无支柱/杆的燃料喷射器

摘要

提供了一种燃料喷嘴。这种燃料喷嘴包括隔热罩、燃料管和多个支撑构件。支撑构件径向地置于隔热罩和燃料管之间。支撑构件优选地为圆柱形管，因而在隔热罩和燃料管之间形成空隙或凹穴。圆柱形管在第一端彼此相连接并且在相反端部自由。这样，管能相对彼此移动或滑动。而且，管优选地仅是至多以线接触彼此相接触。燃料喷嘴还可包括梢端部分，所述梢端部分包括从基本隔热罩径向向外延伸的梢端隔热罩。梢端隔热罩限定与隔热罩的中心腔室相连接的腔室。燃料管延伸穿过梢端隔热罩。

权利要求

1.一种燃料喷嘴，其包括：

隔热罩，其包围中心腔室；

延伸穿过中心腔室的燃料管；

位于中心腔室内的多个支撑构件，所述多个支撑构件径向地置于隔热罩和燃料管之间并且维持燃料管在隔热罩内的径向位置。

2.如权利要求1的燃料喷嘴，其中，隔热罩是在轴向端部处封闭的管，并且所述多个支撑构件是包括第一组管和第二组管的多个圆柱形管，第一组管径向地接触燃料管，第二组管中的每个管从燃料管径向地偏移，所述多个管之间形成多个自由空间。

3.如权利要求2的燃料喷嘴，其中，第二组管中的每个管径向地接触第一组管中的至少一个管并且径向地接触隔热罩。

4.如权利要求2的燃料喷嘴，其中，第一组管中的每个管的半径相等，并且其中，第二组管中的每个管的半径相等。

5.如权利要求2的燃料喷嘴，其中，隔热罩和一部分燃料管大致绕着中心轴线同心，并且其中，所述多个管中的每个管的轴线与中心轴线平行但与之径向地偏移。

6.如权利要求5的燃料喷嘴，其中，第一组管的轴线与中心轴线间隔开第一径向距离并且第二组管的轴线与中心轴线间隔开第二径向距离，第二径向距离大于第一径向距离。

7.如权利要求6的燃料喷嘴，其中，第一组管的轴线绕着中心轴线等角度地间隔开，并且第二组管的轴线绕着中心轴线等角度地间隔开。

8.如权利要求7的燃料喷嘴，其中，第二组管中的每个管径向地接触第一组管中的两个管，在接触的管之间形成线接触。

9.如权利要求1的燃料喷嘴，其中，支撑构件的第一端彼此连接，并且其中，支撑构件的相反第二端相对彼此自由运动。

10.如权利要求9的燃料喷嘴，还包括将所述多个支撑构件的第一端彼此连接的支撑构件连接器。

11.如权利要求10的燃料喷嘴，其中，支撑构件连接器是轴向地覆盖支撑构件的第一端的帽，帽包括中心孔，燃料管轴向地延伸穿过所述中心孔。

12.如权利要求11的燃料喷嘴，还包括限定头部腔室的安装头部，隔热罩可操作地结合至安装头部以使得中心腔室与头部腔室、定位于头部腔室内的帽和第一端以及定位于隔热罩的中心腔室内的第二端相连接。

13.如权利要求12的燃料喷嘴，其中，头部还包括径向向外延伸超过隔热罩外表面的径向延伸安装凸缘，安装凸缘轴向地定位于支撑构件的第一和第二端之间。

14.如权利要求13的燃料喷嘴，其中，头部还包括轴向延伸的凸台，隔热罩轴向地连接至凸台的轴向远端并在其间形成对接接头。

15.如权利要求1的燃料喷嘴，其中，隔热罩沿着中心轴线延伸，并且其中，所述多个支撑构件的每个的轴线平行于中心轴线但与之径向地偏移，燃料喷嘴还包括：梢端罩，所述梢端罩从隔热罩沿着横向于中心轴线的梢端轴线径向向外地延伸；沿着中心轴线延伸的燃料管的第一部分以及沿着梢端轴线延伸的燃料管的第二部分。

