CN102607064A - 燃烧室喷嘴及制造燃烧室喷嘴的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃烧室喷嘴及制造燃烧室喷嘴的方法。所述燃烧室喷嘴包括一个单片旋流器。所述单片旋流器包括沿所述单片旋流器轴向延伸的中心体、所述中心体内的第一燃料通道和从所述中心体沿径向延伸的多个轮叶。一种用于铸造燃烧室喷嘴的方法，其包括制造具有中心体和从所述中心体沿径向延伸的多个轮叶的单片旋流器。
Description
技术领域
本发明大体上涉及燃烧室喷嘴及制造燃烧室喷嘴的方法。
背景技术
所属领域已知用于点燃燃料与空气的混合物，以用于产生具有高温和高压的燃烧气体的燃烧室。例如，燃气涡轮机系统、飞机发动机和许多其他基于燃烧的系统包括一个或多个燃烧室，所述燃烧室将例如空气等工作流体与燃料混合，然后点燃混合物，从而产生高温高压的燃烧气体。每个燃烧室大体包括使工作流体与燃料在燃烧之前进行混合的一个或多个喷嘴。如果燃料和空气在燃烧之前没有混合均匀，就会在燃烧室中形成局部热点(localized hot spots)。局部热点可能会增加不期望的NOx的排放量，还会增大燃烧室内的火焰回火到喷嘴中和/或附着在喷嘴中的几率，从而损坏喷嘴。虽然使用任何燃料都会发生火焰回火和火焰附着(flame holding)的情况，但它们更容易在使用例如氢等燃烧率较高、可燃性范围较大的高反应性燃料(reactive fuel)时发生。
众所周知，基于燃烧的系统的热动效率通常随运行温度，即燃烧气体温度的升高而提高。现在已有多种技术可用来提高运行温度，并最小化NOx的排放量，以及回火和火焰附着的几率。许多此类技术致力于通过减少局部热点来减少NOx的排放、和/或通过减小低流区来减少和/或防止发生回火或火焰附着。例如，通过不断改善喷嘴的设计可使燃料和空气在燃烧之前混合更均匀，从而减少或防止在燃烧室中形成局部热点。或者(或此外)，喷嘴的设计可确保燃料和/或空气流过喷嘴的流速最小，以冷却喷嘴表面和/或防止燃烧室火焰回火到喷嘴中。
但是，经过改善的喷嘴设计可能会增加制造、维护和修理的成本。例如，经过改善的包括多个燃料通道、旋流器和燃料注射器的喷嘴设计通常会增加喷嘴中钎焊(braze)接点和/或焊接(weld)点的数量。这些接点的生产成本相对较高，并且检查和修理的需求更大。因此，通过减少或消除喷嘴中的钎焊接点来改善喷嘴设计将十分有效。
发明内容
以下说明将阐明本发明的各方面内容和优点，或者，这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
本发明的一项实施例是包括单片旋流器的燃烧室喷嘴。所述单片旋流器包括沿所述单片旋流器轴向延伸的中心体、所述中心体内的第一燃料通道和从所述中心体沿径向延伸的多个轮叶。
所述单片旋流器进一步包括在所述中心体的至少一部分内的管道，其中所述管道在所述管道和所述中心体之间形成第二燃料通道。所述单片旋流器进一步包括在所述管道和所述中心体之间径向延伸的至少一个支撑件。所述第二燃料通道延伸穿过所述中心体和所述多个轮叶。所述燃烧室喷嘴进一步包括周向包围所述单片旋流器的至少一部分的罩体，及穿过所述罩体和所述多个轮叶进入所述中心体内的连续通道。所述罩体沿所述单片旋流器的上游轴向延伸，且沿所述单片旋流器的下游轴向延伸。所述罩体包括位于一端的钟口状开口。所述燃烧室喷嘴进一步包括连接到所述单片旋流器的上游的环形法兰。
燃烧室喷嘴的另一项实施例包括单片旋流器。单片旋流器包括经配置以容纳燃料流的中心体、从中心体沿径向延伸的多个轮叶以及周向包围多个轮叶的至少一部分的罩体。
所述单片旋流器进一步包括在所述中心体的至少一部分内的管道，其中所述管道在所述管道和所述中心体之间形成燃料通道。所述单片旋流器进一步包括在所述管道和所述中心体之间径向延伸的至少一个支撑件。所述单片旋流器进一步包括穿过所述中心体和所述多个轮叶的燃料通道。所述单片旋流器进一步包括穿过所述罩体、所述多个轮叶和所述中心体的连续通道。所述燃烧室喷嘴进一步包括周向包围所述单片旋流器的至少一部分且连接到所述单片旋流器的上游的环形套管，连接到所述单片旋流器的上游的环形法兰，及连接到所述单片旋流器的下游的燃烧管。
本发明的各实施例还包括一种用于制造燃烧室喷嘴的方法。所述方法包括制造具有中心体和从中心体沿径向延伸的多个轮叶的单片旋流器。
