CN102538011A - 用于在燃料喷嘴组件中引导空气流的系统 - Google Patents

Abstract

根据各实施例，本发明涉及一种包括燃料喷嘴组件的系统。该燃料喷嘴组件包括：毂；护罩，其设置在毂的周围；流套，其设置在护罩的周围；以及空气流路径，其在流套与护罩之间沿上游方向朝向护罩与毂之间的开口区域延伸，其中空气流路径在毂与护罩之间从开口区域沿下游方向朝向燃料喷嘴组件的出口区域延伸。该燃料喷嘴组件还包括：燃料流路径，其顺着空气流路径延伸到至少一个燃料端口；以及流引导件，其顺着空气流路径设置在开口区域中，其中，流引导件包括第一引导部，第一引导部被构造成沿径向向外地从毂朝向护罩引导空气流。

Description

用于在燃料喷嘴组件中引导空气流的系统

技术领域

本发明涉及燃气涡轮技术领域，尤其涉及一种具有改进的空气流设计的燃料喷嘴组件。

背景技术

燃气涡轮发动机燃烧燃料和空气的混合物以产生热的燃烧气体，热的燃烧气体再驱动一个或多个涡轮。具体地，热的燃烧气体驱动涡轮叶片旋转，由此驱使轴旋转一个或多个负载，例如，发电机。燃气涡轮发动机包括燃料喷嘴以将燃料和空气喷入燃烧室中。在某些燃烧室中，燃料喷嘴在上游入口处接收空气流，其中，空气流从燃料喷嘴外的上游方向转向至燃料喷嘴内的下游方向。不幸的是，在上游入口处的急转向导致流动不均匀性，这能够产生一个低速或者再循环地带。反过来，流动不均匀性能够导致空气流与燃料的不均匀混合和/或火焰稳定(flame-holding)的可能性。

发明内容

下面对在范围上与原始要求保护的发明相当的某些实施例进行了概括。这些实施例并不意欲限定要求保护的发明的范围，相反，这些实施例仅仅用于提供本发明的可能形式的简单概括。实际上，本发明可以包括各种形式，这些形式可以与下面提出的实施例相似或者不同。

本发明提供一种系统，所述系统包括：涡轮燃料喷嘴，其包括：一个毂；多个桨叶，其从所述毂沿径向向外延伸；一个护罩，其设置在所述毂和所述多个桨叶的周围；一个空气流路径，其在所述毂与所述护罩之间沿下游方向朝向所述涡轮燃料喷嘴的出口区域延伸；一个燃料流路径，其顺着空气流路径延伸至多个燃料端口；以及一个会聚-扩散段，其沿着所述空气流路径设置在所述多个桨叶和所述多个燃料端口的上游。

所述会聚-扩散段包括在扩散环形段的上游的会聚环形段，第一锥形壁段，第二锥形壁段和护罩的第三环形壁段。所述第一环形壁段的直径沿下游方向顺着所述空气流路径增加。所述第二环形壁段的直径沿下游方向顺着所述空气流路径减小，并且所述第二环形壁段在所述第一环形壁段的下游。所述第三环形壁段的直径沿下游方向顺着所述空气流路径增加，且第三环形壁段围绕所述第一环形壁段沿圆周方向延伸。所述第一环形壁段与所述第三环形壁段重叠并沿轴向延伸超过所述第三环形壁段，以在所述第一环形壁段的下游端部与第三环形壁段的下游端部之间限定轴向偏距。所述会聚-扩散段还包括一个设于所述毂与所述护罩之间的可变径向间隙，所述可变径向间隙沿轴向方向顺着所述涡轮燃料喷嘴的轴线增加和减小，并且所述可变径向间隙围绕所述轴线沿圆周方向增加和减小。

本发明所述系统还包括设置在所述护罩周围的流套，其中所述空气流路径在所述流套与所述护罩之间沿上游方向朝向所述护罩与所述毂之间的开口区域延伸，并且所述空气流路径在所述毂与所述护罩之间沿下游方向从所述开口区域朝向所述出口区域延伸。所述开口区域包括所述会聚-扩散段。所述系统包括具有所述涡轮燃料喷嘴的燃气涡轮燃烧室或者燃气涡轮发动机。

本发明还提供另一种系统，所述系统包括：一个燃料喷嘴组件，其包括：一个毂；一个护罩，其设置在所述毂的周围；一个流套，其设置在所述护罩的周围；一个空气流路径，其在所述流套与所述护罩之间沿上游方向朝向所述护罩与所述毂之间的开口区域延伸，其中所述空气流路径在所述毂与所述护罩之间沿下游方向从所述开口区域朝向所述燃料喷嘴组件的出口区域延伸；一个燃料流路径，其顺着所述空气流路径延伸到至少一个燃料端口；以及一个流引导件，其沿着所述空气流路径设置在所述开口区域中，其中所述流引导件包括第一引导部，所述第一引导部被构造成沿径向向外地从所述毂朝向所述护罩引导空气流。

