专利名称：燃料喷射器喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于燃料喷射器的喷嘴，还涉及一种用于将雾化 液体燃料供给至一装置(诸如燃气轮机发动机)的燃料喷射器的喷嘴.
背景技术：
已有用于将雾化液体燃料液滴供给至燃气轮机发动机的燃烧室的
燃料喷射器喷嘴. 一个示例在欧洲专利申请EP1139021中介绍，该欧洲 专利申请EP1139021的
公开日为2001年10月4日，发明人与本申请相同。 EP1139021的图l-3复制在此作为本申请的图l-3。
图l表示了用于燃气轮机发动机的燃烧装置，该燃烧装置包括燃烧 器IO、涡流器12、预燃烧室14和主燃烧室16。涡流器12包括多个叶片 18 (也见图2)，这些叶片18确定了居间通道20，从歧管22向该居间通 道20供给压缩空气。该燃烧装置可以流出液体燃料，在这种情况下， 液体燃料通过在燃烧器面26处的喷嘴24而注入。喷嘴24根据负栽情况 而以两种不同模式来工作。在高负载时，供给压力(因此通过喷嘴的 流量)足够高，以便获得良好的燃料雾化，且喷嘴并不带电。不过， 在低负栽时，流量降低，因此雾化减弱。因此，当负栽降低时，施加 给喷嘴的电压增加，从而提高雾化'
图2是涡流器12和燃烧器10的平面图，表示了环绕燃烧器周向布置 的喷射喷嘴24，而图3更详细地表示了喷射喷嘴.喷嘴24包括喷嘴本体 26，该喷嘴本体26具有圆形截面的旋流腔室28。液体燃料通过一组狭 槽30而供给至旋流腔室28中，并通过喉部32和截头锥形形状的通道34 而沿方向A向出口孔36抛出。由于燃料在旋流腔室中的强烈涡流运动， 燃料趋向于沿着通道34的内表面38，并当它膨胀离开通道34而进入涡 流器通道20内的气流中时被雾化，从而形成小液滴。
管状导电电极40布置在喷嘴24的出口端部附近。电极40有尖锐边 缘42，该尖锐边缘42沿燃料通过喷嘴时的运行方向延伸。绝缘层44、 46布置在电极40的两侧。
在沿着内壁38的燃料流离开出口 36时开始破碎成液滴的位置点处，燃料受到静电电荷.电源和控制单元48 (见图l)将通过环形导体50而向电极40供给电压。
对燃料进行静电充电主要是在发动机以低负载运行时(即当较少燃料提供给喷嘴24时)很有利。这时，这种充电将帮助控制燃料的雾化和气化、燃料布局和燃烧强度。相反，当发动机满负栽运行时，可以没必要使用静电充电。
在EP1139021中公开的燃料喷射喷嘴的缺点是它很复杂，因此制造昂贵。此外，喷嘴占据的容积(特别是沿轴向方向)相当大。
发明内容
本发明的目的是减轻这些缺陷。
根据本发明，提供了一种用于燃料喷射器的喷嘴，该燃料喷射器用于供给雾化液体燃料，该喷嘴包括电极，该电极包括包含孔的基本平面形导电部件，该孔的边缘尖锐，以便使该电极能够给予电荷；第一和第二绝缘部件，该笫一和笫二绝缘部件分别布置在导电部件的
平面的两侧，该笫一绝缘部件布置在喷嘴的出口侧；以及涡流器装置，用于向孔提供涡旋液体燃料流，燃料在该孔内进行涡旋时所围绕的轴线与电极的平面基本垂直，其中，在使用喷嘴时，电极将电荷给予该孔内的涡旋液体燃料流，使得该喷嘴供给带电荷的雾化燃料液滴。
第一和第二绝缘部件可以分别有第一和第二孔，该第一和第二孔
与导电部件的孔基本同轴。第二孔可以大于第一孔。而且，导电部件的孔可以小于第一孔。
导电部件的厚度可以在笫二孔和导电部件的孔之间沿径向方向减小。导电部件的厚度减小可以为基本成线性。
