專利名稱：燃料噴射器的層狀燃料帶的制作方法
〔技術(shù)領(lǐng)域〕本發(fā)明涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃料噴射器，更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有層狀燃料帶的燃料噴射管。
〔背景技術(shù)〕燃料噴射器，例如燃?xì)廨啓C(jī)的燃料噴射器，用于將壓縮燃料從總管引導(dǎo)到一個(gè)或多個(gè)燃燒腔。燃料噴射器還可在燃燒之前準(zhǔn)備燃料以便與空氣進(jìn)行混合。每個(gè)噴射器通常具有一個(gè)與總管相連的入口配件、一個(gè)連接在該配件一端的管狀延伸部分或桿以及一個(gè)或多個(gè)與桿的另一端相連用于將燃料引導(dǎo)到燃燒腔中的噴嘴。燃料管或通道(例如管道、管或圓筒形通道)穿過桿延伸，從而將燃料從入口配件供應(yīng)到噴嘴?？稍O(shè)置適當(dāng)?shù)拈y和/或流體分配器來引導(dǎo)和控制流經(jīng)噴嘴的燃料流。燃料噴射器通常呈環(huán)形均勻間隔地進(jìn)行布置，并以均勻的方式將燃料分配(噴射)到燃燒腔中。桿內(nèi)的氣腔為燃料管提供隔熱。燃料管需要固定到閥殼和噴嘴上。燃料管應(yīng)當(dāng)能夠承受由安裝管和經(jīng)受比冷管要大的熱增長而引起的管拉伸所產(chǎn)生的低循環(huán)周期疲勞(LCF)應(yīng)力。管與閥殼的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是一種在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生泄漏的可靠的接頭。泄漏到熱氣腔中的燃料會(huì)引起爆燃和災(zāi)難性的過壓。
燃料噴射器通常包括一個(gè)或多個(gè)隔熱屏，隔熱屏圍繞著暴露在高溫壓縮排放氣體下的部分桿和噴嘴。隔熱屏用于在工作過程中與熱壓縮排放氣體熱隔絕。這就避免了燃料分解成在燃料通道中的濕潤壁超過最大溫度(普通的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料大約為400°F(200c))時(shí)所產(chǎn)生的固態(tài)沉積物(也就是“積炭”)。燃料噴嘴內(nèi)的積炭會(huì)積聚并限制燃料流經(jīng)燃料噴嘴，從而使噴嘴效率降低或不能使用。US5598696就公開了這樣一種隔熱屏組件，其包括一對(duì)固定在一起的U形隔熱件，從而形成燃料噴射器桿部的一個(gè)封閉物。至少一個(gè)柔性夾緊件在噴射器桿部的大致中點(diǎn)位置處將隔熱件固定在噴射器上。隔熱屏的上端的尺寸設(shè)計(jì)得可緊密地接納噴射器的擴(kuò)大的頸部，以避免壓縮排放氣體在隔熱件和桿部之間流動(dòng)。夾緊件使隔熱件與噴射器桿部熱隔絕。夾緊件的柔性使隔熱件和桿部之間在熱循環(huán)過程中可進(jìn)行熱膨脹，同時(shí)使連接點(diǎn)處的機(jī)械應(yīng)力最小。
US6075356公開了另一種桿和隔熱屏組件，燃料管完全封閉在噴射器桿中，從而在管周圍形成一個(gè)滯止氣隙。燃料管的入口端和出口端分別固定到入口配件噴嘴上，并包括一個(gè)螺旋或盤旋部分，該部分可吸收在燃燒和熄火過程中由于內(nèi)噴嘴部件和外噴嘴部件的熱膨脹差而引起的機(jī)械應(yīng)力。多個(gè)燃料管還需要二次密封(例如彈性密封)和/或滑動(dòng)表面，以便在熱循環(huán)過程中出現(xiàn)極限工作狀態(tài)時(shí)將隔熱屏適當(dāng)?shù)孛芊獾饺剂瞎苌稀Ｉ鲜鲞@種隔熱屏組件需要多個(gè)部件，并需要額外的加工和安裝步驟，在初次購買和后續(xù)維護(hù)方面都增大了噴射器的整體成本。另外，隔熱屏組件占據(jù)了燃燒腔內(nèi)及其周圍的寶貴空間，妨礙了氣流進(jìn)入燃燒腔，并增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。這完全不符合當(dāng)前工業(yè)界有關(guān)成本低、噴射器尺寸(“外殼”)小和重量輕以便工作更有效的要求。
非常普通的噴嘴采用一級(jí)和二級(jí)噴嘴，其中在啟動(dòng)過程中只使用一級(jí)噴嘴。在高功率工作時(shí)使用這兩個(gè)噴嘴。在啟動(dòng)和低功率工作時(shí)，進(jìn)入二級(jí)噴嘴的流量減小或停止。人們已開發(fā)出了用于多級(jí)燃燒的具有先導(dǎo)(pilot)和主噴嘴的燃料噴射器。一級(jí)和二級(jí)噴嘴大致在燃燒室中的相同軸向位置處進(jìn)行噴放。由于燃料流可更準(zhǔn)確地得到控制且對(duì)于特定的燃燒室要求燃料噴射可更準(zhǔn)確地得到引導(dǎo)，因此，已開發(fā)出的具有主和先導(dǎo)噴嘴的燃料噴射器工作更有效、燃燒更清潔。具有主和先導(dǎo)噴嘴的燃料噴射器采用可排放到燃燒氣流場的不同軸向和徑向位置的多個(gè)燃料線路，從而在高功率狀態(tài)下使空氣和燃料很好地混合。在低功率狀態(tài)，有些線路將關(guān)閉以便在余下的燃料噴射位置保持局部較高的燃料/空氣比。在低功率狀態(tài)下關(guān)閉的線路和噴嘴被稱為主線路和主噴嘴。余下的仍處于接通狀態(tài)以避免燃燒火焰熄滅的線路和噴嘴被稱為先導(dǎo)線路和先導(dǎo)噴嘴。先導(dǎo)和主噴嘴可包含在相同的噴嘴桿組件中或支承在單獨(dú)的噴嘴組件中。還可構(gòu)成雙噴嘴燃料噴射器，以便于對(duì)雙燃燒室的燃料進(jìn)行進(jìn)一步的控制，從而使燃料效率更高并減少有害排放。
