专利名称：燃料喷嘴组件和方法
技术领域：
本申请主要涉及一种用于燃气轮机的燃烧器的燃料喷嘴，且更特
别地，本申请涉及一种用于燃气轮机的干燥的低N0x燃烧器的初级燃 料喷嘴及其制造方法.
背景技术：
用于燃气轮机的低NOx燃烧器在工业上是已公知的。例如，美国专
利No. 4， 292， 801描述了一种"双级-双模低N0x燃烧器，，，该燃烧器
使得降低了燃烧过程中产生的氮氧化物(N0x)的量。这种低N0x燃烧
器通常包括两个燃烧室.燃料通过燃料喷嘴被引入燃烧室内，所述燃料
喷嘴延伸通过燃烧器的端盖.更具体而言，多个初级燃料喷嘴延伸进入
第一燃烧室内且次级燃料喷嘴朝向第二燃烧室延伸。在运行中，燃料被 选择地引导通过初级和次级燃料喷嘴以在相应的燃烧室中启动和终止
燃烧。可以产生相对较低水平的NOx的方式来控制燃烧.
每个初级燃料喷嘴通常包括喷嘴本体、孔口板和套环.孔口板被定 位在喷嘴本体的内部上且流动通过喷嘴本体的燃料通过孔口板中的孔. 套环被定位在邻近出口端的喷嘴本体外部上。流动通过喷嘴本体的燃料 通过邻近套环的出口端.孔口板和套环影响燃料的流动特征且因此影响 了燃烧器的性能，
通常，孔口板和套环利用例如钎焊或电子束焊接等工艺被联接到喷 嘴本体上.这些工艺使得去除孔口板相对较为困难。但是，通过孔口板 的气体和空气流可能会使孔产生磨损从而影响燃烧器的性能.在这种情 况下，初级燃料喷嘴可被更换.进一步地，这些工艺可能在套环与喷嘴 本体相联结的位置处形成焊脚。所述焊脚可具有不受控的尺寸、形状和 表面，这可能会扰乱邻近喷嘴本体出口端的燃料和空气流的流动，且同 样会影响到燃烧器的性能。
发明内容
本申请描述了一种燃料喷嘴組件，所述燃料喷嘴组件可包括喷嘴本
体和孔口板。所述孔口板可被可拆卸地定位在所述喷嘴本体的内部上.
本申请还描述了一种燃料喷嘴组件.所述燃料喷嘴组件可包括喷嘴 本体和套环.所述套环可被一体成形在所述喷嘴本体的外部上.
本申请进一步地描述了一种制造燃料喷嘴组件的方法.所述方法可 包括形成喷嘴本体和套环。所述套环可与所述喷嘴本体一体成形.所述 方法还可包括形成孔口板、将所述孔口板联接到喷嘴本体上并且将所述 孔口板密封到所述喷嘴本体上.
在对下面的附图和具体实施方式
进行论述时，所披露的初级燃料喷 嘴组件和方法中的其它系统、装置、方法、特点和优点将是显而易见的 或者对于本领域的技术人员将变得显而易见。所有这些附加的系统、装
置、方法、特点和优点旨在被包括在该说明书内且旨在被所附权利要求 书所保护，
结合下面的附图将更好地理解本发明披露的内容，在所有的附图中 使用相匹配的附图标记表示相应的零部件，且附图中的零部件并不一定 是按比例进行绘制的.
图l是燃气轮机的部分剖视图，图中示出了燃气轮机中的燃烧器；
图2是初级燃料喷嘴组件的一个实施例的透视图3是图2所示的初级燃料喷嘴组件的透视图4是燃烧器的端盖的透视图，图中示出了位于端盖中的多个初级
燃料喷嘴组件；
图5是定位环的一个实施例的透视图6是图3所示的初级燃料喷嘴组件沿线6-6截取的剖视图； 图7是图3所示的初级燃料喷嘴组件沿线6-6截取的部分剖视图， 图中示出了该组件的密封机构；和
图8是示出了制造初级燃料喷嘴组件的方法的一个实施例的框图。
具体实施例方式
图1是燃气轮机100的部分剖视图，图中示出了燃气轮机100中的 燃烧器102。燃烧器102可被构造成在燃烧过程中产生相对较低水平的 氮氧化物(N0x).燃烧器102可以是例如上述美国专利No.4， 292，801中所描述的双级-双模干燥低N0x燃烧器的一个实施例.然而，本申请 的原理可以被应用于其它燃烧器102.图1中仅示出了一个燃烧器102, 尽管如此，燃气轮机100典型地包括在燃气轮机100周围布置成圃形排 列的多个燃烧器102.
