具有柔性支承结构的燃料喷嘴的制作方法
【专利摘要】一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴设备(10)包括：具有与燃料供应连接件(104)连通的排放口(50)的燃料排放元件(24)；静止支承结构(36)；以及使支承结构(36)和燃料排放元件(24)互连的悬臂柔性支承结构(110)，柔性支承结构(110)具有连接至静止支承结构(36)的第一端，以及连接至燃料排放元件(24)的第二端。
【专利说明】具有柔性支承结构的燃料喷嘴
[0001]相关申请的交叉引用
本申请请求享有2013年12月23日提交的当前未决的美国临时专利申请61 /920，018的权益。
技术领域
[0002]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支承涡轮发动机燃料喷嘴内的各种结构的设备。
【背景技术】
[0003]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到发动机循环中。典型的燃烧器结合一个或更多个燃料喷射器，其功能在于将液体燃料引入空气流中，使得燃料可雾化和焚烧。
[0004]已经开发出了分级燃烧系统来限制污染、提高效率、降低成本、提高发动机输出和改善可操作性。在分级燃烧系统中，燃烧器的喷嘴可操作成经由两个或更多个分立的级来有选择地喷射燃料，各个级均由燃料喷嘴内的独立燃料流动通路限定。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。燃料流速也可在各个级内变化。
[0005]典型的燃料喷嘴为复杂的组件，其包括安装到连接至燃气涡轮发动机的静止部分上的柄上的喷嘴末梢。喷嘴末梢通常包括许多内部支承的构件，限定了用于空气和燃料流动的错综的小截面通路。燃料喷嘴的部分暴露于高温空气流和径向加热，而其它部分与加热隔离且暴露于相对冷的液体燃料流。大体上，热部分和冷部分应当隔离，以避免承载燃料的通路中的热应力和热引起的碳沉积物(即，"结焦")。
[0006]此外，整个燃料喷嘴经历各种频率下的显著的振动。燃料喷嘴的内部支承结构必须足够硬，以避免疲劳故障和非期望的谐振行为，而且还具有一定的顺应性，以便避免负载从一个构件转移至燃料喷嘴内的另一个。
[0007]因此，将期望的是具有带内部结构的燃料喷嘴，内部结构机械地且热力地隔离。
【发明内容】
[0008]该需要通过本发明解决，本发明提供了结合一个或更多个柔性支承结构来向燃料喷嘴的其它元件提供结构支承的分级燃料喷嘴。
[0009]根据本发明的一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴设备包括:具有与燃料供应连接件连通的排放口的燃料排放元件;静止支承结构；以及使支承结构和燃料排放元件互连的悬臂柔性支承结构，柔性支承结构具有连接到静止支承结构上的第一端，以及连接到燃料排放元件上的第二端。
[0010]根据本发明的另一个方面，燃料排放元件、静止支承结构和柔性支承结构全部形成单个整体构造的一部分。
[0011]根据本发明的另一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴设备包括:沿中心线轴线同轴地设置且在其第一端处具有燃料排放口的环形内壁;包绕内壁的环形外壁；使内壁和外壁互连，与中心线轴线成锐角延伸，在前接合处连结外壁，在后接合处连结内壁，具有平滑弯曲的弓形形状。
[0012]根据本发明的另一个方面，支承臂为单个完全环形的结构。
[0013]根据本发明的另一个方面，内壁具有设置在其中的计量塞，计量塞包括至少一个喷雾孔(spray hole)，其与燃料排放口连通，沿中心线轴线同轴地设置且具有其中的周向燃料流道，且包括与燃料流道连通的燃料口的径向阵列，使环支承件和喷射环互连，包括从主环支承件沿径向向外且向后延伸的前部、从前部的外端沿轴向向后且沿径向向内延伸，通过支承臂从主环支承件悬伸。
[0014]根据本发明的另一个方面，支承臂为单个完全环形的结构。
[0015]根据本发明的另一个方面，支承臂的前端在前接合处连结环支承件，在后接合处连结喷射环，具有平滑弯曲的弓形形状。
