用于燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料喷嘴制造技术

本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，本专利技术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。
技术介绍
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。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。燃料－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。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。
技术实现思路
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涡流。附图说明图1示出了在其中可使用本专利技术的实施例的示例性燃气涡轮的框图；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；图3包括部分透视且部分为截面的视图，其描述了根据本专利技术的某些方面的示例性燃烧器喷嘴；图4示出了图3的燃烧器喷嘴的更详细的截面视图；图5示出了沿着图4中标记为5－5的视线截取的端视图；图6包括可在导向喷嘴中使用的混合管的简化侧视图；图7示出备选混合管的简化侧视图，其具有根据本专利技术的某些方面的斜向配置；图8示出描述示例性导向喷嘴的截面视图，其具有根据本专利技术的某些方面的斜向混合管；图9示出根据本专利技术的示例性实施例的斜向混合管的侧视图；图10包括图9的混合管的透视图；图11示出根据本专利技术的备选实施例的斜向混合管的侧视图；图12示出根据本专利技术的另一备选实施例的斜向混合管的侧视图；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；图14包括图13的混合管的透视图；图15示出图13的混合管的入口视图；图16示出图13的混合管的出口视图；图17示出另一个实施例的侧视图，其包括根据本专利技术的某些其他方面的逆向旋转螺旋混合管；图18包括图17的混合管的透视图；图19示出图17的混合管的入口视图；图20示出图17的混合管的出口视图；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；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；图23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。具体实施方式本专利技术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，或者可通过本专利技术的实践来教导。现在将对本专利技术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专利技术的实施例的相似或类似的部分。将认识到的是，每个示例通过解释本专利技术而不是限制本专利技术的方式提供。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，可在本专利技术中做出修改和变化。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，意图使本专利技术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。另外，已选定某些用语来描述本专利技术及其构件子系统和部分。这些用语尽可能地基于该
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。在理解本专利技术的范围时，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，但是本专利技术的技术可还适用于其他类型的涡轮发动机，如在相关
中由普通技术人员理解的那样。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”用本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2014.12.30 US 14/5858371.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：JT斯图尔特，CC威尔逊，RM瓦沙姆，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：新型
国别省市：美国;US