通常用于輸送燃料流過燃料噴射器桿部的方法是在桿部內(nèi)設(shè)置具有同心通道的燃料管，燃料通過不同的通道單獨(dú)地進(jìn)行輸送。然后，燃料又通過噴射器噴嘴部分中的通道和/或環(huán)形槽被引導(dǎo)到噴射孔中。US5413178就公開了同心通道，其中，為了進(jìn)行冷卻，先導(dǎo)燃料流沿主噴嘴向下和向后流動(dòng)。這還需要多個(gè)部件和額外的制造和安裝步驟，這與人們所希望的降低成本、減輕重量和減小噴射器外殼都是大相徑庭的。
US6321541就針對(duì)這些人們所關(guān)心的以及上述的缺陷而提出了一種燃料噴射器，該噴射器包括入口配件、一端連接在入口配件上的桿部和一個(gè)或多個(gè)連接在桿部另一端并支承在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔上或支承在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔內(nèi)的噴嘴組件。呈單個(gè)細(xì)長的層狀供料帶形式的燃料管經(jīng)桿部延伸到噴嘴組件，以便將燃料從入口配件供應(yīng)給噴嘴組件的噴嘴中。供料帶的上游端在不需要額外的密封部件(例如彈性密封)的情況下直接固定(例如通過釬焊或焊接的方式)到入口配件上。供料帶的下游端以整體的方式(成一體)與噴嘴相連。單個(gè)供料帶沿其長度具有螺旋，以便沿桿部軸線增加其相對(duì)移動(dòng)的柔性并降低由于噴嘴處于極限溫度下不同熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力。這就減小或消除了對(duì)噴射器桿部進(jìn)行附加隔熱的需要。
層狀供料帶和噴嘴由多個(gè)板制成。每個(gè)板包括細(xì)長的供料帶部分和基本上垂直于供料帶部分的整體頭部(噴嘴)。板中的燃料通道和開孔通過有選擇地在板表面上進(jìn)行蝕刻而獲得。然后，板布置成面對(duì)面相互接觸，并通過諸如釬焊或擴(kuò)散接合等方法固定在一起而形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。有選擇地在板上進(jìn)行蝕刻可在噴射器上很方便地形成多個(gè)燃料線路、一個(gè)或多個(gè)噴嘴組件和冷卻線路。蝕刻方法還可使多個(gè)燃料通道和冷卻線路形成較小的橫截面，從而減小噴射器的尺寸。
板組件的供料帶部分通過機(jī)械成型的方式例如通過彎曲而形成螺旋形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，所有的板在平面圖中呈T形。在此情形下，板組件的頭部可機(jī)械成型為具有環(huán)形橫截面或其它適當(dāng)形狀的圓筒。頭部的端部相互間隔開，或者可通過如釬焊或焊接組合在一起并進(jìn)行接合。噴射孔設(shè)置在圓筒形噴嘴的徑向外表面、徑向內(nèi)表面和/或端部上以便將燃料從噴嘴徑向向外、徑向向內(nèi)和/或軸向噴出。
人們希望有一種燃料管，這種燃料管更柔軟，并具有極小的彎曲應(yīng)力，且與原先的供料帶結(jié)構(gòu)相比，不易受低循環(huán)周期疲勞的影響。人們還希望有一種供料帶，其沿桿部軸線具有良好的相對(duì)移動(dòng)柔性，并降低由于噴嘴處于極限溫度下不同熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力。另外還希望有一種供料帶，其隔熱屏具有較小的外殼，還具有較小的周向流動(dòng)寬度、阻力及相關(guān)流動(dòng)損失較低，從而形成一種空氣動(dòng)力效率更高的結(jié)構(gòu)。
〔發(fā)明內(nèi)容〕燃料噴射管包括單個(gè)供料帶，該供料帶具有一對(duì)沿長度方向延伸并接合成一個(gè)整體的板。每個(gè)板具有一排沿寬度方向間隔開且沿長度方向平行延伸的槽。板相互接合在一起，從而使每個(gè)板中的相對(duì)的槽相互對(duì)準(zhǔn)而在整個(gè)帶長度上從入口端到出口端形成內(nèi)部燃料流動(dòng)通道。
供料帶包括位于入口端和出口端之間并沿徑向延伸且基本上是直的中間部分。燃料噴射管的直管頭離開中間部分的出口端橫向(沿軸向向后)延伸并通向環(huán)形主噴嘴。供料帶的徑向熱增長由完全或部分地橫向于中間部分或基本上相對(duì)于中間部分橫向偏轉(zhuǎn)的帶的彎曲臂的偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。直管頭是第一彎曲臂A1，它是最長的彎曲臂。
在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，中間部分略呈弓形，其曲率半徑大于中間部分的長度。中間部分略微彎曲以便于進(jìn)行安裝。
在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，供料帶具有至少一個(gè)位于入口端和中間部分之間的急劇彎曲部分和一個(gè)位于出口端和中間部分之間的彎曲部分。急劇彎曲部分具有徑向內(nèi)和外臂，其分別具有第二和第三彎曲臂長度。內(nèi)和外臂相互呈銳角傾斜地間隔開。第二和第三彎曲臂長度完全或部分地橫向于中間部分或基本上相對(duì)于中間部分橫向偏轉(zhuǎn)。供料帶在與內(nèi)部燃料流動(dòng)通道相連的入口端具有燃料進(jìn)入孔。入口端固定在閥殼內(nèi)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)形主噴嘴與供料帶的出口端流體連通，并與由一對(duì)沿長度方向延伸且相互接合在一起的板構(gòu)成的供料帶形成一體。內(nèi)部燃料流動(dòng)通道延伸經(jīng)過供料帶和環(huán)形主噴嘴。環(huán)形分支從至少一個(gè)第一內(nèi)部燃料流動(dòng)通道經(jīng)過主噴嘴沿周向延伸。噴射孔從環(huán)形分支穿過至少一個(gè)板伸出。環(huán)形分支可具有波形部分。環(huán)形分支可包括順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的環(huán)形分支。順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的環(huán)形分支可分別具有平行的第一和第二波形部分，噴射孔可交替地設(shè)置在第一和第二波形部分上，從而大致沿一圓排列。
