CN101839178A - 具有热控制器的涡轮燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有热控制器的涡轮燃料喷嘴。在一个实施例中，一种系统包括具有空气路径、燃料路径和沿着空气路径的表面的涡轮(20)发动机(10)燃料喷嘴(12)。燃料路径可导向该表面。涡轮(20)发动机(10)燃料喷嘴(12)还可包括构造成以便加热表面的加热元件(13，79，84，122，142，152)。

Description

具有热控制器的涡轮燃料喷嘴

技术领域

本公开大体涉及用于涡轮发动机的燃料喷嘴的系统和布置，且更具体地，涉及涡轮发动机中的改进的燃料喷射、燃料空气混合和燃烧。

背景技术

燃气轮机发动机燃烧燃料空气混合物来产生热气，热气转而驱动涡轮使联接到一个或多个负载上的轴旋转。如所理解的，燃料空气混合物显著地影响发动机性能、燃料消耗和排放。特别地，液体燃料雾化或汽化不充分、液体或气体燃料混合不均匀或两者兼有可导致动力输出降低、特定燃料消耗增加以及排放增加。例如，排放可包括氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、一氧化碳和颗粒物质(PM)。由于燃料价格上涨且排放法规变得更加严格，所以最佳的燃料喷射和混合对于燃气轮机发动机来说变得日益重要。另外，液体燃料可在各种表面(例如在燃料喷射口附近)上导致焦化。因此，焦化可降低性能，且可能在表面上积聚不合需要的量之后需要进行清洁。

发明内容

下面对在范围方面与原本要求保护的发明相当的某些实施例进行了概述。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意图提供对本发明的可行形式的简要概述。实际上，本发明可包括类似于或异于下面阐述的实施例的多种形式。

在第一个实施例中，一种系统包括涡轮发动机，涡轮发动机包括涡轮、燃烧器、压缩机和设置在燃烧器中的燃料喷嘴，其中，燃料喷嘴包括构造成以便控制燃料汽化、焦化或它们的组合的热控制器。

在第二个实施例中，一种系统包括构造成以便产生使涡轮燃料喷嘴中的燃料流出的燃料膜的燃料预成膜器，以及构造成以便控制与燃料预成膜器相关联的燃料汽化和焦化的热源。

在第三个实施例中，一种系统包括具有空气路径、燃料路径和沿着空气路径的表面的涡轮发动机燃料喷嘴。燃料路径可导向该表面。涡轮发动机燃料喷嘴还可包括构造成以便加热表面的加热元件。

附图说明

当参看附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，在附图中，相同符号在所有图中始终表示相同部件，其中：