[0016]根据本发明的另一个方面，支承臂在后接合处具有最大厚度，与喷射环连通，包括:大体上沿径向方向延伸的第一部分；弓形且包绕环支承件的第二部分;为轴向且连接到喷射环上;包绕喷射环，具有大体上圆柱形的外表面，在前端与后端之间延伸，穿过外表面，设置在外体内来限定副流动通路，与喷雾井中的一个对准，设置在外体内，包括设置在内体内的最小直径的喉部，设置在文氏管内的环形分流器，在文氏管与分流器之间延伸，设置在分流器内，在分流器与引导燃料喷射器之间延伸，可操作成在变化流速下供应液体燃料流；联接在燃料系统与引导燃料喷射器之间的引导燃料导管，联接在燃料系统与喷射环(24)之间。
【附图说明】
[0017]本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中:
图1为根据本发明的方面构成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中所示的燃料喷嘴的一部分的放大视图，示出了其引导件；
图3为图1中所示的燃料喷嘴的一部分的放大视图，示出了其主喷射环；
图4为图1中所示的燃料喷嘴的燃料导管和主喷射环的示意性透视图，其中除去了燃料喷嘴的其它结构；以及
图5为图4中所示的结构的前立面视图。
【具体实施方式】
[0018]大体上，本发明提供了结合一个或更多个柔性支承结构来向燃料喷嘴的其它元件提供结构支承的分级燃料喷嘴。如本文中所使用的，用语〃柔性支承结构〃大体上是指呈现出归因于其物理性状和尺寸的柔性和回弹性的结构，且大体上是指相对薄的长形结构。柔性支承结构的目的在于向附接的结构提供物理支承，同时在各种操作状态(尤其是各种操作状态期间)下将支承结构中的应力保持在可接受的水平下。"柔性支承结构"的备选用语是〃应力定制的支承结构〃。本发明的原理还可应用于其它类型的燃料喷嘴，包括未分级的那些。
[0019]现在，参看附图，其中相同的参考标号表示各种视图各处的相同元件，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)的空气流中的示例性燃料喷嘴10。燃料喷嘴10为〃分级〃类型，意味着其可操作成有选择地喷射燃料穿过两个或更多个分立的级，各个级由燃料喷嘴10内的独立燃料流动通路限定。燃料流速也可在各个级内变化。
[0020]燃料喷嘴10连接到已知类型的燃料系统12上，其可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联接到引导燃料导管16上的引导阀14，其最终将燃料传送至燃料喷嘴10的引导件(pilot)18。燃料系统12还将燃料供应至联接到主燃料导管22上的主阀20，导管22继而又供应燃料喷嘴10的主喷射环24。在所示实例中，引导燃料导管16和主燃料导管22由下文更详细描述的单个燃料导管26内的同轴燃料流导管限定。燃料喷嘴10和其构成的构件可由一个或更多个金属合金构成。适合的合金的非限制性实例包括镍基和钴基合金。
[0021]出于描述目的，将参照燃料喷嘴10的中心线轴线28，其大体上平行于将使用燃料喷嘴10的发动机的中心线轴线(未示出)。从中心线轴线28开始且沿径向向外行进，所示燃料喷嘴10的主要构件为:引导件18、分流器30、文氏管32、内体34、主环支承件36、主喷射环24和外体40。将详细描述这些结构中的每一个。
[0022]引导件18设置在燃料喷嘴10的上游端处，与中心轴线28对准，且连接到整流罩42上。
[0023]在图2中更详细所见的所示引导件18包括大体上圆柱形的轴向长形的引导中心体44。引导中心体44的上游端限定圆柱形插口46，其安装到整流罩42的圆柱形末梢48上。引导中心体44可通过提供牢固配合(例如，过盈配合)的任何方法或通过硬钎焊或焊接装固到末梢48上。引导中心体44的下游端包括带有圆锥形出口的会聚-发散的排放口 50。
[0024]引导中心体44的结构包括由环形外壁54包绕的环形内壁52。内壁52大体上为圆柱形且与中心线轴线28对准，具有限定中心开孔58的前段56和定向成与前段56成锐角的后段
60。后段60限定排放口 50。