在一個(gè)更詳細(xì)的實(shí)施例中，管包括先導(dǎo)噴嘴線路，其包括順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的先導(dǎo)分支，該先導(dǎo)分支從至少一個(gè)第二內(nèi)部燃料流動(dòng)通道經(jīng)過主噴嘴沿周向延伸。
本發(fā)明包括燃料噴射器，該燃料噴射器包括上閥殼、從閥殼懸垂下來的中空桿、至少一個(gè)由該桿支承的燃料噴嘴組件和在該閥殼之間經(jīng)桿延伸到噴嘴組件的燃料噴射管。噴射器還可包括主混合器，該主混合器具有環(huán)形主殼體，主殼體上具有與噴射孔對(duì)準(zhǔn)的開孔。在主殼體內(nèi)形成一個(gè)環(huán)形腔，主噴嘴由主殼體支承在環(huán)形腔中。環(huán)形滑動(dòng)接合密封件設(shè)置在與每一個(gè)噴射孔對(duì)準(zhǔn)的每組開孔中。殼體可包括內(nèi)和外隔熱屏，內(nèi)隔熱屏還可包括內(nèi)和外壁及位于兩者之間的環(huán)形間隙，從而開孔穿過內(nèi)和外隔熱屏。環(huán)形滑動(dòng)接合密封件可固定到內(nèi)隔熱屏的內(nèi)壁上。
本發(fā)明還提供一種燃料噴射器，該噴射器具有環(huán)形主噴嘴、具有環(huán)形主殼體的主混合器和形成于主殼體內(nèi)的環(huán)形腔，環(huán)形主殼體具有與主噴嘴中的噴射孔對(duì)準(zhǔn)的開孔。主噴嘴容納在環(huán)形腔內(nèi)，環(huán)形滑動(dòng)接合密封件設(shè)置在與每個(gè)噴射孔對(duì)準(zhǔn)的每組開孔中。殼體還可包括內(nèi)和外隔熱屏，內(nèi)隔熱屏可包括內(nèi)和外壁，內(nèi)和外壁之間具有環(huán)形間隙。開孔可穿過內(nèi)和外隔熱屏，環(huán)形滑動(dòng)接合密封件可安裝在內(nèi)隔熱屏的內(nèi)壁上。
本發(fā)明的供料帶沿桿部軸線具有良好的相對(duì)移動(dòng)柔性，并具有較低的由于噴嘴處于極限溫度下不同熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力。本發(fā)明提供的燃料導(dǎo)管，其允許中空桿采用較小的外殼來作為導(dǎo)管的隔熱屏。中空桿又具有較小的周向流動(dòng)寬度，因此，具有較低的阻力及相關(guān)流動(dòng)損失，從而形成一種空氣動(dòng)力效率更高的結(jié)構(gòu)。
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〕圖1是具有本發(fā)明典型實(shí)施例的帶有燃料帶的燃料噴射器的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的橫截面圖。
圖2是圖1中的燃料噴射器的放大橫截面圖。
圖3是圖2中的混合器組件中的燃料噴嘴組件的放大橫截面圖。
圖4是以第二角度穿過圖2中的燃料噴嘴組件剖視的放大橫截面圖。
圖5是圖2中的燃料帶沿5-5的橫截面圖。
圖6是用于構(gòu)成圖1中的燃料帶的板的頂部視圖。
圖7是圖1中的燃料噴射器的燃料線路的示意圖。
圖8是具有圖7所示燃料線路的燃料帶的透視圖。
圖9是圖1中的燃料帶的示意圖。
圖10顯示的是用于分析圖9中的燃料帶內(nèi)的熱增長力的方程。
圖11顯示的是圖10所示方程中的參數(shù)的定義。
〔具體實(shí)施方式
〕圖1示出了燃燒室16的一個(gè)典型實(shí)施例，燃燒室16包括燃燒區(qū)18，燃燒區(qū)18各自由徑向向外和徑向向內(nèi)的環(huán)形襯里20和22限定，并位于兩者之間。外和內(nèi)襯里20和22設(shè)置在環(huán)形燃燒室外殼26的徑向內(nèi)部，燃燒室外殼26沿周向圍繞外和內(nèi)襯里20和22延伸。燃燒室16還包括安裝在外和內(nèi)襯里20和22上游的環(huán)形頂蓋34。頂蓋34形成燃燒區(qū)18的上游端36，多個(gè)混合器組件40(圖中只示出了一個(gè))圍繞頂蓋34沿周向間隔地設(shè)置。每個(gè)混合器組件40分別支承著先導(dǎo)和主噴嘴58和59，并與先導(dǎo)和主噴嘴一起將燃料和空氣混合物送入到燃燒區(qū)18中。每個(gè)混合器組件40具有一條回轉(zhuǎn)軸線52，先導(dǎo)和主噴嘴58和59圍繞該回轉(zhuǎn)軸線分布。
如圖1和2所示，本發(fā)明典型實(shí)施例的燃料噴射器10具有燃料噴嘴組件12(可使用一個(gè)以上的沿徑向間隔開的噴嘴組件)，該噴嘴組件分別包括用于將燃料導(dǎo)入到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒區(qū)內(nèi)的先導(dǎo)和主噴嘴58和59。燃料噴射器10包括適合于固定和密封到燃燒室外殼26上的噴嘴固定裝置或法蘭30。中空桿32與法蘭30形成一體或固定在法蘭30上(例如通過釬焊或焊接)，并支承燃料噴嘴組件12和混合器組件40。