图1是根据本技术的一个实施例的、具有联接到燃烧器上的包括预成膜器和热源的燃料喷嘴的涡轮机系统的简图；

图2是根据本技术的一个实施例的、具有联接到端盖上的多个燃料喷嘴的如图1所示的燃烧器的剖面侧视图；

图3是根据本技术的一个实施例的、如图2所示的具有多个燃料预成膜器的燃料喷嘴的截面侧视图；

图4是根据本技术的一个实施例的、在图3所示的线4-4内得到的预成膜器、流动调节器和热控制器的截面侧视图；

图5是根据本技术的一个实施例的、在图3所示的线5-5内得到的预成膜器、流动调节器和热控制器的截面侧视图；

图6是如图4所示的联接到旋流器上的预成膜器和热源的另一个实施例的截面侧视图；

图7是根据本技术的一个实施例的、沿着图3所示的线7-7得到的包括多个燃料预成膜器的燃料喷嘴的截面端视图；以及

图8是如图5所示的联接到旋流器上的预成膜器和热源的另一个实施例的截面侧视图。

部件列表：

涡轮机系统10

预成膜器11

燃料喷嘴12

热源13

燃料供应14

温度控制器15

燃烧器16

箭头18

涡轮20

轴22

压缩机24

负载26

空气供应28

进气口30

箭头32

排气出口34

燃料喷嘴尖端36

端盖38

方向40

流动套管42

衬套44

空心环形空间45

过渡件46

压缩空气通道48

管49

法兰50

管道51

压缩空气通道52

管道53

燃料通道54

旋流喷嘴56

导叶孔57

下游方向58

波纹管59

下游预成膜器60

下游方向61

喷嘴端部65

弯曲截面68

孔70

流动调节器71

燃料导管72

下游方向73

下游预成膜器74

纵向轴线75

预成膜器部件76

方向77

箭头78

热源79

空气流80

加热元件84

下游后缘86

旋流喷嘴翼型件88

燃料端口90

燃料流92

箭头94

预成膜器表面96

所示预成膜器118

弯曲截面120

加热源122

销124

空气流126

通路128

经加热的空气流130

方向132

预成膜器内表面134

箭头136

托架140

传导性加热元件142

预成膜器144

下游预成膜器150

热源152

腔体154

预成膜器表面156

空气流158

端口160

箭头162

箭头164

箭头166

腔体168

下游后缘170

具体实施方式

下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据不同的实现彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。

如在下面详细论述的，燃料喷嘴的各实施例可包括一个或多个液体燃料预成膜器以及热控制器，以提高涡轮发动机的性能。预成膜器可定义为构造成以便产生液体燃料薄膜的机构，该液体燃料薄膜转而流出而进入空气流径中。例如，预成膜器可包括沿着或逆着空气流径定向的表面，液体燃料供应可将液体燃料冲击或引导到该表面上，液体燃料可在该表面上变薄，且然后变薄了的液体燃料可从该表面的边缘流出。如所理解的，变薄和流出可改进液体燃料汽化和雾化。改进的汽化和雾化可导致空气和燃料之间的较好混合，这会导致涡轮发动机内改进的燃烧。另外，热控制器可改进汽化，同时还减少或消除液体燃料的焦化。

如下文所论述的，在某些实施例中，预成膜器可包含或联接到主动热控制装置或源(例如加热元件)上，以进一步增强雾化和汽化。热源可包括电阻加热器、电感加热器、辐射加热器或任何适当的加热元件。例如，热源可包括具有一个或多个加热元件的电加热器。作为另一个实例，热源可从涡轮发动机中的其它区域获得热，例如来自压缩机、燃烧器或涡轮的对流热传递。如在下面论述的，可使用热源来对预成膜器附近的区域或预成膜器的表面执行温度和热控制，以调节和改进燃料汽化过程。另外，热源可构造成以便保持适当的温度，以显著地或完全防止焦化，去除焦化或实现两者。例如，热源可在预成膜器附近保持大约500、600、700、800、900或1000度华氏温度(F)以上的温度。在某些实施例中，热源可在预成膜器附近保持约500至1200度华氏温度(F)之间、700至1000度华氏温度(F)之间或800至900度华氏温度(F)之间的温度。例如，可基于控制燃料汽化或焦化或两者的期望来选择温度范围或目标温度。因此，取决于目标，温度范围或目标温度可更大或更小。

如下文所论述的，在某些实施例中，预成膜器可联接到燃料喷嘴中的弯曲的流动调节器上，而且预成膜器也可成弯曲形的且与流动调节器同心。例如，流动调节器可位于燃料喷嘴的上游端部分处。在一个实施例中，预成膜器可位于较下游处，在此处预成膜器联接到燃料喷嘴内部的旋流器上。或者，预成膜器可包括可位于燃料喷嘴内的环室的周边周围的多个部件。另外，预成膜器的部件可沿着喷嘴环室沿轴向交错，以确保较大的热控制，从而增强燃料喷嘴内的汽化和雾化。

预成膜器和主动热控制源的各种实施例中的各个使得能够通过液体燃料的增强的雾化和/或汽化来改进空气—燃料混合。另外，通过控制预成膜器附近的区域和/或预成膜器表面的热，所公开的实施例可改进燃料喷嘴中的燃料雾化和汽化两者，从而进一步改进涡轮机效率且减少排放。另外，热控制器也可通过提供大于约500、600、700、800、900或1000度(F)的温度来帮助避免或去除预成膜器焦化，从而进一步提高涡轮机性能。

