專利名稱：燃燒器噴嘴以及用于改進燃燒器噴嘴的方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及燃燒器噴嘴和用于改進燃燒器噴嘴的方法。具體而言，本發(fā)明的各個實施例提供了具有在下游面或者下游側中的一個或多個縫隙以提高燃燒器噴嘴的疲勞裂紋抗性的燃燒器噴嘴。
背景技術：
燃燒器通常用于點燃燃料，以產(chǎn)生具有高溫和高壓的燃燒氣體。燃燒器噴嘴典型地包括主體，所述主體形成具有下游面的噴嘴頭，并且工作流體和/或燃料被穿過噴嘴頭供應到在其中發(fā)生燃燒的燃燒室。在噴嘴頭的一 側上的工作流體和燃料與噴嘴頭的另ー側上的燃燒氣體之間的溫差，產(chǎn)生了橫跨噴嘴頭的相當大的熱梯度，這可能產(chǎn)生噴嘴頭中的裂紋或者過早失效。因此，噴嘴頭通常用金屬合金鍛造，并也可涂覆有隔熱涂層，以提高疲勞裂紋抗性。備選地或者另外地，冷卻孔或者通道可以形成為通過噴嘴頭，以允許工作流體和/或燃料的一部分通過噴嘴頭，以冷卻下游面，并減少橫跨噴嘴頭的溫差。所述孔或者通道可以使用本領域中公知的各種方法在噴嘴頭內(nèi)加工。例如，放電加工(EDM)可以用于熔化該鍛造金屬合金，以產(chǎn)生孔或者通道。然而，與EDMエ藝相關的高溫導致孔或者通道內(nèi)的重鑄造層(recast layer)，并且重鑄造層典型地具有比原始鍛造金屬合金低很多的疲勞裂紋抗性。另外，相對于噴嘴頭的軸向中心線成夾角以提高對噴嘴頭的冷卻的孔和通道可以導致噴嘴頭的未支撐部分，其更容易發(fā)生疲勞裂紋。雖然在許多情況下，由再鑄造層和/或未支撐部分導致的附加裂紋只是表面的，但是嚴重的裂紋可導致噴嘴頭的材料損失和可能發(fā)生的下游損壞。因此，改善的燃燒器噴嘴和/或提高疲勞裂紋抗性的用于改進燃燒器噴嘴的方法將是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點將在以下描述中陳述，或者可以從描述中顯而易見，或者可通過本發(fā)明的實踐而學習。本發(fā)明的一個實施例是ー種燃燒器噴嘴，其包括具有軸向中心線的下游面。多個通道延伸通過下游面并且提供通過下游面的流體連通。在下游面中包括多個縫隙，并且每個縫隙連接到至少兩個通道。本發(fā)明的另ー個實施例是ー種燃燒器噴嘴，其包括具有上游側和下游側的主體。多個通道延伸通過主體并且提供從上游側到下游側的流體連通。在下游側中包括多個縫隙，并且每個縫隙連接到至少兩個通道。本發(fā)明還可以包括一種用于改進燃燒器噴嘴的方法，其包括在主體的下游側中加エ多個縫隙。該方法還包括連接每個縫隙到通過主體的至少兩個通道。在閱讀本說明書后，本領域技術人員將更好地理解這些實施例的特點和方面及其它。


包括對于本領域技術人員而言的最佳模式的本發(fā)明的全面且能夠?qū)崿F(xiàn)的公開，在包括對附圖的參考的說明書的剰余部分中被更具體地陳述，在附圖中圖I是示例性燃燒器的簡化截面視圖；圖2是在圖I中示出的示例性燃燒器噴嘴的截面透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例改進的圖2中示出的示例性噴嘴頭的放大透視截面視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例改進的圖2中示出的示例性噴嘴頭的放大透視截面視圖；
圖5是圖4中示出的噴嘴頭的俯視圖。附圖標記10燃燒器12 殼體14 噴嘴16 帽18 端蓋20 襯墊22燃燒室24過渡件26渦輪進ロ28沖擊套筒30流動孔32環(huán)形通道34 護罩36中心主體38環(huán)形通道40旋流葉片42噴嘴頭44軸向中心線46 主體48上游側50下游側52下游面54 通道56直縫隙58弓形縫隙60中心通道62第一縫隙(窄，淺)64第二縫隙(寬，深)
