用于燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料喷嘴的制作方法

用于燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料喷嘴的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料喷嘴。具体而言，涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴，其包括：伸长的中心体；伸长的外围壁，其形成在中心体周围以便限定其间的主要流环带；在主要流环带中的主要燃料供应和主要空气供应；以及导向喷嘴。导向喷嘴可形成在中心体中且包括：限定在中心体壁内的轴向地伸长的混合管；燃料端口，其定位在混合管上以用于将每一个混合管连接到辅助燃料供应；以及，辅助空气供应，其构造成与混合管中的每一个的入口流体地连通。多个混合管可形成为斜向混合管，其构造成用于引起涡旋的下游流，同时多个混合管可为轴向混合管。
【专利说明】
用于燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料喷嘴
技术领域
[0001]本发明大体涉及燃气涡轮发动机，其燃烧与空气混合的烃燃料以产生高温气流，该高温气流驱动涡轮叶片以使附连到叶片的轴旋转。更特别地，但不通过限制的方式，本发明涉及包括导向喷嘴的燃烧器燃料喷嘴，该导向喷嘴预混合燃料和空气以得到更低的氮氧化物。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机广泛地用于产生动力以用于许多应用。常规燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮。在典型的燃气涡轮发动机中，压缩机提供压缩空气到燃烧器。进入燃烧器的空气与燃料混合且燃烧。燃烧的热气体从燃烧器排出且流入涡轮的叶片以使连接到叶片的涡轮轴旋转。旋转轴的一些机械能驱动压缩机和/或其他机械系统。
[0003]由于政府法规不赞成将氮氧化物释放到大气中，燃气涡轮发动机的作为操作的副产物的形成力图维持在可允许水平以下。满足这种法规的一个途径是从扩散火焰燃烧器转到采用贫燃料和空气混合物的燃烧器，其使用完全预混合操作模式来减少例如氮氧化物(通常表示为NOx)和一氧化氮(CO)的排放。这些燃烧器在本领域中不同地称为干式低NOx(DLN)燃烧系统、干式低排放物(DLE)燃烧系统或贫预混合(LPM)燃烧系统。
[0004]燃料一空气混合影响燃气涡轮发动机的燃烧的热气体中产生的氮氧化物的水平和发动机的性能两者。燃气涡轮发动机可采用一个或多个燃料喷嘴来吸入空气和燃料，以促进燃烧器中的燃料-空气混合。燃料喷嘴可位于燃烧器的头端，且可构造成吸入待与燃料输入混合的空气流。典型地，每个燃料喷嘴可通过位于燃料喷嘴的内部的中心体在内部支撑，且导向件可安装在中心体的下游端处。例如在美国专利第6438961号中所述，所谓的旋流喷嘴(swozzle)可安装到中心体的外部且位于导向件的上游，该专利通过此引用以其全部内容并入本文中以用于各种目的。旋流喷嘴具有弯曲静叶，其从中心体越过环形流动通路径向地延伸，且燃料从弯曲静叶引入环形流动通路中以夹带到通过旋流喷嘴的静叶涡旋的空气流中。
[0005]描述燃气涡轮发动机中的燃烧过程的各种参数与氮氧化物的产生相关。例如，燃烧反应区中的较高燃气温度是产生较大量的氮氧化物的原因。降低这些温度的一个方法是通过预混合燃料-空气混合物以及减少燃烧的燃料与空气的比率。当燃烧的燃料与空气的比率降低时，氮氧化物的量也降低。然而，存在对燃气涡轮发动机的性能的折衷。因为当燃烧的燃料与空气的比率降低时，燃料喷嘴的火焰熄灭的倾向增大，且因此造成燃气涡轮发动机的操作不稳定。已使用扩散火焰型导向件以用于燃烧器中更好的火焰稳定，但是这样做增加NOx。因此，依然存在对于改进的导向喷嘴组件的需要，该改进的导向喷嘴组件提供火焰稳定的益处，而且还使通常与导向喷嘴相关联的NOx排放尽可能少。
【实用新型内容】
[0006]本申请因此描述了用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。该燃料喷嘴可包括:轴向地伸长的中心体;轴向地伸长的外围壁，其形成在中心体周围以便限定其间的主要流环带;主要燃料供应和主要空气供应，其与主要流环带的上游端流体连通；以及导向喷嘴。导向喷嘴可形成在中心体中，其包括:轴向地伸长的混合管，其限定在中心体壁内，混合管中的每一个在通过导向喷嘴的上游面限定的入口和通过导向喷嘴的下游面形成的出口之间延伸;燃料端口，其定位在混合管中的每一个的入口和出口之间，以用于将混合管中的每一个连接到辅助燃料供应；以及，辅助空气供应，其构造成与混合管中的每一个的入口流体地连通。多个混合管可形成为斜向(canted)混合管，其构造成用于在来自其的共同排出物中引起中心轴线周围的祸流。
【附图说明】
[0007]图1示出了在其中可使用本发明的实施例的示例性燃气涡轮的框图；
[0008]图2是诸如可在图1中所示的燃气涡轮中使用的示例性燃烧器的截面视图；
[0009]图3包括部分透视且部分为截面的视图，其描述了根据本发明的某些方面的示例性燃烧器喷嘴；
[0010]图4示出了图3的燃烧器喷嘴的更详细的截面视图；
[0011 ]图5示出了沿着图4中标记为5 — 5的视线截取的端视图；
[0012]图6包括可在导向喷嘴中使用的混合管的简化侧视图；
