5所示的燃料喷射头的后端的DMLS支承结构的局部截面图。
部件列表
14喷射头
15泡囊主体
16燃料供给管
18下游端
20环形肩部
22上游端面
24下游端面
25外周壁
26预混合管
28入口
29出口
30入口孔口
32环形壁
34埋头孔口
36内部挡板
40喷射孔
42上游燃料室
44下游燃料室
46径向间隙
48裂纹或划线
50关闭空间或区域
52冷却翅片
54小圆角半径
56大圆角半径
具体实施方式
图1示出具有根据本发明的示范性但非限制性实施例构造的喷射头的燃气涡轮燃料喷射喷嘴10。具体而言，喷嘴10包括由位于中央的燃料供给管16连接的燃料喷嘴基部12和燃料喷射头14。燃料喷射头14附连到燃料供给管16的下游端18，其中燃料供给管的前缘邻接燃料喷射头14的中心内的内部环形肩部20(参看图2)。应当注意的是，本文所用的诸如“上游”和“下游”的术语是参考空气和燃料通过燃料喷射器喷嘴10并进入燃烧室(未示出)内的流动方向。
应了解的是，通常布置多个喷嘴10将燃料与空气的混合物供应至燃气涡轮燃烧器的燃烧室。在已知的涡轮配置中，这种燃烧器的环形阵列利用类似数量的过渡件导管将燃烧气体供应至第一级涡轮(通常称作“环管式”阵列)。通常，每个燃烧器中的喷嘴基部12固定到燃烧器端盖上，并且燃料喷射头14固定到燃烧室内的前帽状组件(也未示出)上。在此，本发明具体关于燃料喷射头14和用于形成该燃料喷射头的工艺。
图2更详细地示出燃料喷射头14。燃料喷射头14被形成为部分中空、圆形整体块或泡囊主体15，其具有基本彼此平行的上游端面22和下游端面24，其中环形外周壁25轴向地在上游端面22与下游端面24之间。内部空气供应通路或管26(在本文中也被称作预混合管)在上游端面22与下游端面24之间延伸，其中混合管26的上游端或入口28向外扩张(即，形成有喇叭口形)以便于(并加速)空气到预混合管内和通过预混合管的流动。预混合管的其余长度具有通过下游端或出口29的基本均匀的直径。预混合管26可布置成环形的同心行，(参看图1和图3)，其中任何给定行的预混合管与相邻行的预混合管26周向偏移，如在图4中最佳地看出。然而，应了解的是，本发明并不受泡囊主体内预混合管26的任何具体布置的限制。此外，术语“管”的使用是为了方便，应当注意的是，管并不是在相对端固定到端面的离散管，而是合并到整体泡囊主体15内的内部通路，其中内部空间包围各个通路。
燃料喷射头14(或泡囊主体15)的中心在上游端面22处打开，从而提供由环形壁32限定的入口孔口30(图2)用于接收燃料供给管16，其中埋头孔口部分34限定适于由燃料供给管16的前缘接合的环形肩部20。
使用DMLS快速制造工艺便于合并到本文所公开的燃料喷射头内的各种设计特征。例如，内部挡板36(参看图2-5)一体地形成于泡囊主体15内。挡板36在上游端面22与下游端面24之间的基本中途的位置处从埋头孔口34的下游端径向向外延伸，其中大部分而并非所有的预混合管“通过”挡板36。挡板36在径向向外的方向上朝向下游端面24成角度，从径向内部毂或壁32朝向外周壁25延伸，但是在尚未到达外周壁25之前终止。
至少一个燃料喷射孔40，优选地燃料喷射孔40的阵列绕相应管的圆周在等间隔的位置处设置在每个预混合管26中，例如每个管中四个。燃料喷射孔40基本位于平行于泡囊主体15的上游端面22和下游端面24的共同平面中，并且在挡板36的上游。燃料喷射孔40在流动方向上倾斜，即，孔在下游方向上径向向内地成角度(相对于相应预混合管26的中心线成低锐角)，使得通过喷射孔40的燃料流在空气流过预混合管26的方向上具有速度分量。应当注意的是，挡板36有效地形成下游燃料室42和上游燃料室44，下游燃料室42和上游燃料室44通过挡板的径向外边缘与外周外壁25之间的环形径向间隙46而流体连接。
