CN101892909A - 具有带辅助导叶的预混器的涡轮机燃料喷嘴 - Google Patents

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CN101892909A CN2010101935304A CN201010193530A CN101892909A CN 101892909 A CN101892909 A CN 101892909A CN 2010101935304 A CN2010101935304 A CN 2010101935304A CN 201010193530 A CN201010193530 A CN 201010193530A CN 101892909 A CN101892909 A CN 101892909A
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Abstract

本发明涉及具有带辅助导叶的预混器的涡轮机燃料喷嘴。具体而言，提供了一种系统(100)，其包括涡轮发动机(118)。涡轮发动机(118)包括燃烧器(120)和设置在燃烧器(120)中的燃料喷嘴(144)，其中，燃料喷嘴(144)包括设置在空气流通路(220)中的第一导叶(176)和从第一导叶(176)的表面(216)伸出的第二导叶(222)，其中，燃料流通路经由第一导叶(176)和第二导叶(222)延伸至第二导叶(222)中的燃料端口(188)，其中，燃料端口(188)引向空气流通路(220)中。

Description

具有带辅助导叶的预混器的涡轮机燃料喷嘴
技术领域
本文所公开的主题涉及用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。更具体而言，所公开的主题涉及燃料喷嘴中的预混器。
背景技术
燃气涡轮发动机燃烧燃料和空气的混合物用以产生热燃烧气体，该热燃烧气体继而又驱动一个或多个涡轮。具体而言，热燃烧气体推动涡轮叶片旋转，从而驱动轴使一个或多个负载例如发电机旋转。如所认识到的那样，火焰形成在具有燃料和空气的可燃混合物的燃烧区中。令人遗憾的是，火焰有可能从燃烧区向上游传播到燃料喷嘴中，这可导致因燃烧热量而造成破坏。这种现象通常称为回火。同样，火焰有时会形成在表面上或其附近，这也可导致因燃烧热量而造成破坏。这种现象通常称为火焰稳定。例如，火焰稳定可出现在低速区域中的燃料喷嘴上或其附近。具体而言，燃料流喷射到空气流中可在燃料流喷射点附近造成低速区域，这可导致火焰稳定。
发明内容
在范围上与初始要求得到专利保护的发明相称的一些实施例在下文中进行了概述。这些实施例并非旨在限制要求得到专利保护的本发明的范围，而是这些实施例仅意图提供对本发明可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含与下文阐述的实施例相似或不同的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包括涡轮发动机，该涡轮发动机包括燃烧器和设置在燃烧器中的燃料喷嘴，其中，燃料喷嘴包括设置在空气流通路中的第一导叶，以及从第一导叶的表面伸出的第二导叶，其中，燃料流通路经由第一导叶和第二导叶延伸至第二导叶中的燃料端口，其中，燃料端口引向空气流通路中。
在第二实施例中，一种系统包括燃料喷嘴辅助导叶，该燃料喷嘴辅助导叶包括可安装导叶的基底(base)，该基底包括燃料入口，其中，可安装导叶的基底构造成用以安装到设置在燃料喷嘴空气流通路中的主导叶的表面上，以及从可安装导叶的基底延伸的本体，其中，该本体包括从燃料入口转向到燃料出口的燃料通道，以及燃料出口具有大致与穿过燃料入口的燃料入口方向交叉的燃料出口方向。
在第三实施例中，燃料喷嘴辅助导叶包括可安装导叶的基底，该基底包括：燃料入口，其中，可安装导叶的基底构造成用以安装到燃料喷嘴的主导叶上；从可安装导叶的基底沿第一方向延伸的本体，其中，该本体包括与可安装导叶的基底相对的封闭面，且该本体包括沿与第一方向交叉的第二方向朝向彼此会聚的第一渐缩形侧面和第二渐缩形侧面；以及从燃料入口延伸至第一渐缩形侧面中的燃料出口的燃料通道。
附图说明
当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中：
图1为整体气化联合循环(IGCC)发电设备的实施例的示意性框图；
图2为根据本技术的实施例的如图1中所示的燃气涡轮发动机的剖面侧视图；
图3为如图2中所示的燃气涡轮发动机的燃烧器的头端的透视图，示出了根据本技术的一些实施例的多个燃料喷嘴；
图4为如图3中所示的燃料喷嘴的截面侧视图，示出了根据本技术的一些实施例的具有旋流导叶和辅助导叶的预混器；
图5为在如图4中所示的弓形线5-5内所截取的燃料喷嘴的剖面透视图，示出了具有旋流导叶和辅助导叶的预混器的实施例；
图6为在如图5中所示的弓形线6-6内所截取的燃料喷嘴的局部剖面透视图，示出了设置在旋流导叶上的辅助导叶的实施例；以及
图7A、图7B、图7C和图7D为图6中的辅助导叶的实施例的透视图。
零件清单
100整体气化联合循环(IGCC)系统
102燃料源
104进料制备单元
106气化器
108渣料
110气体清洁单元
111硫
112硫处理器
113盐
114水处理单元
116气体处理器
117残余气体成分