[0025]外壁54包括前段62，其限定插口 46、中心的大体上圆柱形中心区段64，以及后段66，其定向成与中心区段66成锐角，且大体上平行于内壁52的后段60延伸。外壁构成〃静止支承结构"。
[0026]一个或更多个支承臂使内壁52和外壁54互连。在所示实例中，提供了单个完全环形的支承臂68。可选地，支承臂可构造为独立支承臂的环形阵列(未示出)。支承臂68从外壁54的前段62和中心区段64的接合处延伸至内壁52的后段60。支承臂68的前端和后端分别在平滑弯曲的弓形前接合处70和后接合处72连结外壁54和内壁52的后段60。在所示实例中，两个接合处的曲率与彼此相反。如图所示，支承臂68可设置成与中心线轴线28成锐角。这允许了前接合处70和后接合处72的过渡半径在需要的情况下在可用空间中最大化，以有助于向结构提供外壁54与支承臂68和支承臂68与内壁52之间的构件刚度的更逐渐的变化。在结构内流动的机械负载和热负载中的更均匀分布的梯度导致较低发展的应力。
[0027]支承臂68为柔性支承结构的类型，如本文中所使用的用语。支承臂68具有相对小的截面厚度和相对长的轴向长度(高L/D比)，这允许支承臂68作为弹簧元件执行。因此，内壁52通过支承臂68从外壁54悬伸，支承臂68如发动机操作期间遇到的高振动状态中所需那样是刚性的，但也略微有顺应性。在发动机操作期间，支承臂68的布置缓解了从外壁54(其暴露于压缩机排放空气流且因此相对热)传递到内壁52(其与空气流隔离且暴露于液体燃料流，且因此相对冷)的热和负载两者。
[0028]支承臂68在功能上与外壁54和内壁52整体结合。如本文中所使用的，用语〃功能上整体结合〃意味着支承臂68构造成与外壁54和内壁机械地且热力地相互作用，如同所有三个构件为单独的、一件的或整体的构造的一部分那样。例如，构成或物理性质中的机械连结或不连续未存在于前接合处70和后接合处72。
[0029]在所示实例中，内壁52、外壁54和支承臂68所有都是单独的、一件的或整体的构件的一部分，且可使用涉及逐层构造或添加制造(与常规加工过程中的材料除去相反)的制造工艺来制造。此过程可称为〃快速制造工艺〃和/或〃添加制造工艺〃，其中用语〃添加制造工艺〃是这里大体上表示此工艺的用语。添加制造工艺包括但不限于:直接金属激光熔化(DMLM)、激光近净成形制造(LNSM)、电子束烧结、选择性激光烧结(SLS)、3D打印(诸如通过喷墨和激光打印)、立体光刻(SLS)、电子束熔化(EBM)、激光工程近净成形(LENS)，以及直接金属沉积(DMD)。添加制造工艺的使用特别用于允许支承臂68、内壁52、外壁54根据设计者的意图形成，而没有由独立部分组装的构件的限制，且劳动和工具成本低。
[0030]计量塞74设置在引导中心体44的中心开孔58内。计量塞74与交叉导管76连通，其从主喷射环24且经由支柱28穿至计量塞74。计量塞74包括传递孔78，其使燃料流至限定在计量塞74与中心开孔58之间的进料环带80中，且还包括成角喷射孔82阵列，其布置成接收来自进料环带80的燃料，且在添加显著的切向动量时计量流量。在燃料经由排放口 50喷射到燃烧器中时，由排放口50上游的该切向分量在流中引起的旋流便于燃料的均匀分散。{具有其传递孔78和喷雾孔82的计量塞74构成具有与燃料供应和排放口的连接的燃料排放元件。}
回头参看图1，环形分流器30包绕引导件18。环形分流器30包括以轴向顺序的大体上圆柱形的上游区段84、最小直径的喉部86，以及下游扩散区段88。
[0031]内空气旋流器包括内旋流导叶90的径向阵列，其在引导中心体44的外壁54与分流器30的上游区段84之间延伸。内旋流导叶90成形和定向成将旋流引入穿过内空气旋流器的空气流中。
[0032]环形文氏管32包绕分流器30。环形文氏管32包括以轴向顺序的大体上圆柱形的上游区段92、最小直径的喉部94，以及下游扩散区段96。限定外空气旋流器的外旋流导叶98的径向阵列在分流器30与文氏管32之间延伸。外旋流导叶98、分流器30和内旋流导叶90与整流罩42协作来物理地支承引导件18。外旋流导叶98成形和定向成将旋流引入穿过外空气旋流器的空气流中。文氏管32的开孔限定穿过燃料喷嘴10的引导空气流的流动通路，大体上标为〃 P"。环形沿径向延伸的板的形式的隔热屏100可设置在扩散区段96的后端处。已知类型的热障涂层(TBC)(未示出)可应用于隔热屏100和/或扩散区段96的表面上。
