专利名称：减少燃气轮机中的热应力的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种燃气轮机，特别是燃料分配系，该燃料分配系包括可热兼容的用于燃气轮机的燃料喷嘴。
使燃气轮机内安装的燃料喷嘴的服役期最大化有利于延长燃气轮机的寿命。在燃气轮机工作时，燃料喷嘴经受高温。这种高温在燃料喷嘴上产生热应力，这通常导致燃料喷嘴损坏，并最终导致燃气轮机的损坏。
已知的燃料分配系包括若干燃料喷嘴，这些燃料喷嘴包括一个分配系统和一个支撑系统。各分配系统向燃气轮机分配燃料，并由支撑系统支撑并屏蔽在燃气轮机内。支撑系统围绕着分配系统，因此，其所受到的温度高于提供系统。为了将高温的效应减至最小，支撑系统通常由一第一材料制造，该第一材料的材料特性包括膨胀系数使该支撑系统能够承受潜在的高温。
分配系统设置在支撑系统内，在分配系统内流动的流体对分配系统进行冷却。因此，分配系统受到的温度低得多。分配系统一般或者由相同的材料或者由一第二材料制造，该材料在较低的温度范围内富有弹性，其膨胀系数大致等于支撑系统的材料的膨胀系数。由于分配系统与支撑系统之间的工作温度的差别，当分配系统与支撑系统受热膨胀时，在两系统之间产生热应力。
在一实施例中，一种用于燃气轮机的燃料注入系包括若干可热兼容的燃料喷嘴。各燃料喷嘴包括一个用于分配供给到燃气轮机的流体的分配系统和一个用于支撑分配系统的支撑系统。各分配系统由一第一材料制造，该第一材料具有一第一膨胀系数，并设置在一相应的支撑系统内。各支撑系统将一相应的分配系统屏蔽，并由一第二材料制造，该第二材料具有一第二膨胀系数。第二膨胀系数大致为第一材料的膨胀系数的一半。一个滑动连接件设置在支撑系统与分配系统之间，并在支撑系统膨胀系数与分配系统膨胀系数之间进行补偿，使得两系统都与各相应的系统的材料的膨胀系数成比例地热膨胀。
在工作期间，分配系统承受的温度低于支撑系统的温度。由于制造支撑系统的材料的热膨胀系数低，而制造分配系统的材料的膨胀系数高，所以，膨胀差小于两系统采用同一种材料制造的情况。因此，当分配系统和支撑系统受热膨胀时，两系统之间的热膨胀效应被减至最小。
图1是一种燃气轮机的一简视图；和图2是可以与图1所示的燃气轮机连用的一燃料喷嘴的一种实施例的一侧视图。
图1是一燃气轮机燃气轮机10的一简要的视图，该燃气轮机包括一低压压缩机12，一高压压缩机14、一燃烧器16、一高压涡轮18和一低压涡轮20。燃烧器16包括一燃料注入系(未示出)，该燃料注入系包括若干燃料喷嘴(在图1中未示出)，其注入向燃气轮机10供给的流体。在一实施例中，这种燃料喷嘴可以从Parker-Hannifin股份有限公司购得。
在工作中，空气穿过低压压缩机12流向高压压缩机14。然后，高压空气被分配到燃烧器16，同时分配燃料流体，并在燃烧器16内点火。热气体膨胀并驱动涡轮18和20。
图2是与一燃气轮机，例如燃气轮机10(在图1中示出)连用的一种燃料喷嘴50的一实施例的一横截面的侧视图。在一实施例中，燃料喷嘴50与在美国专利US5269468中的燃料喷嘴类似。燃料喷嘴50包括一种分配系统60和一个支撑系统62。分配系统60包括一个大致为管状的腔室64，该腔室从一第一端66延伸到一第二端68。分配系统60由一种合金材料(未示出)制造，该合金材料具有使分配系统60能够承受该系统60在工作时的环境温度范围内的温度的材料特性。在一实施例中，分配系统60由一种镍合金材料，制造，例如可从印第安那州、Kokomo的Haynes跨国公司购得的Hastelloy X合金材料。
