CN109140504A - 涡轮机燃料喷射器的空气动力学紧固 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于涡轮机的预混合燃料喷嘴组件；其具有包括外套的至少一个燃料喷射器，所述外套具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面。所述第一端具有圆柱形密封表面，所述第二端具有至少一个扳紧凹口。公开了具有孔的环形毂，所述孔具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述孔构造成在其中至少部分容纳所述燃料喷射器，且所述环形毂还具有围绕所述第一端的圆锥形座。所述燃料喷射器圆柱形密封表面向内压成形以在所述燃料喷射器被拧入所述孔接触所述环形毂圆锥形座时形成气密密封。

Description

涡轮机燃料喷射器的空气动力学紧固
技术领域
本公开大体上涉及涡轮机，并且更具体地涉及具有空气动力学紧固的燃料喷射器的燃烧器预混合器。
背景技术
燃气涡轮机通常通过在一个或多个燃烧器中燃烧燃料和空气的混合物以产生高能量燃烧气体，高能量燃烧气体通过涡轮，从而使涡轮转子轴旋转，从而实现操作。转子轴的旋转能可通过联接到转子轴的发电机被转换成电能。每个燃烧器通常包括在燃烧区的上游提供燃料和空气的递送的燃料喷嘴，使用燃料和空气的预混合作为保持氧化氮(NOx)排放很低的手段。
气体燃料，例如天然气常常被用作燃气涡轮发动机中的可燃烧流体以产生电能。在一些情况下，可能期望燃烧系统能够燃烧液体燃料，例如馏出油。在一种典型构造中，可通过在燃料喷嘴的中心主体内延伸的盒提供液体燃料喷射。典型的液体盒具有形成于盒内的雾化喷嘴，使得喷嘴的维修(例如清洁)和更换不切实际且困难。
发明内容
本发明的各方面和优势将部分在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
示范性实施例可以是一种用于涡轮机的预混合燃料喷嘴组件，其具有包括外套的至少一个燃料喷射器，所述外套具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面。所述第一端具有圆柱形密封表面，所述第二端具有至少一个扳紧凹口。公开了具有孔的环形毂，所述孔具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述孔构造成在其中至少部分容纳所述燃料喷射器，且所述环形毂还具有围绕所述第一端的圆锥形座。所述燃料喷射器圆柱形密封表面向内压成形(swage)以在所述燃料喷射器被拧入所述孔接触所述环形毂圆锥形座时形成气密密封。
另一实施例可以是具有压缩机和与所述压缩机连通的燃烧器的涡轮机，其中，所述燃烧器具有如上面描述的至少一个预混合燃料喷嘴组件。
除了上述示范性实施例之外，本发明还提供以下技术方案：
技术方案1.一种用于涡轮机的预混合燃料喷嘴组件；其包括：
包括外套的至少一个燃料喷射器，所述外套具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述第一端包括圆柱形密封表面，所述第二端包括至少一个扳紧凹口；
包括孔的环形毂，所述孔具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述孔构造成在其中至少部分容纳所述燃料喷射器，所述环形毂还包括围绕所述第一端的圆锥形座；以及
其中，所述燃料喷射器圆柱形密封表面向内压成形以在所述燃料喷射器被拧入所述孔接触所述环形毂圆锥形座时形成气密密封。
技术方案2.根据技术方案1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述至少一个扳紧凹口包括凹陷的圆柱形孔、凹陷的椭圆形孔、凹陷的方形孔和其组合。
技术方案3.根据技术方案1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述燃料喷射器包括雾化液体燃料喷射器、平面射流液体燃料喷射器、简单的孔口液体燃料喷射器和其组合。
技术方案4.根据技术方案1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述孔与液体燃料通道连通。
技术方案5.根据技术方案4所述的燃料喷嘴组件，其中，所述液体燃料通道中包括燃料室。
技术方案6.根据技术方案5所述的燃料喷嘴组件，其中，在所述液体燃料通道和所述液体燃料喷射器之间设置热阻断。
技术方案7.根据技术方案1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述外套包括：
在所述第一端和所述第二端之间的内部通道；以及
