包括具有相应涡流发生器的相应预混合导管阵列的燃料喷嘴制造技术

本发明专利技术提供了一种燃料喷嘴，其包括用于燃烧涡轮发动机的涡流生成特征。内部预混合导管（20）阵列在喷嘴的入口端（14）与出口端（16）之间延伸。外部预混合导管（22）阵列可以相对于内部预混合导管（20）径向向外设置。燃料引导管（24）包括被构造成将燃料流引导到外部预混合导管（22）中以与空气流混合的燃料引导臂（26）。燃料引导臂包括钝体结构装置（30），该钝体结构装置可以设置在外部预混合导管（22）中的燃料喷射位置（32、32'）上游。所提出的喷嘴被视为提供优质的微混合能力，诸如，通过燃料射流在空气交叉流中的增加的穿透深度和/或在涡流生成特征下游的尾流区中形成涡流。

Fuel nozzle including corresponding premixed conduit array with corresponding vortex generator

The invention provides a fuel nozzle comprising a vortex generation characteristic for burning a turbine engine. The internal premixed conduit (20) array extends between the inlet end (14) of the nozzle and the outlet end (16). The external premixed conduit (22) array can be disposed radially outwardly relative to the internal premixed conduit (20). The fuel guiding tube (24) includes a fuel guiding arm (26) configured to guide the fuel flow into the external premixed conduit (22) to mix with the air stream. The fuel guide arm includes a blunt body structure device (30) which can be set up the fuel injection position (32, 32') in the external premixed catheter (22). The proposed nozzles are considered to provide high quality micro mixing capabilities, such as the increased penetration depth of the fuel jet in the air cross flow and / or the formation of eddy current in the wake area downstream of the eddy current formation characteristics.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括具有相应涡流发生器的相应预混合导管阵列的燃料喷嘴关于联邦政府资助的研发的声明本专利技术的研发部分地得到美国能源部授予的第DE-FC26-05NT42644号合同的支持。因此，美国政府在本专利技术中可以享有某些权利。
技术介绍
1.
所公开的实施例大体上涉及一种用于燃烧涡轮发动机（诸如，燃气涡轮发动机）的燃料喷嘴，并且更具体地涉及一种预混合型燃料喷嘴，在一个非限制性应用中，其可以用于分布式燃烧系统（DCS）的喷射子系统。2.相关领域的描述在燃气涡轮发动机中，燃料从燃料源被输送至燃烧区段，在燃烧区段中，燃料与空气混合并被点燃以生成限定工作气体的热燃烧产物。工作气体被引导至涡轮区段。燃烧区段可以包括一个或者多个级，每一级供应待点燃的燃料。参见与涉及将空气和燃料预混合的燃料喷嘴有关的美国专利第8,281594号和第8,752,386号。附图说明图1是可以有助于使体现所公开的方面的燃料喷嘴的一个非限制性实施例的上游端可视化的轴测图，该燃料喷嘴可以用在燃烧涡轮发动机的燃烧器中。图2是图1中所示的燃料喷嘴的上游端的立视图。图3是图1中所示的燃料喷嘴的下游端的立视图。图4是图示了可以包括外部预混合导管中的涡流发生器的钝体结构装置的一个非限制性实施例的细节的局部轴测图。图5是能够受益于所公开的实施例的燃烧涡轮发动机（诸如，燃气涡轮发动机）的一个非限制性实施例的简化示意图。具体实施方式本专利技术的专利技术人已经认识到在涉及将氧化剂（例如，空气）和气体燃料预混合的某些现有技术燃料喷嘴的情况中能够出现的某些问题。这些现有技术燃料喷嘴通常包括具有相对小的直径的大量点喷射阵列（在本领域中也称为微混合阵列），并且这种喷射阵列的制造可能涉及成本高昂的制造技术。