专利名称：用于燃气涡轮发动机的预混合燃料喷嘴的制作方法
技术领域：
本文中公开的主题涉及用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴，并且更具体地，涉及在燃料喷嘴中预混合燃料和空气。
背景技术：
燃气涡轮发动机燃烧燃料和空气的混合物以生成热燃烧气体，其继而驱动一个或更多个涡轮。特别地，热燃烧气体迫使涡轮叶片旋转，从而驱动轴以使诸如发电机的一个或更多个负载旋转。燃气涡轮发动机典型地包括一个或更多个燃料喷嘴以将燃料喷入到燃烧器中。例如，燃料喷嘴可预混合燃料和空气以将燃料-空气混合物喷入到燃烧器中。混合的程度可充分影响燃烧过程，并且如果混合不充分，则可导致更多的排放物。不幸的是，燃料在燃料喷嘴内到空气中的分配可由于各种设计限制而是不均匀的。
发明内容
在下面概括在范围方面与最初要求权利的本发明相称的某些实施例。这些实施例不意图限制要求权利的本发明的范围，而是这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与在下面陈述的实施例相似或不同的各种形式。在第一实施例中，系统包括涡轮燃料喷嘴，其具有带有轴线的轮毂(hub)、沿着轴线围绕轮毂的护罩、在轮毂与护罩之间的空气流动通路和燃料流动通路。涡轮燃料喷嘴还包括相对于轴线沿径向方向在轮毂与护罩之间延伸的涡旋静叶(vane)。涡旋静叶包括联接于燃料流动通路的燃料入口、从燃料入口延伸的燃料室和从燃料室延伸到空气流动通路的多个燃料出口。多个燃料出口定位在位于沿着燃料室的上游边缘的上游点下游的、燃料室的轴向长度的至少大约2/3的轴向距离处。在第二实施例中，系统包括燃料喷嘴。燃料喷嘴包括轮毂、绕着轮毂布置的护罩、在轮毂与护罩之间的空气流动通路和沿着轮毂布置的燃料流动通路。燃料喷嘴还包括布置在轮毂与护罩之间的涡旋静叶。涡旋静叶包括沿着轮毂的燃料入口、在轮毂与护罩之间延伸的燃料室和在轮毂与护罩之间的多个燃料出口。多个燃料出口从在燃料室中的回流区域的最小压力点至少偏移最小距离，并且该最小距离构造成提高通过多个燃料出口的燃料流的均匀性。在第三实施例中，系统包括燃料喷嘴涡旋静叶。燃料喷嘴涡旋静叶包括具有相对于空气流动通路的前缘和后缘的外部。燃料喷嘴涡旋静叶还包括具有面向前缘的上游边缘和面向后缘的下游边缘的内部燃料室。燃料喷嘴涡旋静叶还包括与上游边缘相邻的、进入内部燃料室的燃料入口和从内部燃料室延伸到外部的多个燃料出口。多个燃料出口定位在位于沿着燃料室的上游边缘的上游点下游的、内部燃料室的长度的至少大约2/3的距离处。
当参照附图阅读下列详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中，同样的符号在所有附图中表示同样的部件，其中图I是具有由燃料喷嘴组件改进的空气-燃料混合的涡轮系统的实施例的方框图；图2是具有多个涡旋静叶的燃料喷嘴组件的实施例的截面侧视图，该多个涡旋静叶构造成提供改进的空气-燃料混合；图3是在图2的线3-3内截取的涡旋静叶的实施例的截面侧视图，其示出了在相对于在涡旋静叶的内燃料室内的径向中心线的偏移位置处的多个燃料出口；图4是图3的涡旋静叶的实施例的截面侧视图，其示出了涡旋静叶的相对于在内 燃料室内的燃料出口的静压分布；图5是在图2的线3-3内截取的涡旋静叶的实施例的截面侧视图，其示出了具有锥形上游边缘的涡旋静叶的内燃料室；图6是图5的涡旋静叶的实施例的截面侧视图，其示出了涡旋静叶的相对于在内燃料室内的燃料出口的静压分布；图7是图5的涡旋静叶的实施例的截面侧视图，其示出了具有沿径向方向的变化直径的燃料出口 ；图8是图5的涡旋静叶的实施例的截面侧视图，其示出了具有交错配置的燃料出Π ；图9是图5的涡旋静叶的实施例的截面侧视图，其示出了具有椭圆形状的燃料出Π ；图10是在图2的线3-3内截取的涡旋静叶的实施例的截面侧视图，其示出了具有弯曲上游边缘和多排燃料出口涡旋静叶的内燃料室；图11是图5和图6的涡旋静叶的实施例的俯视透视图；并且图12是沿线12-12截取的图11的涡旋静叶的实施例的俯视截面图。部件列表10涡轮系统14 燃料16燃烧器18 涡轮20排放出口22 轴24压缩机26 空气28 负载30燃料喷嘴组件32 涡旋静叶34 燃料室36 燃料出口38 区域
40轴向轴线42径向轴线44圆周轴线46纵向轴线48空气流动通路50护罩52轮毂54内轮毂部分56外轮毂部分58燃料流动通路60燃料喷射流
62空气-燃料混合物64外前缘66外后缘68空气入口70空气-燃料出口72燃料入口74内上游边缘76内下游边缘80距离82径向中心线84径向轴线86轴向距离88总轴向距离90回流区域92边界94膨胀点100静压分布120中心122压力带123压力带124 压力带125压力带126压力带128压力带130偏移距离132径向轴线134 燃料出口136燃料出口
