专利名称：燃料喷射器的层状燃料带的制作方法
〔技术领域〕本发明涉及一种燃气轮机燃烧室燃料喷射器，更具体地说，本发明涉及一种具有层状燃料带的燃料喷射管。
〔背景技术〕燃料喷射器，例如燃气轮机的燃料喷射器，用于将压缩燃料从总管引导到一个或多个燃烧腔。燃料喷射器还可在燃烧之前准备燃料以便与空气进行混合。每个喷射器通常具有一个与总管相连的入口配件、一个连接在该配件一端的管状延伸部分或杆以及一个或多个与杆的另一端相连用于将燃料引导到燃烧腔中的喷嘴。燃料管或通道(例如管道、管或圆筒形通道)穿过杆延伸，从而将燃料从入口配件供应到喷嘴。可设置适当的阀和/或流体分配器来引导和控制流经喷嘴的燃料流。燃料喷射器通常呈环形均匀间隔地进行布置，并以均匀的方式将燃料分配(喷射)到燃烧腔中。杆内的气腔为燃料管提供隔热。燃料管需要固定到阀壳和喷嘴上。燃料管应当能够承受由安装管和经受比冷管要大的热增长而引起的管拉伸所产生的低循环周期疲劳(LCF)应力。管与阀壳的连接结构应当是一种在发动机工作时不会产生泄漏的可靠的接头。泄漏到热气腔中的燃料会引起爆燃和灾难性的过压。
燃料喷射器通常包括一个或多个隔热屏，隔热屏围绕着暴露在高温压缩排放气体下的部分杆和喷嘴。隔热屏用于在工作过程中与热压缩排放气体热隔绝。这就避免了燃料分解成在燃料通道中的湿润壁超过最大温度(普通的喷气式发动机燃料大约为400°F(200c))时所产生的固态沉积物(也就是“积炭”)。燃料喷嘴内的积炭会积聚并限制燃料流经燃料喷嘴，从而使喷嘴效率降低或不能使用。US5598696就公开了这样一种隔热屏组件，其包括一对固定在一起的U形隔热件，从而形成燃料喷射器杆部的一个封闭物。至少一个柔性夹紧件在喷射器杆部的大致中点位置处将隔热件固定在喷射器上。隔热屏的上端的尺寸设计得可紧密地接纳喷射器的扩大的颈部，以避免压缩排放气体在隔热件和杆部之间流动。夹紧件使隔热件与喷射器杆部热隔绝。夹紧件的柔性使隔热件和杆部之间在热循环过程中可进行热膨胀，同时使连接点处的机械应力最小。
US6075356公开了另一种杆和隔热屏组件，燃料管完全封闭在喷射器杆中，从而在管周围形成一个滞止气隙。燃料管的入口端和出口端分别固定到入口配件喷嘴上，并包括一个螺旋或盘旋部分，该部分可吸收在燃烧和熄火过程中由于内喷嘴部件和外喷嘴部件的热膨胀差而引起的机械应力。多个燃料管还需要二次密封(例如弹性密封)和/或滑动表面，以便在热循环过程中出现极限工作状态时将隔热屏适当地密封到燃料管上。上述这种隔热屏组件需要多个部件，并需要额外的加工和安装步骤，在初次购买和后续维护方面都增大了喷射器的整体成本。另外，隔热屏组件占据了燃烧腔内及其周围的宝贵空间，妨碍了气流进入燃烧腔，并增大了发动机的重量。这完全不符合当前工业界有关成本低、喷射器尺寸(“外壳”)小和重量轻以便工作更有效的要求。
非常普通的喷嘴采用一级和二级喷嘴，其中在启动过程中只使用一级喷嘴。在高功率工作时使用这两个喷嘴。在启动和低功率工作时，进入二级喷嘴的流量减小或停止。人们已开发出了用于多级燃烧的具有先导(pilot)和主喷嘴的燃料喷射器。一级和二级喷嘴大致在燃烧室中的相同轴向位置处进行喷放。由于燃料流可更准确地得到控制且对于特定的燃烧室要求燃料喷射可更准确地得到引导，因此，已开发出的具有主和先导喷嘴的燃料喷射器工作更有效、燃烧更清洁。具有主和先导喷嘴的燃料喷射器采用可排放到燃烧气流场的不同轴向和径向位置的多个燃料线路，从而在高功率状态下使空气和燃料很好地混合。在低功率状态，有些线路将关闭以便在余下的燃料喷射位置保持局部较高的燃料/空气比。在低功率状态下关闭的线路和喷嘴被称为主线路和主喷嘴。余下的仍处于接通状态以避免燃烧火焰熄灭的线路和喷嘴被称为先导线路和先导喷嘴。先导和主喷嘴可包含在相同的喷嘴杆组件中或支承在单独的喷嘴组件中。还可构成双喷嘴燃料喷射器，以便于对双燃烧室的燃料进行进一步的控制，从而使燃料效率更高并减少有害排放。