燃料喷射头14的下游端面24在其中心区域关闭，使得离开燃料供给管16的高压氢燃料将流入预混合管26之间的区域，流入下游燃料室区域42，然后流过径向间隙46并流入上游室44。这种燃料路径倾向于使燃料喷射孔40的入口端的燃料压力均衡，并且因此将燃料基本均匀地分配至预混合管26。
氢燃料然后将流过燃料喷射孔40并流入预混合管26，其中在离开燃料喷射头14进入燃烧室之前燃料与空气将混合。
DMLS工艺也便于燃料喷射孔40的精确位置和方位。这是重要的，因为孔40的放置可对喷射头内燃料供给压力的均匀性产生影响。如果例如燃料以高速度流过喷射孔40，则燃料将具有低供给压力。如果另一方面燃料速度较低，则燃料将具有高供给压力。同样，如果喷射孔40与相邻预混合管中的另一喷射孔直接相对，则通过孔的燃料将具有高速度并且因此具有低供给压力(参看图4)。已经发现使一个预混合管中的喷射孔40的位置相对于相邻预混合管中的孔位置旋转45度产生最佳结果，并且DMLS工艺可被编程成以这种方式自动地并且较高精确度地定位孔。
另外，在这个方面，由于氢燃料的反应性很强，故必须谨慎以确保燃烧火焰保留在预混合管出口29的下游。否则，如果火焰在一个或多个预混合管26的内部喷发，则(多个)局部区域中的热膨胀可能会损坏喷射头，尤其在本文所述的整体构造中。因此，希望将燃料喷射孔40定位于距预混合管出口0.500英寸与0.850英寸之间。虽然将喷射孔40靠近出口29定位会缩短驻留混合时间，但是避免预混合管26内的火焰喷发是最重要的。
示范性实施例的另一特征为，挡板36形成有内置“裂纹”48的有序阵列，在图4中最佳地看出并且也由DMLS工艺过程促成。裂纹48是在挡板上游侧上的基本上薄划线(但是并非通过传统意义的“刻划”形成)，布置成直线栅格状图案，包围每个混合管26。更具体地，栅格状图案形成多个关闭的空间或区域50，每个由薄划线48界定，并且每个具有穿过该空间的预混合管26中的相应一个。所谓的裂纹并不完全延伸通过挡板，因此并不存在燃料通过板的转向或泄漏。另一方面，如果火焰保持在一个或多个预混合管26中，则(多个)管变热并且热生长。挡板36不仅加强预混合管26，而且也有效地缩短在其上可吸收热生长的长度。此外，挡板36中的薄裂纹或划线48允许挡板实际上沿着这些薄划线开裂而不会损坏预混合管26。
由于DMLS的构建方位，内置裂纹48形成于挡板36的顶部或上游侧上。如上所述，当使用DMLS来构建构件时，需要下方的支承结构。通过将裂纹或薄划线48定位于挡板36的上侧或顶侧，无需额外的支承，并且所存在的支承结构不会干扰DMLS分层工艺。使用DMLS的另一优点为，通常需要空隙来将挡板36组装到燃料供给管16上。这通常会导致某些泄漏经过板，DMLS通过排除挡板36与燃料供给管16之间的常用接头以及在预混合管26与泡囊主体15的端面22、24之间的所有接头来解决这个问题。
返回至图2和图5并且现也参看图6，冷却翅片52可在挡板36下游的位置处形成于每个预混合管26上。每个管26上的翅片是与泡囊主体15的下游端面24相邻的离散平行环(例如，在每个管上三个)。图6示出用于在相邻预混合管上形成翅片52的DMLS支承结构。翅片顶侧上的圆角半径54被最小化，而翅片50底侧上的圆角半径56被显著地扩大以提供所希望的构建品质，同时也导致较低的应力集中系数，这在这些原本高应力区域中是关键问题。
因此应了解的是，使用DMLS方法允许设计和制造先前不能以可靠或经济方式生产的燃料喷射喷嘴。DMLS确保了预混合管与端壁或板之间的界面可靠并且不需要加工至很紧密的钎焊公差。无接头制造是重要的，因为氢分子很小并且如果结构包含传统接头，氢分子可能会通过可能存在的很小间隙泄漏。DMLS实际上排除了在管与喷射头或泡囊主体的上游端面和下游端面之间的许多界面中泄漏的可能性。DMLS也排除了对每个预混合管加工入口喇叭口的需要，同时允许本文所述的复杂的内部阻挡和冷却特征。