138燃料出口160改变的涡旋静叶162改变的燃料室163内部边界170燃料入口168燃料出口172内部上游边缘174内部下游边缘176角度178不同的内轴向长度180外轴向长度182径向轴线184轴向距离186点188中心线 190中点192中点200静压分布202线204线206线208基本上均匀的压力区域220燃料出口布置222径向轴线224距离226边缘228燃料出口230燃料出口232燃料出口234燃料出口236燃料出口260燃料出口布置262八个圆形燃料出口264径向轴线266轴向距离268边缘300燃料出口布置302燃料出口304线
306角度308轴向轴线310主轴340会聚配置352燃料出口342内燃料室344弯曲上游边缘 345S 形轮廓346第一弯曲部分348第二弯曲部分354相交线356相交线358轴向距离360边缘362角度364点380涡旋静叶382内部部分384外部部分386前缘388后缘390前侧面391后侧面392燃料出口394燃料室396燃料入口398上游边缘400下游边缘402距离404总轴向长度406点420成角度燃料出口422成角度燃料出口424角度426角度
具体实施例方式将在下面描述本发明的一个或更多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可不在说明书中描述实际实施的所有特征。应当意识到，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，许多针对实施的决定必须被作出以实现开发者的具体目标，诸如服从系统相关和业务相关的限制，其可随着实施而不同。此外，应当意识到，这种开发努力可以是复杂且费时的，但是对于受益于本公开的本领域技术人员来说，将不过是设计、制作和制造的常规任务。当介绍本发明的各个实施例的元件时，单词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表
示存在一个或更多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意图是包括性的，并且表示可存在除了所列出的元件之外的附加元件。如在下面详细讨论的，公开的实施例涉及燃料喷嘴组件(例如，涡轮燃料喷嘴)，其具有用于诸如燃气涡轮发动机和涡轮燃烧器的各种燃烧系统的改进的空气-燃料混合。特别地，燃料喷嘴可设置有沿着空气流动通路(例如，环形空气流动通路)的多个涡旋静叶，其中，每个涡旋静叶构造成将燃料均匀地喷入到空气流动通路中。例如，每个涡旋静叶 可包括内燃料室，其定形状为更均匀地分配燃料压力，从而有助于通过多个燃料出口更均匀地分配燃料流。例如，内燃料室的上游边缘可以是锥形或者弯曲的以减少室内的低压区域，同时还朝多个燃料出口更均匀地引导燃料流。通过进一步的实例，多个燃料出口可在更下游定位成远离在内燃料室中的任何低压区域，从而大致降低低压区域对燃料流到多个燃料出口的分配的任何有害影响。在某些实施例中，多个燃料出口可定位在距通过内燃料室的径向中心线的偏移距离处。此外，涡旋静叶的一些实施例可将多个燃料出口定位在从内燃料室的上游边缘到下游边缘的总轴向距离的至少大约2/3的轴向距离处。在这些实施例中，如在下面进一步详细讨论地，每个涡旋静叶将燃料更均匀地喷入到空气流动通路中，从而改进燃料喷嘴组件内的空气-燃料混合的均匀性。因此，公开的燃料喷嘴组件改进例如燃气涡轮发动机的燃烧系统的操作。图I是具有多个燃料喷嘴12的涡轮系统10的实施例的方框图，多个燃料喷嘴12具有改进的空气-燃料混合以改进燃烧过程、提高性能、减小火焰稳定的可能性并且减少不期望的排放物。例如，如在下面讨论地，每个燃料喷嘴12可包括一个或更多个改变(modify)的涡旋静叶(例如，改变的燃料出口布置和/或改变的燃料室形状)，其构造成改进压力均匀性并且消除或充分减少在燃料喷嘴12中的不均匀压力和流动。涡轮系统10可使用液体或气体燃料，诸如天然气和/或富氢合成气体，以驱动涡轮系统10。如所描绘地，一个或更多个燃料喷嘴12吸入燃料14，使燃料与空气混合，并且将空气-燃料混合物分配到燃烧器16中。燃料喷嘴12可将燃料-空气混合物以适当比率喷入到燃烧器16中，用于优化燃烧、排放物、燃料消耗和功率输出。空气-燃料混合物在燃烧器16内的室中燃烧，从而产生热加压排放气体。燃烧器16导引排放气体通过涡轮18朝向排放出口 20。当排放气体行进通过涡轮18时，气体迫使涡轮叶片使轴22沿着涡轮系统10的轴线旋转。