16.如权利要求15的燃料喷嘴，其中，梢端罩径向地延伸穿过形成于隔热罩中的孔，隔热罩的所述孔包括径向向内延伸的凸缘部分，梢端罩的延伸穿过所述孔的部分紧固至径向向内延伸的凸缘部分。

17.如权利要求16的燃料喷嘴，其中，梢端罩的延伸穿过所述孔的部分螺合紧固至径向向内延伸的凸缘部分，并且所述径向向内延伸的凸缘部分由移动以形成所述孔的隔热罩一部分侧壁所形成。

18.一种燃料喷嘴，其包括：

隔热罩，其包围中心腔室并且沿着中心轴线延伸；

包围梢端腔室的梢端罩，所述梢端罩沿着横向于中心轴线的梢端轴线从隔热罩径向向外延伸，梢端罩腔室连接至中心腔室以限定单个通道；以及燃料管，其具有在中心腔室内沿着中心轴线延伸的第一部分以及在梢端腔室内沿着梢端轴线延伸的第二部分。

19.如权利要求18的燃料喷嘴，其中，梢端罩径向地延伸穿过形成于隔热罩中的孔，隔热罩的所述孔包括径向向内延伸的凸缘部分，梢端罩延伸穿过所述孔的部分紧固至径向向内延伸的凸缘部分。

20.如权利要求19的燃料喷嘴，其中，梢端罩延伸穿过所述孔的部分螺合紧固至径向向内延伸的凸缘部分并且梢端罩被焊接至隔热罩。

说明书

无支柱/杆的燃料喷射器

技术领域

[0001] 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内燃机的燃烧室的燃料喷射器(即燃料喷嘴)。

背景技术

[0002] 燃料喷射器(即燃料喷嘴)是燃气轮机以及其它气体内燃机的重要部件。因为燃料喷嘴是燃料来源，因此燃料喷嘴在发动机性能中起着重要的作用。

[0003] 因为燃料喷嘴延伸入燃烧室(即燃烧器)，通常，燃料喷嘴包括内部燃料管延伸穿过其中的外部支柱/杆。燃料管将连接至雾化器或其它梢端以改善燃料的输送状态以使得燃料将在燃烧室中与空气适当地混合。

[0004] 在操作期间，并且尤其在透平发动机内，支柱/杆被离开压缩机的高温和高压空气所包围。然而，期望以比压缩机空气低得多的温度输送燃料。更具体地，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，焦炭沉积物会形成于燃料喷射器上或其中，减少并且在一些情况下完全停止穿过燃料喷射器的流动。因而，已经有很多尝试来减少能从高温压缩机空气传递至穿过燃料喷射器的燃料的热量。

[0005] 不幸的是，支柱/杆通常是铸造、精制、锻造、机械加工或类似成形的没有热障的实心零件，能允许大量的热传递。而且，在支柱/杆暴露于高温压缩机空气时，支柱/杆由于热膨胀和收缩经受大量的热应力。热应力能由于压缩机排出装置内的高温压缩机空气和穿过燃料喷射器的“较冷”燃料之间的温度梯度而放大。由于支柱/杆是实心零件，支柱/杆的材料暴露于内部相关应力，这会使支柱/杆疲劳，从而弱化燃料喷嘴的结构强度。

[0006] 而且，通常的支柱/杆能具有由于实心构造而促进较低模态频率的低硬度/质量比。另外，燃料喷嘴通常以悬臂构造安装于燃烧室内，在悬臂的端部处具有较大雾化器梢端。这种布置很类似于钟摆。支柱/杆的端部处的这种较大质量进一步促进较低模态频率。

[0007] 最后，因为支柱/杆通常是铸造、精制、锻造、机械加工或类似制造的实心零件，相关制造成本就很高。尤其，如果希望对燃料喷嘴并且尤其是对支柱/杆进行小改造，如果不是成本太高的话，那么通常就需要增加成本的新工具和模具。

