CN1209553C - 带可更换传感器的燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮发动机的燃料预先混合的喷射器，包括易于更换的监控喷射器内部温度或其它状况的装置。燃料喷射器包括穿入喷射器内部的导向导管，和接纳传感器探针的进入孔。探针至少装有一个传感器，例如热电偶接头，用于监控喷射器内部温度或其它状况。在一实施例中导向导管为非直线形状，探针柄的挠性足以可跟随导管的轮廓，探针柄的刚度足以克服导管的插入阻力。

Description

带可更换传感器的燃料喷射器

本发明涉及用于涡轮发动机的燃料喷射器，具体地说，涉及一种燃料预先混合的喷射器，该喷射器包括监控喷射器内部状况的易更换的传感器。

燃气涡轮发动机中矿物燃料燃烧产生许多含有氧化氮(NO_x)的有害燃烧副产品。而管理部门对涡轮发动机的NO_x排放物总是予以严格的限制。特别是工业电厂采用的固定地面发动机产生的那些排放物。因此，涡轮发动机制造者们不断地在探求阻止NO_x生成的改进方法。

消除NO_x基本对策之一是燃烧化学计量贫乏而完全混合的燃料一空气混合物。典型情况是，燃料和空气在进入发动机燃烧室和燃烧之前，在燃料预先混合喷射器的内混合室中，侵蚀性地混合在一起。这种贫乏而完全混合的燃料-空气混合物造成均匀的低燃烧的火焰温度，这是消除NO_x的前提。

尽管预先使燃料和空气混合的燃料喷射器对产生必需的完全混合的空气燃料混合物是有效的，但它们存在某些缺点。例如，在喷射器内部燃料空气混合物的出现，能促使燃烧火焰转移到混合室，在这里火焰将引起严重的毁坏。因此，燃料预先混合的喷射器具有许多指定的物理特性，以阻止火焰的进入并快速放出克服阻碍进入的火焰。尽管有这些特性，在混合室内火焰会偶而变得很稳定。因此，预先混合的喷射器还应有一个或多个探测火焰出现的温度传感器，以便能采取适当的校正作用。在现有的一种装置中，温度传感器是一种焊在喷射器内部的热电偶，其传感接头位置在混合室附近。

虽然这种焊接的热电偶用于监控内部温度是有效的，但它不容易更换。一旦热电偶失灵，维修的技术人员必须首先把损坏了的燃料喷射器从发动机上拆下，接着拆卸燃料喷射器，断开焊接点以取下不工作的热电偶，把替换的热电偶焊接到位，最后将喷射器重新装配并重新固定在发动机中。显而易见，这种工序从时间消耗和劳动强度上说是不能接受的。况且，在发动机不运转的同时，工业生产中断，运行年收入受到损失。发动机操作者手边可以有一个或多个备用的喷射器，使中断工作的时间达到最低程度。然而，因为获取和存储备用喷射器而造成的化费，这种方案是无吸引力的。

人们需要的燃料预先混合的喷射器是具有按常规方式更换内部温度监控器的装置。

根据本发明，用于涡轮发动机的燃料预先混合的喷射器，包括一个细长的穿入喷射器内部的导向导管，并具有一个可从外部通入的接收探针的孔，该探针在喷射器内部规定位置处至少有一个传感状况的传感器。