该喷嘴还可以包括分别布置在笫一和笫二绝缘部件的外部平面侧的第一和第二基本平面形部件，第一基本平面形部件包括出口孔，用于供给所述带电荷的雾化燃料液滴。优选是，出口孔的尺寸基本与笫一孔相同。
涡流器装置可以是径向涡流器装置，它可以包括径向通道，该径向通道布置在第二绝缘部件中，并与笫二孔连通。
也可选择，涡流器装置可以是轴向涡流器装置。在这种情况下，通道可以布置在第二基本平面形部件中，并与第二孔连通，所述通道定向成使得进入的燃料具有轴向和切向流动分量。
下面将参考附图通过示例来介绍本发明的实施例，附图中
图l和2是已知的燃气轮机燃烧系统的剖视图，且图3是用于图l和2
的燃烧系统中的已知燃料喷射喷嘴的剖视图4 (a)是穿过本发明的概括性燃料喷射喷嘴的剖视图，图4 (b)
是图4 (a)的一部分的平面图5是图4 (a)中所示的喷嘴的笫一实施例的透视图6和图7 (a) 、 7 (b)与图5的视图相对应，表示了喷嘴的工作
模式；
图8 (a)是图4 (a)中所示的喷嘴的笫二实施例的透视图；以及图8 (b)和8 (c)分别是下部基本平面形部件的剖视图和平面图，该下部基本平面形部件形成图8 U)的喷嘴的一部分.
具体实施例方式
下面参考图4 (a)，图中概括性表示了本发明的燃料喷射喷嘴，它包括层叠布置的部件。这些部件是:上部或第一平面形部件100、上部或第一平面形绝缘层102、平面形导电部件104、下部或笫二平面形绝缘层106以及下部或第二平面形部件108。应当知道，"平面形"的意思是相关部件总体上或基本上扁平，且不需要完全且均匀地扁平。这些部件和层以任意合适方式保持在一起，例如通过夹持。图4(b)是图4(a)中恰好从导电层104上面向下看时的视图，且只包括由线IIO
划出的喷嘴的中心圆形部分。
优选是，平面形部件IOO、 108由金属构成，而绝缘层优选是由云母或陶瓷材料构成。硅基化合物并不合适，因为它们受到氢的侵蚀。为了防止腐蚀和在较长时间保持尖锐，导电部件104优选是由硬且耐热的材料构成，例如在EP1139021中提及的高速工具钢或Stellite 6 (商标)。
在其中一个下部部件(例如下部平面形部件108)中设有一系列孔112，这些孔112布置成给予流过这些孔的液体燃料一旋转流动分量。涡旋燃料进入由线110确定的空间，流经导电部件104，并通过出口孔114流出，从而作为燃料液滴排出.沿该通路，燃料获取通过在导电部
件104和参考电势点(例如地)之间施加合适高电压而产生的电子电荷。因为平面形部件100和108由金属制造，因此假定它们将同样保持在参考电势点(例如地)。
图5中表示了对应于本发明第一实施例的更实际的第一喷嘴结构，在图5 (该图5是喷嘴的透视图)中，液体燃料通过布置于下部绝缘层中的通道120而引入，这些通道对应于图1和2中所示的通道20，因此给予进入的燃料较大的切向流动分量和较小的径向流动分量.涡旋燃料首先占据在下部绝缘层106中形成的孔，然后升高至在上部绝缘层102中形成的更小孔内，途中经过导电部件104的尖锐边缘，导电部件的充电作用与结合图4 (a)所解释的相同。最后，仍然涡旋的燃料经过上部绝缘层102和上部平面形部件100的孔(这些孔为大致相同尺寸)，并通过出口孔114而离开喷嘴，在该出口孔114处，燃料表现为带电荷的液滴。
喷嘴的工作在图6中看得更详细。进入的燃料充满下部绝缘层的孔的外部部分122，而避开该内部部分124。因此，外部部分122构成旋流腔室，而内部部分124在喷嘴中保持为空。该作用来自于由涡旋运动在燃料上施加的离心力。在该图中，该力使得燃料具有旋转方向128。因此，燃料薄膜126形成于导电部件104、上部绝缘层102和上部平面形部件100附近。因此，燃料在它升高经过导电部件104的边缘时很容易带上电荷。排出的雾化燃料可以看见为液滴130。