围绕所述第二端设置的孔口，其中，所述孔口比所述内部通道窄。
技术方案8.根据技术方案7所述的燃料喷嘴组件，其还包括设置在所述内部通道内的旋流器。
技术方案9.根据技术方案1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述外套的第二端包括座表面。
技术方案10.根据技术方案9所述的燃料喷嘴组件，其中，所述孔的第二端包括座表面，所述座表面构造成当所述液体燃料喷射器被拧入所述孔中时与所述液体燃料喷射器的座表面配合。
技术方案11.一种涡轮机，其包括：
压缩机；
与所述压缩机连通的燃烧器，所述燃烧器包括至少一个预混合燃料喷嘴组件，所述预混合燃料喷嘴组件包括：
包括外套的至少一个燃料喷射器，所述外套具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述第一端包括圆柱形密封表面，所述第二端包括至少一个扳紧凹口；
包括孔的环形毂，所述孔具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述孔构造成在其中至少部分容纳所述燃料喷射器，所述环形毂还包括围绕所述第一端的圆锥形座；以及
其中，所述燃料喷射器圆柱形密封表面向内压成形以在所述燃料喷射器被拧入所述孔接触所述圆锥形座时形成气密密封。
技术方案12.根据技术方案11所述的涡轮机，其中，所述至少一个扳紧凹口包括凹陷的圆柱形孔、凹陷的椭圆形孔、凹陷的方形孔和其组合。
技术方案13.根据技术方案11所述的涡轮机，其中，所述燃料喷射器包括雾化液体燃料喷射器、平面射流液体燃料喷射器、简单的孔口液体燃料喷射器和其组合。
技术方案14.根据技术方案11所述的涡轮机，其中，所述孔与液体燃料通道连通。
技术方案15.根据技术方案14所述的涡轮机，其中，所述液体燃料通道中包括燃料室。
技术方案16.根据技术方案15所述的涡轮机，其中，在所述液体燃料通道和所述液体燃料喷射器之间设置热阻断。
技术方案17.根据技术方案11所述的涡轮机，其中，所述外套包括：
在所述第一端和所述第二端之间的内部通道；以及
围绕所述第二端设置的孔口，其中，所述孔口比所述内部通道窄。
技术方案18.根据技术方案17所述的涡轮机，其还包括设置在所述内部通道内的旋流器。
技术方案19.根据技术方案11所述的涡轮机，其中，所述外套的第二端包括座表面。
技术方案20.根据技术方案19所述的涡轮机，其中，所述孔的第二端包括座表面，所述座表面构造成当所述液体燃料喷射器被拧入所述孔中与所述液体燃料喷射器的座表面配合。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解。并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与所述描述一起用以解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中阐述针对所属领域的普通技术人员的全面和可让人实现的公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，其中：
图1是例如燃气涡轮的示范性涡轮机的示意图；
图2是根据示范性实施例的各方面的具有预混器燃料喷嘴组件的燃烧器的侧视图；
图3是根据示范性实施例的各方面的预混器喷嘴组件的示意图；
图4是液体燃料喷射器歧管组件中的示范性预混器喷嘴组件的截面图；
图5是示范性液体燃料喷射器的透视图；
图6是示范性液体燃料喷射器的侧视图；以及
图7是用来去除液体燃料喷射器的示范性工具的透视图。
在本说明书和图式中重复使用参考标号旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，其中的一个或多个实例示于附图中。详细描述中使用数字和字母标示来指代图中的特征。图中和描述中使用相同或类似的标记来指代本发明的相同或类似部分。如本文中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，且并不在于表示个别部件的位置或重要性。属于“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。举例来说，“上游”是指流体流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，并且术语“轴向地”是指基本上平行于特定部件的轴向中心线的相对方向。
