CN102679398A - 用于在燃料喷嘴中预混合空气和燃料的系统 - Google Patents

用于在燃料喷嘴中预混合空气和燃料的系统 Download PDF

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CN102679398A CN2012100772281A CN201210077228A CN102679398A CN 102679398 A CN102679398 A CN 102679398A CN 2012100772281 A CN2012100772281 A CN 2012100772281A CN 201210077228 A CN201210077228 A CN 201210077228A CN 102679398 A CN102679398 A CN 102679398A
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I·A·斯罗波延斯基
S·V·科谢维奇
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Abstract

本发明涉及用于在燃料喷嘴中预混合空气和燃料的系统。根据各种实施例，一种系统包括涡轮燃料喷嘴。涡轮燃料喷嘴包括：延伸至下游混合区域的第一燃料通道；从涡轮燃料喷嘴的外部延伸至下游混合区域的第一空气通道；和延伸至下游混合区域上游的第一空气通道的第二燃料通道。

Description

用于在燃料喷嘴中预混合空气和燃料的系统
技术领域
本文所公开的本主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及燃料喷嘴，其具有燃料-空气混合特征以改进燃烧并且减少排气排放物。
背景技术
燃料-空气混合的程度影响各种发动机中的燃烧和排气排放物，该发动机诸如燃气涡轮发动机。例如，排气排放物包括氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。稀释剂可用于降低燃烧的温度，由此减少NOx排放物。然而，使用稀释剂增加了成本和发动机的复杂度。
发明内容
与最初要求保护的发明的范围相称的某些实施例总结如下。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，而是这些实施例仅意图提供发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可能包含类似于或者不同于下文陈述的实施例的各种形式。
根据第一实施例，系统包括涡轮燃料喷嘴。涡轮燃料喷嘴包括：具有内燃料通道的内环状部分；围绕内环状部分布置的外环状部分；和在内环状部分与外环状部分之间延伸的中间环状部分。内环状部分和外环状部分限定了中间环状部分上游的环状燃料通道，并且外环状部分限定了中间环状部分下游的空腔。涡轮燃料喷嘴还包括通过外环状部分和中间环状部分从外环状部分的外部延伸至空腔的第一空气通道；通过中间环状部分从环状燃料通道延伸至空腔的第一燃料通道；和通过中间环状部分从环状燃料通道延伸至第一空气通道的第二燃料通道。
根据第二实施例，系统包括涡轮燃料喷嘴。涡轮燃料喷嘴包括：延伸至下游混合区域的第一燃料通道；从涡轮燃料喷嘴的外部延伸至下游混合区域的第一空气通道；和延伸进下游混合区域上游的第一空气通道的第二燃料通道。
根据第三实施例，系统包括涡轮发动机和联接到涡轮发动机的涡轮燃料喷嘴。涡轮燃料喷嘴包括具有第一空气通道和第一燃料通道的内预混合壁，并且第一燃料通道联接到内预混合壁内的第一空气通道。
附图说明
本发明的这些和其它特征、方面和优点在当参考附图阅读如下详细描述时将变得更容易理解，其中贯穿附图相同附图标记代表相同部件，其中：
图1是具有NOx-减少燃料喷嘴的涡轮系统的实施例的框图；
图2是涡轮系统的实施例的截面侧视图，涡轮系统如图1所示具有燃烧器，其具有一个或多个NOx-减少燃料喷嘴；
图3是燃烧器的实施例的剖面侧视图，燃烧器如图2所示具有联接到燃烧器的端盖的一个或多个NOx-减少燃料喷嘴；