[0008] 本发明涉及对现有技术的燃料喷嘴的改进。

发明内容

[0009] 考虑到以上情况，本发明的实施例提供了一种用于透平发动机或其它内燃机的新颖且改进的燃料喷嘴。更具体地，本发明的实施例提供了一种新颖且改进的燃料喷嘴，其能由无需模塑、成形或经受其它昂贵制造工艺的标准材料形成并且能避免对于标准支柱/杆的需要。另外，本发明的实施例提供了一种新颖且改进的燃料喷嘴，其能增大燃料喷嘴的硬度/质量比从而增大模态频率。而且，本发明的实施例提供了一种新颖且改进的燃料喷嘴，其减少由于燃料喷嘴的操作状况所引起的一些相关或内应力。最后，本发明的其它实施例提供了一种新颖且改进的燃料喷嘴，其提供了基本隔热罩和用于燃料喷嘴的梢端部分的隔热罩之间的改进的接口。

[0010] 在一个实施例中，本发明提供了一种包括隔热罩、燃料管和多个支撑构件的燃料喷嘴。隔热罩包围中心腔室，燃料管延伸穿过所述中心腔室。所述多个支撑构件也(至少部分地)定位于中心腔室内并且支撑燃料管。所述多个支撑构件径向地置于隔热罩和燃料管之间以维持燃料管在隔热罩内的径向位置。因而，支撑构件为燃料管提供了支撑。在其它实施例中，燃料管可以是燃料输送管的布置并且能是同心的、轴向交错的等等。如这里使用的，“燃料管”应当视为总体上指的是单个燃料管或多个燃料管。

[0011] 在优选实施中，隔热罩和支撑构件是圆柱形管。在更加优选的实施中，用于隔热罩和支撑构件的圆柱形管由标称尺寸形成以使得它们能是“通用的”(off-the-shelf)部件。

[0012] 在另一实施中，支撑构件是多个不同组的圆柱形管。每组管的每个管从由燃料管限定的中心轴线径向地偏移一个恒定距离。而且，每组管的每个管具有相同半径以使得它们是绕着中心轴线成角度地间隔开的基本上相同的管。

[0013] 在又一实施中，支撑构件在第一端彼此固定以使得所述多个支撑构件的这些端部不能相对彼此运动。然而，所述多个支撑构件的相反端部是自由的，以使得在支撑构件由于操作状况而弯曲时各个管能相对彼此自由滑动。另外，支撑构件独立地自由膨胀和收缩，减少燃料管的支撑结构(即所述多个支撑构件)内的相关应力和内应力。

[0014] 在支撑构件仅在第一端结合的一个实施例中，燃料喷嘴包括连接该端部并且覆盖支撑构件的所述端部的帽。在又一优选实施中，燃料喷嘴还包括结合至隔热罩的头部，其在操作中通常位于燃烧室的外面。在这个实施例中，帽以及支撑构件的连接端部优选地定位于头部内以进一步使支撑构件的连接端部与暴露于燃料喷嘴的热绝缘。

[0015] 在本发明的又一实施例中，提供了一种燃料喷嘴，其包括将喷嘴的梢端部分连接至隔热罩的改进方法。燃料喷嘴包括隔热罩、梢端罩和燃料管。隔热罩包围中心腔室并且沿着中心轴线延伸。梢端罩包围梢端腔室。梢端罩从隔热罩沿着横向于中心轴线的梢端轴线径向向外地延伸。梢端罩腔室可操作地连接至中心腔室以限定单个通道。燃料管具有在中心腔室内沿着中心轴线延伸的第一部分以及在梢端腔室内沿着梢端轴线延伸的第二部分。

[0016] 在这个实施例的优选实施中，梢端罩径向地延伸穿过形成于隔热罩中的孔。隔热罩的孔包括径向向内延伸的凸缘部分或由其包围。梢端罩延伸穿过孔的部分紧固至径向向内延伸的凸缘部分。更优选地，梢端罩延伸穿过孔的部分螺合紧固至径向向内延伸的凸缘部分并且梢端罩焊接至隔热罩。而且，向内延伸的凸缘优选地由先前形成隔热罩的一部分侧壁的材料径向向内流动所形成。材料的这种径向向内流动优选地通过使用迫使材料径向向内流动的高速旋压心轴来实施。在材料径向向内流动之后，凸缘优选地被攻出螺纹以使得它能与形成于梢端罩的外表面上的螺纹相配合。