118燃气涡轮发动机
120燃烧器
122空气分离单元
123空气压缩机
124稀释气态氮(DGAN)压缩机
128冷却塔
130涡轮
131传动轴
132压缩机
134负载
136蒸汽涡轮发动机
138热回收蒸汽发生(HRSG)系统
140负载
142冷凝器
144燃料喷嘴
146燃烧器
148空气进口
150排气出口
151头端
152端盖
154端盖基底表面
156接头
164燃料喷射装置
166外壁
168中心本体
170燃料/空气预混器
172空气入口
174燃料入口
175上游端部
176旋流导叶
177下游端部
178环形预混通道
179轴向方向
180径向方向
181周向方向
182燃料通道
184中间壁
186导叶通道
188燃料端口
190燃烧区
192冷却剂入口
194冷却通道
196方向箭头
198端壁
200反向流通道
202方向箭头
204肋条
206开口
208室
210环形腔
212内部管状壁
214端口
216第一侧面
218第二侧面
219方向线
220空气流
221角
222辅助导叶
224喷射端口
230参考箭头
232参考箭头
234喷射出口
236封闭面
238侧面
239侧面
240入口端口
241可安装导叶的基底
242长度
243本体
244宽度
245内部燃料通道
246直径
247内部燃料通道
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应当认识到，在任一这些实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须作出许多特定实施方式的决定用以实现开发者的特定目标，如符合关于系统和关于商业的约束，这可能在一个实施方式与另一个实施方式之间而有所变化。此外，应当认识到，这样的开发工作可能很复杂和耗费时间，但对于具有本公开内容益处的普通技术人员而言，仍为设计、制作和生产的常规事项。
在介绍本发明各种实施例的元件时，用词″一″、″一个″、″该″和″所述″意在表示存在该元件中的一个或多个。用语″包括″、″包含″和″具有″旨在为包括性的，且意为可存在除所列元件外的其它元件。
在如下文详细描述的一些实施例中，燃气涡轮发动机包括具有复合导叶(例如，一个导叶设置在另一个导叶上)的一个或多个燃料喷嘴，用以阻止与回火和/或火焰稳定相关的热破坏。具体而言，各燃料喷嘴均可包括燃料-空气预混器，该预混器具有以周向布置设置在空气流通路中的多个旋流导叶，其中，各旋流导叶均包括构造成用以将燃料喷射到空气流通路中的至少一个辅助导叶。如下文更为详细描述的那样，各辅助导叶均可从旋流导叶的表面向外伸出。在一些实施例中，各辅助导叶均具有翼型状本体，该翼型状本体与空气流通路的方向大致对准。此外，辅助导叶可沿一个或多个方向将燃料喷射到空气流通路中。例如，辅助导叶可沿相对于燃料喷嘴中心轴线的一个或多个径向方向、一个或多个轴向方向，或一个或多个周向方向喷射燃料。在一些实施例中，辅助导叶可沿大致平行于空气流通路的一个或多个方向喷射燃料。例如，燃料喷射方向可相对于空气流通路成至少小于大约5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度或45度。因此，辅助导叶和相关燃料喷射可显著减小与燃料喷射相关的低速区域，从而显著降低在燃料喷射附近火焰稳定的可能性。
图1为整体气化联合循环(IGCC)系统100的实施例的示图，该系统100可由合成气体(即，合成气)提供动力。IGCC系统100的元件可包括诸如固体给料的燃料源102，其可用作IGCC的能量源。燃料源102可包括煤、石油焦、生物质、木质材料、农业废物、焦油、焦炉气体和沥青，或其它含碳物品。
燃料源102的固体燃料可传送到进料制备单元104中。进料制备单元104例如可通过切屑、碾磨、粉碎、粉化、压块或粒化燃料源102来使燃料源102改变大小或改变形状而生成进料。此外，水或其它适合的液体可在进料制备单元104内加入燃料源102中，用以形成进料浆。在其它实施例中，没有液体加入燃料源中，因而产生干进料。
进料可从进料制备单元104传送至气化器106。气化器106可将进料转变成合成气，例如，一氧化碳和氢气的组合。这种转变可通过将进料暴露在处于升高的压力和温度下的受控量的蒸汽和氧气中而得以实现，压力例如为大约20巴(bar)至85bar，而温度例如为大约700摄氏度至1600摄氏度，这取决于所使用的气化器106的类型。气化过程可包括使进料经历热解过程，由此进料受到加热。在热解过程期间，气化器106内的温度范围可从大约150摄氏度变化至700摄氏度，这取决于用来产生进料的燃料源102。在热解过程期间对进料的加热可产生固体(例如含碳残余物)和残余气体(例如，一氧化碳、氢气和氮气)。因热解过程而由进料中残留的含碳残余物仅可重达初始进料重量的大约30％。
燃烧过程然后可发生在气化器106中。燃烧可包括将氧气引入含碳残余物和残余气体中。含碳残余物和残余气体可与氧气反应而形成二氧化碳和一氧化碳，这为随后的气化反应提供了热量。燃烧过程期间的温度范围可从大约700摄氏度变化至1600摄氏度。接下来，在气化步骤期间，蒸汽可引入气化器106中。含碳残余物可与二氧化碳和蒸汽反应，以便在从大约800摄氏度至1100摄氏度的温度范围下产生一氧化碳和氢气。实质上，气化器使用蒸汽和氧气用以容许一些进料″燃烧″，以便产生一氧化碳和能量，这驱使进一步将进料转变成氢气和额外的二氧化碳的第二反应。