[0013]图7示出备选混合管的简化侧视图，其具有根据本发明的某些方面的斜向配置；
[0014]图8示出描述示例性导向喷嘴的截面视图，其具有根据本发明的某些方面的斜向混合管；
[0015]图9示出根据本发明的示例性实施例的斜向混合管的侧视图；
[0016]图10包括图9的混合管的透视图；
[0017]图11示出根据本发明的备选实施例的斜向混合管的侧视图；
[0018]图12示出根据本发明的另一备选实施例的斜向混合管的侧视图；
[0019]图13示出另一个实施例的侧视图，其中线性混合管与斜向混合管组合；
[0020]图14包括图13的混合管的透视图；
[0021]图15示出图13的混合管的入口视图；
[0022]图16示出图13的混合管的出口视图；
[0023]图17示出另一个实施例的侧视图，其包括根据本发明的某些其他方面的逆向旋转螺旋混合管；
[0024]图18包括图17的混合管的透视图；
[0025]图19示出图17的混合管的入口视图；
[0026]图20示出图17的混合管的出口视图；
[0027 ]图21示出混合管的备选实施例的出口视图，其包括到排出方向的外侧分量；
[0028]图22示出混合管的备选实施例的出口视图，其包括到排出方向的内侧分量；
[O O 2 9 ]图2 3示意性地示出具有线性或轴向定向的混合管的方向流动分析的结果；以及[0030 ]图24示意性地示出具有沿切向斜向定向的混合管的方向流动分析的结果。
【具体实施方式】
[0031]本发明的方面和优点下面在以下描述中陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过本发明的实践来教导。现在将对本发明的实施例进行详细参考，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字标记来参考附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标记可用于参考本发明的实施例的相似或类似的部分。
[0032]将认识到的是，每个示例通过解释本发明而不是限制本发明的方式提供。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离其范围和精神的情况下，可在本发明中做出修改和变化。例如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征可用在另一实施例上，以产生更进一步的实施例。因此，意图使本发明覆盖落在所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变化。应当理解，本文中所提及的范围和限制包括位于规定的限度内的所有子范围，除非另外声明，否则包括限度本身。
[0033]另外，已选定某些用语来描述本发明及其构件子系统和部分。这些用语尽可能地基于该技术领域常用的术语选择。然而，将认识到的是，这些用语通常有不同的解释。例如，可在本文中参考为单个构件的要素可在其他地方参考为由多个构件构成，或者，可在本文中参考为包括多个构件的要素可在其他地方参考为单个构件。在理解本发明的范围时，不仅应当注意到所使用的特定术语，而且还应当注意所伴随的描述和情境，以及所参考和描述的构件的结构、配置、功能和/或用法，包括该用语与若干附图相关的方式，以及当然，在所附权利要求中术语的确切用法。此外，虽然以下示例关于某些类型的涡轮发动机示出，但是本发明的技术可还适用于其他类型的涡轮发动机，如在相关技术领域中由普通技术人员理解的那样。
[0034]考虑到涡轮发动机操作的性质，贯穿该申请可使用若干描述性的用语来解释发动机和/或其中包括的子系统或构件的功能，且在该章的开端处定义这些用语可证明是有益的。相应地，除非另外声明，这些用语及其定义如下。用语“向前”和“向后”，在没有更多特殊性的情况下，指的是相对于燃气涡轮的定向的方向。即，“向前”指的是发动机的前端或压缩机端，而“向后”指的是发动机的后端或涡轮端。将认识到的是，这些用语中的每一个可用于指示发动机内的移动或相对位置。用语“下游”和“上游”用于指示特定管道内相对于移动通过其的流的大体方向的位置。(将认识到的是，这些用语参考相对于在正常操作期间期望流动的方向，其应当对本领域中的任何普通技术人员清楚地显而易见。)用语“下游”指的是流体沿着其流动通过特定管道的方向，而“上游”指的是与其相反的方向。因此，例如，通过涡轮发动机的工作流体的主要流(其开始为移动通过压缩机的空气且然后变成在燃烧器内以及在更远处的燃烧气体)可描述为在朝上游或者压缩机的前端的上游位置处开始，且在朝下游或涡轮的后端的下游位置处终止。关于描述常用类型的燃烧器内的方向，如在下文中更详细地论述的那样，将认识到的是，压缩机排出空气典型地通过冲击端口进入燃烧器，冲击端口朝燃烧器的后端(相对于燃烧器的纵向轴线且限定前/后区别的上述压缩机/涡轮定位)集中。一旦在燃烧器中，压缩空气通过形成在内部腔室周围的流环带朝燃烧器的前端引导，空气流在那里进入内部腔室且逆转其流动方向，朝燃烧器的后端行进。然而在另一情境中，通过冷却通路的冷却剂流可以以相同方式处理。