[0017] 本发明的其它实施例从下面结合附图的详细描述中将变得更加明显。

附图说明

[0018] 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：

[0019] 图1是包括根据本发明教导的燃料喷嘴的燃烧室的简化示意图；

[0020] 图2是图1的燃料喷嘴沿着燃料喷嘴的纵轴截取的简化剖视图；

[0021] 图3是图1的燃料喷嘴沿着垂直于燃料喷嘴纵轴截取的简化剖视图；并且[0022] 图4是燃料喷嘴的梢端部分的局部放大剖视图。

[0023] 虽然本发明将就某些优选实施例进行描述，但并不限制于这些实施例。相反，意图是覆盖包括于本发明如所附权利要求所限定的精神和范围内的所有替换、变型和等同。

具体实施方式

[0024] 现在转向图1，燃料喷嘴100示出为处于用于将从燃料供应源101供应至燃烧器或燃烧室102的燃料传输的适合环境中。优选地，以简化形式示出的燃烧室102是透平发动机的燃烧室并且由边界壁103(也称为发动机外壳)界定。然而，燃料喷嘴100能在需要燃烧燃料的其它系统比如活塞驱动的内燃机中实施。

[0025] 从喷嘴100供应的如箭头104所示的燃料在燃烧室102中与如箭头105所示的空气一起燃烧。如本领域公知的，当在透平环境下时，如箭头106所示的燃烧后排出气体从燃烧室流出并驱动一组透平叶片(未示出)。可选地，在活塞式发动机中，膨胀的排出气体驱动活塞。在这个过程期间，因为燃料喷嘴100延伸入燃烧室，燃料喷嘴100由于燃料的燃烧而暴露于极端温度和力。另外，燃料喷嘴100暴露于从发动机迁移至燃料喷嘴100的大量的振动。

[0026] 现在参照图2，其中以简化剖视图的形式示出了根据本发明教导的燃料喷嘴100的代表性实施例。

[0027] 燃料喷嘴100包括形成中心腔室112的隔热罩110，燃料管114穿过所述中心腔室112。燃料管114运载最终被输送至燃烧室102的燃料。虽然示出为单管，但是燃料管114能由多个管形成以提供各种燃料流。在优选实施例中隔热罩110由金属材料的圆柱形管形成。隔热罩110能由深拉金属板构造或者形成为分离的冲压件并且然后焊接在一起。可选地，隔热罩能由自由端115(即与连接至以悬臂形式进入燃烧室102的安装头部116的端部相反的端部)被封有帽的标称尺寸的管形成。

[0028] 燃料喷嘴100还包括用来将燃料喷嘴100安装至燃烧室102的安装头部116。安装头部116包括将燃料喷嘴100安装至发动机外壳103的径向向外延伸的凸缘118。然而，也能使用将燃料喷嘴100紧固至燃烧室102的备选方法。

[0029] 安装头部116任选地可包括轴向延伸的凸台120，其将延伸入发动机外壳103的孔以相对于其定位燃料喷嘴100。

[0030] 隔热罩110可操作地结合至安装头部116并且优选地连接至安装头部116。隔热罩110如所示连接至头部116。在所示实施例，隔热罩110在焊点122处轴向地连接至凸台120，焊点122优选地是分别形成于凸台120和隔热罩110的远端124、126之间的对接接头。
然而，也能使用其它接头来将隔热罩110紧固至头部116。例如，能使用搭接接头以使得凸台120的远端124轴向地延伸入隔热罩110的腔室112或者隔热罩110的远端126轴向地延伸入凸台120。而且，凸台120能整体地移除并且隔热罩110能直接连接至凸缘118，比如借助于T字焊接。当然也能采用其它方式将隔热罩110连接至安装头部116。

