CN101929677A - 用于减小燃气涡轮发动机中的叶片涡流角的方法和系统 - Google Patents

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CN101929677A CN2010101715357A CN201010171535A CN101929677A CN 101929677 A CN101929677 A CN 101929677A CN 2010101715357 A CN2010101715357 A CN 2010101715357A CN 201010171535 A CN201010171535 A CN 201010171535A CN 101929677 A CN101929677 A CN 101929677A
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B·P·莱西
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Abstract

本发明涉及用于减小燃气涡轮发动机中的叶片涡流角的方法和系统。其中，提供一种用于燃气涡轮发动机(100)的燃料喷嘴(222)。该燃料喷嘴包括：涡流器组件(302)，其包括入口端(310)、出口端(312)、护罩内表面(404)和毂外表面(408)，该内表面限定在该入口端(310)的第一直径(320)和在该出口端(312)的第二直径(324)；以及，多个叶片(400)，其连接到该涡流器组件上且在该护罩内表面与该毂外表面之间延伸，每个叶片包括在前边缘(410)和轴向间隔开的尾边缘(412)处接合的一对对置侧壁(414，416)，每个叶片具有邻近该前边缘的第一高度和邻近该尾边缘的第二高度，该第一高度与第二高度限定差别高度比，其中，差别直径比和差别高度比中的至少一个被配置成提供通过该燃料喷嘴的会聚流动。

Description

用于减小燃气涡轮发动机中的叶片涡流角的方法和系统
技术领域
本发明大体而言涉及燃气涡轮发动机，且更特定而言涉及用于减小燃烧器中的叶片涡流角的方法和系统。
背景技术
至少某些燃气涡轮发动机在燃烧器中点燃燃料-空气混合物以生成燃烧气体流，燃烧气体流被输送到涡轮。压缩空气从压缩机输送到燃烧器。燃烧器组件通常具有一或多个燃料喷嘴，其便于将燃料和空气递送到燃烧器的燃烧区。至少某些已知的燃料喷嘴包括涡流器组件，涡流器组件包括连接到其上的多个叶片。在组装期间，覆盖件或护罩连接到燃料喷嘴组件上，使得覆盖件基本上外接叶片。因此，覆盖件的内表面和涡流器组件的外表面限定流动路径用于通过燃料喷嘴输送空气流。
在操作期间，燃料通常通过形成于涡流器组件内的多个通道和限定于每个相应叶片的至少一侧中的多个开口输送。已知的叶片形成有翼面形轮廓，其引起流动经过叶片的燃料和/或空气的涡流。此外，在至少某些已知的涡流器组件中，叶片引起在0度与60度之间的涡流角以稳定气体火焰且防止在靠近喷嘴排出口处的火焰回火。涡流角通常部分地基于叶片厚度、叶片要求(vane solicit)和/或叶片形状。对于某些类型的燃料，诸如合成气和高氢燃料，可有益地减小叶片涡流角以获得最佳火焰特性。但是，对于许多涡流器组件而言，存在最小的可工作涡流角，且使用低于该最小值的涡流角可导致经过喷嘴欠佳的流动(例如，发散的阶式流动)。
此外，在已知涡流器组件设计中，对于用于高反应性燃料的涡流器组件而言，优化涡流角可能是困难的。为了优化涡流器角，至少某些已知的是修改涡流器叶片的位置、翼面形状和大小以引起通过涡流器组件的流动的消涡(de-swirling)。但是，修改已知的涡流器组件可能会由于发散的阶式流动而引起流动分离和/或不利的火焰稳定。虽然这些已知的方法和系统提供燃料喷嘴性能的某些有用改进，但仍存在改进燃料喷嘴性能和增强火焰稳定特性的需要。
发明内容