通常用于输送燃料流过燃料喷射器杆部的方法是在杆部内设置具有同心通道的燃料管，燃料通过不同的通道单独地进行输送。然后，燃料又通过喷射器喷嘴部分中的通道和/或环形槽被引导到喷射孔中。US5413178就公开了同心通道，其中，为了进行冷却，先导燃料流沿主喷嘴向下和向后流动。这还需要多个部件和额外的制造和安装步骤，这与人们所希望的降低成本、减轻重量和减小喷射器外壳都是大相径庭的。
US6321541就针对这些人们所关心的以及上述的缺陷而提出了一种燃料喷射器，该喷射器包括入口配件、一端连接在入口配件上的杆部和一个或多个连接在杆部另一端并支承在发动机燃烧腔上或支承在发动机燃烧腔内的喷嘴组件。呈单个细长的层状供料带形式的燃料管经杆部延伸到喷嘴组件，以便将燃料从入口配件供应给喷嘴组件的喷嘴中。供料带的上游端在不需要额外的密封部件(例如弹性密封)的情况下直接固定(例如通过钎焊或焊接的方式)到入口配件上。供料带的下游端以整体的方式(成一体)与喷嘴相连。单个供料带沿其长度具有螺旋，以便沿杆部轴线增加其相对移动的柔性并降低由于喷嘴处于极限温度下不同热膨胀所产生的应力。这就减小或消除了对喷射器杆部进行附加隔热的需要。
层状供料带和喷嘴由多个板制成。每个板包括细长的供料带部分和基本上垂直于供料带部分的整体头部(喷嘴)。板中的燃料通道和开孔通过有选择地在板表面上进行蚀刻而获得。然后，板布置成面对面相互接触，并通过诸如钎焊或扩散接合等方法固定在一起而形成一个整体结构。有选择地在板上进行蚀刻可在喷射器上很方便地形成多个燃料线路、一个或多个喷嘴组件和冷却线路。蚀刻方法还可使多个燃料通道和冷却线路形成较小的横截面，从而减小喷射器的尺寸。
板组件的供料带部分通过机械成型的方式例如通过弯曲而形成螺旋形状。在一个实施例中，所有的板在平面图中呈T形。在此情形下，板组件的头部可机械成型为具有环形横截面或其它适当形状的圆筒。头部的端部相互间隔开，或者可通过如钎焊或焊接组合在一起并进行接合。喷射孔设置在圆筒形喷嘴的径向外表面、径向内表面和/或端部上以便将燃料从喷嘴径向向外、径向向内和/或轴向喷出。
人们希望有一种燃料管，这种燃料管更柔软，并具有极小的弯曲应力，且与原先的供料带结构相比，不易受低循环周期疲劳的影响。人们还希望有一种供料带，其沿杆部轴线具有良好的相对移动柔性，并降低由于喷嘴处于极限温度下不同热膨胀所产生的应力。另外还希望有一种供料带，其隔热屏具有较小的外壳，还具有较小的周向流动宽度、阻力及相关流动损失较低，从而形成一种空气动力效率更高的结构。
〔发明内容〕燃料喷射管包括单个供料带，该供料带具有一对沿长度方向延伸并接合成一个整体的板。每个板具有一排沿宽度方向间隔开且沿长度方向平行延伸的槽。板相互接合在一起，从而使每个板中的相对的槽相互对准而在整个带长度上从入口端到出口端形成内部燃料流动通道。
供料带包括位于入口端和出口端之间并沿径向延伸且基本上是直的中间部分。燃料喷射管的直管头离开中间部分的出口端横向(沿轴向向后)延伸并通向环形主喷嘴。供料带的径向热增长由完全或部分地横向于中间部分或基本上相对于中间部分横向偏转的带的弯曲臂的偏转来进行调节。直管头是第一弯曲臂A1，它是最长的弯曲臂。
在本发明的典型实施例中，中间部分略呈弓形，其曲率半径大于中间部分的长度。中间部分略微弯曲以便于进行安装。
在本发明的典型实施例中，供料带具有至少一个位于入口端和中间部分之间的急剧弯曲部分和一个位于出口端和中间部分之间的弯曲部分。急剧弯曲部分具有径向内和外臂，其分别具有第二和第三弯曲臂长度。内和外臂相互呈锐角倾斜地间隔开。第二和第三弯曲臂长度完全或部分地横向于中间部分或基本上相对于中间部分横向偏转。供料带在与内部燃料流动通道相连的入口端具有燃料进入孔。入口端固定在阀壳内。