这样，由气化器106制造出合成的气体。这种合成的气体可包括大约85％的相等比例的一氧化碳和氢气，以及CH4、HCl、HF、COS、NH3、HCN和H2S(基于进料中的硫含量)。这种合成的气体可称为脏污合成气，因为其包含例如H2S。气化器106也可产生废物如渣料108，其可以是湿的灰烬材料。该渣料108可从气化器106中除去，且例如可处理成路基或其它建筑材料。为了清洁脏污的合成气，可使用气体清洁单元110。气体清洁单元110可净化脏污的合成气用以从脏污的合成气中除去HCl、HF、COS、HCN和H2S，这可包括例如通过硫处理器112中的酸性气体除去过程在硫处理器112中分离硫111。此外，气体清洁单元110可通过水处理单元114从脏污的合成气中分离出盐113，其中，水处理单元114可使用水净化技术由脏污的合成气产生有用的盐113。随后，来自于气体清洁单元110的气体可包括清洁的合成气(例如，已经从合成气中除去了硫111)，其具有微量的其它化学物质，例如NH3(氨)和CH4(甲烷)。
气体处理器116可用于从清洁的合成气如氨和甲烷以及甲醇或任何残余化学物质中除去残余气体成分117。然而，从清洁的合成气中除去残余的气体成分117是可选的，因为清洁的合成气即使在包含残余气体成分117(例如，尾气)时也可用作燃料。这里，清洁的合成气可包括大约3％的CO、大约55％的H2和大约40％的CO2，并且大致去除了H2S。这种清洁的合成气可输送到燃气涡轮发动机118的燃烧器120(例如，燃烧室)中作为可燃的燃料。作为备选，在输送到燃气涡轮发动机之前，可从清洁的合成气中除去CO2。
IGCC系统100还可包括空气分离单元(ASU)122。ASU 122可操作用以例如通过蒸馏技术将空气分离成组成气体。ASU 122可从由补充空气压缩机123供送至其的空气中分离出氧气，且ASU 122可将分离出的氧气转移到气化器106中。此外，ASU 122可将分离出的氮气传送至稀释氮气(DGAN)压缩机124中。
DGAN压缩机124可将从ASU 122接收到的氮气至少压缩至压力水平等于燃烧器120中的压力水平，以免干扰合成气的正常燃烧。因此，一旦DGAN压缩机124已经将氮气充分地压缩至适合的水平，则DGAN压缩机124可将压缩的氮气转移至燃气涡轮发动机118的燃烧器120中。氮气可用作稀释剂，例如以便有助于控制排放物。
如前文所述，压缩的氮气可从DGAN压缩机124中转移到燃气涡轮发动机118的燃烧器120中。燃气涡轮发动机118可包括涡轮130、传动轴131和压缩机132，以及燃烧器120。燃烧器120可接收诸如合成气的燃料，其可在压力下喷射自燃料喷嘴。该燃料可与压缩空气和来自DGAN压缩机124中的压缩氮气相混合，且在燃烧器120内燃烧。这种燃烧可形成热的加压排出气体。
燃烧器120可将排出气体引向涡轮130的排气出口。当排出气体从燃烧器120经过涡轮130时，排出气体推动涡轮130中的涡轮叶片，以便使传动轴131沿燃气涡轮发动机118的轴线旋转。如图所示，传动轴131连接到燃气涡轮发动机118的各个构件上，包括压缩机132。
传动轴131可将涡轮130连接到压缩机132上而形成转子。压缩机132可包括联接到传动轴131上的叶片。因此，涡轮130中的涡轮叶片的旋转可导致将涡轮130连接到压缩机132上的传动轴131驱使压缩机132内的叶片旋转。压缩机132中的叶片的这种旋转促使压缩机132压缩经由压缩机132中的空气进口所接收到的空气。压缩空气然后可馈送到燃烧器120中，且与燃料和压缩氮气相混合而容许更高效率的燃烧。传动轴131还可连接到负载134上，该负载134可为静止负载，举例而言，例如在发电站中用于发电的发电机。实际上，负载134可为由燃气涡轮发动机118的旋转输出而提供动力的任何适合的装置。
IGCC系统100还可包括蒸汽涡轮发动机136和热回收蒸汽发生(HRSG)系统138。蒸汽涡轮发动机136可驱动第二负载140。第二负载140也可为用于发电的发电机。然而，第一负载134和第二负载140两者均可为能够由燃气轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136驱动的其它类型的负载。此外，如在示出的实施例中所示，尽管燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可驱动单独的负载134和140，但燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136也可串接使用，以便通过单个轴来驱动单个负载。然而，蒸汽涡轮发动机136和燃气涡轮发动机118的具体构造为特定实施方式，且可包括区段的任何组合。
系统100还可包括HRSG 138。来自于燃气涡轮发动机118的加热排出气体可传送到HRSG 138中，且用于加热水和产生用于向蒸汽涡轮发动机136提供动力的蒸汽。来自于例如蒸汽涡轮发动机136的低压区段中的排气可引入冷凝器142中。冷凝器142可利用冷却塔128将加热的水交换成冷却的水。冷却塔128用于向冷凝器142提供冷却水，以便有助于冷凝从蒸汽涡轮发动机136转移至冷凝器142的蒸汽。来自于冷凝器142的冷凝物继而又引入HRSG 138中。另外，来自于燃气涡轮发动机118的排气也可引入HRSG 138中用以加热来自于冷凝器142中的水并产生蒸汽。
