CN102589008A - 涡轮机燃料喷嘴组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机燃料喷嘴组件，具体而言，根据本发明的一方面，涉及一种用于涡轮机的燃料喷嘴组件包括内导管和凸缘，该凸缘联接到内导管上，从而形成用于气体燃料流动的腔室。另外，该凸缘包括连接到内导管上的隔膜部件，该隔膜部件构造成响应于内导管与凸缘之间的相对移动而弯曲。

Description

涡轮机燃料喷嘴组件
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮机，且更具体地涉及用于燃气涡轮机的燃料喷嘴。
背景技术
在燃气涡轮机中，燃烧器将燃料或空气-燃料混合物的化学能转换为机械能。热能通过流体——常为来自压缩机的压缩空气——被传送到涡轮机，在这里热能被转换为机械能。燃料和/或空气经由一个或更多燃料喷嘴被引导到燃烧器中。一方面，该燃料喷嘴是包括由不同材料制成的多个构件的组件。燃料喷嘴组件内流动的燃料和空气之间的温差会导致喷嘴构件的热膨胀和相应的移动，从而引起构件上以及构件之间的接合部上的磨损。减小燃料喷嘴构件的相对移动引起的应力将改善燃料喷嘴和涡轮机的耐用性和可靠性。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于涡轮机的燃料喷嘴组件包括内导管和凸缘，该凸缘联接到内导管上，从而形成用于气体燃料流动的腔室。另外，该凸缘包括连接到内导管上的隔膜部件，该隔膜部件构造成响应于内导管与凸缘之间的相对移动而弯曲。
根据本发明的另一方面，一种用于使燃料在涡轮机中流动的方法包括引导内导管内的空气并且将燃料引导到内导管与凸缘之间的空腔中，其中内导管和凸缘通过联接部联接。该方法还包括使凸缘中的隔膜部件弯曲以补偿内导管的移动，其中隔膜部件的弯曲减小了内导管与凸缘之间的联接部上的应力。
这些和其它优点和特征将从以下结合附图的描述变得更加明显。
附图说明
视为本发明的主题在权利要求书中具体指出并清楚地主张权利。从以下结合附图进的详细描述，本发明的前述及其它特征和优点显而易见，在附图中：
图1是包括燃烧器、燃料喷嘴、压缩机和涡轮机的燃气涡轮发动机的实施例的示意图；
图2是燃料喷嘴组件的实施例的侧剖视图；以及
图3是燃料喷嘴组件的另一实施例的侧剖视图。
详细描述通过参照附图举例说明了本发明的实施例及其优点和特征。
零部件列表
100  涡轮机系统
102  压缩机
104  燃烧器
106  涡轮机
108  轴
110  喷嘴
112  燃料源
200  燃料喷嘴组件
202  凸缘
204  内管
206  旋流喷嘴
208  护罩
210  轴线
212  接合部
214  隔膜部件
216  厚度
218  通路
220  燃料流
221  腔室
222  空气流
224  接合部
226  压缩空气流
228  厚度
300  燃料喷嘴组件
302  凸缘
304  内管
306  旋流喷嘴
308  护罩
310  轴线
312  接合部
314  隔膜部件
316  厚度
318  通路
320  燃料流
321  腔室
322  空气流
324  接合部
326  压缩空气流
328  波纹管
330  厚度
具体实施方式
图1是燃气涡轮机系统100的实施例的示意图。该系统100包括压缩机102、燃烧器104、涡轮机106、轴108和燃料喷嘴110。在实施例中，系统100可包括多个压缩机102、多个燃烧器104、多个涡轮机106、多个轴108和多个燃料喷嘴110。压缩机102和涡轮机106通过轴108联接。轴108可为单个轴或联接在一起以形成轴108的多个轴段。
一方面，燃烧器104使用液体和/或诸如天然气或富氢合成气体的气体燃料来运行发动机。例如，燃料喷嘴110与空气源以及燃料源112流体连通。燃料喷嘴110形成空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排放到燃烧器104中，从而引起形成热加压排气的燃烧。燃烧器100引导该热加压排气经过渡件进入涡轮喷嘴(或“一级喷嘴”)，从而引起涡轮机106旋转。涡轮机106的旋转引起轴108旋转，从而在空气流入压缩机102时对空气进行压缩。在实施例中，各燃料喷嘴110均包括构造成允许燃料喷嘴110构件的相对移动的隔膜部件。燃料喷嘴110构件可经历由于燃料喷嘴110构件的温差和不同的材料膨胀率而引起的相对移动。下面参照图2和3详细说明燃料喷嘴110组件的示例性实施例。
