专利名称：具有由旋流器集成的径向燃料喷口的燃料喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种涡轮发动机的燃料喷嘴，更具体地涉及一种具有
由旋流器(涡旋式喷嘴，swirler)集成的径向燃料喷口 (喷管，jet)的燃
背景技术：
包括柴油发动机、气体燃料发动机和其它本领域已知的发动机在内的 内燃机会排放空气污染物的复杂混合物。空气污染物可由包括氮氧化物 (NOx)的气体化合物组成。由于对环境的日益关注，排气排放的标准已 经变得日益严格，并且从发动机排放到大气中的NOx的量可根据发动机的 类型、发动机的尺寸和/或发动机的等级来规定。
发动机高效率的方法是，设计和制造能产生具有低火焰温度的均勻分布的 火焰的涡轮发动机。在2003年12月2日授予Boardman的美国专利 No.6，655，145 ( '145专利)中描述了这样的一种方法。'145专利描述了 一种具有带中心体的燃料喷嘴的涡轮发动机。在中心体的径向远侧设置有 套筒部(barrel portion )。在中心体和套筒部之间设置有至少一个旋流器 叶片以将进入的压缩空气的方向改变成径向。 一液体燃料通道穿过旋流器 叶片，并且位于所述旋流器叶片表面上的液体燃料喷口与所述通道流体连 通以将燃料沿轴向喷射到涡轮发动机的燃烧室中。当压缩空气流经旋流器 时，空气与喷出的液体燃料混合以产生基本均一的空气/燃料混合物，该空 气/燃料混合物在^L点燃时产生具有低火焰温度的均匀分布的火焰。
尽管'145专利的燃料喷嘴可改进空气/燃料的混合和火焰分布，但是这还不够并且存在问题。具体来说，由于液体燃料沿轴向喷射，所以在液 体燃料被适当混合和夹带在压缩空气内之前，被改变成沿径向方向的空气 会朝着套筒部将液体燃料向外传送到套筒部上。结果，会有一些燃料聚集
在套筒部上，形成大的燃料液滴，并且在被点燃时产生富NOx排气的高温 孤立区。聚集在套筒上的燃料也可能变成焦炭并形成降低燃料喷嘴的功能 性的障碍物或阻塞物。此外，这种液体燃料的不适当的分布和燃烧会降低 涡轮发动机的工作效率。
(本文)所公开的燃料喷嘴旨在克服上述的一个或多个问题。
发明内容
在一个方面中，本发明涉及一种燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括公共轴线、 绕该7>共轴线设置的体部和位于该体部的径向外侧的套筒部。该燃料喷嘴 还包括至少一个设置在所述体部和所述套筒部之间的旋流器叶片和设置在 所述至少 一个旋流器叶片内的液体燃料喷口 。所述至少 一个旋流器叶片构 造成将空气的轴向流改变成径向。所述液体燃料喷口构造成相对于所述公 共轴线沿径向喷射液体燃料。
在另一个方面中，本发明涉及一种在涡轮发动机内混合燃料和空气的 方法。该方法包括压缩进气、沿轴向朝着至少一个旋流器叶片引导经压缩 的进气以及将沿轴向引导的经压缩的进气的方向改变成径向。该方法还包 括从所述至少一个旋流器叶片沿径向喷射液体燃料。
图l是所公开的示例性涡轮发动机的立体剖视图2A是用于图1的涡轮发动机的所公开的示例性燃料喷嘴的剖视图2B是用于图2A的燃料喷嘴的所公开的示例性旋流器的端碎见图；以
及
图2C是设置在图2B的旋流器内的所公开的示例性液体燃料喷口的近 视图。
具体实施例方式
图1示出一示例性的涡轮发动机10。涡轮发动机10可联接在构造成 完成预定任务的固定不动的或机动的作业机械上。例如，涡轮发动机10
可表现为产生电力输出的发电机组的主动力源或执行流体泵送操作的泵送