图4是图3所示的燃烧器的端盖和NOx-减少燃料喷嘴的实施例的透视图；
图5是如图4中通过线5-5所示的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的截面侧视图；
图6是如图4中通过线6-6所示的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的截面侧视图；
图7是NOx-减少燃料喷嘴的实施例的分解前透视图；
图8是NOx-减少燃料喷嘴的实施例的分解后透视图；
图9是如图7和图8所示的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的透视图，其中虚线示出内部通道；
图10是如图7和图8所示的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的俯视图，其中虚线示出内部通道；
图11是如图1-10所示的NOx-减少燃料喷嘴的一部分的实施例的截面侧视图；
图12是沿图11的线12-12截取的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的截面侧视图，其示出燃料通道的不同布置；
图13是沿图11的线12-12截取的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的截面侧视图，其示出燃料通道的不同布置；
图14是沿图11的线12-12截取的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的截面侧视图，其示出燃料通道的不同布置；
图15是沿图11的线15-15截取的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的截面视图，其示出燃料通道相对于空气通道的不同轴向对齐；
图16是沿图11的线15-15截取的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的截面视图，其示出燃料通道相对于空气通道的不同轴向对齐；并且
图17是沿图11的线15-15截取的NOx-减少燃料喷嘴的实施例的截面视图，其示出燃料通道相对于空气通道的不同轴向对齐。
具体实施方式
本发明的一个或多个具体实施例将在下文描述。在致力于提供这些实施例的简要描述的过程中，实际实施的所有特征可不全在说明书中描述。应当理解，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计计划中，必须作出多种具体实施决策以达到开发者的具体目标，诸如遵守系统相关和商业相关的约束，这可能随一个实施到另一个实施而变化。而且，应当理解，这种开发努力可能是复杂和耗时的，但是对于将从本公开中获益的本领域技术人员来说，这将是设计、生产和制造的例行任务。
在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”“该”和“所述”意图表明存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括的，并且表明除了列出的元件外可存在额外的元件。
本公开涉及用于改进燃气涡轮发动机中燃料-空气混合、燃烧、效率和排放(例如NOx排放)的系统。总体上，燃气涡轮发动机采用一个或多个燃料喷嘴来便于燃烧器中的燃料-空气混合。各燃料喷嘴包括结构以引导空气、燃料和可选的其它流体到燃烧器。燃料和空气混合物在进入燃烧器后燃烧，由此驱动涡轮发动机。在燃烧期间，可形成受政府管制的诸如一氧化氮和二氧化氮(统称为NOx)的化合物。在燃烧过程期间形成的NOx排放物随燃料组分、操作模式和燃烧装备设计而变化。NOx排放物可能经由燃烧空气中的大气氮的热固形成(即，热力型NOx)，火焰区域附近一氧化氮的快速形成(即，快速型NOx)，或燃料中的氮与氧气的反应(即，燃料型NOx)而形成。NOx形成的驱动力是燃烧温度和燃烧时间。为了减少NOx排放物，稀释剂(例如，蒸汽、水或烟气)可能被注入燃烧区域，从而导致更高的操作成本。
