涡轮机械燃烧器喷嘴及其形成方法
【专利摘要】一种涡轮机械燃烧器喷嘴包括整体式喷嘴构件，其具有板元件和多个喷嘴元件。多个喷嘴元件中的各个包括第一端，其从板元件延伸至第二端。板元件和多个喷嘴元件形成为整体构件。板部件与喷嘴构件相连接。板部件包括外边缘，其限定第一表面和第二表面以及在第一表面与第二表面之间延伸的多个开口。多个开口构造并设置成与多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件的第二端对准并接受多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件的第二端。
【专利说明】涡轮机械燃烧器喷嘴及其形成方法
[0001]联邦政府研究声明
本发明是在能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下通过政府支持完成的。政府享有本发明中的某些权益。
【技术领域】
[0002]本文中公开的主题涉及涡轮机械领域，并且更具体地涉及一种具有整体式(monolithic)喷嘴构件的润轮机械燃烧器喷嘴。
【背景技术】
[0003]一般而言，燃气涡轮机械燃烧燃料/空气混合物，其释放热能以形成高温气流。高温气流经由热气体路径而被引导至涡轮部分。涡轮部分将来自高温气流的热能转换成使涡轮轴旋转的机械能。涡轮部分可用于各种应用中，诸如用于将功率提供给泵、发电机、车辆
坐寸ο
[0004]在燃气涡轮机械中，发动机效率随着燃烧气流温度增加而增加。不幸的是，更高气流温度产生更高水平的氮氧化物(NOx)，其是受到联邦及州政府法规限制的排放物。因此，在有效范围内操作燃气涡轮与同时还确保NOx的输出保持在强制性水平之下之间存在谨慎的平衡动作。达到低NOx水平的一种方法是在燃烧之前确保燃料与空气的良好混合。达到低NOx水平的另一方法是采用更高反应性的燃料，其在较低火焰温度下燃烧时产生较少排放物。
【发明内容】
[0005]根据示范实施例的一个方面，涡轮机械燃烧器喷嘴包括整体式喷嘴构件，其具有板元件和多个喷嘴元件。多个喷嘴元件中的各个包括第一端，其从板元件延伸至第二端。板元件和多个喷嘴元件形成为整体构件(unitary component)。板部件与整体式喷嘴构件相连接。板部件包括外边缘，其限定第一表面和第二表面以及在第一表面与第二表面之间延伸的多个开口。多个开口构造并设置成与多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件的第二端对准并且接受多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件的第二端。
[0006]根据示范实施例的另一方面，一种形成涡轮机械喷嘴的方法包括:形成整体式喷嘴构件，其具有板部件和从板部件轴向向外凸出的多个喷嘴元件；将具有多个开口的板元件定位在喷嘴构件附近；将多个喷嘴元件与多个开口中的相应开口对准；并且将多个喷嘴元件连接于板元件。
[0007]一种涡轮机械燃烧器喷嘴包括:整体式喷嘴构件，其具有板元件和多个喷嘴元件，多个喷嘴元件中的各个包括从板元件延伸至第二端的第一端，板元件和多个喷嘴元件形成为整体构件；和连接于整体式喷嘴构件的板部件,板部件包括外边缘,其限定第一表面和第二表面以及在第一表面与第二表面之间延伸的多个开口，多个开口构造并设置成与多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件的第二端对准并且接受多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件的第二端。
[0008]优选地，该涡轮机械燃烧器喷嘴还包括:布置在板元件与板部件之间的流体流量调节板部件，流体流量调节板部件具有第一表面部分、第二表面部分以及在第一表面部分与第二表面部分之间延伸的多个喷嘴通道，多个喷嘴通道构造并设置成与多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件对准并且接受多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件。
[0009]优选地，多个喷嘴元件中的各个包括布置在板元件与流体流量调节板部件之间的径向通道。
[0010]优选地，流体流量调节板部件包括在第一表面部分与第二表面部分之间延伸的多个流体流开口。