在一方面，提供一种组装用于燃气涡轮发动机中的燃料喷嘴的方法。该方法包括提供涡流器组件，涡流器组件具有入口端、出口端和护罩内表面和毂外表面。护罩内表面具有邻近入口端的第一直径和邻近出口端的第二直径，且第一直径与第二直径限定差别直径比(differential diameter ratio)。该方法还包括将多个叶片连接到涡流器组件上，每个叶片在护罩内表面与毂外表面之间延伸。每个叶片具有在前边缘与尾边缘处接合的一对对置侧壁，且每个叶片具有邻近前边缘的第一高度和邻近尾边缘的第二高度。第一高度与第二高度限定差别高度比(differential height ratio)，其中，差别直径比、差别高度比或二者被配置成提供通过燃料喷嘴的会聚流动。
在另一方面，提供一种燃料喷嘴组件，其包括涡流器组件，涡流器组件具有入口端、出口端、护罩内表面和毂外表面。内表面具有邻近入口端的第一直径和邻近出口端的第二直径，且第一直径与第二直径限定差别直径比。燃料喷嘴组件还具有多个叶片，这些叶片连接到涡流器组件上，且在护罩内表面与毂外表面之间延伸。叶片中的每一个叶片具有在前边缘和轴向间隔开的尾边缘处接合的一对对置侧壁，且这些叶片中的每一个叶片还具有邻近前边缘的第一高度和邻近尾边缘的第二高度。第一高度与第二高度限定差别高度比，其中，差别直径比、差别高度比或二者被配置成提供通过燃料喷嘴的会聚流动。
在再一方面，提供一种燃气涡轮发动机，其具有压缩机和燃烧器。该燃烧器与压缩机流动连通，且具有至少一个燃料喷嘴组件。该燃料喷嘴组件包括涡流器组件，该涡流器组件具有入口端、出口端、护罩内表面和毂外表面。内表面具有邻近入口端的第一直径和邻近出口端的第二直径，其中，所述第一直径与所述第二直径限定差别直径比。燃料喷嘴组件还包括多个叶片，这些叶片连接到涡流器组件上，且在护罩内表面与毂外表面之间延伸，其中，这些叶片中的每一个叶片具有在前边缘与轴向间隔开的尾边缘处接合的一对对置侧壁。这些叶片中的每一个叶片还具有邻近前边缘的第一高度和邻近尾边缘的第二高度。第一高度与第二高度限定差别高度比，其中，差别直径比、差别高度比或二者被配置成提供通过燃料喷嘴的会聚流动。
附图说明
图1是示范性燃气涡轮发动机的示意图；
图2是用于图1所示的燃气涡轮发动机的示范性燃烧器的截面示意图；
图3是用于图2所示的燃烧器的示范性燃料喷嘴组件的截面示意图；
图4是用于图3所示的燃料喷嘴组件的涡流器组件的截面图；以及
图5是用于图4所示的涡流器组件的示范性涡流器叶片的一部分的平面图。
部件列表：
100    发动机
102    压缩机组件
104    燃烧器组件
108    涡轮组件
110    压缩机/涡轮轴杆
112    扩散器
114    增压室
220    端盖
222    燃料喷嘴组件
224    壳体
226    燃烧器衬套
228    腔室
229    燃烧腔室冷却通道
230    过渡件
232    涡轮喷嘴
234    多个开口
236    外壁
238    环形通道
240    内壁
242    过渡件引导腔
244    燃料喷嘴凸缘
300    入口流动调节器(IFC)
302    涡流器组件
304    燃料流体混合通道
306    火焰燃料喷嘴组件
308    高压增压室
310    入口端
312    排放端
314    燃烧器反应区
316    流动通道
318    圆柱形壁
320    内径
322    圆柱形壁
324    外径
326    端帽
328    环形引导叶片
350    上游端
400    多个涡流器叶片
402    外部护罩
404    内表面
406    内部毂
408    外表面
410    前边缘
412    尾边缘
414    侧壁
416    侧壁
418    叶片根部
420    叶片顶端
422    入口
424    出口
426    过渡区/点
428    过渡点
429    最大弦尺寸
500    第一涡流器角
502    第二涡流角
504    翼面轮廓
具体实施方式
