CN102187081A - 用于燃料喷射器的主动热保护 - Google Patents

Abstract

提供了一种燃料喷射器和具有该燃料喷射器的涡轮发动机。该燃料喷射器包括使流过燃料喷射器的燃料与涡轮发动机内的热能隔绝的主动冷却系统。该冷却系统包括具有入口和出口的冷却空气通道。入口和出口与涡轮发动机的发动机壳体内部流体连通。入口处于比出口较高的气压下以使得通过冷却空气通道虹吸空气。冷却空气通道的一部分包括用于从冷却空气吸收热能的热交换器。冷却空气在已经穿过热交换器之后穿过燃料喷射器。热交换器定位于发动机壳体外部并且与环境热连通。

Description

用于燃料喷射器的主动热保护

技术领域

本发明总体上涉及燃料输送系统并且更具体地涉及用于将燃料输送至内燃机的燃烧室的燃料喷射器(即燃料喷嘴)。

背景技术

燃料喷射器(也叫作燃料喷嘴)是燃气轮机的重要部件。因为燃料喷射器是燃料的来源，燃料喷射器能对发动机性能起着显著的作用。

因为燃料喷射器至少部分地定位于发动机壳体内，燃料喷射器包括内燃料管延伸穿过其中的支架/支杆。燃料管将连接至雾化器或支架/支杆的其他梢端构件以改善燃料的输送状态以使得其将与发动机壳体中的空气更完全地混合。通常，燃料喷射器定位于压缩机单元的下游和涡轮的燃烧器的上游。通常，压缩机和燃烧器之间燃料喷射器所处的位置(如果不是大部分，则至少部分位于其中)被称为压缩机排出区域。

在操作期间，支架/支杆由高温高压的压缩空气包围。然而，期望在比压缩空气低得多的温度下输送燃料。更具体地，如果太多的热传递至燃料，燃料会开始焦化，从而毁坏或降低燃料的质量。而且，燃料的焦化会引起燃料喷射器中的焦炭沉积，这负面地影响来自喷射器的燃料流动。高热还会弱化燃料喷嘴的结构强度和加剧燃料喷嘴的腐蚀。

因此，已经试图降低能从高温压缩空气传递至穿过燃料喷射器的燃料的热量。通常，增加包围支杆/支架的隔热罩，其在支架/支杆周围提供滞留空气的凹穴以防止或显著降低热对流至支架/支杆。

然而，不幸的是，由于技术进步，从而压缩机下游的环境日渐严峻，燃料喷射器暴露于较高环境温度并且需要承受这种较高的环境温度，有时超过1600华氏度。而且，在多种系统中(尤其在飞行器中)，燃料在消耗之前更广泛地用作散热器或冷却剂使得这个问题更复杂。这导致在燃料开始供给至燃料喷射器时燃料温度急剧升高至350华氏度或更高，(即甚至在燃料进入喷射器之前)。过度的温度也会弱化燃料喷嘴的金属结构的强度并加速燃料喷嘴的金属结构的腐蚀。通常，由不锈钢制成的燃料喷嘴在800华氏度及以上显著损失强度，由镍合金制成的燃料喷嘴在1200华氏度及以上时也如此。

由于温度和热能源的这些增大，标准的隔热罩/滞留空气装置变得不能有效地防止对燃料的有害影响。

本发明涉及对于燃料喷射器的现有技术状态的改进。

发明内容

本发明的实施例提供了改进的燃料喷射器和涡轮发动机。在一个实施例中，提供了一种包括主动冷却系统的改进燃料喷射器。而且，在一个实施例中，提供了一种包括主动冷却系统的改进燃料喷射器，该主动冷却系统通过冷却通道从涡轮的压缩机排出区域虹吸空气，所述冷却通道冷却空气然后使其穿过燃料喷射器。另外，提供了一种包括冷却系统的改进涡轮发动机，该冷却系统包括在压缩机排出区域内具有入口和在燃烧器内具有出口以及部分与燃料喷射器热连通的冷却通道。

