具有用于第二燃烧室级的双出口燃料预混合喷嘴的燃气涡轮发动机的制作方法

本发明的开发部分地受到美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42644支持。因此，美国政府在本发明中可具有特定权利。

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及一种位于燃气涡轮发动机的燃烧室的第二燃料级（secondary fuel stage）处的喷嘴。

背景技术：

在燃气涡轮发动机中，燃料被从燃料源输送至燃烧部段，在那里，燃料与空气混合并且被点燃，以产生限定工作气体的热的燃烧产物。工作气体被导引至涡轮部段，在那里，它们引起涡轮转子的旋转。已经发现的是，通过在主燃烧区的下游提供待点燃的燃料的一部分，能够减少来自燃烧部段中的燃烧燃料的NOx气体的产生。

图1图示了燃气涡轮发动机110中包括的环管式燃烧系统的常规的燃烧室112。加压空气与来自主燃料喷射器166和辅助燃料喷射器168的燃料混合，并且在主燃烧区143中点燃，从而产生包括热的工作气体144的燃烧产物。燃烧室112还包括位于二次燃烧区170处的第二燃料级114，所述二次燃烧区170位于主燃烧区143的下游。第二燃料级114包括喷嘴118，所述喷嘴118定位成将空气/燃料混合物喷射到二次燃烧区170中。图2图示了用在燃烧室112的二次燃烧区170处的常规的喷嘴118，所述喷嘴118具有喷射空气燃料混合物的单一出口。

附图说明

根据附图在下面的描述中解释本发明，附图示出了：

图1为用于燃气涡轮发动机中的常规的燃烧室的侧向剖视图；

图2为用于图1的燃烧室的第二燃料级中的喷嘴的透视图；

图3为图1的燃烧室的第二燃料级的下游位置处的温度分布；

图4为用于燃气涡轮发动机中的燃烧室的侧向剖视图；

图5为用于图4的燃烧室的第二燃料级中的喷嘴的透视图；

图6为图4的燃烧室的第二燃料级的下游位置处的温度分布；

图7为图4的燃烧室的示意图；以及

图8为图1和图4的燃烧室的第二燃料级的下游的平均温度和峰值温度的示图。

具体实施方式

本发明的发明人已认识到用于燃烧室112的第二燃料级114处的常规的喷嘴118的若干限制。例如，发明人认识到，常规的喷嘴118特征为单一的出口，而在二次燃烧区170内没有周向部分（circumferential component），从而导致喷射的空气/燃料混合物在相邻的喷嘴118之间的有限的周向混合。发明人还认识到，对于具有喷射浓空气燃料混合物的较小的开口（图2）的低空气分流喷嘴（air split nozzle）设计118'而言，该喷嘴之间的有限的周向混合甚至更加显著。图3图示了二次燃烧区170的下游的位置处的温度分布155，包括最大温度的峰值温度区域156。发明人认识到，峰值温度区域156位于喷嘴118之间，这是喷嘴118之间的有限的周向混合的结果。发明人还认识到，峰值温度区域156是明显较大的。如本领域技术人员所理解的，较大的峰值温度区域156导致燃烧室112内的最大燃烧温度增加，这又引起较高水平的NOx产生。

基于这些认识，本发明的发明人开发了一种用于燃烧室的第二燃料级的双出口喷嘴，其中，双出口具有周向部分，以增强喷射的空气/燃料混合物在相邻喷嘴之间的周向混合。通过改善喷射的空气/燃料混合物在相邻喷嘴之间的周向混合，燃烧室中的最大燃烧温度降低，这有利地导致较低水平的NOx产生。此外，不同于常规的喷嘴设计，改进的双出口喷嘴设计增强了周向混合并且降低了NOx产生，而无论喷嘴设计是适于低的空气分流还是高的空气分流（即，浓的空气燃料混合物或稀的空气燃料混合物）。

图4图示了燃气涡轮发动机10的燃烧室12，所述燃烧室12包括用于将燃料输送至燃烧室12的第二燃料级14。第二燃料级14沿燃烧室12的纵向轴线30以距离17与基板15分开。如图4中进一步图示的，多个喷嘴18被布置在第二燃料级14处，以将空气燃料混合物喷射到燃烧室12中。例如，在一个示例性实施例中，距离17在燃烧室12的直径的0.5-3.5倍的范围中。然而，第二燃料级14可以任何距离与燃烧室12的基板15分开，只要在第二燃料级14处从喷嘴18喷射的空气燃料混合物有效地降低燃烧室12内的NOx产生水平。

图5图示了具有单入口21和双出口20、22的喷嘴18。图5还图示了：喷嘴18限定了具有截面宽度42的开口40，选择所述截面宽度42以改变空气分流，并且因此，改变通过喷嘴18喷射的空气燃料混合物的空燃比。如图2的常规的喷嘴118、118'的设计一样，开口40的宽度42可以增加，以实现较高的空气分流（即，较稀的空燃比），并且可以减小，以实现较低的空气分流（即，较浓的空燃比）。

图6图示了多个喷嘴18被周向布置在第二燃料级14处，布置在正交于燃烧室12的纵向轴线30的平面中，其中，每个喷嘴18包括定向成具有周向部分（即，在图6的平面中）的双出口20、22。尽管图6图示了十二个喷嘴18在第二燃料级14处周向隔开，但本发明的实施例不限于十二个喷嘴，并且包括位于第二燃料级14处的任何数量的周向隔开的喷嘴。尽管双出口20、22被描绘为沿相反的周向方向定向，但所述双出口也可沿相同的周向方向定向。此外，尽管喷嘴18优选地包括双出口20、22，但所述喷嘴不限于双出口，并且可具有单一的出口或多于两个出口，只要所述出口在正交于燃烧室12的纵向轴线30的平面中具有周向部分。此外，图6图示了每个喷嘴18的双出口20、22在正交于纵向轴线30的平面内以角度32分开。例如，在一个示例性实施例中，角度32在30-40度的范围中。然而，角度32不限于任何特定的角度范围，只要双出口20、22沿周向方向定向，并且从喷嘴18喷射的空气燃料混合物有效地降低燃烧室12内的NOx产生水平。