鉴于这种认识，本专利技术人提出了一种改进的燃料喷嘴，该改进的燃料喷嘴具有预混合导管，该预混合导管构造有涡流生成特征，该涡流生成特征能够提供至少双重益处，诸如，燃料射流在空气交叉流（cross-flow）中的增加的穿透深度；以及由于在涡流生成特征下游的尾流区中形成涡流而产生的优质混合。即使在包括含有高氢含量的燃料混合物的应用中，所提出的燃料喷嘴能够额外地受益于更经济的制造技术，同时提供降低的NOx排放水平并且实际上实现无逆燃（flashback）操作。在以下详细描述中阐述了各种具体细节以便提供对这些实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施例，本专利技术不限于所描绘的实施例，并且本专利技术可以以各种替代实施例的方式实践。在其它情况下，本领域技术人员容易理解的方法、过程和部件没有被详细地描述以避免不必要和繁琐的解释。此外，可以将各种操作描述为按照有助于理解本专利技术的实施例的方式执行的多个离散步骤。然而，除非另有说明，否则描述顺序不应该被解释为暗示这些操作需要按照它们所呈现的顺序来执行，也不应该被解释为暗示这些操作甚至是顺序相关的。而且，重复使用短语“在一个实施例中”不必指示相同实施例，尽管其可能是相同实施例。要注意的是，所公开的实施例不需要被解释为互斥的实施例，因为这些公开的实施例的方面可以由本领域技术人员根据给定应用的需要适当地组合。除非另有说明，否则在本申请中所使用的术语“包括（composing）”、“包括（including）”、“具有（having）”等是同义词。最后，当在本文中使用时，短语“构造为”或者“设置为”包含以下概念：在短语“构造为”或者“设置为”之前的特征被有意地和特定地设计或者制作以按照特定方式起作用或者运行，并且不应该被理解为意指该特征仅具有按照特定方式起作用或者运行的能力和适用性，除非这样指示。图1是体现所公开的方面的燃料喷嘴10的一个非限制性实施例的轴测图，在一个非限制性应用中，该燃料喷嘴可以用在燃烧涡轮发动机（诸如，燃气涡轮发动机）的燃烧器中。燃料喷嘴10包括喷嘴主体12，该喷嘴主体具有入口端14（例如，上游端）和出口端16（例如，下游端），并且限定沿着燃料喷嘴的轴向方向在入口端14与出口端16之间延伸的中心轴线18。在大致对称的燃料喷嘴主体几何结构（例如，围绕中心轴线18呈对称）的情况中描述和图示了所公开的实施例。然而，要注意的是，这种几何结构应该仅在非限制性意义上进行解释，因为其它燃料喷嘴几何结构能够同样受益于下面结合涡流生成特征公开的概念。例如，燃料喷嘴几何结构可以是矩形的，诸如，可以结合燃料歧管型喷嘴来实施。在一个非限制性实施例中，内部预混合导管20阵列（图2和图3）在喷嘴主体的入口端14与出口端16之间延伸。内部预混合导管20阵列围绕喷嘴主体的中心轴线18周向设置。外部预混合导管22阵列（图1至3）在喷嘴主体的入口端14与出口端16之间延伸。外部预混合导管22阵列相对于内部预混合导管阵列20径向向外设置。外壁23可以用于周向围住外部预混合导管22。为了简化图示，在图1中省略了外壁23。将意识到的是，内部预混合导管20和外部预混合导管22的相应阵列被设计用于燃料和空气的有效微混合。例如，这些导管能够具有相对大的长度-直径比。喷嘴主体中的燃料引导管24（图1）包括多个径向延伸的燃料引导臂26。每个相应的燃料引导臂26可以在内部构造成将燃料流引导到外部预混合导管22中以便与在从入口端14朝向出口端16的方向上流动的空气流（在图1中用箭头28示意性地表示）混合。每个相应的燃料引导臂26可以包括相对于空气流28的钝体（bluff）结构装置30。钝体结构装置30可以设置在燃料喷射位置（诸如，将燃料喷射到外部预混合导管22中的一个或者多个中的燃料喷射孔口32（图4））的上游。图4是为了简化图示而省略将内部预混合管道20阵列与外部预混合导管22阵列分开的导管分离结构25（图2和图3）的局部轴测图。即，在内部预混合导管20和外部预混合导管22的相应阵列中实施相互独立的预混合。钝体结构装置30可以被概念化为外部预混合管道22中的涡流发生器的一个非限制性实施例。在一个非限制性实施例中，燃料可以作为交叉流射流（JICF）喷射。如本领域技术人员将意识到的，射流穿透深度的大小能够基本上有助于燃料/空气混合的质量。本专利技术人已经认识到的是，可以有效地使用钝体结构装置30来减小交叉流动量通量，这有利地增加了射流穿透深度，并且这显著地改善了外部预混合导管22中的燃料/空气混合的质量。额外地，如上面提到的，钝体结构装置30能够作为涡流发生器操作，该涡流发生器有效地在涡流生成特征下游的尾流区中形成涡流，并且所产生的大型湍流能够进一步改善外部预混合导管22中的燃料/空气混合的质量。在一个非限制性实施例中，每个相应的燃料引导臂26包括远端（诸如，球形远端34），该远端伸出到外部预混合导管22中的一个或者多个中。如上面提到的，远端34包括至少一个燃料喷射孔口32（图4），该至少一个燃料喷射孔口被设置成将相应的燃料射流喷射到外部预混合导管22中的一个或者多个中。将意识到的是，远端34不必具有球形构造，因为其他几何构造可以同样有效地使用，例如，立方体、梯形、其它弯曲形状等。