如图所示，轴22可连接于涡轮系统10的各个构件，包括压缩机24。压缩机24也包括联接于轴22的叶片。当轴22旋转时，压缩机24内的叶片也旋转，从而压缩空气26，空气来自空气入口通过压缩机24并且进入燃料喷嘴12和/或燃烧器16。轴22还可连接于负载28，其可以是车辆或静止负载，诸如发电厂中的发电机或例如飞行器上的推进器。负载28可包括能够由涡轮系统10的旋转输出提供功率的任何适当装置。图2是具有多个涡旋静叶32的燃料喷嘴组件30的实施例的截面侧视图，燃料喷嘴组件构造成提供改进的空气-燃料混合。如在下面详细讨论的，每个涡旋静叶32具有燃料室34，其具有配置在布置(layout)、构造或区域38中的多个燃料出口 36(例如I到50个出口)，布置、构造或区域38构造成提供横跨多个燃料出口 36的大致均匀的燃料压力。示出的燃料喷嘴组件30可安装在燃气涡轮发动机10的燃烧器16中，并且因此可表示图I的燃料喷嘴12。出于讨论的目的，可作出对相对于燃料喷嘴组件30的纵向轴线46的轴向方向或轴线40、径向方向或轴线42和圆周方向或轴线44的参考。如图所示，燃料喷嘴组件30具有多个涡旋静叶32，其布置在护罩50与轮毂52之间的空气流动通路48内。此外，轮毂52包括内轮毂部分54和外轮毂部分56，其中，燃料流动通路58在内轮毂部分54与外轮毂部分56之间延伸。每 涡旋静叶32从燃料流动通路58接收燃料，使燃料流在燃料室34中膨胀，将燃料流均匀地分配到多个燃料出口 36，并且将燃料作为燃料喷射流60喷入到空气流动通路48中。由于到燃料室34内的燃料出口 36的均匀燃料分配，因此喷入的燃料流60更均匀地分配到空气流动通路48中以提供大致均匀的空气-燃料混合物62。以这种方式，涡旋静叶32大致改进燃料喷嘴组件30内的空气-燃料混合，从而改进燃烧、减少排放物并且减小火焰稳定的可能性。此外，涡旋静叶32构造成将涡旋或圆周旋转44赋予空气流动通路48和空气燃料混合物62以改进燃料喷嘴组件30内的空气-燃料混合。在某些实施例中，燃料喷嘴组件30可包括2到20个涡旋静叶32，它们可绕着纵向轴线46沿圆周44均匀地间隔开。如图所示，每个润旋静叶32从轮毂52径向42延伸到护罩50,并且从外前缘64轴向40延伸到外后缘66 (例如，相对于空气流动通路48)。此外，每个涡旋静叶32在空气入口 68与空气-燃料出口 70之间轴向40布置在空气流动通路48中。内部地，每个涡旋静叶32包括燃料入口 72、燃料室32和多个燃料出口 36。此外，燃料室32包括内上游边缘74和内下游边缘76 (例如，相对于燃料流动通路58)。在示出的实施例中，相比外后缘66，燃料室32定位成更靠近外前缘64。然而,其他的实施例可使燃料室32居中地定位在前缘64与后缘66之间，或更靠近后缘66。不考虑燃料室32的位置，多个燃料出口 36定位在区域38中以改进横跨多个出口 36的燃料压力均匀性和燃料分布。例如，如在下面进一步详细讨论地，燃料出口 36可轴向40定位成相对于燃料室32的内上游边缘74和内下游边缘76偏离中心，使得燃料出口 36进一步定位成远离燃料室32内的任何低燃料压力区域(例如，潜在的回流区域)。在某些实施例中，燃料出口 36可在燃料室32内布置成大致更靠近如与内上游边缘74相对的内下游边缘76。图3是在图2的线3-3内截取的涡旋静叶32的实施例的截面侧视图，其示出了在相对于在涡旋静叶32的内燃料室34内的径向中心线82的轴向偏移位置或距离80处的多个燃料出口 36。特别地，径向中心线82轴向40布置成距内上游边缘74和内下游边缘76的距离相等，而多个燃料出口 36沿在径向中心线82与内下游边缘76之间的径向轴线84居中。如图所示，多个燃料出口 36的径向轴线84布置在距径向中心线82的偏移距离80处以大致改进燃料出口 36上游的压力均匀性和因此在多个燃料出口 36之间的燃料流动分布。换言之，多个燃料出口 36布置在轴向距离86处，轴向距离86大于在燃料室34的内上游边缘74与内下游边缘76之间的总轴向距离88的大约50%。在某些实施例中，燃料出口36均沿着径向轴线84轴向40居中，使得所有燃料出口 36布置在相同的轴向距离86处。在其他实施例中，如在下面进一步详细讨论的，燃料出口 36可不沿着径向轴线84居中，并且因此可具有不同的轴向距离86。然而，在任一构造中，燃料出口 36布置在轴向距离86处，轴向距离86大于总轴向距离88的大约50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%,85%,90%、95%或100%。例如,轴向距离86可以是总轴向距离88的大约55%到100%或60%到95%或65%到80%。通过进一步的实例，轴向距离86可以是等于总轴向距离88的大约2/3(即，66.6%)的最小值。因此，在所示的实施例中，燃料出口 36的位置可选定成使燃料出口 36移动成远离燃料室34内的任何低压区域或回流区域90，使得燃料出口 36被大致均匀地供给燃料。在示出的实施例中，燃料室34具有大致矩形的形状或边界92，其由内上游边缘