现在转到附图，且首先参看图1，示出了涡轮机系统10的一个实施例的简图。该图包括预成膜器11、燃料喷嘴12、热源13、燃料供应14、温度控制器15和燃烧器16。燃料供应14通过通入燃烧器16中的燃料喷嘴12将液体燃料和/或诸如天然气的气体燃料输送到涡轮机系统10。虽然涡轮机系统10可以单独燃烧气体燃料或者结合液体燃料来燃烧气体燃料，但是以下论述集中在液体燃料上。如图所描绘，燃料喷嘴12包括预成膜器11和可联接到温度控制器15上的热源13。预成膜器11可通过以下方式来改进液体燃料汽化和雾化：使液体燃料流冲击到表面上，从而打散液体燃料，使表面上的燃料变薄并且使液体燃料滴从表面的边缘流出。诸如加热线圈的热源13可与预成膜器11一起使用，以控制预成膜器11附近的条件，以增强汽化及减少焦化。例如，可使用诸如存储器上具有可执行代码的处理器的温度控制器15来控制位于预成膜器11上或附近的热源13的温度，以提供最佳的燃料汽化、燃料雾化、燃料空气混合等等。

在与加压空气混合之后，由箭头18显示，在燃烧器16中进行点火，而且所产生的排气会使涡轮20内的叶片旋转。叶片和轴22之间的联接将使轴22旋转，轴22还联接到整个涡轮机系统10中的几个构件上，如图所示。例如，所示出的轴22传动地联接到压缩机24和负载26上。如所理解的，负载26可为用来通过涡轮机系统10的旋转输出产生动力的任何适当的装置，例如发电设备或运载工具。

空气供应28可通过导管将空气输送到进气口30，然后进气口30将空气输送到压缩机24中。压缩机24包括传动地联接到轴22上的多个叶片，从而压缩来自进气口30的空气，且将空气输送到燃料喷嘴12和燃烧器16，如由箭头32所示。然后燃料喷嘴12可混合加压空气和燃料(由标号18显示)，以产生对于燃烧(例如使燃料燃烧更完全以便不浪费燃料或导致过度排放的燃烧)而言最佳的混合比率。在排气穿过涡轮20之后，排气在排气出口34处离开系统。如在下面详细论述的，涡轮机系统10的一个实施例在燃料喷嘴12内包括某些结构和构件(例如预成膜器11和热源13)，以改进空气和燃料混合，同时防止喷嘴12内的焦化积聚。

图2显示了具有带有预成膜器11和热源13的多个燃料喷嘴12的燃烧器16的一个实施例的剖面侧视图。如图所描绘，各个燃料喷嘴12包括构造成以便沿下游方向引导燃料和空气的燃料喷嘴尖端36。在一个实施例中，燃烧器16可特有可安装到端盖38上的五个或更多个燃料喷嘴12，端盖38位于燃烧器16的基座或首端处。端盖38可包括将液体燃料、气体燃料、空气、水、稀释剂和其它流体输送到各个燃料喷嘴12的导管或槽道。在加压空气和液体燃料沿方向40被引导到燃烧器16时，各个燃料喷嘴12以及各个预成膜器11和热源13有利于该加压空气和液体燃料的混合。然后空气燃料混合物在燃烧器16中燃烧，从而产生热的加压排气，该热的加压排气驱动涡轮20内的叶片旋转。燃烧器16包括包围燃烧器16腔体中的燃烧区的流动套管42和衬套44。在某些实施例中，流动套管42和衬套44彼此同轴或同心，以限定空心环形空间45，空心环形空间45可以使用于冷却的空气能够通过且进入燃烧区中(例如通过衬套44中的开孔和/或通过燃料喷嘴12)。衬套44还可设计成以便控制空气燃料混合物和热的排气沿方向40向下游流向过渡件46的流量和速度。例如，空气燃料混合物可沿方向40离开各个燃料喷嘴12，其中混合物在其进入燃烧器衬套44时被点燃，从而使得加压排气通过通入涡轮20中的过渡件46向下游40输送。如所理解的，预成膜器11和热源13在燃料喷嘴12内的布置使得能够对液体燃料的汽化和雾化进行改进的控制，同时还减小或防止焦化。因此，如下面所论述的，预成膜器11和热源13使得能够改进燃烧器16内的空气/燃料混合过程。