所述第一引导部包括一个直径沿所述下游方向增加的第一环形壁部和第二引导部，所述第二引导部具有直径沿所述下游方向减小的第二环形壁部，所述第一引导部和第二引导部与所述毂联接。所述第一引导部与所述毂联接，所述第二引导部与所述护罩联接，并且所述第一引导部与所述第二引导部重叠并且沿轴向延伸超过所述第二引导部，以在所述第一引导部的下游端部与第二引导部的下游端部之间限定轴向偏距。所述流引导件包括一个设于所述毂与所述护罩之间的可变径向间隙，所述可变径向间隙沿轴向方向顺着所述燃料喷嘴组件的轴线增加和减小，并且所述可变径向间隙围绕所述轴线沿圆周方向增加和减小。

本发明进一步提供一种系统，所述系统包括：一个涡轮发动机；个燃料喷嘴组件，其与所述涡轮发动机联接，其中所述燃料喷嘴组件包括：一个流套，其包括上游空气流路径；以及多个燃料喷嘴，其设置在所述流套中，其中每个燃料喷嘴均包括下游空气流路径，并且流引导件被构造成朝向在所述上游空气流路径与所述下游空气流路径之间的转向处附近的低速率区域引导空气流。每个燃料喷嘴均包括毂、设置在所述毂的周围的护罩、设置在所述毂与所述护罩之间的多个涡旋桨叶、和通过所述毂延伸到至少一个燃料端口的燃料流路径，其中所述下游空气流路径在所述毂与所述护罩之间延伸，所述上游空气流路径在所述流套与所述护罩之间延伸，并且所述流引导件的引导部沿径向向外地从所述毂朝向所述护罩倾斜。

因此，在第一实施例中，本发明一种系统包括涡轮燃料喷嘴。该涡轮燃料喷嘴包括：毂；多个桨叶，其从毂沿径向向外延伸；护罩，其设置在毂和多个桨叶的周围；空气流路径，其在毂与护罩之间朝向涡轮燃料喷嘴的出口区域沿下游方向延伸；燃料流路径，其顺着空气流路径延伸至多个燃料端口；以及会聚-扩散段，其在多个桨叶和多个燃料端口的上游沿着空气流路径设置。

在第二实施例中，本发明一种系统包括燃料喷嘴组件。该燃料喷嘴组件包括：毂；护罩，其设置在毂的周围；流套，其设置在护罩的周围；以及空气流路径，其在流套与护罩之间朝向护罩与毂之间的开口区域沿上游方向延伸，其中空气流路径在毂与护罩之间从开口区域朝向燃料喷嘴组件的出口区域沿下游方向延伸。该燃料喷嘴组件还包括：燃料流路径，其顺着空气流路径延伸到至少一个燃料端口；以及流引导件，其顺着空气流路径设置在开口区域中，其中流引导件包括第一引导部，第一引导部被构造成径向向外地从毂朝向护罩引导空气流。

在第三实施例中，本发明一种系统包括涡轮发动机和与该涡轮发动机联接的燃料喷嘴组件。该燃料喷嘴组件包括：流套，其包括上游空气流；以及多个燃料喷嘴，其设置在流套中。每个燃料喷嘴均包括下游空气流路径，并且流引导件被构造成朝向在上游空气流路径与下游空气流路径之间的转向处附近的低速率区域以引导空气流。

附图说明

在参照附图阅读下面的详细说明之后，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在全部附图中，同样的附图标记表示同样的部分，其中：

