具有减小的流量容差的燃料喷嘴的制作方法

1.本发明总体上涉及用于喷气发动机的燃料喷嘴。


背景技术：

2.用于喷气发动机的燃气轮机通常包含燃料喷嘴，燃料喷嘴围绕发动机的轴以周向均匀的方式布置，其中燃料经由所述喷嘴引入燃烧室。此外，具有“宽”流量范围的燃料喷嘴可以配备流量计量阀，以优化低流率和高流率喷射质量。燃料通过阀端口进行调节，阀端口被设计为满足客户所需的燃料流率。流道几何变化和阀位移不均匀性(滞后)导致每个燃料喷嘴中的流量变化。阀通常是弹簧加载的，并随着燃料流量压力的增加而被启动，其最初打开，并随后响应更高的压力值而发生位移。在施加的燃料流量压力的整个范围内，阀位移通常不受阻碍。
3.喷气发动机运行通常要求所述燃料喷嘴具有最小的喷嘴流量容差，尤其是在较高的发动机功率设定下。下面描述的本发明的实施例提供了一种燃料喷嘴，其在最小流量容差方面改进了现有技术。本发明的这些和其他优点以及附加的创造性特征将从本发明提供的描述中变得明显。


技术实现要素：

4.在一个方案中，本发明的实施例提供一种燃料喷嘴计量阀，其包括具有入口端口和出口流量端口的阀芯，以及组装至所述阀芯的一个端部的保持件。阀衬，其容纳所述阀芯的一部分。所述阀芯配置为在所述阀衬内来回移动。所述计量阀被偏置在关闭位置，在所述关闭位置，所述出口流量端口完全设置在所述阀衬内。当所述阀芯在所述阀衬内滑动时所述阀打开，使得所述出口流量端口的一些部分延伸超过所述阀衬的端部。所述保持件具有阶梯部，所述阶梯部配置为在低于将在所述燃料喷嘴计量阀中使用的预期最大燃料流量压力的燃料流量压力下，邻接所述阀衬的端部。
5.在特定实施例中，其中所述阀芯配置为当来自流入所述入口端口的燃料的燃料流量压力克服所述计量阀上的所述关闭偏置时，滑出所述阀衬。所述保持件可以是圆盘形，并且在某些实施例中，阶梯部从所述圆盘形保持件的中心区域延伸。所述阶梯部可以为圆柱形或部分圆柱形。
6.在一些实施例中，所述阀衬固定在所述燃料喷嘴内，并且其中所述阀芯和保持件相对于所述阀衬移动。在另一个实施例中，所述计量阀被弹簧偏置在关闭位置。所述弹簧可以包括邻接所述保持件的凸缘的第一端部并且可以具有邻接所述阀衬的凸缘的第二端部。
7.在另一方案中，本发明的实施例提供了一种燃料喷嘴止回阀，其包括阀芯和具有入口端口的阀衬，以及组装至所述阀芯的一个端部的保持件。阀衬容纳所述阀芯的一部分。所述阀芯配置为在所述阀衬内来回移动。所述阀衬包括阀衬端口，当所述止回阀处于打开位置时，所述阀衬端口与所述阀衬上的出口流量端口流体连通。所述止回阀被偏置在关闭位置，其中所述出口流量端口完全设置在所述阀衬内。当所述阀芯在所述阀衬内滑动时，所
述阀打开，使得所述出口流量端口的一些部分打开以允许通过流量。所述保持件具有阶梯部，所述阶梯部配置为在低于将在燃料喷嘴止回阀中使用的预期最大燃料流量压力的燃料流量压力下，邻接所述阀衬的端部。
8.在特定实施例中，所述阀芯配置为当来自流入所述入口端口的燃料的燃料流量压力克服所述止回阀上的所述关闭偏置时，滑出所述阀衬。所述保持件可以是圆盘形的，并且在某些实施例中，所述阶梯部从圆盘形保持件的中心区域延伸。所述阶梯部可以是圆柱形的或部分圆柱形的。
9.在一些实施例中，所述阀衬固定在所述燃料喷嘴内，并且其中所述阀芯和保持件相对于所述阀衬移动。在其他实施例中，所述止回阀被弹簧偏置在关闭位置。在特定实施例中，所述弹簧具有邻接所述保持件的凸缘的第一端部和邻接所述阀衬的凸缘的第二端部。
10.当结合附图进行以下详细描述时，本发明的其他方案、目的和优点将变得更加明显。
附图说明
11.包含在说明书中并构成说明书一部分的附图图示出了本发明的几个方案，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在图中：
12.图1是根据本发明的实施例构造的具有限流特征的燃料喷嘴计量阀的剖面图；
13.图2是根据本发明的实施例构造的具有限流特征的燃料喷嘴止回阀的剖面图；以及
14.图3是示出本公开的燃料喷嘴的实施例的示例性流量变化的图示。
15.虽然将结合某些优选实施例描述本发明，但无意将其限制为那些实施例。相反，其意图是覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等同方案。
具体实施方式
16.对于在设定条件下运行的任何给定的流量装置，通过装置的流率与经过装置的压差的平方根成正比。流率还与装置的流动路径面积成正比。因此，流动路径面积的任何变化都会导致任何设定条件下的流量变化。因此，由于喷气发动机内每个燃料喷嘴中的每个阀的动态特性，具有集成流量计量阀或止回阀的传统喷气发动机燃料喷嘴往往会引入额外的流动路径变化和相应的流率变化。
