CN101988702B - 用于涡轮机燃烧器的燃料喷嘴及其形成方法 - Google Patents

用于涡轮机燃烧器的燃料喷嘴及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机燃烧器的燃料喷嘴及其形成方法，具体而言，一种用于涡轮发动机的燃料喷嘴(200)包括主要燃料通道(208)，其用于供应燃料至排列在燃料喷嘴的外表周围的多个径向延伸的燃料喷射器(210)。辅助燃料通道(232)将主要燃料通道(208)的上游端联接至该主要燃料通道的下游端。辅助燃料通道(232)起到谐振器管的作用，来帮助减少在流过主要燃料通道的燃料中的谐振。

Description

用于涡轮机燃烧器的燃料喷嘴及其形成方法
技术领域
本发明涉及用在涡轮发动机中的燃料喷嘴的设计。
背景技术
在典型的涡轮发动机中，燃烧器接收来自涡轮发动机的压缩机部分的压缩空气。燃料在燃烧器中与压缩空气混合，并且燃料-空气混合物然后被点燃以产生热的燃烧气体。热的燃烧气体被发送到发动机的涡轮级。典型地，使用多个燃料喷嘴以将燃料输送到燃烧器内的压缩空气流中。
传统的燃料喷嘴在形状上为圆柱形，带有圆柱形的外壁。多个径向延伸的燃料喷射器附接在燃料喷嘴的外壁的圆周周围。至少一个燃料输送孔形成在各燃料喷射器上。
燃料供应管线附接至燃料喷嘴的上游端。燃料典型地输送到形成在燃料喷嘴的内侧上的环形形状的主要燃料通道中。该主要燃料通道将燃料输送至燃料喷射器，并且燃料被喷出燃料喷射器的燃料输送孔，以使得其可与沿着燃料喷嘴的长度流动的压缩空气混合。
由燃料喷嘴产生的燃料-空气混合物然后在燃料喷嘴的下游在燃烧器内的位置处被点燃。热的燃烧气体然后被发送出燃烧器，并进入发动机的涡轮部分。
在燃烧器内，燃料-空气混合物中小的振荡导致火焰振荡。火焰振荡又在燃烧器内产生压力波。该压力波可传播回燃料喷嘴以引起进入燃烧器的另外的燃料的输送中的进一步振荡。初始振荡和在更多燃料的输送中的进一步振荡的相互作用可以是建设性的或破坏性的。当相互作用为建设性时，振荡可彼此加强，导致燃烧器内大的压力振荡。
通常称为“燃烧动态变化”的该压力波/振荡可以为足够强以物理地损伤位于燃烧器内的元件。当然，它们增加了在燃烧器的壁上的机械负载。它们也可引起空气-燃料混合物的不完全或低效燃烧，这会增加非期望的NOx排放。此外，振荡会引起火焰回闪(flashback)和/或火焰熄灭。
发明内容
一方面，本发明可用一种用于涡轮发动机的燃料喷嘴来实施，该燃料喷嘴包括外壁，以及形成在外壁上的多个径向延伸的燃料喷射器，此处至少一个燃料输送孔形成各燃料喷射器上。燃油喷嘴可包括形成在外壁内并构造成将燃料输送至燃料喷射器的通常为环形形状的主要燃料通道。燃料喷嘴还可包括定位成比主要燃料通道更接近燃料喷嘴的中央纵向轴处的辅助燃料通道，其中辅助燃料通道接收来自主要燃料通道的第一部分的燃料，并将燃料输送回主要燃料通道的第二部分中。
另一方面，本发明可用一种用于涡轮发动机的燃料喷嘴来实施，该燃料喷嘴包括外壁，以及形成在外壁上的多个径向延伸的燃料喷射器，此处在各燃料喷射器上形成至少一个燃料输送孔。燃料喷嘴也可包括沿着喷嘴的长度延伸的多个主要燃料通道，其中主要燃料通道沿着外壁的内部表面定位，且其中主要燃料通道将燃料输送至燃料喷射器。燃料喷射器也可包括多个辅助燃料通道，其中各辅助燃料通道定位成比主要燃料通道更接近燃料喷嘴的中心纵向轴线，且其中各辅助燃料通道接收来自对应的主要燃料通道的第一部分的燃料，并将燃料输送回其所对应的主要燃料通道的第二部分中。
又另一方面，本发明可用一种形成用于涡轮发动机的燃料喷嘴的方法来实施，该方法包括在外壁上形成多个径向延伸的燃料喷射器，此处在各燃料喷射器上形成至少一个燃料输送孔，并形成在外壁内的至少一个主要燃料通道，其中该至少一个主要燃料通道将燃料输送至至少其中一个燃料喷射器。该方法还可包括在定位成比对应的主要燃料通道更接近燃料喷嘴的中心纵向轴线的燃料喷嘴的一部分上形成至少一个辅助燃料通道，其中各至少一个辅助燃料通道接收来自对应的主要燃料通道的第一部分的燃料，并将燃料输送回对应的主要燃料通道的第二部分。