根据本发明的一个实施例，导向导管具有非直线形状，并且探针是可变形的，因此探针易于与非直线形状一致。这样探针容易插到导管中。

探针最好还有足够的刚性，以克服导管给予的任何插入阻力。因此，在可从外部通入的导管孔和传感器规定位置之间的直线通入的这种发动机喷射器，是不实用的或者是不现实的。

远离开孔的导管端最好是封闭的，而传感器元件存放在探针的尖端。

探针的纵向尺寸相对导管最好加大些，以便在探针正确地安装时，传感器接触导管的封闭端，使传感器的瞬时响应度(responsiveness)达到最大程度。

在最佳实施例中，探针能在相对导管无明显扭转或回转的条件下安装或拆卸，从而在安装或拆卸过程中损害探针的可能性达到最低程度。

可以有多个探针，每个探针均置于导向导管中，以提供可靠的火焰探测。

现在以实例方式并参照下列附图对本发明的最佳实施例予以说明。

图1是简略的表示安装在工业燃气涡轮发动机燃烧室组件内的燃料预先混合喷射器的断面侧视图；

图2是图1的燃料预先混合喷射器较详细的透视图，局部剖开以便示出喷射器内部；

图3是图1燃料喷射器的较详细的断面侧视图；

图4A和4B是图3中沿4-4方向的视图，表示用于传感器探针的导向导管部分，和用于将导管固定到喷射器内部的夹持器；

图5是在其尖端部有一热电偶接头的传感器探针的侧视图；

图6是图5中沿6-6方向切取的传感器探针的端视图；

图7是图5传感器探针尖端部的放大视图，表示热电偶引线和热电偶接头。

图1-3列出了一种用于工业燃气涡轮发动机的燃料预先混合的喷射器10，该喷射器是发动机中采用的许多喷射器中的一种，它包括一个带有从安装法兰18伸延到前隔板20的支承16的构架12，一对从前隔板纵向伸延到后隔板26的拱形涡管22a、22b，和一个穿过后隔板延伸的燃料空气排出口28。每个涡管围绕燃料喷射器中心线30约延伸180°，且与中心线径向偏置，致使各涡管的环形终端协同工作，以限定一对纵向伸延的一次空气进口槽32a、32b。涡管还限定了内室34的径向外边界。每个涡管还包括一个扩大部分，其容纳一次燃料供应歧管36a、36b，和一排沿歧管长度方向分布的一次燃料喷射孔40。当安装到发动机中时，安装法兰18用螺栓固定到燃料喷射器支承的发动机箱体42，安装法兰18和箱体42之间压有气密垫片44。

喷射器10还包括由涡管包围并与涡管径向隔开的中心体46。该中心体包括固定于前隔板20的底座48，从底座纵向延伸的壳体50，套在壳体后端内的燃料空气喷射器插入件52，以及连接插入件和中心体底座48的燃料通路的二次燃料供给管54。中心体壳体把内室34分隔成以壳体和涡管为径向边界的环形主室34a和副室34b。主室用于一次空气和一次燃料进行内混合的混合室，副室是把二次空气输送到插入件52的二次空气供给风室(plenum)。

一次燃料管路56a、56b和二次燃料管路58均与燃料供应源(未示出)相连接，并穿过支承法兰18将燃料供应到燃料歧管36a、36b和二次燃料管54。

在工作过程中，一次空气进入混合室切向穿过进口槽32a、32b，而一次燃料引入到进来的气流中穿过喷射孔40。一次燃料和空气进入混合室34a，围绕中心体46进行涡旋，并充分地混合。燃料空气混合物纵向流动并进入发动机的燃烧室62，在那里点燃混合物并在燃烧的火焰64中燃烧。同时，二次燃料和二次空气引入燃烧室穿过二次燃料空气插入件52。上面叙述的燃料预先混合喷射器的操作和有关特性进一步的说明发表在下述文件中：1997年12月15日提交的名称为“Bluff Body Premixing Fuel Injector andMethod for Premixing Fuel and Air”的美国专利申请08/991,032、1998年3月24日提交的名称为“Improved Durability Flame Stabilizing Fuel Injector”的美国专利申请09/046,903、1998年5月18日提交的名称为“PremixingFuel Injector and Method of Operation”的美国专利申请09/080,485和1998年6月8日提交的名称为“Premixing Fuel Injector with Improved SecondaryFuel-Air Injection”的美国专利申请09/093,371。

上述喷射器使一次燃料和空气进行充分地预先混合是有效的，并因此而促进完全燃烧和阻止NO_x的形成。然而，在混合室34a内充分混合的燃料空气混合物的出现，能促使火焰64转移到室内。在那里如果不能快速地放出或者熄灭火焰，则会造成严重的损害。熄灭火焰的一种方法是监控混合室内部的温度，一旦认为该温度是出现火焰的温度，则临时中断对喷射器的燃料供给。