图1是示范性燃气涡轮发动机100的示意图示。发动机100包括压缩机102和多个燃烧器104。发动机100还包括涡轮108和共同压缩机/涡轮轴杆110(有时也被称作转子110)。
在操作中，空气流动通过压缩机102使得压缩空气被供应到燃烧器组件104。燃料被输送到燃烧器组件104内的燃烧区，其中燃料与空气混合并点燃。生成燃烧气体且燃烧气体被输送到涡轮108，在涡轮108中，气体流热能被转换成机械旋转能。涡轮108可旋转地连接到轴杆110且驱动轴杆110。
图2是燃烧器组件104的截面示意图。燃烧器组件104与涡轮组件108和压缩机组件102连接成流动连通。在示范性环境中，压缩机组件102包括彼此连接成流动连通的扩散器112和压缩机排放增压室114。
在示范性实施例中，燃烧器组件104包括端盖220，端盖220向用于燃烧器组件104的多个燃料喷嘴提供结构支承。在示范性实施例中，燃料喷嘴组件222经由燃料喷嘴凸缘244连接到端盖220。端盖220利用固持硬件(在图2中未示出)连接到燃烧器壳体224。燃烧器衬套226设置于燃烧器组件104内使得衬套226连接到壳体224且使得衬套226限定燃烧腔室228。环形燃烧腔室冷却通道229限定于燃烧器壳体224与燃烧器衬套226之间。
过渡件230连接到燃烧器腔室228以朝向涡轮喷嘴232输送在腔室228中生成的燃烧气体。在示范性实施例中，过渡件230包括限定于外壁236中的多个开口234。过渡件230还包括限定于内壁240与外壁236之间的环形通道238。内壁240限定引导腔242。
在操作期间，涡轮组件108经由轴杆110(在图1中示出)驱动压缩机组件102。随着压缩机组件102旋转，压缩空气通过扩散器112输送，如图2中的箭头所示。在示范性实施例中，从压缩机组件102排放的大部分空气通过压缩机排放增压室114朝向燃烧器组件104输送，且其余压缩空气向下游输送用于冷却发动机构件。更具体而言，在增压室114内的加压的压缩空气经由外壁开口234输送到过渡件230内且到通道238内。然后空气在被输送到燃料喷嘴222之前从过渡件环形通道238输送到燃烧腔室冷却通道229。
燃料与空气在燃烧腔室228内混合并点燃。壳体224便于使燃烧腔室228和其相关联的燃烧过程与周围环境隔离，例如与周围涡轮构件隔离。所生成的燃烧气体从腔室228通过过渡件引导腔242朝向涡轮喷嘴232输送。
图3是燃料喷嘴组件222的截面图。燃料喷嘴组件222被分成四个区，包括入口流动调节器(IFC)300、涡流器组件302、环形燃料流体混合通道304和中央扩散火焰燃料喷嘴组件306。燃料喷嘴组件222还包括高压增压室308，其包括入口端310和排放端312。高压增压室308外接喷嘴组件222且排放端312不外接喷嘴组件222。而是，排放端312延伸到燃烧器反应区314内。IFC 300包括环形流动通道316，其由圆柱形壁318和322限定。壁318限定通道316的内径320，且穿孔的圆柱形外壁322限定外径324。穿孔端帽326连接到燃料喷嘴组件222的上游端350。在示范性实施例中，流动通道316包括至少一个环形引导叶片328。更具体而言，在示范性实施例中，压缩流体经由形成于端帽326和圆柱形外壁322中的穿孔进入IFC 300。此外，应了解在示范性实施例中，喷嘴组件222限定预混合气体燃料回路，其使得可燃燃料和压缩流体在燃烧之前混合在一起。
现参看图4和图5，图4是涡流器组件302的截面图，且图5是用于涡流器组件302的示范性涡流器叶片400的一部分的平面图。在示范性实施例中，涡流器组件302包括多个涡流器叶片400，其各在径向外部护罩402与径向内部毂406之间延伸，径向外部护罩402具有内表面404，径向内部毂406具有外表面408。每个叶片400包括前边缘410、轴向间隔开的尾边缘412和在前边缘410和在尾边缘412处接合的一对对置侧壁414和416。侧壁414和416在内部毂406与外部护罩402之间延伸。叶片根部418邻近内部毂406限定，且叶片顶端420邻近外部护罩402的内表面404限定。