燃烧器102可具有端盖104、多个燃烧室和多个燃料喷嘴.该喷嘴 可通过端盖104将燃料传送进入室内.更特别地，多个初级燃料喷嘴组
件106可将燃料传送进入燃烧器102的第一室110内，而次级燃料喷嘴 组件108将燃料传送进入燃烧器102的第二室112内.燃料可通过空气 旋流器与来自压缩机(未示出)的空气混合，以产生驱动渴轮机(未示 出)的受压空气。由于利用次级燃料喷嘴108来形成低NOx燃烧的方式 是已公知的，因此此处省略了进一步的描述.
图2和图3是初级燃料喷嘴组件106的一个实施例的透视图，所述 初级燃料喷嘴组件可与低NOx燃烧器，例如图1所示的燃烧器102, — 起使用.初级燃料喷嘴组件106通常包括喷嘴本体114、套环116和孔 口板118，下文将对这些部件进行进一步详细地描述.锁定构件和密封 件(未示出)还可分别在位置120和122处被定位在喷嘴本体114的外 部上。
初级燃料喷嘴组件106可被构造成定位于燃烧器102的端盖104 中，如图4所示.锁定构件120和垫围122可在初级燃料喷嘴组件106 与端盖104之间形成坚固但又可拆卸的密封。尽管燃烧器102可与被组 构成任何布置的任何数量的初级燃料喷嘴组件106 —起使用，圃形排列 的六(6)个初级燃料喷嘴组件106在此被示出，这种构造可见于纽约 斯卡奈塔第的通用电气公司(General Electric Company)制造的涡轮 机中，尤其例如是其MS7001BA涡轮机。为了清楚的目的，次级燃料喷 嘴108在图4中未示出。
初级燃料喷嘴组件106被构造成使得能够将燃料引导通过端盖104 并引入第一燃烧室110内。返回参见图2和图3，喷嘴本体114可具有 相对中空的内部和出口端128,在出口端128处，可形成通过喷嘴本,体 114的多个孔130以允许燃料通过所述孔被排出。多个叶片132可在邻 近孔130的位置处从喷嘴本体114延伸出来。叶片132沿径向方向向外 延伸.叶片132可沿外周被套环116封闭，喷嘴本体114的外部、叶片 132和套环116的内表面限定了多个窗134.窗134被定位成与孔130
相对应从而使得被排出孔130的燃料进入窗134内.通过窗134的空气 可与燃料混合从而形成在燃烧室110、 112中燃烧的空气/燃料组合物.
初级燃料喷嘴组件106的出口端的几何形状可影响空气/燃料组合 物中空气与燃料的比率.例如，孔130、叶片l32、套环116和窗134 的尺寸设置和相对位置可以是总几何形状的相关组成部分.典型地，对 几何形状进行选择以便形成具有特定的燃料与空气比率的空气/燃料组 合物，从而使得根据需要发生燃烧，因此，初级燃料喷嘴组件106可被
制造成获得所需几何形状.