所述方法进一步包括将环形法兰连接到所述单片旋流器的上游，和周向围绕所述单片旋流器的至少一部分连接罩体。
所属领域的一般技术人员可通过查看说明书的内容来更好地了解此类实施例的特征和方面，以及其他内容。
附图说明
本说明书的其余部分参考附图，针对所属领域一般技术人员，完整且可实现地详细披露了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1为根据本发明的一项实施例的燃烧室的简化截面示意图；
图2为根据本发明的一项实施例的喷嘴的剖视图；
图3为图2所示的喷嘴的平面示意图；
图4为图2和图3所示的单片旋流器的剖视图；
图5为根据本发明的一项替代性实施例的喷嘴的平面示意图；以及
图6为图5所示的单片旋流器的剖视图。
元件符号列表：
具体实施方式
现在将参考附图详细阐述本发明的各实施例，附图中将图示本发明的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的部件特征。附图和说明中相同或类似的标识用于指代本发明的相同或类似的部分。
各个实例用以解释本发明而非限定本发明。事实上，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，所属领域的一般技术人员可对本发明作各种修改和变化。例如，作为一项实施例一部分的特征可用于其他实施例中，从而得到另一项实施例。因此，本发明应涵盖所有基于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。
图1所示为根据本发明的一项实施例的燃烧室10的简化截面示意图。如图所示，燃烧室10可包括径向布置在顶盖14中的一个或多个喷嘴12。壳体16可包围燃烧室10从而容纳从压缩机(未图示)中排出的空气或压缩的工作流体。端盖18和衬里20大体包围位于喷嘴12下游的燃烧室22。具有导流孔26的导流套管24可包围衬里20以在导流套管24和衬里20之间构成环形通道28。本说明书中所使用的术语“孔”、“开口”、“端口”和“通道”应具有实质相同的意义，且彼此之间可作为同义词使用。压缩的工作流体可穿过导流套管24中的导流孔26沿衬里20的外侧流动，从而对衬里20进行薄膜式冷却或对流冷却(convective cooling)。然后压缩的工作流体以相反方向流过一个或多个喷嘴12，并在所述一个或多个喷嘴12中与燃料混合，然后在燃烧室22中点燃，从而产生具有高温和高压的燃烧气体。
图2所示为根据本发明的一项实施例的喷嘴12的剖视图，以及图3所示为根据本发明的一项实施例的喷嘴12的侧视截面图。如图2和图3所示，喷嘴12可包括法兰30、入口流量调节器32、单片旋流器34、燃烧管36和扩散喷嘴38。法兰30可以螺栓连接或其他方式连接到一端的端盖18上，且以焊接、螺栓连接或其他方式连接到另一端的单片旋流器34的上游。法兰30内的内部通道40在端盖18和单片旋流器34之间建立流体连通。法兰30可由能够承受预计温度的钢或钢合金制成，且可制成环形或圆锥形以减小在压缩的工作流体围绕法兰30流动然后流入入口流量调节器32中时产生的流动阻力。
入口流量调节器32可周向包围法兰30和/或单片旋流器34的至少一部分，从而当压缩的工作流体流经或穿过单片旋流器34时改善压缩的工作流体的流速分布。入口流量调节器32可包括带孔滤网和/或一个或多个导流装置。或者(或此外)，如图2和图3所示，入口流量调节器32可包括具有钟口状开口42的环形套管32，且环形套管32可在法兰30和/或单片旋流器34和环形套管32之间形成流道44。
图4所示为图2和图3所示的单片旋流器34的剖视图。如图所示，单片旋流器34是由能够承受预计温度的钢或钢合金锻成或铸成的单个或单片部件。单片旋流器34大体包括中心体46、多个轮叶48和/或罩体50。中心体46大体包括与喷嘴12的轴向中心线52对齐或沿所述轴向中心线52延伸的空间管或环形管46，以经过单片旋流器34建立流体连通。如图2至图4所示，单片旋流器34可进一步包括处于中心体46的至少一部分内的管道54，以及在管道54和中心体46之间径向延伸的至少一个支撑件56(图4中未图示)。这样，管道54在管道54和中心体46之间形成环形空间58，以使燃料、稀释剂或压缩的工作流体等流体较容易地穿过单片旋流器34。