在示范性实施例中，外部护罩402形成有内表面404，内表面404包括在涡流器组件302的入口422和出口424处测量的两个直径D1和D2。相对应地，叶片400具有在直径D1与D2处测量的两个高度H1与H2，使得叶片顶端420基本上遵循外部护罩内表面404的轮廓。护罩过渡区426沿着内表面404在直径D1与D2之间延伸。护罩过渡区426设置于叶片顶端420。叶片过渡区428限定于叶片顶端420中且在叶片高度H1与H2之间形成过渡。在示范性实施例中，过渡点426与428邻近叶片400的最大弦尺寸(maximum cord dimension)429。在其它实施例中，过渡点426和428位于当从前边缘410向尾边缘412测量时的叶片400的上游一半内那样。应了解过渡点426和428的位置可基于涡流器组件302的需求而可变地选择。此外，本领域一般技术人员应了解可通过选择过渡点426和428的各种位置来优化流动特性，且可通过选择各个直径D1与D2以及叶片高度H1与H2来优化流动特性。
在替代实施例中，外部护罩内表面404可包括在直径D1与D2之间的多个不同直径，使得在直径D1与D2之间限定弯曲或流线型过渡。相对应地，替代实施例可包括下面这样的叶片顶端420：其包括限定于高度H1与H2之间的多个高度使得在高度H1与H2之间限定弯曲或流线型过渡。在替代实施例中，可存在用于限定外部护罩内表面404的多个过渡区/点426和428。此外，本领域一般技术人员将了解到提供入口直径D1与出口直径D2之间的流线型过渡可便于优化通过涡流器组件302的各种流动特性。
在示范性环境中，叶片400被形成为包括来自单个翼面轮廓504的两个涡流角500和502。翼面轮廓504可用于涡流器组件302。第一涡流器角500大约为30°的涡流角，且第二涡流角502为大约45°的涡流角。叶片400与涡流器组件302(在图4中示出)连接以使得能将叶片涡流角从502减至500而无需更改叶片400的翼面轮廓。
通过将外部护罩402成形为具有自D1减至D2的直径，以很低的涡流角方便了持续加速的阶式流动。在一实施例中，外部护罩402中直径D2的减小可用于具有大约零度涡流角的叶片400。使用很低涡流角便于且优化替代燃料的使用，诸如合成气和高氢燃料。将外部护罩直径自D1减至D2便于生产会聚的阶式流动。
本文所述的本发明提供已知涡流器组件配置中未发现的若干优点。举例而言，本文所述的涡流器组件的一个优点是优化了火焰稳定且因此提供改进的火焰稳定特性。另一优点在于涡流角可基本上减小，同时维持燃料喷嘴内会聚的阶式流动。又一优点在于在使用相同叶片翼面轮廓时可基本上减小涡流角。最后，燃气涡轮灵活性增加，因为可使用其它燃料源，诸如合成气和高氢燃料，因为本发明通过使用减小的涡流角增加了高反应性燃料火焰稳定裕度。
在上文中详细地描述了用于减小燃气涡轮发动机中的叶片涡流角的方法和系统的示范性实施例。该方法和系统并不限于本文所述的具体实施例，而是可独立地且单独于本文所述的其它构件和/或步骤来利用系统的构件和/或方法的步骤。举例而言，该方法也可结合其它燃料系统和方法使用，而并不限于仅用本文所述的燃料系统和方法来实践。而是，可结合许多其它燃气涡轮发动机应用来实施和利用该示范性实施例。
尽管在某些附图中示出而在其它附图中未示出本发明的各种实施例的具体特点，但这只是为了方便起见。根据本发明的原理，可组合任何其它附图的任何特点来参考和/或要求保护附图的任何特点。
这些书面描述使用实例来公开包括最佳方式的本发明，且也使得本领域技术人员能实践本发明(包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法)。本发明的专利保护范围由权利要求限定且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它的实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果这些实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等同结构元件，那么这些其它实例预期落在权利要求的范畴内。