74、内下游边缘76、护罩50和轮毂52限定。换言之，内上游边缘74和内下游边缘76可沿径向方向42大致彼此平行，并且因此总轴向长度88沿径向方向42从轮毂52到护罩50大致一致。由于该矩形几何结构，入口 72可使进入燃料室34的燃料流58在上游边缘、角或膨胀点94处突然膨胀。例如，边缘94在外轮毂部分56与内上游边缘74之间的交点处，夕卜轮毂部分56和内上游边缘74大致相互垂直。在边缘74处的垂直交点可导致低压区域或 回流区域90从轮毂52朝护罩50径向42向外。由于该回流区域90，燃料压力可在更靠近燃料室34的内上游边缘74的位置处沿径向方向42不均匀。因此，从内上游边缘74到燃料出口 36的轴向距离86构造成确保压力更均匀，并且因此燃料流更均匀地分配到燃料出Π 36。图4是图3的涡旋静叶32的实施例的截面侧视图，其示出了在涡旋静叶32的内或内部燃料室34内相对于燃料出口 36的静压分布100。在示出的实施例中，静压分布100包括被多个压力带122、123、124、125、126和128围绕的中心120，该多个压力带描绘了从中心120到最外面的带128的逐渐提高的燃料压力水平。如参照图3在上面讨论地，低压中心120和至少最里面的带122布置在回流区域90中。该类型的压力分布可由于大尺度的旋涡燃料运动而形成，该大尺度的旋涡燃料运动可在涡旋静叶32的矩形燃料室34内出现。示出的燃料出口 36沿着径向轴线84居中，径向轴线84布置在径向轴线132下游的偏移距离130处，径向轴线132延伸通过静压分布100的低压中心120。虽然燃料出口 36的实施例可沿径向轴线84居中或不居中，但是每个燃料出口 36可布置在距低压中心120下游的最小偏移距离130(即，距回流区域90的最小压力点的最小距离)处。例如，最小偏移距离130可大于或等于在燃料室34的内上游边缘74与内下游边缘76之间的总轴向长度88的大约10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或90%。在某些实施例中，偏离距离130可以是总轴向长度88的大约5%到95%、10%到50%或15%到25%。因此，偏移距离130将燃料出口 36定位在燃料室34的具有更均匀压力分布的区中。与此相反，如果燃料出口 36沿着通过低压中心120的径向轴线132定位，则燃料出口 36将经受大致不同的燃料压力。例如，如果沿着轴线132定位，则燃料出口 36可包括在低压中心120处或附近的一个或更多个燃料出口和在压力带122、123、124、125、126和128中的每一个处或附近的一个或更多个燃料出口。因此，在最低压力区域(例如，120和122)中的燃料出口 36将接收比在最高压力区域(例如，128)中的燃料出口 36大致更少的燃料。反过来，进入空气流动通路48的燃料喷射流60将是大致不均匀的，从而导致较差的空气-燃料混合、性能下降、可能的火焰稳定和更多的排放物。然而，公开的实施例通过使燃料出口 36偏移成远离低压中心120而避免这些低压区域。例如，示出的实施例可包括仅在一个或两个压力带中的燃料出口 36，诸如在带126与128之间的燃料出口 134，以及在带125与126之间的燃料出口 136和138。在其他的实施例中，燃料出口 36可包括在一个或更多个压力带内在偏移距离130处的2到50个燃料出口。如在上面讨论地，使用改变的燃料出口布置可允许燃料出口 36定位成远离燃料室34内的大尺度旋涡运动的区域。另外，采用具有改变的形状的燃料室34可完全地减弱该旋涡运动以提供更好的压力均匀性。例如，图5是在图2的线3-3内截取的涡旋静叶32的实施例的截面侧视图，其示出了具有非矩形形状的涡旋静叶32的内燃料室34的实施例。如图所示，涡旋静叶32是改变的涡旋静叶160，并且燃料室34是改变的燃料室162。特别地，示出的燃料室162是四边形的室，诸如梯形的室，其包括内部边界163。燃料室162的边界163通过燃料入口 170接收燃料58，并且通过燃料出口 168将燃料58喷入到空气流动通路48中。边界162由护罩50、轮毂52、内部上游边缘172和内部下游边缘174限定。在示出的实施例中，内部上游边缘172相对于径向轴线42成锥形或成角度(例如，锥形上游边缘)，从而大致填充图3和图4中示出的回流区域90。换言之，内部上游边缘172大致朝向多个燃料出口 168引导燃料流58以通过出口 168提供更均匀的分布，并且因此提供在空气流动通路48中的更均匀的空气-燃料混合。