虽然结合目前被认为是最实用并且优选的实施例描述了本发明，但是应了解的是，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明预期涵盖包括于所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。
Claims (20)
1.一种用于燃料喷嘴的整体燃料喷射头，其包括：
基本上中空的泡囊主体，其形成有上游端面、下游端面和在上游端面与下游端面之间延伸的外周壁；
在所述上游端面中的中心开口，其由部分地延伸通过所述泡囊主体的孔口限定，所述孔口适于接收燃料供给管；
内部挡板，其从所述孔口的下游端径向向外延伸，在尚未到达所述外周壁之前终止，从而在所述泡囊主体中限定上游燃料室和下游燃料室，所述上游燃料室和所述下游燃料室通过在所述挡板与所述外周壁之间的径向间隙而流体连通，使得在使用中，燃料将从所述燃料供给管流入所述下游燃料室、流过所述径向间隙并且流入所述上游室；以及
多个一体式预混合管，其轴向地延伸通过所述泡囊主体中的所述上游燃料室和所述下游燃料室并且通过所述挡板，其相应的入口设在所述上游端面处，相应的出口设在所述下游端面处，至少一个燃料喷射孔在所述预混合管中的每个与所述上游燃料室之间延伸，从而使所述上游室中的燃料能够喷射到所述多个预混合管内。
2.如权利要求1所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述内部挡板朝向所述下游端面在径向向外的方向上成角度。
3.如权利要求1所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述多个预混合管布置成同心环形行，其中一行中的预混合管与相邻行中的预混合管周向偏移。
4.如权利要求1所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述预混合管中的每个在所述入口处向外扩张。
5.如权利要求1所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述孔口形成有埋头孔口，从而限定适于由所述燃料供给管的前缘接合的环形肩部。
6.如权利要求1所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述至少一个燃料喷射孔包括四个燃料喷射孔，所述四个燃料喷射孔绕所述多个预混合管中的每一个预混合管基本等距间隔设置。
7.如权利要求6所述的整体燃料喷射头，其特征在于，每个燃料喷射孔在下游方向上成角度，并且位于距离所述出口中的相应一个出口的0.500英寸与0.850英寸之间。
8.如权利要求1所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述预混合管中的每个在所述下游燃料室中形成有冷却翅片。
9.如权利要求1所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述内部挡板在所述挡板的上游侧上形成有薄划线，所述薄划线布置成栅格，使得穿过所述挡板的每个预混合管由所述薄划线中的相应薄划线界定。
10.如权利要求6所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述燃料喷射孔位于基本上共同的平面中，并且在一个预混合管中并无燃料喷射孔与相邻预混合管中的燃料喷射孔直接相对。
11.一种用于燃料喷嘴的整体燃料喷射头，其包括：
基本上中空的泡囊主体，其形成有上游端面、下游端面和在上游端面与下游端面之间延伸的外周壁；
在所述上游端面中的中心开口，其由部分地延伸通过所述泡囊主体的孔口限定，所述孔口适于接收燃料供给管；