如在下面详细描述的，可引导燃料流，以在多个实施例和位置中的任何一个中冲击到预成膜器11上，且然后燃料流通过与一个或多个空气流束交汇而被雾化。在某些实施例中，液体燃料可以以薄膜的形式均匀地散布在预成膜器11表面上。转而，液体燃料薄膜可汽化，并且从表面的边缘流出。如所理解的，散布成薄膜会使液体燃料的表面积增加，从而提高汽化。变薄还会使边缘处的液体燃料厚度减小，从而导致较小的燃料滴从边缘流出。因此，变薄和流出会产生改进的液体燃料雾化。在一个实施例中，液体燃料可被引导到来自旋流喷嘴的旋动空气流中，旋流喷嘴使燃料加速，且以连续的薄片形式均匀地分布在预成膜器表面上。然后空气流束可使薄的燃料片迅速汽化和雾化(例如通过流出)，且形成适于在燃烧器16中的下游燃烧的燃料空气混合物。

图3中显示了燃料喷嘴12的一个实施例的截面侧视图。燃料喷嘴12包括位于喷嘴12内的上游位置上(即相对于流动方向40)的预成膜器11的一个实施例。另外，压缩空气可通过端盖38和法兰50从压缩机24输送到管49内的压缩空气通道48。法兰50可通过适当的联接机构(例如焊缝或螺栓)联接到端盖38上。外管道51可描述为环形流动调节器，或者可包括环形流动调节器，环形流动调节器在加压空气在压缩空气通道52内向下游流动时调节该加压空气。如图所示，压缩空气通道52是同心管道51和53之间的环形通道。燃料喷嘴12还包括燃料通道54，燃料通道54是同心管道49和53之间的环形通道。因此，通道48、52和54布置成彼此同轴，并且因此它们的形状各自是环形的。通道内的腔体可为环形管内的空心区域，该环形管可构造成以便允许有流体流和空气—燃料混合物。通道48、52和54由内管49、外管道51和中间管道53限定。来自燃料通道54的燃料通过导叶孔57被引导到旋流喷嘴56。

另外，加压空气沿下游方向58流过波纹管59，波纹管59将空气引导到燃料喷嘴尖端36中。空气可从空气通道52输送通过旋流喷嘴56，在旋流喷嘴56处，空气可与燃料混合。下游预成膜器60可位于旋流喷嘴56附近，以改进空气燃料混合。如所描绘的，下游预成膜器60可位于通道52的环室内，且联接到旋流喷嘴56(即旋涡诱生结构)上，其中，在下游预成膜器60附近混合且沿下游方向61流出燃料喷嘴12之前，燃料和空气可在穿过各种环室通道48、52和54之后混合。在一个实施例中，预成膜器60联接到旋流器或旋流喷嘴56上，与旋流器或旋流喷嘴56同轴或同心，或者大体紧邻旋流器或旋流喷嘴56。当空气离开燃料喷嘴尖端36时，由旋流喷嘴56和下游预成膜器60引起的旋动空气/燃料混合物与空气一起流动。特别地，下游预成膜器60以及主动热控制器(包括热源13)在燃料和空气沿下游方向61朝向燃烧器16流动时增强燃料和空气的流动和混合。如可理解的，所描绘的下游预成膜器60是可与主动热控制机构一起使用以改进和控制空气—燃料混合的预成膜器的许多实施例中的一个。

例如，在一个实施例中，在上游位置上的预成膜器11和/或下游预成膜器60可位于燃料喷嘴12内。特别地，在一个实施例中，喷嘴12可包含包括一个或几个部件的一个预成膜器11，而不包括任何额外的预成膜器。例如，燃料喷嘴12可包含仅仅一个预成膜器组件，例如下游预成膜器60，以增强空气和燃料混合，且控制燃料喷嘴12内的空气和燃料的温度。温度控制器和预成膜器几何结构提供了改进的燃料雾化和燃料—空气混合条件，这会在混合物向下游流过通往燃烧器16中的喷嘴端部65时提高涡轮机效率。另外，由热源13提供的温度控制可通过保持至少约500、600、700、800、900或1000度(F)或更高的温度来减少喷嘴12内的焦化。

