专利名称：用于燃料喷射器的热保护的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及燃料输送系统并且更具体地涉及用于将燃料输送至涡轮发动机燃烧器的燃料喷射器(即燃料喷嘴)。
背景技术：
燃料喷射器(喷嘴)是燃气轮机以及其他燃气发动机的重要部件。因为燃料喷射器是燃料的来源，燃料喷射器能对发动机性能起着显著的作用。
因为燃料喷射器延伸入发动机壳体并且尤其在燃气轮机的压缩机和燃烧室之间， 通常，燃料喷射器包括内燃料管延伸穿过其中的外支架/杆，以支撑和保护燃料管。燃料管将连接至雾化器或其他梢部以改善进入燃烧室的燃料的输送状态以使得其将在燃烧室中与空气更完全地混合。
在操作期间，支架/杆由压缩机排出腔内的高温高压压缩机空气包围，空气在压缩机排出腔离开压缩机。然而，期望在比压缩机空气低得多的温度下输送燃料并且因此防止热从压缩机空气传递至支架系统并且最终传递至燃料。尤其，因为如果太多的热传递至燃料，燃料会开始焦化，从而毁坏或降低燃料的质量。另外，会发生进一步抑制燃料喷射器效率的焦炭沉积。因此已经试图减少从高温压缩机空气传递至穿过燃料喷射器的燃料的热量。
不幸的是，支架/杆通常是能允许显著热传递的实心铸件。减少向燃料传递热量的努力已经包括用隔热罩包围支架/杆。不幸的是，过去包括隔热罩的努力直接通过钎焊或铜焊将隔热罩连接至支架/杆。例如，这种类型的连接能在2000年11月21日授权给 Moertle等的美国专利No. 6，149，075中看到，其中对接焊缝用作隔热罩至支撑系统的悬挂法兰的端部。
这种布置的第一个问题是附接位置形成了提供从气流至喷射器的热流短路的热传递路径，使由隔热罩提供的热保护失效。这个问题由于隔热罩和支架/杆之间的附接位置或连接通常定位于燃烧室内从而进一步促进隔热罩和支架/杆之间的热传递这个事实而放大。
另外，由于这种接合促进了接合点处的局部热传递，因此在接合位置处还形成热梯度，产生热应力。这些热应力进一步由于这些接合部通常是本质上不可靠的对接或搭接型焊接接头这个事实而恶化。
最后，由于隔热罩通常连接于支架/杆的相对端处或其附近，因此隔热罩和位于下面的冷却器支架/杆之间的热成长差(thermal growth differential)在燃料喷射器内并且尤其在隔热罩和支架/杆内形成额外的应力。
本发明涉及对于燃料喷射器的现有技术状态的改进。
发明内容
考虑到以上情况，本发明的实施例提供了用于内燃机的新颖且改进的燃料喷射器
4(也称为燃料喷嘴)。更具体地，本发明的实施例提供了用于内燃机的新颖且改进的燃料喷射器，其减少从隔热罩至喷射器支架的热传递。本发明的其他实施例提供了用于内燃机的新颖且改进的燃料喷射器，其减少隔热罩和喷射器支架之间的热路径的数目或质量。本发明的其他实施例提供了用于内燃机的新颖且改进的燃料喷射器，其降低由于隔热罩和喷射器支架的热膨胀引起的内应力。
在一个实施例中，提供了包括喷射器支架和隔热罩的燃料喷射器。喷射器支架包括安装部分、杆部分以及夹置在安装部分和杆部分之间的安装法兰。安装法兰从头部和杆部分径向向外地延伸。喷射器支架还包括从上游端延伸穿过安装部分和杆部分至下游端的孔。隔热罩至少包围喷射器支架的杆部分。隔热罩可操作地结合至喷射器支架以减少它们之间的热传递。
在本实施例的一个具体实施中，隔热罩可操作地结合至喷射器支架以使得隔热罩仅通过一个或多个接触与喷射器支架相互作用并且没有会促进隔热罩和喷射器支架之间热传递的焊接或铜焊。在又一具体实施例中，隔热罩轴向地紧固于喷射器支架在支架的相对(下游)端处的突起和安装法兰之间。
在另一实施例中，提供了一种用于燃烧燃料的改进燃烧组件。该燃烧组件包括限定腔的发动机壳体和安装至发动机壳体的燃料喷射器。该燃料喷射器包括支架结构和隔热罩。支架结构包括安装部分、主体部分以及从安装部分径向向外延伸的安装法兰。隔热罩包括隔热罩主体部分和扩口法兰。扩口法兰径向向外地延伸超过隔热罩主体部分。燃料喷射器穿过发动机壳体中的孔洞延伸入腔使得安装部分定位于腔外且主体部分定位于腔内。 孔洞的尺寸设计为比安装法兰和扩口法兰小以使得安装法兰和扩口法兰与发动机壳体的一部分重叠。扩口法兰的重叠部分被夹在发动机壳体和安装法兰之间。
