用于模鍛的液體噴射器噴嘴的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的液體燃料噴射嘴(24)。液體燃料噴射嘴(24)可以包括入口端和出口端。液體燃料噴射嘴(24)還可以包括位于入口端的頭部(30)和沿著縱向軸線(A)從頭部(30)延伸到出口端的桿部(32)。桿部(32)可以在其內(nèi)部限定出流體通道(34)。頭部可以包括具有內(nèi)壁(40)的腔體(36)。內(nèi)壁(40)可以包括環(huán)形的突出部(46)。
【專利說明】用于模鍛的液體噴射器噴嘴的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明總體涉及燃料噴射器，更具體地涉及用于燃料噴射器噴嘴的連接。
【背景技術(shù)】
[0002]燃氣渦輪發(fā)動機(GTEs)通過從熱的氣體流中提取能量來產(chǎn)生動力，所述熱的氣體通過燃料在壓縮空氣流中燃燒而產(chǎn)生。通常，GTEs具有聯(lián)接至下游渦輪的上游空氣壓縮機，在渦輪和空氣壓縮機之間具有燃燒室(燃燒器)。當壓縮空氣和燃料的混合物在燃燒器中燃燒時產(chǎn)生能量，所形成的熱的氣體用于使渦輪的葉片旋轉(zhuǎn)。在典型的GTEs中，多個燃料噴射器將燃料導(dǎo)弓I至燃燒器中進行燃燒。
[0003]GTE通?？梢园ㄟm于向通過GTE的壓縮空氣施予渦漩的旋流器葉片。旋流器可以包括液體燃料噴射嘴。液體燃料噴射嘴可以連接至液體燃料歧管，并與液體燃料歧管流體連通。因此，液體燃料噴射嘴可以構(gòu)造成用于將液體燃料噴射到流經(jīng)漩流器的壓縮空氣流中。
[0004]授予Joshi等的美國專利5，613，363 ( ‘363專利)公開了一種空氣燃料混合器，其具有混合管、一組旋流器和用于將燃料噴射到混合管中的裝置。如該專利圖8所示，多個噴嘴可以與燃料歧管連通，使得噴嘴可以將燃料噴射到混合管中。與該描述相關(guān)的，‘363專利未描述在多個噴嘴與燃料歧管之間的接合裝置/方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施例可以針對用于燃氣渦輪發(fā)動機的液體燃料噴射嘴。液體燃料噴射嘴可以包括入口端和出口端。液體燃料噴射嘴還可以包括位于入口端的頭部和沿著縱向軸線從頭部延伸到出口端的桿部。桿部可以在該桿部中包括流體通道。頭部可以包括具有內(nèi)壁的腔體。腔體可以形成通向流體通道的入口。內(nèi)壁可以包括環(huán)形的突出部。
[0006]本發(fā)明的另一些實施例可以針對燃料噴射器系統(tǒng)。燃料噴射器系統(tǒng)可以包括液體燃料噴射嘴，該液體燃料噴射嘴限定出貫通該液體燃料噴射嘴的流體通道。液體燃料噴射嘴可以包括入口端、出口端和延伸到出口端的桿部。液體噴射嘴還可以包括位于入口端的頭部。
[0007]本發(fā)明的又一些實施例可以針對形成渦輪發(fā)動機中的連接的方法。該方法可以包括將液體燃料噴射嘴插入具有歧管的發(fā)動機中。該方法還可以包括向液體燃料噴射嘴施用第一變形構(gòu)件以使該液體燃料噴射嘴變形。另外，該方法可以包括藉由分子擴散使液體燃料噴射嘴通過材料結(jié)合到歧管上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是在燃料噴射器系統(tǒng)的示例性液體歧管中的示例性液體燃料噴射嘴的截面示意圖；
[0009]圖2是圖1的液體燃料噴射嘴的截面圖；[0010]圖3A-3C是液體燃料噴射嘴和模鍛機的截面圖；以及
[0011]圖4是形成液體燃料噴射嘴與液體歧管之間的連接的示例性方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0012]圖1示出了在GTE的燃料噴射器系統(tǒng)10的示例性液體歧管26中的示例性液體燃料噴射嘴(Spoke)24。燃料噴射器10可以構(gòu)造成用于向GTE輸送燃料。GTE可以包括第一部分(未示出)和第二部分(未示出)，所述第一部分構(gòu)造成用于接收來自GTE的壓縮機部分的壓縮空氣，所述第二部分構(gòu)造成用于向GTE的燃燒器輸送預(yù)混合的壓縮空氣和燃料。