机构的主动力源。或者，涡轮发动机10可表现为运土机械、乘用车辆、船 只或本领域已知的任何其它机动机械的原动力。涡轮发动机10可包括压缩 机部段12、燃烧室部段14、涡轮机部段16和排气部段18。
压缩机部段12可包括可旋转以压缩进气的部件。具体地，压缩机部段 12可包括一系列绕中轴24固定连接的可旋转的压缩机叶片22。当中轴24 旋转时，压缩机叶片22可将空气吸入涡轮发动机10中并对空气加压。然 后该加压空气可纟皮导向燃烧室部段14而与液体和/或气体燃料混合。可设 想压缩机部段12还可包括与中轴24分离并且在涡轮发动机10工作期间保 持静止不动的压缩机叶片(未示出)。
燃烧室部段14可使燃料与来自压缩机部段12的压缩空气混合并燃烧 该混合物以产生机械功输出。具体地，燃烧室部段14可包括多个绕中轴 24成环状地布置的燃料喷嘴26和与燃料喷嘴26相联接的环形燃烧室28。 各个燃料喷嘴26可将液体燃料和气体燃料中的一种或两种都喷射到来自 压缩机部段12的压缩空气流中以在燃烧室28内点燃。当燃料/空气混合物 燃烧时，受热的分子会膨胀并以高速运动到涡轮机部段16中。
如图2A的剖面所示，每个燃料喷嘴26可包括协同工作以将气体燃料 和液体燃料喷射入燃烧室28中的部件。具体地，燃料喷嘴26可包括具有 用于接收来自压缩机部段12的压缩空气的入口和用于与燃烧室28连通的 出口的套筒壳体34、中心体36、导向燃料喷射器38和旋流器40。中心体 36可设置在套筒壳体34的径向内侧并沿公共轴线42对准。导向燃料喷射 器38可设置在中心体36内并且构造成将加压燃料的导向流经中心体36 的末端44喷入燃烧室28中以利于涡轮发动机10的发动机起动、怠速运转、 冷态工作和/或稀燃运转。旋流器40可成环状地布置在套筒壳体34和中心体36之间。
如图2B和2C所示，旋流器40可设置成将来自压缩机部段12的压缩 空气的轴向流改变成径向。具体地，旋流器40可表现为具有多个位于压缩 空气的轴向流路内的相连接的叶片46的环形件45。当压缩空气接触叶片 46时，其可4皮转变成径向向内的方向。在一个示例中，各叶片46可从套 筒壳体34沿径向向内地朝向从公共轴线42偏移的一点延伸。也就是说， 各叶片46可具有相对于公共轴线42从半径偏斜(cant off )的切向分量(部 件，component )以使在燃料喷嘴26下游沿公共轴线42产生空位(voiding) 或流动分离的可能性最小。此外，各叶片46可相对于源自公共轴线42的 正交径向线(例如，与z^共轴线42正交的径向线)倾斜并且沿其径向轴线 扭曲以沿径向向内地施加力。
叶片46可有利于燃料喷射和在套筒壳体34内混合。具体地，叶片46 中的一些或全部均可包括液体燃料喷口 48和多个气体燃料喷口 50。尽管 在图2B的实施例中示出旋流器40的叶片46交替地包括液体燃料喷口 48, 但是可设想任何数量或构型的叶片46包括液体燃料喷口 48。
如在图2C中最好地示出，液体燃料喷口 48可构造成从叶片46沿径 向向内地喷射液体燃料。具体地，液体燃料喷口 48可表现为设置在叶片 46的外壳内并且从套筒壳体34朝向环形件45延伸的管状构件。在一个示 例中，在叶片46的内表面和液体燃料喷口 48的外表面之间可存在气隙47 以为包含在此处的液体燃料提供热绝缘。但是可设想，在必要时也可省略 气隙47。还可设想液体燃料喷口 48可选地表现为一体地形成在叶片46内 的通道。在涡轮发动机10工作期间，液体燃料喷口 48可接收液体燃料， 例如，来自位于套筒壳体34 (参见图2A)外部的公共歧管(未示出)的2 号柴油，并且沿箭头49的方向沿径向向内地朝环形件45喷射液体燃料。