在本发明更具体的实施例中，提供了一种用于燃料燃烧发动机中的燃料喷射器。燃料喷射器包括中心主体和冷却系统。中心主体限定在燃料入口和燃料出口之间延伸的燃料流动通道。冷却系统包括在冷却空气入口和冷却空气出口之间延伸的冷却空气通道。至少一部分冷却空气通道延伸穿过中心主体并且与中心主体热连通。

在燃料喷射器的优选实施例中，中心主体包括支架结构以及至少部分地包围支架结构并在它们之间形成间隙的隔热罩。间隙形成冷却空气通道的一部分。而且，冷却系统优选地包括夹置在冷却空气入口和冷却空气出口之间的热交换器。

在又一实施例中，提供一种改进的涡轮发动机包括：发动机壳体、压缩机、压缩机排出区域、燃烧器、燃料喷射器和冷却系统。压缩机定位于发动机壳体内。压缩机排出区域在压缩机下游，压缩空气从压缩机以高压排出至压缩机排出区域。燃烧器在发动机壳体内并且定位于压缩机和压缩机排出区域下游并且通过燃烧器边界壁与压缩机排出区域流体连通。燃烧器边界壁在压缩机排出区域和燃烧器之间产生压差以使得燃烧器与压缩机排出区域相比处于低压。燃料喷射器安装于发动机壳体内。燃料喷射器包括限定燃料流路的支架结构，所述燃料流路具有在燃烧器内的燃料出口。冷却系统包括穿过支架结构并且与之热连通的冷却空气通道。冷却空气通道包括在压缩机排出区域中的冷却空气入口以及在燃烧器中的冷却空气出口。夹置在冷却空气入口和冷却空气出口之间的至少一部分冷却空气通道在发动机壳体以外。

本发明的其他方面、目标和优点将从下面结合附图的详细描述中变得更加明显。

附图说明

结合入说明书并构成其一部分的附图示出了本发明的数个方面，并且连同描述一起用来解释本发明的原理。在附图中：

图1是根据本发明教导的涡轮发动机的简化剖视图；

图2是图1所示涡轮发动机的压缩机排出区域和燃烧器的局部放大剖视图；并且

图3是图1所示燃料喷射器的放大示意图。

虽然本发明将结合某些优选实施例进行描述，但是并非限制于这些实施例。相反，意图是要覆盖包括于本发明由所附权利要求所限定的精神和范围内的所有替代、变型和等同。

具体实施方式

现在转向图1，示出了根据本发明教导的涡轮发动机100的简化视图。涡轮发动机100尤其包括容纳于舱室104(即包围发动机壳体102的护罩)内的发动机壳体102，以及引起涡轮发动机100操作的其他部件。在发动机壳体102内，涡轮发动机100包括：压缩机105、燃烧器106或燃烧室以及多个燃料喷射器110(也称为或公知的燃料喷嘴)。

如箭头112所示的环境空气进入压缩机105并且被压缩使得其离开并进入燃烧器106上游的压缩机排出区域114。压缩机排出区域114内的压缩空气是高压且高温的。压缩机排出区域114的压力在这里将称为压力P3。

压缩机排出区域114的下游是燃烧器106，高温高压空气在所述燃烧器中与经由喷射器110喷入燃烧器106的燃料115相混合并且然后燃烧。

燃烧器106由用作防火罩的燃烧器边界壁118界定，所述边界壁还将燃烧器106限定在发动机壳体102内。燃烧器边界壁118包括压缩空气在进入燃烧器106时穿过的孔洞或孔。燃烧器边界壁118轻微地抑制从压缩机排出区域114进入燃烧器106的空气流动并且在燃烧器106内燃料喷射器110附近产生压降得到压力P4。横跨燃烧器边界壁118的压降通常在大约百分之三(3％)至百分之五(5％)。这样，压力P3通常比压力P4大大约百分之三(3％)至百分之五(5％)。通常，P4是几百PSI以使得压力P3和压力P4之间的压差在大约六(6)至十二(12)PSI。然而，基于燃烧器边界壁118的设计也能产生其他压差。