[0011]优选地，板元件包括涡轮机械燃烧器喷嘴的出口。
[0012]优选地，板元件包括壁部件，壁部件从板元件轴向向外凸出。
[0013]优选地，板部件包括帽部件，其包括从第二表面轴向向外凸出的壁部分，壁部分构造并设置成与壁部件接合，以限定流体室。
[0014]优选地，多个喷嘴元件中的各个的第二端包括锥形区域。
[0015]优选地，多个开口中的各个包括形成于第二表面中的锥形区，锥形区构造并设置成接受多个喷嘴元件中的各个的锥形区域。
[0016]优选地，多个开口中的各个包括形成于第一表面中的锥形区段。
[0017]一种形成涡轮机械燃烧器喷嘴的方法包括:形成整体式喷嘴构件，其具有板元件和从板元件轴向向外凸出的多个喷嘴元件；将板部件定位在整体式喷嘴构件附近，板部件具有多个开口 ；将多个喷嘴元件与多个开口中的相应开口对准；且将多个喷嘴元件连接于板部件。
[0018]优选地，形成整体式喷嘴构件包括铸造具有实芯的多个喷嘴元件。
[0019]优选地，该方法还包括:形成穿过多个喷嘴元件中的各个的导管。
[0020]优选地，该方法还包括:将具有多个喷嘴通道的流体流量调节板部件定位在板元件与板部件之间，多个喷嘴元件延伸穿过多个喷嘴通道中的相应喷嘴通道。
[0021]优选地，该方法还包括:在板元件与流体流量调节板部件之间的多个喷嘴元件中的各个中形成径向通道。
[0022]优选地，形成径向通道包括从导管内形成径向通道。
[0023]优选地，该方法还包括:在多个喷嘴元件中的各个的端部中形成锥形区域；在多个开口中的各个处，在板部件的表面中形成锥形区；且使多个喷嘴元件中的各个的锥形区域嵌套至板部件的锥形区域中的对应锥形区域中。
[0024]优选地，该方法还包括:在多个开口中的各个处，在板部件的相反表面中形成锥形区段；且通过锥形部分将多个喷嘴元件中的各个的端部连接于板部件。
[0025]优选地，将多个喷嘴元件中的各个连接于板部件包括在多个开口中的各个处将多个喷嘴元件中的各个焊接于板部件。
[0026]优选地，该方法还包括:将环绕多个喷嘴元件中的各个的壁部件与从板部件凸出的壁部分连接。从以下结合附图所做的描述中将使这些优势和特征以及其它优势和特征更为明晰。【专利附图】
【附图说明】
[0027]被认为是本发明的主题在说明书的结尾处的权利要求中被特别地指出并清楚地主张权利。从结合附图所作的下列详细说明中，本发明的前述和其他特征和优点是显而易见的，其中:
图1是涡轮机械的局部截面侧视图，该涡轮机械包括具有根据示范实施例的整体喷嘴构件的燃烧器组件；
图2是图1的燃烧器组件的截面图，其示出具有根据示范实施例的整体喷嘴构件的喷嘴组件；
图3是根据示范实施例的涡轮机械喷嘴的截面图；
图4是在形成径向通道和导管之前的图3的涡轮机械喷嘴的出口部分的局部截面图； 图5是在形成径向通道之后的图4的涡轮机械喷嘴的一部分的截面图；
图6是在形成导管之后的图4的涡轮机械喷嘴的一部分的截面图；
图7是根据示范实施例的另一方面的涡轮机械喷嘴的透视图；
图8是图7润轮机械喷嘴的分解图；且 图9是图7涡轮机械喷嘴的帽部件部分的内表面的局部透视图。
[0028]详细的描述参照附图经由示例说明本发明的实施例以及优点和特征。
[0029]部件列表
2 涡轮机械 4 压缩机部分 6 涡轮部分 8 燃烧器组件 10 公共压缩机/涡轮轴 22 扩散器
24 压缩机排放室(compressor discharge plenum)
30 燃烧器本体 36 燃烧器衬套
38燃烧室(combustion chamber)
39环形燃烧室冷却通道 45 过渡件
48内壁
49外壁
54 环形通道 56 导向腔(guide cavity)
60 喷嘴组件 69 喷嘴本体
72流体入口板
73多个开口
74出口
77流体传送通道78出口区段
80整体式喷嘴构件
83板部件
86流体流量调节板部件
87外喷嘴壁
88第一流体室(first fluid plenum)
89第二流体室92第三流体室
100板元件
101第一表面区段
102相反的第二表面区段104多个喷嘴元件
106第一端
107第二端
108中间部分
109开口
110中心开口112实芯114外边缘
117第一相反表面
118第二相反表面
119中心开口
120多个排放开口130外边缘
133第一相反表面部分
134第二相反表面部分137多个喷嘴通道139多个流体流开口142多个焊缝
144多个焊缝
150径向通道
