CN102588975A - 用于增强喷嘴中的流动的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于增强喷嘴中的流动的系统和方法。具体而言，一种喷嘴(10)包括护罩(14)和限定轴向中心线(18)的中心体(12)，该护罩(14)周向地围绕中心体(12)的至少一部分而在中心体(12)和护罩(14)之间限定了环形通道(20)。中心体(12)和护罩(14)之间的多个叶片(16)包括与护罩(14)分离的径向朝外部(40)。一种用于增强穿过喷嘴(10)的流动的方法，包括使燃料(34)流动穿过中心体(12)并使流体流(46)流动横贯叶片(16)，该叶片(16)位于中心体(12)和围绕中心体(12)的至少一部分的护罩(14)之间。该方法还包括使流体流(46)在叶片(16)的径向朝外部(40)和护罩(14)之间流动，其中，叶片(16)的径向朝外部(40)与护罩(14)分离。

Description

用于增强喷嘴中的流动的系统和方法
技术领域
本发明通常涉及用于增强喷嘴中的流动的系统和方法。特别地，本发明的实施例可以提供一种用于减少或防止火焰稳定(flame holding)发生在喷嘴中的特定位置的系统和方法。
背景技术
在本领域中，已知燃烧器用于点燃燃料与空气而产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮系统、飞行器发动机以及众多其它的基于燃烧的系统，包括将诸如空气的工作流体与燃料混合并点燃该混合物而产生高温高压的燃烧气体的一个或更多的燃烧器。各个燃烧器通常包括在燃烧之前混合工作流体与燃料的一个或更多喷嘴。
众所周知，基于燃烧的系统的热力学效率通常随着运转温度即燃烧气体温度增加而增加。然而，如果燃料和空气在燃烧之前未均匀地混合，那么局部化的热点可能形成于燃烧器中。局部化的热点增加了燃烧器中的火焰闪回(flash back)至喷嘴中且/或附于喷嘴内的可能性，这可能损坏喷嘴。虽然火焰闪回和火焰稳定可能伴随着任何燃料而发生，但是它们更加容易伴随着具有更高的燃烧速率和更宽的可燃范围的诸如氢的高活性燃料而发生。
存在着多种技术，以允许更高的运转温度并减小闪回和火焰稳定。这些技术中的很多试图减少局部化的热点且/或减少低流动区域，以减少或防止闪回或火焰稳定的发生。例如，喷嘴设计的不断改进，导致了燃料和空气在燃烧之前更加均匀地混合，以减少或防止局部化的热点形成于燃烧器中。作为备选，或另外，喷嘴已经设计成确保通过喷嘴的燃料和/或空气的最小流动速率，以防止燃烧器火焰闪回至喷嘴中。喷嘴设计的不断改进以及减少低流动区域和流分离区域的方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下面的描述中被阐述，或者通过该描述而可能是明显的，或者可以是通过本发明的实践来学习的。
本发明的一个实施例是一种喷嘴，该喷嘴包括护罩和限定轴向中心线的中心体，该护罩周向地围绕中心体的至少一部分而在中心体和护罩之间限定环形通道。该喷嘴还包括位于中心体和护罩之间的多个叶片，其中，多个叶片之中的各个叶片包括与护罩分离的径向朝外部。
本发明的另一实施例是一种喷嘴，该喷嘴包括护罩和限定轴向中心线的中心体，该护罩周向地围绕中心体的至少一部分而在中心体和护罩之间限定环形通道。该喷嘴还包括位于中心体和护罩之间的多个叶片，其中，多个叶片之中的各个叶片包括压力侧和真空侧。护罩中的多个端口靠近多个叶片之中的各个叶片的真空侧。
本发明还包括一种用于增强穿过喷嘴的流动的方法。该方法包括使燃料流动穿过中心体并使流体流流动穿过位于中心体和围绕该中心体的至少一部分的护罩之间的叶片。该方法还包括使流体流在叶片的径向朝外部和护罩之间流动，其中，叶片的径向朝外部与护罩分离。
通过回顾说明书，本领域的普通技术人员将更好地领悟这种实施例的特征和方面以及其它。
附图说明
本发明的完整且可行的公开，包括对于本领域技术人员而言的其最佳模式，更加特定地在说明书的剩余部分进行了阐述，包括参照附图，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的喷嘴的简化透视图；
图2是根据本发明的第二实施例的叶片的放大透视图；
图3是根据本发明的备选实施例的叶片的侧视截面图；
图4是根据本发明的第三实施例的叶片的放大透视图；以及
图5是本发明的备选实施例的喷嘴的放大透视图。
构件列表
10    喷嘴
12    中心体
14    护罩
16    叶片
18    轴向中心线
20    环形通道
22    叶片的前缘
24    叶片的后缘
26    叶片的压力侧
28    叶片的真空侧
30    工作流体
32    室
34    燃料
36    燃料端口
38    弯曲表面
40    径向朝外部
