燃料喷嘴的制作方法与工艺

本发明大体涉及燃料喷嘴，例如，可以并入（例如）燃烧器中的燃料喷嘴。

背景技术：
所属领域已知用于点燃燃料与空气的混合物，以产生具有高温和高压的燃烧气体的燃烧器。例如，燃气涡轮机系统、飞机发动机以及许多其他基于燃烧的系统包括一个或多个燃烧器，所述燃烧器将空气等工作流体与燃料混合，然后点燃混合物，以产生高温高压燃烧气体。每个燃烧器大体包括在燃烧之前将工作流体与燃料进行混合的一个或多个燃料喷嘴。在常规燃烧器操作过程中，燃烧火焰位于燃料喷嘴的下游，通常在燃烧腔室中燃料喷嘴的出口处。众所周知，基于燃烧的系统的热动效率通常随操作温度（即燃烧气体温度）的升高而提高。然而，在较高燃烧气体温度下，当燃烧火焰从燃烧腔室中燃料喷嘴内部向上游迁移时，可能发生所谓的“燃焰滞留”现象。例如，可能存在以下情况：燃烧火焰从燃料喷嘴中的燃料口附近或燃料喷嘴中的低流量区域附近向上游迁移。燃料喷嘴通常未设计成能够经受燃焰滞留或保持（flameholding）所产生的高温，因此燃焰滞留可能在相对较短的时间段内使燃料喷嘴产生不利的损耗。一旦发生损耗，燃烧器必须关闭以对燃料喷嘴进行部分或整体修理/更换，因而会导致计划外的、和/或长时间的停机。所属领域中已知有用于防止或减少出现燃焰滞留的多种方法。例如，燃焰滞留更可能发生在使用较高反应性燃料期间、或使用较高燃 料-工作流体比期间。燃焰滞留还更可能发生在燃料-工作流体混合物以较低速度流经燃料喷嘴的操作过程中。因此，可以用燃料反应性、燃料-工作流体比、和/或燃料-工作流体混合物速度的具体安全范围来设计燃烧器，以防止或减少出现燃焰滞留。尽管所述安全范围在防止或减少出现燃焰滞留方面是有效的，但是它们也可能导致操作范围缩小、维护成本增大、操作寿命缩短、和/或总体热动效率降低。因此，需要一种可以更好地抵御燃焰滞留所产生影响的燃料喷嘴。

技术实现要素：
以下说明将阐明本发明的各个方面和优点，或者这些方面和优点在说明中可以显而易见，或者可以通过实践本发明而习得。本发明的一个实施例是一种燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括：中心体；以及防护罩，其沿周向环绕所述中心体的至少一部分，以在所述中心体与所述防护罩之间限定环形通道；多个轮叶，所述轮叶在所述中心体与所述防护罩之间的所述环形通道内沿径向延伸；以及第一陶瓷延伸部分，其从所述防护罩向下游延伸，以在所述防护罩的下游限定所述环形通道的至少一部分。所述燃料喷嘴进一步包括位于所述防护罩与所述第一陶瓷延伸部分之间的连接件。所述连接件包括位于所述防护罩与所述第一陶瓷延伸部分之间的倒圆（radius）。所述燃料喷嘴进一步包括由所述防护罩、所述第一陶瓷延伸部分以及所述连接件在所述环形通道内部、和/或外部形成的大体平坦表面。所述燃料喷嘴进一步包括位于所述第一陶瓷延伸部分与所述连接件之间的钎焊材料，所述钎焊材料未曝露在所述环形通道中；并进一步包括位于所述防护罩与所述连接件之间的钎焊材料，所述钎焊材料未曝露在所述环形通道中。所述燃料喷嘴进一步包括从所述中心体向下游延伸的第二陶瓷延伸部分；并进一步包括位于所述中心体与所述第二陶瓷延伸部分之间的钎焊连接部分。本发明的另一个实施例是一种燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括：中心体；以及防护罩，其沿周向环绕所述中心体的至少一部分，以在所 述中心体与所述防护罩之间限定环形通道；多个轮叶，所述轮叶在所述中心体与所述防护罩之间的所述环形通道内沿径向延伸；以及第二陶瓷延伸部分，其从所述中心体向下游延伸。所述燃料喷嘴进一步包括位于所述第二陶瓷延伸部分与所述中心体之间的钎焊连接部分，所述钎焊连接部分未曝露在所述环形通道中。所述燃料喷嘴进一步包括由所述中心体、所述第二陶瓷延伸部分以及所述钎焊连接部分在所述环形通道内部形成的大体平坦表面。