支撑系统62从分配系统的第一端66延伸到分配系统的第二端68。支撑系统62支撑并围绕着分配系统60，因此，从压缩机14(如图1所示)出来的高温气体使该系统暴露于比分配系统60的环境温度高得多的温度下。支撑系统62由一种金属合金材料(未示出)制造，该合金具有使支撑系统62能够承受其工作时的环境温度范围的温度的材料特性-支撑系统的合金材料的膨胀系数大致为用于制造分配系统60的合金材料的膨胀系数的一半。在一实施例中，支撑系统62由一种镍钴铁金属合金材料制造，例如可从加利福尼亚州Fullerton的SMC金属股份有限公司购得的Incoloy合金900系列材料。
一个封闭的空气室70周向上围绕着分配系统64，从燃料喷嘴分配第一端66延伸到分配系统第二端68。封闭的空气室70设置在支撑系统62与分配系统60之间，并使分配系统60与支撑系统62热绝缘。由于封闭空气室70使分配系统60热绝缘，并且由于腔室64中的流体流动有助于冷却分配系统60，所以，支撑系统62承受比分配系统60的环境温度高的温度。为了补偿支撑系统62与分配系统60在工作时的环境温度的不同，燃料喷嘴50包括一个滑动连接件80。
滑动连接件80设置在分配系统60与支撑系统62之间，并包括一个凸缘82。凸缘82包括有一个沟槽84，其尺寸确定为适合于接收一个0形环86，使分配系统60与支撑系统62之间密封地接触，以防止流体流入封闭的空气室70。
在燃气轮机10工作期间，高温高速的燃料和空气流过燃气轮机10。燃料和空气的高温使燃料喷嘴50受到热应力和热膨胀。燃料喷嘴支撑系统62暴露在高于燃料喷嘴分配系统60的环境温度的温度下。燃料喷嘴分配系统60由一种材料制造，这种的热膨胀系数大致为用于制造燃料喷嘴支撑系统62的材料的相关的膨胀系数的两倍。因此，各系统60和62与用于制造各系统的相关的材料的膨胀系数成比例地热膨胀。腔室64使分配系统60能够从流体供给源(未示出)向燃气轮机10分配流体，并在这一过程中冷却分配系统60。而且，由于燃料喷嘴分配系统60暴露在低于支撑系统62的环境温度的温度下，所以，燃料喷嘴分配系统60的膨胀率大致为燃料喷嘴支撑系统62的膨胀率的两倍。然而，由于各系统的材料的膨胀系数不同，系统60与62之间的膨胀差减至最小。因此，支撑系统62与分配系统60之间的热应力减至最小。
上述燃气轮机燃料分配系从成本上讲是有效的，并且是可靠的。这种燃料分配系统包括若干燃料喷嘴，各喷嘴包括一个分配系统和一个支撑系统。各系统独立地、但与各相应的系统的材料的膨胀系数成比例地膨胀。两系统之间的膨胀差效应被减至最小。因此，分配系统与支撑系统之间的热应力被减至最小。所以，为燃气轮机提供了一种可靠并且耐用的燃料喷嘴。
虽然上面已经结合不同的具体实施例描述了本发明，但是，熟悉本领域的技术人员可以认识到，在本发明的权利要求书的概念和范围内可以作出改进后进行实施。
权利要求
1．一种用于制造燃气轮机(10)的燃料喷嘴(50)的方法，该喷嘴包括一个分配系统(60)和一个支撑系统(62)，分配系统构形成用于向燃气轮机分配流体，支撑系统构形成用于支撑分配系统，所述方法包括如下步骤用一第一材料制造一个燃料喷嘴支撑系统，该第一材料具有一第一膨胀系数；用一第二材料制造一燃料喷嘴分配系统，该第二材料具有一第二膨胀系数，该系数大于燃料喷嘴支撑系统的第一材料的第一膨胀系数；和将燃料喷嘴分配系统与燃料喷嘴支撑系统组装成燃料喷嘴，使得支撑系统屏蔽分配系统。
2．一种如权利要求1所述的方法，其中，燃料喷嘴第一材料是一种金属合金，所述制造一燃料喷嘴分配系统(60)的步骤还包括制造一个可与燃料喷嘴支撑系统(62)热兼容的燃料喷嘴分配系统的步骤。