本公开的实施例提供了改进的涡轮燃料喷嘴设计，其构造成在燃烧之前在燃料喷嘴中预混合空气和燃料，以便减少高温区域和NOx排放物。例如，涡轮燃料喷嘴可能包括下游空腔，其由环状壁和基壁限定，其中，基壁包括多个空气通道和多个燃料通道，并且至少一个空气通道联接到至少一个燃料通道以预混合空气和燃料。在某些实施例中，例如，多个空气通道从外部表面延伸，通过环状壁和基壁，并且进入下游空腔，同时多个燃料通道延伸通过基壁，并且进入下游空腔，同时多个燃料通道从上游空腔通过燃料基壁延伸至下游空腔。而且，各空气通道可联接到从上游空腔导引的分流燃料通道，使得第一部分燃料流过多个燃料通道，并且第二部分燃料流过分流燃料通道进入空气通道。例如，第二部分可能是全部燃料流的1％至50％或10％至40％。分流燃料通道使燃料和空气在空气通道内的预混合能够实现，由此改进燃料-空气混合、改进燃烧并且减少排放物。例如，预混合可以减少高温区域，并且从而减少NOx的生成。
图1是具有燃气涡轮发动机11的涡轮系统10的实施例的框图。如下文详细描述地，所公开的涡轮系统10采用具有改进设计的一个或多个燃料喷嘴12以在涡轮系统10中减少NOx排放物。涡轮系统10可使用液体或气体燃料，诸如天然气和/或合成气体，以驱动涡轮系统10。如图所示，一个或多个燃料喷嘴12吸入燃料供给14，将燃料和空气部分地混合，并且将燃料和空气-燃料混合物分配进燃烧器16，在燃烧器16中在燃料和空气之间发生进一步混合。空气-燃料混合物在燃烧器16内的腔室中燃烧，由此产生热的加压排气。燃烧器16朝向排气出口20引导排气通过涡轮18。当排气通过涡轮18时，气体迫使涡轮叶片沿涡轮系统10的轴线使轴22转动。如图所示，轴22连接到涡轮系统10的各种构件，包括压缩器24。压缩器24还包括连接到轴22的叶片。当轴22旋转时，压缩器24内的叶片也旋转，由此压缩空气，空气来自空气吸入口26通过压缩器24并且进入燃料喷嘴12和/或燃烧器16。轴22还可连接至负荷28，其可能是车辆或静负荷，例如，诸如发电厂内的发电机或飞机上的推进器。负荷28可包括任何适当装置，其能够由涡轮系统10的旋转输出来提供动力。
图2为图1所示的燃气涡轮发动机11的实施例的截面侧视图。如图所示，一个或多个燃料喷嘴12位于一个或多个燃烧器16内，其中，各燃料喷嘴12构造成在将空气、燃料或空气-燃料混合物注入燃烧器16的上游在燃料喷嘴12的中间壁或内壁内部分地预混合空气和燃料。例如，各燃料喷嘴12可以将燃料分流到空气通道，由此将燃料的一部分与空气预混合以减少高温区域和NOx排放物。操作中，空气通过空气吸入口26进入燃气涡轮发动机11并在压缩器24中加压。压缩空气然后与气体混合用于在燃烧器16内燃烧。例如，燃料喷嘴12可以以用于最优燃烧、排放、燃料消耗和功率输出的合适比例将燃料-空气混合物注入燃烧器16。燃烧生成热加压排气，其然后驱动涡轮18内的涡轮叶片30以转动轴22，并且从而转动压缩器24和负荷28。涡轮叶片30的旋转导致轴22的旋转，由此导致压缩器24内的叶片32吸入并加压于由吸入口26接收的空气。
图3是图2所示的燃烧器16的实施例的剖面侧视图。如图所示，多个燃料喷嘴12附连到燃烧器16的头部端36附近的端盖34。压缩空气和燃料被引导通过端盖34和头部端36到每一个燃料喷嘴12，其分配燃料-空气混合物进入燃烧器16。再次，燃料喷嘴12可构造成在将空气、燃料或空气-燃料混合物注入燃烧器16的上游，在燃料喷嘴12的中间壁或内壁内部分地预混合空气和燃料的一部分，由此减少NOx排放物的形成。燃烧器16包括燃烧室38，其通常由燃烧壳体40、燃烧衬套42和流动套筒44限定。在某些实施例中，流动套筒44和燃烧衬套42彼此共轴以限定中空环状空间46，其可使空气能够通过，用于冷却并且用于进入头部端36和燃烧室38。燃烧器16的设计提供了通过过渡件48(例如，会聚区段)朝向涡轮18的空气-燃料混合物的最优流动。例如，燃料喷嘴12可将加压空气-燃料混合物分配进燃烧室38，在燃烧室38中空气-燃料混合物的燃烧发生。产生的排气流过过渡件48进入涡轮18，如箭头50所示，从而导致涡轮18的叶片30连同轴22一起旋转。