如所描述的，预成膜器11位于喷嘴12的上游部分中(例如相对于流动方向40)，且包括具有弯曲截面68的结构。预成膜器11的弯曲截面68是环形结构，该环形结构定向成以便增强燃料喷嘴12的上游部分的环形腔体中的空气燃料混合。空气可通过在各处位于流动调节器71(例如穿孔的环室)上的多个孔70流到喷嘴12中，流动调节器71位于燃料喷嘴12的上游部分中。如本文所描述，用语上游可为法兰50附近或朝向法兰50的方向或位置，而下游可为朝向燃烧器16的方向40。上游流动调节器71也可描述为环室，其中预成膜器11的截面形状68可与流动调节器71同心。因此，空气可流过空气孔70，且与被引导朝向预成膜器11的来自燃料导管72的燃料混合。预成膜器11的弯曲形状使燃料能够在冲击预成膜器11的表面之后更容易雾化和/或汽化，从而改进燃料喷嘴12的性能。如在下面描述的，预成膜器11可包括主动热控制机构，以使得能够管理预成膜器附近的温度和边界条件，例如在液体燃料于燃料喷嘴12内流动时该液体燃料的粘度和摩擦系数。主动热控制机构可包括任何适当的构件，例如加热线圈、用于流动的热/冷流体(例如压缩空气、燃烧气体等)的导管、用以加热流动的空气的构件，或者它们的任何组合。如本文所论述，预成膜器是构造成以便打散流体以改进雾化和混合过程的一个或多个结构。特别地，预成膜器的实施例通过促进液体薄膜来实现这一点，液体薄膜随后会破裂，同时从薄的下游边缘流出。

空气和燃料混合物可沿下游方向73朝向下游预成膜器74流动。在所描绘的实施例中，预成膜器74是包括弯曲截面且可位于燃料喷嘴12内的环室的周边的仅仅一部分上的部件。例如，预成膜器74可包括在燃料喷嘴12的纵向轴线75周围沿周向成间隔开的关系的几个部件。例如，在具有三个预成膜器74部件的组件中，各个预成膜器部件可跨越流动调节器51内的环室区域的周边约60度的周向距离。在另一个实施例中，预成膜器74的几个部件可沿着轴线75在燃料喷嘴12内交错，从而使得能够在几个轴向位置上进行温度管理以及空气和燃料混合管理。例如，预成膜器可包括预成膜器部件76，预成膜器部件76可沿着轴线75在预成膜器部件74的下游沿轴向方向交错。另外，各个预成膜器部件74和76可跨越约60度的周向距离。在一个实施例中，一个或多个额外的预成膜器部件可设置在不同的轴向位置处，其各自在腔体52内跨越约60度。

在某些实施例中，燃料喷嘴12可沿着轴线75在特定的轴向位置处包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个预成膜器部件，其中预成膜器部件可为单个环形结构或围绕轴线75彼此隔开的离散部件。类似地，燃料喷嘴12可沿着轴线75在1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个不同的轴向位置处包括一个或多个预成膜器部件。在某些实施例中，预成膜器部件可在燃料喷嘴12的腔体内的多个轴向位置上交错(例如相对于轴线75彼此成角度地偏置)，以使得能够对喷嘴12内的燃料混合和温度进行较好的控制。例如，从一个轴向位置到另一个轴向位置的预成膜器可以以大约5、10、15、20、25、30、35、40或45度的角度交错(例如围绕轴线75)。预成膜器和温度控制器使得能够在燃料空气混合物向下游流到燃料室16中时提高燃料雾化、汽化和燃料—空气混合条件，同时还减少或防止与液体燃料相关联的焦化。

图4是在图3所示的线4-4内得到的燃料喷嘴12的上游部分的截面侧视图。燃料喷嘴12包括上游流动调节器71和预成膜器11。预成膜器11包括弯曲截面68(例如C形环状表面)，弯曲截面68使得能够在燃料沿方向77从燃料出口72发射时改进燃料的雾化和汽化。例如，箭头78显示了在冲击弯曲截面68的表面之后燃料流的方向。另外，预成膜器11和热控制机构可控制被汽化的液体燃料的量，其中，可优化被汽化的燃料的量，以便改进混合过程。冲击燃料流78可打散成小滴，从而改进雾化和汽化，由此改进混合过程。预成膜器11还可沿着弯曲截面68散布液体燃料的薄层，弯曲截面68转而使液滴从边缘流出。燃料在弯曲截面68上变薄可提高液体燃料汽化，因为表面积增加了，同时变薄还可减小从弯曲截面68的边缘流出的液滴大小。在另外的实施例中，预成膜器11的截面可为平的、翼型形状的、成角的、阶梯式或增强雾化的任何适当的几何结构。