所述燃料喷嘴进一步包括：第一陶瓷延伸部分，其从所述防护罩向下游延伸以在所述防护罩的下游限定所述环形通道；以及连接件，其位于所述防护罩与所述第一陶瓷延伸部分之间。所述连接件包括位于所述防护罩与所述第一陶瓷延伸部分之间的倒圆。所述燃料喷嘴进一步包括由所述防护罩、所述第一陶瓷延伸部分以及所述连接件在所述环形通道内部、和/或外部形成的大体平坦表面。所述燃料喷嘴进一步包括位于所述第一陶瓷延伸部分与所述连接件之间的钎焊材料，所述钎焊材料未曝露在所述环形通道中；以及位于所述防护罩与所述连接件之间的钎焊材料，所述钎焊材料未曝露在所述环形通道中。在本发明的又一个实施例中，一种燃料喷嘴包括：中心体；防护罩，其沿周向环绕所述中心体的至少一部分，以在所述中心体与所述防护罩之间限定环形通道；多个轮叶，所述轮叶在所述中心体与所述防护罩之间的所述环形通道内沿径向延伸；第一陶瓷延伸部分，其从所述防护罩向下游延伸，以在所述防护罩的下游限定所述环形通道的至少一部分；钎焊连接部分，其位于所述第一陶瓷延伸部分与所述防护罩之间；及第二陶瓷延伸部分，其从所述中心体向下游延伸。所述燃料喷嘴进一步包括由所述防护罩、所述第一陶瓷延伸部分以及所述钎焊连接部分在所述环形通道内部形成的大体平坦表面。通过审阅本说明书，所属领域的一般技术人员将更好地了解此类实施例的特征和方面以及其他方面。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是根据本发明一个实施例的燃烧器的简化截面图；图2是根据本发明一个实施例的燃料喷嘴的侧视截面图；图3是根据本发明第一实施例的图2中所示燃料喷嘴的一部分的放大视图；图4是根据本发明第二实施例的图2中所示燃料喷嘴的一部分的放大视图；以及图5是根据本发明第三实施例的图2中所示燃料喷嘴的一部分的放大视图。具体实施方式现在将详细参考本发明的各个实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和文字标识来指代附图中的特征。附图和描述中的相同或类似标识用于指代本发明中的相同或类似部分。本说明书所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示单个部件的位置或重要性。另外，术语“上游”和“下游”指部件在流体通路中的相对位置。例如，如果流体从部件A流向部件B，那么部件A位于部件B的上游。相反，如果部件B接收来自部件A的流体流，那么部件B位于部件A的下游。各实例用于解释本发明而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员容易了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改和变化。例如，可以将说明或描述为某个实施例中一部分的特征用到另一个实施例中，从而得到又一个实施例。因此，本发明应涵盖所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。本发明的各个实施例包括（例如）燃烧器中所使用的燃料喷嘴。燃料喷嘴大体上包括：中心体；防护罩，其沿周向环绕中心体的至少一部分，以在中心体与防护罩之间限定环形通道；以及多个轮叶，所述轮叶在中心体与防护罩之间的环形通道内沿径向延伸。中心体、防护罩、轮叶以及环形通道能在燃料、稀释剂、和/或其他添加剂到达燃料喷嘴下游的燃烧腔室之前，促进所述燃料、稀释剂和/或其他添加剂之间的混合。在特定实施例中，燃料喷嘴可以进一步包括位于防护罩和/或中心体下游的一个或多个陶瓷延伸部分，所述陶瓷延伸部分能延长燃料喷嘴的使用寿命、并且/或者提高燃料喷嘴的强度。在常规操作过程中，陶瓷延伸部分能在发生燃焰滞留现象时提供额外的耐热性，并且一般能增强燃料喷嘴的损耗特性。尽管为了便于说明，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，但所属领域的一般技术人员容易了解，除非权利要求书中特别指出，否则本发明的各实施例可以用于任何燃烧器，并且不限于燃气涡轮机的燃烧器。