更具体而言，套环116可与喷嘴本体114一体成形，从而使得套环
116和喷嘴本体114具有整体式构造。该整体式构造使得不需要利用例 如钎焊或焊接的工艺将套环116独立地附接到喷嘴本体114上.为了获 得该整体式构造，可对喷嘴本体114和套环116进行机加工。例如，可 利用受控的机加工工艺，如计算机数控(CNC)机加工工艺，对喷嘴本 体114和套环116进行机加工。可利用具有多轴计算机数控机加工中心 的机器或者利用被构造成用于进行放电加工(EDM)的机器来实施适当 的计算机数控机加工工艺.还可利用其它机加工工艺.此外，喷嘴本体 114和套环116可被铸造而成，从而使得这些部件具有整体式构造.本 文还可采用适于获得整体式构造的其它制造工艺.喷嘴本体114和套环 116可由整件材料如不锈钢形成。
图6是沿线6-6截取的初级燃料喷嘴组件106的剖视图.套环116 的内表面可呈相对锥形.叶片132中的每个叶片可具有外表面，所述外 表面被连接至套环116的内表面的一部分，如图所示，可在套环116的 内表面与每个叶片132的外表面之间形成相交部142。例如，该相交部 142可成一定的相对角度或可略微形成曲形或半径.相交部142围绕套 环116是相对均匀的。例如，相交部142可产生小于约0.005英寸的变 化。因此，空气和燃料可被均匀地分布在喷嘴本体114的出口端128周 围.空气/燃料组合物中燃料所占的比率可相对一致且可对燃烧室110、 112内的温度进行控制.结果是，可减少在燃烧室110、 112内产生的 N0x。
当套环116被钎焊或焊接到喷嘴本体114上时，利用合金流在每个 相交部142处形成接头或焊脚.由于控制合金流可能相对较为困难，因 此使得在整个相交部142上的接头的尺寸和形状可能发生变化，这导致
窗134的剖面积发生变化.可在制造时对接头进行检查以便确证已经形 成了紧固的连接.还可随着使用来检查接头以便确证接头并未失效.特 别地，形成接头的部件被设置成与在燃烧器102的运行过程中通过窗 134的燃料和空气进行接触，且燃料和空气可处在不同温度下.例如， 燃料可具有低至约70。F至约80。F的温度，而空气可具有高达约700°F 的温度，因此，在燃烧器102的正常运行过程中，接头可经受不同的热 膨胀率，从而使接头处在足以导致出现应力或可能的失效的拉力下.另 一方面，当套环116与喷嘴本体114一体成形时，套环116与喷嘴本体 114的相交部142可围绕喷嘴本体114是相对均匀的，例如，相交部142 可在约十/-0.005英寸的公差内变化.因此，初级燃料喷嘴组件106在剖 面积方面的变化可能更小且该初级燃料喷嘴组件可能够耐受相对更高 的应力而不会失效，
返回参见图2和图3，初级燃料喷嘴组件116还可包括孔口板118. 孔口板118是可拆卸的且被构造成定位在喷嘴本体114的内部上.可形 成通过孔口板118的多个孔口 144以使得燃料可向着孔130而流动通过 孔口 144。到达孔130的燃料体积受到孔口板118上的压力差以及孔口 144的尺寸和形状的影响。由于孔口板118是可拆卸的，因此当燃料使 孔口 144被磨损时，孔口板118可被更换。还可用不同的孔口板118来 代替上述孔口板118以便改变燃烧器102的运行.
图5是定位环146的一个实施例的透视图。参见图6,孔口板118 可通过该定位环146被保持在适当位置，更特别地，孔口板118可被定 位在喷嘴本体114上的凸缘148与定位环146之间.凸缘148可向内延 伸进入喷嘴本体114的内部内，从而形成防止孔口板118更远地移入喷 嘴本体114内的止挡部，定位环146可被构造成被可释放地联接到与凸 缘148相邻的喷嘴本体114的内表面上。定位环146因此形成了防止孔 口板118更远地移出喷嘴本体114的止挡器。因此，当孔口板118被定 位在凸缘148与定位环146之间时，孔口板118被保持在适当位置处，
为了使定位环146被联接到喷嘴本体的内表面上，定位环146和喷 嘴本体114可配备有联接机构152。例如，联接机构152可以是位于定 位环146的外表面上的螺紋154。螺紋154可被构造成与喷嘴本体ll4 的内表面上的螺紋158接合。在其它实施例中，可利用其它联接机构l52 将定位环146可释放地联接到喷嘴本体114的内表面上。
为了使定位环146被释放以便去除孔口板118，定位环146可配备 有释放机构160。例如，定位环146可具有与工具(未示出)形状相对 应的形状.由于形状是相对应的，因此该工具可与定位环146匹配.该 工具可将扭矩施加到定位环146上以使得可去除定位环146.如图5所 示，释放机构160可包括在定位环146的内表面上形成的多个凹部162. 凹部162可被构造成与具有相应凸部的工具(未示出)相接合，以使得 可去除该定位环146.在其它实施例中，释放机构160可具有其它构型.