本发明所描述的喷射器包括监控靠近混合室后端规定位置68处的温度的装置，具体地说是监控燃料空气排出口28内温度的装置。该温度监控装置是一个基本上纵向连续的一般用附图标记70表示的导向导管。该导管包括一根近端管72，其进入孔74具有一金属密封环75装入其中。进入孔是由有一对螺栓插孔77的安装垫76确定界限。喷射器从外部接近进入孔，并在喷射器从外部安装到箱体42上时，同样从外部接近箱体42。近端管从进入孔延伸到按顺序配置的一对锥形通路78a、78b(图3)，且各自穿过隔板20和中心体底座48。直径比近端管小的中间管80(图1和3)，在通路78b处开始并沿中心体壳体内部延伸。如图3，4A和4B可清楚看出，一组鞍座夹86钎接到中间管和中心体壳体的内表面，使该管固定到壳体。直径小于中间管的末端管82从中间管突伸到规定位置68，并钎接到中心体壳体的内表面。导管70的末端84是末端管82的远端，导管70的末端84是封闭的。例如相对于喷射器中心线箱体42的非垂直方向的机械制约，和中心体壳体的锥形形状，阻止从进入孔74直线通向规定位置68。因此，导管非线性地从进入孔74延伸到封闭的远端84。

温度监控装置还有一个可嵌入的探针，以传感器探针88为例说明，它是可拆卸地安装在导向导管中。如图5、6和7所示，传感器探针具有一基座90和一个从基座延伸到尖端93的单件型钢柄92。螺栓孔94延伸穿过基座，使传感器探针可拆卸地固定到安装垫76上。如果需要，螺栓孔可以与探针中心线96不均等地分开，而相应的螺栓插孔77可以对应地与进入孔74的中心线分隔开，以确保探针能固定在理想的预先设计的方位。

探针柄92封装的一对热电偶引线98a、98b是与柄分开的，而且用不导电的耐热绝缘体100彼此分开。热电偶引线单独地与从探针基座伸出的电接头104连接。在该柄的尖端93，热电偶引线结合在一起，以形成热电偶的传感接头(Sensing Junction)106。

该柄本身至少是可弹性变形的，在通过进入孔74纵向插入导向导管中时，使其易与导向导管的非直线形状相一致。所述的探针的柄既可弹性变形又可塑性变形。也就是说，一旦探针已经插入并且继之从导向导管移出时，由于柄的弹性朝其原始形状返回，但由于导向导管的非直线形状也呈现出永久固定的态势。然而，柄的刚度足以能克服导管具有的任何插入阻力。在列举的实施例中，探针的插装性和适应性是由具有纵向不同挠性的柄而得以增强。如图5所示，该柄有一个近端段108、一个中间段110和末端段112，短的过渡段114、116把中间段连接到近端段和末端段。近端段、中间段和末端段各自的特征在于不同的横断面积和因此而具有的不同的挠度，致使柄的挠度以一种大致分段的方式变化。靠近探针基座，为增强插装性而要求具有刚度。因此，柄段108的横断面积相对比较大，因而柄的刚度也较大。靠近尖端，为确保柄能跟随导管的形状要求具有挠度。这样柄段112的横断面积相对比较小，因而柄的挠度较大。如果需要，柄可以做成连续变化的横断面积，以给探针提供连续变化的挠度。

当探针正确地安装在导向导管(图1)中时，探针基座90支靠在安装垫76上并用螺栓拧紧(未说明)。探针柄纵向尺寸最好相对于导向导管的长度大一些，因而推动在探针尖端处93的热电偶接头106与导管封闭的末端84相接触(图7)。此外，在图1中清楚可见，轻微压弯探针柄92可使柄在一个或多个接触点118处压靠到导管的内侧壁。热电偶接头106和导管末端之间的这种接触，增强了接头对喷射器混合室34a内部温度变化的响应度，柄和导管侧壁之间的接触，使柄有了支撑以防止柄的过度振动。在列举的实施例中，导管长度L_C约为17.75英寸(45.1cm)，而柄的长度L_s比导管长度长约0.1英寸(0.25cm)。在列举的喷射器中包括第二个温度传感装置，它基本上与上述的并以原参照特征所表示的装置相类似，以确保火焰的可靠探测。