图4为端盖34的实施例的透视图，端盖34具有附连到端盖34的端盖表面52的多个燃料喷嘴12。在所示实施例中，燃料喷嘴12按环状布置附连到端盖表面52。然而，任何合适数量和布置的燃料喷嘴12都可附连到端盖表面52。在某些实施例中，各燃料喷嘴12在燃料和空气从中间壁或内壁中喷出之前，在燃料喷嘴12的中间壁或内壁内预混合空气和一部分燃料，由此减少NOx排放物的形成。
进入燃料喷嘴12的空气进口56可以朝向各燃料喷嘴12的轴线58向内指向一定角度，由此使得当空气流在其沿下游方向54进入燃烧器16时能够与燃料流混合。而且，在某些实施例中，空气流和燃料流可以按对立方向形成旋涡，诸如分别为顺时针和逆时针，以实现更好的混合过程。在其它实施例中，空气流和燃料流可以按相同方向形成旋涡来改进混合，这取决于系统条件和其它因素。
如下文更详细地讨论地，内部预混合壁可以用在各燃料喷嘴12中，以将燃料流的一部分经由一个或多个燃料通道引导至一个或多个空气通道的空气流中，以在预混合壁内预混合空气流和燃料流。该预混合生成空气-燃料混合物，其与额外燃料流一起被喷入位于各燃料喷嘴12的套环62内的空腔或者腔室60。在一些实施例中，燃料通道可以相对于空气通道成角度，以在预混合壁内引起旋涡或反向旋涡以混合空气和燃料流。在某些实施例中，额外的空气通道可以沿燃料喷嘴套环62的内壁引导空气流(或另一保护性流体)，由此在靠近燃料喷嘴套环62的内壁64的外围区域中生成空气垫。通过这样做，空气垫减少了火焰保持在燃料喷嘴12中的可能性。如所理解地，燃料喷嘴12的某些实施例可沿燃料喷嘴12的内壁只引导空气、只引导水或只引导一些其它不容易燃烧的流体。
图5为如在图4中通过线5-5所示的，燃料喷嘴12的实施例的截面侧视图，其设计成改进燃料-空气混合、改进燃烧和减少排放物。燃料喷嘴12包括内壁部分74(例如，内环状部分)、中间壁部分76(例如，中间环状部分)和外壁部分78(例如，外环状部分)。燃料喷嘴12的外环状部分78包括套环62。外环状部分78围绕内环状部分74布置，例如，彼此同轴或同心。中间环状部分76径向延伸于内环状部分74与外环状部分78之间，由此限定上游空腔或腔室82和下游空腔或腔室84。上游腔室82布置于中间环状部分76上游在内环状部分74与外环状部分76之间。下游腔室84布置在中间环状部分76下游在外环状部分78内，例如，在套环62内。因此，中间环状部分76可描述成下游腔室84的基壁，或内预混合壁。如下文详细讨论地，中间环状部分76构造成在腔室84的上游预混合空气和燃料的流。
如图所示，燃料喷嘴12包括若干通道，用于空气和燃料通过燃料喷嘴12的一部分。例如，内环状部分74具有燃料通道92(例如，内燃料通道)。实际上，燃料通道92从面对中心燃料通道90的燃料进口96通过内环状部分74的端壁94延伸。在某些实施例中，燃料98可流过燃料进口96以产生通过燃料通道92的燃料流。如图所示，进口96和通道92在内环状部分74的下游端100处沿端壁94以内环状布置102和外环状布置103布置。然而，任何适当数量和布置的进口96和通道92可用于燃料喷嘴12。同样地，在某些实施例中，进口96和通道92的数量可以变化。进口94和对应的通道92的数量可从大约1到100或更多的范围变化。上游腔室82还限定了另一燃料通道，例如，环状燃料通道，在内部分74与外部分78之间。如下文详细讨论地，上游腔室82(或环状燃料通道)为多个燃料通道供应燃料104，并且分流至少一些燃料到多个空气通道以使在中间环状部分76中能够预混合燃料和空气。在某些实施例中，燃料可以仅供应到上游腔室82(或环状燃料通道)而不供应到中心燃料通道90，或反之亦然。