另外，预成膜器11包括热源79，可使用热源79来管理预成膜器11的表面上或周围的温度。热源79可包括电加热元件，例如电阻加热元件，来自另外的源的对流热传递，或任何适当的热源。例如，热源79可包括电感加热线圈。由热源79提供的主动热控制使得能够管理液体燃料的粘度，且使得能够管理预成膜器11附近的区域(空气和燃料在该区域处混合)的温度。热源79还通过保持防止在燃料喷嘴12内形成焦炭沉积物的适当的温度，例如至少大于约500、600、700、800、900或1000度(F)，来抑制、减少、去除或大体防止焦化。另外，减少焦炭沉积物所需的温度可取决于燃料成分、系统构件和其它因素。因此，在一些实施例中，热源可保持至少大于约700、750、800、850、900、950或1000度华氏温度的预成膜器区域温度，以抑制焦化。另外，在焦炭沉积物形成的情况下，热源79可被加热到适当的温度，例如至少大于约900、950、1000、1050或1100度(F)，以烧去喷嘴12内的焦炭沉积物和积聚物。

由热源79提供的主动热控制使得能够控制预成膜器11的表面和/或预成膜器11周围的区域。另外，可通过持续地对热源79供以功率来保持温度，或者可通过对热源79循环地供以功率来周期性地加热温度。如图1所描绘，这种控制操作可由温度控制器15执行。温度控制器15可包括配置成以便控制燃料喷嘴12内的预成膜器11上和周围的温度的处理器、电路、存储器和软件。另外，不考虑它们的形状、位置或构造，主动热控制器和热源79可用于预成膜器的任何所公开的实施例。如所描绘的，空气流80通过空气孔70进入上游流动调节器71，从而使得汽化的和/或雾化的液体燃料和空气流80之间能够进行混合。由主动热管理和预成膜器11提供的改进的混合和汽化使得能够在混合物沿下游方向73朝向燃烧器16行进时改进该混合物的性能和流动性。

图5是在图3所示的线5-5内得到的下游预成膜器60的下游实施例的截面侧视图。在所描绘的实施例中，下游预成膜器60包括加热元件84，加热元件84是构造成以便使得能够改进对在预成膜器60上和/或附近的空气与燃料混合过程的温度管理的热源。如以上关于加热元件79所论述的，加热元件84可包括线圈和其它加热和控制构件。另外，预成膜器60提供具有下游后缘86的几何结构，下游后缘86使得液体燃料能够雾化和汽化，从而为空气/燃料混合提供改进的环境。例如，液体燃料薄膜可从下游后缘86流出，从而归因于燃料变薄和空气流而产生小滴。预成膜器60的几何结构可描述为翼型形状的轮廓。在某些实施例中，预成膜器60具有环形的几何结构，其具有围绕轴线360度的翼型形状的轮廓。换句话说，我们可具有一系列离散的翼型件或具有翼型形状的连续的环形结构。

另外，下游空气流73可通过空气孔57进入旋流喷嘴56，其中，在燃料离开燃料端口90时，旋流喷嘴翼型件88使得空气/燃料混合物能够旋动。例如，燃料流92可沿下游方向行进穿过燃料端口90，且可如箭头94所示的那样冲击预成膜器60的预成膜器表面96。液体燃料的雾化包括将液体转变成喷雾或烟雾(例如液滴分配)，这会在燃料流94冲击表面96以及燃料从边缘86流出时发生。雾化对于高效燃烧来说是重要的，且可产生燃料的更高的燃烧效率和减少的排放。汽化包括液体燃料到气体的相变过程。雾化或汽化均可由预成膜器和主动热控制装置的所公开的实施例改进。对雾化或汽化的改进可导致空气和燃料的改进的混合，从而提高燃烧性能。例如，由加热元件84提供的主动热控制使得能够管理预成膜器表面96的温度，从而改进冲击燃料流94的雾化和汽化，以改进燃料和空气的混合。因此，改进的混合可导致涡轮机燃烧器内改进的燃烧。另外，由加热元件84提供的温度管理会减小或消除燃料喷嘴12内且特别是下游预成膜器60上的焦化。