在本发明的另一个实施例中，环形主喷嘴与供料带的出口端流体连通，并与由一对沿长度方向延伸且相互接合在一起的板构成的供料带形成一体。内部燃料流动通道延伸经过供料带和环形主喷嘴。环形分支从至少一个第一内部燃料流动通道经过主喷嘴沿周向延伸。喷射孔从环形分支穿过至少一个板伸出。环形分支可具有波形部分。环形分支可包括顺时针和逆时针延伸的环形分支。顺时针和逆时针延伸的环形分支可分别具有平行的第一和第二波形部分，喷射孔可交替地设置在第一和第二波形部分上，从而大致沿一圆排列。
在一个更详细的实施例中，管包括先导喷嘴线路，其包括顺时针和逆时针延伸的先导分支，该先导分支从至少一个第二内部燃料流动通道经过主喷嘴沿周向延伸。
本发明包括燃料喷射器，该燃料喷射器包括上阀壳、从阀壳悬垂下来的中空杆、至少一个由该杆支承的燃料喷嘴组件和在该阀壳之间经杆延伸到喷嘴组件的燃料喷射管。喷射器还可包括主混合器，该主混合器具有环形主壳体，主壳体上具有与喷射孔对准的开孔。在主壳体内形成一个环形腔，主喷嘴由主壳体支承在环形腔中。环形滑动接合密封件设置在与每一个喷射孔对准的每组开孔中。壳体可包括内和外隔热屏，内隔热屏还可包括内和外壁及位于两者之间的环形间隙，从而开孔穿过内和外隔热屏。环形滑动接合密封件可固定到内隔热屏的内壁上。
本发明还提供一种燃料喷射器，该喷射器具有环形主喷嘴、具有环形主壳体的主混合器和形成于主壳体内的环形腔，环形主壳体具有与主喷嘴中的喷射孔对准的开孔。主喷嘴容纳在环形腔内，环形滑动接合密封件设置在与每个喷射孔对准的每组开孔中。壳体还可包括内和外隔热屏，内隔热屏可包括内和外壁，内和外壁之间具有环形间隙。开孔可穿过内和外隔热屏，环形滑动接合密封件可安装在内隔热屏的内壁上。
本发明的供料带沿杆部轴线具有良好的相对移动柔性，并具有较低的由于喷嘴处于极限温度下不同热膨胀所产生的应力。本发明提供的燃料导管，其允许中空杆采用较小的外壳来作为导管的隔热屏。中空杆又具有较小的周向流动宽度，因此，具有较低的阻力及相关流动损失，从而形成一种空气动力效率更高的结构。
〔
〕图1是具有本发明典型实施例的带有燃料带的燃料喷射器的燃气轮机燃烧室的横截面图。
图2是图1中的燃料喷射器的放大横截面图。
图3是图2中的混合器组件中的燃料喷嘴组件的放大横截面图。
图4是以第二角度穿过图2中的燃料喷嘴组件剖视的放大横截面图。
图5是图2中的燃料带沿5-5的横截面图。
图6是用于构成图1中的燃料带的板的顶部视图。
图7是图1中的燃料喷射器的燃料线路的示意图。
图8是具有图7所示燃料线路的燃料带的透视图。
图9是图1中的燃料带的示意图。
图10显示的是用于分析图9中的燃料带内的热增长力的方程。
图11显示的是图10所示方程中的参数的定义。
〔具体实施方式
〕图1示出了燃烧室16的一个典型实施例，燃烧室16包括燃烧区18，燃烧区18各自由径向向外和径向向内的环形衬里20和22限定，并位于两者之间。外和内衬里20和22设置在环形燃烧室外壳26的径向内部，燃烧室外壳26沿周向围绕外和内衬里20和22延伸。燃烧室16还包括安装在外和内衬里20和22上游的环形顶盖34。顶盖34形成燃烧区18的上游端36，多个混合器组件40(图中只示出了一个)围绕顶盖34沿周向间隔地设置。每个混合器组件40分别支承着先导和主喷嘴58和59，并与先导和主喷嘴一起将燃料和空气混合物送入到燃烧区18中。每个混合器组件40具有一条回转轴线52，先导和主喷嘴58和59围绕该回转轴线分布。
如图1和2所示，本发明典型实施例的燃料喷射器10具有燃料喷嘴组件12(可使用一个以上的沿径向间隔开的喷嘴组件)，该喷嘴组件分别包括用于将燃料导入到燃气轮机燃烧室的燃烧区内的先导和主喷嘴58和59。燃料喷射器10包括适合于固定和密封到燃烧室外壳26上的喷嘴固定装置或法兰30。中空杆32与法兰30形成一体或固定在法兰30上(例如通过钎焊或焊接)，并支承燃料喷嘴组件12和混合器组件40。
中空杆32具有设置在腔室39的开口上端上方或内部并与法兰30形成一体或例如通过钎焊固定在法兰30上的入口组件41。入口组件41可以是阀壳43的一部分，中空杆32从阀壳上悬垂下来。阀壳43与图7中示出的燃料总管44流体连通并将燃料引导到喷射器10中。入口组件41可从燃料总管44接收燃料。入口组件41包括燃料阀45，以便控制流经燃料喷嘴组件12中的燃料线路102的燃料。
