专利名称：用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴组件的制作方法
技术领域：
本发明的领域大体涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及在燃气涡轮发动机内使 用的中心燃料喷嘴。
背景技术：
至少一些已知的燃气涡轮发动机在燃烧器中点燃燃料_空气混合物来产生燃烧 气体流，通过热气路径将该燃烧气体流传送到涡轮。压缩空气被压缩机传送到燃烧器。燃 烧器组件典型地使用有利于将燃料和空气输送到燃烧器的燃烧区的燃料喷嘴。涡轮将燃烧 气体流的热能转换成使涡轮轴旋转的机械能。可使用涡轮的输出来对机器(例如发电机或 泵)供以动力。已知的燃料喷嘴组件包括自端盖延伸的法兰，端盖起燃料喷嘴的结构底座的作 用。预混合管自法兰延伸，且联接到旋流器上。燃料喷嘴组件的固有频率大体随法兰和预 混合管结合体的形状和长度两者而变化。此外，在已知的燃料喷嘴组件中，燃气涡轮发动机 的操作频率可在燃料喷嘴构件和接头(诸如例如法兰、预混合管和/或旋流器和/或限定 在构件之间的接头)中产生低循环和/或高循环疲劳。此外，在已知的燃料喷嘴组件中，如 果固有频率类似于操作转子频率(包括转子频率的一倍至四倍)、燃气涡轮发动机的燃烧 音调和气笛音调或者与它们基本相同，则可产生燃料喷嘴组件周围的应力集中和/或由于 燃料喷嘴组件的原因而造成的燃料孔中的结构破裂。许多已知的燃料喷嘴组件使用各种构件，这些构件由各种材料制成，且例如沿着 限定在法兰、预混合管和/或旋流器之间的接头用焊接接头和铜焊接头联接在一起。由于 不同的材料属性的原因，不同的构件可具有不同的热增长率和/或热膨胀和收缩幅度。另 外，随着时间的过去，焊接接头和铜焊接头可倾向于在暴露于燃气涡轮发动机所产生的操 作频率时在操作期间产生疲劳、开裂或过早故障。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴组件。该燃料喷嘴 组件包括法兰和预混合管。法兰包括构造成以便联接到燃烧器的端盖上的第一端，以及与 所述第一端相对的第二端。预混合管在第一端处联接到法兰第二端上。法兰和预混合管制 造成以不同于燃气涡轮发动机的操作频率的固有频率操作。在另一个实施例中，提供了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括燃烧器 和包括法兰和预混合管的燃料喷嘴组件。法兰包括构造成以便联接到燃烧器的端盖上的第 一端，以及与所述第一端相对的第二端。预混合管在第一端处联接到法兰第二端上。法兰 和预混合管制造成以不同于燃气涡轮发动机的操作频率的固有频率操作。在又一个实施例中，提供了一种组装燃气涡轮发动机的方法。该方法包括将法兰 的第一端联接到燃烧器端盖表面上，其中，法兰包括与所述第一端相对的第二端；以及将预 混合管的第一端联接到法兰第二端上。该方法还包括将法兰和预混合管制造成使得在组装好时，法兰和预混合管以不同于操作转子频率(包括转子频率的一倍至四倍)、燃气涡轮发 动机的燃烧音调和气笛音调的固有频率操作。存在与本发明的上述方面有关的所述特征的各种改进。另外的特征同样也可结合 在本发明的上述方面中。这样的改进和另外的特征可单独存在或以任何组合的形式存在。 例如，以下关于本发明的任何所示实施例所论述的各种特征可单独地或以任何组合的形式 结合在本发明的任何上述方面中。
参照下列附图对非限制性和非穷尽性的实施例进行描述，其中，同样的参考标号 在所有各幅图中指的是相同构件，除非另有规定。图1是示例性燃气轮机发动机的示意图。图2是可与图1所示的涡轮发动机一起使用的示例性燃料输送系统的片段式示
辰、ο图3是可与图1所示的涡轮发动机一起使用的示例性燃料喷嘴组件的截面示意 图。图4是自图3所示的燃料喷嘴组件延伸的示例性法兰的截面示意图。图5是与图3所示的燃料喷嘴组件一起使用的示例性预混合管的截面示意图。部件列表100燃气涡轮发动机102压缩机104燃烧器105燃烧区106燃料喷嘴组件108 涡轮110 转子200燃料喷嘴组件202燃料供应供给装置203子组件204空气供应管205内部雾化空气管206盖子组件208端盖板主体210燃烧器壳体紧固件211多个槽道212插件子组件214紧固件216喷嘴径向外管217紧固件218预混合燃料供应通道
