專利名稱：用于預(yù)混合燃料噴嘴的可插入的預(yù)鉆孔的旋流葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括燃料/空氣預(yù)混合器的燃?xì)廨啓C(jī)中的燃料噴嘴，且更具體地講， 涉及包括可獨(dú)立地插入的預(yù)鉆孔的旋流葉片的燃料噴嘴。
背景技術(shù)：
典型的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)混合燃料噴嘴可采用鑄造旋流葉片組件，其中使用圓形排 列的成形空心葉片來旋動(dòng)進(jìn)氣?？招娜~片還用作燃料輸送通道，其中各個(gè)葉片設(shè)有鉆入側(cè) 面中的幾個(gè)氣體端口孔，燃料通過氣體端口孔噴射到經(jīng)過的空氣流中。燃?xì)廨啓C(jī)制造商目前潛心于研究和工程計(jì)劃，以產(chǎn)生將高效率地運(yùn)行但不會(huì)產(chǎn)生 不合需要的空氣污染排放的新的燃?xì)廨啓C(jī)。由燃燒傳統(tǒng)的碳?xì)浠衔锶剂系娜細(xì)廨啓C(jī)通常 所產(chǎn)生的主要的空氣污染排放為氮的氧化物、一氧化碳和未燃燒的碳?xì)浠衔铩１娝苤?在吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中的分子氮的氧化很大程度上取決于燃燒系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)中的最高熱氣溫度。 形成氮的氧化物(NOx)的化學(xué)反應(yīng)的速率是溫度的指數(shù)函數(shù)。如果將燃燒室熱氣的溫度控 制到足夠低的水平，將不會(huì)產(chǎn)生熱NOx。將熱力發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器的反應(yīng)區(qū)的溫度控制到形成熱 NOx所處的水平以下的現(xiàn)有方法，是在燃燒之前將燃料和空氣預(yù)混合成貧混合物。存在于貧 預(yù)混合燃燒器的反應(yīng)區(qū)中的多余空氣的熱質(zhì)量會(huì)降低反應(yīng)區(qū)中的峰值溫度，以將熱NOx的 形成減到最小。圖1示出了旋流噴嘴型旋流葉片組件，其在美國(guó)專利NO. 6，438，961中有所描述。 預(yù)混合燃料噴嘴按功能分成四個(gè)區(qū)，包括進(jìn)入流動(dòng)調(diào)節(jié)器、具有天然氣燃料噴射的空氣旋 流器組件、環(huán)形的燃料空氣混合通道和中心擴(kuò)散焰天然氣燃料噴嘴組件。進(jìn)入流動(dòng)調(diào)節(jié)器 的功能是為進(jìn)入預(yù)混合器中而準(zhǔn)備空氣流速分配。在燃燒空氣離開進(jìn)入流動(dòng)調(diào)節(jié)器之后， 燃燒空氣就進(jìn)入旋流噴嘴組件2。旋流噴嘴組件包括由一系列的氣翼形轉(zhuǎn)動(dòng)葉片23連接的 護(hù)罩202和轂201，氣翼形轉(zhuǎn)動(dòng)葉片23為穿過預(yù)混合器的燃燒空氣賦予旋流。各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)葉 片23包含主天然氣燃料供應(yīng)通道21，且還可包含通過氣翼的芯部的輔天然氣燃料供應(yīng)通 道22。這些燃料通道將天然氣燃料分配到主氣體燃料噴射孔，且可選地分配到穿透氣翼的 壁的輔氣體燃料噴射孔。燃料噴射孔可位于轉(zhuǎn)動(dòng)葉片23的壓力側(cè)、吸力側(cè)或兩側(cè)上。天然 氣燃料通過進(jìn)入端口和環(huán)形通道進(jìn)入旋流噴嘴組件2，進(jìn)入端口和環(huán)形通道分別供給主轉(zhuǎn) 動(dòng)葉片通道和(可選地)輔轉(zhuǎn)動(dòng)葉片通道。天然氣燃料在旋流噴嘴組件2中開始與燃燒空 氣混合，且燃料/空氣混合在環(huán)形通道中完成，環(huán)形通道由旋流噴嘴轂伸出部和旋流噴嘴 護(hù)罩伸出部形成。在離開環(huán)形通道之后，燃料/空氣混合物進(jìn)入燃燒器反應(yīng)區(qū)，在燃燒器反 應(yīng)區(qū)中進(jìn)行燃燒。存在與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的許多問題。使用流動(dòng)試驗(yàn)來測(cè)量當(dāng)前構(gòu)造的氣體端口 孔口的有效開口面積，且在已鉆好這些孔口之后執(zhí)行流動(dòng)試驗(yàn)。如果氣體端口打開面積太 大，就沒有方法來修理和修改該部件，以改正此面積，且從而必須丟棄昂貴的部件。另外，當(dāng) 前的流動(dòng)試驗(yàn)可評(píng)估整個(gè)燃料噴嘴的燃料回路面積，但不能評(píng)估燃料流中的葉片_葉片變 化。因?yàn)镹Ox排放受高燃料-空氣比的局部區(qū)的強(qiáng)烈影響，所以合乎需要的是提供盡可能均勻的燃料-空氣混合物。