[0035]另外，考虑压缩机和涡轮在中心共同轴线周围的配置，以及许多燃烧器类型所常用的圆柱形配置，描述相对于轴线的位置的用语可在本文中使用。就这一点而言，将认识到的是，用语“径向”指的是垂直于轴线的移动或位置。与此相关，可要求描述距中心轴线的相对距离。在这种情形中，例如，如果第一构件比第二构件更靠近中心轴线置放，则第一构件将描述为关于第二构件“径向朝内”或在第二构件的“内侧”。另一方面，如果第一构件比第二构件更远离中心轴线置放，则第一构件将在本文中描述为关于第二构件“径向朝外”或在第二构件的“外侧”。另外，将认识到的是，用语“轴向”指的是平行于轴线的移动或位置。最后，用语“周向”指的是在轴线周围的移动或位置。如所述的那样，虽然这些用语可关于延伸通过发动机的压缩机区段和涡轮区段的共同中心轴线应用，但是这些用语还可关于发动机的其他构件或子系统使用。例如，在圆柱形燃烧器的情形中(这对许多燃气涡轮机械是常用的)，给予这些用语相对意义的轴线是延伸通过截面形状的中心的纵向中心轴线，该截面形状最初是圆柱形，但是随着其接近涡轮过渡到更环形的轮廓。
[0036]参考图1，示出了燃气涡轮系统10的若干部分的简化图。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，以运行涡轮系统10。如所描述的那样，在下文中更全面描述的类型的多个燃料-空气喷嘴(或者，如在本文中所提到的，“燃料喷嘴12”)吸入燃料供应14，将燃料与空气供应混合，以及引导燃料-空气混合物到燃烧器16内以用于燃烧。燃烧的燃料-空气混合物产生热加压排气，其可朝排气出口20引导通过涡轮18。当排气通过涡轮18时，气体迫使一个或多个涡轮叶片使轴22沿着涡轮系统10的轴线旋转。如图所示，轴22可连接到涡轮系统10的各种构件，包括压缩机24。压缩机24还包括可联接到轴22的叶片。当轴22旋转时，压缩机24内的叶片也旋转，从而压缩来自进气口 26的空气通过压缩机24且进入燃料喷嘴12和/或燃烧器16。轴22还可连接到负载28，其可为运载工具或静止负载，例如，诸如在动力设施中的发电机或在飞行器上的推进器。将认识到的是，负载28可包括能够通过涡轮系统10的旋转输出驱动的任何合适装置。
[0037]图2是图1中示意性描述的燃气涡轮系统10的若干部分的截面视图的简化图。如在图2中示意性示出的那样，涡轮系统10包括位于燃气涡轮发动机10中的燃烧器16的头端27中的一个或多个燃料喷嘴12。每个图示燃料喷嘴12可包括一起整合成组的多个燃料喷嘴和/或独立的燃料喷嘴，其中，每个图示的燃料喷嘴12至少大致或完全地依赖于内部结构支撑(例如，承载负载的流体通路)。参考图2，系统10包括压缩机区段24，用于对经由进气口 26流动到系统10内的气体(诸如空气)加压。在操作中，空气通过进气口 26进入涡轮系统10且可在压缩机24中加压。应当理解，虽然该气体可在本文中指的是空气，但是该气体可为适合于在燃气涡轮系统10中使用的任何气体。从压缩机区段24排出的加压空气流入燃烧器区段16，其大体特征在于在系统10的轴线周围布置成环形排列的多个燃烧器16(仅其中一个在图1和图2中示出)。进入燃烧器区段16的空气与燃料混合且在燃烧器16的燃烧室32内燃烧。例如，燃料喷嘴12可以将燃料-空气混合物以用于最佳燃烧、排放、燃料消耗和动力输出的合适燃料-空气比喷射到燃烧器16内。燃烧产生热加压排气，其然后从每个燃烧器16流动到涡轮区段18(图1)以驱动系统10和产生动力。热气体驱动涡轮18内的一个或多个叶片(未示出)以使轴22以及因此压缩机24和负载28旋转。轴22的旋转引起在压缩机24内的叶片30旋转，且吸入并增压通过进气口 26接收的空气。然而，应当容易理解，燃烧器16不需要如上文所述和本文中图示的那样构造，且通常可具有允许加压空气与燃料混合、燃烧且转移到系统10的涡轮区段18的任何配置。
[0038]现在转向图3到图5，根据本发明的某些方面提出预混合导向喷嘴40的示例性配置(或者简单地“导向喷嘴40”)。导向喷嘴40可包括若干混合管41，燃料和空气混合物在其内形成以用于在燃烧室32内燃烧。图3至图5图示了一种配置，通过该配置可将燃料和空气供应到导向喷嘴40的若干混合管41。另一种这样的燃料-空气输送配置关于图8提供，且应当理解其他燃料和空气供应配置也是可能的，且这些示例不应当解释为限制，除非在所附权利要求集中指示。
[0039]如图3、图4和图5中所述，混合管41可具有线性和轴向配置。在这些情形中，每个混合管41可构造成使得来自其的流体流沿平行于燃料喷嘴12的中心轴线36(或者，如在本文中使用地，包括“排出方向”)排出，或者备选地，沿至少没有相对于燃料喷嘴的中心轴线36的切向斜向定向的方向排出。如在本文中所使用的，这种混合管41可称为“轴向混合管” ο相应地，轴向混合管41可定向成使得其大致平行于燃料喷嘴12的中心轴线36，或者备选地，轴向混合管41可定向成包括相对于中心轴线36的径向斜向定向，只要混合管没有切向斜向分量。被称为“斜向混合管”的其他混合管41可包括这种沿切向成角度或斜向的定向，使得每一个沿着相对于燃料喷嘴12的中心轴线36偏斜或者沿切向斜向的方向释放燃料和空气的混合物。如下文中所述，该类型的配置可用于在释放后在燃烧区内产生涡旋模式，其改善了导向喷嘴40的某些性能方面，且从而改善燃料喷嘴12的性能。
[0040]如图所示，燃料喷嘴12可包括轴向地伸长的外围壁50，其限定构件的外包壳。燃料喷嘴12的外围壁50具有外表面和内表面，内表面面对外表面且限定轴向地伸长的内部腔。如在本文中使用的，喷嘴12的中心轴线36限定为燃料喷嘴12的中心轴线，其在该示例中限定为外围壁50的中心轴线。燃料喷嘴12还可包括中空的轴向伸长的中心体52，其布置在由外围壁50形成的腔内。考虑在外围壁50和中心体52之间示出的同心配置，中心轴线36可为每个构件共有的。中心体52可通过限定上游端和下游端的壁轴向地限定。主要空气流通道51可限定在中心体52的外表面与外围壁50之间的环形空间中。