在诸如IGCC系统100的联合循环系统中，热排气可从燃气涡轮发动机118流出，且传送到HRSG 138中，在该处，热排气可用于产生高压、高温蒸汽。由HRSG 138产生的蒸汽然后可经过蒸汽涡轮发动机136而产生动力。此外，所产生的蒸汽还可供送给可使用蒸汽的任何其它过程，例如，供送给气化器106。燃气涡轮发动机118的产生循环通常称为″顶循环″，而蒸汽涡轮发动机136的产生循环通常称为″底循环″。通过组合如图1中所示的这两种循环，IGCC系统100可在两个循环中产生更高的效率。具体而言，来自于顶循环的排气热量可经俘获并用来产生在底循环中使用的蒸汽。
图2为燃气涡轮发动机118的实施例的剖面侧视图。燃气涡轮发动机118可使用液体燃料和/或气体燃料例如天然气和/或富含氢的合成气进行工作。燃气涡轮发动机118包括定位在一个或多个燃烧器146内的一个或多个燃料喷嘴144。如图所示，燃料喷嘴144吸入供送的燃料，将燃料与下文所述的压缩空气相混合，并且将燃料-空气混合物分配到燃烧器146中，在该处，混合物燃烧从而形成热的加压排出气体。在一个实施例中，六个或更多燃料喷嘴144可采用环形或其它布置而附接到各燃烧器146的头端上。此外，燃气涡轮发动机118可包括成环形布置的多个燃烧器16(例如，4个、6个、8个或12个)。
空气经由空气进口148进入燃气涡轮发动机118中，且可在压缩机132的一个或多个压缩级中加压。压缩空气然后可与气体相混合，用于在燃烧器146内燃烧。例如，燃料喷嘴144可将燃料-空气混合物以适合的比例喷射到燃烧器中，以便优化燃烧、排放物、燃料消耗和功率输出。如下文论述的那样，燃料喷嘴144的一些实施例包括具有辅助导叶的旋流导叶，该辅助导叶构造成用以显著减少与燃料喷射到空气流中相关的低速区域，从而显著降低燃料喷射区域中火焰稳定的可能性。如上文参照图1所述的那样，燃烧器146经由涡轮130的一个或多个涡轮级将排出气体引向排气出口150，用以产生动力。
图3为具有端盖152的燃烧器头端151的实施例的详细透视图，该端盖152具有通过密封接头156而附接在表面154处的多个燃料喷嘴144。在示图中，六个燃料喷嘴144以环形布置通过接头156附接到端盖基底表面154上。然而，任何适合数目和布置的燃料喷嘴144都可通过接头156而附接到端盖基底表面154上。头端151将来自于压缩机132的压缩空气和穿过端盖152的燃料传送至各燃料喷嘴144，在进入燃烧器146中的燃烧区之前，燃料喷嘴144至少部分地预混压缩空气和燃料作为空气燃料混合物。如下文更为详细阐述的那样，燃料喷嘴144可包括构造成在空气流通路中引起旋流的一个或多个旋流导叶，其中，各旋流导叶均包括构造成用以将燃料喷射到空气流通路中的一个或多个辅助导叶。具体而言，如下文详细阐述的那样，各辅助导叶均可具有从旋流导叶的表面向外伸出的翼型状本体，其中，翼型状本体可定向成与空气流通路对准。各辅助导叶均可包括构造成用以将燃料大致沿空气流通路喷射到空气流通路中的一个或多个燃料喷射端口。在此构造中，辅助导叶可显著减小与直接从旋流导叶表面的燃料喷射相关的低速区域，从而降低燃料喷射区域中火焰稳定的可能性。
图4为燃料喷嘴144的实施例的截面侧视图，该燃料喷嘴144具有独特的空气流对准燃料喷射装置164，例如，具有辅助导叶222，其构造成用以减小与燃料喷射相关的低速区域，从而降低燃料喷射区域中火焰稳定的可能性。在所示的实施例中，燃料喷嘴144包括外周壁166和设置在外壁166内的喷嘴中心本体168。外周壁166可描述为燃烧管，而喷嘴中心本体168可描述为燃料供送管。燃料喷嘴144还包括燃料/空气预混器170，该预混器170具有空气入口172、燃料入口174、旋流导叶176，以及位于壁166与中心本体168之间的环形预混通道178(例如，用于混合燃料和空气的环形通道)。旋流导叶176构造成用以在燃料喷嘴144内引起旋流。因此，鉴于该旋流特征，燃料喷嘴144可描述为旋流喷嘴。如下文更为详细阐述的那样，各旋流导叶176均可包括从旋流导叶176的表面向外伸出到环形预混通道178中的一个或多个辅助导叶222。
应当注意的是，燃料喷嘴144的各个方面可参照轴向方向或轴线179、径向方向或轴线180和周向方向或轴线181进行描述。例如，轴线179对应于纵向中心线或纵向方向，轴线180对应于相对于纵向中心线的交叉方向或径向方向，以及轴线181对应于围绕纵向中心线的周向方向。
如图所示，燃料穿过燃料入口174到燃料通道182中而进入喷嘴中心本体168。燃料冲击中间壁184，由此该燃料沿径向引入到定位在旋流导叶176内的导叶通道186中。导叶通道186继而又经由一个或多个燃料端口188将燃料引入一个或多个辅助导叶222中，该辅助导叶222然后经由燃料喷射端口224将燃料喷射到环形预混通道178中。另外，辅助导叶222从各旋流导叶176的一个或多个表面大致伸出，且经由环形预混通道178沿相对于空气流更为对准的方向喷射燃料。在一些实施例中，辅助导叶222可具有翼型形状。同时，空气经由空气入口172引入预混器170中。当空气越过旋流导叶176的翼型形状和辅助导叶222的翼型形状时，其开始与从一个或多个喷射端口224所喷射的燃料相混合，且在环形预混通道178内继续混合。旋流导叶176可成角和/或弯曲成以便对流动给予旋流。当燃料-空气混合物离开预混通道178时，其进入在其中发生燃烧的燃烧区190中。预混器170的这种空气动力设计可有效地用于混合空气和燃料来减少排放物，且还可有效地使得燃烧器146燃烧区190中的燃料喷嘴144出口下游的火焰稳定。