燃料噴嘴氣體端口直徑大小設(shè)置成以便容納特定范圍的燃料成分和溫度。工作燃 料溫度或燃料比重的改變可能會(huì)要求改變氣體端口孔口的大小，以保持燃?xì)廨啓C(jī)的適當(dāng)運(yùn) 行。但是，如所注意到的，不能容易地或廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)這些改變。當(dāng)前的燃料噴嘴設(shè)計(jì)在所有 的旋流葉片中采用一致的氣體端口直徑和位置。隨著燃燒系統(tǒng)分析方法和系統(tǒng)性能的繼續(xù) 發(fā)展，可通過在單個(gè)燃料噴嘴內(nèi)使用變化的氣體端口位置和/或直徑來產(chǎn)生益處。對(duì)于現(xiàn) 有技術(shù)的設(shè)計(jì)，在不顯著地重新構(gòu)造噴嘴的情況下改變氣體端口位置和/或直徑是不可能 的。流場(chǎng)分析已示出在相鄰的燃料噴嘴中使用逆轉(zhuǎn)旋流可提供燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行和/ 或性能益處。但是，現(xiàn)有技術(shù)的燃料噴嘴旋流器鑄件的復(fù)雜性需要昂貴的加工，且從而使得 非常難以采用逆轉(zhuǎn)葉片構(gòu)造。更進(jìn)一步，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中的原型燃料噴嘴制造成本高且耗時(shí)。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè) 計(jì)中，旋流葉片與旋流葉片鑄件是成整體的，這極大地限制了修改原型硬件以優(yōu)化燃料輸 送和混合的能力。期望的是提供一種解決現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中的這些缺陷的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，旋流葉片可獨(dú)立地連接到燃?xì)廨啓C(jī)的中心轂組件上。旋 流葉片包括結(jié)構(gòu)主體、包括限定在結(jié)構(gòu)主體內(nèi)的對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)燃料端口的至少一個(gè)燃 料輸送通道，以及可與結(jié)構(gòu)主體協(xié)作且可連接到中心轂組件上的至少一個(gè)連接突出部。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，用于燃?xì)廨啓C(jī)的預(yù)混合燃料噴嘴包括中心轂組件和成 環(huán)形排列的、連接到中心轂組件上的多個(gè)可獨(dú)立地連接的旋流葉片。在又一個(gè)示例性實(shí)施例中，組裝用于燃?xì)廨啓C(jī)的預(yù)混合燃料噴嘴的方法包括步驟(a)將多個(gè)旋流葉片制備成各自包括結(jié)構(gòu)主體、包括限定在結(jié)構(gòu)主體內(nèi)的對(duì)應(yīng)的至少一 個(gè)燃料端口的至少一個(gè)燃料輸送通道，以及可與結(jié)構(gòu)主體協(xié)作的至少一個(gè)連接突出部；以 及(b)將多個(gè)旋流葉片獨(dú)立地固定到預(yù)混合燃料噴嘴的中心轂組件上。


圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的旋流噴嘴型旋流葉片組件；圖2是可獨(dú)立地插入的預(yù)鉆孔的旋流葉片的透視圖；以及圖3是可獨(dú)立地插入的預(yù)鉆孔的旋流葉片和匹配的旋流轂組件的側(cè)視圖和頂視 圖，以及旋流器轂組件的剖面圖。部件列表旋流噴嘴組件
2轂 201護(hù)罩 202轉(zhuǎn)動(dòng)葉片 23主天然氣燃料供應(yīng)通道21輔天然氣燃料供應(yīng)通道 22中心轂組件 32可獨(dú)立地連接的旋流葉片 34大體空心的結(jié)構(gòu)主體 36燃料輸送通道38燃料/氣體端口 40連接突出部 42槽道4具體實(shí)施例方式圖2和3描繪了顯示燃?xì)廨啓C(jī)的中心轂組件32和可獨(dú)立地連接的旋流葉片34的 局部裝配圖。雖然僅顯示了單個(gè)示例性葉片，但是其代表了多個(gè)葉片。示例性旋流葉片34包括大體空心的結(jié)構(gòu)主體36，結(jié)構(gòu)主體36包括至少一個(gè)燃料輸送通道38和限定在該結(jié)構(gòu) 主體36內(nèi)的對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)燃料端口 40。氣體端口 40可為圓形或非圓形的，且可使用鉆 孔、放電加工(EDM)或任何其它已知的工藝來形成。氣體端口可形成于葉片的吸力側(cè)或壓 力側(cè)其中任一者上，或形成于兩者上，且可相對(duì)于葉片的表面垂直或傾斜。優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)主體36包括多個(gè)燃料輸送通道38和對(duì)應(yīng)的燃料端口 40。至少一個(gè) 連接突出部42可與結(jié)構(gòu)主體36協(xié)作，且可連接到中心轂組件32中的對(duì)應(yīng)的槽道44上。