[0041]燃料喷嘴12还可包括轴向地伸长的中空燃料供应管线，其将在本文中称为“中心供应管线54”，其延伸通过中心体52的中央。伸长的内部通路或者辅助流环带53限定在中心体52的外壁与中心供应管线54之间，其可从邻近头端27的前方位置朝导向喷嘴40轴向地延伸。中心供应管线54可类似地在中心体52的前端之间轴向地延伸，其中，其可形成与通过头端27的燃料源(未示出)的连接。中心供应管线54可具有下游端，其布置在中心体52的后端处，且可提供最终喷射到导向喷嘴40的混合管41内的燃料的供应。
[0042]燃料喷嘴12的主要燃料供应可通过多个旋流器静叶56引导到燃烧器16的燃烧室32，该多个旋流器静叶56如图3中所示，其可为延伸越过主要流环带51的固定静叶。根据本发明的方面，旋流器静叶56可限定所谓的“旋流喷嘴”型燃料喷嘴，其中，多个静叶56在中心体52与外围壁50之间径向地延伸。如在图3中示意性示出的那样，旋流喷嘴的每个旋流器静叶56可期望地设有内部燃料管道57，其终止于燃料喷射端口 58中，主要燃料供应(其流动由箭头指示)从该燃料喷射端口58引入到引导通过主要流环带51的主要空气流内。由于该主要空气流相对于旋流器静叶56引导，所以赋予涡旋模式，将认识到的是，涡旋模式促进空气和燃料供应在主要流环带51内的混合。在旋流器静叶56的下游，在流环带51内集合在一起的涡旋的空气和燃料供应可在排出到燃烧室32内用于燃烧之前继续混合。如在本文中使用地，当与导向喷嘴40区分时，主要流环带51可称为“母喷嘴”，且在主要流环带51内集合在一起的燃料-空气混合物可称为源于“母喷嘴”内。当使用这些标记时，将认识到的是，燃料喷嘴12包括母喷嘴和导向喷嘴，并且这些中的每一个将单独的燃料和空气混合物喷射到燃烧室内。
[0043]中心体52可描述为包括轴向堆叠的区段，其中，导向喷嘴40为布置在中心体52的下游处或后端处的轴向区段。根据所示的示例性实施例，导向喷嘴40包括布置在中心供应管线54的下游端周围的燃料压室64。如图所示，燃料压室64可经由一个或多个燃料端口 61与中心供应管线54流体连通。因此，燃料可行进通过供应管线54，以便经由燃料端口61进入燃料压室64。导向喷嘴40还可包括环形中心体壁63，其从燃料压室64径向朝外布置且期望地关于中心轴线36同心。
[0044]如所述的那样，导向喷嘴40可包括多个轴向地伸长的中空混合管41，其布置在燃料压室64的正外侧。导向喷嘴40可由上游面71和下游面72轴向地限定。如图所示，混合管41可轴向地延伸通过中心体壁63。多个燃料端口 75可形成在中心体壁63内以用于将燃料从燃料压室64供应到混合管41内。混合管41中的每一个可在入口 65和出口 66之间轴向地延伸，入口 65通过导向喷嘴40的上游面71形成，且出口 66通过导向喷嘴40的下游面72形成。如此构造，空气流可从中心体52的辅助流环带53引导到每个混合管41的入口 65内。每个混合管41可具有至少一个燃料端口 75，其与燃料压室64流体连通，使得从燃料压室64离开的燃料流传送到每个混合管41内。所得的燃料-空气混合物可然后在每个混合管41中向下游行进，且然后可从通过导向喷嘴40的下游面72形成的出口66喷射到燃烧室32内。将认识到的是，考虑图3到图5中示出的混合管41的线性配置和轴向定向，从出口 66排出的燃料-空气混合物沿大致平行于燃料喷嘴12的中心轴线36的方向引导。虽然燃料-空气混合物倾向于在喷射到燃烧室32内后从每个混合管41径向扩散，但是
【申请人】已经发现径向扩散并不显著。事实上，研究已经显示，位于每个混合管41的出口66的正下游处的燃烧出口平面44的区段处的当量比(即，空气/燃料比)可为在位于中心轴线36的正下游处的燃烧出口平面44的区段处离开的当量比的几乎两倍。在每个混合管41的出口 66的正下游的位置处的高当量比可连续和有效地点燃通过母喷嘴的燃料-空气混合物，且从而可以甚至在火焰在贫油熄火(“LB0”)状态附近操作时用于稳定火焰。
[0045]图6和图7包括比较导向喷嘴40内的单个混合管41相对于燃料喷嘴12的中心轴线36(8卩，如可由外围壁50限定)的不同定向的简化侧视图。图6示出具有轴向配置的混合管41，其是上文中关于图3至图5论述的配置。如所指出的，混合管41大致平行于中心轴线36对准，以便从那里(即，从出口 66)排出的燃料-空气混合物具有近似平行于燃料喷嘴12的中心轴线36的下游延续的排出的方向(“排出方向”)80。
[0046]如图7中所示，根据本发明的备选实施例，混合管41包括在下游端处的斜向出口区段79，其相对于燃料喷嘴12的中心轴线36成角度或沿切向斜向。在这种方式下构造，从出口66流动的燃料-空气混合物具有从斜向出口区段79的切向斜向定向延伸且遵循该定向的排出方向80。如在本文中所用的，斜向出口区段79可关于锐角的切向角度81限定，该角度相对于轴向参考线82(如在本文中使用的，其限定为平行于中心轴线36的参考线)的下游方向形成。
[0047]如下文中更详细论述的，用于导向喷嘴40的性能优点可通过将若干混合管构造成包括这种斜向定向来实现。典型地，混合管41可各自类似地构造和平行地配置，但是在下文中更详细地论述的特定实施例包括对于这种情况的例外。混合管41的斜向出口区段79沿切向成角度的范围，即，形成在排出方向80与轴向参考线82之间的切向角度81的大小可变化。将认识到的是，切向角度81可取决于若干标准。此外，虽然结果可在某些值处最佳，但是可越过对于切向角度81的值的宽泛范围实现各种水平的期望性能益处。