此外，燃料喷嘴144可将诸如空气的冷却剂经由冷却剂入口192引入中心本体168中。冷却剂在冷却通道194内如方向箭头196所示那样沿轴向179传送，直到其冲击端壁198的内部，由此，冷却剂如方向箭头202所示那样使流动反向并进入反向流动通道200中。反向流动通道200定位成与冷却通道194同心，且可包含一系列肋条204，这些肋条204沿反向流动通道200设置用以优化和加强热传递。
在与端壁198相对的反向流动通道200端处，冷却剂穿过开口206而引入室208中。冷却剂穿过室208，并进入限定在外周壁166与内部管状壁212之间的环形腔210中。定位在内部管状壁212内的多个端口214可用于容许冷却剂在内部管状壁212上形成膜(即，膜冷却)，从而保护其免受热燃烧气体。例如，冷却剂(例如，空气)薄膜可用作非混合屏障(即，没有燃料和空气的混合物)，以便阻碍直接在内部管状壁212上的火焰稳定。冷却剂(例如，空气)薄膜还可采用对流方式远离壁166和212传递热量。在所示的实施例中，燃料喷嘴144相对于预混器170沿上游和下游轴向方向179引导冷却剂(例如，空气)穿过环形腔210，从而经由在导叶176附近的端口214提供冷却。
图5为在图4中的弓形线5-5内所截取的预混器170的实施例的剖面透视图。预混器170包括沿周向181围绕喷嘴中心本体168设置的旋流导叶176，使得导叶176从喷嘴中心本体168沿径向向外延伸至内部管状壁212。如图所示，各旋流导叶176均包括具有导叶通道186和室208的中空本体，例如，中空翼型状本体。此外，各旋流导叶176均包括从相对的第一侧面216和第二侧面218伸出的一对辅助导叶222，其中，各旋流导叶176均具有带燃料喷射端口224的翼型状本体。如下文阐述的那样，辅助导叶222能够实现在平行于空气流220而非与空气流220交叉(例如，垂直)的平面内的燃料喷射。在一些实施例中，各辅助导叶222使燃料流转向超过至少大于或等于45度、60度、75度或90度的转动。例如，各辅助导叶222均可包括90度的内部燃料通道。辅助导叶222结合旋流导叶176一起工作，用以改善燃料-空气混合，同时还降低燃料喷射区域中火焰稳定的可能性。
在所示的实施例中，预混器170包括围绕喷嘴中心本体168的圆周以45度增量等距间隔开的八个旋流导叶176。在一些实施例中，预混器170可包括以相等或不同的增量围绕喷嘴中心本体168的圆周设置的任意数目的旋流导叶176(例如，2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个或12个)。旋流导叶176构造成用以使流动围绕轴线179沿周向方向成旋流，且因此引起燃料-空气混合。如图所示，各旋流导叶176从上游端部175向下游端部177折弯或弯曲。具体而言，上游端部175在轴向方向上大致定向为沿轴线179，而下游端部177大致成角、弯曲，或取向为远离沿轴线179的轴向方向。例如，下游端部177可相对于上游端部175成大约5度至60度或大约10度至45度的角。结果，各旋流导叶176的下游端部177使流动偏离或引导到围绕轴线179的旋转通路中(例如，旋流流动)。该旋流流动在输送到燃烧器146中之前加强了燃料喷嘴144内的燃料-空气混合。
此外，一个或多个喷射端口224可设置在辅助导叶222上，位于旋流导叶176的上游端部175处的燃料端口188上方。例如，这些喷射端口224的直径可为大约1毫米(mm)至100毫米、10毫米至50毫米、20毫米至40毫米或24毫米至35毫米。在一个实施例中，喷射端口224的直径可为大约40mm至50mm。在另一个实施例中，喷射端口224的直径可为大约0.25mm至1mm。各旋流导叶176均可包括位于第一侧面216和/或第二侧面218上的1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多辅助导叶222，而各辅助导叶222均可包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多燃料喷射端口224。在一些实施例中，旋流导叶176可除去第一侧面216或第二侧面218上的辅助导叶222和喷射端口224。第一侧面216和第二侧面218可结合用以形成旋流导叶176的外表面。例如，第一侧面216和第二侧面218可限定如上文所述的翼型状表面。在一些实施例中，各旋流导叶176均可包括大约1至5个辅助导叶222，其分别具有1至10个燃料喷射端口224。各辅助导叶222在沿第一侧面216的第一空气流与沿第二侧面218的第二空气流之间使空气流220分流或分开，其中，燃料喷射端口224沿第一侧面216和第二侧面218将燃料喷射到空气流中。