图1是本发明具有燃料喷嘴组件的涡轮系统的一个实施例的方块示意图，其中燃料喷嘴组件具有改进的空气流设计；

图2是如图1所示的本发明涡轮系统的一个实施例的剖视侧视示意图，，燃料喷嘴组件具有带改进的空气流设计的一个或多个燃料喷嘴；

图3是本发明燃料喷嘴组件的一个实施例的剖视侧视示意图；

图4是图3中单个燃料喷嘴的一部分和燃料喷嘴组件的周围区域的剖视侧视示意图；

图5是图4的燃料喷嘴的流引导件的一个实施例的剖视侧视示意图，其示出会聚-扩散段；

图6是图4的燃料喷嘴的流引导件的一个实施例的剖视侧视示意图，其示出会聚-扩散段；图7是沿图3的线7-7截取的燃料喷嘴和护罩的一个实施例的剖视视示意图；以及

图8是沿图3的线7-7截取的燃料喷嘴和护罩的一个实施例的剖视视示意图。

附图标记列表：

10涡轮系统                          48前板

11燃气涡轮发动机                    50护罩

12多个燃料喷嘴                      52燃料流路径

14燃料供应                          53内环形流动通道

16燃烧室                            54毂

18涡轮                              56多个桨叶

20排气出口                          58燃料端口

22轴                                60上游空气流路径

24压缩机                            62外表面

26空气进口                          63外表面

28负载                              64开口区域

30叶片                              65转向路径66内表面

32叶片                              67转向路径

42燃料喷嘴组件                      68下游空气流路径

44流套                              70地带

45外环形流动通道                    72出口区域

46盖子组件                          74空气-燃料混合物

76外燃料喷嘴              126可变径向间隙

78中央燃料喷嘴            128实际面积

80流引导件                130轴向方向

81会聚-扩散段             140会聚-扩散段

92引导部                  142会聚环形段

94箭头                    144扩散环形段

96引导部                  146锥形壁段

98引导部                  148锥形壁段

100环形壁部               150环形壁段

102直径                   152环形壁段

104环形壁部               154环形壁段

106直径                   155直径

108轴线                   156箭头

110下游端部               158箭头

112下游端部               160箭头

119引导部                 170圆周

120空气流                 172圆周方向

121环形表面               174宽度

122低速率区域             176宽度

123向内空气流             180宽度

124轴向偏距               182宽度

125实际面积

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。在努力提供这些实施例的简洁说明中，在说明书中不会描述实际实施的所有特征。应理解的是，在开发任何这样的实际实施的过程中，正如在任何工程或者设计项目中，必须做出许多具体实施决定以达到开发者的具体目标(例如，依据系统相关的和行业相关的约束)，这些决定在一个实施与另一个实施之间可能会变化。此外，应理解的是这样的开发努力工作可能是复杂的且耗时的，然而对于本领域技术人员而言，在该公开内容的帮助下，这将是设计、制作和加工的常规任务。

当介绍本发明的各实施例的元素时，冠词“一”、“该”和“所述”用于表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”为开放式，并且表示除所列元件之外可以存在其它元件。

本发明涉及这样的系统，其用于改进燃料喷嘴组件内的空气流，以在通往一个或多个燃料喷嘴的入口处或者其附近消除流动缺陷区域，由此减少流动不均匀性、压降和火焰稳定。当空气进入燃料喷嘴组件时，空气在通往燃料喷嘴的入口处或附近从上游方向急转向至下游方向。不是从上游方向急转向至下游方向，空气流则趋向于沿着最小阻力的路径流动，从而产生不均匀流动或者再循环地带。再循环地带导致在一个或多个桨叶扇区中产生压降以及流动缺陷，桨叶扇区位于燃料喷嘴的预混合通道中的下游。空气继续向下游流过预混合通道进入涡旋桨叶，涡旋桨叶使空气流旋转。每个涡旋桨叶均包括用于将燃料喷入空气流中的一个或多个燃料端口。涡旋桨叶的上游是可能导致火焰稳定的低速率区域。

本发明的实施例提供一个系统，其包括带有提高流动均匀性的流引导件(例如，会聚-扩散段)的燃料喷嘴。例如，流引导件(例如，会聚-扩散段)顺着空气流路径设置在多个桨叶和多个燃料端口的上游。在某些实施例中，燃料喷嘴可以包括设置在毂(例如，环形毂)的周围以限定空气流路径(例如，环形空气流路径)的护罩(例如，环形护罩)。流引导件和/或会聚-扩散段设置在空气流路径中的燃料喷嘴的上游入口的位置或者下游，即，在护罩与毂之间。例如，流引导件包括第一引导部，第一引导部被构造成朝向低速率区域或再循环地带引导空气流，例如，朝向护罩从毂沿径向向外地引导空气流。第一引导部还可以使空气流通道会聚，并因此可以被描述为会聚段。流引导件还可以在第一引导部的下游包括第二引导部，其中，第二引导部可以倾斜离开低速率或者再循环地带，例如，从护罩朝向毂倾斜。第二引导部可以使空气流通道扩散，并因此可以被描述为扩散段。在本发明的每一个实施例中，流引导件通过将空气流重新引向流动缺陷区域来大幅减少或者消除流动缺陷并且减少压降，并且还使空气流更平稳地转向。流引导件还提高了流动均匀性，并且为所述流进入每个下游桨叶扇区提供了足够的轴向速率，以减小火焰稳定的可能性。

现在转向附图并先参照图1，示出了本发明涡轮系统10的一个实施例的方块图。如下面详细描述的，本说明书公开的涡轮系统10可以采用多个用于空气流的改进设计的燃料喷嘴12，以减少涡轮系统10中的流动缺陷和流动不均匀性。例如，每个燃料喷嘴12均可以包括一个流引导件(例如，会聚-扩散段)，流引导件构造成在燃料喷嘴12中改善流动不均匀性、并且减少或消除再循环地带。涡轮系统10可以使用液体或者气体燃料(例如天然气和/或富氢合成气体)来驱动涡轮系统10。如图所示，一个或多个燃料喷嘴12吸入燃料供应14，混合燃料与空气，并且将空气-燃料混合物分配至燃烧室16中。空气-燃料混合物在燃烧室16内的腔室中燃烧，由此产生热的加压排气。燃烧室16引导排气通过涡轮18流向排气出口20。当排气经过涡轮18时，气体对涡轮叶片施加力，以沿着涡轮系统10的轴线旋转轴22。如图所示，轴22可以连接至涡轮系统10的各部件(包括压缩机24)上。压缩机24也包括与轴22联接的叶片。当轴22旋转时，压缩机24内的叶片也旋转，由此压缩从空气进口26通过压缩机24进入燃料喷嘴12和/或燃烧室16中的空气。轴22还可以与负载28连接，负载28可以是车辆或者静负载(例如电厂的发电机或者航空器上的推进器)。负载28可以包括能够通过涡轮系统10的旋转输出提供动力的任何合适的装置。