附图说明
图1是典型燃料喷嘴的纵向横截面；
图2是包括辅助燃料通道的备选燃料喷嘴设计的纵向横截面视图；
图3是在图2中所示的燃料喷嘴的横截面视图；
图4是包括辅助燃料通道的备选燃料喷嘴设计的纵向横截面视图；
图5是燃料喷嘴的另一实施例的纵向横截面视图；
图6是燃料喷嘴的另一实施例的纵向横截面视图；
图7是燃料喷嘴的另一实施例的纵向横截面视图；
图8是燃料喷嘴的另一实施例的纵向横截面视图；
图9是在图8中所示的燃料喷嘴的横截面视图；
图10是燃料喷嘴的另一实施例的纵向横截面视图；并且
图11是燃料喷嘴的又另一实施例的纵向横截面视图。
部件清单：
100   燃料喷嘴
102   燃料通道
104   外壁
106   壁
108   箭头
110   燃料喷射器
112   燃料孔
114   燃料通路
120   中心区域
200   燃料喷嘴
202   燃料通道
204   外壁
206   内壁
208   燃料通道
210   燃料喷射器
214   燃料通路
220   内部圆柱形壁
222   外部圆柱形壁
223   第一连接通道
224   辅助燃料通道
226   下游连接通道
227   下游部分
228   燃料通道的封闭部分
230   箭头
232   箭头
234   箭头
240   内部壁
242   辅助燃料通道
250   中间连接通道
具体实施方式
图1中图示了典型燃料喷嘴设计的一些元件。如在其中所示，燃料喷嘴100包括外壁104。多个径向延伸的燃料喷射器110安装在外壁104的圆周周围。一个或更多的燃料孔112沿着各燃料喷射器110的长度形成。
燃料从燃料供应管输送进入环形的主要燃料通道102。该燃料在箭头108的方向上沿着燃料喷嘴100的长度移动。在主要通道102内的燃料然后通过形成在外壁104中的孔眼104进入各燃料喷射器110。燃料输送至各个燃料孔112，在此处燃料离开燃料喷射器并与周围的空气混合。典型地，大体积的压缩空气沿着燃料喷射器的外壁经过且该压缩空气也在和与箭头108相同的方向上移动。结果，在燃料注射器110上离开燃料孔112的燃料迅速地与压缩空气混合。在液体燃料的情况下，燃料也将迅速地雾化并与周围的压缩空气混合。燃料-空气混合物然后将进一步向喷嘴的下游移动至其被燃烧的位置。
虽然未在图1中专门图示，但典型的燃料喷嘴也可包括沿着燃料喷嘴的中心区域120延伸的许多附加的燃料通道。同样，许多附加的零件，例如旋流器，也可安装在燃料喷嘴的外壁104上。因为本发明集中于被输送至在燃料喷射器110上的燃料孔112的燃料，这些是仅有的已图示的元件。应理解的是燃料喷嘴的任何给出的实施例都将可能包括未在图中图示的许多附加的零件。
另外，在本申请的图中图示的实施例中，燃料喷嘴通常在形状上为圆柱形。然而，实施本发明的燃料喷嘴可以具有许多其它的外部形状。例如，实施本发明的燃料喷嘴可以具有椭圆形、正方形、矩形或其它的直线性横截面的形状。
如上所指出，当如在图1中图示的燃料喷嘴安装在燃烧器中时，该燃料喷嘴可经历或遭受在通过主要燃料通道102流动的燃料中导致对应的振荡或压力波的振荡和压力波。
图2图示了包括辅助燃料通道的燃料喷嘴。如图2中所示，辅助燃料通道224位于主要燃料通道202的内部。第一连接通道223将主要燃料通道202的上游端联接至辅助燃料通道224的上游端。另外，下游连接通道226将辅助燃料通道224的下游端联接至主要燃料通道202。因此，燃料可沿着主要燃料通道通过，如由箭头208图示，并且燃料也能够通过辅助燃料通道224通过，如由箭头230、232和234图示。然后燃料将被输送至燃料喷射器210，如上所述。
在图2中图示的实施例中，辅助燃料通道224基本上与主要通道202同心。同心的辅助燃料通道224由内部壁220和外部壁222形成，这些壁位于在燃料喷嘴内部比主要燃料通道202更接近燃料喷嘴的中心纵向轴线处。