此外，各燃料喷射端口224均可从各辅助导叶222的一个或多个表面定向在沿轴线179的轴向方向上，沿轴线180的径向方向上，和/或沿轴线181的周向方向上。换言之，各燃料喷射端口224均可具有相对于辅助导叶222表面的简单角或复合角，从而引起燃料-空气混合。在一些实施例中，各燃料喷射端口224均可定向成大致沿位于相邻旋流导叶176之间的空气流通路(例如，箭头220)，例如大致沿轴线179。以此方式，辅助导叶222可显著减小燃料喷射上游的低速区域(例如，区域217)，从而显著降低燃料喷射区域中火焰稳定的可能性。否则，在没有辅助导叶222的情况下，旋流导叶176可将燃料直接交叉喷射到空气流220中，这会导致速度特别低的区域以及火焰稳定的更大潜在可能。因此，代替从旋流导叶176的表面216和218中的一个或两个直接喷射燃料(即，与空气流220大致交叉)，辅助导叶222与空气流220更为成直线、平行或一起地喷射燃料。例如，喷射端口224可导致燃料相对于空气流220(例如，相对于轴线179)成大约0度至45度、5度至30度或10度至20度的角流入旋流导叶176之间的空气流220中。通过又一实例，燃料喷射端口224可导致燃料相对于空气流220(例如，相对于轴线179)成至少小于大约1度、2度、3度、4度、5度、6度、7度、8度、9度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度或45度的角流入空气流220中。
图6为在图5中的弓形线6-6内所截取的燃料喷嘴144的局部剖面透视图，进一步示出了从旋流导叶176伸出的辅助导叶222的实施例。如下文进一步阐述的那样，辅助导叶222构造成用以使燃料喷射与空气流220对准，以便减小与燃料喷射相关的低速区域，从而降低火焰稳定的可能性。如图所示，辅助导叶222可从导叶176沿周向181向外延伸。辅助导叶222例如覆盖燃料端口188用以经由燃料喷射端口224接收燃料且使燃料改变方向。当燃料穿过燃料端口188进入辅助导叶222(即，沿轴线181)时，可沿轴向179改变方向而经由燃料喷射端口224从辅助导叶222向下游流动，例如在由方向箭头219所示的方向上。如可在图6中看到的那样，燃料流(也即沿线219)大致在轴向179上与由方向箭头220所示的预混器170中的空气流平行。以此方式，沿方向线219流动的燃料不能以交叉流动的方式(例如，60度至90度)与沿方向线220流动的空气显著相交，而是可结合成用以沿与预混器170中的空气流220大致平行的方向流动。即是说，从辅助导叶222流出燃料喷射端口224的燃料可采用与箭头220大致平行的方式流出辅助导叶222。以此方式，在燃料如由线219所示的那样沿下游方向喷射到空气流220中之前，燃料从燃料端口188到燃料喷射端口224改变方向或转向大约90度。作为备选，燃料喷射端口224的尺寸可形成为使得燃料相对于空气流220成一定角度流出辅助导叶222。例如，当燃料离开辅助导叶222且喷射到预混器170中时，燃料可相对于预混器170中的空气流220成大约5度、10度或15度的角221流出燃料喷射端口224。
此外，在一个实施例中，辅助导叶222在径向180上是可调的。即是说，如参考箭头230和232所示的那样，辅助导叶222可向上和向下调整。换言之，辅助导叶222可通过例如螺栓连接机构(未绘出)围绕燃料端口188的轴线旋转，该螺栓连接机构(未绘出)容许辅助导叶的轴向运动。以此方式，流出燃料喷射端口224的燃料可沿由辅助导叶222的旋转所限定的特定角221与空气流220相交。例如，辅助导叶222可在向上的方向230上调整大约5度、10度、15度或20度，使得空气流220以对应于辅助导叶222的旋转的角221与燃料流219相交。作为备选，辅助导叶222可在向下的方向232上调整大约5度、10度、15度或20度，使得空气流220以对应于辅助导叶222的旋转的角221与燃料流219相交。在一些实施例中，辅助导叶222可旋转不同角度，用以调整预混器170中燃料和空气的湍流和混合。
在一些实施例中，一个或多个辅助导叶222可包括周边喷射出口234。喷射出口234可位于辅助导叶222的封闭面236上，用以泄放辅助导叶222内的压力。例如，喷射出口234可采用圆形布置沿辅助导叶222的封闭面236安置。然而，也可构思出其它构造用于喷射出口234的布置。燃料可从这些喷射出口234中流出，且可交叉流动与流过导叶176的空气相交。在一些实施例中，喷射出口234的尺寸可与燃料喷射端口224相似或不同。例如，喷射出口234的尺寸可显著小于燃料喷射端口224。因此，在该部位由于有喷射出口234而使得燃料和空气的总体交叉流动明显不足以在辅助导叶222后方引起低速回流区。在一些实施例中，喷射出口234可具有的直径至少小于燃料喷射端口224直径的大约5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％或50％。
在所示的实施例中，燃料喷射端口224位于辅助导叶222的相对的侧面238和239上。在一些实施例中，一组燃料喷射端口224可仅位于辅助导叶222的侧面238或侧面239上。此外，尽管图6中仅示出了一个辅助导叶222，但构想到的是，可使用第二辅助导叶222来覆盖图6中所示的未覆盖的喷射端口188。因此，结合预混器170使用的辅助导叶222的数目可如期望那样变化，以便影响燃料-空气的混合特性，以及预混器170的总体压降。