从图1中可很好地理解，传感器探针的更换能在不从发动机上拆去喷射器、和不拆卸喷射器的情况下实现。而拆去传感器探针仅仅是通过从安装垫76松脱探针基座90的螺栓，并把探针纵向滑动脱离导向导管来完成。探针的安装是通过将探针柄纵向滑入导管，并将探针基座重新连接到安装垫上完成的。探针的安装和拆卸均不要求探针有相对于导向导管的明显转动或扭转。因此，探针或传感器元件106的损害的危险性最低。

所列举的探针，可带有多个传感器元件而不是在探针尖端93处配置单一传感器元件。另外，传感器元件或多个传感器元件不需多个热电偶传感接头，但可用任一能响应喷射器内部主要状况的传感器元件所替代。在不离开所附权利要求叙述的本发明条件下，可以做出这样的和那样的变化、改型和修正。

Claims (14)

1.一种燃料预先混合的喷射器，包括：

一喷射器构架，该构架的至少一部分界定一内室；

一具有近端和末端的导向导管，近端带有一个用于接纳插入探针的、可从喷射器外部进入的进入孔，末端置于喷射器的内部；和

一传感器探针，其可拆卸地安装在导向导管内，且具有一基座端，一尖端和至少用于传感喷射器内部状况的一传感器元件。

2.根据权利要求1的燃料喷射器，其中内室包括一个主室和一个副室，导向导管延伸到副室。

3.一种用于涡轮发动机的燃料预先混合的喷射器，包括：

一喷射器构架，该构架包括一个喷射器支承和一对拱形的、径向偏置的从支承延伸的涡管；

一由涡管包围且径向与涡管隔开的中心体，该中心体与涡管协作以限定一环形的混合室，该中心体还限定二次空气供给风室的径向外边界；

一延伸到风室的导向导管，该导向导管具有近端和末端，近端带有一个用于接纳插入探针的、可从喷射器外部进入的进入孔，末端置于喷射器的内部；和

一传感器探针，其可拆卸地安装在导向导管内，且具有一基座端、一尖端和至少用于传感混合室内部状况的一传感器元件。

4.根据权利要求1、2或3的燃料喷射器，其中导向导管具有非直线形状，传感器探针是可变形的，使其与非直线形状相一致。

5.根据权利要求1、2或3的燃料喷射器，其中传感器探针具有足够的刚性，以克服探针纵向插入导向导管的阻力。

6.根据权利要求4的燃料喷射器，其中传感器探针具有纵向变化的挠度，该挠度从基座端到尖端增加，从而使探针的变形足以能与导向导管的非直线形状相一致，而其刚度足以克服探针纵向插入导向导管中的阻力。

7.根据权利要求6的燃料喷射器，其中传感器探针纵向变化的挠度，是以近似分段方式变化的。

8.根据权利要求7的燃料喷射器，其中分段式挠度是由于传感器探针横断面积的分段变化造成的。

9.根据权利要求1、2或3的燃料喷射器，其中导管末端是封闭的，传感器元件处于传感器探针的尖端，探针的纵向尺寸相对于导向导管大些，因此当探针正确地安装到导向导管中时，推动传感器元件与导向导管的封闭的末端相接触。

10.根据权利要求9的燃料喷射器，其中传感器探针的纵向尺寸足够大，因此当探针正确地安装到导向导管中时，推动探针与导管侧壁相接触。

11.根据权利要求1、2或3的燃料喷射器，其中在传感器探针相对于导管无明显转动或扭转的条件下，通过相对于导管纵向移动的方式，将传感器探针安装在导向导管中，或从导向导管中拆卸。

12.根据权利要求1、2或3的燃料喷射器，其中传感器元件是温度敏感元件，敏感的状况是温度。

13.根据权利要求12的燃料喷射器，其中温度敏感元件为热电偶敏感接头。

14.根据权利要求1、2或3的燃料喷射器，其中包括把喷射器安装到发动机箱体上的装置，因此进入孔可从发动机箱体外部进入。

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