如图5所示,燃料室34、162的内部上游边缘172以角度176偏向成远离涡旋静叶32,160的前缘64，从而产生具有不同内轴向长度178(即，在轮毂52附近)和外轴向长度180 (B卩，在护罩50附近)的燃料室162。换言之，角度176可相对于径向轴线或方向42限定。燃料室162的内部上游边缘172可以以大约I到85、5到60或10到45度的角度176延伸成远离涡旋静叶32、160的前缘64。例如，角度176可大于或等于大约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70或80度。在某些实施例中，角度176可选定成提供具有在内轴向长度178与外轴向长度180之间的特别的不一致比率的燃料室34、162。例如，燃料室34、172的外轴向长度180可以是内轴向长度178的大约10%到90%、15%到75%或25%到50%。在一些实施例中，外轴向长度180可小于或等于内轴向长度178的大约15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80% 或 85%。在一个实施例中，外轴向长度180可以是内轴向长度178的大约2/3(例如，66.6% )。此外，角度176可大致填充回流区域90，并且减小低燃料压力或较差燃料流动的可能性，该燃料流被朝向径向42向外燃料出口 168引导。因此，燃料室34、162大致从轮毂52收缩到护罩50，从而有助于保持用于径向42外燃料出口 168的适当燃料压力。在图5的所描绘的实施例中，多个燃料出口 168是大致圆形的并且沿着径向轴线182布置成一排，径向轴线182定位在距沿着内部上游边缘172的点186 (例如，最接近与燃料入口 170相邻的轮毂52的、沿着上游边缘176的点186)下游的轴向距离184处。该轴向距离184可表示为燃料室34、162的内轴向长度178的百分数。例如，燃料出口 168可在轴向距离184处绕着径向轴线182居中，轴向距离184大于或等于距在内上游边缘172的底部处的点186下游的、燃料室34、162的内轴向长度178的大约2/3(例如，66. 6% )0在某些实施例中，轴向距离184可以是内轴向长度178的大约55%到95%、60%到90%或65%到85%。此外，燃料出口 168的一些实施例可定位在中心线188下游的任何地方，中心线188连接外轴向长度180的中间点190和内轴向长度178的中间点192。燃料室34、162的示出形状特别有益于改进多个燃料出口 168的压力均匀性和流动分布。图6是图5的涡旋静叶32、160的实施例的截面侧视图，其示出了在涡旋静叶32、160的内燃料室34、162内相对于燃料出口 168的静压分布200。在示出的实施例中，静压分布200包括多个压力带或线202、204和206，多个压力带或线202、204和206在压力方面从内部上游边缘172朝向燃料出口 168逐渐增大。与在用于大致矩形的燃料室34的图4中观察到的压力分布100相反，图6的室160大致减弱或消除回流区域90并且提供横跨所有燃料出口 168的大致均匀的压力区域208。此外，内部上游边缘172的锥形形状大致填充区域90，从而减小大尺度旋涡在燃料流58通过燃料入口 170进入室162时发展的可能性。图5和图6的边缘186提供到室162中的更平缓的过渡，而不是在图3和图4的边缘94处的突然90度转向。换言之，内部上游边缘172的锥形形状大致减小室162中的压降，并且使燃料流58逐渐膨胀以保持到燃料出口 168的压力均匀性以及均匀燃料分布。大体上，图7-10描绘了多种燃料出口布置。图示意图是示范而非穷举的。本领域技术人员将意识到，来自这些图的许多特征可单独或组合地在单一涡旋静叶或燃料喷嘴实施例内采用。虽然燃料出口布置的这些实施例描绘为具有特别形状(例如，矩形、锥形等)的涡旋静叶，但是本文中描述的燃料出口布置也可应用于具有其他公开的几何形状的涡旋静叶。另外，虽然图7-10可展示布置在涡旋静叶上的特定轴向和径向位置处的燃料出口， 但是应当意识到，在这些图中描述的特别布置可根据以上公开的燃料出口定位方案沿轴向或径向方向偏移。图7是图5的涡旋静叶32、160的实施例的截面侧视图，其示出了具有沿径向方向42的变化直径(例如，在尺寸上逐渐变化)的燃料出口 168。