内部挡板，其从所述孔口的下游端径向向外延伸，在尚未到达所述外周壁之前终止，从而在所述泡囊主体中限定上游燃料室和下游燃料室，所述上游燃料室和所述下游燃料室通过在所述挡板与所述外周壁之间的径向间隙而流体连通，使得在使用中，燃料将从所述燃料供给管流入所述下游燃料室、流过所述径向间隙并且流入所述上游室；并且其中，所述内部挡板在所述挡板的上游侧上形成有薄划线，所述薄划线布置成栅格图案，从而限定由所述薄划线界定的多个空间；
多个一体式预混合管，其轴向地延伸通过所述上游燃料室，通过所述挡板中的所述空间中的相应空间并且通过所述泡囊主体中的所述下游燃料室，其相应的入口设在所述上游端面处，相应的出口设在所述下游端面处，至少一个燃料喷射孔在所述预混合管中的每个与所述上游燃料室之间延伸，从而使所述上游室中的燃料能够喷射到所述多个预混合管内；以及
其中，所述预混合管中的每个在所述下游燃料室中形成有冷却翅片。
12.如权利要求11所述的整体燃料喷射头，其特征在于，每个冷却翅片形成有在所述冷却翅片的上游侧上的、所述冷却翅片与其相应预混合管相接处的较小圆角半径和在所述冷却翅片的下游侧上的、所述冷却翅片与所述相应预混合管相接处的较大圆角半径。
13.如权利要求11所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述内部挡板朝向所述下游端面在径向向外的方向上成角度。
14.如权利要求11所述的整体燃料喷射头，其特征在于，所述至少一个燃料喷射孔包括四个燃料喷射孔，所述四个燃料喷射孔绕所述多个预混合管中的每个预混合管基本等距间隔设置。
15.如权利要求11所述的整体燃料喷射头，其特征在于，每个燃料喷射孔在下游方向上成角度，并且位于距离所述出口中的相应一个出口的0.500英寸与0.850英寸之间。
16.一种用于生产燃料喷射头的方法，其包括：
(a)形成基本上中空的泡囊主体，其具有上游端面、下游端面以及在上游端面与下游端面之间延伸的外周壁；
(b)在所述上游端面中形成中心开口，其由部分地延伸通过所述泡囊主体的孔口限定，所述孔口适于接收用于将燃料供应至所述中空泡囊主体的燃料供给管；
(c)形成多个一体式预混合管，其轴向地延伸通过所述中空泡囊主体，其相应的入口设在所述上游端面处，相应的出口设在所述下游端面处；以及
(d)形成至少一个燃料喷射孔，其在所述预混合管中的每个与所述中空泡囊主体之间延伸；以及
其中，通过直接金属激光烧结来执行步骤(a)至(d)。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括也通过直接金属激光烧结在所述多个预混合管中的每个上形成冷却翅片。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：形成内部挡板，其从所述孔口的下游端径向向外延伸，在尚未到达所述外周壁之前终止，从而在所述中空泡囊主体中限定上游燃料室和下游燃料室，所述上游燃料室和所述下游燃料室通过在所述挡板与所述外周壁之间的径向间隙而流体连通，所述至少一个燃料喷射孔在所述预混合管中的每个与所述上游燃料室之间延伸。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个燃料喷射孔包括四个燃料喷射孔，所述四个燃料喷射孔绕所述多个预混合管中的每一个预混合管基本上等距间隔设置，其中每个燃料喷射孔在下游方向上成角度。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括形成每个冷却翅片，其具有在所述冷却翅片的上游侧上的、所述冷却翅片与其相应预混合管相接处的较小圆角半径和在所述冷却翅片的下游侧上的、所述冷却翅片与所述相应预混合管相接处的较大圆角半径。
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