图6还示出用于空气和燃料通过燃料喷嘴12的一部分的通道。图6为在图4中通过线6-6所示的，NOx-减少燃料喷嘴12的实施例的截面侧视图。除了内环状部分74未示出之外，图6如上文所述用于图5。如图6所示，中间环状部分76包括延伸通过中间环状部分(即，内预混合壁)的空气通道112和燃料通道114与116。如图所示，燃料喷嘴12包括一个或多个空气通道112，其从外环状部分78的外部118延伸通过外环状部分78(即，外壁部分78)和中间环状部分76(即，内壁部分或预混合壁)到下游腔室84。换句话说，空气通道112从燃料喷嘴12的外部118延伸通过内预混合壁76，并且进入燃料喷嘴12的内部119。空气通道112可以相对于燃料喷嘴12的轴线58成角度。空气进口120位于外环状部分76的外部118。在某些实施例中，空气122可流过空气进口120以通过空气通道112产生空气流。在某些实施例中，进口120和通道112的数量可以变化。例如，进口120和对应通道112的数量可处在大约1至50、1至25或者1至10的范围内。在更多的实施例中并且如在图7-10所示，燃料喷嘴12可包括额外空气通道，以沿燃料喷嘴套环62的内壁64引导空气流(或另一保护性流体)，由此在靠近燃料喷嘴套环62的内壁64的外围区域中生成空气垫，以减少火焰保持在燃料喷嘴12附近的可能性。
如上文所述，燃料喷嘴12包括另一燃料通道104(例如，环状燃料通道)。如图所示，一个或多个燃料通道116通过中间环状部分76(即，内壁部分)从环状燃料通道104的上游腔室82延伸至下游腔室84。燃料通道116可相对于燃料喷嘴12的轴线58成角度。燃料进口126位于中间环状部分76的内表面130的中心部分128上。在某些实施例中，燃料98可流过燃料进口126以产生通过燃料通道116的燃料流。如图所示，进口126和通道116在中间环状部分76处和在中间环状部分76内成环状布置。然而，任何合适数量和布置的进口126和通道116可布置在燃料喷嘴12中。例如，进口126和对应通道116的数量可处在大约1至40、1至20或1至10的范围内。而且，一个或多个燃料通道114通过中间环状部分76(即，内壁部分)从环状燃料通道104的上游腔室82延伸至一个或多个空气通道112。燃料通道114联接到空气通道112允许燃料98与空气122在内预混合壁76的空气通道112内预混合。如下文详细描述地，燃料通道114可相对于通过空气通道112的空气流路径成角度。燃料进口132位于中间环状部分76的内表面130的外围部分134。在某些实施例中，燃料98可流过燃料进口132以产生通过燃料通道114的燃料流。如图所示，进口132和通道114在中间环状部分76处和在中间环状部分76内成环状布置。如图所示，进口132和通道114布置成内环状布置136和外环状布置138。然而，任何合适数量和布置的进口132和通道114可以用于燃料喷嘴12。例如，进口132和对应通道114的数量可处在大约1至80、1至40、1至20或1至10的范围内。如上文所述，燃料通道114联接到空气通道112允许燃料98的一部分与空气122混合。例如，从各燃料喷嘴12供应至燃烧区域的全部燃料的5％至50％或者10％至35％可通过燃料通道114分流至空气通道112。百分比可基于燃料流的质量流率、体积或任何其它类似度量。这允许燃料98的一些在喷入下游腔室84之前与空气122预混合，从而允许减少高温区域和NOx排放物。燃料98还经由燃料通道92和116供应至下游腔室84。同样如上文所述，空气122经由额外空气通道供应以沿套环62的内壁64形成空气垫，以减少火焰保持在燃料喷嘴12附近的几率。
图7和图8为图5和图6的NOx-减少燃料喷嘴12的实施例的分解视图，示出了构件如何装配在一起以形成燃料喷嘴12。如图所示，燃料喷嘴12包括套环62、主体144和内环状部分74。如上文所述，主体144包括外环状部分78和中间环状部分76。如图所示，内环状部分74通常构造成在圆形开口146内通过主体144沿燃料喷嘴12的轴线58牢固地装配。如图所示，内环状部分74和主体144是燃料喷嘴12的分开部件。作为分开部件，分开的燃料可通过内环状部分74和主体144的中间环状部分76导引。在某些实施例中，内环状部分74和主体144可集成为一个部件。同样如图所示，主体144和套环62是分开部件。在某些实施例中，主体144和套环62可集成为一个部件。
如图所示，套环62通常位于主体144的中间环状部分76附近，使得套环62位于空气出口147和沿中间环状部分76的外表面150环状布置的空气出口148的部分的上方。套环62的颈部152可具有小于中间环状部分76的直径的直径。该构型允许经由位于外环状部分78外周的空气进口154进入的空气122经由空气出口147离开，以沿套环62的内壁64形成空气122的垫，以减少火焰保持在燃料喷嘴12附近的可能性。