在一个非限制性实施例中，钝体结构装置30包括一个或者多个指状件36（例如，涡流生成特征），该一个或者多个指状件从相应的燃料引导臂26的远端34延伸到外部预混合导管22中的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料喷嘴（10），所述燃料喷嘴包括：喷嘴主体（12），所述喷嘴主体具有入口端（14）和出口端（16）并且限定沿着所述燃料喷嘴的轴向方向在所述入口端与所述出口端之间延伸的中心轴线（18）；内部预混合导管（20）阵列，所述内部预混合导管阵列在所述喷嘴主体的所述入口端与所述出口端之间延伸，所述内部预混合导管阵列围绕所述喷嘴主体的所述中心轴线设置；外部预混合导管（22）阵列，所述外部预混合导管阵列在所述喷嘴主体的所述入口端与所述出口端之间延伸，所述外部预混合导管阵列相对于所述内部预混合导管阵列向外设置；以及所述喷嘴主体中的燃料引导管（24），所述燃料引导管包括多个燃料引导臂（26），每个相应的燃料引导臂被构造成将燃料流引导到所述外部预混合管道（22）中的至少一个中以便与空气流（28）混合，每个相应的燃料引导臂包括相对于空气流的钝体结构装置（30），所述钝体结构装置设置在将燃料喷射到所述外部预混合导管中的所述至少一个中的燃料喷射位置的上游。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.23 US 14/9485181.一种燃料喷嘴（10），所述燃料喷嘴包括：喷嘴主体（12），所述喷嘴主体具有入口端（14）和出口端（16）并且限定沿着所述燃料喷嘴的轴向方向在所述入口端与所述出口端之间延伸的中心轴线（18）；内部预混合导管（20）阵列，所述内部预混合导管阵列在所述喷嘴主体的所述入口端与所述出口端之间延伸，所述内部预混合导管阵列围绕所述喷嘴主体的所述中心轴线设置；外部预混合导管（22）阵列，所述外部预混合导管阵列在所述喷嘴主体的所述入口端与所述出口端之间延伸，所述外部预混合导管阵列相对于所述内部预混合导管阵列向外设置；以及所述喷嘴主体中的燃料引导管（24），所述燃料引导管包括多个燃料引导臂（26），每个相应的燃料引导臂被构造成将燃料流引导到所述外部预混合管道（22）中的至少一个中以便与空气流（28）混合，每个相应的燃料引导臂包括相对于空气流的钝体结构装置（30），所述钝体结构装置设置在将燃料喷射到所述外部预混合导管中的所述至少一个中的燃料喷射位置的上游。2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中，每个相应的燃料引导臂（26）包括远端（34），所述远端突出到所述外部预混合导管（22）中的所述至少一个中，其中，所述远端包括至少一个燃料喷射孔口（32）以便将相应的燃料射流喷射到所述外部预混合导管中的所述至少一个中。3.根据权利要求2所述的燃料喷嘴，其中，突出到所述外部预混合导管中的所述至少一个中的燃料引导臂（26）的所述远端（34）包括球形远端。4.根据权利要求2所述的燃料喷嘴，其中，所述钝体结构装置（30）包括至少一个指状件（36），所述至少一个指状件从所述相应燃料引导臂（26）的所述远端延伸到所述外部预混合导管中的所述至少一个中以便干扰经过其中的空气流，所述至少一个指状件相对于所述至少一个燃料喷射孔口设置在上游。5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中，每个相应的燃料引导臂（26）相对于所述内部预混合导管（20）中的空气流构成相应钝体，所述相应钝体被设置成径向地横过所述内部预混合导管阵列中的相应一个。6.根据权利要求5所述的燃料喷嘴，其中，所述燃料引导管（24）限定至少一个燃料喷射孔口（46）以便将燃料射流喷射到所述内部预混合导管中的相应一个中，其中，所述相应钝体相对于所述内部预混合导管中的所述相应一个中的所述至少一个燃料喷射孔口设置在上游。7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中，所述多个燃料引导臂（26）相对于空气流朝向下游方向从所述燃料引导管以相应角度倾斜延伸。8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中，所述多个燃料引导臂（26）相对于所述燃料引导管垂直延伸。9.根据权利要求3所述的燃料喷嘴，其中，所述球形远端包括两个燃料喷射孔口（32），所述燃料喷射孔口设置在所述球形远端的彼此相对的半球（38）处，其中，所述钝体结构装置（30）包括两个指状件，所述两个指状件从所述球形远端的所述彼此相对的半球延伸到所述外部预混合导管中的相应一个中以便干扰经过其中的空气流，所述两个指状件相对于所述两个燃料喷射孔口设置在上游。10.根据权利要求9所述的燃料喷嘴...

【专利技术属性】
技术研发人员：C贝克，J米多斯，
申请(专利权)人：西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：美国,US