155导管
158流体入口
163多个喷嘴延长部
166第一端或凸缘端
168第二端或出口端
172凹槽
175压板(clamping plate)
190喷嘴本体 195整体式喷嘴构件
199帽部件
201板元件
202第一相反表面区段
203第二相反表面区段 208环形壁部件
210第一室部分
213多个喷嘴元件
214中心通道
217第二端；
218中间部分 220锥形区域 223流体入口 230板部件
233第一相反表面
234第二相反表面
235壁部分
236第二室部分
237中心开口
238排放开口 240锥形区段 244锥形区。
【具体实施方式】
[0030]首先参照图1和图2，总地以标号2指示根据示范实施例构造的涡轮机械。涡轮机械2包括压缩机部分4，其通过燃烧器组件8连接于涡轮部分6。压缩机部分4还经由公共压缩机/涡轮轴10连接于涡轮部分6。压缩机部分4包括扩散器22和压缩机排放室24，它们与彼此和燃烧器组件8成流动连通地联接。通过这种布置，压缩空气行进穿过扩散器22和压缩机排放室24并进入燃烧器组件8中。压缩空气与燃料相混合，并燃烧以形成热气体。热气体被引导至涡轮部分6。涡轮部分6将来自热气体的热能转换成机械旋转能。
[0031]燃烧器组件8包括燃烧器本体30和燃烧器衬套36。如图所示，燃烧器衬套36相对燃烧器本体30径向向内定位，以便限定燃烧室38。燃烧器衬套36和燃烧器本体30共同限定环形燃烧室冷却通道39。过渡件45将燃烧器组件8连接于涡轮部分6。过渡件45将燃烧室38中所产生的燃烧气体向下游朝着涡轮部分6的第一级(未单独标出)引导。过渡件45包括内壁48和外壁49，它们限定环形通道54。内壁48还限定在燃烧室38与涡轮部分6之间延伸的导向腔56。上述结构被提供用于完整性，并且以使涉及布置在燃烧器组件8内的喷嘴组件60的示范实施例能够被更好地理解。
[0032]参照图3-4，喷嘴组件60包括喷嘴本体69，其具有包括多个开口 73的流体入口板72。喷嘴本体69还被示为包括出口 74，其将可燃流体传送到燃烧室38中。流体传送通道77延伸穿过喷嘴本体69并包括出口区段78，其流体地连接于燃烧室38。
[0033]根据示范实施例，喷嘴本体69包括通过外喷嘴壁87连接的整体式喷嘴构件80、板部件83和流体流量调节板部件86。在这点上应该懂得，术语“整体式”描述如下喷嘴构件，其是在没有诸如通过铸造、直接金属激光烧结(DMLS)、累积制造(additivemanufacturing)和 / 或金属模制注入(metal molding injection)的接头或接缝(seam)的情况下形成的。更具体而言，整体式喷嘴构件80应理解为是利用如下工艺形成的，其导致无连接、接头等的整体构件(unitary component)的产生,如将在下面更充分地论述的。当然，应该懂得整体式喷嘴构件80可与其他构件连接，如也将在下面更充分地论述的。如图所示，流体入口板72与板部件83隔开，以限定第一流体室88，板部件83与流体流量调节板部件86隔开，以限定第二流体室89，并且流体流量调节板部件86与整体式喷嘴构件80隔开以限定第三流体室92。
[0034]进一步根据示范实施例，整体式喷嘴构件80包括板元件100，其具有第一表面区段101和相反的第二表面区段102。整体式喷嘴构件80还被示为包括多个喷嘴元件，其中一个以标号104指不,其从第一表面区段101轴向向外延伸。多个喷嘴兀件104中的各个包括第一端106，其从第一表面区段101通过中间部分108而延伸至第二端107。第一端106限定排放开口 109。第一端106还被示为包括中心开口 110，其构造成接受流体传送通道77的出口区段78。在这点上，应该懂得板元件100和多个喷嘴元件104被铸造为单个整体件，使得喷嘴元件104与板元件100整体地形成。多个喷嘴元件104与板元件100的形成有利地消除许多接头，其可存在应力集中区域、潜在泄漏点等。还应该懂得，喷嘴元件104形成为具有被钻孔或加工的实芯112，如下面将更充分地论述的。