如图所示，主体144的外环状部分78包括沿外表面118周向间隔的空气进口120。对应空气出口148沿中间环状部分76的外表面150在空气出口147与燃料出口156之间环状布置。如上文中在图6所述地，空气122经由空气进口120进入并在空气通道112中与燃料98预混合。如上文所述，燃料98经由燃料进口132进入，并经由燃料通道114进入空气通道112。空气-燃料混合物然后经由空气出口148离开空气通道112。如上文所述，空气122和燃料98在内预混合壁76中的预混合减少了高温区域和NOx排放物的形成。除了空气-燃料混合物中的燃料98之外，燃料98可离开沿中间环状部分76的外表面150环状布置的燃料出口156以及沿内环状部分74的外表面160环状布置的燃料出口158。如上文所述，燃料98经由燃料进口126进入燃料通道116，并且然后经由燃料出口156离开。如图所示，出口147、148、156和158成环状布置。然而，任何合适数量和布置的出口147、148、156和158可用于燃料喷嘴12。同样如图所示，进口120和154沿外环状部分78周向间隔开地布置。然而，任何合适数量和布置的进口120和154都可用于燃料喷嘴12。
如上文所述，在某些实施例中，燃料喷嘴12的构件便于在下游腔室84上游在内预混合壁76内的空气和燃料的预混合，从而减少高温区域和NOx排放物的形成。例如，图9和图10分别为图7和图8所示的NOx-减少燃料喷嘴12的实施例的透视图和俯视图，其中虚线示出一些但不是所有内部通道。如图所示，燃料喷嘴12的主体144包括空气通道112和168，其延伸通过外环状部分78到中间环状部分76，从外环状部分78的外部118到中间环状部分76的外表面150。空气通道112从空气进口120延伸至空气出口148。如上文所述，在某些实施例中，空气122可流过空气进口120以产生通过空气通道112的空气流以与燃料98预混合。空气通道168从空气进口154延伸至空气出口147。如上所述，在某些实施例中，空气122可流过空气进口154以产生通过空气通道168的空气流，以沿套环62的内壁64形成空气122的垫，以减少火焰保持在燃料喷嘴12附近的几率。
如图所示，在某些实施例中，燃料喷嘴12的主体144包括从环状燃料通道104延伸通过中间环状部分76的燃料通道114和116。燃料通道116从燃料进口126延伸至燃料出口156。如上所述，在某些实施例中，燃料98可流过燃料进口126以产生通过燃料通道116的燃料流。燃料通道114从燃料进口132延伸至位于空气通道112内的燃料出口170。如上文所述，在某些实施例中，燃料98可流过燃料进口132以产生通过燃料通道114的燃料流以与空气通道112内的空气122预混合。
图11-17示出了用于在NOx-减少燃料喷嘴12的内预混合壁76内预混合燃料98和空气122的各种实施例。图11为NOx-减少燃料喷嘴12的一部分的实施例的截面侧视图，从而示出了空气通道112和燃料通道114和116的布置。如上所述，空气通道112从外环状部分78的外部118，通过外环状部分78(即，外壁部分)和中间环状部分76(即，内壁部分)，延伸至下游腔室84。同样如上文所述，燃料通道116从环状燃料通道104，通过中间环状部分76，延伸至下游腔室84。同样，一个或多个燃料通道114从环状燃料通道104通过中间环状部分76延伸至空气通道112。如上文所述，空气122从外环状部分78的外部118经由空气通道122流至下游腔室84。燃料98从内环状燃料通道104经由燃料通道114流至空气通道112。来自燃料通道114的燃料98在离开至下游腔室84之前在内预混合壁76内，与空气通道112内的空气122预混合。空气122和燃料98的预混合减少了高温区域以及NOx排放物。