[0013]如圖1所示，旋流器22可以設(shè)置在GTE內(nèi)位于所述第一部分與所述第二部分之間。旋流器22可以構(gòu)造成用于向自GTE的壓縮機輸送通過第一部分的壓縮空氣施予漩渦。旋流器22可以包括流體地連接至液體燃料歧管26的一個或多個液體燃料噴射嘴24。一個或多個液體燃料噴射嘴24可由能承受高溫的任何合適的材料制成。歧管26可由任何合適的歧管材料制成諸如。液體燃料噴射嘴24可以構(gòu)造成用于將來自歧管26的液體燃料流噴灑到流經(jīng)旋流器22的渦旋的壓縮空氣流中。
[0014]如圖1所示，液體燃料噴射嘴24可以包括擴大的頭部30和桿部32，所述桿部限定出貫通該桿部的流體通道34。頭部30可以設(shè)置在歧管26中，并且構(gòu)造成用于接收來自歧管26的液體燃料。如圖所示，歧管26可以包括歧管凹部26a，該凹部構(gòu)造成用于幫助歧管26與頭部30之間的結(jié)合，如將在下面更詳細描述的那樣。如圖1所示，桿部32可沿徑向向內(nèi)延伸到旋流器22中。旋流器22可以包括沿徑向向內(nèi)延伸的多個旋流器葉片22a。桿部32可以設(shè)置在所述多個旋流器葉片22a的任意兩個之間中。
[0015]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的示例性液體燃料噴射嘴24。液體燃料噴射嘴24—包括流體通道34—可以沿著中心縱向延伸軸線A延伸。頭部30可以包括構(gòu)造成用于接收來自歧管26的液體燃料的液體接收腔體36。腔體36與沿著經(jīng)過桿部32的軸線A延伸的流體通道34直接流體連通。因此，液體燃料可以自歧管26、通過頭部30的腔體36、進入沿著桿部32的流體通道34被輸送到GTE的旋流器22中。
[0016]頭部30可以從圖2所示的安裝前構(gòu)型變形為圖1和圖3c所示的安裝后構(gòu)型，正如下所述。在處于安裝前構(gòu)型時，頭部30可以包括外周壁38和內(nèi)周壁40。外周壁38與內(nèi)周壁之間的距離可以限定出頭部30的公稱厚度。另外，頭部30可以包括內(nèi)端壁42和上端部44。腔體36可以部分地由內(nèi)周壁40、內(nèi)端壁42和上端部44限定。
[0017]內(nèi)周壁40還可以包括突出部46。突出部46可以在內(nèi)周壁40上沿徑向向內(nèi)朝向軸線A延伸。如圖2所示，頭部30的厚度在靠近突出部46的區(qū)域中增大。突出部46可以沿著內(nèi)周壁44設(shè)置、位于內(nèi)端壁42與上端部44之間。此外，突出部46可以包括模鍛機接觸表面46a。例如，如圖2所示，表面46a可以是傾斜的，以便與第一和第二模鍛機(swager，擠壓機)50、52 (示于圖3a-3c)配合作用，用以使頭部30從安裝前構(gòu)型變形為安裝后構(gòu)型。替代地，表面46a可以包括構(gòu)造成用于與第一和第二模鍛機50、52接觸并配合作用的任意形狀。
[0018]如圖2所示，頭部30具有變化的厚度。也就是說，頭部30可以在靠近上端部44處具有第一厚度。如圖所示，內(nèi)周壁40包括靠近上端部44的第一漸縮部分。沿內(nèi)周壁40朝向內(nèi)端壁42，表面46a沿徑向向內(nèi)朝向軸線A成角度/傾斜的、即漸縮。也就是說，頭部30的厚度在表面46a處增大。突出部46的平臺部或平的區(qū)段46b緊接著表面46a延伸，由此保持頭部30在突出部46的區(qū)域中的恒定厚度。突出部還包括第二成角度的/傾斜的、即漸縮的表面46c,該表面46c與表面46a鏡像對稱。如圖2所不，第二表面46c沿徑向向外背離軸線A漸縮。也就是說，頭部30在第二表面46c的區(qū)域中具有減小的厚度。外周壁38包括在該外周壁中的凹部47。凹部47減小了頭部30在該凹部處的厚度。凹部47可構(gòu)造成用于在凹部中容納密封件和/或墊圈。