多个轮叶48可从中心体46沿径向延伸，且可包括弯曲或带角的轮叶，以向流过轮叶48上方的燃料和/或压缩的工作流体施加切向速度。如图2至图4中进一步所示，穿过中心体46和轮叶48的燃料通道60可为即将经过轮叶48中的计量孔62进行分配的燃料提供流体连通。计量孔62可位于轮叶48的一侧或两侧上，和/或位于轮叶48的叶尖上。因此，燃料供应可依次流经法兰30中的内部通道40、中心体46中的环形空间58和燃料通道60，然后流出轮叶48中的计量孔62。这样，压缩的工作流体可流经流道44，然后与从轮叶48中的计量孔62注入流道44中的燃料混合。
罩体50周向包围中心体46和/或轮叶48的至少一部分，以使流道44可轴向延伸穿过单片旋流器34。因此，罩体50可容纳且引导燃料和压缩的工作流体的混合物流经流道44，然后流过轮叶48的上方。
如图2和图3所示，燃烧管36周向包围扩散喷嘴38和/或单片旋流器34的至少一部分，以容纳并引导燃料和压缩的工作流体的混合物流经喷嘴12。燃烧管36可以焊接、螺栓连接或其他方式连接到单片旋流器34，且可向单片旋流器34的下游轴向延伸。
扩散喷嘴38为燃料和/或压缩的工作流体提供流体连通，使其从单片旋流器34流经喷嘴12。如图2和图3所示，扩散喷嘴38可包括下游端处具有燃料孔64的空间管或环形管38。扩散喷嘴38可位于燃烧管36内的中心，且可连接到单片旋流器34且从单片旋流器34向下游延伸。具体而言，扩散喷嘴38可以焊接、螺栓连接或其他方式连接到管道54和/或中心体46，如图2和图3所示。因此，燃料可流经法兰30、中心体46中的管道54和扩散喷嘴38中的燃料孔64。此外，穿过罩体50、轮叶48和中心体46的连续通道66可使压缩的工作流体流经单片旋流器34，以首先稀释流经中心体46中的管道54的燃料，然后再使燃料从扩散喷嘴38流出。
图5所示为根据本发明的一项替代性实施例的喷嘴70的侧视截面图。在此项特定实施例中，喷嘴70大体包括法兰72、单片旋流器74、罩体76和扩散喷嘴78。法兰72可以螺栓连接或其他方式连接到一端的端盖18上，且以焊接、螺栓连接或其他方式连接到另一端的单片旋流器74的上游。同样地，法兰72内的内部通道80在端盖18和单片旋流器74之间建立流体连通。法兰72可由能够承受预计温度的钢或钢合金制成，且可制成环形或圆锥形以减小在压缩的工作流体围绕法兰72流动然后流入罩体76中时产生的流动阻力。
图6所示为图5所示的单片旋流器74的剖视图。如图所示，单片旋流器74也是由能够承受预计温度的钢或钢合金锻成或铸成的单个或单片部件。在此项特定实施例中，单片旋流器74大体包括中心体82和多个轮叶84，如前文结合图4所示实施例进行的说明。具体而言，中心体82大体包括与喷嘴70的轴向中心线86对齐或沿所述轴向中心线86延伸的空间管或环形管82，以经过单片旋流器74提供流体连通。如图5和图6所示，单片旋流器74可进一步包括位于中心体82的至少一部分内的管道88，以及在管道88和中心体82之间径向延伸的至少一个支撑件90(图6中未图示)。这样，管道88在管道88和中心体82之间形成环形空间92，以使燃料、稀释剂或压缩的工作流体等流体较容易地穿过单片旋流器74。
多个轮叶84可从中心体82沿径向延伸，且可包括弯曲或带角的轮叶，以向流过轮叶84上方的燃料和/或压缩的工作流体施加切向速度。如图5和图6中进一步所示，穿过中心体82和轮叶84的燃料通道94可为即将通过轮叶84中的计量孔96分配的燃料提供流体连通。计量孔96可位于轮叶84的一侧或两侧上，和/或在轮叶84的叶尖上。因此，燃料供应可依次流经法兰72中的内部通道80、中心体82中的环形空间92和燃料通道94，然后流出轮叶84中的计量孔96。
在图5和图6所示的实施例中，罩体76是与单片旋流器74分开的独立部件，且罩体76执行上文中结合图2至图4所示实施例进行说明的入口流道32、罩体50和燃烧管36所提供的功能。具体而言，罩体76可以焊接、螺栓连接或其他方式连接到单片旋流器74，且可向单片旋流器74的上游和/或下游延伸。在单片旋流器74的上游，罩体76可包括具有钟口状开口98的环形套管76，其中环形套管76周向包围法兰72和/或单片旋流器74的至少一部分，从而当压缩的工作流体流经或穿过单片旋流器74时改善压缩的工作流体的流速分布。环形套管76可在法兰72和/或单片旋流器74和环形套管76之间形成流道100，且压缩的工作流体可流经流道100，然后与从轮叶84中的计量孔96注入流道100内的燃料混合。