图7A、图7B、图7C和图7D为图6中的辅助导叶222的实施例的透视图。图7A示出了辅助导叶222的第一透视底视图，图7B示出了辅助导叶222的前视图，以及图7C示出了辅助导叶222的第二底部透视图。如图7A中所示，辅助导叶222包括设置在辅助导叶222的第一侧面238上的两个燃料喷射端口224。同样，辅助导叶222可包括设置在第二侧面239上的两个燃料喷射端口224。辅助导叶222还包括燃料入口端口240，该燃料入口端口240构造成用以接收来自于燃料端口188的燃料，同时安装在如上文所述的旋流导叶176的表面上。辅助导叶222包括可安装导叶的基底241和从可安装导叶的基底241延伸的本体243，其中，本体243具有使燃料流从燃料入口端口240转向至燃料喷射端口224的内部燃料通道245。例如，燃料通道245可使内部燃料流从燃料入口端口240转向大约90度通向燃料喷射端口224。
可安装导叶的基底241可通过焊接接头、一个或多个螺纹紧固件、粘合剂或其它紧固件而联接到旋流导叶176上。在一些实施例中，可安装导叶的基底241可包括可旋转的底座(mount)，该底座构造成用以使辅助导叶222能够沿旋流导叶176的表面旋转调整。当达到旋流导叶176上的期望角位置时，辅助导叶222的可安装导叶的基底241可固定到旋流导叶176上。在一些实施例中，辅助导叶222和旋流导叶176可形成为单件式结构。
如图7A中所示，辅助导叶222的形状可为翼型形状、椭圆形状或泪珠形状。辅助导叶222的总体长度242的尺寸可至少小于旋流导叶176长度的1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％或30％。例如，辅助导叶222的长度242可小于大约0.1英寸、0.2英寸、0.3英寸、0.4英寸、0.5英寸、0.6英寸、0.7英寸、0.8英寸、0.9英寸或1英寸。在一些实施例中，辅助导叶222的长度242可为大约0.1英寸至0.2英寸，或大约0.15英寸。应当注意的是，喷射端口240的尺寸可形成为用以覆盖喷射端口188，使得燃料在未先经过辅助导叶222以改变方向的情况下不可渗入到预混器170中。
如图7A中进一步示出，燃料喷射端口224沿第一侧面238和第二侧面239可为椭圆形状。如图所示，第一侧面和第二侧面大致朝向彼此成渐缩形或成角，用以限定翼型形状。因此，燃料喷射端口224的椭圆形状可归因于圆柱形的内部燃料通道与渐缩形的第一侧面238和第二侧面239的相交。在一些实施例中，燃料喷射端口224可具有在辅助导叶222的相对的第一侧面238和第二侧面239上彼此平行的轴线。在一些实施例中，燃料喷射端口224可在辅助导叶222相对的第一侧面238和第二侧面239上彼此会聚或发散。然而，在辅助导叶222的各种实施例中，燃料喷射端口224可具有任何适合的几何形状和构造。
图7B中的辅助导叶222的前视图包括辅助导叶222宽度244的测量结果。辅助导叶222总体宽度244的尺寸可至少小于旋流导叶176宽度的1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％或30％。例如，辅助导叶222的宽度244可小于大约0.1英寸、0.2英寸、0.3英寸、0.4英寸、0.5英寸、0.6英寸、0.7英寸、0.8英寸、0.9英寸或1英寸。在一些实施例中，辅助导叶222的宽度244可为大约0.001英寸至0.2英寸、0.05英寸至0.15英寸，或大约0.06英寸。
跨过燃料喷射端口224的直径246例如可小于大约0.005英寸、0.01英寸、0.015英寸、0.02英寸、0.03英寸、0.04英寸、0.05英寸、0.06英寸、0.07英寸、0.08英寸、0.09英寸或1英寸。例如，直径246的范围可从大约0.005英寸变化至0.02英寸，或可为大约0.01英寸。此外，如先前在图7A中所示，燃料喷射端口224沿第一侧面238和第二侧面239可为椭圆形状。因此，沿第一侧面238和第二侧面239，燃料喷射端口224的宽度可等于如上文所述的直径246，而燃料喷射端口224的长度例如可为直径246的大约2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍。如图7B中所示，燃料喷射端口224设置在第一侧面238和第二侧面239两者上。在一些实施例中，燃料喷射端口224可在侧面238或侧面239的其中之一上排除。
图7C进一步示出了从底部透视图中所截取的辅助导叶222。如图7C中所示，燃料入口端口240引入内部燃料通道245中，内部燃料通道245通向燃料喷射端口224的内部燃料通道247。因此，在辅助导叶222的本体243内，内部燃料通道245和247使燃料流从燃料入口端口240转向大约90度通向燃料喷射端口224。在没有这些内部燃料通道245和247的情况下，燃料将沿交叉方向而非沿空气流220的方向喷射到空气流220中。换言之，辅助导叶222引导且重新定向(例如，转向大约90度)燃料流，使其更为接近地与空气流220对准。因此，辅助导叶222提供燃料从喷射端口240到燃料喷射端口224的内部交叉流动，从而避免燃料直接类似地交叉流动到空气流220中。换言之，辅助导叶222引导燃料流进入空气流220中，以便更为平稳地过渡或引入到空气流220中。具体而言，燃料流穿过入口端口240，且沿内部燃料通道245，直到其冲击封闭部分236，该封闭部分236(与辅助导叶222的本体243一起)引导燃料流入且穿过内部燃料通道247而到达燃料喷射端口224。然而，如上文所述，也可在封闭部分236中采用喷射燃料出口234，用以容许在辅助导叶222的内部燃料通道245内的压力降低。