如图2所示，入口组件41与法兰30形成一体或固定到法兰30上，并位于法兰30的径向外侧，入口组件41内装有用于安装燃料阀45的燃料阀座19。喷嘴组件12分别包括先导和主喷嘴58和59。通常，先导和主喷嘴58和59在正常和最大功率状态下使用，而只有先导喷嘴是在启动和部分功率工作状态下使用。具有一个细长供料带的柔性燃料喷射管60用于将燃料从入口组件41供应到喷嘴组件12中。供料带62是一种由可经受如制造过程中进行钎焊这样的高温而不产生不利影响的材料制成的柔性供料带。
如图5和6所示，供料带62具有一对粘结在一起的沿长度方向延伸的第一和第二板76、78。第一和第二板76、78每个都具有一排80沿宽度方向间隔开并沿长度方向延伸的平行槽84。板相互粘结在一起，从而使每个板的相对的槽84相互对准而形成长度为供料带62的长度L从供料带62的入口端66到出口端69的内部燃料流动通道90。进一步如图4所示，先导喷嘴延伸部分54从主喷嘴59向后延伸，并通过先导供料管56与先导喷嘴58的燃料喷射器顶端57流体连通。如图3所示，供料带62向主喷嘴59供料。如图4和8所示，先导喷嘴延伸部分54和先导供料管56通常关于回转轴线52相互以角度从倾斜地间隔开，如图8所示。
如图2和8所示，供料带62在入口端66和出口端69之间具有大致呈直线径向延伸的中间部分64。燃料喷射管60的直管头104离开中间部分64的出口端69横向(沿轴向向后方向)延伸，并通向环形主喷嘴59，主喷嘴59固定以避免发生偏转。如图9所示，供料带62的热增长长度LTG承受由完全或部分地横向于中间部分64或基本上相对于中间部分64横向偏转的带的弯曲臂AN偏转而收容的径向热增量。最长的弯曲臂AN是指第一弯曲臂A1，并且是直管头104。弯曲臂AN具有完全或部分地横向于中间部分64的弯曲臂力矩长度LN，第一弯曲臂A1具有弯曲臂力矩长度L1。
在图示的本发明典型实施例中，如图8和9所示，中间部分64略呈弓形，其曲率半径R大于中间部分64的中部长度ML。图示的本发明实施例还包括至少一个位于入口端66和中间部分64之间的急剧弯曲部分65和位于中间部分64和出口端69之间的弯曲部分68。急剧弯曲部分65分别具有径向内和外臂75和77，它们用作完全或部分地横向于中间部分64或基本上相对于中间部分64横向偏转的第二和第三弯曲臂A2和A3。内和外臂75和77相互以锐角79倾斜地间隔开。第二和第三弯曲臂A2和A3具有第二和第三弯曲臂长度L2和L3。第二和第三横向弯曲臂A2和A3分别具有横向于中间部分64并可操纵以便基本上相对于中间部分64横向偏转的第二和第三横向弯曲臂力矩长度L2和L3。弯曲部分68使带62从中间部分64过渡到燃料喷射管60的管头104。入口端66是固定的，并抑制其在阀壳43内由热增长所诱发的运动。
燃料喷射管60设计成具有最大允许低周期疲劳LCF应力。应当对热应变所产生的应力的LCF寿命进行分析以确定LCF最大应力SM。一个这种LCF寿命分析要使用应变控制LCF数据。在每个循环周期中采用相同的最大应变来进行周期材料测试。这在实际部件上模拟热应力与应变的状况。对于给定的热周期，整体的最大应变是恒定的，而实际的最大应力则随着局部塑性流动而减小。现在的方法包括采用用于转动部件的载荷控制的LCF数据和用于压力容器的载荷控制的LCF数据，在转动部件中，最大应力主要由离心加速度驱动，在压力容器中，最大应力由压力驱动。在每个周期中，载荷控制周期测试使载荷保持恒定，从而当塑性流动产生且净横截面面积减小时，局部最大应力恒定或甚至增大。这就模拟了那些应用情况，因为在这两种情况下，当塑性流动发生时，载荷(离心力和/或压力)通常不降低且是恒定的。燃料喷射管60的寿命由热应变限定，因此，应变控制数据应当用于寿命周期分析。
