具有流体锁和吹扫设备的燃料喷嘴的制作方法

本发明涉及燃气涡轮发动机燃料喷嘴，并且更具体地涉及用于排放和吹扫燃气涡轮发动机燃料喷嘴的设备。

背景技术：

飞行器燃气涡轮发动机包括燃烧器，其中燃烧焚烧来将热输入至发动机循环。典型的燃烧器并入一个或更多个燃料喷射器，其作用在于将雾化的液体燃料在燃烧器入口处引入到空气流中，以使其可有效地焚烧来产生用于循环的必要热。

分级燃烧系统开发成限制不合乎需要的燃烧产物成分的产生，如，氮氧化物(NOx)、未燃烃(HC)和一氧化碳(CO)。影响燃烧器设计的其它因素为使用者期望燃气涡轮发动机的有效低成本的操作，这转变成减少的燃料消耗的需要，同时保持或甚至增加发动机输出。结果，用于飞行器燃气涡轮发动机燃烧系统的重要设计标准包括提供高燃烧温度，以便在多种发动机操作状态下提供高热效率，以及最小化不合乎需要的燃烧状态，该不合乎需要的燃烧状态有助于颗粒的排放，以及不合乎需要的气体的排放，以及为光化学雾的形成的前体的燃烧产物的排放。

在分级燃烧系统中，燃烧器的喷嘴能够操作成通过两个或更多个分立级选择性地喷射燃料，各个级由燃料喷嘴内的独立燃料流动路径限定。例如，燃料喷嘴可包括连续地操作的引导级，以及仅在较高发动机功率水平下操作的主级。燃料流速还可在级中的各个内可变。

当液态烃燃料在氧存在的情况下暴露于高温时，该类型的燃料喷嘴中的重要问题在于碳(或"焦炭")沉积物的形成。该过程称为"结焦"，并且在温度超过大约177℃(350℉)时大体上有风险。当正常的分级操作使至前述级中的一个的流动停止时，一定体积的燃料将继续驻留在燃料喷嘴中，并且可加热至结焦温度。关于结焦的最大问题的区域为燃料喷嘴内的小主喷射孔口，其中燃料在主燃料流由于分级而停止时最快速地升高温度。干扰穿过这些孔口的燃料流的少量焦炭可产生燃料喷嘴性能的大差异。最后，碳沉积物的累积可充分地阻挡燃料通路而使燃料喷嘴性能降级，或防止燃料喷嘴至一点的预期操作，在该点处，需要清洁或替换以防止不利地影响其它发动机热区段构件和/或恢复发动机循环性能。

现有技术的设计通过在主级不操作时吹扫液体燃料的整个主燃料回路来解决该问题。尽管有效，但该类型的完全吹扫需要与待吹扫的通路的长度成比例的关于大小的动压力差，并且在再次期望大功率操作时可引起在再填充主燃料回路方面的相对长的延迟。

因此，将合乎需要的是，具有一种吹扫燃料喷嘴级的一部分(在该级未操作时)的方法。

技术实现要素：

该需要由本发明解决，本发明提供了一种分级燃料喷嘴，其并入流体锁、燃料吹扫端口构造或两者，布置成从燃料喷嘴级中的一个吹扫多余燃料，并且因此避免燃料喷嘴内的燃料通路的结焦，同时便于分级和非分级操作之间的快速转换。

根据本发明的一个方面，一种燃料喷嘴设备具有中心轴线，并且包括：主燃料喷射器，该主燃料喷射器包括与构造成从其排放燃料的多个燃料端口流体连通的包围的内部容积；设置在主燃料喷射器上游并且构造成将液体燃料供应至内部容积的主燃料导管；以及设置在主燃料导管与主燃料喷射器之间的流体锁，流体锁包括多个平行的毛细管通道。