【申请人】已经能够确定现在将公开的若干优选实施例。根据一个实施例，斜向混合管41的切向角度81包括在10°和70°之间的范围。根据另一实施例，切向角度81包括在20°与55°之间的范围。
[0048]虽然在图7中示出的简化版本仅示出一个混合管41，但是混合管41中的每一个可具有类似的配置，且相对于彼此可平行定向。当成角度的定向一致地应用到包括在导向喷嘴40中的多个混合管41中的每一个时，将认识到的是，排出方向的切向定向在导向喷嘴40的下游面72的正下游处形成涡流。如为本
【申请人】发现的那样，该涡流可用于实现将在下文中更详细地描述的某些性能优点。根据一个示例性实施例，可使得从混合管41排出的混合物与从主要流环带51离开的涡旋燃料-空气混合物“共同-涡旋”(即，在其中主要流环带51包括旋流器静叶56的情形中)。
[0049]如关于下文中提供的若干备选实施例描述的那样，混合管41可构造成以若干方式实现该切向成角度的排出方向80。例如，包括在弯头处连接的线性节段的混合管41(如在图7中)可用于使排出方向成角度。在其他情形中，如下文所提供的那样，混合管41可为弯曲的和/或螺旋形地形成，以便实现期望的排出方向。另外，可使用线性节段和弯曲或者螺旋节段的组合，以及允许混合管41的离开流动以相对于主要流环带51的中心轴线36成切向角度排出的任何其他几何形状。
[0050]图8至图12图示了包括根据本发明的具有成角度或者斜向构造的混合管41的示例性实施例。图8示出用于混合管41的示例性螺旋配置，且还设置为示出备选的优选配置，燃料和空气可通过其输送到导向喷嘴40的混合管41。在该情形中，外侧燃料通道85布置在中心体壁63内且从与燃料管道57的上游连接部轴向地延伸，如图3和图4中所示，燃料管道57还供应燃料到旋流器静叶56的端口 58。因此，考虑图8的配置，代替将燃料从相对于混合管41径向朝内定位的燃料压室输送，燃料从布置在混合管41的正外侧处的燃料通道85输送。
[0051]将认识到的是，外侧燃料通道85可形成为在中心体52的圆周周围形成的若干不连续管或者环形通路，以便期望地与混合管41的位置相符。可形成一个或多个燃料端口75以便将外侧燃料通道85流体连接到混合管41中的每一个。在这种方式下，混合管41的每一个的上游端可连接到燃料源。如进一步图示地，辅助流环带53可形成在中心体52内且轴向地通过其延伸以便将空气供应输送到混合管41的入口65的每一个中。与图3和图4的实施例不同，将认识到的是，中心体52的居中布置的中心供应管线54不用于输送燃料到混合管41。即便如此，可包括中心供应管线54以便提供或者允许用于燃料喷嘴12的其他燃料类型。在任何情形中，内部通路或者辅助流环带53可形成为伸长的通路，其限定在中心结构(诸如中心供应管线54的外表面)与中心体壁63的内表面之间。其他构造也是可能的。
[0052]类似于图7中教导的配置，混合管41中的每一个可包括斜向出口区段79，其相对于燃料喷嘴12的中心轴线36切向地成角度。在这种方式下，用于移动通过混合管41的燃料-空气混合物的排出方向80可相对于燃料喷嘴12的中心轴线36类似地斜向。根据图8至图1O的优选实施例，混合管41中的每一个包括过渡到下游螺旋区段87的上游线性区段86，其如指出的那样在中心轴线36周围弯曲。在一个实施例中，燃料端口 74位于上游线性区段86中，且下游螺旋区段87促进燃料和空气的混合，从而引起组分在混合管41内改变方向。已经发现该方向的改变形成辅助流动和湍流，其促进移动通过其的燃料-空气之间的混合，使得良好混合的燃料-空气混合物以期望的成角度的排出方向从混合管71出现。
[0053]根据优选实施例，多个混合管41设置在导向喷嘴40的圆周周围。例如，在十和十五个之间的管可限定在中心体壁63内。混合管41可以以有规律的周向间隔间隔开。由斜向出口区段79限定的排出方向80可构造成使得其与由旋流器静叶56在主要流环带51内形成的涡旋的方向一致或者沿相同的方向。更具体地，根据优选实施例，斜向出口区段79可沿着与旋流器静叶56相同的方向成角度，以便产生沿关于中心轴线36的相同方向涡旋的流。
[0054]另一示例性实施例在图11中提供，其包括具有用于混合管41的整个混合长度的弯曲螺旋形式的混合管41。如在本文中使用的，混合管41的混合长度是在初始(S卩，上游最远处)燃料端口 75的位置与出口 66之间的轴向长度。将认识到的是，混合管41中的每一个可包括至少一个燃料端口 75。根据备选实施例，每一个混合管41可包括多个燃料端口 75。燃料端口 75可沿着混合管41的混合长度轴向地间隔开。然而，根据优选实施例，燃料端口 75朝混合管41的上游端定位或者集中，其导致燃料和空气很早聚集在一起，于是可在组合流从出口66喷射到燃烧室32内之前发生更多的混合。
[0055]根据另一实施例，如图12中所示，混合管41的斜向部分可被限制到混合管41的正下游区段，其如图所示表示邻近出口 66的轴向狭窄的长度。利用该配置，仍可实现有益的结果，因为期望的旋转模式仍可在来自混合管41的共同排出物中引起。然而，混合管41内的燃料-空气混合水平可不及最佳。