中空桿32具有設(shè)置在腔室39的開口上端上方或內(nèi)部并與法蘭30形成一體或例如通過釬焊固定在法蘭30上的入口組件41。入口組件41可以是閥殼43的一部分，中空桿32從閥殼上懸垂下來。閥殼43與圖7中示出的燃料總管44流體連通并將燃料引導(dǎo)到噴射器10中。入口組件41可從燃料總管44接收燃料。入口組件41包括燃料閥45，以便控制流經(jīng)燃料噴嘴組件12中的燃料線路102的燃料。
如圖2所示，入口組件41與法蘭30形成一體或固定到法蘭30上，并位于法蘭30的徑向外側(cè)，入口組件41內(nèi)裝有用于安裝燃料閥45的燃料閥座19。噴嘴組件12分別包括先導(dǎo)和主噴嘴58和59。通常，先導(dǎo)和主噴嘴58和59在正常和最大功率狀態(tài)下使用，而只有先導(dǎo)噴嘴是在啟動(dòng)和部分功率工作狀態(tài)下使用。具有一個(gè)細(xì)長供料帶的柔性燃料噴射管60用于將燃料從入口組件41供應(yīng)到噴嘴組件12中。供料帶62是一種由可經(jīng)受如制造過程中進(jìn)行釬焊這樣的高溫而不產(chǎn)生不利影響的材料制成的柔性供料帶。
如圖5和6所示，供料帶62具有一對(duì)粘結(jié)在一起的沿長度方向延伸的第一和第二板76、78。第一和第二板76、78每個(gè)都具有一排80沿寬度方向間隔開并沿長度方向延伸的平行槽84。板相互粘結(jié)在一起，從而使每個(gè)板的相對(duì)的槽84相互對(duì)準(zhǔn)而形成長度為供料帶62的長度L從供料帶62的入口端66到出口端69的內(nèi)部燃料流動(dòng)通道90。進(jìn)一步如圖4所示，先導(dǎo)噴嘴延伸部分54從主噴嘴59向后延伸，并通過先導(dǎo)供料管56與先導(dǎo)噴嘴58的燃料噴射器頂端57流體連通。如圖3所示，供料帶62向主噴嘴59供料。如圖4和8所示，先導(dǎo)噴嘴延伸部分54和先導(dǎo)供料管56通常關(guān)于回轉(zhuǎn)軸線52相互以角度從傾斜地間隔開，如圖8所示。
如圖2和8所示，供料帶62在入口端66和出口端69之間具有大致呈直線徑向延伸的中間部分64。燃料噴射管60的直管頭104離開中間部分64的出口端69橫向(沿軸向向后方向)延伸，并通向環(huán)形主噴嘴59，主噴嘴59固定以避免發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如圖9所示，供料帶62的熱增長長度LTG承受由完全或部分地橫向于中間部分64或基本上相對(duì)于中間部分64橫向偏轉(zhuǎn)的帶的彎曲臂AN偏轉(zhuǎn)而收容的徑向熱增量。最長的彎曲臂AN是指第一彎曲臂A1，并且是直管頭104。彎曲臂AN具有完全或部分地橫向于中間部分64的彎曲臂力矩長度LN，第一彎曲臂A1具有彎曲臂力矩長度L1。
在圖示的本發(fā)明典型實(shí)施例中，如圖8和9所示，中間部分64略呈弓形，其曲率半徑R大于中間部分64的中部長度ML。圖示的本發(fā)明實(shí)施例還包括至少一個(gè)位于入口端66和中間部分64之間的急劇彎曲部分65和位于中間部分64和出口端69之間的彎曲部分68。急劇彎曲部分65分別具有徑向內(nèi)和外臂75和77，它們用作完全或部分地橫向于中間部分64或基本上相對(duì)于中間部分64橫向偏轉(zhuǎn)的第二和第三彎曲臂A2和A3。內(nèi)和外臂75和77相互以銳角79傾斜地間隔開。第二和第三彎曲臂A2和A3具有第二和第三彎曲臂長度L2和L3。第二和第三橫向彎曲臂A2和A3分別具有橫向于中間部分64并可操縱以便基本上相對(duì)于中間部分64橫向偏轉(zhuǎn)的第二和第三橫向彎曲臂力矩長度L2和L3。彎曲部分68使帶62從中間部分64過渡到燃料噴射管60的管頭104。入口端66是固定的，并抑制其在閥殼43內(nèi)由熱增長所誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)。
燃料噴射管60設(shè)計(jì)成具有最大允許低周期疲勞LCF應(yīng)力。應(yīng)當(dāng)對(duì)熱應(yīng)變所產(chǎn)生的應(yīng)力的LCF壽命進(jìn)行分析以確定LCF最大應(yīng)力SM。一個(gè)這種LCF壽命分析要使用應(yīng)變控制LCF數(shù)據(jù)。在每個(gè)循環(huán)周期中采用相同的最大應(yīng)變來進(jìn)行周期材料測試。這在實(shí)際部件上模擬熱應(yīng)力與應(yīng)變的狀況。對(duì)于給定的熱周期，整體的最大應(yīng)變是恒定的，而實(shí)際的最大應(yīng)力則隨著局部塑性流動(dòng)而減小。現(xiàn)在的方法包括采用用于轉(zhuǎn)動(dòng)部件的載荷控制的LCF數(shù)據(jù)和用于壓力容器的載荷控制的LCF數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)動(dòng)部件中，最大應(yīng)力主要由離心加速度驅(qū)動(dòng)，在壓力容器中，最大應(yīng)力由壓力驅(qū)動(dòng)。在每個(gè)周期中，載荷控制周期測試使載荷保持恒定，從而當(dāng)塑性流動(dòng)產(chǎn)生且凈橫截面面積減小時(shí)，局部最大應(yīng)力恒定或甚至增大。這就模擬了那些應(yīng)用情況，因?yàn)樵谶@兩種情況下，當(dāng)塑性流動(dòng)發(fā)生時(shí)，載荷(離心力和/或壓力)通常不降低且是恒定的。燃料噴射管60的壽命由熱應(yīng)變限定，因此，應(yīng)變控制數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)用于壽命周期分析。