根据本发明的另一个方面，各个毛细管通道具有0.002平方英寸或更小的截面流动面积。

根据本发明的另一个方面，主燃料导管的截面流动面积显著大于毛细管通道中的一个的截面流动面积。

根据本发明的另一个方面，主燃料喷射器为环形形式；并且引导燃料喷射器同轴地设置在主燃料喷射器内。

根据本发明的另一方面，设备还包括包绕引导燃料喷射器的环形文氏管；以及使引导燃料喷射器和文氏管互连的外旋流导叶的径向阵列。

根据本发明的另一方面，设备还包括环形外体，其包绕主燃料喷射器，并且具有大体上圆柱形的外表面，其包括形成在其中的喷雾孔的阵列，各个喷雾孔与主燃料端口中的一个对准。

根据本发明的另一个方面，喷雾孔中的一些并入嵌接处，其包括外表面的倾斜部分，该倾斜部分定向成与中心线轴线成锐角。

根据本发明的另一个方面，喷雾孔布置为：不并入嵌接处的第一组；以及第二组，其均并入嵌接处，该嵌接处包括外表面的倾斜部分，该倾斜部分定向成与中心线轴线成锐角，其中第二组的喷雾孔围绕外体的外周与第二组的喷雾孔交错。

根据本发明的另一个方面，第二组的喷雾孔定向成沿下游方向与中心线轴线成锐角。

根据本发明的另一个方面，喷雾孔布置为：第一组，其均并入包括外表面的倾斜部分的嵌接处，该倾斜部分定向成沿上游方向与中心线轴线成锐角；以及第二组，其均并入包括外表面的倾斜部分的嵌接处，该倾斜部分定向成沿下游方向与中心线轴线成锐角；其中第二组的喷雾孔围绕外体的外周与第二组的喷雾孔交错。

根据本发明的另一个方面，一种燃料喷嘴设备包括：位于中心的引导燃料喷射器；联接于引导燃料喷射器的引导燃料导管；包绕引导燃料喷射器的环形文氏管；使引导燃料喷射器和文氏管互连的外旋流导叶的径向阵列；包绕引导燃料喷射器的环形主燃料喷射器，该环形主燃料喷射器包括与构造成从其排放燃料的多个燃料端口流体连通的包围的内部容积；环形外体，其包绕主燃料喷射器、文氏管和引导燃料喷射器，并且具有大体上圆柱形的外表面，其包括形成在其中的喷雾孔的阵列，各个喷雾孔与主燃料端口中的一个对准)，其中喷雾孔中的一些并入包括外表面的倾斜部分的嵌接处，该倾斜部分定向成与中心线轴线成锐角；设置在主燃料喷射器上游并且构造成将液体燃料供应至内部容积的主燃料导管；以及设置在主燃料导管与主燃料喷射器之间的阻挡装置，流体锁包括多个平行的毛细管通道。

根据本发明的另一个方面，阻挡装置包括具有多个平行的毛细管通道的流体锁。

根据本发明的另一个方面，设备还包括：能够操作成供应液体燃料流的燃料系统；联接于燃料系统和引导燃料导管的引导阀；以及联接于燃料系统和主燃料导管的主阀。

附图说明

本发明可通过参照连同附图进行的以下描述来最佳地理解，在该附图中：

图1为并入根据本发明的方面构成的流体锁的燃气涡轮发动机燃料喷嘴的示意性截面视图；

图2为图1的燃料喷嘴的外部透视图；

图3为图1中所示的流体锁的放大视图；以及

图4为图1中所示的燃料喷嘴中的燃料流动路径的示意图。

具体实施方式

大体上，本发明提供了一种并入流体锁、燃料吹扫端口构造或两者的分级燃料喷嘴，其布置成从燃料喷嘴级中的一个吹扫多余燃料，并且因此避免燃料喷嘴内的燃料通路的结焦，同时便于分级和非分级操作之间的快速的转换。

现在，参照附图，其中相同的附图标记遍及各种视图表示相同元件，图1绘出了构造成将液体烃燃料喷射到燃气涡轮发动机燃烧器(未示出)的空气流中的类型的示例性燃料喷嘴10。燃料喷嘴10为"分级"类型，意味着其能够操作成将燃料选择性地喷射穿过两个或更多个分立的级，各个级由燃料喷嘴10内的独立燃料流动路径限定。燃料流速还可在级中的各个内可变。

燃料喷嘴10连接于已知类型的燃料系统12，其能够操作成根据操作需要在变化的流速下供应液体燃料流。燃料系统将燃料供应至引导阀14，其联接于引导燃料导管16，引导燃料导管16继而联接于燃料喷嘴10的引导燃料喷射器18。燃料系统12还将燃料供应至主阀20，其联接于主燃料导管22，主燃料导管22继而供应主燃料喷射器24。