一种进行热应变LCF寿命分析的方法是采用准弹性应力范围的平均值〔(最大应力-最小应力)/2〕作为平均应力，(最大应力-平均应力)作为交变应力。A比值定义为(交变应力)/(平均应力)，对于大多数金属，给定交变应力的最危险的循环周期是对于A比值＝无穷大(也就是，0平均应力且因此而完全应力反向)的情况。LCF数据通常在A＝+1和A＝无穷大的不同温度下获得，且有时在其它A比值情况下获得。图10以裂纹发生周期(x轴)与交变准弹性应力(y轴)函数关系的方式示出了数据。Inconel 600是其中一种现在被研究使用的材料。图10所示的数据是Inconel 625在250°F下的估算值。与本发明有关的Inconel 600的材料性能被认为与Inconel 625的材料性能类似。数据是统计形式的，也就是，平均曲线CA、-3sigma曲线C3和95/99曲线C9。95/99曲线表示最坏情况材料，且通常用于设计目的。95/99曲线表示对于给定量循环周期数下99％的测试试样不导致裂纹发生，并有95％的准确度的应力程度。该曲线通常是平均曲线以下-5到-6sigma(σ)。
发动机冷部件拉伸设计的目标，例如可在CFM56冷部件中发现的，是每15000完整热循环(FTCs)3个维护时间段，这表示有20年以上的使用寿命。作为一种保守的方法，最坏情况的FTC假定发生在每次飞行中，且在典型分析中采用50000循环周期目标和50％的应力极限。这就等效于交变准应力小于50000循环周期的95/99值(65ksi)的67％。因此，对于IN625，最大集中允许弯曲应力smax是2×43.5或87ksi。下面的方程表示不能超过的最大集中允许弯曲应力smax，对于供料带的给定材料，图9所示供料带62的弯曲臂长度LN、厚度H、外壳的热金属温度TH、冷金属温度TC。
σMAX=3xL1xExHxLTGx(THxαH-TCxαC)2x(L13+L23+....LN3)]]>允许弯曲应力smax的上述方程，图10中的方程4是通过对图10中的方程1-3所示的供料带62的热增长长度LTG的径向热增长进行分析而得出的。用于图10中方程的名称术语的定义和解释参数列在图11中。方程1定义了供料带62由于热增长而引起的热增长长度LTG的变化量|LTG。变化量|LTG是从室温变化到设计工况时由TH表示的热外壳和冷供料带62之间的差。入口端66是固定的，并抑制其在阀壳43内由热增长所诱发的运动。弯曲臂AN偏转的总量等于由图10中的方程2所表示的供料带62的热增长长度LTG中的变化量|LTG。图10中的方程3确定了具有弯曲臂力矩长度L1的第一弯曲臂A1中所产生的最大集中允许弯曲应力smax之间的关系。允许弯曲应力smax的方程，图10中的方程4由方程1-3得出。选择弯曲臂力矩长度LN使得方程4中的smax不超过根据上述设计依据所确定的预定设计值，在该典型实施例中大约是87ksi。
管头104通常平行于回转轴线52，并通向主喷嘴59。供料带62特别是中间部分64的形状允许供料带根据燃烧室内的热变化进行膨胀和收缩，同时降低喷射器中的机械应力。在很多应用场合，供料带的形状有助于减小或消除对杆部采取附加隔热的需求，但在有些高温条件下，附加的隔热屏仍然是必须的或需要的。
如图5和8所示，术语带表示供料带62具有细长且大致扁平的形状，其具有大致平行且相互面对的第一和第二侧表面70和71。在图示实施例中，带62包括大致平行且朝向相反的第一和第二侧边72和73，侧边72和73基本上垂直于第一和第二侧表面70和71。带具有矩形截面74(与通常的燃料管的圆筒形形状相比)，但是，该形状可根据制造要求和技术情况而改变。供料带的中间部分64具有充分大的曲率半径R，以便于带可方便地插入中空杆32和从中空杆32中抽出，并不会在带中产生不适当的应力。带的尺寸应设计成可防止或避免使带响应于燃烧系统的激励产生共振。对于特定应用条件下的带的形状和尺寸可通过经验和分析模型和/或共振频率测试来进行确定。