描绘的实施例包括具有五个圆形燃料出口 168的燃料出口布置220，五个圆形燃料出口 168可沿径向轴线222定位成径向的一排，径向轴线222在距在外轮毂部56与燃料室162的内部上游边缘172之间的点或边缘226的距离224处。燃料出口 168包括逐渐更大的燃料出口 228、230、232、234和236。例如，燃料出口 228、230、232、234和236可具有直径，其从轮毂52朝向护罩50沿径向方向42从一个燃料出口到另一个燃料出口逐渐增大大约I %到50%、2%到25%或5%到10%。在另一个实施例中，燃料出口 228、230、232、234和236可在直径上从轮毂52朝向护罩50逐渐减小。在其他的实施例中，最大直径燃料出口可定位在该排燃料出口的中心(即，燃料出口 232)，并且朝向轮毂52和护罩50移动的每个随后燃料出口的直径在尺寸上是较小的。在每个实施例中，不同尺寸的燃料出口 168的分布可构造成改进通过出口 168进入空气流动通路48的燃料流的均匀性。此外，燃料出口 168的数量、形状和模式可随实施而不同。图8是图5的涡旋静叶32、160的实施例的截面侧视图，其示出了具有交错的配置或燃料布置260的燃料出口 168。在描绘的实施例中，八个圆形燃料出口 262组织成绕着径向轴线264布置的径向的两排，径向轴线264定位在距在外轮毂部分56与燃料室34、162的内部上游边缘172之间的点或边缘268的轴向距离266处。不同于以上描述的燃料出口布置，描绘的涡旋静叶32、160的燃料出口 262绕着径向轴线264在轴向上游和轴向下游交错。因此，径向轴线264轴向上游(例如，在左侧)的燃料出口 262可定位在径向轴线264轴向下游(例如，在右侧)的两个相邻燃料出口 262的大约中间。描绘的交错配置260可用于进一步改进通过出口 262进入空气流动通路48的燃料流的均匀性。在一些实施例中，交错配置260可包括径向的2到10排交错燃料出口 262，并且每个径向排可包括2到20个燃料出口 262。图9是图5的涡旋静叶32、160的实施例的截面侧视图，其示出了具有椭圆形状的燃料出口 302的成角度的配置或燃料布置300。在示出的实施例中，六个椭圆形出口 302组织成绕着线304的一排，线304布置成相对于轴向轴线308成角度306，轴向轴线308平行于轴向轴线40和/或内轮毂部分54。角度306可以是大约I到45、5到30或10到15度。例如，角度306可等于或大于大约5、10、15、20、25、30、35、40或45度。此外，每个燃料出口302具有沿着主轴310延长的椭圆形状，主轴310可定向成相对于轴向轴线40和/或内轮毂部分54成大约O到90、5到75、10到60或15-45度的角。描绘的配置300可用于进一步改进通过出口 302进入空气流动通路48的燃料流的均匀性。在一些实施例中，配置300可包括2到50个椭圆形的燃料出口 302。在其他的实施例中，配置可包括沿着成角度的线304的2到50个燃料出口 302，其中，燃料出口 302是圆形、椭圆形、矩形、三角形、翼形或泪珠形或任何其他适当的形状。图10是在图2的线3-3内截取的涡旋静叶32的实施例的截面侧视图，其示出了在涡旋静叶32的内燃料室34、342内的燃料出口 352的会聚配置340 (例如，会聚的排)。在示出的实施例中，燃料室34、342包括弯曲上游边缘344，其构造成使燃料流58逐渐膨胀(和降低燃料流58的压力)以提供横跨燃料出口 352的更均匀的压力和流动分布。例如， 示出的边缘344具有包括第一弯曲部分346和第二弯曲部分348的S形轮廓345，第一弯曲部分346和第二弯曲部分348相对于彼此沿对立方向弯曲。如图所示，第一弯曲部分346远离轮毂52朝向护罩50径向地弯曲，而第二弯曲部分348远离护罩50朝向轮毂52径向地弯曲。然而，弯曲上游边缘344可具有各种曲率以控制燃料流58、压降和室34、342内的压力和流动的均匀性。示出的燃料出口 352组织成沿着两条相交线354和356的两排。第一排沿着径向线或轴线354布置，径向线或轴线354在距外轮毂部分56与上游边缘344之间的点或边缘360的轴向距离358处。第二排进一步在上游沿着线356布置，使得两条线354和356在燃料室342的护罩50附近的点364处相交，线356定位成相对于径向轴线354成角度362。在某些实施例中，角度362可以是大约I到45、5到30或10到15度。虽然描绘的实施例仅包括两排燃料出口 352，但是其他的实施例可包括2到10排燃料出口 352。此夕卜，描绘的配置340可用于进一步改进通过出口 302进入空气流动通路48的燃料流的均匀性。图11是图5和图6的涡旋静叶32、160的实施例的俯视透视图。