在安裝到中心轂組件32中之前，將可獨(dú)立地連接的旋流葉片34的燃料通道和端 口 38、40鉆好或加工好。通過在安裝之前預(yù)先形成燃料通道和端口 38、40，可單獨(dú)對(duì)各個(gè)旋 流葉片34進(jìn)行流動(dòng)試驗(yàn)，以確保燃料回路有效流動(dòng)面積符合設(shè)計(jì)目的。也就是說，可使用 流動(dòng)試驗(yàn)來調(diào)節(jié)單獨(dú)的葉片34，以確保適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)特性。然后將可獨(dú)立地連接的旋流葉片 34插入中心轂組件32中，且通過連接突出部42和對(duì)應(yīng)的槽道44將該旋流葉片34釬焊、鍛 造、焊接或使用任何其它已知的工藝連接就位。由于單獨(dú)地流動(dòng)試驗(yàn)過的葉片34，完成的葉 片組件必定會(huì)自動(dòng)地滿足設(shè)計(jì)目的。因?yàn)槿~片34是單獨(dú)地進(jìn)行流動(dòng)試驗(yàn)的，而不是將整個(gè)組件作為單元來測(cè)試的，所 以可直接測(cè)量葉片_葉片變化，且更容易控制葉片_葉片變化。此外，可插入的旋流葉片34 提供相對(duì)容易的方式來針對(duì)燃料成分的變化重新設(shè)置燃料噴嘴的大小。在一種示例性應(yīng)用 中，可以機(jī)械加工的方式將葉片34從中心轂組件32上取下，且用大小重新設(shè)置過的旋流葉 片來代替它，而不是更換整個(gè)燃料噴嘴?？梢皂槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)定向和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)定向兩者來鑄造或加工葉片34，以允許容易地 使用逆轉(zhuǎn)旋流。用于單獨(dú)的葉片的鑄造加工更加價(jià)廉，且需要較少的制造時(shí)間。更進(jìn)一步， 可插入的旋流葉片34有利于測(cè)試備選的構(gòu)思，因?yàn)榭筛友杆偾乙暂^低成本制造葉片?？蓪⑼?clocking)特征結(jié)合到燃料噴嘴底座中，從而使得燃料噴嘴僅可相對(duì) 于燃料器襯套以一種定向安裝；此特征將確保各個(gè)旋流葉片的位置相對(duì)于襯套內(nèi)部的燃燒 流場(chǎng)固定。通過在燃料噴嘴的底座上結(jié)合同步特征(從而其相對(duì)于燃燒襯套的定向是已知 的)，可行的是使用具有變化的孔口直徑和/或位置的旋流葉片來將改進(jìn)的燃料_空氣分布 輸送到燃燒器中。對(duì)單獨(dú)的葉片上的氣體端口位置的改進(jìn)的接近性，使得在葉片之間改變 氣體端口定向更容易和更廉價(jià)。在所示實(shí)施例中，旋流器組件護(hù)罩可為單獨(dú)的實(shí)體，而非旋流器組件的整體部分。通過在燃料噴嘴設(shè)計(jì)中結(jié)合相對(duì)于燃燒器以獨(dú)特的定向定位燃料噴嘴的特征，可 插入的旋流葉片34可用來以非對(duì)稱的、優(yōu)選地定向的方式輸送燃料。燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)的分 析可表明富燃料區(qū)或貧燃料區(qū)，通過在預(yù)混合組件的一些區(qū)段中對(duì)旋流葉片裝備較大或較 小的端口，可使富燃料區(qū)或貧燃料區(qū)更均勻。因?yàn)楦鱾€(gè)旋流葉片的流動(dòng)面積在組裝之前是 已知的，所以可調(diào)節(jié)預(yù)混合組件內(nèi)部的燃料-空氣分布，以便將較富或較貧的混合物輸送 到燃燒器的不同的區(qū)中。利用可單獨(dú)地連接的旋流葉片，可縮短燃料噴嘴制造時(shí)間和原型硬件獲得時(shí)間。 此外，獨(dú)立的葉片會(huì)提供較大的設(shè)計(jì)柔性。氣體端口孔可比在單個(gè)葉片鑄件中更容易地鉆 入單獨(dú)的葉片中，因?yàn)閷?duì)葉片的側(cè)面的接近未受到阻礙。此外，由于用于鉆孔的工具較不復(fù) 雜，所以有更大的靈活性在組件中不同葉片之間使用變化的氣體端口構(gòu)造。這種變化在燃 燒系統(tǒng)可操作性和排放方面提供潛在的優(yōu)點(diǎn)，這可實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)性能改進(jìn)。