图7图示了燃烧室12的示意图，所述燃烧室12包括：主燃烧区43（与图1的主燃烧区143相似）；以及位于主燃烧区43的下游的二次燃烧区70（与图1的二次燃烧区170相似），其中，喷嘴18被布置成将空气燃料混合物24喷射到来自主燃烧区43的工作气体44中。图7还图示了空气源34被耦接到喷嘴18，以将空气输送至喷嘴18，并且燃料源38被耦接到喷嘴18，以将燃料输送至喷嘴18。在一个示例性实施例中，空气源34可提供来自燃气涡轮发动机10的压缩机（未示出）的压缩空气的空气分流。例如，在另一示例性实施例中，燃料源38可以是次级燃料源，所述次级燃料源被耦接到燃烧室12的初级燃料源，所述初级燃料源将燃料输送至燃烧室12的主燃料喷射器和辅助燃料喷射器。喷嘴18被构造成在喷嘴18内混合空气和燃料，使得空气燃料混合物24从喷嘴18喷射，并且被喷射到燃烧室12的二次燃烧区70中。在一个替代性实施例中，喷嘴可以被设计为在美国专利公开号2011/0289928中公开的燃料喷射器38的改进，该美国专利转让给本申请的受让人并且通过引用整体地结合于本文中，其中，燃料喷射器38被修改为具有双出口，所述双出口以与喷嘴18的双出口20、22相同的方式具有周向部分。

图6图示了在第二燃料级14的下游的位置48处沿图4的线6-6所取的剖面温度分布55。例如，在一个示例性实施例中，位置48被定位在第二燃料级14的下游的喷嘴18的双出口20、22的1-3个出口直径的范围中。然而，本发明的实施例不限于第二燃料级14的任何特定的下游位置48。温度分布55包括位置48处的工作气体（即，夹带的空气燃料混合物24和工作气体44）的峰值温度区域56。每个喷嘴18的双出口20、22被定向成使得空气燃料混合物24在位置48处的峰值温度区域56具有凸的周界54。当沿顺时针方向横穿周界54时，周界54的斜率沿顺时针方向不断变化。类似地，当沿逆时针方向横穿周界54时，周界54的斜率沿逆时针方向不断变化。替代性地，凸的周界54可基于绕周界沿向外的方向弯曲的周界54。相反，在常规的燃烧室112中的峰值温度区域156（图3）具有凹-凸的周界158，使得在沿顺时针方向横穿周界158时，斜率在周界158的一部分上沿顺时针方向变化，并且在周界158的另一部分上沿逆时针方向变化。类似地，在沿逆时针方向横穿周界158时，斜率在周界158的一部分上沿顺时针方向变化，并且在周界158的另一部分上沿逆时针方向变化。

此外，工作气体在燃烧室12内的峰值温度区域56覆盖小于峰值温度面积阈值的面积。例如，峰值温度面积阈值可以是在常规的燃烧室112中的工作气体的温度分布的峰值温度区域156（即，在空气燃料混合物通过单出口喷嘴118来喷射的情况下的工作气体的峰值温度区域156），所述峰值温度区域156明显大于在燃烧室12内工作气体的峰值温度区域56。此外，峰值温度区域56与二次燃烧区70的截面面积的百分比小于阈值百分比。例如，峰值温度区域56的百分比可在2-10%的范围中。然而，峰值温度分布56的百分比不限于任何特定的范围。如果空气燃料混合物利用单出口喷嘴118喷射到燃烧室112中，则阈值百分比可以是在常规的燃烧室112中的峰值温度区域156（图3）与燃烧室112的二次燃烧区170的截面面积的百分比。例如，峰值温度分布156的百分比可在15-30%的范围中。

图8图示了在第二燃料级14的下游夹带的从双出口20、22喷射的空气燃料混合物24和工作气体44的峰值温度46的示图。图8还图示了在第二燃料级的下游夹带的从常规的燃烧室112的单出口118（图2）喷射的空气燃料混合物和工作气体144的峰值温度50的示图。喷嘴18的双出口20、22被定向成利用燃烧室12内的工作气体44夹带喷射的空气燃料混合物24，使得在第二燃料级14的下游的位置48处的峰值温度46小于温度阈值。在一个示例中，所述温度阈值是在下游位置处在常规的燃烧室112中夹带的从单出口喷嘴118喷射的空气燃料混合物和工作气体144的峰值温度50。图8还图示了在燃料级14的下游夹带的从双出口20、22喷射的空气燃料混合物24和工作气体44的平均温度47，以及在第二燃料级的下游夹带的来自常规的燃烧室112的单出口118（图2）的空气燃料混合物和工作气体144的平均温度49。尽管上面的实施例论述了喷嘴18的双出口20、22在第二燃料级14处具有周向部分，但喷嘴的出口无需具有周向部分，只要喷嘴有效地利用工作气体44夹带空气燃料混合物24，使得峰值温度分布56具有凸的周界54，和/或夹带的空气燃料混合物24和工作气体44的峰值温度46小于夹带的来自单出口喷嘴118的空气燃料混合物和工作气体的峰值温度50。

虽然本文已示出和描述了本发明的各种实施例，但将显而易见的是，这样的实施例仅作为示例提供。可以作出许多变型、改变和替换，而不脱离本文中的发明。因此，本发明意在仅通过所附权利要求的精神和范围来限制。