42    径向朝外部中的开口
44    护罩中的通道
46    流体流
48    护罩中的端口
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的所呈现的实施例，实施例的一个或更多的示例显示在附图中。详细的描述使用数字标记和字母标记来引用图中的特征。图和说明书中的相同或相似的标记已经用于引用本发明的相同或相似的部分。
以解释本发明，而不是限制本发明的方式提供了各个示例。事实上，对于本领域技术人员将显而易见地，在不脱离本发明的范围或要旨的情况下，在本发明中能够做出各种修改和变化。例如，显示或描述为一个实施例的部分的特征能够用于另一实施例而产生又一实施例。因此，当这种修改和变化落入所附的权利要求及其等同的范围之内时，本发明意图覆盖这种修改和变化。
图1显示了根据本发明的一个实施例的喷嘴10的透视图。如图1所示，喷嘴10通常包括中心体12、护罩14以及多个叶片16。中心体12通常沿着喷嘴10的轴向中心线18延伸，并限定该轴向中心线18。护罩14周向地围绕中心体12的至少一部分而在中心体12和护罩14之间限定环形通道20。叶片16通常包括前缘22(图1中不可见)和后缘24，并在环形通道20中径向地延伸在中心体12和护罩14之间。在特定实施例中，叶片16可以是弯曲的或者相对于轴向中心线18呈一定角度，导致了各个叶片16的压力侧26和真空侧28。诸如空气的工作流体30可以流入环形通道20中并流过叶片16。中心体12中的室32可以将燃料34供应至中心体12和/或叶片16。中心体12和/或叶片16中的燃料端口36可以为燃料34提供流体连通，以从室32流入环形通道20中。以这种方式，燃料34可以流动穿过中心体12和/或叶片16中的燃料端口36，并且，叶片16可以引导燃料34和/或工作流体30，并且/或者使燃料34和/或工作流体30旋流，以增强环形通道20中的燃料34和/或工作流体30在离开喷嘴10之前的混合。
操作经验、测试以及计算机的流体动力计算指出，叶片16可以产生有益于火焰稳定的环境。特别地，叶片16的真空侧28和/或后缘24可以产生有益于火焰稳定的低流动区域或流分离区域。本发明的各种实施例提供了增加的流动和/或喷嘴表面的成形(contouring)，以减少火焰稳定的发生，并且，如果火焰稳定发生，则减少和/或防止对喷嘴表面的任何损坏。以这种方式，本发明的各种实施例可以减少与叶片16相关联的低流速区域而减少喷嘴10中的火焰稳定的可能性和/或后果。
如图1所示，各个叶片16可以包括将切向速度或旋流赋予流过叶片16的燃料34和/或工作流体30的弯曲表面38。如图1所示，叶片16还可以包括与护罩14分离的径向朝外部40。径向朝外部40可以是弯曲的或者远离护罩14而成形，使得叶片16的后缘24从护罩14径向朝内地渐缩。在该配置中，燃料34和/或工作流体30可以在径向朝外部40和护罩14之间流动而增加了位于真空侧28的流分离区域的流体流动和/或叶片16的后缘24附近的流体流动。
图2提供了根据本发明的备选实施例的中心体12、护罩14以及叶片16的放大透视图。在该特定实施例中，叶片16通常包括相对于轴向中心线18呈一定角度的笔直表面，以将切向速度或旋流赋予流过叶片16的燃料34和/或工作流体30。如前面关于图1所示的实施例而描述的，叶片16还包括与护罩14分离的径向朝外部40。另外，叶片16包括径向朝外部40和/或叶片16的压力侧26或真空侧28之中的一者或两者中的开口42、开孔、端口、通道或者孔。如本文中使用的，术语“开口”、“开孔”、“端口”、“通道”以及“孔”意图在含义上大致等同，并可以用作彼此的同义词。图3提供了弯曲叶片16的侧视截面图，该弯曲叶片16显示了径向朝外部40中的开口42和压力侧26及真空侧28。如图2所示，护罩14和叶片16之间或者中心体12和叶片16之间的通道44可以为流体流46提供流体连通，以流动穿过叶片16并流出径向朝外部40中的开口42。例如，流体流46可以包括工作流体30、蒸汽、惰性气体、稀释剂或者本领域的普通技术人员已知的另一合适的流体。以这种方式，流体流46提供了流过叶片16的后缘24和/或压力侧26或真空侧28的另外的流动。另外，计算机的流体动力计算指出，穿过径向朝外部40和/或压力侧26及真空侧28中的开口42的流体流46的另外的流动可以减少位于叶片16的后缘24的任一侧的低流通的区域。
图4提供了根据本发明的另一实施例的中心体12、护罩14以及叶片16的放大透视图。在该特定实施例中，叶片16通常包括与轴向中心线18对齐的笔直表面，以引导流过叶片16的燃料34和/或工作流体30。如前面关于图1和图2所示的实施例而描述的，叶片16还包括与护罩14分离的径向朝外部40。另外，叶片16还包括径向朝外部40中的开口42，以允许流体流46流动穿过叶片16，并对叶片16的径向朝外部40和/或后缘24提供另外的流动。