雖然已經(jīng)結(jié)合目前被認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例的內(nèi)容描述了本發(fā)明，但要理 解的是，本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明意圖覆蓋包括在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的多種修改和等效布置。
權(quán)利要求
一種可獨(dú)立地連接到燃?xì)廨啓C(jī)的中心轂組件(32)上的旋流葉片，所述旋流葉片包括結(jié)構(gòu)主體(36)；包括限定在所述結(jié)構(gòu)主體內(nèi)的對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)燃料端口(40)的至少一個(gè)燃料輸送通道(38)；以及可與所述結(jié)構(gòu)主體協(xié)作且可連接到所述中心轂組件上的至少一個(gè)連接突出部(42)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋流葉片，其特征在于，所述旋流葉片包括多個(gè)燃料輸送通 道(38)和對(duì)應(yīng)的多個(gè)燃料端口(40)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋流葉片，其特征在于，在連接到所述中心轂組件(32)上之 前，對(duì)所述旋流葉片進(jìn)行流動(dòng)試驗(yàn)。
4.一種組裝用于燃?xì)廨啓C(jī)的預(yù)混合燃料噴嘴的方法，所述方法包括(a)將多個(gè)旋流葉片制備成各自包括結(jié)構(gòu)主體(36)，包括限定在所述結(jié)構(gòu)主體內(nèi)的 對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)燃料端口(40)的至少一個(gè)燃料輸送通道(38)，以及可與所述結(jié)構(gòu)主體協(xié) 作的至少一個(gè)連接突出部(42)；和(b)將所述多個(gè)旋流葉片獨(dú)立地固定到所述預(yù)混合燃料噴嘴的中心轂組件(32)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過在步驟(b)之前在所述結(jié)構(gòu)主體 (36)中鉆削或加工所述至少一個(gè)燃料端口(40)來執(zhí)行步驟(a)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過在步驟(b)之前單獨(dú)地對(duì)所述多個(gè)旋 流葉片中的各個(gè)進(jìn)行流動(dòng)試驗(yàn)來執(zhí)行步驟(a)，以確保燃料回路有效流動(dòng)面積符合預(yù)定標(biāo) 準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括通過用多個(gè)大小不 同的旋流葉片代替所述多個(gè)旋流葉片來重新設(shè)置所述預(yù)混合燃料噴嘴的大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過以順時(shí)針定向和逆時(shí)針定向兩者單 獨(dú)地鑄造或加工所述多個(gè)旋流葉片來執(zhí)行步驟(a)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過根據(jù)預(yù)定的流動(dòng)特性來單獨(dú)地調(diào)節(jié) 所述多個(gè)旋流葉片中的各個(gè)來執(zhí)行步驟(a)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過將所述多個(gè)旋流葉片中的各個(gè)的所 述連接突出部(42)釬焊、鍛造或焊接到所述中心轂組件(32)上來執(zhí)行步驟(b)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于預(yù)混合燃料噴嘴的可插入的預(yù)鉆孔的旋流葉片。一種可獨(dú)立地連接到燃?xì)廨啓C(jī)的中心轂組件上的旋流葉片。該旋流葉片包括結(jié)構(gòu)主體(36)和包括限定在結(jié)構(gòu)主體內(nèi)的對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)燃料端口(40)的至少一個(gè)燃料輸送通道(38)。至少一個(gè)連接突出部(42)可與結(jié)構(gòu)主體協(xié)作且可連接到中心轂組件上。
文檔編號(hào)F23D14/48GK101818897SQ20101011852
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者G·D·邁爾斯, S·R·托馬斯, S·西蒙斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司