图6是在图3所示的线4-4内得到的预成膜器118而非预成膜器11的另一个实施例的截面侧视图。特别地，所示出的预成膜器118包括具有用于加热源122的凹口或腔体的弯曲截面120。在所描绘的实施例中，弯曲截面120可描述为与上游流动调节器71的弯曲截面同心。换句话说，弯曲截面120可具有C形截面，其围绕轴线75延伸360度，以在环形流动调节器71内限定完整的环室。另外，加热源122可放置在预成膜器118的弯曲截面120的凹口内。在某些实施例中，加热源122可为圆形或环形加热元件或线圈，其中加热元件或线圈形式的环形加热源122可放置在弯曲的预成膜器截面120的环形凹口内。

使用加热源122来在预成膜器118附近执行主动热控制，且加热源122可通过任何适当的机构(例如销124或焊缝)联接到上游流动调节器71上。如上所述，加热源122可联接到控制机构上，例如具有用以控制预成膜器118附近的区域的温度的指令的处理器和存储器。如所描绘的，热源122定位成以便控制进入流动调节器71和/或弯曲截面120中的空气流126的温度。

空气流126通过孔70被引导到流动调节器71中。当空气流126在加热源122周围经过时，空气流126行进穿过弯曲截面120中的通路128。经加热的空气流130可冲击预成膜器118内部的燃料烟雾，并且与该燃料烟雾交汇。燃料可沿方向132从法兰50流动通过燃料端口72，进入流动调节器71内的腔室中。燃料流132可冲击预成膜器内表面134，从而使得燃料流被重新导向，如由箭头136所示。因此，分解成小滴的雾化液体燃料可与经加热的空气流130混合，以提供空气和燃料的增强的混合。

另外，液体燃料可散布在弯曲截面120的表面134上，且然后从表面134的边缘流出，以产生液体燃料滴。再次，由于表面积增加，在表面134上变薄可提高液体燃料汽化，同时还由于燃料薄膜厚度减小而减小了从边缘流出的液滴的大小。在公开的实施例中，加热源122直接或间接地通过经加热的空气流130来加热表面134，以进一步提高液体燃料汽化且减少或消除焦化。

因此，混合过程由加热源122和预成膜器118改进和控制。空气和燃料混合物可沿下游方向73流到喷嘴12的端部，以便喷射到燃烧器16中。因而，改进的燃料和空气混合可提高涡轮机10的燃烧效率，从而降低排放且提高动力输出。

图7是在图3所示的线7-7内得到的燃料喷嘴12的一个实施例的中心部分的截面端视图。如所描绘的，喷嘴12包括流动调节管51、中间管道53以及管51和53之间的腔体52。腔体52包括由几个部件或单独的预成膜器组成的预成膜器组件。单独的预成膜器通过支架或托架140联接到流动调节器51的内部部分上，支架或托架140可包含用于为预成膜器74、76和144提供加热源的传导性加热元件142。预成膜器74、76和144围绕腔体52沿周向隔开，其中各个预成膜器跨越腔体52的周边约100度。预成膜器部件74、76和144可为相同的形状和结构，其中预成膜器部件的截面是弯曲的，如图3所示。在其它实施例中，预成膜器部件74、76和144的截面可为基本平的，或者可包括其它截面几何结构，例如图6中所示的(截面几何结构)。另外，预成膜器部件74、76和144可沿轴向交错，如图3所示，或者可全部定位在基本相同的轴向位置处。

预成膜器74、76和144还可包括各种各样的用于热控制的方法，例如从本地热源或远程热源进行对流热传递、传导热传递，或辐射热传递。预成膜器74、76和144的几何结构以及加热源142可在燃料和空气流沿下游方向73朝向喷嘴端部65流动时为空气和燃料混合提供改进的条件。因此，改进的空气和燃料混合可提高性能，减少排放，并且减少燃料喷嘴12内的焦化积聚。在空气和燃料在流到燃烧器16中之前混合时，可通过将温度保持在大约500、600、700、800、900或1000度(F)以上来防止焦化。此外，包括传导性加热元件142的加热源可以使得能够将预成膜器74、76和144加热到900、950、1000、1050或1100度(F)的温度以上，以去除可能出现在燃料喷嘴12内的任何焦化积聚物。