图2是图1的涡轮系统10的一个实施例的剖视侧视示意图，示出了多级燃气涡轮发动机11。涡轮系统10包括位于一个或多个燃烧室16的内部的一个或者多个燃料喷嘴12。如下所述，每个燃料喷嘴12均可以包括流引导件(例如，会聚-扩散段)，流引导件构造成在燃料喷嘴12中改善流动不均匀性并且减少或消除再循环地带。操作中，空气通过空气进口26进入涡轮系统10，并且在压缩机24中被加压。然后，加压空气可以与用于在燃烧室16内燃烧的气体混合。例如，燃料喷嘴12可以以一个最佳燃烧、排放、燃料消耗和功率输出的合适比例将燃料-空气混合物喷入燃烧室16中。燃烧产生热的加压排气，加压排气再驱动涡轮18内的一个或多个叶片30以旋转轴22，并因此驱动压缩机24和负载28。涡轮叶片30的旋转使轴22旋转，由此使压缩机24内的叶片32抽吸由进口26接收的空气，并对由进口26接收的空气进行加压。

图3是本发明燃料喷嘴组件42的一个实施例的剖视侧视示意图，燃料喷嘴组件42可以采用改进的空气流设计，以通过将空气流重新引向流动缺陷区域来消除流动缺陷并减少压降，并且还使空气流更平稳地转向。燃料喷嘴组件42可以安装在燃气涡轮发动机11的燃烧室16内。燃料喷嘴组件42包括多个燃料喷嘴12和外壳或流套(flowsleeve)44。燃料喷嘴12设置在盖子组件46内，盖子组件46包括前板48和多个护罩。在流套44与盖子组件46之间的空间限定了外环形流动通道45。每个护罩50沿圆周方向设置在各自的燃料喷嘴12的毂54的周围。流套44沿圆周方向设置在盖子组件46和各护罩50的周围。燃料喷嘴组件42内的每个燃料喷嘴12均包括燃料流路径52、毂54、从毂54沿径向向外延伸的多个桨叶56、和设置在毂54和多个桨叶56(例如，涡旋桨叶)的周围的护罩50。每个桨叶56均包括一个或多个燃料端口58。每个桨叶56上的燃料端口58的数量可以是从1至50或从1至10的范围，或者是任何其它数量。例如，每个桨叶56在每侧上均可以包括一个或多个燃料端口58。在毂54与护罩50之间设置的多个涡旋桨叶56被构造成在如下所述地混合燃料与空气的同时使空气涡旋或者旋转。

在流套44与盖子组件46之间的外环形流动通道45包括上游空气流路径60。具体地，空气流路径60在流套44与护罩50的外表面62之间朝向上游开口区域64沿上游方向60延伸，上游开口区域64沿圆周方向设置在各燃料喷嘴12的周围。例如，图示开口区域64被设置在护罩50的内表面66与毂54之间。燃料喷嘴组件42内的每个燃料喷嘴12均包括穿过内环形流动通道53的下游空气流路径68。具体地，空气流路径68在毂54与护罩50的内表面66之间延伸。空气沿上游方向60进入燃料喷嘴组件42。经过前板48之后，空气进入地带70并转向(例如，转向路径65和67)约180度以沿下游方向68流过在各燃料喷嘴12的毂54与护罩50之间的开口区域64。然后，空气通过在毂54与护罩50之间的内环形流动通道53流向燃料喷嘴组件42的出口区域72。在进入燃料喷嘴12的开口区域64之后，空气顺着空气流路径68向下游流至多个桨叶56以与燃料混合(例如，桨叶56上的燃料端口58)。产生的空气-燃料混合物74被引向燃料喷嘴组件42的出口区域72以便燃烧。

每个燃料喷嘴12均可以包括任何数量的桨叶56。例如，每个燃料喷嘴12均可以包括1至20个或者2至10个桨叶56，或者包括在这两个范围之间的任何数量的桨叶56。在围绕每个燃料喷嘴12的圆周方向上，桨叶56将内环形流动通道53划分成多个扇区以使空气流涡旋并使空气与燃料混合。例如，均匀地设置在燃料喷嘴12的圆周的周围的10个桨叶56可以产生10个扇区，每个扇区约36度。如沿外表面63的空气流路径65所示，进入地带70的空气流具有沿着最小阻力的路径流动的趋势。换句话说，空气流路径65表示空气流从上游空气流路径60经由地带70向下游空气流路径68转向的大半径。相比之下，如空气流路径67所示，较少量的空气流顺着靠近前板48的小曲率半径通过地带70。在大半径转向与小半径转向之间的不均匀流动(例如，路径65与67)导致通过开口区域64进入内环形流动通道53的不均匀流动。具体地，在开口区域64处，沿着毂54的空气流可能较多，而沿着护罩50的空气流可能较少。由于从通道45至各燃料喷嘴12的内环形流动通道53的半径距离不同，因此燃料喷嘴12还会从外环形流动通道45接收不均匀的空气流。例如，与外燃料喷嘴76相比，中央燃料喷嘴78位于相距通道45更远的半径距离处。此外，每个燃料喷嘴12在沿径向靠近通道45处可以接收较多的空气流，而在沿径向远离通道45处接收较少空气流。