辅助燃料通道224构造成起到谐振器管的作用。当辅助燃料通道以适当的尺寸形成时，提供辅助燃料通道224可起作用而减少或消除由在经由燃料喷射器的燃料流中导致的振荡。这又可减少在燃烧室内的压力振荡，以及在燃烧器内的下游火焰中的瞬态振荡。减少火焰和压力振荡提高了涡轮发动机的效率，减少了非期望的排放，避免了意外的回闪和熄灭，并且可延长燃烧器硬件的寿命。
图3图示了在图2中图示的喷嘴设计的横截面视图。如在其中所示，主要燃料通道202基本为位于外壁204和第一圆柱形内壁206之间的环形空间。辅助燃料通道224形成在内部圆柱形壁220和外部圆柱形壁222之间。
多个径向延伸的连接通道223和226将主要燃料通道202联接至辅助燃料通道224。在图2和3中图示的实施例中，有八个在上游端处的上游连接通道223，和八个在辅助燃料通道的下游端处的下游连接通道226。这些连接通道的位置可与径向延伸的燃料喷射器210的位置一致，或连接通道可特意构造成使得它们不与燃料喷射器210的位置相对应。并且，在一些实施例中，不同数目的连接通道可以在主要燃料通道202和辅助燃料通道224之间形成。进一步地，第一数目的上游连接通道可形成在主要和辅助燃料通道之间，同时提供第二、不同数目的下游连接通道。
如上所论述，辅助燃料通道和上游以及下游连接通道的尺寸和构造可以选择成减少选定的频率下在燃料流中的振荡。因此，设计者可改变辅助燃料通道和连接通道的尺寸和构造，来帮助消除或减少特定频率下的振荡。
改变或调整燃料喷嘴以减少或消除在选定的频率下的振荡的一种途径是改变辅助燃料通道的长度。图2图示了第一实施例，其中辅助燃料通道具有长度L1。图4图示了燃料喷嘴的一个备选实施例，此处辅助燃料通道具有长度L2，其大于在图2中所示的实施例中的辅助燃料通道的长度L1。设计者可选择性地改变辅助燃料通道的长度来为特定的特性调整燃料喷嘴。
调整燃料喷嘴以使得其将具有某些特性的另一种途径是改变辅助燃料通道的形状。图5显示了燃料喷嘴的一个备选实施例，此处下游连接通道226将辅助燃料通道224的中间部分联接回到主要燃料通道202。注意辅助燃料通道的进一步的下游部分227是简单地封闭的。通过改变在下游连接通道226和辅助燃料通道224的下游端之间的长度X，可以定制燃料喷嘴以便其包括某些特性。
图6中图示了类似于图5中所示燃料喷嘴的一个备选实施例。在此实施例中，上游连接通道223将主要燃料通道202联接至辅助燃料通道224的中间部分。辅助燃料通道224的额外的上游长度Y向上游进一步延伸并且封闭。这里再一次，辅助燃料通道224的形状和尺寸将被选择以给予燃料喷嘴某些特性。
图7图示了调整燃料喷嘴以使得其包括选定的特性的另一种途径。在图7中图示的燃料喷嘴中，辅助燃料通道224的厚度T大于在图5中所示的实施例的辅助燃料通道224的厚度。如图5和7中所示的实施例的所有其它特性是一样的。通过选择性地改变辅助燃料通道的厚度，可改变在其下减少振荡的频率。
在图2-7中图示的各个实施例中，主要燃料通道的内部和外部壁完全地与辅助燃料通道的内部和外部壁分离。图8图示了一个实施例，其中单独的壁既形成了主要燃料通道的内部壁又形成了辅助燃料通道的外部壁。
如图8中所示，主要燃料通道102的外部壁仍然由燃料喷嘴的外壁104形成。主要燃料通道102的内部壁106也形成了辅助燃料通道242的外部壁。在主要和辅助燃料通道之间的壁106中的孔眼允许第二通道242被连接至主要燃料通道102。
在一些实施例中，主要燃料通道102和辅助燃料通道242两者都将在燃料喷嘴的整个圆周周围延伸。这将意味着主要燃料通道和辅助燃料通道沿着燃料喷嘴的长度形成同心的环形通路。
在备选实施例中，主要燃料通道和辅助燃料通道两者都可形成为沿着燃料喷嘴的内侧延伸的多个独立通道。图9图示了此类型的一个实施例的横截面视图。如图9中所示，四个分离的主要燃料通道102在外壁104的内圆周周围隔开。各主要燃料通道102由沿着燃料喷嘴的长度延伸的内部壁106形成。另外，各主要燃料通道102连接至对应的辅助燃料通道242。辅助燃料通道242由附接至主要燃料通道102的内部壁106的外侧的多个内部壁240形成。穿过主要燃料通道102的内部壁106的孔眼将主要燃料通道102连接到它们相对应的辅助燃料通道242上。