在又一实施例中，提供了一种改进的燃料喷射器，其包括喷射器支架和隔热罩。该喷射器支架包括杆部分和从杆部分径向向外延伸的安装法兰。该喷射器支架还包括在上游端和下游端之间延伸穿过杆部分的孔。隔热罩包括主体部分、从主体部分径向向外延伸的扩口端部以及在主体部分和扩口端部之间过渡的台肩。主体部分包围喷射器支架的杆部分。扩口端部大致与喷射器支架的安装法兰对齐。台肩和安装法兰在它们之间形成间隙。 台肩提供弯曲点，用来通过在凹陷状态和凸出状态之间的转变来适应隔热罩和/或喷射器支架的热膨胀和收缩。
本发明的其他方面、目标和优点将从下面结合附图的详细描述中变得更加明显。
结合入说明书并构成其一部分的附图示出了本发明的数个方面，并且连同描述一起用来解释本发明的原理。在附图中 图1是包括根据本发明教导的安装至发动机壳体的燃料喷射器的燃烧布置的示意性简化视图；并且 图2是根据本发明教导的图1所示燃料喷射器的放大剖视图。
虽然本发明将结合某些优选实施例进行描述，但是并非限制于这些实施例。相反， 意图是要覆盖包括于本发明由所附权利要求所限定的精神和范围内的所有替代、变型和等同。
具体实施例方式现在转向图1，燃料喷射器100(其也可称为燃料喷嘴)示出为处于用于将燃料输送至由呈发动机壳体103形式的边界壁限定的燃烧器或燃烧室102的适当环境中。优选地， 以简单形式示出的燃烧室102是燃气轮机的燃烧室。然而，燃料喷射器100也能在需要燃料燃烧的其他系统比如内燃机活塞发动机中实施。而且，燃烧室102通常位于压缩机(未示出)的下游。
从喷射器100供应的燃料与高温高压的压缩机空气(如来自上游压缩机(未示出)的箭头104所示)一起在燃烧室102中燃烧。如现有技术公知的，当处于涡轮环境中时，如箭头106所示的燃烧后气体，从燃烧室流出并且驱动一组涡轮叶片(未示出)。在这个过程期间，由于燃料喷射器100延伸入发动机壳体103并且在压缩机和燃烧室之间，因此燃料喷射器100暴露于由于从压缩机排出的高温高压空气所造成的极端温度和力(在称为压缩机排出区域的区域内)。
喷射器100包括示出为喷射器支架110的支架结构(也称为喷射器支架110)、 隔热罩112、喷射器雾化器114(即梢部)以及示出为单个燃料管118的燃料管布置。然而， 可使用其他数目的燃料管。例如，燃料管布置能包括多个同心或平行的燃料管。
喷射器支架110呈支架结构或喷射器主体形式，其延伸入发动机壳体103以便为燃料管118提供支撑和保护燃料管118。喷射器支架110包括杆主体部分120、安装部分 122和杆安装法兰124。如所示，杆主体部分120、安装部分122以及杆安装法兰IM形成为通常由铸造金属形成的刚性体单件式构造。然而，替代的支架结构可用来实践本发明的教导，比如连接在一起的多个单独部件的组合。杆安装法兰1 将安装部分122与杆主体部分120分开并且由此处径向向外地延伸。安装部分122和杆安装法兰IM定位于发动机壳体103以外。
喷射器支架110限定穿过杆主体部分120、安装部分122以及杆安装法兰124的中心孔126。中心孔126提供燃料能从上游端穿过其中朝着喷射器雾化器114流动至下游端的腔。在所示实施例中，中心孔1 容纳燃料管118。
隔热罩112提供抑制热从压缩机空气104传递至喷射器支架110并且最终传递至穿过燃料管118的燃料的热障或隔热体。隔热罩112包围喷射器支架110的杆主体部分 120。
隔热罩112大致包括通过环状过渡台肩134彼此分开的隔热罩主体部分130和扩口端部132。隔热罩主体部分130、扩口端部132和环状过渡台肩134通常由单件式构造的单片材料形成。这样，台肩134在隔热罩主体部分130和扩口端部132之间形成连续的过渡。