与旋流导叶176具有直接沿其表面的燃料端口相比，辅助导叶222结合在旋流导叶176上可显著减小系统中的压降。例如，预混器170中的总压降可从例如大约35磅每平方英寸(PSI)降低至大约10PSI。这种压降可例如消除可能在如前文所述的回火期间隐匿火焰的任何回流/低速区。以此方式，可显著减小辅助导叶222上游火焰稳定区域的潜在可能。此外，通过如期望那样调整辅助导叶222的位置、辅助导叶222的数目、辅助导叶222的燃料喷射端口224的数目和/或燃料喷射端口224的尺寸，可针对预混器170优化燃料和空气的混合。
图7D为辅助导叶222的侧视图。如图7D中所示，燃料入口端口240引入内部燃料通道245中，该内部燃料通道245通向燃料喷射端口224的内部燃料通道247。因此，在辅助导叶222的本体243内，内部燃料通道245和247使燃料流从燃料入口端口240转向大约90度通向燃料喷射端口224，使得燃料喷射端口224与内部燃料通道245(例如，燃料入口)大致交叉。在没有这些内部燃料通道245和247的情况下，燃料将沿交叉方向而非沿空气流220的方向喷射到空气流220中。换言之，辅助导叶222沿线219引导且重新定向(例如，转向大约90度)燃料流，使其更为接近地与空气流220对准。
可构想到的是，燃料通道247可相对于轴向轴线179成一定角度定位。即是说，燃料通道147可在径向180上定位，使得燃料喷射端口224可位于第一侧面238和第二侧面239上的部位248处。以此方式，燃料流可相对于空气流220成一定角度离开燃料喷射端口224。该角可与空气流220成大于5度、10度、15度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度或75度。因此，根据期望的燃料空气混合物特性，燃料流可从通道247相对于空气流220成一定角度离开辅助导叶222。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例用以公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何相结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种系统(100)，包括：
涡轮发动机(118)，其包括：
燃烧器(120)；以及
设置在所述燃烧器(120)中的燃料喷嘴(144)，其中，所述燃料喷嘴(144)包括：
设置在空气流通路(220)中的第一导叶(176)；以及
从所述第一导叶(176)的表面(216)伸出的第二导叶(222)，其中，燃料流通路经由所述第一导叶(176)和所述第二导叶(222)延伸至所述第二导叶(222)中的燃料端口(188)，其中，所述燃料端口(188)引向所述空气流通路(220)中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一导叶(176)成角度用以提供旋流。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二导叶(222)包括翼型部。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二导叶(222)具有沿第一侧面(238)的第一燃料端口(224)和沿第二侧面(239)的第二端口(224)，以及所述第一侧面(238)和所述第二侧面(239)彼此相对。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一燃料端口(224)和所述第二燃料端口(224)沿所述第一侧面(238)和所述第二侧面(239)呈椭圆形。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一燃料端口(224)和所述第二燃料端口(224)具有大致平行于所述空气流通路(220)的第一燃料喷射方向(219)和第二燃料喷射方向(219)。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二导叶(222)包括在与所述第一导叶(176)的表面(216)相对的所述第二导叶(222)的周边侧面(236)上的交叉流动燃料端口(234)。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二导叶(222)可沿所述第一导叶(176)的表面(216)旋转。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一导叶(176)包括主翼型形状，所述主翼型形状具有沿所述空气流通路(220)相对于上游端部(175)成角度的下游端部(177)。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一导叶(176)从中心管状本体(168)相对于所述中心管状本体(168)的轴线(179)沿径向(180)延伸，以及所述第二导叶(222)从所述第一导叶(176)相对于所述中心管状本体(168)的轴线(179)沿周向(181)延伸。
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