[0056]图13至图16图示了其中线性和螺旋混合管41组合的额外实施例。图13和图14分别图示了其中线性轴向混合管41(8卩，平行于中心轴线36延伸的那些)可与斜向混合管41 一起配置在喷嘴40的中心体壁63内的优选方式的侧视图和透视图。如图所示，斜向混合管41可螺旋形地形成。将认识到的是，斜向混合管41还可形成为带有线性分段配置，其包括在节段之间的弯曲部或者弯头接合处，诸如图12的示例。将认识到的是，图15提供入口视图，其示出在导向喷嘴40的上游面71上的轴向和斜向混合管41的入口65。图16提供出口视图，其示出在导向喷嘴40的下游面72上的轴向和斜向混合管41的出口 66的代表性配置。根据备选实施例，斜向混合管41可构造成共同旋转，S卩，在中心轴线36周围沿与主要流环带51的母喷嘴的涡旋混合相同的方向涡旋。
[0057]轴向和斜向混合管都可从相同的空气和燃料源供应。作为备选，不同类型的混合管中的每一种可从不同的供应进给供应，使得到达混合管的燃料和空气的水平明显不同或者可控制。更具体地，将认识到的是，为每个管类型供应其自己的可控制的空气和燃料供应实现机械操作的灵活性，其可允许燃烧室内的燃料-空气比或当量比的调整或者调节。贯穿负载或者操作水平的范围可使用不同的设置，其如由本公开的
【申请人】所发现的，提供解决可在不同的发动机负载水平发生的特定关注领域的途径。
[0058]例如，在降负荷运转操作模式中，当燃烧温度相对于基准负载更低时，CO是主要关注的排放物。在这些情形中，当量比可增大以增加末梢区温以度用于改善CO燃烧。这是因为斜向混合管起作用以使母喷嘴反应物引回到喷嘴末梢，末梢区(即，喷嘴的末梢)的温度可保持比如果管不切向成角度时更冷。在一些情形中，这可促使燃烧器的排放物中的过量CO。然而，通过经由添加轴向混合管(如图13至图16中所示)来添加或者增加轴向动量，可改变、限制或控制再循环流的量，且因此，实现用于控制末梢区温度的器件。该方法因此可用作当发动机在某些模式中操作时改善燃烧特性和排放物水平的额外方式。
[0059]根据其他实施例，例如，本发明包括使用常规控制系统和方法以用于操纵两种不同类型的混合管之间的空气流水平。根据一个实施例，到轴向混合管41的气流可增大以防止来自母喷嘴的较冷的反应产物被引回到导向喷嘴40的末梢区内。这可用于增加末梢区的温度，其可降低CO的水平。
[0060]另外，燃烧动态可对反应区中的剪力具有强相关。通过调整引导通过不同类型的混合管(即，斜向和轴向)中的每一个的空气的量，剪力的量可调节到积极(positively)影响燃烧的水平。这可通过构造计量孔以便将不均匀的空气量输送到不同类型的混合管而实现。作为备选，主动控制设备可经由常规方法和系统安装和促动，以便改变操作期间的空气供应水平。此外，可创造控制逻辑和/或控制反馈回路以便设备的控制响应于操作模式或者测量的操作参数。如所提到的那样，这可导致根据发动机的操作模式(诸如当在完全负载或者减小的负载水平下操作时)或者回应所测量的操作者参数读数来改变控制设置。这些系统还可包括关于改变供应到不同类型的混合管的燃料量的相同类型的控制方法。这可通过预配置的构件构造(即，孔口尺寸等)或者通过更主动的实时控制实现。将认识到的是，操作参数(诸如燃烧室内的温度、声音变化、反应物流动模式)和/或涉及燃烧器操作的其他参数可用作这些控制系统中的反馈回路的部分。
[0061]将认识到的是，这些类型的控制方法和系统还可适用于本文中论述的其他实施例，包括在相同的导向喷嘴中涉及组合混合管的那些实施例中的任一个，这些组合管具有不同的构造或者涡旋方向(包括，例如，关于图17至图20论述的逆向涡旋实施例，或者图21和图22的实施例，其图示了其中流动管的子集可构造成具有包括径向分量的排出方向的方式)。此外，这些类型的控制方法和系统可适用于本文中论述的其他实施例，包括在相同的导向喷嘴中涉及组合混合管的那些实施例中的任一个，这些组合管具有不同的构造或者涡旋方向(诸如关于图17至图20论述的逆向涡旋实施例)。
[0062]另外，这些方法和系统可应用到其中混合管中的每一个以相同方式构造且彼此平行对准的导向喷嘴构造。在这些情形中，控制系统可操作以通过改变母喷嘴和导向喷嘴之间的空气和/或燃料分离来控制燃烧过程以影响燃烧特性。根据其他实施例，控制方法和系统可构造成使得在导向喷嘴的圆周周围不均匀地改变燃料和/或空气供应水平，这例如可用于中断某些流动模式，或用于防止有害的声音产生。这些措施可以在优先的基础上或者响应于探测到的异常而采取。例如，燃料和空气供应可对混合管的特定子集增加或者减少。该动作可在预定周期的基础上、响应于测量操作参数或者其他状态而采取。
[0063]图17至图20图示了额外的示例性实施例，其中，斜向混合管41具有限定在中心体壁63内的逆向涡旋构造。图17和图18分别图示了中心体壁63内的逆向涡旋的螺旋混合管41的代表性配置的侧视图和透视图。将认识到的是，图19提供了导向喷嘴40的入口视图，其图示了在导向喷嘴40的上游面71上的逆向涡旋的螺旋混合管41的入口 65的代表性配置。图20提供了导向喷嘴40的出口视图，其图示了其中逆向涡旋的螺旋混合管41的出口66可配置在导向喷嘴40的下游面72上的优选方式。将认识到的是，逆向涡旋的斜向混合管41的添加可在上文所论述的方式下使用以控制喷嘴的末梢区的温度。另外，逆向涡旋的斜向混合管由于通过逆向涡旋的导向流引起的增加剪力而促进末梢区域中的更大混合，这对于某些操作状态是有利的。
[0064]图21和图22图示了备选实施例，其中径向分量添加到混合管41的排出方向。将认识到的是，图21示出了混合管的备选实施例的出口视图，其包括到排出方向的外侧分量。相比而言，图22示出了混合管的备选实施例的出口视图，其包括到排出方向的内侧分量。在这些方式中，本发明的斜向混合管可构造成在排出方向中具有径向分量和切向分量两者。根据备选实施例，混合管可构造成具有这样的排出方向，其具有径向分量但是没有周向分量。因此，内侧和外侧径向分量可添加到轴向和斜向混合管中的任一者中。根据示例性实施例，内侧和/或外侧径向分量的角度可包括在0.1°与20°之间的范围。如上文中所提到的，径向分量可包括在混合管的子集上且从而可用于操纵导向喷嘴的剪力效应以便有利地控制再循环。