[0019]將參照圖3A-3C更詳細地描述頭部30從安裝前構(gòu)型到安裝后構(gòu)型的變形。如圖3A所示，液體燃料噴射嘴24可以定位成使得頭部30在突出部46靠近歧管凹部26a的情況下設(shè)置在歧管26中。此外，桿部32可以定位成延伸到旋流器22中。為了將液體燃料噴射嘴24聯(lián)接在歧管26內(nèi)，可以通過應(yīng)用壓制機(未不出)將一系列第一和第二模鍛機50、52引入到腔體36中。例如，如圖3A所示，第一模鍛機50可以被引入到腔體36中。第一模鍛機50可以包括縱向延伸的支承件54。模鍛機模具56可以設(shè)置在支承件54的端部上。模鍛機模具56可以具有構(gòu)造成用于與表面46a相互作用以使頭部30變形的任何形狀。例如，模鍛機模具56可以包括具有外徑Dl的半球形形狀。當模鍛機50插入到腔體36中時，模鍛機模具56的接合部分58、即外側(cè)壁會與突出部46的表面46a接觸。
[0020]當施加足夠的力迫使第一模鍛機50進入腔體36中時，接合部分58可以與表面46a配合作用以使頭部30變形。例如，如圖3B所示，接合部分58可以與表面46a相互作用，使得隨著半球形模鍛機模具56推進而逐漸地使突出部46變形或使突出部46的材料移位。實際上，隨著模具56前進，與表面46a接觸的半球形模鍛機模具56的直徑在增大，直至達到外徑D1。隨著模具56的直徑增大，越來越大的力施加到表面46a上，從而增加了變形或材料移位的量。
[0021]在已經(jīng)通過使用第一模鍛機50實現(xiàn)了第一程度的變形或材料移位之后，可以將第二模鍛機52插入到腔體36中。除了模鍛機52的模具57的外徑D2可以比模具56的外徑Dl大以外，第二模鍛機52可以與模鍛機50相似。也就是說，與第一模鍛機50類似，第二模鍛機52可以包括縱向延伸的支承件55和設(shè)置在支承件55的端部上的模鍛機模具57。模鍛機模具57可以具有構(gòu)造成用于與表面46a相互作用以使頭部30變形的任何形狀。例如，模鍛機模具57可以包括具有外徑D2的半球形形狀。當將第二模鍛機52插入到腔體36中時，模鍛機模具56的接合部分59、即外側(cè)壁會與表面46a接觸。
[0022]當施加足夠的力迫使第二模鍛機52進入腔體36中時，接合部分59可以與表面46a配合作用以使頭部30變形。例如，如圖3C所示，接合部分59可與表面46a相互作用，以使隨著半球形模鍛機模具57推進而逐漸地使突出部46變形或使突出部46的材料移位。實際上，隨著模具57前進，與表面46a接觸的半球形模鍛機模具57的直徑在增大，直至達到外徑D2。隨著模具57的直徑增大，越來越大的力施加到表面46a上，用以增大變形量。如圖3C所示，第二模鍛機52可迫使突出部46的移位材料進入歧管26的凹部26a中。也就是說，由于第一和第二模鍛機50、52與頭部30的相互作用，突出部46的材料可以從安裝前構(gòu)型移位到安裝后構(gòu)型，在所述安裝前構(gòu)型中突出部46自內(nèi)周壁40沿徑向向內(nèi)延伸，在所述安裝后構(gòu)型中突出部46的移位材料會被迫使自外周壁38向外進入歧管26的凹部26a中。因此，液體燃料噴射嘴24可牢固可靠地保持在歧管26中。
[0023]液體燃料噴射嘴24與歧管26藉由第一和第二模鍛機50、52接合可以在所述液體燃料噴射嘴與歧管之間形成改進的連接。例如，突出部44的材料移位進入凹部26a中可以在液體燃料噴射嘴24與歧管26之間形成改進的結(jié)構(gòu)密封。因此，可以避免歧管26與液體燃料噴射嘴24之間的泄漏。而且，頭部30藉由第一和第二模鍛機50、52變形可在不出現(xiàn)超應(yīng)力的情況下確保密封。也就是說，可以充分地漸漸實現(xiàn)頭部30的變形，從而避免應(yīng)力斷裂。
[0024]此外，隨著突出部46的材料移位，液體燃料噴射嘴24和歧管26之間的分子擴散可以形成改進的連接。分子擴散是穩(wěn)固地連接兩個構(gòu)件的固態(tài)焊接技術(shù)。在分子擴散過程中，當施加熱量和壓力時接觸表面結(jié)合。也就是說，由于兩種不同材料之間的梯度差，高濃度區(qū)域的分子將朝向低濃度區(qū)域遷移。因此，歧管26與液體燃料噴射嘴24之間會形成強力結(jié)合。而且，與現(xiàn)有技術(shù)連接方法不同，分子擴散不需要使用單獨的材料，并且不會造成焊接材料對流體通道34的干擾。