图7 (a)和7 (b)详细表示了导电部件104的结构和作用。图7 (a)与图6相对应。图7 (a)中由虚线圆标出的部分在图7 (b)中更详细表示。在该图中，来自尖锐边缘140的电子流由点线142表示，且涡旋经过尖锐边缘的燃料的方向由箭头144表示。顺便说明，优选是导电部件104的尖锐边缘并不伸出超过上部绝缘层102，以避免在该区域产生湍流的可能性，
导电部件104的厚度在形成下部绝缘层106的孔的环面和形成上部绝缘层102的孔的环面之间基本线性降低.这有助于使液体燃料从旋流腔室122流入由上部绝缘层102和上部平面形部件100的孔形成的通道中。
图8 (a) -8(c)表示了本发明的喷嘴的第二实施例。在该实施例中，涡流器作用是由燃料狭槽150的轴向结构来产生。这些狭槽150形成于下部平面形部件108中。图8 (b)是沿图8 (a)中的线VIIIb穿过下部平面形部件的剖视图，表示了穿过下部平面形部件的狭槽的倾斜方向。该倾斜方向是与穿过这些狭槽150延伸的假想圆152(如图8 (c)中所示)大致相切的方向。因此，进入的燃料在旋流腔室中呈现轴向和切向的流动分量。该作用与图5-7的径向涡流器类型的作用相似，除了燃料在通过喷嘴时被加速更多(由于轴向流动分量)。
当电极104的边缘140称为尖锐时，这意味着足够尖锐以便当燃料液滴快速离开喷嘴出口114时给予燃料液滴电荷，仅仅是举例，可以考虑，该要求能够用这样的边缘140来满足，即，该边缘140的夹角大约为半度，且半径不超过大约一微米，但这些并不是硬性要求的数字.
尽管已设想电极104在其径向内侧端处具有倾斜型面，但是并不绝对必须这样。不过优选是如前所述，以便当燃料从进口通道通入电极104和笫一平面形层102的孔区域中时提高燃料的流动特性。
为了保证从导电部件放出的电子能够使经过的燃料可靠地带电荷，理想的是考虑电子会趋于通过烃燃料(该烃燃料通常导电)而流向地。这通过使得经过导电部件的液体燃料有合适流速而实现。
对怎样确定通过喷嘴的合适流速的详细说明例如包含在A. J.Kelly的文章"The Electrostatic Atomization of Hydrocarbons"(Journal of the Institute of Energy, 1984年6月，pp312-320 )中。根据该文章，市场上的大部分烃具有在2 x 10、/m范围内的电击穿强度。 一旦电荷通过充电电极注入至燃料流中，它将在流体中停滞。随后，电荷受到流体流和电场力(该电场力作用成将电荷吸向孔电极)的作用。如前所述，该孔电极(本发明中的平面形部件IOO)将相对于充电电极(本发明中的电极104)上的电势保持在参考电势。对于市场上的充氧烃，电迁移率通常在10义10-8mVv.sec内(电迁移率是微粒在存在电场时被加速到的极限速度与该场的大小的比率)。因此，对于2x 10、/m的最大电场，电荷的迁移为大约2m/s。这意味着在理想情况下流体应该以〉2m/s的速度冲过喷嘴，以便可靠保持电荷和提供良好雾化。
应当知道，生物燃料的介电常数(电击穿强度)比标准燃料高大约50%。因此，当如上所述市场上的大部分燃料具有2 x 10、/111的介电常数时，大部分生物燃料将有大约3x 10'V/m的介电常数，因为假定生物燃料的电迁移率大致与标准燃料相同(即大约10:10-SmVV.sec)，因此当保持相同充电效率时，喷嘴流速将需要为~ 3m/s.