一種進(jìn)行熱應(yīng)變LCF壽命分析的方法是采用準(zhǔn)彈性應(yīng)力范圍的平均值〔(最大應(yīng)力-最小應(yīng)力)/2〕作為平均應(yīng)力，(最大應(yīng)力-平均應(yīng)力)作為交變應(yīng)力。A比值定義為(交變應(yīng)力)/(平均應(yīng)力)，對(duì)于大多數(shù)金屬，給定交變應(yīng)力的最危險(xiǎn)的循環(huán)周期是對(duì)于A比值＝無窮大(也就是，0平均應(yīng)力且因此而完全應(yīng)力反向)的情況。LCF數(shù)據(jù)通常在A＝+1和A＝無窮大的不同溫度下獲得，且有時(shí)在其它A比值情況下獲得。圖10以裂紋發(fā)生周期(x軸)與交變準(zhǔn)彈性應(yīng)力(y軸)函數(shù)關(guān)系的方式示出了數(shù)據(jù)。Inconel 600是其中一種現(xiàn)在被研究使用的材料。圖10所示的數(shù)據(jù)是Inconel 625在250°F下的估算值。與本發(fā)明有關(guān)的Inconel 600的材料性能被認(rèn)為與Inconel 625的材料性能類似。數(shù)據(jù)是統(tǒng)計(jì)形式的，也就是，平均曲線CA、-3sigma曲線C3和95/99曲線C9。95/99曲線表示最壞情況材料，且通常用于設(shè)計(jì)目的。95/99曲線表示對(duì)于給定量循環(huán)周期數(shù)下99％的測試試樣不導(dǎo)致裂紋發(fā)生，并有95％的準(zhǔn)確度的應(yīng)力程度。該曲線通常是平均曲線以下-5到-6sigma(σ)。
發(fā)動(dòng)機(jī)冷部件拉伸設(shè)計(jì)的目標(biāo)，例如可在CFM56冷部件中發(fā)現(xiàn)的，是每15000完整熱循環(huán)(FTCs)3個(gè)維護(hù)時(shí)間段，這表示有20年以上的使用壽命。作為一種保守的方法，最壞情況的FTC假定發(fā)生在每次飛行中，且在典型分析中采用50000循環(huán)周期目標(biāo)和50％的應(yīng)力極限。這就等效于交變準(zhǔn)應(yīng)力小于50000循環(huán)周期的95/99值(65ksi)的67％。因此，對(duì)于IN625，最大集中允許彎曲應(yīng)力smax是2×43.5或87ksi。下面的方程表示不能超過的最大集中允許彎曲應(yīng)力smax，對(duì)于供料帶的給定材料，圖9所示供料帶62的彎曲臂長度LN、厚度H、外殼的熱金屬溫度TH、冷金屬溫度TC。
σMAX=3xL1xExHxLTGx(THxαH-TCxαC)2x(L13+L23+....LN3)]]>允許彎曲應(yīng)力smax的上述方程，圖10中的方程4是通過對(duì)圖10中的方程1-3所示的供料帶62的熱增長長度LTG的徑向熱增長進(jìn)行分析而得出的。用于圖10中方程的名稱術(shù)語的定義和解釋參數(shù)列在圖11中。方程1定義了供料帶62由于熱增長而引起的熱增長長度LTG的變化量|LTG。變化量|LTG是從室溫變化到設(shè)計(jì)工況時(shí)由TH表示的熱外殼和冷供料帶62之間的差。入口端66是固定的，并抑制其在閥殼43內(nèi)由熱增長所誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)。彎曲臂AN偏轉(zhuǎn)的總量等于由圖10中的方程2所表示的供料帶62的熱增長長度LTG中的變化量|LTG。圖10中的方程3確定了具有彎曲臂力矩長度L1的第一彎曲臂A1中所產(chǎn)生的最大集中允許彎曲應(yīng)力smax之間的關(guān)系。允許彎曲應(yīng)力smax的方程，圖10中的方程4由方程1-3得出。選擇彎曲臂力矩長度LN使得方程4中的smax不超過根據(jù)上述設(shè)計(jì)依據(jù)所確定的預(yù)定設(shè)計(jì)值，在該典型實(shí)施例中大約是87ksi。
管頭104通常平行于回轉(zhuǎn)軸線52，并通向主噴嘴59。供料帶62特別是中間部分64的形狀允許供料帶根據(jù)燃燒室內(nèi)的熱變化進(jìn)行膨脹和收縮，同時(shí)降低噴射器中的機(jī)械應(yīng)力。在很多應(yīng)用場合，供料帶的形狀有助于減小或消除對(duì)桿部采取附加隔熱的需求，但在有些高溫條件下，附加的隔熱屏仍然是必須的或需要的。
如圖5和8所示，術(shù)語帶表示供料帶62具有細(xì)長且大致扁平的形狀，其具有大致平行且相互面對(duì)的第一和第二側(cè)表面70和71。在圖示實(shí)施例中，帶62包括大致平行且朝向相反的第一和第二側(cè)邊72和73，側(cè)邊72和73基本上垂直于第一和第二側(cè)表面70和71。帶具有矩形截面74(與通常的燃料管的圓筒形形狀相比)，但是，該形狀可根據(jù)制造要求和技術(shù)情況而改變。供料帶的中間部分64具有充分大的曲率半徑R，以便于帶可方便地插入中空桿32和從中空桿32中抽出，并不會(huì)在帶中產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力。帶的尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)成可防止或避免使帶響應(yīng)于燃燒系統(tǒng)的激勵(lì)產(chǎn)生共振。對(duì)于特定應(yīng)用條件下的帶的形狀和尺寸可通過經(jīng)驗(yàn)和分析模型和/或共振頻率測試來進(jìn)行確定。