虽然关于各种具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员应认识到在本发明的精神和范围内在实践本发明时可做出修改。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的燃料喷嘴(222)，所述燃料喷嘴包括：
涡流器组件(302)，包括入口端(310)、出口端(312)、护罩内表面(404)和毂外表面(408)，所述内表面限定在所述入口端(310)的第一直径(320)和在所述出口端(312)的第二直径(324)；以及
多个叶片(400)，连接到所述涡流器组件上且在所述护罩内表面与所述毂外表面之间延伸，每个所述叶片包括在前边缘(410)和轴向间隔开的尾边缘(412)处接合的一对对置侧壁(414，416)，每个所述叶片具有邻近所述前边缘的第一高度和邻近所述尾边缘的第二高度，所述第一高度与所述第二高度限定差别高度比，其中，所述差别直径比和所述差别高度比中的至少一个被配置成提供通过所述燃料喷嘴的会聚流动。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(222)，其特征在于，所述第一直径大于所述第二直径。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(222)，其特征在于，所述内表面(404)还包括限定于所述第一直径(320)与所述第二直径(324)之间的至少一个护罩过渡区(426)。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(222)，其特征在于，所述多个叶片还包括限定于所述第一高度与所述第二高度之间的至少一个叶片过渡区。
5.根据权利要求3所述的燃料喷嘴(222)，其特征在于，所述多个叶片(400)还包括限定于所述第一高度与第二高度之间的至少一个叶片过渡区(426)，所述至少一个叶片过渡区与所述至少一个护罩过渡区基本上对准。
6.根据权利要求3所述的燃料喷嘴(222)，其特征在于，所述至少一个护罩过渡区(426)设置于当从所述前边缘(410)至所述尾边缘(412)测量时的每个所述叶片(400)的长度的前一半内。
7.根据权利要求3所述的燃料喷嘴(322)，其特征在于，所述至少一个护罩过渡区(426)邻近每个所述叶片(400)的最大弦尺寸设置。
8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(222)，其特征在于，所述每个叶片(400)还包括在0度与60度之间的涡流角(500)。
9.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(222)，其特征在于，所述差别直径比和所述差别高度比被配置成便于加速在所述燃料喷嘴内的会聚的阶式流动。
10.一种燃气涡轮发动机组件(100)，包括：
压缩机(102)；以及
与所述压缩机流动连通的燃烧器(104)，所述燃烧器包括至少一个燃料喷嘴组件(222)，所述燃料喷嘴组件包括：
涡流器组件(302)，包括入口端(310)、出口端(312)、护罩内表面(404)和毂外表面(408)，所述内表面具有邻近所述入口端的第一直径(320)和邻近所述出口端的第二直径(324)，其中，所述第一直径与所述第二直径限定差别直径比；以及
多个叶片(400)，连接到所述涡流器组件上且在所述护罩内表面与所述毂外表面之间延伸，每个所述叶片包括在前边缘(410)和轴向间隔开的尾边缘(412)处接合的一对对置侧壁(414，416)，每个所述叶片具有邻近所述前边缘的第一高度和邻近所述尾边缘的第二高度，所述第一高度与所述第二高度限定差别高度比，其中，所述差别直径比和所述差别高度比中的至少一个被配置成提供通过所述燃料喷嘴的会聚流动。
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