[0035]更进一步根据示范实施例，板部件83包括外边缘114，其限定第一相反表面117和第二相反表面118。板部件83被示为包括中心开口 119，其以及多个出口开口 120与流体传送通道77的出口区段78对准。出口开口 120排列在中心开口 119周围，并且为多个喷嘴元件104中的各个提供通道，如下面将更充分地描述的。流体流量调节板部件86包括外边缘130，其限定相反的第一相反表面区段133和第二相反表面区段134。流体流量调节板部件86包括多个喷嘴通道137，其以及多个流体流开口 139与多个喷嘴元件104相对应。流体流开口 139产生诸如燃料的计量流体流，其从第三室92穿过流体流量调节板部件86而进入第二流体室89中。燃料然后进入喷嘴元件104以与空气相混合，以形成预混合燃料，其从出口 74排放。如图所示，流体流量调节板部件86通过多个焊缝而连接到喷嘴元件104上，其中一个以标号142示出。类似地，喷嘴元件104通过诸如以标号144示出的多个焊缝连接于板部件83。当然，喷嘴元件104可利用各种工艺而连接于流体流量调节板部件86和板部件83。
[0036]现在将参照图5和图6描述喷嘴元件104的细节。如图所示，在形成之后，径向通道150形成在各喷嘴元件104中。径向通道150延伸穿过中间部分108或将中间部分108二等分。在所示的示范方面中，形成了径向通道150，以便与第二流体室89流体地连接。导管155也轴向地穿过各个喷嘴元件104的实芯110地形成。导管可形成于径向通道150之前或之后。如果导管155形成于之前，则可利用放电加工或EDM工艺而从导管155内形成径向通道150。在任一情况下，导管155都将径向通道150 二等分。这样，径向通道150组成通向导管155的流体入口 158。导管155限定流动通道，其在第二端107 (图3)与第一端106之间延伸，以限定排放开口 109。通过该布置，空气可从第一流体室88传送到第二端
107中。燃料被引入第二流体室87中，并经由流体流开口 139而传送到第三流体室92。燃料通过径向通道150进入导管155，以形成可燃混合物，其被引入燃烧室38中。
[0037]根据所示的示范实施例的一个方面，喷嘴组件60具有多个喷嘴延长部，其中一个延长部以标号163不出，其从第二表面区段102轴向向外凸出。各喷嘴延长部163包括第一端或凸缘端166,其延伸至第二端或出口端168。通过该布置,诸如以标号172所示的凹槽在各排放开口 109周围形成在第二表面区段102中。凸缘端166放置在凹槽172内，并通过压板175而保持在合适位置中。压板175包括许多开口(未单独标出)，其构造成与各喷嘴延长部163对准并接受各喷嘴延长部163。当然应该懂得，喷嘴延长部163可利用各种工艺而连接于整体式喷嘴构件80。
[0038]现在将参照图7-9来描述根据示范实施例的另一方面而形成的喷嘴本体190。喷嘴本体190包括连接于帽部件199的整体式喷嘴构件195。整体式喷嘴构件195包括板元件201，其具有第一相反表面区段202和第二相反表面区段203。整体式喷嘴构件195被进一步示为包括环形壁部件208，其在板元件201周围延伸并限定第一室部分210。整体式喷嘴构件195还被示为包括多个喷嘴元件213，其从第一表面区段202轴向向外凸出。按照与上述相似的方式，板元件201、壁部件208和喷嘴元件213形成为单个整体构件。然而，与之前说明的实施例不同，各喷嘴元件213被铸造成具有中心通道214，其从暴露在第二表面区段203处的第一端(未示出)通过中间部分218而延伸至第二端217。第二端217包括与帽部件199上的结构协作的锥形区域220，如下面将更充分地论述的。另外，各喷嘴元件213具有流体入口，其中一个以标号223示出，其在第二端217处延伸穿过中间部分218。
[0039]更进一步根据所示的示范实施例，帽部件199包括板部件230，其具有第一相反表面233和第二相反表面234。帽部件199还被示为包括壁部分235，其在第二表面234周围延伸并从第二表面234轴向向外凸出。壁部分235限定第二室部分236。板部件230包括中心开口 237，其以及多个排放开口 238与流体传送通道77的出口区段78流体地连接。各排放开口 238包括形成于第一表面233中的锥形区段240和形成于第二表面234中的锥形区244。锥形区244构造成接受各喷嘴元件213的锥形区域220。锥形区段240提供对例如激光的接近，激光用于将各喷嘴元件213的第二端217焊接于帽部件199。
[0040]在这点上,应该懂得,示范实施例描述了一种具有整体式构件的涡轮机械喷嘴,该整体式构件作为单个联合的、整体形成的单元，包括板元件和多个喷嘴元件。将喷嘴元件与板元件一起形成减少形成喷嘴组件所需要的接头数量。接头的减少消除许多应力集中区域以及潜在泄漏点。还应该懂得，喷嘴元件的具体的尺寸、形状和数量可变化。还应该懂得，喷嘴本体的几何形状以及进入各喷嘴元件中的流体入口的位置也可变化。