[0025]工業(yè)適用性
[0026]當前的液體燃料噴射嘴制造昂貴并且經(jīng)常出現(xiàn)不可靠的結(jié)果。例如，當前的噴射嘴通常允許液體燃 料歧管與液體燃料噴射嘴之間泄漏燃料。泄漏可能導(dǎo)致不均勻的燃料燃燒，從而導(dǎo)致燃燒過程中不均勻的溫度分布。通常，液體燃料噴射嘴與液體燃料歧管壓配合接合。然而，壓配合接合要求精確的制造公差，這增加了制造成本。另外，由于沒有材料結(jié)合，壓配合接合不能防止液體燃料噴射嘴與液體燃料歧管之間的燃料泄漏。液體燃料歧管與液體燃料噴射嘴之間的替代性接合可以通過釬焊實現(xiàn)。然而，釬焊可能會導(dǎo)致釬焊材料的顆粒沉積在液體燃料噴射嘴的燃料通道中。釬焊材料會減小燃料通道的橫截面積，并因此影響通過液體燃料噴射嘴噴射的液體燃料的量和/或速度。此外，釬焊難于控制并可能造成液體燃料噴射嘴與液體歧管之間不均勻的接合。
[0027]液體燃料噴射嘴與液體歧管之間的其它接合還可以藉由電子束焊接或激光焊接來完成，其中材料被加熱直到它們?nèi)刍⑦B接在一起。然而，這些接合方法中的每一種都可能產(chǎn)生應(yīng)力斷裂，并且難以以足夠的精度對尺寸與普通液體燃料噴射嘴類似的元件進行控制。此外，焊接可能無法把液體燃料噴射嘴與液體歧管連接起來，因為液體燃料噴射嘴與液體歧管通常由具有不同熔點的不同材料形成。
[0028]本發(fā)明公開的液體燃料噴射嘴24可用于形成液體燃料噴射嘴24與歧管26之間的改進的連接。例如，如圖4所示，公開了用于形成液體燃料噴射嘴24與歧管26之間的改進的連接的方法。如步驟100所示，可將液體燃料噴射嘴24定位在歧管26中以延伸到旋流器22中。在步驟110中，可將第一模鍛機50插入到腔體36中?？梢云仁沟谝荒ｅ憴C50進入腔體36中，使得第一模鍛機50的接合部分58、即外側(cè)壁與突出部46的表面46a相互作用，從而隨著半球形模鍛機模具56推進而逐漸地使突出部46的材料變形或移位。由于所施加的壓力，會在液體燃料噴射嘴24與歧管26之間引發(fā)第一總量的分子擴散，在此之后，可以從腔體36中移除第一模鍛機50。
[0029]在步驟120中，可以將直徑比第一模鍛機50大的第二模鍛機52插入到腔體36中。與在步驟110中應(yīng)用的第一模鍛機50相似，可以迫使第二模鍛機52進入腔體36中，使得第二模鍛機52的接合部分59、即外側(cè)壁與突出部46的表面46a相互作用，從而隨著半球形模鍛機模具57推進而逐漸地使突出部46的材料變形或移位。實際上，可以迫使突出部46的移位材料進入歧管的凹部26a中。由于所施加的壓力，在液體燃料噴射嘴24與歧管26之間會引發(fā)第二總量的分子擴散，在此之后，可以從腔體36中移除第二模鍛機52?？蛇x地，在步驟130中可以向液體燃料噴射嘴24和/或歧管26施加熱量，用以增強其間的分子擴散。例如，可以以任何常規(guī)的方式施加熱量，諸如，通過藉由在真空爐中施加的輻射來增加液體燃料噴射嘴24和/或歧管的溫度。
[0030]因此，可以形成在液體燃料噴射嘴24與歧管26之間的改進的連接。改進的連接可以防止液體燃料噴射嘴24與歧管26之間的燃料泄漏并減少應(yīng)力斷裂。液體燃料噴射嘴24與歧管26之間的分子擴散形成了二者之間的強力結(jié)合，并且系統(tǒng)和方法防止了對流體通道34的干擾。
[0031]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可對所公開的液體燃料噴射嘴連接做出各種修改和變型將是顯而易見的。例如，可以僅使用單個模鍛機50，而不是上述的兩個模鍛機50、52來將液體燃料噴射嘴24牢固地聯(lián)接至歧管26。此外，液體燃料噴射嘴24可以在不施加熱量的情況下固定至歧管26。通過考量對所公開的液體燃料噴射嘴連接的說明和實踐，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言其它實施例將是顯而易見的。本說明書和示例應(yīng)被認為僅僅是示例性的，本發(fā)明的真正范圍由所附權(quán)利要求及其等同方案指明。