[0033]环形内体34包绕文氏管32，且用作径向隔热屏和下文所述的其它功能。
[0034]环形主环支承件36包绕内体34。主环支承件36可连接到整流罩42上，且用作主喷射环24与诸如燃料喷嘴柄的静止安装结构(其一部分示为物件102)之间的机械连接。主环支承件36构成〃静止支承结构〃。
[0035]为环形形式的主喷射环24包绕文氏管32。如图3中所见，主喷射环24为中空的，且包括周向主燃料流道104，其联接到主燃料导管22上且由其供应燃料。形成在主喷射环24中的主燃料口 106的径向阵列与主燃料通道104连通。在发动机操作期间，燃料经由主燃料口106排放。一个或更多个引导燃料通道108行进穿过紧邻主燃料通道104的主喷射环24。在发动机操作期间，燃料不断循环穿过引导燃料通道108，以冷却主喷射环24，且防止主燃料流道104和主燃料口 106的结焦。{具有其主燃料流道104和主燃料口 106的主喷射环24构成具有与燃料供应和排放口的连接的燃料排放元件。I
主喷射环24通过主支承臂110的环形阵列连接到主环支承件36上。可选地，主支承臂110可构造为单个完全环形的结构。主支承臂110中的各个均大体上为L形截面，具有从主环支承件36沿径向向外且向后延伸的前部112，以及从前部112的外端沿轴向向后且沿径向向内延伸的后部114。主支承臂110可任选地沿周向成角或扫过，且因此可称为螺旋的。各个主支承臂110的前端和后端分别在平滑弯曲的前接合处116和后接合处118连结主环支承件36和主喷射环24 ο在所示实例中，两个接合处的曲率彼此相反。
[0036]如图4和5中所见，主支承臂110沿周向与彼此间隔开。三个等距间隔开的主支承臂110作为实例示出，但可使用更多或更少的数目。主支承臂110的布置减少了至相对冷的燃料承载主喷射环24的热传递，且使主喷射环24与外体40之间的温差造成的热引起的应变最小化。主支承臂110将主喷射环24悬置在外体40内，以保持主喷射环24相对冷。
[0037]主支承臂110为柔性支承结构的类型，如上文所述的用语。各个主支承臂110具有相对小的截面厚度和相对长的轴向长度(高L/D比)，这允许主支承臂110作为弹簧元件执行。在所示实例中，主支承臂110具有后接合处118的最大厚度(沿径向方向测得)，其渐缩至前接合处116的最小厚度。因此，主喷射环24通过主支承臂110从主环支承件36悬伸。在发动机操作期间，主支承臂110的布置缓解了传递至主喷射环24的热和负载两者。
[0038]在所示实例中，主喷射环24、主环支承件36和主支承臂110所有都是单独的、一件的或整体的构件的一部分，且可使用如上文所述的添加制造工艺制造。附加制造过程的使用特别用于允许主喷射环24、主环支承件36和主支承臂110根据设计者的意图形成，而没有由独立部分组装构件的限制，且劳动和工具成本低。
[0039]环形外体40包绕主喷射环24、文氏管32和引导件18，且限定燃料喷嘴10的外部范围。在组装时，外体40的前端122连结到柄壳体102上(见图1)。外体40的后端124可包括结合对准在隔热屏100处的冷却孔128的环形沿径向延伸的挡板126。大体上圆柱形的外表面130在前端122与后端124之间延伸，外表面130在操作中暴露于混合器空气流，大体上表示为〃M"。外体40与文氏管32和内体34协作来限定副流动通路120。穿过该副流动通路120的空气经由冷却孔128排放。
[0040]如图3中最佳所见，外体40的外表面130包括形成在其中的称为〃喷雾井(spraywell)〃134的凹口或开口的阵列。喷雾井134中的每一个与主燃料口 106中的一个对准，使得燃料可从主环的口 106穿过主体外壁40，以喷射到燃烧器中。
[0041]图1和4中更详细示出了燃料导管26。如上文所述，所示燃料导管26为同心的管中管设计，其中内管用作主燃料导管22，且外管用作引导燃料导管16。已知类型的螺旋包绕的线136保持两个管之间的环带的间距。包绕的线136的导程设置成限定该环带内的特定流动通路，其具有在可接受压降下生成期望的流速和热传递所需的有效面积。其它类型的多回路燃料导管是已知的(例如，具有并排的燃料回路的平的或椭圆形截面的导管)。这些类型的多回路构造可替代本文所示的同轴设计。