[0041]虽然已经结合仅仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应该懂得，本发明并不局限于这种公开的实施例。相反，可修改本发明以包含至此未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变形、变更、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应该懂得本发明的方面可只包括描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
【权利要求】
1.一种涡轮机械燃烧器喷嘴，包括: 整体式喷嘴构件，其具有板元件和多个喷嘴元件，所述多个喷嘴元件中的各个包括从所述板元件延伸至第二端的第一端，所述板元件和所述多个喷嘴元件形成为整体构件；和 连接于所述整体式喷嘴构件的板部件，所述板部件包括外边缘，其限定第一表面和第二表面以及在所述第一表面与所述第二表面之间延伸的多个开口，所述多个开口构造并设置成与所述多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件的第二端对准并且接受所述多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件的第二端。
2.根据权利要求1所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，还包括:布置在所述板元件与所述板部件之间的流体流量调节板部件，所述流体流量调节板部件具有第一表面部分、第二表面部分以及在所述第一表面部分与所述第二表面部分之间延伸的多个喷嘴通道，所述多个喷嘴通道构造并设置成与所述多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件对准并且接受所述多个喷嘴元件中的对应喷嘴元件。
3.根据权利要求2所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，所述多个喷嘴元件中的各个包括布置在所述板元件与所述流体流量调节板部件之间的径向通道。
4.根据权利要求2所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，所述流体流量调节板部件包括在所述第一表面部分与所述第二表面部分之间延伸的多个流体流开口。
5.根据权利要求1所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，所述板元件包括所述涡轮机械燃烧器喷嘴的出口。
6.根据权利要求1所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，所述板元件包括壁部件，所述壁部件从所述板元件轴向向外凸出。
7.根据权利要求6所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，所述板部件包括帽部件，其包括从所述第二表面轴向向外凸出的壁部分，所述壁部分构造并设置成与所述壁部件接合，以限定流体室。
8.根据权利要求6所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，所述多个喷嘴元件中的各个的第二端包括锥形区域。
9.根据权利要求8所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，所述多个开口中的各个包括形成于所述第二表面中的锥形区，所述锥形区构造并设置成接受所述多个喷嘴元件中的各个的锥形区域。
10.根据权利要求9所述的涡轮机械燃烧器喷嘴，其特征在于，所述多个开口中的各个包括形成于所述第一表面中的锥形区段。
【文档编号】F23R3/28GK103453553SQ201310205369
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年5月29日 优先权日:2012年5月29日
【发明者】L.J.斯托亚, P.B.梅尔顿, T.E.约翰逊, C.X.史蒂芬森, J.D.范斯洛, J.H.韦斯特摩尔兰 申请人:通用电气公司