219环形扩散燃料通道220扩散燃料供应通道221径向内管222帽安装法兰223多个中间管224燃料喷嘴帽225喷嘴子组件300燃料喷嘴组件302中心线轴线304 端盖306 法兰308预混合管310 第一接头311燃烧室312径向外表面314 内管315 第二接头316预混合燃料供应通道318扩散燃料通道320入口流动调节器(IFC)322径向外壁324多个穿孔326 端壁328环形IFC腔室330过渡部件332过渡件腔室334IFC 出 口通道340旋流器组件或旋流喷嘴组件342管状护罩344 毂346 接头348旋流喷嘴入口腔室350空心导向叶片352旋流喷嘴外腔室
354燃料-空气混合通道356管状护罩延伸部358管状毂延伸部360扩散火焰喷嘴组件362环形空气通道
5
363开槽的气体尖端364多个气体喷射器366空气喷射器380安装部分382 主体390渐缩部分392 外壁
具体实施例方式图1是示例性燃气涡轮发动机100的示意图。在该示例性实施例中，发动机100 包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区105和燃料喷嘴组件106。发动机 100还包括涡轮108和共同的压缩机/涡轮轴110 (有时称为转子110)。压缩机102还可旋 转地联接到转子110上。在该示例性实施例中，存在多个燃烧器104和燃料喷嘴组件106。 在下列论述中，除非另有指示，将对各构件中的仅一个进行论述。在一个实施例中，燃气涡 轮发动机100是可商购自南加利福尼亚格林维尔的通用电气公司的PG93719FBA重型燃气 涡轮发动机。值得注意的是本发明不限于任何一种特定的发动机，且本发明可与其它燃气 涡轮发动机结合起来使用，例如，诸如可商购自南加利福尼亚格林维尔的通用电气公司的 MS700IFA (7FA), MS900IFA (9FA), MS700IFB (7FB)和 MS9001FB (9FB)发动机型号。在操作期间，空气流过压缩机102，且压缩空气被供应到燃烧器104。特别地，将大 量的压缩空气供应到与燃烧器104成整体的燃料喷嘴组件106。一些燃烧器具有分配到稀 释空气子系统(在图1中未显示)的、来自压缩机104的空气流的至少一部分，且大多数燃 烧器具有至少一些密封泄漏。燃料喷嘴组件106与燃烧区105流动连通。燃料喷嘴组件 106还与燃料源(未在图1中显示)流动连通，且将燃料和空气传送到燃烧区105。燃烧器 104点燃且燃烧产生高温燃烧气体流的燃料，例如天然气和/或燃油。燃烧器104与涡轮 108以流动连通的方式联接，且涡轮108将来自燃烧器104所排出的燃烧气体的热能转换成 机械旋转能。涡轮108可旋转地联接到转子110上。图2是可作为燃烧器104 (在图1中显示)的构件与涡轮发动机100 (在图1中显 示)一起使用的示例性燃料输送组件200的片段式示意。在该示例性实施例中，燃料输送 组件200包括至少一个燃料供应供给装置202和雾化空气筒子组件203。子组件203包括 联接到内部雾化空气管205上的多个空气供应管204。燃料喷嘴组件200还包括燃烧器端 盖子组件206。盖子组件206包括用于传送空气和燃料(在下面进一步论述)的多个预混 合燃料供应通道218、端盖板主体208，以及多个端盖-燃烧器壳体紧固件210。在该示例性 实施例中，主体208通过机械加工过程形成，其中，多个槽道211形成于主体208内，多个槽 道211大小设置成以便接收(但不限于仅接收)预混合燃料供应通道218、扩散燃料供应通 道220、多个雾化空气供应管204、燃料喷嘴插件子组件212、多个端盖-燃烧器壳体紧固件 210、多个插件-端盖紧固件214，以及多个帽-端盖紧固件217。或者，可根据本文描述的 教导来对现有主体208进行改型。在该示例性实施例中，盖子组件206通过紧固件210联 接到燃烧器104 (在图1中显示)壳体上，且雾化空气筒子组件203联接到端盖板主体208 上。
燃料喷嘴组件200还包括多个燃料喷嘴插件子组件212和燃料喷嘴子组件225。 燃料喷嘴子组件225包括多个喷嘴径向外管216、多个中间管223、帽安装法兰222，以及多 个径向内管221、环形扩散燃料通道219和燃料喷嘴帽224。在该示例性实施例中，燃料喷 嘴插件子组件212通过紧固件214联接到端盖板主体208上，且帽224通过紧固件217和 帽安装法兰222联接到端盖板主体208上。在操作期间，通过至少一个供应供给装置202将燃料从燃料源(未在图2中显示) 传送到燃料喷嘴组件200。通过通道218和燃料喷嘴插件子组件212将预混合燃料传送到 管216，如由箭头所示。通过管220将扩散燃料传送到通道219，如由箭头所示。在将燃烧 空气传送到管205之前，将燃烧空气从压缩机102 (在图1中显示)传送到空气供应管204， 如由箭头所示。