如图2和8所示，供料带62入口端66处的入口63分别与入口组件41中的第一、第二、第三或第四进口46、47、48和49流体连通或流体相连，从而将燃料引导到供料带中。进口通过多个内部燃料流动通道90向下经过供料带62的长度L与喷嘴组件12的先导喷嘴58和主喷嘴59相通，并形成用于喷嘴组件热控制的冷却回路。喷嘴组件12的管头104从供料带62接收燃料并将燃料经图7和8所示的燃料线路102输送到主喷嘴59以及相结合的先导喷嘴58。
在图示的本发明典型实施例中，供料带62、主喷嘴59和管头104由沿长度方向延伸的第一和第二板76和78整体构成。主喷嘴59和管头104可以认为是供料带62的部件。燃料线路102的燃料流动通道90经过供料带62、管头104和主喷嘴59。燃料线路102的燃料通道90通向喷射孔106，并经可操纵地与先导供料管56流体相连的先导喷嘴延伸部分54与先导喷嘴58相通，如图4所示。如图5和6所示，燃料线路102的燃料流动通道90的平行槽84蚀刻在第一和第二板76和78的相邻表面210上。
如图6、7和8所示，燃料线路102包括第一和第二主喷嘴线路280和282，每个线路分别包括位于主喷嘴59中的顺时针和逆时针延伸的环形分支284和286。喷射孔106从环形分支284和286经过第一和第二板76和78其中之一或其两者而伸出。在典型实施例中，喷射孔106经过主喷嘴59的第一板76径向向外伸出，主喷嘴59的第一板76是所述板中径向向外的那一个。顺时针和逆时针延伸的环形分支284和286分别具有平行的第一和第二波形部分290和292。喷射孔106交替地位于第一和第二波形部分290和292上，以便于基本上沿一个圆300圆形排列。燃料线路102还包括一个与先导喷嘴延伸部分54相通的环形先导喷嘴线路288。环形先导喷嘴线路288分别包括位于主喷嘴59上的顺时针和逆时针延伸的环形先导分支294和296。
关于接合板之间的喷嘴组件和燃料线路方面的信息参见美国专利US6321541。如图2、8、9所示，向下经供料带62的长度的内部燃料流动通道90用于将燃料供应到燃料线路102。进入供料带62的每个内部燃料流动通道90、管头104以及先导和主喷嘴58和59的燃料由燃料阀45控制，燃料阀45由作为阀壳一部分的入口组件41图示出，并简要地在图7中示出。喷嘴组件12的管头104从供料带62接收燃料，并将燃料供应给主喷嘴59。主喷嘴59是环形的，并呈圆筒形形状或结构。板76和78中的喷射装置的流动通道、孔和各个部件可以适当的方式形成，例如通过蚀刻，特别是化学蚀刻。这种板的化学蚀刻对于本领域技术人员来说应当是公知的，在US5435884中也有相应的描述。对板进行蚀刻可形成非常细小、轮廓分明和复杂的孔和通道，其可将多个燃料线路布置在供料带62和主喷嘴59中，同时使这些部件保持较小的横截面。板76和78可通过接合的方法例如钎焊或扩散接合面对面接触地接合在一起。这种接合方法是公知的，其可在各个板之间形成非常牢固的连接。扩散接合是特别有效的，因为它在相邻层之间的原始接合界面上导致晶粒边界生长，从而形成机械性能良好的接合。
如图1、3和4所示，每个混合器组件40包括先导混合器142、主混合器144和在上述两者之间延伸的中心体143。中心体143确定了一个与先导混合器142流体相通并位于其下游的腔150。先导喷嘴58由中心体143支承在腔150内。先导喷嘴58设计成可将燃料液滴向下游喷射到腔150中。主混合器144包括位于喷射孔106上游的第一和第二主旋流器180和182。先导混合器142包括一对同心安装的先导旋流器160。在图示的本发明实施例中，旋流器160是轴向旋流器，其包括一个内先导旋流器162和一个外先导旋流器164。内先导旋流器162是环形的，并沿周向围绕先导喷嘴58布置。内和外先导旋流器162和164中的每一个都包括多个分别布置在先导喷嘴58上游的内和外先导涡旋叶片166和168。