气体燃料喷口 50可向燃烧室28提供质量流量不变的气体燃料，例如， 天然气、垃圾填埋气、沼气或任何其它合适的气体燃料。具体地，气体燃 料喷口 50可表现为沿着各叶片46的前缘设置的限流孔(restrictive orifice)。各气体燃料喷口 50可与相关的叶片46内的中央燃料通道51连通以接收从外部源而来的气体燃料。气体燃料喷口 50处的限流(限制， restriction)可为燃料喷嘴26内的最大限流，从而可保证来自气体燃料喷 口 50的气体燃料的连续质量流量。该气体燃料可从气体燃料喷口 50迎着 压缩空气流沿轴向朝上游喷射。燃烧室28 (参见图1)可遮蔽燃烧过程。具体地，燃烧室28可与各燃 料喷嘴26流体连通并且可构造成接收燃料和压缩空气的基本均一的混合 物。燃料/空气混合物可被点燃并在燃烧室28内充分燃烧。当燃料/空气混 合物燃烧时，热膨胀气体可离开燃烧室28并进入涡轮机部段16。涡轮机部段16可包括可响应于来自燃烧室部段14的膨胀排气流而旋 转的部件。具体地，涡轮机部段16可包括一系列固定连接在中轴24上的 可旋转的涡轮机转子叶片30。当涡轮机转子叶片30受到来自燃烧室部段 14的高能分子的轰击时，膨胀分子可使中轴24旋转，从而将燃烧能转化 成有用的转动能。然后可从涡轮发动机10中提取该转动能并用于多种用 途。除了给各种外部装置提供动力外，涡轮才几转子叶片30和中轴24的旋 转还可驱动压缩机叶片22旋转。排气部段18可将来自燃烧室部段14和涡轮机部段16的用过的排气引 导到大气中。如果需要，可设想排气部段18可包括一个或多个构造成从排 气中去除污染物质的处理装置和/或构造成降低与涡轮发动机10相关的噪 声的衰减装置。工业适用性所公开的燃料喷嘴可应用于任何需要低温、分布良好的火焰的涡轮发 动机。所公开的燃料喷嘴可通过沿径向向内地喷射液体燃料、伴随着改变 了方向的压缩空气的径向流一起来提供低温、分布良好的火焰。下面将说 明燃料喷嘴26的操作。在涡轮发动机10的工作过程中，可将空气吸入涡轮发动机10中并通 过压缩机部段12 (参见图1)压缩。然后可将该压缩空气沿轴向导入燃烧 室部段14并迎面碰触旋流器40的叶片46，在此处压缩空气流可螺旋状地改变成沿径向向内的方向。当压缩空气流转变成沿径向向内流动时，液体燃料可伴随着压缩空气的流动从液体燃料喷口 48沿径向向内地喷射，以在 燃烧之前混合。作为替换地或附加地，可对着压缩空气流沿轴向朝旋流器 40的上游喷射气体燃料以在燃烧之前混合。当燃料和空气的基本均一的混 合物进入燃烧室28时，其可被点燃并充分燃烧。热膨胀的排气然后可被排 到涡轮机部段16中，在此处分子能可被转化成涡轮机转子叶片30和中轴 24的转动能。涡轮^发动机10的燃料喷嘴26可具有多个优于现有技术的优点。具体 地，由于在喷射过程中液体燃料可包括沿径向向内的动量，所以在液体燃 料气化或被完全夹带在压缩空气内之前，涡旋空气的螺旋运动更难以将液 体燃料抛掷充分的距离而与套筒壳体34的内壁接触。为此，较少的液体燃 料可沉积在套筒壳体34的内壁上，从而导致燃料喷嘴26的可靠的工作和 延长的部件寿命。此外，由于改变成径向的压缩空气流朝着中心轴线42 向内运动而不是朝着套筒壳体34向外运动，所以在中心轴线42附近产生 空位或流动分离的可能性更小。本领域技术人员显然清楚，能对所公开的燃料喷嘴做出各种修改和变 型。鉴于本说明书和对所公开的燃料喷嘴的实践，其它实施例对本领域技 术人员而言是显而易见的。本说明书和示例应被看作只是示例性的，真正 的范围由所附权利要求及其等效物指明。