如圖2和8所示，供料帶62入口端66處的入口63分別與入口組件41中的第一、第二、第三或第四進(jìn)口46、47、48和49流體連通或流體相連，從而將燃料引導(dǎo)到供料帶中。進(jìn)口通過多個(gè)內(nèi)部燃料流動(dòng)通道90向下經(jīng)過供料帶62的長度L與噴嘴組件12的先導(dǎo)噴嘴58和主噴嘴59相通，并形成用于噴嘴組件熱控制的冷卻回路。噴嘴組件12的管頭104從供料帶62接收燃料并將燃料經(jīng)圖7和8所示的燃料線路102輸送到主噴嘴59以及相結(jié)合的先導(dǎo)噴嘴58。
在圖示的本發(fā)明典型實(shí)施例中，供料帶62、主噴嘴59和管頭104由沿長度方向延伸的第一和第二板76和78整體構(gòu)成。主噴嘴59和管頭104可以認(rèn)為是供料帶62的部件。燃料線路102的燃料流動(dòng)通道90經(jīng)過供料帶62、管頭104和主噴嘴59。燃料線路102的燃料通道90通向噴射孔106，并經(jīng)可操縱地與先導(dǎo)供料管56流體相連的先導(dǎo)噴嘴延伸部分54與先導(dǎo)噴嘴58相通，如圖4所示。如圖5和6所示，燃料線路102的燃料流動(dòng)通道90的平行槽84蝕刻在第一和第二板76和78的相鄰表面210上。
如圖6、7和8所示，燃料線路102包括第一和第二主噴嘴線路280和282，每個(gè)線路分別包括位于主噴嘴59中的順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的環(huán)形分支284和286。噴射孔106從環(huán)形分支284和286經(jīng)過第一和第二板76和78其中之一或其兩者而伸出。在典型實(shí)施例中，噴射孔106經(jīng)過主噴嘴59的第一板76徑向向外伸出，主噴嘴59的第一板76是所述板中徑向向外的那一個(gè)。順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的環(huán)形分支284和286分別具有平行的第一和第二波形部分290和292。噴射孔106交替地位于第一和第二波形部分290和292上，以便于基本上沿一個(gè)圓300圓形排列。燃料線路102還包括一個(gè)與先導(dǎo)噴嘴延伸部分54相通的環(huán)形先導(dǎo)噴嘴線路288。環(huán)形先導(dǎo)噴嘴線路288分別包括位于主噴嘴59上的順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的環(huán)形先導(dǎo)分支294和296。
關(guān)于接合板之間的噴嘴組件和燃料線路方面的信息參見美國專利US6321541。如圖2、8、9所示，向下經(jīng)供料帶62的長度的內(nèi)部燃料流動(dòng)通道90用于將燃料供應(yīng)到燃料線路102。進(jìn)入供料帶62的每個(gè)內(nèi)部燃料流動(dòng)通道90、管頭104以及先導(dǎo)和主噴嘴58和59的燃料由燃料閥45控制，燃料閥45由作為閥殼一部分的入口組件41圖示出，并簡要地在圖7中示出。噴嘴組件12的管頭104從供料帶62接收燃料，并將燃料供應(yīng)給主噴嘴59。主噴嘴59是環(huán)形的，并呈圓筒形形狀或結(jié)構(gòu)。板76和78中的噴射裝置的流動(dòng)通道、孔和各個(gè)部件可以適當(dāng)?shù)姆绞叫纬?，例如通過蝕刻，特別是化學(xué)蝕刻。這種板的化學(xué)蝕刻對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)是公知的，在US5435884中也有相應(yīng)的描述。對(duì)板進(jìn)行蝕刻可形成非常細(xì)小、輪廓分明和復(fù)雜的孔和通道，其可將多個(gè)燃料線路布置在供料帶62和主噴嘴59中，同時(shí)使這些部件保持較小的橫截面。板76和78可通過接合的方法例如釬焊或擴(kuò)散接合面對(duì)面接觸地接合在一起。這種接合方法是公知的，其可在各個(gè)板之間形成非常牢固的連接。擴(kuò)散接合是特別有效的，因?yàn)樗谙噜弻又g的原始接合界面上導(dǎo)致晶粒邊界生長，從而形成機(jī)械性能良好的接合。
如圖1、3和4所示，每個(gè)混合器組件40包括先導(dǎo)混合器142、主混合器144和在上述兩者之間延伸的中心體143。中心體143確定了一個(gè)與先導(dǎo)混合器142流體相通并位于其下游的腔150。先導(dǎo)噴嘴58由中心體143支承在腔150內(nèi)。先導(dǎo)噴嘴58設(shè)計(jì)成可將燃料液滴向下游噴射到腔150中。主混合器144包括位于噴射孔106上游的第一和第二主旋流器180和182。先導(dǎo)混合器142包括一對(duì)同心安裝的先導(dǎo)旋流器160。在圖示的本發(fā)明實(shí)施例中，旋流器160是軸向旋流器，其包括一個(gè)內(nèi)先導(dǎo)旋流器162和一個(gè)外先導(dǎo)旋流器164。內(nèi)先導(dǎo)旋流器162是環(huán)形的，并沿周向圍繞先導(dǎo)噴嘴58布置。內(nèi)和外先導(dǎo)旋流器162和164中的每一個(gè)都包括多個(gè)分別布置在先導(dǎo)噴嘴58上游的內(nèi)和外先導(dǎo)渦旋葉片166和168。
環(huán)形先導(dǎo)分離器170徑向設(shè)置在內(nèi)和外先導(dǎo)旋流器162和164之間，并從內(nèi)和外先導(dǎo)旋流器162和164向下游延伸。先導(dǎo)分離器170設(shè)計(jì)成可將流經(jīng)內(nèi)先導(dǎo)旋流器162的氣流與流經(jīng)外先導(dǎo)旋流器164的氣流分離開。分離器170具有會(huì)聚-發(fā)散的內(nèi)表面174，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于低功率工作狀態(tài)時(shí)，其形成燃料薄膜表面。分離器170還控制流經(jīng)先導(dǎo)混合器142的氣流的軸向速度，從而控制熱氣回流。