【權(quán)利要求】
1.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的液體燃料噴射嘴(24)，該液體燃料噴射嘴包括: 入口端； 出口端； 位于所述入口端的頭部(30)； 沿著縱向軸線(A)從所述頭部(30)延伸到所述出口端的桿部(32)，該桿部(32)在其內(nèi)部具有流體通道(34)； 所述頭部(30)包括具有內(nèi)壁(40)的腔體(36)，該腔體(36)形成通向所述流體通道(34)的入口，所述內(nèi)壁(40)包括環(huán)形的突出部(46)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料噴射嘴(24)，其特征在于，所述環(huán)形的突出部(46)包括相對于所述縱向軸線(A)傾斜的第一漸縮表面(46a)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體燃料噴射嘴(24)，其特征在于，所述環(huán)形的突出部(46)還包括在所述第一漸縮表面(46a)與第二漸縮表面(46c)之間的平的縱向延伸的表面(46b)，所述第二漸縮表面(46c)與所述第一漸縮表面(46a)鏡像對稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料噴射嘴(24)，其特征在于，所述腔體(36)的形狀是基本上圓柱形的，并且在徑向上比所述流體通道(34)大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料噴射嘴(24)，其特征在于，所述頭部(30)的外徑比所述桿部(32)的外徑大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料噴射嘴(24)，其特征在于，所述腔體(36)的內(nèi)壁(40)從所述頭部(30)的近端延伸到所述頭部(30)的遠端，所述頭部(30)的所述遠端靠近所述桿部(32)，其中所述環(huán)形的突出部(46)設(shè)置在所述內(nèi)壁(40)上位于比接近所述遠端更接近所述近端的位置處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料噴射嘴(24)，其特征在于，所述環(huán)形的突出部(46)設(shè)置在所述頭部(30)的內(nèi)壁(40)上，燃料噴射器系統(tǒng)還包括: 與所述流體通道(34)連通的流體歧管(26)，在該流體歧管(26)中包括凹部(26a)，該凹部(26a)構(gòu)造成用于將所述環(huán)形的突出部(46)接納在該凹部中。
8.一種形成渦輪發(fā)動機中的接合的方法，該方法包括: 將液體燃料噴射嘴(24)插入到具有歧管(26)的發(fā)動機中； 將第一變形構(gòu)件(50)施用到所述液體燃料噴射嘴(24)上，以使該液體燃料噴射嘴(24)變形；以及 藉由分子擴散使所述液體燃料噴射嘴(24)通過材料結(jié)合到所述歧管(26)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 將第二變形構(gòu)件(52)施用到所述液體燃料噴射嘴(24)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，施用所述第二變形構(gòu)件(52)包括接觸所述液體燃料噴射嘴(24)的環(huán)形的突出部(46)的表面(46a)并向該表面施加壓力，使得所述環(huán)形的突出部(46)變形以從所述液體燃料噴射嘴(24)的頭部(30)的內(nèi)壁(40)移動到所述歧管(26)的凹部(26a)中。
【文檔編號】F02C7/232GK104024602SQ201280065158
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月29日
【發(fā)明者】A·I·克里舍沃爾, M·E·阿布勒, N·圖魯夫, J·F·洛克耶, C·Z·特沃多施萊布, D·M·斯坦塞爾 申請人:索拉透平公司