[发明专利]用于双燃料双级干式低NOX燃气涡轮发动机的铸造歧管

说明书

本申请要求申请号61/538,385的2011年9月23日的申请日的权益，其通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于干式低NOx燃气涡轮发动机的双燃料主燃烧器喷嘴，其中，燃料歧管和火箭基座被一体地形成在铸件中。

背景技术

干式低NOx（DLN）燃气涡轮发动机包括筒形环状燃烧室装置，其中，每个筒形燃烧室包括引燃燃烧器和周向地绕引燃燃烧器布置的若干个主预混燃烧器。对于每个筒形燃烧室，存在主燃料喷嘴和引燃喷嘴，主燃料喷嘴将一种或多种燃料供应到主预混燃烧器，引燃喷嘴将一种或多种燃料供应到引燃燃烧器。DLN发动机产生百万分之25（25 PPM）或更少的NOx。超低NOx（ULN）发动机是一种新兴的发动机类型，其甚至产生比DLN发动机更低水平的NOx。

DLN燃气涡轮发动机是燃气涡轮发动机的演化的结果，其中通过发动机设计减少了不希望的排放物并且提高了效率，点火温度和操作压力不断提升。主燃烧器燃料喷嘴（也称为支撑壳体）布置在燃烧室的入口端处的压缩空气歧管中，在那里，压缩空气处于其最高压力和最高温度，并且压缩空气在燃烧室的入口端处正在经历流动方向的反转。已经知道操作环境的高温和高压以及腐蚀性燃料会导致主燃料喷嘴中的应力腐蚀裂纹，这导致燃料歧管的有限寿命。

在耐受相对严苛的DLN（以及超低NOx（ULN））操作环境的同时还需要主燃烧器喷嘴的燃料歧管能够接收一种或多种燃料供应并且将其分配到若干个不同的燃料火箭，其中，每个预混主燃烧器都有一个火箭。燃料火箭还可被分成多于一级。在一些实施例中，进一步使燃料歧管的设计复杂化，燃料歧管必须能够接收第二、不同的燃料并且也将第二燃料分配到每个火箭，每个火箭也可能多于一级。

通常，由于燃料歧管的复杂性，所需要的通道被机加工到燃料歧管中。为了形成复杂通道而进行铣削、钻削并且将燃料歧管部件焊接到一起，这导致应力梯级，其中，产生了尖锐的角部，或者其中，焊缝位于已完成的燃料歧管等的相对高应力的区域中。为了提供强固的燃料歧管，其足以足够长时间地抵抗应力腐蚀裂纹以提供具有可行寿命的支撑壳体，设计人员已经使用了锻造的子部件并且将它们连结到一起以形成燃料歧管。然后，燃料火箭被焊接到锻造燃料歧管。该技术提供了设计中的极大灵活性，但是其成本很高，因为锻造部件更加昂贵，而且锻造部件的机加工也很昂贵。

使得情况进一步复杂的是这样的需求：在主燃烧器燃料喷嘴上提供膨胀元件以适应内部燃料线路的相对热膨胀。例如，在双燃料主燃烧器喷嘴中，燃气可经由燃气线路的一级或多级被引导到燃料火箭的内部。燃油也可被引导通过燃料火箭并且在与喷射燃气邻近的位置从燃料火箭喷射出来。燃油管可被固定到主燃烧器喷嘴和燃料火箭喷射位置，但是燃料火箭和燃油管通常经历不同的热膨胀。以前，通过使用波纹管类型的补偿器来适应这一点，该补偿器被置于燃料火箭的基座中。然而，波纹管的薄层极其易于产生多种失效模式，包括应力腐蚀裂纹、循环疲劳和破裂。

为了克服前述问题并且提供具有合理使用寿命的主燃料喷嘴，设计人员持续地寻求用于燃料歧管的越来越强的材料，而这随之带来了更高的成本。因此，依然需要对现有技术作出改进。

附图说明

在以下描述中参照附图说明了本发明，附图示出：

图1是现有技术双燃料主燃烧器喷嘴的纵向剖面图。

图2是双燃料主燃烧器喷嘴/支撑壳体的纵向剖面图。

图3是图2的双燃料主燃烧器支撑壳体的铸造区段的纵向剖面图。

图4是图3的铸造区段的燃料歧管沿线A-A向上游看的剖面图。

图5是图3的燃料歧管的燃料歧管沿线A-A向下游看的剖面图。

图6是图3的燃料歧管的燃料歧管沿线B-B向上游看的剖面图。

图7是图3的燃料歧管的燃料歧管沿线B-B向下游看的剖面图。

图8是燃料火箭的基座和具有扩散器的燃气通道的剖面图。

具体实施方式

本发明人已经详细地考虑了主燃料喷嘴（也称为支撑壳体）的设计并且已经开发了一种解决方案，其推翻了至少为支撑壳体的燃料歧管部分寻求更强的材料以确保DLN主燃料燃烧器喷嘴的合理使用寿命的传统倾向。相反，发明人开发了一种DLN主燃烧器支撑壳体设计，其允许使用显著更弱的铸件用于燃料歧管部分，其中，燃料歧管和火箭基座可被铸造到一起。使用铸件是较便宜的，并且该新设计是如此有效，其已经表明能够相对于以前的锻造设计改善使用寿命多达2倍。