权利要求
1.一种燃料喷嘴(26)，包括公共轴线(42)；绕所述公共轴线设置的体部(36)；位于所述体部的径向外侧的套筒部(34)；至少一个设置在所述体部和所述套筒部之间的旋流器叶片(46)，所述至少一个旋流器叶片构造成将空气的轴向流改变成径向；和液体燃料喷口(48)，该液体燃料喷口设置在所述至少一个旋流器叶片内并且构造成相对于所述公共轴线沿径向喷射液体燃料。
2. 根据权利要求l所述的燃料喷嘴，其特征在于， 所述液体燃料喷口构造成伴随着所述方向改变的空气流沿径向喷射液体燃料；以及所述旋流器叶片构造成将空气流改变成沿径向向内朝向所述公共轴线 的方向。
3. 根据权利要求l所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述液体燃料喷 口包括管状构件(48)，该管状构件设置在所述至少一个旋流器叶片内并 且通过空隙(47)与所述至少一个旋流器叶片的内壁分开。
4. 根据权利要求l所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述至少一个旋 流器叶片从所述套筒部沿径向向内地朝向从所述公共轴线偏移的一点延 伸。
5. 根据权利要求l所述的燃料喷嘴，其特征在于，还包括多个设置 在所述至少一个旋流器叶片内的气体燃料喷口 (50)，其中所述多个气体 燃料喷口中的每一个都包括设置在所述至少一个旋流器叶片的表面上的限 流孔。
6. —种在涡轮发动机(10)内混合燃料和空气的方法，包括 压缩进气；沿轴向朝至少一个旋流器叶片(46)引导经压缩的进气；将所述沿轴向引导的经压缩的进气的方向改变成径向；和 从所述至少一个旋流器叶片沿所述径向喷射液体燃料。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述径向是朝着相关 联的燃料喷嘴(26)的公共轴线(42)指向内侧的方向。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括经相对于相关 联的燃料喷嘴的7>共轴线的轴向成一角度的所述至少一个旋流器叶片沿径 向向内地引导加压燃料。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括 从所述至少一个旋流器叶片喷射气体燃料；和 限制气体燃料的喷射。
10. —种涡轮发动机(IO)，包括 构造成对进气加压的压缩机部段(12); 构造成接收所述压缩空气的燃烧室(28);和 构造成将燃料引导到所述燃烧室中的如权利要求1至5中任一项所述的燃料喷嘴(26)。
全文摘要
本发明公开了一种用于涡轮发动机(10)的燃料喷嘴(26)。该燃料喷嘴具有公共轴线(42)、绕所述公共轴线布置的体部(36)、位于所述体部的径向外侧的套筒部(34)。该燃料喷嘴还具有至少一个设置在所述体部和所述套筒部之间的旋流器叶片(40)和设置在所述至少一个旋流器叶片内的液体燃料喷口(48)。所述至少一个旋流器叶片构造成将空气的轴向流改变成径向。所述液体燃料喷口构造成相对于所述公共轴线沿径向喷射液体燃料。
文档编号F23R3/28GK101278152SQ200680036347
公开日2008年10月1日 申请日期2006年9月8日 优先权日2005年9月30日
发明者C·Z·特沃多施莱布, H·王, T·J·C·罗杰斯 申请人:索拉透平公司