初级燃料喷嘴组件106进一步可包括密封机构166，所述密封机构 被构造成在孔口板118与喷嘴本体114的内表面之间形成密封.密封机 构166可防止燃料在孔口 118的周部168周围流向孔130.因此，通过 孔口板118的燃料体积可受到控制且空气/燃料组合物中的燃料比率可 相对一致.
图7最佳地示出了密封机构166，该图是初级燃料喷嘴组件106的 部分剖视图.如图所示，密封机构166可包括位于定位环146的前面上 的凸出缘边170和緩冲区域172.密封机构166还可包括位于凸缘148 的后面上的凸出缘边176和緩冲区域178.缘边170、 176通过空间182 而彼此隔开。缘边170、 176可被构造成使得当定位环146被上紧时将 弯矩施加到孔口板118上。更特别地，弯矩可被施加在孔口板118的周 部168周围。弯矩可足以导致孔口板118产生弯曲，但并不足以导致孔 口板118产生屈服。由于孔口板118的确产生了弯曲，因此可在孔口板 118的周部168周围形成密封.当燃烧器102的运行导致初级燃料喷嘴 组件106的部件经受了变化的热膨胀率时，这种密封仍会持续存在.代 替未被密封的情况，弯矩被减小且孔口板118或者被松弛或返回平衡状 态.
緩冲区域172、 178可被构造成允许孔口板118在弯矩下产生偏斜， 换句话说，孔口板118可起初弯曲进入緩沖区域172、 178内以便形成 密封.此外，緩冲区域172、 178用作防止孔口板118弯曲超过预定界 限的止挡部，例如，緩冲区域172、 178可被制成一定尺寸，以使得孔 口板118产生弯曲而不会产生屈服或变形。在其它实施例中，密封机构 166可具有其它构型。
尽管并非必须，但也可设置故障保护机构以便确保定位环1"在燃 烧器102的运行过程中无法松他.例如，多个平头焊接部(未示出)可 被施加在定位环146与喷嘴本体114之间.平头焊接部是相对紧固但又 是可拆卸的.另一种可选方式是，可利用其它故障保护机构，如保持销 或突片(未示出).
由于孔口板118可被去除，因此当孔口 144产生磨损时，可对孔口 板118进行修补或更换所述孔口板.也可在需要不同的燃料成分时更换 孔口板118.在任一种情况下，喷嘴本体114可被重复使用，这降低了 存货成本和维持的存货量.密封机构166确保了孔口板118和凸缘148 在一定的温度和流条件范围内保持处于密封状态，从而允许出现变化的 热膨胀率。
图8是示出了制造初级燃料喷嘴组件的方法800的一个实施例的框 图。在框802中，可形成喷嘴本体和套环。套环与喷嘴本体一体成形. 例如，喷嘴本体和套环可由整件材料形成.如上所述，尤其可利用机加 工工艺或铸造工艺来形成该喷嘴本体和套环.
在框804中，形成孔口板.例如，尤其可利用机加工工艺来形成孔 口板。可利用的一种机加工工艺是计算机数控机加工工艺.形成孔口板 的步骤进一步包括形成通过孔口板的多个孔口 .