大体上，多个燃料喷嘴组件200绕着转子110(在图1中显示)沿周向隔 开，以确保周向燃烧气体流，使得在燃烧器104内产生基本均勻的温度，且其被传送到涡轮 108 (在图1中显示)。在图3中示出且在下面更详细地描述了燃料喷嘴组件200的一部分， 包括插件子组件212，如在虚线内所示。图3是示例性燃料喷嘴组件300的放大截面示意图。在该示例性实施例中，燃料 喷嘴组件300具有中心线轴线302，且通过燃料喷嘴法兰306联接到端盖304上。在第一接 头310处联接到法兰306上的预混合管308包括径向外表面312。在该示例性实施例中，预 混合管308通过电子束焊缝联接到法兰306上。或者，预混合管308可使用任何联接装置 来联接到法兰306上，诸如例如铜焊、螺钉、螺栓和/或使得燃料喷嘴组件300能够如本文 所描述的那样起作用的任何紧固件。预混合管308自接头310朝向燃烧室311延伸可变的 长度U。在该示例性实施例中，长度L1操纵成以便恰当地调节燃料喷嘴组件300的固有频 率，其中，法兰306和预混合管组件以不同于操作转子频率(包括转子频率的一倍至四倍)、 燃气涡轮发动机100(在图1中显示)的燃烧音调和气笛音调的固有频率操作。燃料喷嘴组件300包括沿着第二接头315联接到法兰306上的径向内管314。管 308和314限定了基本环形的第一预混合燃料供应通道316。另外，内管314限定了扩散燃 料通道318。在该示例性实施例中，通道316和318以流动连通的方式联接到多个燃料源 (未在图3中显示)上。燃料喷嘴组件300包括基本环形的入口流动调节器(IFC) 320。在该示例性实施 例中，IFC320包括径向外壁322和端壁326，径向外壁322包括多个穿孔324，端壁326定 位在IFC320的后端上且在壁322和表面312之间延伸。壁322和326以及表面312在其 之间限定了基本环形的IFC腔室328。腔室328通过穿孔324与冷却通道(未在图3中显 示)流动连通。燃料喷嘴组件300还包括联接到壁322上的管状过渡部件330。过渡部件 330限定了基本环形的过渡腔室322，过渡腔室322相对于第一预混合燃料供应通道316基 本同心地对准，且定位成使得IFC出口通道334在腔室328和332之间延伸。在该示例性实施例中，燃料喷嘴组件300还包括用于与气态燃料喷射一起使用的 空气旋流器组件或旋流喷嘴组件340。旋流喷嘴340包括联接到过渡部件330上的基本管 状的护罩342，以及沿着接头346联接到管308上的基本管状的毂344。在该示例性实施例 中，毂344通过电子束焊缝联接到管308上。或者，毂344可使用任何联接装置来联接到管 308上，诸如例如铜焊、螺钉、螺栓和/或使得燃料喷嘴组件300能够如本文所描述的那样起 作用的任何紧固件。护罩342和毂344在它们之间限定环形腔室348，其中，多个空心导向叶片350在护罩342和毂344之间延伸。腔室348以流动连通的方式与腔室332联接，且 毂344包括与预混合燃料供应通道316流动连通的多个导向叶片通道(未在图3中显示)。 多个预混合气体喷射端口(未在图3中显示)限定在空心导向叶片350内。类似地，毂344 限定了以流动连通的方式与预混合燃料供应通道318联接的多个辅助导向叶片通道(未在 图3中显示)，以及限定在导向叶片350内的多个辅助气体喷射端口(未在图3中显示)。 入口腔室348和主气体喷射端口以及辅助气体喷射端口以流动连通的方式与出口腔室352 联接。燃料喷嘴组件300包括由管状护罩延伸部356限定且由管状毂延伸部358限定的 基本环形的燃料_空气混合通道354。通道354以流动连通的方式与腔室352联接，且延伸 部356和358分别各自联接到护罩342和毂344上。管状扩散火焰喷嘴组件360联接到毂344上，使得环形扩散燃料通道318至少部 分地被限定。组件360还与毂延伸部358协作限定了环形空气通道362。燃料喷嘴组件300 还包括联接到毂延伸部358上且联接到组件360上的开槽的气体尖端363。尖端363包括 多个气体喷射器364和空气喷射器366，且以流动连通的方式与燃烧室311联接，且有利于 燃料和空气在燃烧室311中的混合。在操作期间，燃料喷嘴组件300通过包围燃料喷嘴组件300的气室(未在图3中显 示)从空气供应管204(在图2中显示)接收压缩空气。用于燃烧的大部分空气通过IFC320 进入组件300，且被传送到预混合构件。特别地，空气通过穿孔324进入IFC320，且在腔室 328内混合，且空气通过通道334离开IFC320，且通过过渡件腔室332进入旋流喷嘴入口腔 室348。