[0042]燃料导管26包括大体上径向的第一部分138、弓形且包绕主环支承件36的第二部分140，以及轴向且连接到主喷射环24上的第三部分142。在发动机操作期间，柄102和喷嘴10的热增长趋于驱动燃料喷嘴10的静止位置关于它们安装到其上的静止结构随温度和离安装件的距离的变化。第二部分140的弯曲形状提供了柔性，以适应该相对运动，而不会引起其所附接的构件中的应力。
[0043]在主喷射环24内，内部通路(未示出)布置成使得引导燃料导管16与引导燃料流道108连通，且主燃料导管22与主燃料流道104连通。引导燃料流道108继而又连接到对引导件18进料的交叉导管76上。
[0044]本文所示和所述的示例性燃料喷嘴10可为各种零件或元件的组件。作为备选，燃料喷嘴10的全部或部分或更少的子组件或构件可为单一的、一件式的或整体的构造，且可使用如上文所述的添加制造过程制造。
[0045]上面所述的发明具有优于现有技术的若干优点。它提供了在将燃料喷嘴内的结构与燃料喷嘴的其它零件机械且热隔离的同时机械地支承那些结构的手段。这将减小燃料喷嘴中的热和机械应力，且还有助于防止小燃料承载通路中的结焦。
[0046]前文描述了燃气涡轮发动机燃料喷嘴。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工艺的所有步骤可以以除至少一些此类特征和/或步骤互斥的组合外的任何组合来组合。
[0047]本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，否则公开的各个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个实例。
[0048]本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明延伸本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的任何新颖的一个特征、或任何新颖的特征组合，或延伸至如此公开的任何方法或工艺的任何新颖的一个步骤或任何新颖的步骤组合。
【主权项】
1.一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴设备(10)，包括: 具有与燃料供应连接件(80，104)连通的排放口(50，106)的燃料排放元件(24，52); 静止支承结构(54，36);以及 使所述支承结构(54，46)和所述燃料排放元件(24，52)互连的悬臂柔性支承结构(68，110)，所述柔性支承结构(68，110)具有连接至所述静止支承结构(54，36)的第一端，以及连接至所述燃料排放元件(24，52)的第二端。2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴设备，其特征在于，所述燃料排放元件(24，52)、所述静止支承结构(54，36)和所述柔性支承结构(68，110)所有都形成单个整体构造的一部分。3.一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴设备，包括: 沿中心线轴线(28)同轴地设置且在其第一端处具有燃料排放口(50)的环形内壁(52); 包绕所述内壁(52)的环形外壁(54); 使所述内壁(52)和所述外壁(54)互连的支承臂(68)，其中所述支承臂(68)与所述中心线轴线(28)成锐角延伸。4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于， 所述支承臂(68)的前端在前接合处(70)连结所述外壁(54); 所述支承臂(68)的后端在后接合处(72)连结所述内壁(52);以及 前和后接合处(70，72)中的每一个均具有平滑弯曲的弓形。5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述支承臂(68)为单个完全环形的结构。6.