出于描述目的，将参照燃料喷嘴10的中心线轴线26，其大体上平行于燃料喷嘴10将用于其中的发动机(未示出)的中心线轴线。

引导燃料喷射器18设置在燃料喷嘴10的上游端处，与中心线轴线26对准，并且由支柱28物理地支承。在该实例中，引导燃料喷射器18为称为"预膜空气爆炸"、"纯空气爆炸"或"PAB"的类型。各种类型的引导燃料喷射器是已知的，并且可替代PAB引导件。所示引导燃料喷射器18包括大体上圆柱形的沿轴向的长形引导中心体30。引导中心体30为双壁的，并且限定中心开孔32。中心旋流器设置在中心开孔32内，该中心旋流器包括沿轴向为长形的旋流器中心体34，以及中心旋流导叶35的径向阵列。中心旋流导叶35成形和定向成将旋流引入到穿过中心旋流器的空气流中。

引导燃料筒36设置有引导中心体30的双壁。引导燃料筒36包括轴向给送通路38，其在位于支柱28中的引导燃料导管16与环形引导给送环40之间延伸。引导燃料筒36的后端与引导中心体30的双壁的开口后端连通，协作来限定膜离开结构42。

环形文氏管44包绕引导燃料喷射器18。其包括以轴向顺序的大体上圆柱形的上游区段46、最小直径的喉部48，以及下游扩散区段50。限定外空气旋流器的外旋流导叶52的径向阵列在引导中心体30与文氏管44之间延伸。外旋流导叶52与支柱28协作物理地支承引导燃料喷射器18。外旋流导叶52成形和定向成将旋流引入到穿过外空气旋流器的空气流中。文氏管44的开孔限定穿过燃料喷嘴10的用于引导空气流的流动路径，大体上标为"P"。环形沿径向延伸的板的形式的热障层54可设置在扩散区段50的后端处。如所示，已知类型的热障涂层(TBC)56可施加在热障层54和/或扩散区段50的表面上。

为环形形式的主燃料喷射器24包绕文氏管44。主燃料喷射器24限定与主燃料端口58的径向阵列连通的包围的内部容积，通过主燃料端口58，燃料在发动机操作期间排放。主燃料喷射器24由主燃料导管22供应有燃料。

环形外体60包绕主燃料喷射器24、文氏管44和引导燃料喷射器18，并且限定燃料喷嘴10的外部范围。引导燃料喷射器18、文氏管44、主燃料喷射器24和外体60所有与彼此同轴。外体60的前端62在组装时连结于柄收纳构件(未示出)。外体60的后端64可包括并入引导在热障层54处的冷却孔68的环形沿径向延伸的挡板66。大体上圆柱形的外表面70在前端62与后端64之间延伸，大体上圆柱形的外表面70在操作中暴露于混合器空气流，其大体上表示为"M"。外体60限定与文氏管44和下文所述的内体80协作的副流动路径72。穿过该副流动路径72的空气通过冷却孔68排放。

如图2中最佳所见，外体60的外表面70包括称为形成在其中的"喷雾孔"74的凹口或开口的阵列。喷雾孔74中的各个与主燃料端口58中的一个对准。

喷雾孔74可构造成有助于从主燃料喷射器24吹扫燃料。在所示实例中，喷雾孔74中的一些为具有圆柱形壁的平面视图中的简单的圆形开口。其它喷雾孔74并入"嵌接处"，其包括外表面70的倾斜部分。当在如图1中所见的截面中看时，嵌接处76具有在其与相关联的主燃料端口58的界面处的其最大径向深度(关于外表面70测量)，并且沿径向高度向外倾斜或成锥形，在离主燃料端口58一定距离处连结外表面70。在平面视图中，如图2中所见，嵌接处76沿线78远离主燃料端口58延伸，并且在侧向宽度上渐缩至在其远端处的最小宽度。线78延伸的方向限定嵌接处76的定向。嵌接处可定向成与中心线轴线26成锐角。图2中所示的嵌接处76沿下游方向定向，并且因此可称为"下游"嵌接处，因为其平行于旋转或旋流混合器空气流M的流线，定向成与中心线轴线26成锐角，并且具有关于混合器空气流M位于相关联的主燃料端口58下游的其远端。如下文将更详细所阐释，存在或不存在嵌接处76和嵌接处76的定向确定发动机操作期间相关联的主燃料端口58处存在的空气静压。