图8是在图3所示的线5-5内得到的、具有下游预成膜器150的一个实例的燃料喷嘴12的下游部分的另一个实施例的截面侧视图。燃料喷嘴12的部分包括下游预成膜器150，下游预成膜器150位于包含旋流喷嘴56和导叶孔57的燃料喷嘴的部分中。下游预成膜器150可包括位于预成膜器150内的腔体154中的热源152，例如加热线圈。预成膜器150可具有形状大体类似于翼型件的截面，其具有预成膜器表面156。空气流158可通过端口160流到腔体154中。因而，空气流158可在通过端口160离开腔体154之前由加热元件152加热。如由箭头162所描绘，燃料可通过燃料端口90流到腔体168中，如由箭头164所示。来自端口90和160的空气和燃料流分别可彼此交汇或冲击，以产生空气和燃料混合物。此外，如由箭头166所示，燃料流164可冲击预成膜器表面156。对表面156的冲击可产生液体燃料滴，从而改进燃料的雾化，且在混合物沿下游方向61流动之前改进混合过程。

另外，燃料流164在表面156上将燃料散布成薄膜，从而改进液体燃料汽化以及从表面156的下游后缘170流出的液滴。例如，燃料散布在较大的表面积上以提高汽化，同时减小燃料厚度，以减小从边缘170流出的液滴的大小。另外，热源152提高了液体燃料汽化速率，同时还减少或消除了与液体燃料相关联的焦化。因此，热源152和下游预成膜器150提供对空气—燃料混合过程的改进的管理，以提供提高的燃烧效率，并且减少或消除燃料喷嘴12内的焦化。特别地，由所描绘的预成膜器几何结构提供的温度管理和改进的雾化以及空气和燃料的流动布置提供了改进的燃料—空气混合。

本发明的技术效果包括由于预成膜器几何结构同由喷嘴实施例提供的热控制一起导致的减少的排放和改进的涡轮机效率。预成膜器和热控制器可以使得能够改进雾化和汽化，从而增强空气—燃料混合。另外，热控制器还可减少喷嘴内的焦化。例如，通过在预成膜器附近保持大约500、600、700、800、900或1000度(F)以上的温度，显著降低了焦化累积。此外，热控制机构可使预成膜器区域温度升高到900、950、1000、1050或1100度(F)以上，以便烧掉可能出现在结构中的任何焦化物。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域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，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

涡轮(20)发动机(10)，包括：

涡轮(20)；

燃烧器(16)；

压缩机(24)；以及

设置在所述燃烧器(16)中的燃料喷嘴(12)，其中，所述燃料喷嘴(12)包括构造成以便控制燃料汽化、焦化或者它们的组合的热控制器(15)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热控制器(15)包括主动热控制器(15)，该主动热控制器(15)构造成以便主动地控制燃料中的温度，以调节燃料汽化的速率以及减少焦化。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括与所述热控制器(15)相关联的预成膜器(11，60，74，118，144，150)。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热控制器(15)构造成以便将所述预成膜器(11，60，74，118，144，150)的温度保持到华氏温度约700度至1000度的范围内的目标值。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述燃料喷嘴(12)包括旋流器(56，88)，且所述预成膜器(11)相对于通过所述燃料喷嘴(12)的流动方向在所述旋流器(56，88)的上游。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热控制器(15)包括联接到所述预成膜器(11，60，74，118，144，150)上的加热元件(13，79，84，122，142，152)，所述预成膜器(11，60，74，118，144，150)包括弯曲的截面形状，且所述预成膜器(11，60，74，118，144，150)和所述加热元件(13，79，84，122，142，152)设置在流动调节器(71)的穿孔的环室(70)内部。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述预成膜器(60，150)联接到所述燃料喷嘴(12)内部的旋流器(56，88)上。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述热控制器(15)包括在所述预成膜器(11，60，74，118，144，150)的翼型形状轮廓内部的加热元件(13，79，84，122，142，152)。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述热控制器(15)包括通过所述预成膜器(118，150)的一部分的经加热的空气的通道(128，154)。

10.一种系统，包括：

构造成以便产生使涡轮(20)燃料喷嘴(12)中的燃料流出的燃料膜的燃料预成膜器(11，60，74，118，144，150)；以及

构造成以便控制与所述燃料预成膜器(11，60，74，118，144，150)相关联的燃料汽化和焦化的热源(13，79，84，122，142，152)。

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