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細地參考本發(fā)明的當前實施例，其中一個或者多個示例在附圖中示出。詳細說明書使用了數(shù)字和字母標記來指示附圖中的特征。附圖和說明書中的相同或相似的標記已經(jīng)被用于指示本發(fā)明的相同或相似部分。每個示例通過解釋本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的方式提供。實際上，對于本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中做出修改和變型。例如，作為ー個實施例的一部分示出或者描述的特征可用于另ー個實施例中，以得到又ー實施例。因此，意圖本發(fā)明覆蓋在所附權利要求和它們的等價物范圍內(nèi)的這種修改和變型。本發(fā)明的各個實施例都提供了燃燒器噴嘴和用于改進燃燒器噴嘴的方法，其提高了噴嘴的疲勞裂紋抗性。通過本發(fā)明的各個實施例的一個或者多個特征或者特性，可以獲得提高的疲勞裂紋抗性。例如，燃燒器噴嘴可包括通過燃燒器噴嘴的主體或下游面的多個通道，并且ー個或多個縫隙可連接到至少兩個通道，以提供 在主體或者下游面中的應カ消除。在具體實施例中，縫隙可以是直的或者彎曲的，并且可以在通道之間周向或者徑向延伸。理論熱測繪圖可以用于預測潛在裂紋的位置，并且因此允許縫隙在具體噴嘴中的精確布置，以減少高熱應力，并且提高燃燒器噴嘴的疲勞裂紋抗性。雖然為了示出的目的，本發(fā)明的示例性實施例將大體在合并入燃氣渦輪中的燃燒器的背景下描述，但是本領域技術人員將容易意識到，除非在權利要求中明確陳述，否則本發(fā)明的實施例可以應用于任何燃燒器，并且不限于燃氣渦輪燃燒器。圖I示出了例如可包括于燃氣渦輪中的示例性燃燒器10的簡化截面視圖。殼體12可環(huán)繞燃燒器10，以包含流入燃燒器10的壓縮工作流體。如圖所示，燃燒器10可包括在帽16與端蓋18之間徑向布置的一個或多個噴嘴14。燃燒器10的各個實施例可包括不同數(shù)量和布置的噴嘴14。帽16和襯墊20通常環(huán)繞并且限定了設置在噴嘴14的下游的燃燒室22，并且襯墊20下游的過渡件24連接燃燒室22到渦輪進ロ 26。本文中所使用的術語“上游”和“下游”指示在流體路徑中的部件的相對位置。例如，如果流體從部件A流向部件B，那么部件A在部件B的上游。相反，如果部件B接收來自部件A的流體流，那么部件B在部件A的下游。具有流動孔30的沖擊套筒28可環(huán)繞過渡件24，以限定在沖擊套筒28與過渡件24之間的環(huán)形通道32。壓縮工作流體可以行進通過沖擊套筒28中的流動孔30，以流過環(huán)形通道32，以提供到過渡件24和襯墊20的對流冷卻。當壓縮工作流體到達端蓋18吋，壓縮工作流體反向流過ー個或者多個噴嘴14，在噴嘴14中壓縮工作流體在于燃燒室22中點燃之前與燃料混合，以產(chǎn)生具有高溫和高壓的燃燒氣體。圖2提供了圖I中所示的示例性噴嘴14的截面透視圖。如圖所示，噴嘴14可以包括護罩34，其周向環(huán)繞中心主體36的至少一部分以限定護罩34與中心主體36之間的環(huán)形通道38。工作流體的至少一部分可以通過環(huán)形通道38進入噴嘴14，并且在護罩34與中心主體36之間的ー個或者多個旋流葉片40可以給予切向速度到流過噴嘴14的壓縮工作流體。中心主體36可以從端蓋18軸向延伸到噴嘴頭42，并且噴嘴頭42可以與噴嘴14的軸向中心線44軸向?qū)R或者平行。以這種方式，中心主體36提供了從端蓋18通過中心主體36并且到噴嘴頭42外的流體流通。圖3提供了圖2中示出的示例性噴嘴頭42的放大的透視截面視圖。如圖所示，噴嘴頭42通常包括具有上游側48、下游側50和下游面52的主體46。主體46和/或下游面52可以由允許提高靠近燃燒室22的噴嘴頭42的疲勞抗性的金屬合金或粉末金屬鋳造、鍛造、或燒結而成。噴嘴頭42可以進一歩包括多個孔或者通道54，其延伸通過主體46和/或下游面52，以提供從上游側48到下游側50或者通過主體46和/或下游面52的流體連通?？谆蛘咄ǖ?4可以關于軸向中心線44大致平行對準或者成夾角。在圖3中示出的具體實施例中，孔或者通道54大致平行于軸向中心線44對準。以這種方式，通道54允許流體，例如燃料、氧化劑或者稀釋劑，流過主體46和/或下游面52，以冷卻主體46、主體46的下游側50、和/或下游面52。