由于燃料喷射器110暴露于离开压缩机105的高温压缩空气，因此大量的热能可从空气传递至喷射器110。如果过多的热能从空气传递至穿过喷射器110的燃料，燃料将开始焦化或者不然的话分解，降低喷射器和涡轮100的性能。

因此，本实施例的燃料喷射器110合并有主动冷却以帮助维持穿过燃料喷射器110的燃料的燃料温度低于预先确定的可接受水平，这大致是防止燃料焦化或其他恶化的水平。

参照图3的简化剖视图，燃料喷射器110大致包括：以支杆120的形式示出的支架结构、隔热罩122、燃料雾化器124、主动冷却系统126以及燃料管装置128。

支杆120用作用于燃料喷射器110的支架并且包括燃料穿过其中流动至雾化器124的中心孔130。更具体地，燃料管装置128安装于孔130内。燃料管装置128示出为单管，然而，在可选实施例中，燃料管128能根据期望穿过喷射器的燃料流动类型由多个同心或不同心的管提供。燃料管装置128可操作地结合至燃料供应源132。

支杆120还包括燃料供应132连接于此的安装头部134。安装头部134用作燃料喷射器110的入口，而燃料雾化器124是燃料喷射器110的出口。安装头部134还包括用来将燃料喷射器110安装至发动机壳体102的径向延伸的安装法兰136。在所示实施例中，多个螺栓138穿过发动机壳体102和安装法兰136以将燃料喷射器110紧固至发动机壳体102。然而，其他支架结构可用于本发明的实践实施例中。并且支杆能由多个不同部件的组合形成。

隔热罩122提供了阻止热从高温高压的压缩机空气传递至穿过燃料喷射器110的燃料115的第一热障。隔热罩122包括安装法兰140，其与支杆120的安装法兰136对齐并且被夹在发动机壳体102和安装法兰136之间以将隔热罩122紧固就位。

雾化器124在燃料喷射器110的对置下游或出口端142处。燃料雾化器124以简化形式示出，并且能被排除于本发明的实施例以外或由用于促进燃料115与燃烧器106内的空气混合的可选结构替代。燃料雾化器124用来促进从喷射器110喷射的燃料115与先前压缩好的空气相混合以提高涡轮的性能并且促进燃料115的改进燃烧。燃料喷射器110出口端142借助于雾化器124与燃烧器106流体连通并且延伸穿过燃烧器边界壁118。

现在已经确认了涡轮100和喷射器110的大致环境，将更完全地描述主动冷却系统126。

主动冷却系统126大致用来降低从离开压缩机105的高温高压空气传递至燃料的热能的量。更具体地，与其中仅是在隔热罩122和支杆120之间形成滞留空气间隙的标准装置相比，主动冷却系统用来降低从隔热罩122传递至支杆120的热能。主动冷却系统126用来通过至少部分地由形成于燃料喷射器110的支杆120和隔热罩122之间的间隙156形成的冷却空气通道150虹吸压缩机排出区域114内的上游空气。在空气穿过冷却空气通道150时，空气被充分地冷却以将其隔热能力增大至超过仅提供滞留空气间隙的情况。

冷却空气通道150包括压缩机排出区域114中的入口152以及形成于燃料喷射器110与燃烧器106流体连通的出口端142中的出口154。这个装置允许压缩机排出区域114中的高压高温空气将由于入口152和出口154之间的压差而被迫穿过冷却空气通道150并且排出至燃烧器106中。更具体地，入口152和出口154之间的压差是由于压力P3和P4之间的百分之三至百分之五的压差而产生。这种被迫穿过冷却空气通道150的空气在这里将称为“冷却空气”。

冷却空气通道150包括夹置于入口152和出口154之间的若干主要部分。更具体地，冷却空气通道150包括示出为热交换器155的热传递部分以及示出为形成于隔热罩122和支杆120之间的间隙156的穿过燃料喷射器110的部分。