然而，如图3-8所示，燃料喷嘴组件42包括这样的设计，其大幅减少或者消除燃料喷嘴12中的流动缺陷区域，同时使空气流平稳转向并减少压降。具体地，燃料喷嘴组件42的各燃料喷嘴12包括在开口区域64中顺着空气流路径68设置的流引导件80，其中开口区域64位于设置在毂54与护罩50之间的多个涡旋桨叶56的上游。图4是图3中单个燃料喷嘴12的一部分和燃料喷嘴组件42的周围区域的剖视侧视示意图，进一步显示流引导件80的细节。燃料喷嘴组件42和燃料喷嘴12如图3中所述。流引导件80包括引导部92、引导部96和引导部98。如图所示，引导部92相对于燃料喷嘴12的轴线108倾斜，使得引导部92、96和98在内环形流动通道53内重新分布空气流以在毂54与护罩50之间提供更均匀的流动轮廓。

在图示的实施例中，沿着毂54设置引导部92和98，而沿着护罩50设置引导部96。然而，其它实施例可以去除引导部92、96和98中的一个或多个，或者在毂54和护罩50上重新设置引导部92、96和98中的一个或多个。引导部92和96设置在引导部98的上游。具体地，引导部92和96大致在开口区域64的附近朝向彼此地会聚(例如，使内环形流动通道53会聚)，由此在开口区域64的附近限定会聚流段。引导部98相反地使内环形流动通道53扩散，由此在引导部92和96的下游限定扩散流段。结果，流引导件80的各实施例可以被描述为会聚-扩散段81。

引导部92被构造成沿径向向外地引导空气流，大致如箭头94所示，从毂54朝向护罩50的内表面66引导空气流。引导部92提供的径向向外流94有助于重新分布空气流(例如，大半径空气流路径65)以增加顺着护罩50的空气流、并减小顺着毂54的空气流，由此提高开口区域64中空气流的均匀性。具体地，引导部92可增加顺着护罩50的轴向空气流速率，而减小顺着毂54的轴向空气流速率，以在护罩50与毂54之间的通道53中产生更均匀的轴向速率轮廓。如图3和图4所示，引导部92包括环形壁部100，环形壁部100的直径102沿着箭头68所示的下游方向变大。例如，引导部92的图示实施例具有一个由相对于燃料喷嘴12的轴线108成一个大致恒定的角度来限定的锥形壁部100。然而，引导部92的某些实施例可以具有一个由顺着轴线108沿下游方向成一个可变的角度(例如，弯曲轮廓)来限定的弯曲壁部100。在任一个实施例中，环形壁部100大致沿着下游方向离开轴线108扩散，由此使护罩50与毂54之间的通道53会聚。

引导部96被构造成沿径向向内引导空气流，大致如箭头97所示，围绕护罩50的上游端部(例如，前板48)引导空气流。在图示的实施例中，引导部96呈弯曲环状，引导部96相对于轴线108的角度沿下游方向逐渐减小。这样，引导部96最初在护罩50的上游端部处更加朝向毂54倾斜，并且沿着下游方向(例如，平行于轴线108)逐渐更加朝向引导部96的下游端部110倾斜。在某些实施例中，引导部96可以呈由相对于轴线108成大致恒定的角度限定的锥状。在任一个实施例中，引导部96大体沿下游方向朝向轴线108和毂54会聚，由此使在护罩50与毂54之间的通道53会聚。引导部96帮助使空气流围绕护罩50的上游端部逐渐转向，同时如箭头97所示还帮助沿径向向内朝向毂54重新分布一些空气流。例如，如下面更详细地论述，引导部96可以倾斜并且定位成至少在引导部92的大致下游处将一些空气流沿径向向内引向毂54。以这种方式，引导部96帮助提高开口区域64中空气流的均匀性。然而，如图3和图4所示，引导部92与引导部96重叠，并且沿轴向延伸超过引导部96以在引导部96的下游端部110与引导部92的下游端部112之间限定轴向偏距。如下面更详细地论述，引导部92轴向延伸超过引导部96，以确保由引导部92提供的径向向外流动94比由引导部96提供的径向向内流动97占优势，由此帮助增加通道53中空气流轮廓的均匀性。

引导部98被构造成沿径向向内地引导空气流，大致如箭头99所示，从护罩50向毂54引导空气流。由引导部98提供的径向向内流动99帮助重新分布空气流以提高在护罩50与毂54之间的通道53中的空气流的均匀性(例如，更均匀的轴向速率轮廓)。具体地，引导部98使空气流能够从引导部92和96向下游扩展开，并具体地流向毂54。如图3和图4所示，引导部98包括环形壁部104，环形壁部104的直径106沿箭头68所示的下游方向减小。例如，引导部98在图示实施例中具有一个由相对于燃料喷嘴12的轴线108成一个大致恒定的角度来限定的锥形壁部104。然而，引导部98的某些实施例可以具有一个由沿着轴线108沿下游方向成一个可变的角度(例如，弯曲轮廓)来限定的弯曲壁部104。在任一个实施例中，环形壁部104大致朝着轴线108沿下游方向会聚，由此使护罩50与毂54之间的通道53扩散。