沿着单片旋流器74的轴向长度，罩体76可周向包围中心体82和/或轮叶84的至少一部分，以使流道100可轴向延伸穿过单片旋流器74。因此，罩体76可容纳且引导燃料和压缩的工作流体的混合物流经流道100，然后流过轮叶84的上方。在单片旋流器74的下游，罩体76可周向包围扩散喷嘴78和/或单片旋流器74的至少一部分，以容纳且引导燃料和压缩的工作流体的混合物流经喷嘴70。
扩散喷嘴78为燃料和/或压缩的工作流体提供流体连通，使其从单片旋流器74流经喷嘴70。如图5所示，扩散喷嘴78可包括下游端处具有燃料孔102的空间管或环形管78。扩散喷嘴78可位于燃烧管76内的中心，且可连接到单片旋流器74且从单片旋流器74向下游延伸。具体而言，扩散喷嘴78可以焊接、螺栓连接或其他方式连接到管道88和/或中心体82，如图5所示。因此，燃料可依次流经法兰72、中心体82中的管道88和扩散喷嘴78中的燃料孔102。此外，穿过罩体76、轮叶84和中心体82的连续通道104可使压缩的工作流体流经单片旋流器74，以首先稀释流经喷嘴70的燃料流，然后再使燃料经过燃料孔102从扩散喷嘴78流出。
上文所述以及图2至图6中所示的各实施例可提供制造燃烧室喷嘴12、70的方法。具体而言，所述方法可包括铸造具有中心体46、82和从中心体46、82沿径向延伸的多个轮叶48、84的单片旋流器34、74。在各特定实施例中，单片旋流器48也可包括罩体50，如图4所示。所述方法可进一步包括，在中心体46、82的上游将环形法兰30、72连接到单片旋流器34、74，和/或周向围绕多个轮叶48、84的至少一部分连接罩体76和/或燃烧管36。这样，所述方法通过使用单片旋流器34、74消除了钎焊接点，从而提高了燃烧室喷嘴12、70设计的持久性，并且降低了设计的复杂性。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。
Claims (12)
1.一种燃烧室喷嘴(12)，其包括：
单片旋流器(34)，其中所述单片旋流器(34)包括
沿所述单片旋流器(34)轴向延伸的中心体(46)；
所述中心体(46)内的第一燃料通道(38)；以及
从所述中心体(46)沿径向延伸的多个轮叶(48)。
2.根据权利要求1所述的燃烧室喷嘴(12)，其特征在于，所述单片旋流器(34)进一步包括在所述中心体(46)的至少一部分内的管道(54)，其中所述管道(54)在所述管道(54)和所述中心体(46)之间形成第二燃料通道(58)。
3.根据权利要求2所述的燃烧室喷嘴(12)，其特征在于，所述单片旋流器(34)进一步包括在所述管道(54)和所述中心体(46)之间径向延伸的至少一个支撑件(56)。
4.根据权利要求2至3中一项权利要求所述的燃烧室喷嘴(12)，其特征在于，所述第二燃料通道(58)延伸穿过所述中心体(46)和所述多个轮叶(48)。
5.根据前述权利要求中一项权利要求所述的燃烧室喷嘴(12)，其特征在于，进一步包括，周向包围所述单片旋流器(34)的至少一部分的罩体(50)。
6.根据权利要求5所述的燃烧室喷嘴(12)，其特征在于，进一步包括，穿过所述罩体(50)和所述多个轮叶(48)进入所述中心体(46)内的连续通道(66)。
7.根据权利要求5至6中一项权利要求所述的燃烧室喷嘴(12)，其特征在于，所述罩体(50)沿所述单片旋流器(34)的上游轴向延伸，且沿所述单片旋流器(34)的下游轴向延伸。
8.根据权利要求5至7中一项权利要求所述的燃烧室喷嘴(12)，其特征在于，所述罩体(50)包括位于一端的钟口状(42)开口。
9.根据前述权利要求中一项权利要求所述的燃烧室喷嘴(12)，其特征在于，进一步包括，连接到所述单片旋流器(34)的上游的环形法兰(30)。
10.一种制造燃烧室喷嘴(12)的方法，其包括：
铸造一种单片旋流器(34)，其中所述单片旋流器(34)包括中心体(46)和从所述中心体(46)沿径向延伸的多个轮叶(48)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括，将环形法兰(30)连接到所述单片旋流器(34)的上游。
12.根据权利要求10至11中一项权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括，周向围绕所述单片旋流器(34)的至少一部分连接罩体(50)。
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