隔热罩主体部分130在第一和第二相对端部之间延伸。第一端部在台肩134附近而第二端部在喷射器雾化器114附近。隔热罩112相对于喷射器支架110设计尺寸使得第二端部135和喷射器支架110的梢端137 (或替代地喷射器雾化器114)之间提供较小的间隙。在优选实施例中，隔热罩通过隔热罩相对于喷射器支架110的构造精确地紧固至喷射器支架110而没有任何另外的结构比如焊接或铜焊。更具体地，在所示实施例中，隔热罩轴向地定位于喷射器支架110的梢端137和安装法兰IM之间。
隔热罩112的第二端部135优选地包括压靠梢端137或喷射器雾化器114的凹座 (未示出)。通过提供凹座，在隔热罩和喷射器支架110或喷射器雾化器114之间仅提供点接触，从而减少隔热罩和喷射器支架110或喷射器雾化器114之间的任何热传递路径。安装法兰IM和梢端135或喷射器雾化器114用作隔热罩在其间相对于喷射器支架110轴向地加接的突起或突出。
杆安装法兰IM和隔热罩112的扩口端部132大致彼此对齐并且基本上彼此平行。而且，扩口端部132和安装法兰IM优选地相对于由从上游端延伸至下游端的杆主体部分120限定的轴线以大约50°至90°的角度延伸。
在优选实施例中，隔热罩112没有一体地连接至喷射器支架110。而且，在优选实施例中，隔热罩的扩口端部132连接至或形成于环状接触环142中。接触环142可以焊接、 铜焊或不然的话连接至隔热罩的扩口端部132或形成于扩口端部132的终端中或在其附近。
优选地，隔热罩112和喷射器100的支架结构110 (即喷射器支架110)之间仅有的接触发生在发动机壳体的高温高压压缩机空气位置以外并且优选地在整个发动机壳体103 以外。这个布置使隔热罩112和喷射器支架110之间的接触/接合部免于与压缩机空气直接接触并且减少了隔热罩112和喷射器支架110之间通过金属传导的热传递。这样并且如将在下面更详细地描述的，隔热罩112因此可操作地结合至喷射器支架110以减少它们之间的热传递。在这种布置中，隔热罩112和喷射器支架110之间没有任何直接的局部附接 /连接(即，比如铜焊、焊接等)。至多在隔热罩112和喷射器支架110之间可局部接触，但是没有促进其间热传递的比如借助铜焊、焊接等的局部附接/连接。如这里所使用的，接触可仅涉及在该处两个部件彼此压靠但未结合的线接触、点接触或表面接触。
在优选实施例中，接触环142与杆安装法兰IM接触的表面是粗糙的或者不然的话是有纹路的(textured)以便在它们之间仅提供点接触或线接触以通过增大热障进一步减少它们之间的热传递。
为了保持隔热罩112相对于喷射器支架110的位置，接触环142与杆安装法兰IM 相互作用。通常，接触环142将被偏压或压下为与杆安装法兰IM相接触。
当接触环142组装在穿过发动机壳体103的孔洞中时，所述接触环142被夹在发动机壳体103和杆安装法兰IM之间。可使用螺栓(未示出)来将杆安装法兰IM压入发动机壳体103。通常，接触环142具有与扩口端部132的壁厚相比更大的壁厚以便在扩口端部132和安装法兰IM之间形成间隙。
另外，可在杆安装法兰IM和发动机壳体103之间包括密封146以防止压力泄漏。 密封146可以是独立密封结构的形式，比如所示的密封环。优选地，密封146具有弓形轮廓以使得发动机壳体103和安装法兰IM之间的相互作用降低至线接触以改善密封性能。当燃料喷射器100安装至发动机壳体103时，密封146优选地至少轻微地压扁(crushed)以改进形成于安装法兰1 和发动机壳体103之间形成密封的密封件。
在可选实施例中，虽然不推荐，但是可以去除接触环142并且扩口端部132能直接夹在安装法兰1 和发动机壳体103之间。
