CN102818283B - 燃烧器喷嘴和用于改造燃烧器喷嘴的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃烧器喷嘴和用于改造燃烧器喷嘴的方法，所述喷嘴包括具有轴向中线的下游表面；穿过所述下游表面的多个通道提供穿过所述下游表面的流体连通，且每个通道的下游区段具有截头圆锥形或截头球形中的至少一者。所述用于改造燃烧器喷嘴的方法，包括：加工主体的下游侧，以移除多个通道中的重铸表面，所述多个通道提供穿过所述主体的流体连通。所述方法可进一步包括：加工每个通道中的下游区段，以在每个通道中接近所述主体的所述下游侧的位置形成截头圆锥形表面、或截头球形表面中的至少一个。
Description
技术领域
本发明大体上涉及燃烧器喷嘴和用于改造燃烧器喷嘴的方法。确切地说，本发明的各种实施例提供一种燃烧器喷嘴，其包括一个或多个具有截头圆锥形或截头球形表面的通道，用以增强燃烧器喷嘴的抗疲劳开裂性。
背景技术
燃烧器通常用于点燃燃料，以产生高温高压的燃烧气体。燃烧器喷嘴通常包括位于喷嘴头上的主体或下游表面，且工作流体和/或燃料经由喷嘴头供应到进行燃烧的燃烧室。喷嘴头一侧上的工作流体和燃料与喷嘴头另一侧上的燃烧气体之间的温度差会使喷嘴头两侧之间形成实质热梯度（thermalgradient），因此可能导致喷嘴头中出现开裂或过早失效。因此，喷嘴头通常用金属合金煅制，也可涂覆有热障涂层，以增强抗疲劳开裂性。作为替代或补充，可形成穿过喷嘴头的冷却孔或通道，以允许一部分工作流体和/或燃料穿过喷嘴头，从而冷却下游表面、并减少喷嘴头两侧之间的温度差。
可使用所属领域中已知的各种方法将所述孔或通道加工到喷嘴头中。例如，可使用电子放电加工（EDM）来熔化煅制的金属合金，以形成所述孔或通道。但是，与EDM工艺关联的高温会在所述孔或通道内留下重铸层，且所述重铸层的抗疲劳开裂性通常显著低于原来的煅制金属合金。此外，由于所述孔和通道与喷嘴头的轴向中线成一定角度以增强对喷嘴头的冷却，因此可能导致喷嘴头的无支撑部分更加易于疲劳开裂。尽管在某些情况下，由重铸层和/或无支撑部分引起的额外开裂仅仅是表面上的，但严重开裂可能导致喷嘴头的材料损耗，且可能导致下游损坏。因此，需要提供一种改进的燃烧器喷嘴和/或一种用于改造燃烧器喷嘴的方法，以增强抗疲劳开裂性。
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一种燃烧器喷嘴，其包括具有轴向中线的下游表面。多个穿过所述下游表面的通道可提供穿过所述下游表面的流体连通。每个通道的下游区段具有截头圆锥形或截头球形中的至少一种形状。
每个通道以与所述下游表面的所述轴向中线大体平行的方式对齐设置。每个通道的所述下游区段是对称的，或者是不对称的。每个下游区段与所述下游表面成一定角度，且所述下游区段与所述下游表面之间的角度大于或等于约90度；或者，每个下游区段与所述下游表面成一定角度，且所述下游区段与下游表面之间的角度环绕每个下游区段的至少一部分为钝角。所述燃烧器喷嘴进一步包括设于每个通道的上游区段中的重铸表面。在每个通道中，所述下游区段与所述上游区段成一定角度，且所述下游区段与所述上游区段之间的角度大于或等于约90度。
本发明的另一项实施例是一种燃烧器喷嘴，其包括具有上游侧和下游侧的主体。多个穿过所述主体的通道可提供从所述上游侧到所述下游侧的流体连通。每个通道中的截头圆锥形表面或截头球形表面中的至少一个设置于接近所述主体的所述下游侧。
所述多个通道以与所述主体的轴向中线平行的方式对齐设置。每个通道是对称的，或者是不对称的。每个截头圆锥形或截头球形表面与所述下游侧成一定角度，所述角度大于或等于约90度；或者，每个截头圆锥形或截头球形表面与所述下游侧成一定角度，所述角度环绕所述截头圆锥形或截头球形表面的至少一部分为钝角。所述燃烧器喷嘴进一步包括每个通道的上游区段中的重铸表面。在每个通道中，所述上游区段与所述截头圆锥形或截头球形表面成一定角度，且所述角度大于或等于约90度。
本发明也包括一种用于改造燃烧器喷嘴的方法，其包括：加工主体的下游侧，以移除多个通道中的一个重铸表面，所述多个通道可提供穿过所述主体的流体连通。所述方法可进一步包括：加工每个通道中的下游区段，以在每个通道中接近所述主体的所述下游侧的位置形成截头圆锥形表面或截头球形表面中的至少一个。