17.如下所述，本发明的实施例为配备有止回阀或计量阀的任何燃料喷嘴提供改进的流量容差，尤其是在燃烧室和涡轮的耐久性和可靠性对流量不均匀性非常敏感的高流率下。本领域的普通技术人员将能够从所示的实施例中认识到，阀流量端口设计配置，并限制在最大压力之前能够发生的最大阀位移，确保在大于最大位移的所有压力点下实现了固定流量回路几何形状。在这种情况下，阀弹簧特性、阀端口几何形状和阀间隙效应成为燃料喷嘴内的固定特征。这起到限制流率变化并降低流量容差的作用。
18.图1是根据本发明的实施例构造的具有限流特征的燃料喷嘴计量阀100的剖面图。计量阀100具有弹簧加载的提升阀或阀芯102，其具有一个或多个流量控制端口104，其响应燃料流量压力在套筒或阀衬106内来回移动。阀衬106固定在燃料喷嘴内。弹簧保持件108组
装至阀芯102的一个端部，使得当阀芯102在阀衬106内移动时，弹簧保持件108与阀芯102一起移动。弹簧保持件108被加工成在特定流量和燃料流量压力下限制阀芯位移。当燃料喷嘴计量阀100如所描述地运行时，弹簧加载阀芯102和弹簧保持件108运行以在固定几何状态下精确地设定阀流量。
19.在操作中，当阀100处于打开位置时，燃料经由入口端口112流入计量阀100并且通过一个或多个流量控制端口104离开计量阀100。当燃料流量压力相对较低时，计量阀100被偏置在关闭位置。虽然可以使用各种用于偏置计量阀100的装置，图1将偏置装置显示为弹簧110，弹簧110关闭阀100，使得没有燃料流过计量阀100。弹簧110的一个端部邻接阀衬凸缘122，而弹簧110的另一个端部邻接弹簧保持件凸缘124。在图1的实施例中，当一个或多个流量控制端口104位于阀衬106内部时，燃料不流动。当偏压使得阀芯102从阀衬106脱离时，即使一个或多个流量控制端口104仍在阀衬106内，泄漏流量也会发生。然而，当来自燃料流入入口端口112的燃料的压力增加时，流量控制端口104开始滑出阀衬106。随着流量控制端口104延伸超出阀衬106的第二端部116，燃料可以从计量阀100流出。
20.随着燃料流量压力增加，加工至弹簧保持件108中的台阶118邻接阀衬106的第一端部114并且用作流量限制特征。弹簧保持件108的台阶118部分朝向阀衬106的第一端部114延伸。在特定实施例中，弹簧保持件108是圆盘形的，并且台阶118从圆盘的中心部分朝向第一端部114延伸。台阶118可以是圆柱形的或部分圆柱形的。在由于燃料流量压力导致一定量的阀芯位移之后，远在达到最大燃料流量压力之前，弹簧保持件108被设计使得台阶118邻接第一端部114。因此，对于某些部分的燃料流量压力，计量阀100的流动几何特性是固定的。结果，通过计量阀100的燃料流率比在具有传统计量阀的传统燃料喷嘴中更可预测。
21.图1所示的间隔120显示了最大阀芯位移。在间隔120的一侧，阀衬106的第一端部将阀芯102限制在打开位置。在间隔120的另一侧，阀芯位移被阀芯102与第一端部114的内部部分相邻接的最大偏置所限制或被弹簧110施加的最大偏置所限制。台阶118的尺寸设计为每个单独的燃料喷嘴提供特定的燃料流量剖面。
22.图2是根据本发明的实施例构造的具有限流特征的燃料喷嘴止回阀200的剖面图。止回阀200具有与图1所示类似的布置，用于限制止回阀组件阀芯位移。在这种配置中，一个或多个出口流量端口204被结合至阀衬206中，但基本概念与图1的计量阀100相同。
23.阀芯202响应于燃料流量压力在阀衬206内来回移动。阀衬206的位置固定在燃料喷嘴内。弹簧保持件208组装至阀芯202的一个端部，使得当阀芯202在阀衬206内移动时，弹簧保持件208与阀芯202一起移动。弹簧保持件208被加工成在特定流量和燃料流量压力下限制阀芯位移。如在图1的实施例中，当操作燃料喷嘴止回阀200时，弹簧加载阀芯202和弹簧保持件208运行以在小于最大预期燃料压力的固定几何状态下准确地设定阀流量。
24.在操作中，阀芯202的下游直径延伸超过一个或多个出口流量端口204。在阀处于打开位置时，燃料经由入口端口212流入止回阀200，并且通过一个或多个出口流量端口204离开止回阀200。当燃料流量压力相对较低时，止回阀200被偏置在关闭位置。当由于一个或多个出口流量端口204被阀芯202阻塞，止回阀200处于关闭位置时，燃料不流动。虽然可以使用各种用于偏置止回阀200的装置，但是图2将偏置装置显示为弹簧210，其关闭阀200使得没有燃料流动通过止回阀100。弹簧210的一个端部邻接阀衬凸缘222，而弹簧210的另一
个端部邻接弹簧保持件凸缘224。