在示出的实施例中，涡旋静叶380包括内部部分382和外部部分384。涡旋静叶380的外部部分384包括前缘386、后缘388、前侧390、后侧391和绕侧390和391布置的多个燃料出口 392。涡旋静叶380的内部部分382包括通过燃料入口 396联接于燃料流动通路的燃料室394，其中，燃料室394从入口 396延伸到多个燃料出口 392。燃料室394包括定位成面向前缘386的上游边缘398以及定位成面向后缘388的下游边缘400。如描绘地，涡旋静叶380的各侧390和391具有三个燃料出口 392，其定位在位于沿着燃料室394的上游边缘398的点406下游的、燃料室394的总轴向长度404的至少大约2/3(例如66. 6% )的距离402处。在某些实施例中，燃料出口 392布置在轴向距离402处，轴向距离402大于总轴向距离404的大约50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或 95%。例如，轴向距离 402 可以是总轴向距离404的大约60%到95%或65%到80%。此外，燃料出口 392可定向成相对于侧390和391成角度，如参照图12在下面讨论地。图12是沿线12-12截取的图11的涡旋静叶380的实施例的俯视截面图。如图所示，燃料出口 392包括沿着侧390布置的成角度燃料出口 420和沿着侧391布置的成角度燃料出口 422。虽然每侧390和391仅示出一个燃料出口 392，但是涡旋静叶380的实施例可包括2到50个成角度燃料出口 420和422。成角度燃料出口 420定向成相对于涡旋静叶380的侧390成角度424，并且成角度燃料出口 422定向成相对于涡旋静叶380的侧391成角度426。燃料出口 420和422可相对于空气流动通路48在下游成各种角度424和426。例如，角度424和426可以是相对于涡旋静叶380的相应侧390或392的大约O到90、5到
75、10到60或15到45度。此外，角度424和426可彼此相等或不同。此外，图11和图12中描绘的特征可用于进一步改进通过出口 392进入空气流动通路48的燃料流的均匀性。本发明的技术效果包括在涡轮机操作期间在涡旋静叶的表面附近的压力分布均匀性的改进。在涡旋静叶内的燃料的旋涡运动可在燃料室(特别是对于具有矩形燃料室的涡旋静叶)的中心附近产生大致较低压力的区域。通过使涡旋静叶的燃料出口定位成远离涡旋静叶的中心，燃料出口可从这些低压区域移位，并且在燃料出口附近的压力分布可变得更均匀。另外，通过使涡旋静叶的燃料室的形状从矩形改变为锥形或弯曲，燃料的旋涡运 动可被大致抑制。最后，涡旋静叶的燃料出口的尺寸和布置可改变成进一步改进在系统操作期间来自燃料出口的燃料流的均匀性。此外，使燃料出口从涡旋静叶的中心移位、改变燃料室的形状和改变燃料出口的尺寸和布置的公开技术可单独或组合地使用以改进燃料压力和燃料流的均匀性。通过改进压力分布和燃料流的均匀性，空气-燃料混合物的质量可被改进，从而导致较少的NOx排放物、较高的效率、减小的压力波动和提高的涡轮机的性倉泛。该书面描述使用实例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本发明的专利权范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种系统(10),包括 涡轮燃料喷嘴(30)，包括 轮毂(52)，其具有轴线(40)； 护罩(50)，其沿着所述轴线(40)围绕所述轮毂(52)； 空气流动通路(48)，其在所述轮毂(52)与所述护罩(50)之间； 燃料流动通路(58);和 涡旋静叶(32，160，380)，其相对于所述轴线(40)沿径向方向(42)在所述轮毂(52)与所述护罩(50)之间延伸，其中，所述涡旋静叶(32，160，380)包括联接于所述燃料流动通路(58)的燃料入口(72，170，396)、从所述燃料入口 (72，170，396)延伸的燃料室(34，162，342，394)和从所述燃料室(34，162，342，394)延伸到所述空气流动通路(48)的多个燃料出口(36)，其中，所述多个燃料出口(36)定位在位于沿着所述燃料室(34，162，342，394)的上游边缘(74，172，344，398)的上游点(94，186，226，268，406)下游的、所述燃料室(34，162，342,394)的轴向长度(88,404)的55%到100%之间的轴向距离(86,184,402)处。
2.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述燃料流动通路(58)沿着所述轮毂(52)延伸到所述涡旋静叶(32，160，380)。