[0031] 所示实施例的隔热罩110绕着纵向中心轴线130为大致管状并且燃料管114的第一部分沿着隔热罩110的中心轴线130轴向地延伸。

[0032] 与现有的燃料喷嘴不同，燃料喷嘴100没有圆周地包围燃料管114的铸造、精制、锻造、机械加工或以其它方法昂贵地制造的支柱/杆。替代地，燃料喷嘴100的所示实施例包括由多个支撑构件形成的支撑结构，支撑构件示出为呈支撑并帮助燃料管114与隔热罩110绝热的多个独立圆柱形管136的形式。管将总体上用参考标号136标记并且更具体地用具有字母下标的参考标号136标记。管136还维持燃料管114相对于隔热罩110的径向位置。

[0033] 进一步参照图3，管136径向地置于燃料管114的外表面132和隔热罩110的内表面134之间。在所示布置中，管136包括具有共同半径R1的第一组管136A。管136A都从中心轴线130径向向外间隔开相同的径向距离R2。这样，每个管136A的中心轴线定位于绕着中心轴线130(图3中示出为十字交叉线)同心的虚拟圆圈138上。第一组管136A的每个管径向地接触燃料管114并且径向地接触至少两个其它第一管136A。通过径向地接触，相邻管114、136A仅在表面切线处彼此接触，从而仅在其间形成线接触。换言之，因为管136为圆柱形，就仅允许管114、136通过表面切线相互作用/接触，在其间形成线接触。这种布置产生了增大的热障，降低热在其间传递的能力。

[0034] 管136还包括具有半径R3的第二组管136B。管136B都从中心轴线130径向向外间隔开一个大于径向距离R2的相同径向距离R4。这样，每个管136B的中心轴线定位于绕着中心轴线130且与虚拟圆圈138同心的虚拟圆圈140上。每个管136B通常将接触第一组管136A中的两个以及隔热罩110的内表面141。然而，如果设置了更多组的管，那么第二组管可仅置于第一组和第三组管之间。在实践本发明时并不需要预先限定管的数目组。

[0035] 优选地管136限定与中心轴线130平行但径向地偏移的轴线。由每组管136A、136B的管136限定的轴线优选地绕着中心轴线130等角度地间隔开。

[0036] 通过将多个管136置于隔热罩110和燃料管114之间，多个空隙142(也称为第三体积)形成于相邻管136；管136和燃料管114；以及管136和隔热罩110之间。管136自身也形成空隙142。空隙142提供了抑制热从隔热罩110传递至燃料管114的热障。通过使用与单个连续支柱/杆相对的多个接触管136形成的热障有助于降低穿过燃料管114至燃料的热传递。另外，由于空隙142优选地由空气填充或者处于真空状态，穿过空隙142仅出现有限的热传递。

[0037] 而且，通过在优选实施例中利用圆柱形管，相邻的管136、燃料管114和隔热罩110之间的接触仅借助于线接触(即切线)，这进一步降低相邻部件之间的热传递。通过使用管，而不是铸造、精制、锻造、机械加工或以其它方法制造的支柱/杆，所能使用的管坯以及喷嘴100的尺寸能在无需新工具或模具之下进行调节。

[0038] 如图2中进一步所示，燃料喷嘴100还包括呈管帽144形式的连接器或帽，其盖罩/覆盖燃料喷嘴第一端并且在该端连接多个管136。在所示实施例中，管帽144防止管136的第一端相对彼此的轴向位移。

[0039] 另外，希望将管帽144定位于凸缘118轴向上方并且在由安装头部116限定的头部腔室145内，但这不是必须的。通过将管帽144定位于凸缘118上方，管帽144定位为在操作期间在燃烧室102外面。这种朝向在燃烧室和管帽144之间提供增大的绝热。如所示，管帽144连接至安装头部116的内表面148以防止其间的轴向运动。内表面148可包括凹槽，管帽144径向地接收于所述凹槽中以将管帽144相对于头部116轴向地对齐和将管帽144紧固至头部116。可选地，管帽144能粘合、焊接、钎焊、摩擦配合或其它方式紧固于安装头部116内。

[0040] 管帽144还包括与中心轴线130同心的中心孔150，燃料管114延伸穿过所述中心孔。

[0041] 虽然管136在一端由管帽144连接一起以使得它们在该端处不能相对彼此运动，但是在一个实施例中，管136的另一相反端部是自由的以使得管136能相对彼此自由位移或滑移。例如，通过具有自由端部，就允许管136相对彼此，以及相对燃料管114和隔热罩110，滑移，以使得如果结构由于热或动态力而弯曲或挠曲时，每个管136可与其它管独立地弯曲。通过允许管136相对彼此运动，管136之间的相关应力降低。因而，如果一个管
136位移，其运动对其它周围管136的影响降低。