图5是流引导件80的一个实施例的剖视侧视示意图，示出了由流引导件92、96和98限定的会聚-扩散段81的细节。如上所述，流引导件80包括引导部92、引导部96和引导部98，以平稳转向、引导、重新分布、并提高穿过燃料喷嘴12的开口区域64的空气流的均匀性。例如，引导部92沿径向向外地从毂54向护罩50倾斜，以在上游空气流路径60与下游空气流路径68之间的转向处附近将空气流120引向另外的低速率区域122(例如，沿着护罩50)。在没有流引导件80的情况下，区域122具有流动缺陷(例如，低速率或者再循环)，流动缺陷归因于围绕护罩50的上游端部的从外环形流动通道45(例如，上游流路径60)至内环形流动通道53(例如，下游流路径58)的180度转向。因此，流动缺陷会导致在区域122处或者附近可能发生火焰稳定。在图示的实施例中，如空气流120所示，引导部92通过在区域122内聚集空气流来帮助减少或者消除低速率区域122内的流动缺陷。流引导件80还包括引导部96和98以帮助沿径向和圆周方向在整个内环形流动通道53中提供均匀的空气流(例如，均匀轴向速率)。例如，引导部92和96朝着彼此会聚以限定会聚段，由引导部98限定的扩散段紧随在会聚段之后。会聚-扩散段被构造成有助于增加在桨叶56的上游的空气流的均匀性。具体地，引导部92和96以这样的方式会聚空气流，迫使空气流的速率增加并且在内环形流动通道53的周围沿圆周方向更均匀地重新分布空气流，同时迫使增加速率的空气流向另外的低速率区域122。随后，引导部98以这样的方式使空气流扩散，使空气流能够降低速率，同时还在护罩50与毂54之间沿径向更均匀地分布空气流。

如上所述，引导部96的下游端部110和引导部92的下游端部112被定位成限定轴向偏距124。偏距124可以选择成控制引导部92(例如，向外空气流120)相对于引导部96(例如，向内空气流123)的优势。例如，较大偏距124可以用于使由引导部92提供的并且朝向另外的低速率区域122的空气流120占较大优势。相比之下，较小偏距124可以用于使由引导部96提供的并朝向毂54的空气流123占较大优势。以这种方式，偏距124可以选择成提供向外空气流120和向内空气流123的合适平衡，以提供穿过通道53的基本均匀的空气流轮廓。

沿着偏距124，流引导件80包括相对于燃料喷嘴12的轴线108大致扩散的引导部119。在图示的实施例中，引导部119从引导部96的下游端部110延伸，并且部分地顺着引导部92和98延伸。引导部119具有环形表面121，环形表面121可以是可变角度的环形表面(例如，弯曲的环形表面)或者是恒定角度的环形表面(例如，锥形表面)。在任一个实施例中，环形表面121大致远离毂54和轴线108扩散，由此维持或者扩散在护罩50与毂54之间的内环形流动通道53的流面积。例如，环形表面121可以倾斜，以在引导部92与119之间维持基本不变的流面积，而在引导部98与119之间扩散(或者增加)流面积。如图5所示，环形表面121朝向另外的低速率区域122向外倾斜，由此帮助将空气流导向区域122以减少流动缺陷。引导部98和119还可以彼此偏离，以帮助减小流动速率并且在桨叶56的上游更均匀地重新分布流。

如进一步在图5中所示，开口区域64内的上游横截面积125小于靠近桨叶56的下游横截面积128。如上所述，引导部92和96朝向彼此地会聚以减小上游横截面积125，同时引导部98和119彼此偏离以增加下游横截面积128。尽管上游横截面积125减小，然而流引导件80通过迫使空气流进入另外的低速率区域122内而维持足够的空气流。换句话说，流引导件80可以设计成通过在整个内环形流动通道53内均匀地分布空气流来维持或者增加有效横截面积(例如，实际流动空气的面积)。此外，流引导件80的设置和位于桨叶56上游的减小的上游横截面积125可能不会产生额外的压力损失。在某些实施例中，面积125可以比面积128小约百分之一至百分之五十、百分之一至百分之二十五、或者百分之五至百分之二十的范围。

流引导件80还在开口区域64内(例如，在毂54与护罩50之间)提供一个可变径向间隙126。可变径向间隙126顺着燃料喷嘴12的轴线108沿轴向方向130减小和增加。如下面参照图7更详细地论述，可变径向间隙126还可以围绕轴线108沿圆周方向变化。可变径向间隙126可以沿轴向方向130变化约百分之一至百分之百、百分之一至百分之五十、或者百分之一至百分之二十五。此外，如下所述，可变径向间隙126可以沿圆周方向变化约百分之一至百分之百、百分之一至百分之五十、或者百分之一至百分之二十五。可变径向间隙126可以选择成帮助在内环形流动通道53内沿径向和圆周方向分布空气流。