进入空气供应管204的高压空气的一部分也被传送到插入在扩散燃料通道318中 的气雾式液体燃料筒(未在图3中显示)中。燃料喷嘴组件300通过预混合燃料供应通道316接收来自燃料源(未在图3中显 示)的燃料。将燃料从预混合燃料供应通道316传送到限定在导向叶片350内的多个主气 体喷射端口。从过渡件腔室332传送到旋流喷嘴入口腔室348的空气在与燃料混合之前通过导 向叶片350而被旋动，然后将燃料/空气混合物传送到旋流喷嘴出口腔室352中，以进行另 外的混合。然后在将燃料和空气混合物从组件300排到燃烧室311中之前，将燃料和空气 混合物传送到混合通道354。另外，将通过扩散燃料通道318传送的扩散燃料通过气体喷射 器364而排出到燃烧室311中，其中，扩散燃料与从空气喷射器366中排出的空气混合并与 其一起燃烧。图4是与燃料喷嘴组件300 —起使用的法兰306的截面示意图。在该示例性实施 例中，法兰306制造成在燃气涡轮发动机100的操作频率的整数倍频率之间操作。更具体 地，且在该示例性实施例中，燃气涡轮发动机100以约50Hz的频率操作。法兰306制造成 以将会基本避开50Hz或其倍数(诸如例如100赫兹、150赫兹、200赫兹等)的固有频率操 作。更具体地，在该示例性实施例中，法兰306制造成以约175Hz至约180Hz的固有频率操 作。该示例性实施例适用于9级燃气涡轮机，但也可适用于多个发动机类别，例如具有60Hz 转子音调(具有120Hz、180Hz、240Hz的多倍转子音调)的7级燃气涡轮机。为了确保燃料喷嘴组件300以期望的固有频率操作，法兰306制造有中心线轴线 302，且包括共同限定用于控制期望的固有频率的外部长度L2的安装部分380和基本为截头圆锥形形状的主体382。在该示例性实施例中，主体382会聚，且制造成具有约10°的角 A1,以使得燃料喷嘴组件300能够以约175Hz至约180Hz之间的频率操作。在该示例性实 施例中，长度L2为约3. 75英寸(95. 25mm)，且使得燃料喷嘴组件300能够以约175Hz至约 180Hz之间的频率操作。或者，主体382可制造成具有任何角A1,且长度L2可为使得燃料喷 嘴组件300能够如本文所描述的那样起作用的任何长度。图5是预混合管308的截面示意图。在该示例性实施例中，预混合管308具有中 心线轴线302，且制造成以不同于燃气涡轮发动机100的操作频率的频率操作。更具体地， 在该示例性实施例中，预混合管308具有约14英寸(in.) (357毫米(mm))的长度L1,其中， 预混合管308以不同于燃气涡轮发动机100 (在图1中显示)的操作频率(即50赫兹或者 其倍数)的频率操作。或者，L1可为使得燃料喷嘴组件300能够如本文所描述的那样起作 用的任何长度。在该示例性实施例中，预混合管308包括渐缩部分390，渐缩部分390使得更多的 空气流能够通过燃料喷嘴组件300，且更具体而言通过旋流喷嘴组件340 (在图3中显示)。 在该示例性实施例中，渐缩部分390形成为具有约5°的角A2。或者，渐缩部分390可按照 使得燃料喷嘴组件300能够如本文所描述的那样起作用的任何角度A2会聚。此外，在该示 例性实施例中，预混合管308包括具有约0. 19 (in.) (4. 76 (mm))的厚度T的外壁392。或 者，外壁392可形成为具有使得燃料喷嘴组件300能够如本文所描述的那样起作用的任何 厚度T。以上对燃料喷嘴组件的示例性实施例进行了详细的描述。使用上述系统来将燃料 和空气的混合物输送到发动机的燃烧室，且上述系统制造成平衡发动机内的频率边界，同 时在燃烧室的正好上游提供更加稳固和弹性的设计。更具体地，各个燃料喷嘴组件内的法 兰和预混合管结合了结构设计和固有频率调节两者来优化设计，以平衡频率边界、低循环 疲劳(LCF)、高循环疲劳(HCF)能力和空气动力学影响。这样的燃料喷嘴组件有利于降低应 力集中、使燃料孔中的破裂最小化，且有利于固有频率的更加增强的调节，以提供关于转子 速度的足够的频率边界和具有最小化的空气动力学干涉的燃烧音调。此外，本文描述的系统和方法通过使用电子束焊接接头消除了法兰和预混合管之 间的铜焊接头，电子束焊接接头有利于增强燃料喷嘴组件的结构强度，以及增强燃料喷嘴 组件的弹性。此外，系统和方法有利于提高燃料喷嘴组件在发动机操作期间的耐用性。可 变地选择法兰的轮廓和预混合管的形状以及预混合管壁的厚度，以有利于控制和改进固有 频率边界、LCF和HCF，从而优化设计，以提供稳固耐用的构件，并且延长产品寿命。虽然是在用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴组件的环境下对本文描述的设备和方 法进行描述的，但理解的是设备和方法不限于这样的应用。