25.当流入入口端口212的燃料的压力足以克服弹簧210的关闭偏置时，阀芯202开始滑出阀衬206，同时弹簧保持件208被拉向阀衬206的第一端部214。随着一个或多个出口流量端口204延伸超出阀衬206的第二端部216，燃料可以从止回阀200流出。在图2的实施例中，一个或多个出口流量端口204被设置在阀衬206的端部的周边部分上。阀衬的该端部包括四个突出部226，突出部226呈圆柱形布置，并具有四个等距间隙228，四个等距间隙228分隔四个突出部226。当阀芯202从阀衬206滑出足够距离时，燃料可以从间隙228所在的一个或多个出口流量端口204流出。
26.随着燃料流量压力增加，加工至弹簧保持件208中的台阶218邻接阀衬206的第一端部214并且用作流量限制特征。弹簧保持件208的台阶218部分朝向阀衬206的第一端部214延伸。
27.在特定实施例中，弹簧保持件208是圆盘形的，并且台阶218从圆盘的中心部分向第一端部214延伸。台阶218可以是圆柱形的或部分圆柱形的。在由于燃料流量压力导致一定量的阀芯位移之后，远在达到最大燃料流量压力之前，弹簧保持件208被设计使得台阶218邻接第一端部214。因此，对于燃料流量压力的某些部分，止回阀200的流动几何特性是固定的，使得通过止回阀200的燃料流率比在具有传统止回阀的传统燃料喷嘴中更加可预测。
28.与图1一样，图2所示的间隔220显示了最大阀芯位移。在该间隔220的一侧，阀衬206的第一端部将阀芯202限制在打开位置。在间隔220的另一侧，阀芯位移被在阀芯202与第一端部214的内部部分相邻接的最大偏置所限制或被弹簧210施加的最大偏置所限制。台阶218的尺寸被设计成为每个单独的燃料喷嘴提供特定的燃料的流量剖面。
29.根据本发明的一个实施例构造的喷嘴的燃料流量容差针对这种燃料喷嘴的容差规范要求进行了测试。根据本发明的实施例构造的20个被测试的燃料喷嘴组件的平均最小-最大流量变化比在最高入口压力下的标称规范要求小42％。该组二十个喷嘴组件在操作压力范围内的平均最小-最大流量变化显示在图3的图示中。该图显示了与入口压力相关的流量变化百分比。上方曲线250描绘了典型燃料喷嘴的流量变化规范。下方曲线252显示了根据本发明所述的实施例构造的20个燃料喷嘴的平均流量变化。
30.正如上面介绍的，燃料喷嘴流量容差减小，如图3所示，是在较高流率下使用固定的阀几何形状来实现的。在达到最大入口压力之前限制阀位移，是燃料喷嘴阀如何工作以实现这种固定的几何形状的。用于每个组件的最大阀位移设定为目标流量和压力，从而实现可重复的流率，否则这将依赖于部件几何变化的复合效应。
31.所有的参考文献(包括公开出版物、专利申请和文中引用的专利)在文中以同等程度以参考方式合并于此，正如每篇参考文献被单独和特别提到以参考方式合并在文中并对其全部内容进行阐释那样。
32.在描述本发明的情况下(尤其是在描述下面的权利要求书的情况下)，使用的术语“一”、“一个(a和an)”和“所述”以及类似术语应解释为包括单数和复数，除非文中另有说明或与文中内容明显矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”应解释为开放式术语(即，表示“包括但不局限于”)，除非另有说明。除非在本文中另有说明，否则本文中数值范围的列举仅旨在用作单独引用落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独的值被并
入说明书中，就好像它在本文中单独列举一样。文中所述的所有方法能以任何合适顺序执行，除非文中另有说明或与文中内容明显矛盾。文中使用的任何和所有实例、或示例语言(如，“例如”)仅用于更好地阐释本发明，并未限制本发明的范围，除非另有声明。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的元素对于本发明的实践是必不可少的。
33.本文描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。那些优选实施例的变形对于本领域普通技术人员在阅读上述描述后会变得明显。发明人期望本领域技术人员适当地采用这样的变形，并且发明人打算以不同于本文具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明包括在适用法律允许的情况下对所附权利要求中记载的主题的所有修改和等同形式。此外，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本发明包括上述元素的所有可能变化形式的任何组合。