环形先导分离器170径向设置在内和外先导旋流器162和164之间，并从内和外先导旋流器162和164向下游延伸。先导分离器170设计成可将流经内先导旋流器162的气流与流经外先导旋流器164的气流分离开。分离器170具有会聚-发散的内表面174，在发动机处于低功率工作状态时，其形成燃料薄膜表面。分离器170还控制流经先导混合器142的气流的轴向速度，从而控制热气回流。
在一个实施例中，内先导涡旋叶片166以与流经外先导涡旋叶片168的气流相同的方向使流经其的气流产生涡旋。在另一个实施例中，内先导涡旋叶片166以第一圆周方向使流经其的气流产生涡旋，该第一圆周方向与外先导涡旋叶片168使流经其的气流产生涡旋的第二圆周方向相反。
主混合器144包括确定了一个环形腔192的环形主壳体190。主混合器144与先导混合器142同心对准，并围绕先导混合器142沿周向延伸。环形主喷嘴59沿周向设置在先导混合器142和主混合器144之间。具体地说，主喷嘴59围绕先导混合器142沿周向延伸，并沿径向设置在中心体143和主壳体190之间。
壳体190包括内和外隔热屏194和196。内隔热屏194分别包括内和外壁202和204以及位于内和外壁之间的360度的环形间隙200。内和外隔热屏194和196中的每一个都包括多个与喷射孔106对准的开孔206。内和外隔热屏194和196以适当的方式例如焊接或钎焊固定在杆32上。
主喷嘴59和喷射孔106将燃料沿径向向外经内和外隔热屏194和196上的开孔206喷射到主混合器腔192中。环形滑动接合密封件208设置在内隔热屏194上的每组开孔206中，并与每一个喷射孔106相互对准以避免横向气流流过环形间隙200。环形滑动接合密封件208通过钎焊或其它的方法固定到内隔热屏194的内壁202上。设置在内隔热屏194上的每个开孔206中以避免横向气流流过环形间隙200的环形滑动接合密封件208可与其它类型的燃料喷射器一起使用。
尽管上面已对本发明的优选和典型实施例进行了描述，但是，在这里所描述实施例的教导下，显然，本领域技术人员可对本发明做出其它的变型，因此，在此希望将属于本发明宗旨和范围的所有的这种变型都涵盖在所附的权利要求书中。因此，希望美国专利证书来进行保护的是由权利要求书所限定和区分的发明。
部件表10燃料喷射器12燃料喷嘴组件16燃烧室18燃烧区19燃料阀座20径向外衬里22径向内衬里26燃烧室外壳30法兰32中空杆34环形顶盖36上游端39腔室40混合器组件41入口组件43阀壳44燃料总管45燃料阀46第一进口47第二进口48第三进口49第四进口52回转轴线54先导喷嘴延伸部分56先导供料管57燃料喷射器顶端58先导喷嘴59主喷嘴60燃料喷射管62供料带
63 入口64 弓形中间部分65 急剧弯曲部分66 入口端68 弯曲部分69 出口端70 第一侧表面71 第二侧表面72 第一侧边73 第二侧边74 矩形形状75 内臂76 第一板77 臂78 第二板79 锐角80 一排84 槽90 内部燃料流动通道102燃料线路104管头106喷射孔142先导混合器143中心体144主混合器150腔160先导旋流器162内先导旋流器164先导旋流器166内先导涡旋叶片168先导涡旋叶片170环形先导分离器
174内表面180第一主旋流器182第二主旋流器190主壳体192腔194内隔热屏196外隔热屏200环形间隙202内壁204外壁206开孔208滑动接合密封件210相邻表面280第一主喷嘴线路282第二主喷嘴线路284顺时针延伸的环形分支286逆时针延伸的环形分支288先导喷嘴线路290第一波形部分292第二波形部分294顺时针延伸的环形先导分支296逆时针延伸的环形先导分支300圆A比值-(交变应力/平均应力)AA-角度H-厚度L-长度ML-中间部分长度R-曲率半径SM-最大应力TC-冷金属温度