同样，所示系统构件不限于本文 描述的具体实施例，而是相反，可独立地使用系统构件，且可与本文描述的其它构件分开来 使用系统构件。如本文所用，以单数形式叙述且前面有用语“一个”或“一种”的元件或步骤应理解 为不排除复数元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。此外，对本公开的“一个实施例”的 参照不意在解释为排除也结合了所叙述的特征的另外的实施例的存在。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员 能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可
9授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种 其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权 利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书 的范围之内。
权利要求
一种用于包括燃烧器(104)的燃气涡轮发动机(100)的燃料喷嘴组件(200)，所述燃料喷嘴组件包括包括构造成以便联接到所述燃烧器的端盖(304)上的第一端和与所述第一端相对的第二端的法兰(222，306)；以及在第一端处联接到所述法兰第二端上的预混合管(308)，所述法兰和所述预混合管制造成以不同于所述燃气涡轮发动机的操作频率的频率操作。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述预混合管(308)通过 电子束焊缝联接到所述法兰第二端上。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述法兰(222，306)包括 基本截头圆锥形形状的主体(382)，该主体(382)包括一定会聚角，以有利于控制所述法兰 的固有频率。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述法兰(222，306)和所 述预混合管(308)制造成在所述燃气涡轮发动机(100)的所述操作频率的整数倍频率之间操作。
5.根据权利要求4所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述法兰(222，306)制造 成以约175Hz至约180Hz的固有频率操作。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述燃料喷嘴组件进一步 包括联接到所述预混合管(308)的第二端上的端帽组件。
7.根据权利要求6所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述端帽组件通过电子束 焊缝联接到所述预混合管(308)第二端上。
8.根据权利要求6所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述预混合管(308)的所 述第二端包括构造成以便有利于通过所述燃料喷嘴组件的流动的渐缩区段。
9.根据权利要求6所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述燃料喷嘴组件进一步 包括通过电子束焊缝联接到所述预混合管(308)的所述第二端上的旋流器组件(340)；以及通过电子束焊缝联接到所述旋流器组件上的尖端管。
10.根据权利要求9所述的燃料喷嘴组件(200)，其特征在于，所述燃料喷嘴组件进一 步包括通过电子束焊缝联接到所述尖端管的下游端上的尖端组件。
全文摘要
提供了一种用于燃气涡轮发动机(100)的燃料喷嘴组件(200)，该燃气涡轮发动机包括燃烧器(104)。该燃料喷嘴组件包括法兰(222，306)，该法兰包括构造成以便联接到燃烧器的端盖(304)上的第一端和与该第一端相对的第二端；和预混合管(308)，该预混合管在第一端处联接到法兰第二端上，法兰和预混合管制造成以不同于燃气涡轮发动机的操作频率的频率来操作。
文档编号F23D14/48GK101943407SQ20101023123
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者D·M·拜利, M·B·赫夫曼, S·R·西蒙斯 申请人:通用电气公司