图1所示为根据本发明一个实施例的示例性燃烧器10的简化截面图，例如，燃烧器10被包括在燃气涡轮机中。外壳12可以环绕燃烧器10，以容纳流向燃烧器10的工作流体。一个或多个燃料喷嘴14可以沿径向布置在端帽16与端盖18之间。燃料喷嘴14下游的衬套20可以与端帽16组合，以便至少部分地环绕、和/或限定燃料喷嘴14下游的燃烧腔室22。衬套20下游的过渡连接件24将燃烧腔室22连接到涡轮入口26。具有流孔（flowhole）30的冲击冷却套筒28可以环绕过渡连接件24，以在冲击冷却套筒28与过渡连接件24之间限定环形通道32。经压缩的工作流体可以穿过冲击冷却套筒28中的流孔30以流经环形通道32，并为过渡连接件24和衬套20提供对流冷却。当所述经压缩的工作流体到达端盖18时，所述经压缩的工作流体反向流经一个或多个燃料喷嘴14，并在燃料喷嘴14中与燃料混合，随后混合物在燃烧腔 室22中点燃，从而产生了具有高温高压的燃烧气体。图2提供了根据本发明一个实施例的燃料喷嘴14的侧视截面图。如图2中所示，燃料喷嘴14大体上包括中心体40、防护罩42以及多个轮叶44。中心体40可以连接到端盖18，并且大体从端盖向下游延伸以限定燃料喷嘴14的轴向中心线46。中心体40中的一个或多个通道可以建立穿过中心体40的流体连通，因此可以通过端盖18和中心体40将燃料、稀释剂和/或其他添加剂供应到燃料喷嘴14。例如，如图2中所示，中心体40中的腔48可以为燃料、稀释剂、和/或其他添加剂提供流体连通，以使这些流体流经端盖18并进入燃料喷嘴14。防护罩42沿周向环绕中心体40的至少一部分，以在中心体40与防护罩42之间限定环形通道50，并且轮叶44可以在中心体40与防护罩42之间的环形通道50内沿径向延伸。轮叶44可以包括上游边缘52和下游边缘54，并且可以相对于轴向中心线46弯曲、或成一定角度，以使流经环形通道50的流体具有切向速度、或使所述流体形成旋流。例如，在特定实施例中，轮叶44可以包括一个或多个燃料口56，因此通过腔48供应的燃料可以从轮叶44中流出，以与流经环形通道50的工作流体混合。燃料口56的直径和角度能一起确保燃料充分渗透到环形通道50中，并防止燃料仅沿中心体40、防护罩42和/或轮叶44流动。以此方式，燃料和工作流体可以在环形通道50中混合，然后进入燃烧腔室22并燃烧。操作经验、测试以及计算流体动力学方面的计算表明：环形通道50可能创造出一个引发燃焰滞留的环境。例如，轮叶44的下游边缘54可能产生低流量区域、或流分离区域，这些区域会引发燃焰滞留。因此，本发明的各个实施例可以包括位于防护罩42、和/或中心体40下游的一个或多个陶瓷延伸部分，以增强燃料喷嘴14的耐热性、和/或耐损耗性。所述陶瓷延伸部分可以经制造和/或加工以适应防护罩42和/或中心体40的具体直径和/或厚度，以便沿燃料喷嘴14形成大体平坦的表面。在特定实施例中，焊接、钎焊和/或其他机械装置可以 用于将陶瓷延伸部分连接到防护罩42和/或中心体40。如果进行焊接或钎焊，那么焊接或钎焊接头的设计可以确保接头的温度敏感部分不会曝露于环形通道50内部可能出现的较高温度下，从而保护接头的完整性。例如，接头的所述敏感部分可以位于陶瓷延伸部分、防护罩42和/或中心体40的表面上，所述表面未曝露在与环形通道50相关联的较高温度下。在图2中所示的特定实施例中，燃料喷嘴14包括从防护罩42向下游延伸的第一陶瓷延伸部分60，以及从中心体40向下游延伸的第二陶瓷延伸部分62。第一陶瓷延伸部分60可以与防护罩42具有类似尺寸和形状，并且至少部分地限定防护罩42下游的环形通道50。类似地，第二陶瓷延伸部分62可以适应中心体40的尺寸和形状，并且可以包括腔48，腔48限定在第二陶瓷延伸部分62中，以便建立穿过第二陶瓷延伸部分62的流体连通。陶瓷延伸部分60、62可以连接到相应防护罩42、和/或中心体40中接近轮叶44的下游边缘54的部位。