3.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述燃料流动通路(58)沿着所述护罩(50)延伸到所述涡旋静叶(32，160，380)。
4.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述上游点(94，186，226，268，406)布置成与进入所述燃料室(34，162，342，394)的所述燃料入口(72，170，396)相邻。
5.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述上游边缘(74，172，344，398)基本上垂直于所述轴线(40)。
6.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述上游边缘(74，172，344，398)从所述燃料入口(72，170，396)沿燃料流的下游方向上成角度地延伸成远离所述燃料入口(72，170,396)。
7.根据权利要求6所述的系统(10)，其特征在于，所述上游边缘(74，172，344，398)是锥形边缘(172，398)。
8.根据权利要求6所述的系统(10)，其特征在于，所述上游边缘(74，172，344，398)是弯曲边缘(344)。
9.根据权利要求6所述的系统(10)，其特征在于，所述角度是相对于所述径向方向(42)的至少大约30度。
10.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述多个燃料出口(36)具有沿所述径向方向(42)的交错布置(260)。
11.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，所述多个燃料出口(36)沿所述径向方向(42)在尺寸上逐渐变化(220)。
12.根据权利要求I所述的系统(10)，其特征在于，包括具有所述涡轮燃料喷嘴(30)的涡轮燃烧器(16)或涡轮发动机。
13.一种系统(10),包括 燃料喷嘴(30)，包括 轮毂(52)；护罩(50)，其绕着所述轮毂(52)布置； 空气流动通路(48)，其在所述轮毂(52)与所述护罩(50)之间； 燃料流动通路(58)，其沿着所述轮毂(52)布置；和 涡旋静叶(32，160，380)，其布置在所述轮毂(52)与所述护罩(50)之间，其中，所述涡旋静叶(32，160，380)包括沿着所述轮毂(52)的燃料入口(72，170，396)、在所述轮毂(52)与所述护罩(50)之间延伸的燃料室(34，162，342，394)和在所述轮毂(52)与所述护罩(50)之间的多个燃料出口(36)，其中，所述多个燃料出口(36)中的所有燃料出口从所述燃料室(34，162，342，394)中的回流区域(90)的最小压力点(120)至少偏移最小距离(130)，并且所述最小距离(130)构造成提高通过所述多个燃料出口(36)的燃料流的均匀性。
14.根据权利要求13所述的系统(10)，其特征在于，所述最小距离(130)是所述燃料室(34，162，342，394)的轴向长度(88,404)的至少 10%。
15.根据权利要求13所述的系统(10)，其特征在于，所述多个燃料出口(36)中的所有燃料出口定位在位于沿着所述燃料室(34，162，342，394)的上游边缘(74，172，344，398)的上游点(94，186，226，268，406)下游的、所述燃料室(34，162，342，394)的轴向长度(88，404)的55%到100%之间的轴向距离(86,184,402)处。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的预混合燃料喷嘴。在实施例中，系统包括涡轮燃料喷嘴，其具有带有轴线的轮毂、沿着轴线围绕轮毂的护罩、在轮毂与护罩之间的空气流动通路和燃料流动通路。涡轮燃料喷嘴还包括相对于轴线在径向方向上在轮毂与护罩之间延伸的涡旋静叶。涡旋静叶包括联接于燃料流动通路的燃料入口、从燃料入口延伸的燃料室和从燃料室延伸到空气流动通路的多个燃料出口。多个燃料出口定位在从沿着燃料室的上游边缘的上游点下游的、燃料室的轴向长度的至少大约2/3的轴向距离处。
文档编号F23R3/38GK102865598SQ20121033620
公开日2013年1月9日 申请日期2012年6月27日 优先权日2011年6月27日
发明者金冠佑, N·G·帕萨尼亚, A·P·辛赫 申请人:通用电气公司