所述的方法可进一步包括加工位于每个通道中接近所述主体的所述下游侧的对称下游区段；或者进一步包括加工每个通道中接近所述主体的所述下游侧的不对称下游区段。所述方法可进一步包括加工所述下游区段与所述下游侧之间的角度，其中所述角度环绕整个下游区段大于或等于约90度。
所属领域的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，针对所属领域的技术人员，完整且可实现地详细揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1是示例性燃烧器的简化截面图；
图2是图1所示的示例性燃烧器喷嘴的截面透视图；
图3是图2所示的示例性喷嘴头的放大截面透视图；
图4是根据本发明的第一实施例改造图3所示的示例性喷嘴头所得的喷嘴头的平面侧视图；
图5是根据本发明的第一实施例改造的、图4所示的示例性喷嘴头的平面侧视图；
图6是图2所示的示例性喷嘴头的放大截面透视图；
图7是根据本发明的第二实施例改造图6所示的示例性喷嘴头所得的喷嘴头的平面侧视图；
图8是根据本发明的第二实施例改造的、图6所示的示例性喷嘴头的平面侧视图；
图9是根据本发明的第三实施例改造图6所示的示例性喷嘴头所得的喷嘴头的平面侧视图；以及
图10是根据本发明的第三实施例改造图6所示的示例性喷嘴头所得的喷嘴头的平面侧视图。
元件符号列表：
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各实施例，附图中将图示本发明实施例的一项或多项实例。具体实施方式中使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和说明中相同或类似的标号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，所属领域的技术人员可对本发明做各种修改和变化。例如，作为一项实施例一部分的特征可用于另一项实施例中，从而得到又一项实施例。因此，本发明应涵盖所有基于所附权利要求书及其等效物的范围内的修改和变化。
本发明的各种实施例提供一种燃烧器喷嘴和一种用于改造所述燃烧器喷嘴方法，用以增强所述喷嘴的抗疲劳开裂性。可通过本发明各种实施例中的一个或多个特征或特性来提高燃烧器喷嘴的抗疲劳开裂性。例如，燃烧器喷嘴可包括穿过主体或下游表面的多个通道，且每个通道可包括截头圆锥形或截头球形的表面或下游区段。截头圆锥形或截头球形的表面或下游区段可减少或消除主体或下游表面的无支撑部分。在特定实施例中，截头圆锥形或截头球形表面或下游区段可替代每个通道中之前存在的重铸表面，从而进一步增强抗疲劳开裂性。尽管出于说明目的，本发明的示例性实施例将大体在并入燃气涡轮机的燃烧器的背景下进行描述，但所属领域的技术人员将容易了解，除非在权利要求中特别指出，否则本发明的各实施例可用于任意燃烧器，且并不限于燃气涡轮机燃烧器。
图1所示是示例性燃烧器10的简化截面图，例如将包括在燃气涡轮机中的燃烧器。外壳12可环绕燃烧器10，以容纳流向燃烧器10的压缩工作流体。如图所示，燃烧器10可包括一个或多个径向设置在盖16与端盖18之间的喷嘴14。燃烧器10的各种实施例可包括不同数目和配置的喷嘴14。盖16和衬里（或称衬管）20大体围绕并界定位于喷嘴14下游的燃烧室22，且衬里20下游的过渡连接件24将燃烧室22连接到涡轮入口26。本说明书所用术语“上游”和“下游”指各部件在流体通道中的相对位置。例如，如果流体从部件A流向部件B，则部件A在部件B的上游。相反，如果部件B从部件A获取流体流，则部件B在部件A的下游。
具有导流孔30的冲击套管28可环绕过渡连接件24设置，以在冲击套管28与过渡连接件24之间形成环形通道32。压缩的工作流体可穿过冲击套管28中的导流孔30、流过环形通道32，从而提供对过渡连接件24和衬里20的对流冷却。当压缩的工作流体到达端盖18时，压缩的工作流体逆流穿过一个或多个喷嘴14，所述工作流体在所述喷嘴14中与燃料混合，然后在燃烧室22中点燃以产生高温高压的燃烧气体。