在一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)先導(dǎo)渦旋葉片166以與流經(jīng)外先導(dǎo)渦旋葉片168的氣流相同的方向使流經(jīng)其的氣流產(chǎn)生渦旋。在另一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)先導(dǎo)渦旋葉片166以第一圓周方向使流經(jīng)其的氣流產(chǎn)生渦旋，該第一圓周方向與外先導(dǎo)渦旋葉片168使流經(jīng)其的氣流產(chǎn)生渦旋的第二圓周方向相反。
主混合器144包括確定了一個(gè)環(huán)形腔192的環(huán)形主殼體190。主混合器144與先導(dǎo)混合器142同心對(duì)準(zhǔn)，并圍繞先導(dǎo)混合器142沿周向延伸。環(huán)形主噴嘴59沿周向設(shè)置在先導(dǎo)混合器142和主混合器144之間。具體地說，主噴嘴59圍繞先導(dǎo)混合器142沿周向延伸，并沿徑向設(shè)置在中心體143和主殼體190之間。
殼體190包括內(nèi)和外隔熱屏194和196。內(nèi)隔熱屏194分別包括內(nèi)和外壁202和204以及位于內(nèi)和外壁之間的360度的環(huán)形間隙200。內(nèi)和外隔熱屏194和196中的每一個(gè)都包括多個(gè)與噴射孔106對(duì)準(zhǔn)的開孔206。內(nèi)和外隔熱屏194和196以適當(dāng)?shù)姆绞嚼绾附踊蜮F焊固定在桿32上。
主噴嘴59和噴射孔106將燃料沿徑向向外經(jīng)內(nèi)和外隔熱屏194和196上的開孔206噴射到主混合器腔192中。環(huán)形滑動(dòng)接合密封件208設(shè)置在內(nèi)隔熱屏194上的每組開孔206中，并與每一個(gè)噴射孔106相互對(duì)準(zhǔn)以避免橫向氣流流過環(huán)形間隙200。環(huán)形滑動(dòng)接合密封件208通過釬焊或其它的方法固定到內(nèi)隔熱屏194的內(nèi)壁202上。設(shè)置在內(nèi)隔熱屏194上的每個(gè)開孔206中以避免橫向氣流流過環(huán)形間隙200的環(huán)形滑動(dòng)接合密封件208可與其它類型的燃料噴射器一起使用。
盡管上面已對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選和典型實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是，在這里所描述實(shí)施例的教導(dǎo)下，顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對(duì)本發(fā)明做出其它的變型，因此，在此希望將屬于本發(fā)明宗旨和范圍的所有的這種變型都涵蓋在所附的權(quán)利要求書中。因此，希望美國專利證書來進(jìn)行保護(hù)的是由權(quán)利要求書所限定和區(qū)分的發(fā)明。
部件表10燃料噴射器12燃料噴嘴組件16燃燒室18燃燒區(qū)19燃料閥座20徑向外襯里22徑向內(nèi)襯里26燃燒室外殼30法蘭32中空桿34環(huán)形頂蓋36上游端39腔室40混合器組件41入口組件43閥殼44燃料總管45燃料閥46第一進(jìn)口47第二進(jìn)口48第三進(jìn)口49第四進(jìn)口52回轉(zhuǎn)軸線54先導(dǎo)噴嘴延伸部分56先導(dǎo)供料管57燃料噴射器頂端58先導(dǎo)噴嘴59主噴嘴60燃料噴射管62供料帶
63 入口64 弓形中間部分65 急劇彎曲部分66 入口端68 彎曲部分69 出口端70 第一側(cè)表面71 第二側(cè)表面72 第一側(cè)邊73 第二側(cè)邊74 矩形形狀75 內(nèi)臂76 第一板77 臂78 第二板79 銳角80 一排84 槽90 內(nèi)部燃料流動(dòng)通道102燃料線路104管頭106噴射孔142先導(dǎo)混合器143中心體144主混合器150腔160先導(dǎo)旋流器162內(nèi)先導(dǎo)旋流器164先導(dǎo)旋流器166內(nèi)先導(dǎo)渦旋葉片168先導(dǎo)渦旋葉片170環(huán)形先導(dǎo)分離器
174內(nèi)表面180第一主旋流器182第二主旋流器190主殼體192腔194內(nèi)隔熱屏196外隔熱屏200環(huán)形間隙202內(nèi)壁204外壁206開孔208滑動(dòng)接合密封件210相鄰表面280第一主噴嘴線路282第二主噴嘴線路284順時(shí)針延伸的環(huán)形分支286逆時(shí)針延伸的環(huán)形分支288先導(dǎo)噴嘴線路290第一波形部分292第二波形部分294順時(shí)針延伸的環(huán)形先導(dǎo)分支296逆時(shí)針延伸的環(huán)形先導(dǎo)分支300圓A比值-(交變應(yīng)力/平均應(yīng)力)AA-角度H-厚度L-長度ML-中間部分長度R-曲率半徑SM-最大應(yīng)力TC-冷金屬溫度
TH-熱金屬溫度AN-彎曲臂A1-第一彎曲臂A2-第二彎曲臂A3-第三彎曲臂LCF-低循環(huán)周期疲勞LTG-熱增長長度LN-彎曲臂力矩長度L1-彎曲臂力矩長度L2-第二彎曲臂長度L3-第三彎曲臂長度