图5提供了根据本发明的又一实施例的中心体12、护罩14以及叶片16的放大透视图。如前面关于图1所示的实施例而描述的，各个叶片16通常包括弯曲表面38，该弯曲表面38将切向速度或旋流赋予流过叶片16的燃料34和/或工作流体30。然而，代替呈现在前述实施例中的径向朝外部40，叶片16在中心体12和护罩14之间径向地延伸而横贯整个环形通道20。在该特定实施例中，护罩14包括靠近弯曲表面38的真空侧28的多个端口48。多个端口48可以朝向弯曲表面38的真空侧28呈一定角度，从而为流体流46提供流体连通而靠着弯曲表面38流动。以这种方式，流体流46可以激发低速区域而增加流速，以减少或防止火焰稳定发生于弯曲表面38的真空侧28。
前文所述且图1至图5所示的实施例还提供了用于增强穿过喷嘴10的流动的方法。该方法可以包括使燃料34流动穿过中心体12和/或叶片16，并使流体流46流动横贯叶片16，例如如图3和图5所示。该方法还可以包括使流体流46在叶片16的径向朝外部40之间流动，例如如图2和图4所示。在特定实施例中，该方法可以包括使流体流46流动穿过径向朝外部40中的开口42且/或使流体流46流动穿过护罩14且靠着叶片16的真空侧28。
该书面描述使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并且，也使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。这种其它的示例意图落入权利要求的范围内，如果它们具有与权利要求的字面语言无差异的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等同结构要素的话。

Claims (13)

1.一种喷嘴(10)，包括：
中心体(12)，其中，所述中心体(12)限定轴向中心线(18)；
护罩(14)，周向地围绕所述中心体(12)的至少一部分，以在所述中心体(12)和所述护罩(14)之间限定环形通道(20)；以及
多个叶片(16)，位于所述中心体(12)和所述护罩(14)之间，其中，所述多个叶片(16)之中的各个叶片包括与所述护罩(14)分离的径向朝外部(40)。
2.根据权利要求1所述的喷嘴(10)，其特征在于，所述多个叶片(16)之中的各个叶片包括相对于所述轴向中心线(18)呈一定角度的笔直表面。
3.根据权利要求1所述的喷嘴(10)，其特征在于，所述多个叶片(16)之中的各个叶片包括弯曲表面(38)。
4.根据权利要求1所述的喷嘴(10)，其特征在于，还包括所述多个叶片(16)之中的各个叶片中的至少一个燃料端口(36)。
5.根据权利要求1所述的喷嘴(10)，其特征在于，所述多个叶片(16)之中的各个叶片的所述径向朝外部(40)从所述护罩(14)径向朝内地渐缩。
6.根据权利要求1所述的喷嘴(10)，其特征在于，还包括所述多个叶片(16)之中的各个叶片的所述径向朝外部(40)中的开口(42)。
7.根据权利要求1所述的喷嘴(10)，其特征在于，所述多个叶片(16)之中的各个叶片包括压力侧(26)和真空侧(28)。
8.根据权利要求7所述的喷嘴(10)，其特征在于，还包括所述多个叶片(16)之中的各个叶片的所述压力侧(26)或所述真空侧(28)之中的至少一个中的开孔(42)。
9.根据权利要求7所述的喷嘴(10)，其特征在于，还包括所述护罩(14)中的多个端口(48)，其中，所述护罩(14)中的所述多个端口(48)之中的各个端口靠近所述多个叶片(16)之中的各个叶片的所述真空侧(28)。
10.一种用于增强穿过喷嘴(10)的流动的方法，包括：
使燃料(34)流动穿过中心体(12)；
使流体流(46)流动横贯叶片(16)，所述叶片(16)位于所述中心体(12)和围绕所述中心体(12)的至少一部分的护罩(14)之间；以及
使所述流体流(46)在所述叶片(16)的径向朝外部(40)和所述护罩(14)之间流动，其中，所述叶片(16)的所述径向朝外部(40)与所述护罩(14)分离。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括使所述流体流(46)流动穿过所述叶片(16)的所述径向朝外部(40)中的开口(42)。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括使所述流体流(46)流动穿过所述护罩(14)且靠着所述叶片(16)的真空侧(28)。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括使所述燃料(34)流动穿过所述叶片(16)。
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