图6是具有带会聚-扩散段140的流引导件80的燃料喷嘴12的一个实施例的剖视侧视示意图，其中，段140具有比图5的会聚-扩散段81大的偏距124。在图示的实施例中，如上所述，燃料喷嘴12包括毂54、多个桨叶56和护罩50。在毂54与护罩50之间的开口区域64包括会聚-扩散段140。会聚-扩散段140顺着空气流路径68设置在多个桨叶58和多个燃料端口58的上游。会聚-扩散段140在扩散环形段144的上游包括会聚环形段142。在某些实施例中，会聚环形段142包括锥形壁段146，扩散环形段144包括锥形壁段148。如图所示，顺着毂54的环形壁段150设置有锥形壁段146，使得毂54的直径102(参见图3)顺着空气流路径68沿下游方向增加。类似地，顺着毂54的环形壁段152设置有锥形壁段148，使得毂54的直径106(参见图3)顺着空气流路径68沿下游方向减小。会聚-扩散段140还包括顺着护罩50的环形壁段154。环形壁段154(至少是段154的一部分)的直径155(参见图3)顺着空气流路径68沿下游方向增加。环形壁段154围绕环形壁段150沿圆周方向延伸。

如上所述，会聚-扩散段140操作成平稳转向、引导、重新分布并提高通过燃料喷嘴12的开口区域64的空气流的均匀性。具体地，大致由箭头156所示转向的空气流遇到锥形壁段146，锥形壁段146朝向护罩50倾斜。大致如箭头158所示，锥形壁段146沿径向向外地从毂54向护罩50引导转向的空气流156。环形壁段154的轮廓被构造成引导转向的空气流156以填充在锥形壁段148的下游的空间。大致如箭头160所示，锥形壁段148的扩散能够使空气流在下游空气流路径68中扩展开。空气流160在下游空气流路径68中没有与毂54和护罩50分开。因此，在彼此结合下，壁段146、148和154大幅减少或者消除开口区域64中顺着护罩50的任何流动缺陷(例如，低速率或者再循环区域)。以这样的方式，壁段146、148和154会大幅增加了在桨叶54的上游的开口区域64内的空气流沿轴向方向130的均匀性，由此减小了任何火焰稳定的可能性。

类似于图5的会聚-扩散段81，图6的会聚-扩散段140包括由锥形壁段146限定的轴向偏距124，锥形壁段146与环形壁段154重叠并且轴向延伸超过环形壁段154。轴向偏距124在环形壁段154的下游端部110与锥形壁段146的下游端部112之间延伸。图6所示的偏距124大于图5中的偏距124。如上所述，偏距124可以选择成控制锥形壁段146(例如，向外空气流)相对于环形壁段154(例如，向内空气流)占优势。例如，较大的偏距124可以用来为由锥形壁段146提供的沿着护罩50朝向另外的低速率区域的空气流提供较大优势。在图示的实施例中，图6的轴向偏距124可以比图5的轴向偏距124大大约1.5至20倍。在某些实施例中，偏距124可以基于空气流率、锥形壁段146和148的角度、环形壁段154的角度或者曲率，护罩50与毂54之间的距离(例如，可变径向间隙126)、和/或各种其它参数。例如，偏距124可以随着在环形壁段154的下游端部110处的可变径向间隙126而变化。在某些实施例中，偏距124可以是环形壁段154的下游端部110处的可变径向间隙126的约0.1至5或者0.2至2倍。

除偏距124之外，流引导件80还包括在毂54与护罩50之间的可变径向间隙126。如上所述，可变径向间隙126顺着燃料喷嘴12的轴线108沿轴向方向130增加和减小。如图7和图8所示，可变径向间隙126可以在燃料喷嘴12的周围沿圆周方向保持相同或者发生变化。图7和图8是沿燃料喷嘴12的图3的线7-7截取的横截示意面。如图所示，圆周170可以表示图3至图6的流引导件80的引导部92或者引导部98。如图所示7，可变径向间隙126围绕燃料喷嘴12的轴线108沿圆周方向172增加和减小。例如，在燃料喷嘴12的一侧上的可变径向间隙126的长度174大于在燃料喷嘴12的相对侧上的可变径向间隙126的长度176。可变径向间隙126可以因为围绕燃料喷嘴12的圆周170不对称或者围绕护罩50的圆周177不对称而变化。如图所示，圆周170因一部分179(例如一个180度的段)关于圆周170发生偏移而不对称。因此，直径102或者106(参见图3)可以关于燃料喷嘴12的圆周170变化。另外，直径155可以关于护罩50的圆周177变化。除了可变径向间隙126关于圆周170和177的可变性，轴向偏距124可在下游端部110与112之间关于圆周170和177也会发生变化。以这样的方式，可变径向间隙126和轴向偏距124可以控制空气流以在流引导件80的下游提供更均匀的空气流。具体地，可变径向间隙126可以更大(例如，长度174)而进一步远离外环形通道45(参见图3)，同时可变径向间隙126可以更小(例如，长度176)而更靠近外环形通道45。以这样的方式，可变径向间隙126可以按照路线将额外的空气流引导至燃料喷嘴12内的另外的低流区域。

或者，如图8所示，可变径向间隙126围绕燃料喷嘴12的轴线108沿圆周方向172保持相同。例如，在燃料喷嘴12的一侧上的可变径向间隙126的长度180与在燃料喷嘴12的相对侧上的可变径向间隙126的长度182相同。这样，可变径向间隙126因为关于燃料喷嘴12的圆周170和护罩50的圆周176分别对称而保持相同。因此，直径102、106和155关于圆周170和176保持相同。可变径向间隙126和轴向偏距124与流引导件80的其它特征一起，在下游空气流路径68中沿燃料喷嘴12的内环形流动通道53内沿径向和圆周方向提供更均匀流。