權(quán)利要求
1.一種燃料噴射管(60)，其包括單個(gè)供料帶(62)，該供料帶具有一對(duì)沿長度方向延伸并接合成一個(gè)整體的板(76、78)，每個(gè)所述板具有一排(80)沿寬度方向間隔開且沿長度方向平行延伸的槽(84)，所述板被接合在一起，從而使每個(gè)所述板中的相對(duì)的槽(84)對(duì)準(zhǔn)而在所述帶長度上從入口端(66)到出口端(69)形成內(nèi)部燃料流動(dòng)通道(90)，所述供料帶(62)包括位于所述入口端(66)和所述出口端(69)之間的中間部分(64)，所述中間部分(64)的曲率半徑(R)大于所述中間部分(64)的長度(L)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射管(60)，其中，所述供料帶(62)具有位于所述出口端(69)和所述中間部分(64)之間的彎曲部分(68)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴射管(60)，其還包括環(huán)形主噴嘴(59)，其與所述供料帶(62)的所述出口端(69)流體連通，并與由所述一對(duì)沿長度方向延伸且接合在一起的板(76、78)構(gòu)成的所述供料帶(62)形成一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴射管(60)，其還包括所述內(nèi)部燃料流動(dòng)通道(90)，其延伸經(jīng)過所述供料帶(62)和所述環(huán)形主噴嘴(59)，環(huán)形分支(284、286)，其從至少一個(gè)第一所述內(nèi)部燃料流動(dòng)通道(90)經(jīng)過所述主噴嘴(59)沿周向延伸，以及所述噴射孔(106)，其從所述環(huán)形分支穿過至少一個(gè)所述板(76、78)伸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴射管(60)，其中所述環(huán)形分支具有波形部分(290、292)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴射管(60)，其還包括先導(dǎo)噴嘴線路，該線路包括順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的先導(dǎo)分支(294、296)，該先導(dǎo)分支從至少一個(gè)第二所述內(nèi)部燃料流動(dòng)通道(90)經(jīng)過所述主噴嘴(59)沿周向延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴射管(60)，其中，所述環(huán)形分支包括順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的環(huán)形分支(284、286)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的噴射管(60)，其中，所述順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的環(huán)形分支(284、286)分別具有平行的第一和第二波形部分(290、292)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的噴射管(60)，其中，所述噴射孔(106)交替地設(shè)置在所述第一和第二波形部分(290、292)上，從而大致沿圓(300)排列。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴射管(60)，其還包括先導(dǎo)噴嘴線路，該線路包括順時(shí)針和逆時(shí)針延伸的先導(dǎo)分支(294、296)，該先導(dǎo)分支從至少一個(gè)第二所述內(nèi)部燃料流動(dòng)通道(90)經(jīng)過所述主噴嘴(59)沿周向延伸。
全文摘要
一種燃?xì)廨啓C(jī)燃料噴射管(60)包括單個(gè)供料帶(62)，該供料帶具有一對(duì)沿長度方向延伸并接合成一個(gè)整體的板(76、78)。每個(gè)板具有一排(80)沿寬度方向間隔開且沿長度方向平行延伸的槽(84)。每個(gè)板中的相對(duì)的槽(84)相互對(duì)準(zhǔn)而在整個(gè)帶上從入口端(66)到出口端(69)形成內(nèi)部燃料流動(dòng)通道(90)。供料帶(62)包括位于入口端(66)和出口端(69)之間基本上直的中間部分(64)。在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，中間部分(64)的曲率半徑(R)大于中間部分(64)的長度(L)。供料帶(62)具有至少一個(gè)位于入口端(66)和中間部分(64)之間的急劇彎曲部分(65)和位于出口端(69)和中間部分(64)之間的彎曲部分(68)。供料帶(62)在與內(nèi)部燃料流動(dòng)通道(90)相連的入口端(66)具有燃料進(jìn)入孔。
文檔編號(hào)F23D11/36GK1502797SQ03136398
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月4日
發(fā)明者P·萊恩, M·P·弗魯貝爾, B·W·薩維爾, R·J·哈維, A·A·曼茨尼, J·N·庫珀, R·T·麥恩斯, P 萊恩, 哈維, 庫珀, 弗魯貝爾, 曼茨尼, 薩維爾, 麥恩斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司, 帕克-漢尼芬公司