在图9中图示的实施例中，有总共八个燃料喷射器110在燃料喷嘴的外圆周周围隔开。另外，各主要和对应的辅助燃料通道供应燃料到其中两个燃料喷射器110。因此，有总共四个主要燃料通道和四个对应的辅助燃料通道。
在备选实施例中，可以提供不同数目的燃料喷射器110、主要燃料通道102和辅助燃料通道。例如，各燃料喷射器110可通过其自己的独立的主要和辅助燃料通道供给燃料。备选地，单个主要和辅助燃料通道可以供应燃料至多于两个燃料喷射器110。而且，如上所指出，辅助燃料通道242的长度和构造可选择性地改变来为燃料喷嘴提供选定的特性。
图10中图示了调整燃料喷嘴以便其具有选定特性的另一种方法。如在其中所示，在此实施例中，有总共三个沿着辅助燃料通道的长度的连接通道。上游连接通道允许来自主要通道的燃料进入辅助燃料通道。中间连接通道定位成朝向辅助燃料通道的下游端，并且最后的下游连接通道确保了在辅助燃料通道的下游端处的任何燃料被返回至主要燃料通道。
在又其它实施例中，可以提供位于主要和辅助燃料通道之间的另外的连接通道或孔眼来调整燃料喷嘴，以便其具有某些特性。
图11图示了燃料喷嘴的又另一备选实施例。如图11中所示，辅助燃料通道242的下游端封闭，并且中间连接通道250将辅助燃料通道242的中间部分联接至主要燃料通道102。这里再一次，辅助燃料通道的构造已被改变以给予燃料喷嘴某些特性。
在本发明的又其它实施例中，主要或辅助燃料通道，和/或连接通道可包括由柔性材料形成的部分，例如弹性材料。该弹性材料还可用来在燃料流中使振荡减幅。
虽然本发明已联系当前认为最可行和优选的实施例来描述，但将理解的是本发明不局限于公开的实施例，而是相反，本发明意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等价布置。

Claims (9)

1.一种用于涡轮发动机的燃料喷嘴，包括：
外壁；
形成在所述外壁上的多个径向延伸的燃料喷射器，此处至少一个燃料输送孔形成在各燃料喷射器上；
形成在所述外壁内部、且构造为将燃料输送至所述燃料喷射器的大致环形形状的主要燃料通道；和
定位成比所述主要燃料通道更接近所述燃料喷嘴的中心纵向轴线的辅助燃料通道，其中所述辅助燃料通道接收来自所述主要燃料通道的第一部分的燃料，并将燃料输送回所述主要燃料通道的第二部分中。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述辅助燃料通道也为大致环形形状。
3.根据权利要求2所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述主要燃料通道和所述辅助燃料通道是同心的。
4.根据权利要求3所述的燃料喷嘴，其特征在于，多个径向延伸的连接通道连接所述主要燃料通道和所述辅助燃料通道。
5.根据权利要求4所述的燃料喷嘴，其特征在于，一组进口连接通道将所述主要燃料通道的所述第一部分连接至所述辅助燃料通道的上游端，并且其中，一组出口连接通道将所述主要燃料通道的所述第二部分连接至所述辅助燃料通道的下游端。
6.根据权利要求4所述的燃料喷嘴，其特征在于，一组进口连接通道将所述主要燃料通道的所述第一部分连接至所述辅助燃料通道的上游端，并且其中，一组出口连接通道将所述主要燃料通道的所述第二部分连接至沿着所述辅助燃料通道的长度的中间位置。
7.根据权利要求6所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述辅助燃料通道的下游端封闭。
8.根据权利要求4所述的燃料喷嘴，其特征在于，一组进口连接通道将所述主要燃料通道的所述第一部分连接至沿着所述辅助燃料通道的长度的中间位置，并且其中，一组出口连接通道将所述主要燃料通道的所述第二部分连接至所述辅助燃料通道的下游端。
9.根据权利要求8所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述辅助燃料通道的上游端封闭。
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