每个实例作为对本发明的解释而提供，而非限制本发明。实际上，对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下在本发明中进行修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可用在另一实施例上以产生又一实施例。因此，希望本发明涵盖此类属于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。虽然出于说明目的而将大体上在工业燃气涡轮的上下文中描述本发明的示范性实施例，但所属领域的普通技术人员应容易理解，除非在权利要求书中具体叙述，否则本发明的实施例可应用于任何涡轮机，包括但不限于航改涡轮、船用燃气涡轮以及航空发动机涡轮。
常规的燃气涡轮液体燃料系统使用独立的后膛加载的液体喷射器设计，在喷嘴已经被固定到端盖之后总体组装，使得喷射器在后端自由运动。由于这种运动，在正常操作状态中部件易于磨损，会在达到燃烧间隔之前引起故障。
本文中公开的液体燃料喷射器可被安装在环绕燃料喷嘴毂的径向位置或者在燃料喷嘴的后端的轴向位置，因此避免常规的后膛加载设计。可使用特定的维修工具将喷射器拧入到组件中。喷射器可具有金属-金属密封，使得当喷射器被内部加压时，喷射器壁被压迫以支撑密封。如果液体燃料喷射器或液体燃料回路需要维修，则可用维修工具取下喷射器并进行更换，或者不必将燃料喷嘴从其上层组件取下，就可清洁回路，去除流动路径中的任何阻塞物。液体燃料喷射器和毂之间的螺纹联接与特定的工装特征结合，使得不必拆卸整个头端就可取下喷射器。图3中描绘的双燃料喷嘴设计示出了完全集成气体和液体燃料的分配系统，其除了在操作中具有磨损和燃料泄露的较少风险之外还具有简化的上层组件。
现参考图式，其中相同数字指代相同部件，图1示出可并入有本发明的各种实施例的涡轮机10的实例，例如燃气涡轮。在所有图中一致的方向定向被定义为周向方向90、下游轴向方向92、上游轴向方向93和径向方向94。如所示，涡轮机10大体上包括具有安置在涡轮机10的上游端处的入口14的压缩机区段12和至少部分地包围压缩机区段12的壳体16。涡轮机10进一步包括具有在压缩机区段12下游的至少一个燃烧室20的燃烧区段18、至少部分地围绕燃烧区段18的压缩机排出壳体21和定位在燃烧区段18下游的涡轮区段22。如所示，燃烧区段18可包括多个燃烧室20。轴24轴向延伸穿过涡轮机10。
在操作中，空气26被抽吸到压缩机区段12的入口14中，且经过逐渐压缩以提供压缩空气28到燃烧区段18。压缩空气28流入燃烧区段18中且在燃烧室20中与燃料混合以形成可燃混合物。可燃混合物在燃烧室20中燃烧，由此产生热气体30，所述热气体从燃烧室20流动跨越涡轮喷嘴34的第一级32且进入涡轮区段22。涡轮区段大体上包括轴向上由相邻一行涡轮喷嘴34分隔开的一行或多行转子叶片36。转子叶片36通过转子盘连接到转子轴24。涡轮壳体38至少部分地包住转子叶片36和涡轮喷嘴34。所述行转子叶片36中的每行或一些行可在周向上由安置于涡轮壳体38内的防护罩块组合件40包围。热气体30在其流动通过涡轮区段22时快速膨胀。热能和/或动能从热气体30传递到转子叶片36的每一级，由此致使轴24旋转且产生机械功。轴24可连接到发电机(未示出)等负载以便产生电。此外或在替代方案中，轴24可用于驱动涡轮机的压缩机区段12。
图2是根据示范性实施例的各方面的具有带至少一个预混合燃料喷嘴100的预混器燃料头组件52的示范性燃烧器20的侧视图。如图2所示，在燃料头组件52中，通过预混合燃料喷嘴100在预混腔室150中执行燃料和空气的预混合。图3示出了如本文中描述的预混合燃料喷嘴100的实例。预混合燃料喷嘴100可用于燃烧器20等等。燃烧器20可使用任何配置的任何数目的预混合燃料喷嘴100。预混合燃料喷嘴100可包括外环形护罩110。外环形护罩110可从在其上游端上的空气入口120延伸，且可在其下游端处的燃烧区53附近终止。外环形护罩110可围绕内环形壁或毂130。毂130可从其上游端处的气体燃料喷嘴凸缘140延伸，且可在外环形护罩110的端部上游终止。外环形护罩110和毂130可在其之间限定预混合腔室150。预混合腔室150可以与来自压缩机12或其它地方的压缩空气流28(见图1和图2)连通。若干旋流叶片160也可从毂130延伸或者在外环形护罩110周围延伸。旋流叶片160可以具有任何适合的大小、形状或构造。若干燃料喷射口170可围绕旋流叶片160定位。燃料喷射口170可与燃料流172连通。带喷射口170的旋流叶片160因此提供燃料/空气混合和预混合火焰的稳定。在此实例中，流体燃料172可以是天然气流。本文中可使用其它类型的燃料。压缩空气流28和燃料流172可开始在预混合腔室150和旋流叶片160内混合，并流入燃烧区53中。可在本文中使用其它组件及其它配置。