TH-热金属温度AN-弯曲臂A1-第一弯曲臂A2-第二弯曲臂A3-第三弯曲臂LCF-低循环周期疲劳LTG-热增长长度LN-弯曲臂力矩长度L1-弯曲臂力矩长度L2-第二弯曲臂长度L3-第三弯曲臂长度
权利要求
1.一种燃料喷射管(60)，其包括单个供料带(62)，该供料带具有一对沿长度方向延伸并接合成一个整体的板(76、78)，每个所述板具有一排(80)沿宽度方向间隔开且沿长度方向平行延伸的槽(84)，所述板被接合在一起，从而使每个所述板中的相对的槽(84)对准而在所述带长度上从入口端(66)到出口端(69)形成内部燃料流动通道(90)，所述供料带(62)包括位于所述入口端(66)和所述出口端(69)之间的中间部分(64)，所述中间部分(64)的曲率半径(R)大于所述中间部分(64)的长度(L)。
2.根据权利要求1所述的喷射管(60)，其中，所述供料带(62)具有位于所述出口端(69)和所述中间部分(64)之间的弯曲部分(68)。
3.根据权利要求2所述的喷射管(60)，其还包括环形主喷嘴(59)，其与所述供料带(62)的所述出口端(69)流体连通，并与由所述一对沿长度方向延伸且接合在一起的板(76、78)构成的所述供料带(62)形成一体。
4.根据权利要求3所述的喷射管(60)，其还包括所述内部燃料流动通道(90)，其延伸经过所述供料带(62)和所述环形主喷嘴(59)，环形分支(284、286)，其从至少一个第一所述内部燃料流动通道(90)经过所述主喷嘴(59)沿周向延伸，以及所述喷射孔(106)，其从所述环形分支穿过至少一个所述板(76、78)伸出。
5.根据权利要求4所述的喷射管(60)，其中所述环形分支具有波形部分(290、292)。
6.根据权利要求5所述的喷射管(60)，其还包括先导喷嘴线路，该线路包括顺时针和逆时针延伸的先导分支(294、296)，该先导分支从至少一个第二所述内部燃料流动通道(90)经过所述主喷嘴(59)沿周向延伸。
7.根据权利要求4所述的喷射管(60)，其中，所述环形分支包括顺时针和逆时针延伸的环形分支(284、286)。
8.根据权利要求7所述的喷射管(60)，其中，所述顺时针和逆时针延伸的环形分支(284、286)分别具有平行的第一和第二波形部分(290、292)。
9.根据权利要求8所述的喷射管(60)，其中，所述喷射孔(106)交替地设置在所述第一和第二波形部分(290、292)上，从而大致沿圆(300)排列。
10.根据权利要求9所述的喷射管(60)，其还包括先导喷嘴线路，该线路包括顺时针和逆时针延伸的先导分支(294、296)，该先导分支从至少一个第二所述内部燃料流动通道(90)经过所述主喷嘴(59)沿周向延伸。
全文摘要
一种燃气轮机燃料喷射管(60)包括单个供料带(62)，该供料带具有一对沿长度方向延伸并接合成一个整体的板(76、78)。每个板具有一排(80)沿宽度方向间隔开且沿长度方向平行延伸的槽(84)。每个板中的相对的槽(84)相互对准而在整个带上从入口端(66)到出口端(69)形成内部燃料流动通道(90)。供料带(62)包括位于入口端(66)和出口端(69)之间基本上直的中间部分(64)。在一个可替换的实施例中，中间部分(64)的曲率半径(R)大于中间部分(64)的长度(L)。供料带(62)具有至少一个位于入口端(66)和中间部分(64)之间的急剧弯曲部分(65)和位于出口端(69)和中间部分(64)之间的弯曲部分(68)。供料带(62)在与内部燃料流动通道(90)相连的入口端(66)具有燃料进入孔。
文档编号F23D11/36GK1502797SQ03136398
公开日2004年6月9日 申请日期2003年6月4日 优先权日2002年6月4日
发明者P·莱恩, M·P·弗鲁贝尔, B·W·萨维尔, R·J·哈维, A·A·曼茨尼, J·N·库珀, R·T·麦恩斯, P 莱恩, 哈维, 库珀, 弗鲁贝尔, 曼茨尼, 萨维尔, 麦恩斯 申请人:通用电气公司, 帕克-汉尼芬公司