图2提供图1所示的示例性喷嘴14的截面透视图。如图所示，喷嘴14可包括防护罩34，其周向环绕中心体36的至少一部分，从而在防护罩34与中心体36之间形成环形通道38。工作流体的至少一部分可经由环形通道38进入喷嘴14中，且位于防护罩34与中心体36之间的一个或多个旋流器轮叶40可向流过喷嘴14的压缩工作流体施加切向速度。中心体36可从端盖18轴向延伸到喷嘴头42，且喷嘴头42可与喷嘴14的轴向中线44对齐或平行。通过这种方式，中心体36提供从端盖18穿过中心体36、并通至喷嘴头42外的流体连通。
图3提供图2所示的示例性喷嘴头42的放大截面透视图。如图所示，喷嘴头42大体包括具有上游侧48、下游侧50和下游表面52的主体46。主体46和/或下游表面52可由金属合金或粉末金属铸造、煅制或烧结而成，从而增强喷嘴头42中接近燃烧室22处的抗疲劳性。喷嘴头42可进一步包括多个穿过主体46和/或下游表面52的孔或通道54。如图3所示的特定实施例中所示，孔或通道54可以大体与轴向中线44平行的方式设置，且提供从上游侧48到下游侧50、或穿过主体46和/或下游表面52的流体连通。通过这种方式，通道54允许诸如燃料、氧化剂或稀释剂等流体流过主体46和/或下游表面52，从而冷却主体46、主体46的下游侧50、和/或下游表面52。
可使用所属领域中已知的各种方法将孔或通道54加工到喷嘴头42中。例如，可使用电子放电加工（EDM）来熔化煅制的金属合金，从而形成孔或通道54。但是，如图3所示，与EDM工艺关联的高温会在孔或通道54内留下重铸层或表面56，而重铸表面56的抗疲劳开裂性通常显著低于原来的煅制金属合金。
图4和图5提供根据本发明的第一实施例改造图3所示的示例性喷嘴头42所得的喷嘴头的平面侧视图。如图所示，诸如钻机或磨机等机械可设置于主体46上方，且与一个或多个通道54精确对齐。钻头58或其他研磨表面随后可插入通道54中，以移除下游表面52和通道54的内壁的至少一部分。例如，钻头58可包括截头圆锥形60，以在每个通道54内接近主体46的下游侧50的位置形成对应的、或互补的截头圆锥形或表面62。如图5所示，所得到的通道54包括上游区段64和下游区段66，其中易疲劳的重铸表面56从下游区段66移除，但仍留在上游区段64中。
在图4和图5所示的特定实施例中，钻头58以与轴向中线44大体平行的方式插入通道54中，因此钻头58的纵轴与通道54的纵轴大体平行和一致（coincideswith）。因此，所得的每个通道54，包括下游区段66，大体对称。如图5进一步所示，每个下游区段66与下游侧50或下游表面52成一定角度68，且下游区段66与下游侧50或下游表面52之间的角度68大于或等于约90度。同样地，每个下游区段66与上游区段64成一定角度70，且下游区段66与上游区段64之间的角度70大于或等于约90度。下游区段66与下游侧50、或下游表面52和/或上游区段64之间的角度68、70通过分别对下游侧50或下游表面52和/或上游区段64提供额外支撑来减少疲劳开裂。
图6提供图2所示的另一个示例性喷嘴头42的放大截面透视图。如图所示，喷嘴头42同样大体包括上文参阅图3到图5所示的喷嘴头42的所述的主体46、上游侧48、下游侧50、下游表面52、多个通道54、以及重铸表面56。在图6所示的特定实施例中，通道54相对于轴向中线44径向和/或轴向倾斜设置，以通过使流过通道54的流体旋动来增强对下游侧50或下游表面52的冷却。
图7和图8提供图6所示的根据本发明的第二实施例改造的示例性喷嘴头42的平面侧视图。如图所示，诸如钻机或磨机等机械可同样地设置于主体46上方，且钻头58或其他研磨表面可插入通道54中，以移除下游表面52和通道54的内壁的至少一部分。钻头58的截头圆锥形60可同样在每个通道54内接近主体46的下游侧50的位置形成相应的、或互补的截头圆锥形或表面62。如图8所示，易疲劳的重铸表面56可同样地从下游区段66被移除，但仍留在上游区段64中。
在图7和图8所示的特定实施例中，钻头58以与轴向中线44成一定角度的方式插入通道54中，因此钻头58的纵轴同样与通道54的纵轴大体平行和一致（coincideswith）。因此，所得的每个通道54，包括下游区段66，大体不对称。具体而言，如图8所示，下游区段66与下游侧50或下游表面52之间的角度68环绕下游区段66的一部分为约90度，环绕下游区段66的剩余部分为钝角。