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述内壁(54)具有设置在其中的计量塞(74),所述计量塞(74)包括与所述燃料排放口(50)连通的至少一个喷雾孔(82)。7.一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴设备，包括: 沿中心线轴线(28)同轴地设置且在其中具有周向燃料流道(104)，且包括具有与所述燃料流道(104)连通的燃料口(106)的径向阵列的环形喷射环(24); 环形环支承件(36); 使所述环支承件(36)和所述喷射环(24)互连的支承臂(110)，其中所述支承臂(110)包括从所述主环支承件(36)沿径向向外且向后延伸的前部(112)，以及从所述前部(112)的外端沿轴向向后且沿径向向内延伸的后部(114)，其中喷射环(24)通过所述支承臂(110)从所述主环支承件(36)悬伸。8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，提供了沿周向间隔开的支承臂(100)的阵列。9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述支承臂(110)为单个完全环形的结构。10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述支承臂(110)的前端在前接合处(116)连结所述环支承件(36); 所述支承臂(110)的后端在后接合处(118)连结所述喷射环(24);以及 前和后接合处(116，118)中的每一个均具有平滑弯曲的弓形。11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述支承臂(110)在所述后接合处(118)具有最大厚度，其渐缩至所述前接合处(116)的最小厚度。12.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括与所述喷射环(24)连通的燃料导管(26)，所述燃料导管(26)包括: 沿大体上径向方向延伸的第一部分(138); 弓形且包绕所述环支承件(36)的第二部分(140);以及 为轴向的且连接至所述喷射环(24)的第三部分(142)。13.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括: 包绕所述喷射环(24)的环形外体(40)，所述外体(36)具有在前与后端(122，124)之间延伸的大体上圆柱形的外表面(130)，且具有穿过所述外表面(130)的多个喷雾井(134); 设置在所述外体(36)内，与所述外体(36)协作来限定副流动通路(120)的环形内体(34); 与所述喷雾井(134)中的一个对准的各个燃料口( 106)。14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括: 设置在所述外体(36)内的环形内体(34); 包括设置在所述内体(34)内的最小直径的喉部(94)的环形文氏管(32); 设置在所述文氏管(32)内的环形分流器(30); 在所述文氏管(32)与所述分流器(30)之间延伸的外旋流导叶(98)的阵列； 设置在所述分流器(30)内的引导燃料喷射器(18);以及 在所述分流器(30)与所述引导燃料喷射器(18)之间延伸的内旋流导叶(90)的阵列。15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，还包括: 可操作成在变化流速下供应液体燃料流的燃料系统(12); 联接在所述燃料系统(12)与所述引导燃料喷射器(18)之间的引导燃料导管(16);以及 联接在所述燃料系统(12)与所述喷射环(24)之间的主燃料导管(22)。
【文档编号】F23R3/28GK105829802SQ201480070645
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月23日
【发明人】J.T.穆克, J.J.贝拉迪, T.屠
【申请人】通用电气公司