然而，在任何这些布置中，扩口端部132或接触环142与喷射器支架110之间仅有的热传递路径处于高温高压压缩机空气104以外，并且优选地处于整个发动机壳体103以外。而且，隔热罩112和喷射器支架110之间仅有的热传递路径通过隔热罩112和喷射器支架110之间的接触提供，而不是通过一体连接，比如焊接、铜焊等(举例来说，与仅是接触相比热障降低的连接)提供。这种布置增加了减少这两个部件之间热传递的热障数量。如这里使用的，“接触”应当涉及点接触、线接触或表面接触，其仅是两个部件压在一起，而不是比如通过焊接或铜焊一体地紧固。
间隙136形成于隔热罩主体部分130和杆主体部分120之间。间隙136提供热障并且根据实施例能由滞留空气填充或者能通过真空封闭和形成以进一步减少隔热罩主体部分130和杆主体部分120之间比如通过对流或传导的热传递。
虽然在隔热罩主体部分130和杆主体部分120之间形成间隙136，但是隔热罩的尺寸设计为接近喷射器支架110以使得即使当喷射器100从发动机壳体103移走时它也能紧固至喷射器支架。更具体地，如上所述，隔热罩112紧固于定位在喷射器支架110相对端部处的突处之间，即，在喷射器支架上游端附近的安装法兰1 和定位于喷射器支架110下游端处的梢端137或喷射器雾化器114之间。
本发明的实施例的特点还在于台肩134用作隔热罩112的弯曲点。通过用作弯曲点，台肩134能给隔热罩112提供灵活性以使得隔热罩112能适应热膨胀和收缩。更具体地，在隔热罩112热膨胀时，台肩134将朝着杆安装法兰IM轴向地弯曲。然而，当热收缩时其将远离杆安装法兰1 弯曲。
在一个实施例中，台肩134构造为使得其由于热膨胀和收缩而在凸起至凹陷状态之间挠曲。在一些实施例中，这实际上将使得台肩134在正应力和负应力的状态之间转变， 很类似于油罐底部。
这个增加的弯曲点能用来降低燃料喷射器100中的内应力并且吸收隔热罩112所经受的一些过度热膨胀。因而，在冷却状态下，台肩134具有凸起状态，S卩，扩口端部132的终端与台肩Π4相比更靠近安装法兰124。那么在隔热罩112并且尤其是隔热罩主体部分 130充分热膨胀之后，台肩134将挠曲或弯曲以使得台肩134凹陷，S卩，台肩134与扩口端部 132的终端相比更靠近安装法兰124。
这里所引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请以及专利，通过参照参考结合于此，如同每份参考文献单独地且具体地指示为通过参考结合于此并且在这里完整地阐述一样。
词语“包含”、“具有”和“包括”构造为开放式的词语(即意味着“包括但不限于”)， 除非另有声明。这里引用的数值范围仅是用作分别涉及落入该范围内的每个单独数值的缩写方法，除非文中另有说明，并且每个单独数值如同在这里单独引用一样结合入说明书。这里所述的所有方法能以任何适当的顺序执行，除非文中另有说明或者内容明显矛盾。这里提供的任何和所有示例或者示例性语言(举例来说，“比如”)仅是为了更好地示出本发明并且不是对本发明的范围进行限制，除非在权利要求中有所声明。说明书中的语言不应当视为是将任何未在权利要求中声明的元素指示为实践本发明所必须的。
这里描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。在阅读前述描述之上，这些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员而言变得很明显。发明人预期熟练技术人员可根据需要采用这些变化，并且发明人认为本发明能以除了这里具体描述之外的方式实践。因此，本发明包括所附权利要求中所述的主题在适用法律许可下的所有变型和等同。而且，所有可能变化中的上述元素的任何组合由本发明涵盖，除非文中另有说明或者内容明显矛盾。
权利要求
1.一种燃料喷射器，其包括喷射器支架，其包括安装部分、杆部分以及夹置在安装部分和杆部分之间的安装法兰，所述安装法兰从头部和杆部分径向向外延伸，喷射器支架还包括延伸穿过安装部分和杆部分的孔；以及至少包围喷射器支架的杆部分的隔热罩，其中，隔热罩可操作地结合至喷射器支架以减少它们之间的热传递。