如圖3所示，噴嘴頭42可以包括在下游側50或下游面52中的一個或者多個直縫隙56和/或弓形縫隙58，以減輕主體46的表面52中的熱應力?？梢允褂帽绢I域公知的傳統(tǒng)方法將每個縫隙56、58加工到下游側50或下游面52內(nèi)。 例如，縫隙56、58可通過磨削或者使用激光、水噴射或者放電加工(EDM)エ藝以熔化該鍛造金屬合金而形成，以連接每個縫隙56、58到成對的通道54上。每個縫隙56、58的具體數(shù)量、位置、寬度、深度以及形狀將依賴于噴嘴頭42的具體形狀，以及在主體46或者下游面52中的預期熱應力。例如，在圖3中示出的具體實施例中，每個縫隙56、58在下游側50或下游面52中周向延伸，并且連接到至少兩個通道54。每個縫隙56、58的寬度可在大約5密耳與50密耳之間變化，并且每個縫隙56、58可以通過下游面52完全軸向延伸到上游側48。在具體實施例中，在下游面52附近等距間隔的3個或者4個縫隙56、58可以提供等距的應力消除，而在其它具體實施例中，每個通道54可以連接到至少ー個縫隙56、58。圖4提供了圖2中示出的另ー示例性噴嘴頭42的放大透視截面視圖。如圖所示，噴嘴頭42還通常包括主體46、上游側48、下游側50、下游面52和多個通道54，如先前關于圖3中示出的噴嘴頭42描述地。在圖4中示出的具體實施例中，通道54通常關于軸向中心線44徑向和/或周向成夾角，其中中心通道60與軸向中心線44大致重合。成角度的通道54通過使流過通道54、60的流體成漩渦而提高了對下游側50或下游面52的冷卻。在圖4示出的實施例中，多個直縫隙56在通道54、60之間在下游側50或下游面52中徑向延伸，并且如圖5中最清楚地示出地，直縫隙56的寬度和深度是變化的。具體地，第一縫隙62是窄的，并且沒有完全延伸通過主體46，而第二縫隙64稍微更寬，并且從下游面52軸向延伸到上游側48。以這種方式，第一縫隙62允許較少的流動通過主體46，而允許較多的流動通過通道54、60。另外，從下游面52加工和移除的鋳造金屬合金的數(shù)量可以被減少，同時提供對主體46和/或下游面52的足夠的應力消除。圖3和圖4示出的實施例可以被制造成用于在新的或者現(xiàn)有的噴嘴14中使用，或者現(xiàn)有的噴嘴頭42可以被改進以實現(xiàn)期望的應カ消除。用于改進燃燒器噴嘴14的方法包括在主體46的下游側50或下游面52中加工縫隙56、58，如先前所述地，并且連接每個縫隙56,58到通過主體46的至少兩個通道54。根據(jù)具體的設計需求，所述方法可以包括在下游側50或下游面52中加工直縫隙56或者弓形縫隙58，和/或使縫隙56、58周向和/或徑向?qū)省Ｈ绻谕脑?，方法可包括連接每個通道54、60到至少ー個縫隙56、58，和/或?qū)⒅辽侃`個縫隙56、58加工成完全通過主體46。
本領域技術人員將容易意識到，在各個實施例中的縫隙56、58的策略性定位以最小的成本和對噴嘴14性能的最小影響而有助于增加噴嘴14的耐用性?？p隙56、58有效地起著噴嘴頭42中的預設計或者固有裂紋的作用，其通過在噴嘴頭42中提高疲勞裂紋抗性并且因此提高燃燒器10的總可靠性而延長了噴嘴14的有效壽命。本書面描述使用示例以公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領域技術人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何設備或系統(tǒng)，并且執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的可專利性范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員所想到的其它示例。如果這些其它示例包括與權利要求的字面語言并無不同的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質(zhì)差別的等價結構元件，則這些其它示例意圖 在權利要求的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種燃燒器噴嘴(14)，包括 a.具有軸向中心線(44)的下游面(52)； b.延伸通過下游面(52)的多個通道(54)，其中，所述多個通道(54)提供通過所述下游面(52)的流體連通；以及 c.在所述下游面(52)中的多個縫隙(56，58)，其中，每個縫隙(56，58)連接到至少兩個通道(54)。