在框806中，孔口板可被联接到喷嘴本体上。在一些实施例中，可 利用钎焊工艺或焊接工艺将孔口板永久地联接到喷嘴本体上.在其它实 施例中，孔口板可被可释放地联接到喷嘴本体上.例如，可通过将孔口 板定位在喷嘴本体上的凸缘与可拆卸定位环之间而将孔口板可释放地
联接到喷嘴本体上，可拆卸定位环可被联接到喷嘴本体上以便将孔口板 保持靠在凸缘上。例如，可拆卸定位环可具有螺纹，所述螺紋被定位成
与喷嘴本体上的螺紋接合。
在框808中，孔口可被密封到喷嘴本体上.在利用钎焊工艺将孔口 板联接到喷嘴本体上的实施例中，可通过对孔口板的整个周部进行钎焊 而形成密封.在利用定位环将孔口板可拆卸地联接到喷嘴本体上的实施 例中，可利用定位环和凸缘在孔口板的周部周围将弯矩施加到孔口板 上。
尽管在前面的描述和附图中已经出于示例性的目的对初级燃料喷 嘴组件和方法的特定实施例进行了详细披露，但本领域的技术人员将易 于理解可在不偏离本发明的披露内容的范围的情况下对本发明作出各 种变化和变型.所有这些变化和变型旨在被包括在由以下权利要求书所 保护的本发明的披露内容的范围内. 零件表
00燃气轮机
02燃烧器
04盖
06初级燃料喷嘴组件
08次级燃料喷嘴
10第一室
12第二室
14喷嘴本体
16套环
18孔口板
20锁定构件
22垫團
28喷嘴本体出口端
30孔
32叶片
34窗
40初级燃料喷嘴组件出口端
42成一定角度的相交部
44孔口
46定位环
48凸缘
52联接机构
54定位环螺紋
58喷嘴本体螺紋
60释放机构
62凹部
66密封机构
68周部
70定位环凸出缘边
172定位环緩冲区域 176凸缘凸出缘边 178凸缘緩冲区域 182空间。
权利要求
1、一种燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件包括喷嘴本体(114)；和被可拆卸地定位在所述喷嘴本体(114)的内部上的孔口板(118)。
2、 根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，进一步包括用以将所述 孔口板(118)保持在适当位置处的定位环(146).
3、 根据权利要求2所述的燃料喷嘴组件，其中所述定位环(146 ) 包括用以将所述定位环(146 )可拆卸地联接到所述喷嘴本体(114 )上 的联接机构(152)。
4、 根据权利要求3所述的燃料喷嘴组件，其中所述联接机构(152 ) 包括形成在所迷定位环(146)上的多个联接螺紋(154),所述联接螺 紋(154)被构造成与位于所述喷嘴本体(114)上的多个螺紋(158) 接合.
5、 根据权利要求2所述的燃料喷嘴组件，其中所述定位环(146) 包括用以从所述喷嘴本体(114)上去除所述孔口板(118)的释放机构 (160)。
6、 根据权利要求5所述的燃料喷嘴组件，其中所述释放机构(160) 包括位于所述定位环(146)上的多个凹部(162)。
7、 根据权利要求2所述的燃料喷嘴组件，其中所述定位环(146) 包括用以对所述孔口板(118)和所述喷嘴本体(114)进行密封的密封 机构(166)。
8、 根据权利要求7所述的燃料喷嘴组件，其中所述密封机构(166 ) 包括与所述喷嘴本体(114)的凸缘(148)上的缘边(176)隔开的缘 边(170)，当所述定位环(146)被上紧时，所述缘边将弯矩施加到所 述孔口板(118)上，
9、 根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，进一步包括被一体成形 在所述喷嘴本体(114)的外部上的套环(116).
10、 根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，进一步包括套环(U6 ), 其中在所述喷嘴本体(114)与所述套环(116)之间形成了成一定角度 的相交部(142).
全文摘要
本发明涉及燃料喷嘴组件和方法。一种燃料喷嘴组件包括喷嘴本体(114)和孔口板(118)。所述孔口板(118)可被可拆卸地定位在所述喷嘴本体(114)的内部上。
文档编号F23R3/28GK101354142SQ20081014450
公开日2009年1月28日 申请日期2008年7月25日 优先权日2007年7月27日
发明者J·B·麦米兰, T·E·约翰逊 申请人:通用电气公司