预混合燃料喷嘴100也可包括限定用于不同类型的流体流的分立的环形通道的若干同心管。同心管可具有任何合适的大小、形状或构造。用于主燃料(例如天然气)流的气体通道180可从气体燃料喷嘴凸缘140延伸到围绕旋流叶片160的燃料喷射口170。使用中，预混合燃料喷嘴100将通过气体通道180和旋流叶片160的燃料喷射口170的燃料172(例如天然气)流与通过空气入口120来自压缩机12或其它的压缩空气流28混合。在燃烧区53中点燃之前，所述流可在旋流叶片160的下游形成漩涡，并在预混腔室150内混合。
预混合燃料喷嘴100还可包括液体燃料系统200。液体燃料系统200可提供第二燃料(例如蒸馏物、生物柴油、乙醇等)流。液体燃料系统200可包括液体燃料通道202。液体燃料通道202可从气体燃料喷嘴凸缘140延伸到径向或轴向定位的若干液体燃料喷射器204。液体燃料喷射器204可在如所示的单个平面内对准，和/或喷射器204可呈交错配置。可使用任何数目的液体燃料喷射器204。在一些情况下，液体燃料喷射器204可以是雾化液体燃料喷射器、平面射流喷射器和/或简单的孔口喷射器。本文中可以使用其它类型的燃料喷射器。本文中可以使用任何类型或组合的液体燃料喷射器。
如图4-6中描绘的，液体燃料喷射器204可以是雾化液体燃料喷射器。例如，每个液体燃料喷射器204可包括具有第一端208和第二端210的外套206，在第一端208和第二端210之间设置螺纹表面212。外套206可包括在第一端208和第二端210之间的内部通道214。内部通道214可以与设置在第二端210周围的孔口216连通。在一些情况下，孔口216可以比内部通道214更窄。
旋流器218可设置在内部通道214内。旋流器218可包括通向上凸缘222的下杆220。上凸缘222可包括定位在其中的若干槽224。在一些情况下，槽224可以成角度。可以使用任何数目的槽224。此外，若干支柱226可从下凸缘220延伸到内部通道214的表面。在一些情况下，形成于内部通道214内的唇部228可构造成邻接支柱226或与支柱226配合。本文中可以使用任何类型的旋流器。
毂130可包括具有第一端232和第二端234的孔230，螺纹表面236设置在第一端232和第二端234之间。孔230可构造成至少部分地在其中容置液体燃料喷射器204。孔230可以与液体燃料通道202连通。在一些情况下，液体燃料通道202可包括燃料室238。
液体燃料流因此可通过液体燃料通道202流动。当液体燃料流过内旋流器218的上凸缘222的槽224时可以被加速。所述流接着在通过窄孔口216时可被再次加速，并在进入预混合腔室150与其中的压缩空气流28混合时，雾化形成雾化喷液254。在一些情况下，液体燃料喷射器204可在旋流叶片160的下游安装到毂130周围，以便避免破坏总预混合燃料喷嘴100的空气动力学特性，或者避免对气体燃料操作时由于使气体燃料/空气混合物轮廓变形而破坏可操作性和/或排放标准。此外，至少一个扳紧凹口260定位在液体燃料喷射器204外套206的第二端210上，以使得能够在液体燃料喷射器歧管组件252中安装和取下液体燃料喷射器204。扳紧凹口260被定位并压成形为最小化预混合腔室150中的预混合燃料的流动干扰。扳紧凹口260可构造在液体燃料喷射器204的外套206中。扳紧凹口260可与预混合腔室150流体连通，并与预混合燃料的流动路径接触。扳紧凹口260可大体上凹陷到外套206与预混合燃料接触的端面中，且可压成形为圆柱形孔，从而最小化回流区，因此防止火焰稳定(flame holding)。扳紧凹口260的大小、位置和数量可在液体燃料喷射器204的几何约束之内变化。同样，扳紧凹口260的形状可变化，例如可使用凹陷的圆柱形孔、凹陷的椭圆形孔、凹陷的方形孔和其混合。扳紧凹口260的圆柱形孔可以与接触预混合燃料流动路径的外套206的端面齐平，且足够小以不引起明显的前台阶或后台阶。所述台阶可大致小于0.005英寸。
在一个实施例中，四个小的圆柱形扳紧凹口260以等间距环形模式被机加工到液体燃料喷射器204的外套206的端面中。此环形构造使得喷射器孔口216无几何干涉地被定位在燃料喷射器204的中心。可提供例如特征为“销”的活动扳手之类的工具249(见图7)以与扳紧凹口260互锁，使得液体燃料喷射器204旋转，从而将喷射器螺纹表面212与环形毂130螺纹表面236接合，并拧紧到适当的扭矩规格。也能通过扳紧凹口260取下液体燃料喷射器204。
用于将液体燃料喷射器204安装到环形毂130或从环形毂130取下液体燃料喷射器204的典型的六角螺母扳紧件，例如Allen(艾伦)式样，需要过大的间隙，以足够扳紧件进入，这也可导致不可接受的回流区。其它式样的扳紧特征与孔口216特性相对接，导致不可接受的喷射质量和/或不可接受的回流区尺寸。