随着被迫穿过冷却空气通道150的冷却空气从入口152行进至出口154，冷却空气离开发动机壳体102并且然后穿过位于发动机壳体102以外的以空气至空气(air-to-air)热交换器形式示出的热交换器155。优选地，热交换器155定位于涡轮舱室104内并且处于在发动机壳体102以外流动的低温舱室空气113内。热交换器155将热能从冷却空气传递至舱室空气113，这里所使用的舱室空气也可称为环境空气，以降低冷却空气的温度。

接着，冷却空气在已经由热交换器155冷却之后进入燃料喷射器110。更具体地，冷却空气进入形成于隔热罩122和支杆120之间的间隙156。这种冷却空气因此降低从隔热罩122传递至支杆120的热量。

在穿过间隙156之后，冷却空气被排入燃烧器106并且与燃料115一起燃烧。

在空气被抽出并且排回入发动机壳体102时，冷却空气通道150的入口152和出口154都定位于燃料喷射器110的安装结构(即安装法兰136)的发动机壳体侧。这允许入口152和出口154在燃料喷射器110安装至发动机壳体102时都定位于发动机壳体102内。安装法兰136与发动机壳体102的一部分重叠并且包括背离出口端142的上游表面157以及面向出口端142的下游表面158。

虽然冷却空气通道150的第一部分示出为分别穿过支杆120和隔热罩122的安装法兰136、140，以及燃料喷射器110延伸穿过其中的发动机壳体102中的同一孔洞，但是冷却空气通道150的第一部分能径向地隔开以使得其不穿过这些结构。相反，通道能通过为了冷却空气通道150的入口部分而特定形成的孔洞直接进入发动机壳体102。

而且，虽然热交换器155先前描述为空气至空气热交换器，但是也能合并其他热交换器。例如，能使用液体形式的冷却介质穿过热交换器155并且然后传递至另外的位置用来将热能排放至环境空气。

本发明的另一个特点在于燃料流动通道160也用来降低燃料115进入燃料喷射器110之前的温度。这样，燃料流动通道160包括热交换器162以从燃料115移走热能。

如前面所提到的，燃料115能用作用于涡轮发动机100的其他部件的冷却剂。因而，热交换器162能用来在燃料115供应至燃料喷射器110之前移走由燃料115从其他部件吸收的一部分热能。

这里所引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请以及专利，通过参照参考结合于此，如同每份参考文献单独地且具体地指示为通过参考结合于此并且在这里完整地阐述一样。

词语“包含”、“具有”和“包括”构造为开放式的词语(即意味着“包括但不限于”)，除非另有声明。这里引用的数值范围仅是用作分别涉及落入该范围内的每个单独数值的缩写方法，除非文中另有说明，并且每个单独数值如同在这里单独引用一样合并入说明书。这里所述的所有方法能以任何适当的顺序执行，除非文中另有说明或者内容明显矛盾。这里提供的任何和所有示例或者示例性语言(举例来说，“比如”)仅是为了更好地示出本发明并且不是对本发明的范围进行限制，除非另有声明。说明书中的语言不应当视为是将任何未在权利要求中声明的元素指示为实践本发明所必须的。

这里描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。在阅读前述描述的基础上，这些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员而言变得很明显。发明人预期熟练技术人员可根据需要采用这些变化，并且发明人认为本发明能以除了这里具体描述之外的方式实践。因此，本发明包括所附权利要求中所述的主题在适用法律许可下的所有变型和等同。而且，所有可能变化中的上述元素的任何组合由本发明涵盖，除非文中另有说明或者内容明显矛盾。

Claims (17)

1.一种用于燃料燃烧发动机中的燃料喷射器，该燃料喷射器包括：

中心主体，其限定在燃料入口和燃料出口之间延伸的燃料流动通道；

冷却系统，其包括在冷却空气入口和冷却空气出口之间延伸的冷却空气通道；至少一部分冷却空气通道延伸穿过中心主体并且与中心主体热连通。

2.如权利要求1的燃料喷射器，其中，中心主体包括支架结构，支架结构由隔热罩包围并在它们之间形成间隙，所述间隙形成冷却空气通道的一部分。

3.如权利要求1的燃料喷射器，还包括用来将燃料喷射器安装至发动机壳体的安装结构，冷却空气入口和冷却空气出口相对于安装结构定位为使得当燃料喷射器安装至发动机壳体时冷却空气入口和冷却空气出口都定位于发动机壳体内。