公开的实施例的技术效果包括在燃料喷嘴组件42中采用改进的空气流设计。改进的流设计包括采用流引导件80(例如，会聚-扩散段81或者140)以将空气流重新引向流动缺陷区域。重新改变空气流的方向产生了沿轴向方向、并在径向穿过燃料喷嘴12的方向和围绕燃料喷嘴12的圆周方向上的均匀空气流。重新改变方向的空气流还导致压力损失减小，同时为所有桨叶扇区提供一定的轴向速率以使火焰稳定的发生最小化。

该书面说明利用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还能够使本领域技术人员实施本发明(包括制造和使用任何装置或者系统并且实施任何组合的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的文字语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质差别的等同结构元件，那么它们被认为在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种系统，所述系统包括：

一个涡轮燃料喷嘴(12)，其包括：

一个毂(54)；

多个桨叶(56)，其从所述毂(54)沿径向向外延伸；

一个护罩(50)，其设置在所述毂(54)和所述多个桨叶(56)的周围；

一个空气流路径，其在所述毂(54)与所述护罩(50)之间沿下游方向朝向所述涡轮燃料喷嘴(12)的出口区域(72)延伸；

一个燃料流路径(52)，其顺着空气流路径延伸至多个燃料端口(58)；以及

一个会聚-扩散段(81、140)，其顺着所述空气流路径设置在所述多个桨叶(56)和所述多个燃料端口(58)的上游。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述会聚-扩散段(81、140)包括一个在扩散环形段(144)的上游的会聚环形段(142)。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述会聚环形段(142)包括一个第一锥形壁段(146)，并且所述扩散环形段(144)包括第二锥形壁段(148)。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述会聚-扩散段(81、140)包括所述毂(54)的第一环形壁段(150)，并且所述第一环形壁段(150)的直径(102)沿下游方向顺着所述空气流路径增加。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述会聚-扩散段(81、140)包括一个所述毂(54)的第二环形壁段(152)，所述第二环形壁段(152)的直径(106)沿下游方向顺着所述空气流路径减小，并且所述第二环形壁段(152)在所述第一环形壁段(150)的下游。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述会聚-扩散段(81、140)包括一个所述护罩(50)的第三环形壁段(154)，并且所述第三环形壁段(154)的直径(155)沿下游方向顺着所述空气流路径增加。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第三环形壁段(154)围绕所述第一环形壁段(150)沿圆周方向延伸。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一环形壁段(150)与所述第三环形壁段(154)重叠并沿轴向延伸超过所述第三环形壁段(154)，以在所述第一环形壁段(150)的下游端部(110)与第三环形壁段(154)的下游端部(112)之间限定一个轴向偏距(124)。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述会聚-扩散段(81、140)包括一个设于所述毂(54)与所述护罩(50)之间的可变径向间隙(126)，所述可变径向间隙(126)沿轴向方向(130)顺着所述涡轮燃料喷嘴(12)的轴线(108)增加和减小，并且所述可变径向间隙(126)围绕所述轴线(108)沿圆周方向(172)增加和减小。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括一个设置在所述护罩(50)周围的流套(44)，其中所述空气流路径在所述流套(44)与所述护罩(50)之间沿上游方向朝向所述护罩(50)与所述毂(54)之间的开口区域(64)延伸，并且所述空气流路径在所述毂(54)与所述护罩(50)之间沿下游方向从所述开口区域(64)朝向所述出口区域(72)延伸。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述开口区域(64)包括所述会聚-扩散段(81、140)。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括一个具有所述涡轮燃料喷嘴(12)的燃气涡轮燃烧室(16)或者燃气涡轮发动机(11)。

13.一种系统，所述系统包括：

一个燃料喷嘴组件(42)，其包括：

一个毂(54)；

一个护罩(50)，其设置在所述毂(54)的周围；

一个流套(44)，其设置在所述护罩(50)的周围；

一个空气流路径，其在所述流套(44)与所述护罩(50)之间沿上游方向朝向所述护罩(50)与所述毂(54)之间的开口区域(64)延伸，其中所述空气流路径在所述毂(54)与所述护罩(50)之间从所述开口区域(64)沿下游方向朝向所述燃料喷嘴组件(42)的出口区域(72)延伸；

一个燃料流路径(52)，其顺着所述空气流路径延伸到至少一个燃料端口(58)；以及

一个流引导件(80)，其顺着所述空气流路径设置在所述开口区域(64)中，其中所述流引导件(80)包括一个第一引导部(92)，所述第一引导部(92)被构造成沿径向向外地从所述毂(54)朝向所述护罩(50)引导空气流。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一引导部(92)包括一个直径(102)沿所述下游方向增加的第一环形壁部(100)。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述流引导件(80)包括一个第二引导部(98)，所述第二引导部(98)具有一个直径(106)沿所述下游方向减小的第二环形壁部(104)。

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