除上文所述的基本元件之外，燃料喷嘴10可包括其它特征，以执行诸如结构支承、绝热等的功能。例如，如图1中所示，环形主环支承件78可连接于支柱28，并且用作主燃料喷射器24与静止安装结构如燃料喷嘴柄(未示出)之间的机械连接。包绕文氏管44的环形内体80可用作辐射热障层，并且还有助于限定副流动路径72的边界。

流体锁82可在主阀20与主燃料喷射器24之间并入到主燃料导管22中。如图1和3中所示，流体锁82具有上游端84和下游端86。轴向长度"L"限定在上游端84与下游端86之间。长度L选择成适于特定应用，并且在下文更详细论述。流体锁82包括多个平行的毛细管通道88，其在上游端84与下游端86之间延伸。

毛细管通道88中的各个具有截面流动面积"A1"。根据已知原理，面积A1考虑预期液体燃料的物理性质和流体锁82的材料成分选择，使得毛细管弯液面将在预计的发动机操作状态(例如，在选择的温度和加速状态下)期间横跨各个毛细管通路88保持无损。这是如本文中使用的"毛细管"的基本意义。作为实施实例，毛细管通道88将具有大约1.27mm(0.05in)或更小的直径，其对应于大约1.3mm²(0.002in²)的流动面积，其中预期的液体燃料为范围从环境温度到177℃(350℉)的温度下的常规Jet-A燃料(ASTM D1655)。注意，毛细管通道88可具有非圆形的截面形状。

毛细管通道88的数量选择成容许在适当的燃料供应压力下穿过流体锁82的期望的燃料流速。如果期望，则毛细管通道88的数量可选择成使得横跨流体锁82的压力损失大致等于横跨具有截面流动面积"A2"的主燃料导管22的等同长度的压力损失，截面流动面积"A2"典型地显著大于流动面积A1。

本文中所示和所述的示例性燃料喷嘴10可为各种部分或元件的组件。作为备选，燃料喷嘴10的全部或部分或较少的子组件或构件可为整体的、一件式的或整块的构造，并且可使用快速制造过程制造，如直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)。

现在将关于不同的发动机操作状态阐释燃料喷嘴10的操作，其中理解到，燃气涡轮发动机在大功率操作期间需要更多热输入和因此更多燃料流，并且在低功率操作期间需要较少热输入和因此较少燃料流。在一些操作状态期间，引导阀14和主阀20两者开启。液体燃料在压力下从引导阀14通过引导燃料导管16流入引导燃料筒36中，并且经由膜离开结构42排放到引导空气流P中。燃料随后雾化，并且向下游传送，在该处，其在燃烧器(未示出)中焚烧。液体燃料也在压力下从主阀20通过主燃料导管22、通过液体锁82(如果存在)流入主燃料喷射器24中，并且经由主燃料端口58排放到混合器空气流M中。燃料随后雾化，向下游传送，并且在燃烧器(未示出)中焚烧。

在称为"仅引导操作"的特定操作状态中，引导燃料喷射器18继续操作，并且引导阀14保持开启，但主阀20闭合。最初，在主阀20闭合之后，阀下游压力与混合器空气流M中普遍的空气压力快速平衡，并且穿过主燃料端口58的燃料流停止。如果燃料将保持在主燃料喷射器24中，则其将经受如上文所述的结焦。这里，吹扫过程的动作如下文所述的喷雾孔嵌接处的构造，可起作用以从燃料喷嘴10主动地抽空燃料(在主燃料端口58处开始，并且向上游移动)。

当留在流体锁82的下游端处的燃料最后被吹扫时，吹扫过程将有效地终止。一定体积的燃料"F"将在主阀20与流体锁82的下游端86之间容纳在主燃料导管22中。更具体而言，燃料F的小表面张力和其与毛细管通道88的壁的粘合防止了空气和燃料F在空气液体界面处交换。将燃料F界定为毛细管通道88的静止边界内的小流体柱减小了质量相关的力(其可由致密燃料F生成)，由此容许小表面张力将检查的燃料F保持在流体锁82的毛细管通道88的边界内。换言之，一定体积的燃料主动地"捕集"在闭合的主阀20与流体锁82之间。

这里，燃料F可通过其离开流体锁82的唯一过程为蒸发，其在下游端86处开始并且向上游发展。如果燃料F将清空流体锁82的上游端84，则可存在排出主燃料导管22、再填充流体锁82和开始排出和填充循环的趋势。为了避免该情形，流体锁82的长度L可基于已知或估计的蒸发速率选择，以确保蒸发不在至少选择的时间间隔内引起燃料空气界面在流体锁82的上游端84上游移动。