图2是待用于燃气涡轮机系统100(图1)中的燃料喷嘴组件200的实施例的侧剖视图。该燃料喷嘴组件200包括全部围绕喷嘴轴线210设置的凸缘202、内导管204、旋流喷嘴206和护罩208。接合部212将凸缘202联接到内导管204(也称作“内管”)上，其中该接合部212包括构造成承受燃料喷嘴组件200构件的高温、弯曲和相对移动的联接部。如所描绘的，凸缘202包括隔膜部件214，该隔膜部件构造成弯曲或变形以补偿诸如凸缘202和内导管204的涡轮机构件之间的相对移动。在一个实施例中，隔膜部件214是凸缘202的基座中的径向壁，其中隔膜部件214的厚度216配置成使隔膜部件214能够弯曲，从而补偿凸缘202相对于内导管204的移动。凸缘202包括用于燃料流220进入腔室221的通路218。在实施例中，内导管204接收沿燃料喷嘴组件200内的轴线210的空气流222。空气和燃料在旋流喷嘴206内混合，该旋流喷嘴在接合部224处联接到凸缘202上。旋流喷嘴206从压缩机102(图1)接收待与燃料流220混合以用于在燃烧器104(图1)内燃烧的压缩空气流226。
隔膜部件214包括构造成耐受燃料喷嘴组件200内的热且加压的流体流的热量和压力的耐用材料。示例性材料可包括复合材料和金属或钢合金，诸如不锈钢。此外，隔膜部件214材料配置成响应于诸如内导管204和凸缘202的燃料喷嘴组件200构件的膨胀而弹性变形。该凸缘包括任何合适的耐用牢固材料，包括金属材料、复合材料或钢合金。在示例性实施例中，凸缘202和隔膜部件214一起形成且包括相同的材料，诸如不锈钢。在其它实施例中，凸缘202和隔膜部件214是可以由相同材料形成也可以不由相同材料形成的分离的构件。在实施例中，燃料流220在它进入腔室221时为约20摄氏度且压缩空气流226为约430摄氏度，其中相对冷的燃料流220引起内导管相对于通过压缩空气流226加热的凸缘202收缩或缩小。因此，内导管204相对于凸缘202的轴向收缩、膨胀和/或总体移动通过隔膜部件214的弯曲或弹性变形来补偿。隔膜部件214的弹性变形是可逆的。由于诸如内导管204和凸缘202的构件之间的温差和/或材料差异而引起的膨胀形成引起隔膜部件214弹性变形的力。一旦这些力不再被施加，诸如当涡轮发动机已冷却且未运行时，隔膜部件214回到其本来的形状。
仍参照图2，示例性隔膜部件214包括配置成耐受燃料喷嘴组件200内的弯曲、压力和温度的不锈钢。另外，隔膜部件214的厚度216的范围为内导管204的厚度228的约一倍到约五倍。例如，厚度216的范围为厚度228的约两倍到约三倍。在另一实例中，厚度216为内导管204的厚度228的约一倍到约三倍。材料、厚度216、几何形状和其它设计因素配置成引起弯曲以补偿涡轮机构件的相对移动，从而减小接合部212和224上的应力和磨损。在实施例中，隔膜部件214的材料是热膨胀系数为每英寸-华氏度约9.8×10-6英寸(每单位温度变化的体积膨胀)的不锈钢。此外，不锈钢耐腐蚀且与用于形成旋流喷嘴206的材料相匹配，从而减小了跨越凸缘202到接合部224的热应变。在实施例中，接合部212和224是任何合适的联接部，诸如焊接、钎焊或粘合剂。如所描绘的，在不使用其它机构的情况下发生补偿，从而在改善可靠性的同时简化了生产且降低了成本。
图3是燃料喷嘴组件300的另一实施例的侧剖视图。该燃料喷嘴组件300包括全部围绕喷嘴轴线310设置的凸缘302、内导管304、旋流喷嘴306和护罩308。接合部312将凸缘302联接到内导管304上，其中接合部312包括构造成耐受燃料喷嘴组件300构件的相对移动的联接部。另外，凸缘302包括隔膜部件314，该隔膜部件构造成弯曲或变形以补偿诸如凸缘302和内导管304的涡轮机构件之间的相对移动。在一个实施例中，隔膜部件314是凸缘302的基座中的径向壁，其中该壁的厚度316配置成使隔膜部件314能够弯曲，从而补偿凸缘302相对于内导管304的移动。凸缘302包括用于燃料流320进入腔室321中的通路318。另外，内导管304接收沿燃料喷嘴组件300内的轴线310的空气流322。空气和燃料在旋流喷嘴306内混合，该旋流喷嘴在接合部324处联接到凸缘302上。旋流喷嘴306接收待与燃料流320混合以用于在燃烧器104(图1)内燃烧的压缩空气流326。燃料喷嘴组件300还包括构造成允许内导管304与凸缘302之间的相对移动的波纹管328。波纹管328是允许相邻的涡轮机构件的轴向和/或横向移动的合适密封机构或部件。例如，波纹管328的一端联接到凸缘302上，而波纹管328的相对端联接到内导管304上。在实施例中，波纹管328可被描述为内导管304的一部分。另外，接合部312和324是任何合适的联接部，诸如焊接、钎焊或粘合剂。