3．一种如权利要求2所述的方法，其中，燃料喷嘴支撑系统的第一材料是一种金属合金材料，其膨胀系数大致为燃料喷嘴分配系统的第二材料的膨胀系数的一半，所述制造一燃料喷嘴支撑系统(62)的步骤还包括由一种膨胀系数大致为制造分配系统(60)的材料的膨胀系数的一半的材料制造燃料喷嘴支撑系统。
4．一种如权利要求3所述的方法，其还包括制造一滑动连接件(80)的步骤，该滑动连接件设置在燃料喷嘴分配系统(60)与燃料喷嘴支撑系统(82)之间。
5．一种用于燃气轮机(10)的喷嘴(50)，所述喷嘴包括一分配系统(60)，其构形成用于向燃气轮机分配一种流体，所述分配系统包括一第一材料，该材料具有一第一膨胀系数；以及一支撑系统(62)，其构形成用于支撑所述分配系统，所述支撑系统包括一第二材料，该第二材料具有一第二膨胀系数，所述分配系统的膨胀系数大于所述支撑系统的膨胀系数。
6．一种如权利要求5所述的燃料喷嘴(50)，其中，所述分配系统的膨胀系数大致为所述支撑系统的膨胀系数的两倍。
7．一种如权利要求6所述的燃料喷嘴(50)，其中，所述第一材料包括一种金属合金材料。
8．一种如权利要求7所述的喷嘴(50)，其中，所述第二材料包括一种金属合金。
9．一种如权利要求6所述的喷嘴(50)，其还包括一设置在所述分配系统(60)与所述支撑系统(62)之间的滑动连接件(80)。
10．一种如权利要求9所述的燃料喷嘴(50)，其中，所述滑动连接件(80)包括一O形环(86)，其密封地在所述分配系统(60)与所述支撑系统(62)之间接触。
11．一种如权利要求6所述的燃料喷嘴(50)，其还包括一位于所述分配系统(60)与所述支撑系统(62)之间的室(70)。
12．一种燃气轮机(10)的燃料注入系统，所述燃料分配系统包括若干构形成用于向燃气轮机分配燃料的喷嘴(50)，各所述喷嘴包括一分配系统(60)和一支撑系统(62)，各所述喷嘴分配系统构形成用于向燃气轮机分配一种流体，并包括一第一具有一第一膨胀系数的材料，各所述支撑系统构形成用于支撑所述分配系统，并包括一具有一第二膨胀系数的第二材料，所述第一膨胀系数大于所述第二膨胀系数。
13．一种如权利要求12所述的燃料注入系统，其中，所述第一膨胀系数大致为所述第二膨胀系数的两倍。
14．一种如权利要求13所述的燃料注入系统，其中，所述喷嘴分配系统第一材料包括一种金属合金材料。
15．一种如权利要求14所述的燃料注入系统，其中，所述燃料喷嘴支撑系统第二材料包括一种金属合金材料。
16．一种如权利要求13所述的燃料注入系统，其中，各所述喷嘴(50)还包括一位于所述支撑系统(62)与所述喷嘴分配系统之间的室(70)。
17．一种如权利要求16所述的燃料注入系统，其中，各所述喷嘴(50)还包括一位于所述支撑系统(62)与所述分配系统(62)之间的滑动连接件(80)，所述滑动连接件构形成用于防止所供给的流体进入所述室(70)。
18．一种如权利要求17所述的燃料注入系统，其中各所述滑动连接件(80)还包括一0形环(86)，其密封地接触在所述燃料喷嘴分配系统(60)与所述燃料喷嘴支撑系统(62)之间。
全文摘要
一种燃气轮机(10)的燃料注入系统，其包括若干可热兼容的燃料喷嘴(50)。各燃料喷嘴包括一个分配系统，用于分配一种向燃气轮机供给的流体，其还包括一个支撑系统(62)，用于支撑该分配系。分配系统设置在支撑系统内，其承受低于支撑系统的工作温度的温度。分配系统由一种材料制成，这种材料的膨胀系数大致为用于制造支撑系统的材料的膨胀系数的两倍。
文档编号F02C7/28GK1317633SQ0111628
公开日2001年10月17日 申请日期2001年4月9日 优先权日2000年4月7日
发明者J·C·施林, A·A·曼茨尼 申请人:通用电气公司