2.如权利要求1的燃料喷射器，其中，隔热罩可操作地结合至喷射器支架以使得隔热罩仅通过一个或多个接触与喷射器支架相互作用。
3.如权利要求2的燃料喷射器，其中，隔热罩包括在第一和相反的第二端部之间延伸的大致环状主体部分，隔热罩还包括在其第一端部附近径向向外延伸的扩口延伸部分，隔热罩的第一端部在扩口延伸部分的终端附近接触安装法兰。
4.如权利要求3的燃料喷射器，其中，在隔热罩和喷射器主体之间形成间隙。
5.如权利要求4的燃料喷射器，其中，扩口延伸部分还包括接触环，接触环的壁厚比隔热罩的壁厚大，接触环形成扩口延伸部分的终端附近的与安装法兰相接触的一部分。
6.如权利要求3的燃料喷射器，其中，隔热罩包括将主体部分过渡至扩口延伸部分的过渡台肩。
7.如权利要求6的燃料喷射器，其中，过渡台肩提供弯曲点，用于通过凹陷状态和凸起状态之间的转变来适应隔热罩的热膨胀和收缩。
8.如权利要求6的燃料喷射器，其中，安装法兰和扩口延伸部分相对于由杆部分限定的轴线以大约50°至90°的角度延伸。
9.如权利要求8的燃料喷射器，其中，安装法兰和扩口延伸部分基本上彼此平行。
10.如权利要求2的燃料喷射器，其中，喷射器支架还包括在下游端附近的突起，隔热罩通过定位于安装法兰和所述突起之间被轴向地紧固至喷射器支架。
11.一种用于燃烧燃料的燃烧组件，其包括限定腔的发动机壳体；安装至发动机壳体的燃料喷射器，该燃料喷射器包括支架结构，其包括安装部分、主体部分以及从安装部分径向向外延伸的安装法兰；隔热罩，其包括隔热罩主体部分和扩口法兰，扩口法兰径向向外延伸超过隔热罩主体部分；并且其中，燃料喷射器穿过发动机壳体中的孔洞延伸入所述腔中，使得所述安装部分定位于所述腔外且所述主体部分定位于腔内，所述孔洞的尺寸比安装法兰和扩口法兰小以使得安装法兰和扩口法兰与发动机壳体的一部分重叠，扩口法兰的重叠部分被夹在发动机壳体和安装法兰之间。
12.如权利要求11的燃烧组件，其中，扩口法兰包括接触环，接触环形成扩口法兰的终端。
13.如权利要求11的燃烧组件，其中，扩口法兰仅在腔外的位置处接触安装法兰。
14.如权利要求13的燃烧组件，其中，隔热罩可操作地结合至支架结构以减少它们之间的热传递。
15.如权利要求14的燃烧组件，其中，隔热罩仅通过接触与支架结构相互作用。
16.如权利要求15的燃烧组件，其中，扩口法兰与安装法兰相接触的表面是有纹路的以减少扩口法兰和安装法兰之间的热传递。
17.如权利要求12的燃烧组件，其中，接触环的壁厚比扩口法兰的其余部分的壁厚大， 以使得当接触环与安装法兰接触时在扩口法兰的其余部分和安装法兰之间形成间隙。
18.—种在由边界定界的燃烧室中使用的燃料喷射器，边界壁限定喷射器可延伸穿过其中的孔洞，该燃料喷射器包括喷射器支架，其包括杆部分和从所述杆部分径向向外延伸的安装法兰，该喷射器支架还包括延伸穿过杆部分的孔；以及隔热罩，其包括主体部分、从主体部分径向向外延伸的扩口端部以及在主体部分和扩口端部之间过渡的台肩，所述主体部分包围喷射器支架的杆部分，所述扩口端部大致与喷射器支架的安装法兰对齐，台肩和安装法兰之间形成间隙，其中，台肩提供弯曲点，用来通过凹陷状态和凸出状态之间的转变来适应隔热罩的热膨胀和收缩。
19.如权利要求18的燃料喷射器，其中，隔热罩仅通过接触可操作地结合至喷射器支架。
20.如权利要求18的燃料喷射器，其中，所述台肩在大致与径向延伸的扩口端部垂直的延伸方向上弯曲。
全文摘要
提供了一种燃料喷射器。该燃料喷射器包括喷射器支架和结合至喷射器支架的隔热罩。隔热罩仅通过接触比如点接触、线接触或表面接触与喷射器支架相互作用。而且，隔热罩包括主体部分、径向延伸的扩口端部以及夹置在主体部分和扩口端部之间的径向指向的台肩。台肩部分用作弯曲并吸收隔热罩的热膨胀的弯曲点。
文档编号F02M53/04GK102187082SQ200980141564
公开日2011年9月14日 申请日期2009年8月27日 优先权日2008年9月19日
发明者F·P·李, P·G·希克斯 申请人:伍德沃德公司