类似的，当硅酮油用作经过喷嘴的燃料时，它将有大约1,5 x 107V/m的介电常数.再有，假定生物燃料的电迁移率与标准燃料具有相同量级，喷嘴的合适流速应当为l. 5m/s。
权利要求
1. 一种用于燃料喷射器的喷嘴，该燃料喷射器用于供给雾化液体燃料，该喷嘴包括电极，该电极包括包含孔的基本平面形导电部件，该孔的边缘尖锐，以便使该电极能够给予电荷；第一和第二绝缘部件，该第一和第二绝缘部件分别布置在该导电部件的平面的两侧，该第一绝缘部件布置在喷嘴的出口侧；以及涡流器装置，用于向该孔提供涡旋液体燃料流，燃料在该孔内进行涡旋时所围绕的轴线与该电极的平面基本垂直，其中，在使用该喷嘴时，该电极将电荷给予该孔内的涡旋液体燃料流，使得该喷嘴供给带电荷的雾化燃料液滴。
2. 根据权利要求l所述的喷嘴，其中，第一和第二绝缘部件分别 有第一和笫二孔，该第一和第二孔与该导电部件的孔基本同轴。
3. 根据权利要求2所述的喷嘴，其中，第二孔大于第一孔.
4. 根据权利要求3所述的喷嘴，其中，该导电部件的孔小于第一孔。
5. 根据权利要求4所述的喷嘴，其中，导电部件的厚度在第二孔 和导电部件的孔之间沿径向方向减小。
6. 根据权利要求5所述的喷嘴，其中，导电部件的厚度基本成线 性地减小。
7. 根据前述任意一项权利要求所述的喷嘴，还包括分别布置在第 一和第二绝缘部件的外部平面侧的第一和第二基本平面形部件，第一基本平面形部件包括出口孔，用于供给所述带电荷的雾化燃料液滴。
8. 根据权利要求7所述的喷嘴，其中，出口孔的尺寸基本与笫一 孔相同。
9. 根据权利要求2至8中任意一项所述的喷嘴，其中，该涡流器装 置是径向涡流器装置。
10. 根据权利要求9所述的喷嘴，其中，该径向涡流器装置包括径 向通道，该径向通道布置在第二绝缘部件中，并与第二孔连通。
11. 根据权利要求2至8中任意一项所述的喷嘴，其中，该涡流器 装置是轴向涡流器装置。
12. 根据权利要求ll所迷的喷嘴，其中，该轴向涡流器装置包括通道，该通道布置在笫二基本平面形部件中，并与第二孔连通，所述 通道定向成使得进入的燃料具有轴向和切向流动分量。
全文摘要
一种用于燃料喷射器(特别是用于燃气轮机发动机)的喷嘴包括平面形导电电极(104)，该电极有形成孔的尖锐边缘；在电极上面的上部绝缘层(102)和在电极下面的下部绝缘层；以及涡流器装置(112)，用于在引入喷嘴内的液体燃料中产生旋转作用。旋转轴大致与电极平面垂直。在使用时，旋转燃料经过下部绝缘层的孔、导电电极的孔和上部绝缘层的孔。当燃料经过电极的孔时，电极使得旋转燃料带电荷，这样，喷嘴从出口孔供给雾化燃料的带电荷液滴。涡流器装置可以是径向或轴向涡流器装置。
文档编号F23C99/00GK101535715SQ200780040900
公开日2009年9月16日 申请日期2007年9月6日 优先权日2006年11月2日
发明者N·威尔布里厄姆 申请人:西门子公司