[0042] 优选地，管136，并且甚至隔热罩110，由标称尺寸的管形成以使得燃料喷嘴100能廉价且简单地制造。而且，由于燃料喷嘴100由多个管构造，因此喷嘴的直径能容易地仅通过调节隔热罩110的直径和调节定位于隔热罩110和燃料管114之间或者在其它实施例中燃料管之间的管的数目和/或尺寸来调节。

[0043] 在杆/支柱已经移除时，隔热罩110作用来给燃料喷嘴100提供抵抗弯曲的额外结构支撑和刚度。而且，通过使用管136，在降低质量的同时能基本上维持硬度。因而，硬度/质量比增大，从而促使更高的模态频率。而且，因为隔热罩110的直径用作增大硬度的基本尺寸，在隔热罩的直径增大时，模态频率也增大。

[0044] 燃料喷嘴100还包括从主隔热罩110径向向外延伸的梢端段152。这个梢端段152将穿过燃料管114的燃料流重定向以使得从喷嘴100流出的燃料基本上与穿过燃烧室102的空气流103对齐。

[0045] 另外参照图4，梢端段152由结合至隔热罩110的梢端隔热罩156形成。梢端隔热罩156限定一部分燃料管114延伸穿过的梢端腔室157。形成于燃料管114和梢端隔热罩110之间的间隙提供了额外的绝热或热障，降低至流过燃料管114的燃料的热传递。

[0046] 燃料管114被弯曲出或者包括角部以使得它沿着大致垂直于中心轴线130的分配轴线158与梢端隔热罩156对齐。然而，在其它实施例中，分配轴线158可相对于中心轴线130以其它横向角度延伸。虽然未示出，但是梢端段152能构造为接收或安装雾化器，所述雾化器进一步帮助离开燃料喷嘴100的燃料与空气流104混合以促进增大的燃烧和动力输出。

[0047] 梢端隔热罩156延伸通过穿过隔热罩110的侧面形成的孔。在优选实施例中，被移除以形成孔的这部分材料径向向内地变形入中心腔室130，形成径向向内延伸的凸缘160。凸缘160优选地包括与形成于梢端隔热罩156的外表面上的外螺纹相配合的内螺纹。螺纹的相互作用将梢端隔热罩156紧固至隔热罩110。

[0048] 孔和凸缘160优选地通过用高速心轴使用旋压操作使材料径向向内流动而形成。孔和凸缘160然后形成内螺纹以与梢端隔热罩156的螺纹相配合。

[0049] 任选的焊点162、钎焊或胶粘连接，能用来进一步将梢端隔热罩156紧固至隔热罩110以及防止梢端隔热罩156从隔热罩110脱离螺合或卸下。

[0050] 这里引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利全文结合于此引作参考，如同每份参考文献单独且具体地指示为结合于此引作参考。

[0051] 词语“包括”、“具有”和“包含”构造为开放式的(即意味着“包括但不限于”)，除非另有声明。这里数值范围的引用仅是要用作分别引用落入该范围内的每个分离数值的简写方法，除非文中另有说明，并且每个分离的数值如同在这里单独引用一样结合入说明书。这里描述的所有方法能以任何适合的顺序执行，除非文中另有说明或者内容明显抵触。这里提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“比如”)的使用仅是为了更好地展示本发明并且不是要对本发明的范围进行限制，除非另有声明。说明书中的语言都不应当构造为将任何未声明的元素指示为实践本发明所必要的。

[0052] 这里描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的实施本发明的最佳模式。本领域普通技术人员在阅读前述描述之后，这些优选实施例的变化将变得明显。发明人认为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所引用的主题在适用法律允许下的所有变型和等同。而且，在其所有可能变化中上述元素的任何组合由本发明所涵盖，除非文中另有说明或者内容明显抵触。