以此方式，陶瓷延伸部分60、62可以为燃料喷嘴14中可能易受燃焰滞留影响的位置处提供所需热学特性。然而，所属领域的一般技术人员容易从本说明书的教示中了解，除非权利要求书中特别指出，否则本发明的实施例并不限于陶瓷延伸部分60、62的特定连接点。图3提供了根据本发明第一实施例的图2中所示燃料喷嘴14的一部分的放大视图，以便更清晰地图示与陶瓷延伸部分60、62进行的连接。如图所示，燃料喷嘴14可以包括连接件70，连接件70将陶瓷延伸部分60、62接合到相应防护罩42、和/或中心体40。连接件70可以包括螺纹啮合器或其他机械装置，以便将陶瓷延伸部分60、62连接或接合到相应防护罩42和/或中心体40。或者，如图3中所示，连接件70可以用合适的合金来制造，这种合金允许陶瓷延伸部分60、62焊接或钎焊到相应金属防护罩42和/或中心体40。例如，连接件70可以包括铁、镍和钴的合金，以提供合适的过渡连接件，所述过渡连接件用于将陶瓷延伸部分60、62焊接或钎焊到相应防护罩42和/ 或中心体40。合适的钎焊材料72可以包括（例如）钯合金、铝-硅合金、铜合金、铜-银合金、黄铜合金、和/或镍合金。为了保护陶瓷延伸部分60、62与相应防护罩42和/或中心体40之间的钎焊连接部分的完整性，连接件70可以设计成使得防护罩42、中心体40和/或连接件70遮护钎焊材料72，以使钎焊材料72免受与环形通道50相关联的温度的影响。例如，如图3中图示的特定实施例所示，防护罩42与连接件70之间的钎焊材料72未曝露在环形通道50中，钎焊材料72受到了遮护因而能免受与环形通道50相关联的较高温度的影响。在图3中所示的特定实施例中，第一陶瓷延伸部分60的连接件70包括倒圆（radius）74。倒圆74使得第一陶瓷延伸部分60的直径适应于直径略有不同的防护罩42。因此，较便宜的连接件70的倒圆74可以更容易地根据需要得到调整，以使相同的陶瓷延伸部分60适应于燃料喷嘴14的多种尺寸。相反，第二陶瓷延伸部分62的连接件70不包括倒圆74。事实上，图3中所示特定实施例中的第二陶瓷延伸部分62的连接件70大体呈直线形，并且与第二陶瓷延伸部分62和中心体40二者形成全搭接接头（afulllapjoint），从而使第二陶瓷延伸部分62邻靠（abut）中心体40。因此，第二陶瓷延伸部分62与中心体40之间的钎焊连接部分在腔48内部形成了大体平坦的表面76，从而减小了对腔76内部的流体流的阻力。图4和图5提供了根据本发明又一个实施例的图2中所示燃料喷嘴14的一部分的放大视图。如图4中所示，第一陶瓷延伸部分60的连接件70与第一陶瓷延伸部分60和防护罩42二者形成了半搭接接头。因此，第一陶瓷延伸部分60与防护罩42之间的钎焊连接部分在环形通道50的内部和外部形成了大体平坦的表面76。另外，半搭接接头使得第一陶瓷延伸部分60、防护罩42和/或连接件70遮护钎焊材料72，以使钎焊材料72免受与环形通道50相关联的温度的影响，从而保护钎焊连接部分的完整性。在图5中所示的特定实施例中，第一和第二陶瓷延伸部分60、62的连接件70为T形连接件，并且主要 位于环形通道50的外部。以此方式，所述钎焊连接部分在环形通道50内部提供了大体平坦的表面，同时还增强了对钎焊材料72的保护，所述保护使得钎焊材料72免受与环形通道50相关联的高温的影响。所属领域的一般技术人员容易了解，除非权利要求书中特别指出，否则针对连接件70的许多可行设计组合以及本发明的各个实施例不限于连接件70的任何特定设计或位置。本说明书使用了各个实例来揭示本发明，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执行所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并且可以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，则此类实例也在权利要求书的范围内。