4.如权利要求1的燃料喷射器，其中，冷却系统包括热交换器，其形成夹置在冷却空气入口和冷却空气出口之间的一部分冷却空气通道。

5.如权利要求4的燃料喷射器，其中，中心主体包括用来将燃料喷射器安装至发动机壳体的安装结构，热交换器相对于安装结构定位为使得当燃料喷射器安装至发动机壳体时热交换器定位于发动机壳体以外。

6.如权利要求1的燃料喷射器，其中，燃料出口和冷却空气出口定位为彼此邻近。

7.如权利要求6的燃料喷射器，还包括雾化器，冷却空气出口和燃料出口由雾化器形成。

8.如权利要求7的燃料喷射器，其中，中心主体包括用来将燃料喷射器安装至发动机壳体的安装结构，安装结构在燃料喷射器的上游端附近，而雾化器在燃料喷射器的下游端附近。

9.如权利要求5的燃料喷射器，其中，冷却空气入口和冷却空气出口相对于安装结构定位为使得当燃料喷射器安装至发动机壳体时冷却空气入口和冷却空气出口都定位于发动机壳体内。

10.如权利要求9的燃料喷射器，其中，冷却空气入口和热交换器之间的一部分冷却空气通道穿过所述安装结构。

11.如权利要求3的燃料喷射器，其中，所述安装结构是径向向外延伸的法兰，其包括面向燃料喷射器上游端的第一表面以及面向燃料喷射器下游端的第二表面，第二表面面向冷却空气入口和冷却空气出口。

12.一种涡轮发动机，其包括：

发动机壳体；

发动机壳体内的压缩机；

压缩机下游的压缩机排出区域，在所述压缩机排出区域中压缩空气从压缩机以高压排出；

在发动机壳体内并且定位于压缩机和压缩机排出区域下游的燃烧器，燃烧器通过燃烧器边界壁与压缩机排出区域流体连通，燃烧器边界壁在压缩机排出区域和燃烧器之间产生压差以使得燃烧器与压缩机排出区域相比处于低压；

安装于发动机壳体内的燃料喷射器，所述燃料喷射器包括限定燃料流路的支架结构，所述燃料流路具有在燃烧器内的燃料出口；以及

冷却系统，其包括穿过支架结构并且与之热连通的冷却空气通道，冷却空气通道包括在压缩机排出区域中的冷却空气入口以及在燃烧器中的冷却空气出口，夹置在冷却空气入口和冷却空气出口之间的至少一部分冷却空气通道在发动机壳体以外。

13.如权利要求12的涡轮发动机，其中，热交换器与发动机壳体外的环境空气热连通用来将热能从由压缩机排出空气进入冷却空气入口且离开冷却空气出口进入燃烧器的空气传递至环境空气。

14.如权利要求13的涡轮发动机，其中，燃料喷射器还包括隔热罩，隔热罩至少部分地包围支架结构并在其间形成间隙，所述间隙形成冷却空气通道的一部分。

15.如权利要求12的涡轮发动机，其中，发动机壳体包括支架结构延伸穿过其中的孔洞，燃料喷射器还包括用来将燃料喷射器紧固于所述孔洞内和紧固至发动机壳体的安装结构，冷却空气入口和在发动机壳体外的那部分之间的一部分冷却空气通道穿过用来将燃料喷射器紧固至发动机壳体的安装结构。

16.如权利要求15的涡轮发动机，其中，安装结构是径向向外延伸的安装法兰，所述安装法兰从与发动机壳体的一部分外表面重叠的支架结构向外延伸。

17.如权利要求12的涡轮发动机，还包括可操作地结合至燃料喷射器的燃料供应路径，燃料供应路径包括用来将热能从穿过燃料供应路径的燃料传递至环境的热交换器。

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