为了确保在液体燃料喷射器204和毂130之间形成足够的气密密封，液体燃料喷射器204的第一端208可包括圆柱形密封表面240，液体燃料喷射器204的第二端210可包括座表面242。孔230可包括围绕第一端232的圆锥形座244，第一端232构造成当液体燃料喷射器204被拧入孔230中与液体燃料喷射器204的圆柱形密封表面240配合。以此方式，圆柱形密封表面240沿圆柱形座244向内压成形，在液体燃料喷射器204被拧入孔230时在其之间形成气密密封。圆柱形密封表面240和/或圆锥形座244的长度、厚度和/或角度可变化。孔230的第二端可包括座表面246，表面246构造成当液体燃料喷射器204被拧入孔230时与液体燃料喷射器204的座表面242配合。座表面242可设置和/或限制圆柱形密封表面240和圆锥形座244之间的接合量。除其它的之外，术语“压成形(swage)”含义是使部件进入被约束空间，以便减小部件的直径，在其之间产生密封。
圆柱形密封表面240和对应的圆锥形座244确保不必安装单独的密封部件，在液体燃料喷射器204和毂130之间有足够的气密密封。此密封布置确保燃料通过孔口216但不在液体燃料喷射器204周围流动。本布置不需要数百个附加的费用高的密封件，就能实现液体燃料喷射器204在毂130内的更紧密的压紧，产生较低的排放和更好的热保护。此外，液体燃料喷射器204和毂130之间的密封界面为液体燃料提供更加清洁的流动路径。在回路被关闭之后，流动路径可被冲洗干净。本布置还在喷射器204壳体的潮湿壁上的液体燃料202和环形毂130之间提供热阻断248。如图4可见，热阻断248防止在喷射器外套206的外表面和环形毂130的内表面之间除了在螺纹表面212之外的任何地方以及在密封表面240接触圆锥形座244之处的接触。这有助于消除在液体燃料喷射器204的潮湿壁上形成焦炭。
此书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本公开的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机的预混合燃料喷嘴组件；其包括：
包括外套的至少一个燃料喷射器，所述外套具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述第一端包括圆柱形密封表面，所述第二端包括至少一个扳紧凹口；
包括孔的环形毂，所述孔具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述孔构造成在其中至少部分容纳所述燃料喷射器，所述环形毂还包括围绕所述第一端的圆锥形座；以及
其中，所述燃料喷射器圆柱形密封表面向内压成形以在所述燃料喷射器被拧入所述孔接触所述环形毂圆锥形座时形成气密密封。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述至少一个扳紧凹口包括凹陷的圆柱形孔、凹陷的椭圆形孔、凹陷的方形孔和其组合。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述燃料喷射器包括雾化液体燃料喷射器、平面射流液体燃料喷射器、简单的孔口液体燃料喷射器和其组合。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述孔与液体燃料通道连通。
5.根据权利要求4所述的燃料喷嘴组件，其中，所述液体燃料通道中包括燃料室。
6.根据权利要求5所述的燃料喷嘴组件，其中，在所述液体燃料通道和所述液体燃料喷射器之间设置热阻断。
7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述外套包括：
在所述第一端和所述第二端之间的内部通道；以及
围绕所述第二端设置的孔口，其中，所述孔口比所述内部通道窄。
8.根据权利要求7所述的燃料喷嘴组件，其还包括设置在所述内部通道内的旋流器。
9.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中，所述外套的第二端包括座表面。
10.一种涡轮机，其包括：
压缩机；
与所述压缩机连通的燃烧器，所述燃烧器包括至少一个预混合燃料喷嘴组件，所述预混合燃料喷嘴组件包括：
包括外套的至少一个燃料喷射器，所述外套具有第一端和
第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，
所述第一端包括圆柱形密封表面，所述第二端包括至少一个扳紧凹口；
包括孔的环形毂，所述孔具有第一端和第二端，在所述第一端和所述第二端之间设置螺纹表面，其中，所述孔构造成在其中至少部分容纳所述燃料喷射器，所述环形毂还包括围绕所述第一端的圆锥形座；以及
其中，所述燃料喷射器圆柱形密封表面向内压成形以在所述燃料喷射器被拧入所述孔接触所述圆锥形座时形成气密密封。
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