[0065]图23示意性示出具有包括轴向出口区段的轴向混合管41的导向喷嘴40的方向流分析的结果，而图24示意性示出具有斜向出口区段的斜向混合管41的方向流分析的结果。如图所示，轴向混合管41可与由母喷嘴引起的涡旋形成的反向流相反，这可损害火焰稳定性且增大贫油熄灭的可能性。相比而言，斜向出口区段可构造成使导向反应物在燃料喷嘴轴线周围沿着与在主要或者母喷嘴中形成的涡旋相同的方向涡旋。如结果指示的，该涡流证明是有益的，因为导向喷嘴现在与母喷嘴合作工作以创造和/或加强中心再循环区。如图所示，与斜向混合管相关联的再循环区包括许多更显著的且集中的再循环，其导致携带的反应物从下游远处的位置回到燃料喷嘴的出口。将认识到的是，中心再循环地带是用于漩涡稳定燃烧的基础，因为燃烧的产物引回到喷嘴出口且引入新鲜的反应物，以便确保那些反应物的点火，且从而继续该过程。因此，斜向混合管可用于改善再循环且从而进一步稳定燃烧，其可用于进一步稳定可允许更低的NOx排放物水平的贫燃料-空气混合物。另外，如论述的那样，具有斜向混合管的导向喷嘴可允许涉及CO排放物水平的性能益处。这是由于在燃料喷嘴的出口处形成局部热区的富化循环而实现的，其附着喷嘴火焰且允许进一步的CO燃尽。另外，通过本发明的斜向混合管产生的显著再循环可帮助CO燃尽，其通过使燃烧期间产生的产物和CO混合回到中心再循环区内以便使CO在未燃烧的情况下逸出的机会尽可能小而实现。
[0066]该书面描述使用示例来公开本发明，包括其最佳模式，且还使得本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它示例意图在权利要求的范围内。
【主权项】
1.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括: 轴向地伸长的中心体； 轴向地伸长的外围壁，其形成在所述中心体周围以便限定其间的主要流环带，其中，所述外围壁限定所述燃料喷嘴的中心轴线； 与所述主要流环带的上游端处于流体连通的主要燃料供应和主要空气供应；以及 包括所述中心体的下游区段的导向喷嘴，所述导向喷嘴包括: 轴向地伸长的混合管，其限定在中心体壁内，所述混合管中的每一个在通过所述导向喷嘴的上游面限定的入口与通过所述导向喷嘴的下游面形成的出口之间伸长； 燃料端口，其定位在所述混合管中的每一个的入口和出口之间，用于将所述混合管中的每一个连接到辅助燃料供应;以及 辅助空气供应，其构造成与所述混合管中的每一个的入口流体地连通； 其中，所述混合管包括多个斜向混合管和多个轴向混合管； 其中，所述斜向混合管是所述混合管中相对于所述燃料喷嘴的中心轴线成角度的混合管以便在来自其的共同排出物中引起下游涡流。2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管相对于所述燃料喷嘴的中心轴线沿切向斜向； 其中，所述共同排出物包括来自所述多个斜向混合管的组合的燃料和空气排出物； 其中，所述斜向混合管构造成使得所述共同排出物的所述涡流沿与由所述主要流环带的旋流器静叶引起的涡流相同的方向涡旋;并且 其中，所述轴向混合管是所述混合管中相对于所述燃料喷嘴的中心轴线平行的混合管。3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述混合管各自包括出口区段，其包括所述混合管的位于所述出口附近的轴向狭窄下游区段，所述出口区段限定通过其的中心轴线； 其中，所述斜向混合管构造成使得所述出口区段的中心轴线的延续包括相对于所述燃料喷嘴的中心轴线的下游延续的锐角切向排出角;并且 其中，所述轴向混合管构造成使得所述出口区段的中心轴线的延续包括相对于所述燃料喷嘴的中心轴线的下游延续的大约0°的排出角。4.根据权利要求3所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述导向喷嘴的斜向混合管中的每一个包括相对于彼此的平行配置;并且 其中，所述斜向混合管的切向排出角包括在10°和70°之间的角度。5.根据权利要求3所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述中心体包括轴向堆叠区段，其包括:包括辅助燃料供应和辅助空气供应的前区段;以及构造为所述导向喷嘴的后区段； 其中，所述中心体的前区段包括:轴向地延伸的中心供应管线；以及，形成在所述中心供应管线周围的辅助流环带，所述辅助流环带在朝所述中心体的上游端形成的到空气源的连接部与所述导向喷嘴的上游面之间轴向地延伸;并且 其中，所述中心体壁限定所述中心体的外壁且限定所述辅助流环带的外侧边界。6.根据权利要求5所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述主要流环带包括旋流喷嘴，其包括: 越过所述主要流环带径向地延伸的多个旋流器静叶；以及 燃料通路，其延伸通过所述旋流器静叶以便将通过所述旋流器静叶的外表面形成的燃料端口连接到燃料压室； 其中，所述旋流器静叶包括相对于所述中心轴线沿切向成角度的定向以用于引起来自其的下游流沿第一方向在所述中心轴线周围涡旋。7.