2.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，每個通道(54)大致平行于所述下游面(52)的軸向中心線(44)對準。
3.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，每個通道(54)連接到至少ー個縫隙(56，58)。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，至少一個縫隙(56，58)在至少兩個通道(54)之間在下游面(52)中周向延伸。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，至少一個縫隙(56，58)在至少兩個通道(54)之間在下游面(52)中徑向延伸。
6.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，至少一個縫隙(56，58)在至少兩個通道(54)之間是弓形的。
7.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，還包括與下游面(52)相対的上游側(48)，并且其中，多個縫隙(58)從下游面(52)到上游側(48)軸向延伸。
8.一種用于改進燃燒器噴嘴(14)的方法，包括 a.在主體(46)的下游側(50)中加工多個縫隙(56，58);以及 b.連接每個縫隙(56，58)到通過所述主體(46)的至少兩個通道(54)。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括連接每個通道(54)到至少ー個縫隙(56，58)。
10.根據(jù)權利要求8至9中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括將至少一個縫隙(56，58)在至少兩個通道(54)之間在下游側(50)中周向?qū)省?br> 11.根據(jù)權利要求8至10中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括將至少一個縫隙(56，58)在至少兩個通道(54)之間在下游側(50)中徑向?qū)省?br> 12.根據(jù)權利要求8至11中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括在至少兩個通道(54)之間加工至少ー個弓形縫隙(58)。
13.根據(jù)權利要求8至12中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括將至少一個縫隙(56，58)加工成完全通過主體(46)。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃燒器噴嘴以及用于改進燃燒器噴嘴的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及一種燃燒器噴嘴(14)，其包括具有軸向中心線(44)的下游面(52)。多個通道(54)延伸通過下游面(52)并且提供通過下游面(52)的流體連通。在下游面(52)中包括多個縫隙(56，58)，并且每個縫隙(56，58)連接到至少兩個通道(54)。一種用于改進燃燒器噴嘴(14)的方法，包括在主體(46)的下游側(50)中加工多個縫隙(56，58)。該方法還包括連接每個縫隙(56，58)到通過主體(46)的至少兩個通道(54)。
文檔編號F23R3/00GK102818284SQ20121024922
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權日2011年6月6日
發(fā)明者P·B·梅爾頓, S·R·西蒙斯, R·德福里斯特, D·M·貝利 申請人:通用電氣公司