图9和图10提供根据本发明的第三实施例改造图6所示的示例性喷嘴头42所得的喷嘴头的平面侧视图。在该特定实施例中，钻头58可包括球头形、或截头球形72，以在每个通道54内接近主体46的下游侧50的位置形成相应的、或互补的截头球形或表面74。钻头58的截头球形72允许将钻头58以与轴向中线44大体平行、或与下游侧50大体垂直的方式插入通道54中，而不移除通道54一侧上的过量材料，同时还避免在截头球形表面74与下游侧50之间形成锐角。具体而言，截头球形或表面74与下游侧50或下游表面52成角度76，所述角度76环绕下游区段66的一部分为约90度、环绕下游区段66的剩余部分成钝角。此外，截头球形或表面74与上游区段64成角度78，所述角度78大于或等于约90度。
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，以及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 (11)
1.一种燃烧器喷嘴(14)，包括：
防护罩；
中心体，其至少部分设置于所述防护罩内以使得在所述中心体和所述防护罩之间界定环形通道；以及
喷嘴头，其设置于所述中心体的下游端，所述喷嘴头包括：
具有轴向中线(44)的下游表面(52)；
穿过所述下游表面(52)的多个通道(54)，其中所述多个通道(54)提供穿过所述下游表面(52)的流体连通，所述多个通道中的每个通道包括上游区段和下游区段；以及
所述每个通道(54)的所述上游区段具有重铸表面，其中所述重铸表面是所述上游区段经熔化再成形的部分，所述上游区段和所述重铸表面由相同材料形成；
其中所述每个通道的所述下游区段(66)具有截头圆锥形(62)或截头球形(74)中的至少一种形状。
2.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴(14)，其特征在于，每个通道(54)以与所述下游表面(52)的所述轴向中线(44)大体平行的方式对齐设置。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器喷嘴(14)，其特征在于，每个通道(54)的所述下游区段是对称的。
4.根据权利要求1或2所述的燃烧器喷嘴(14)，其特征在于，每个通道(54)的所述下游区段(66)是不对称的。
5.根据权利要求1或2所述的燃烧器喷嘴(14)，其特征在于，每个下游区段(66)与所述下游表面(52)成一定角度(68)，且所述下游区段(66)与所述下游表面(52)之间的角度(68)大于或等于90度。
6.根据权利要求1或2所述的燃烧器喷嘴(14)，其特征在于，每个下游区段(66)与所述下游表面(52)成一定角度(68)，且所述下游区段(66)与下游表面(52)之间的角度(68)环绕每个下游区段(66)的至少一部分为钝角。
7.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴(14)，其特征在于，在每个通道(54)中，所述下游区段(66)与所述上游区段(64)成一定角度(70)，且所述下游区段(66)与所述上游区段(64)之间的角度(70)大于或等于90度。
8.一种用于改造燃烧器喷嘴(14)的方法，包括：
a.加工主体(46)的下游侧(50)，以移除多个通道(54)中的重铸表面(56)，所述多个通道提供穿过所述主体(46)的流体连通；以及
b.加工每个通道(54)中的下游区段(66)，以在每个通道中接近所述加工主体(46)的所述下游侧(50)的位置形成截头圆锥形表面或截头球形表面中的至少一个(62、74)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括加工每个通道(54)中接近所述加工主体(46)的所述下游侧(50)的对称下游区段(66)。
10.根据权利要求8到9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括加工每个通道(54)中接近所述加工主体(46)的所述下游侧(50)的不对称下游区段(66)。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括加工所述下游区段(66)与所述下游侧(50)之间的角度(76)，其中所述角度(76)环绕整个下游区段(66)大于或等于90度。
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