波纹管328和隔膜部件314均构造成允许构件的不同材料特性引起的内导管304相对于凸缘302的膨胀和移动。材料特性可包括热膨胀系数或响应于诸如温度或压力变化的能量而影响刚性、硬度、形状和/或体积的任何特征。例如，燃料流320大致比压缩空气流326冷约350摄氏度到约450摄氏度，从而引起凸缘302相对于内导管304轴向膨胀。因此，隔膜部件314包括与内导管304的厚度330成选定关系的壁厚316。厚度316的一个实施例为厚度330的约一倍到约五倍厚。隔膜部件314的另一实施例具有为厚度330的约一倍到约三倍厚的厚度316。隔膜部件314的又一实施例具有为厚度330的约二倍到约三倍厚的厚度316。因此，隔膜314和波纹管328构造成弹性变形或弯曲以减小磨损并改善燃料喷嘴组件300的可靠性。因此，包括隔膜部件314和波纹管328的示例性燃料喷嘴组件300构造成随着时间推移而补偿涡轮机构件的移动，从而减小燃料喷嘴组件300上的应力。
虽然已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。相反，可对本发明进行修改以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替换或等同装置。此外，虽然已经描述本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各个方面可仅包括一部分所述的实施例。因此，本发明不应被视为通过前面的描述来限制，而仅通过所附权利要求的范围来限制。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机的燃料喷嘴组件(200)，所述组件包括：
内导管(204，304)；以及
凸缘(202，302)，其联接到所述内导管(204，304)上，从而形成用于气体燃料流动的腔室(221，321)，其中所述凸缘(202，302)包括联接到所述内导管(204，304)上的隔膜部件(214，314)，所述隔膜部件(214，314)构造成响应于所述内导管(204，304)与所述凸缘(202，302)之间的相对移动而弯曲。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述隔膜部件(214，314)经由联接部(224，324)联接到所述内导管(204，304)上，并且其中所述隔膜部件(214，314)的弯曲减小了在所述内导管(204，304)的轴向移动期间所述联接部(224，324)上的应力。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述隔膜部件(214，314)构造成弯曲以补偿由于所述内导管(204，304)相对于所述凸缘(202，302)的第一特性而引起的所述内导管(204，304)的轴向移动。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述内导管(204，304)相对于所述凸缘(202，302)的所述第一特性包括热膨胀系数。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述隔膜部件(214，314)包括壁且所述内导管(204，304)包括壁，其中所述隔膜部件(214，314)壁比所述内导管(204，304)壁厚约一倍到约三倍。
6.一种用于使燃料在涡轮机中流动的方法，所述方法包括：
引导所述内导管(204，304)内的空气；
将燃料引导至所述内导管(204，304)与凸缘(202，302)之间的空腔中，其中所述内导管(204，304)和凸缘(202，302)通过联接部(224，324)联接；以及
使所述凸缘(202，302)中的隔膜部件(214，314)弯曲以补偿所述内导管(204，304)的移动，其中所述隔膜部件(214，314)的弯曲减小了所述内导管(204，304)与所述凸缘(202，302)之间的联接部(224，324)上的应力。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述隔膜部件(214，314)的弯曲包括补偿由于所述内导管(204，304)的冷却而引起的所述内导管(204，304)的轴向移动。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，引导所述燃料包括引导燃料通过所述凸缘(202，302)的基座中的径向壁中的通路。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括在旋流喷嘴中使压缩空气与所述燃料混合。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将空气引导到所述内导管(204，304)内包括引导空气通过波纹管(328)。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120718