根据权利要求6所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管和所述轴向混合管中的每一个的燃料端口包括侧向燃料端口以用于经由通过侧壁形成的开口喷射燃料;并且 其中，用于所述斜向混合管和所述轴向混合管中的每一个的燃料端口包括相对于通过其的空气流的上游位置。8.根据权利要求6所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管和所述轴向混合管中的每一个包括多个所述燃料端口，并且其中，所述多个燃料端口包括相对于通过其的空气流的上游集中。9.根据权利要求6所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管和所述轴向混合管中的每一个构造成接受通过所述入口的空气流和通过所述燃料端口的燃料流以用于通过所述出口排出其混合物;并且 其中，所述出口与所述燃烧器的燃烧室流体地连通。10.根据权利要求7所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述轴向混合管各自包括限定在上游燃料端口与所述出口之间的混合长度； 其中，所述轴向混合管的混合长度包括线性配置。11.根据权利要求10所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管各自包括限定在上游燃料端口与所述出口之间的混合长度； 其中，对于所述混合长度，所述斜向混合管各自包括分段配置，所述分段配置包括到接合处的每一侧的上游节段和下游节段，所述接合处标志对于所述斜向混合管的方向改变。12.根据权利要求11所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管各自包括其中所述上游节段是线性的且所述下游区段是弯曲的配置。13.根据权利要求12所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管各自包括一种配置，其中，所述上游节段是线性的且轴向地定向，且所述下游节段是弯曲的且在所述燃料喷嘴的中心轴线周围螺旋地形成;并且 其中，所述上游区段包括小于所述斜向混合管的混合长度的一半的混合长度。14.根据权利要求11所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管的切向排出角包括在20°与55°之间的角度。15.根据权利要求11所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管构造成使得所述共同排出物的涡流沿如通过由所述主要流环带的旋流器静叶产生的涡旋下游流的方向限定的所述第一方向涡旋。16.根据权利要求15所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述导向喷嘴包括在五与二十五个之间的所述斜向混合管以及在五与二十五个之间的所述轴向混合管； 其中，所述斜向混合管在所述中心体壁内以规律间隔周向地间隔开;并且 其中，所述轴向混合管在所述中心体壁内以规律间隔周向地间隔开。17.根据权利要求16所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述多个斜向混合管包括相对于所述多个轴向混合管的外侧位置。18.根据权利要求16所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述多个斜向混合管包括相对于所述多个轴向混合管的内侧位置。19.根据权利要求17所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述多个斜向混合管和所述多个轴向混合管包括同样数目的混合管。20.根据权利要求19所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述导向喷嘴的下游面包括输出的阵列，其中，所述斜向混合管的输出相对于所述轴向混合管的输出成角度时钟刻度状配置；并且 其中，所述输出的阵列的所述成角度时钟刻度状配置包括所述斜向混合管的输出相对于所述轴向混合管的输出成角度交错。21.根据权利要求19所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述导向喷嘴的下游面包括输出的阵列，其中，所述斜向混合管的输出相对于所述轴向混合管的输出成角度时钟刻度状配置；并且 其中，所述出口的阵列的所述成角度时钟刻度状配置包括所述斜向混合管的出口定位成与所述轴向混合管的出口成角度地相符。22.根据权利要求16所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管相对于所述燃料喷嘴的中心轴线沿径向斜向；并且 其中，所述斜向混合管朝着所述燃料喷嘴的外侧方向以0.1°和20°之间的角度沿径向斜向。23.根据权利要求16所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述斜向混合管相对于所述燃料喷嘴的中心轴线沿径向斜向；并且 其中，所述斜向混合管朝着所述燃料喷嘴的内侧方向以0.1°和20°之间的角度沿径向斜向。
【文档编号】F23R3/38GK205481129SQ201521118866
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年12月30日
【发明人】J.T.斯图尔特, C.C.威尔逊, R.M.瓦沙姆
【申请人】通用电气公司