每当期望在机械阀下游的点处隔离或断开液流时，流体锁82在燃料喷嘴10中为有用的。通过仅吹扫避免过多结焦所需的燃料喷嘴10的部分，需要输送相对小体积的燃料，以再填充流体通路，并且在需要时，开始从主燃料端口58排放燃料。相比于用于一些现有技术的设计中的燃料喷嘴10和导管22的完全吹扫，这减少了燃烧器响应时间，并且改进了发动机可操作性。部分吹扫可使用流体锁82的位置处的阀(未示出)实施，但流体锁82具有其不包括任何移动部分或密封边界的优点。

现在将更详细地阐释吹扫方法和构造。如上文提到的，主燃料喷射器24与主燃料端口58的阵列连通，其中各个与外体60的外周上的单个喷雾孔74连通。混合器空气流M呈现出"旋流"，即，其速度具有关于中心线轴线26的轴向和切向分量两者。如图2中所示，喷雾孔74可布置成使得交替的主燃料端口58暴露于不同静压。例如，不与嵌接处76相关联的主燃料端口58中的各个暴露于混合器空气流M中的大体上普遍的静压。出于描述的目的，这些在本文中称为"中性压力端口"。与"下游"嵌接处76相关联的主燃料端口58中的各个暴露于关于混合器空气流M中普遍的静压的减小的静压。出于描述的目的，这些在本文中称为"低压力端口"。尽管未示出，但还有可能的是，一个或更多个嵌接处76可定向成与下游嵌接处76的定向相反。这些将为"上游嵌接处"，并且相关联的主燃料端口58将暴露于关于混合器空气流M中普遍的静压的增大的静压。出于描述的目的，这些在本文中称为"高压力端口"。

参照图4，中性压力端口(标有零)可与低压端口交错(标有减符号)。相邻端口之间的局部静压差驱动其余燃料流F以抽空主燃料喷射器24。如由附图中的箭头所示，空气进入中性端口(0)，驱动燃料在主燃料喷射器24中沿切向从中性端口(0)流至低压端口(-)，并且离开低压端口(-)。这快速地吹扫主燃料喷射器24，并且从流体锁82下游的主燃料导管22的部分抽空燃料。端口和嵌接处可以以将生成对驱动端口到端口的吹扫而言有效的压差的任何构造布置。例如，正压力端口可与中性压力端口交错，或者正压力端口可与负压力端口交错。

该吹扫构造和动作甚至在没有流体锁82的情况下为有用的。然而，其对于与流体锁82或有效阻止完全吹扫的一些其它装置组合的部分吹扫是尤其有用的。如上文提到的，阀可用于该目的。代表流体锁82或功能等同的装置的阻挡装置90在图4中示意性地示出。

上文所述的发明具有优于现有技术的若干优点。其提供了将充满来自主阀20的燃料的主回路的一部分保持在主燃料喷射器24的开端的下游，同时仍在主燃料流关闭时容许吹扫主燃料喷射器24的手段。这减少了与在如现有设计中使用的完全吹扫之后再填充总容积的主回路相关联的主喷射的时间延迟。

由于燃料仅从主燃料喷射器24吹扫并且使用了端口到端口的流动路径，故驱动吹扫压力可相比于完全吹扫极大地减小，由此减少了流过主燃料端口58和主环供应回路的热吹扫空气的量。这减少由燃料喷嘴10的后通路中的吹扫空气流强加的任何增加的热负载，并且提供了主燃料端口58处的益处，导致了该位置处的减少的焦炭形成。

与部分吹扫相关联的减小的热负载还将减小燃料通路和燃料喷嘴10的末梢内的局部结构部件中的热引起的应力。在温度下降级的材料性质的影响减小，并且总体喷嘴寿命延长。

此外，预计主环端口到端口的吹扫以高度一致的方式执行吹扫功能，因为吹扫回路长度相对短，并且因为主燃料喷射器24为周向对称的，意味着预计燃料喷嘴安装的定向具有对吹扫性能的最小影响。

前文描述了用于燃气涡轮发动机燃料喷嘴的流体锁和吹扫设备，以及制作和使用其的方法。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以除其中此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合外的任何组合来组合。

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本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。