如图所示，两个燃料通道178和180联接到空气通道112。然而，任何合适数量的燃料通道114都可以从环状燃料通道104延伸并且联接到空气通道112。联接到各空气通道112的燃料通道114的数量可处于大约1至15、1至10或1至5的范围内。例如，1、2、3、4或5个燃料通道114可联接到各空气通道112。如图所示，燃料通道178和180相对于通过空气通道112的空气流路径182(即，具有空气流的流)沿相同下游方向成角度。同样，燃料通道178和180彼此平行。然而，如下文进一步详述地，任何合适布置的燃料通道114都可使用。而且，燃料通道178和180各分别包括直径184和186，两者关于彼此相同。如下文进一步详述地，燃料通道178和180的直径184和186可不同。
如上文所述，燃料通道114的数量和布置可变化。图12-14为NOx-减少燃料喷嘴12的实施例的截面侧视图，示出了燃料通道114的不同布置。例如，图12示出了燃料通道178和180，其具有其中通道178和180关于彼此不平行的布置。燃料通道180相对于空气流路径182沿下游方向成角度，而燃料通道178相对于通过空气通道112的空气流路径182沿上游方向(即与空气流的流反向)成角度。换句话说，燃料通道178和180包括沿发散的方向引导进空气通道112的燃料路径192和194。与空气流的流反向朝上游引导燃料路径192可允许空气122和燃料98更好地混合。而且，燃料通道178包括直径184，其不同于燃料通道194的直径186。如图所示，直径184大于直径186，从而，相比于与空气流的流同向，与空气流的流反向分流更多的燃料，以更好地与空气112预混合更大部分的燃料98，其从环状燃科通道104分流至燃料通道114。然而，在某些实施例中，直径186可大于直径184，以相比于与空气流的流反向，与空气流的流方向同向分流更多的燃料。
可选地在图13中，以另一种非平行布置，燃料通道178沿下游方向成角度，而燃料通道180相对于空气流路径182沿上游方向稍微成角度。换句话说，燃料通道178和180包括沿会聚方向引导进空气通道112的燃料路径192和194。将燃料98集中到会聚区域可增加与空气122预混合的燃料98的量，从而减少高温区域和NOx排放物的形成。
进一步在图14中，以另一种非平行布置，燃料通道178沿上游方向成角度，燃料通道206沿大致垂直于空气流路径182的中间方向成角度，并且燃料通道180相对于空气流路径182沿下游方向成角度。图11-14中的不同布置构造成在内预混合壁76内将燃料98与空气通道112中的空气122预混合，以便减少高温区域和NOx排放物的形成。
燃料通道114可在相同轴向位置内对齐或者沿不同轴向位置定向，以造成空气122与燃料98的不同预混合效果。图15-17是沿图11的线12-12截取的NOx-减少燃料喷嘴12的实施例的截面图，其示出燃料通道114相对于空气通道112，例如轴线214的不同轴向对齐。例如，图15示出了一个或多个燃料通道114围绕外围212以及空气通道112的中心轴线214的在相同轴向对齐内的对齐。因此，燃料路径216内的燃料98通常从围绕空气通道112的外围212的相同点218朝通道112的中心轴线214离开。在相对于轴线214的相同轴向对齐内，燃料通道114可沿轴线214在不同轴向位置处彼此平行或不平行。此外，燃料通道114可以沿上游、垂直、或下游方向引导至空气通道112。而且，燃料通道114的燃料路径216可以沿会聚或发散的方向引导至空气通道112。
然而，如上文所述，燃料通道可相对于空气通道112，例如轴线214，沿不同轴向位置定向。例如，图16示出燃料通道226和228沿轴线214在不同轴向位置处的对齐，如通过通道226和228的实线和虚线所示。此外，燃料通道226和228位于围绕空气通道112的外围212的不同周向位置。实际上，燃料通道226和228分别沿方向230和232(即引起涡旋的方向)成角度，偏离空气通道112的中心轴线214。各燃料通道226和228单独创造燃料98的旋涡流动路径，其通常分别表示为围绕空气通道112的中心轴线214的箭头234和236。在图示的实施例中，燃料通道226和228与外围212相切，并且大致彼此平行。在其它实施例中，燃料通道226和228可朝向空气通道112成不同的角度。如图所示，燃料通道226和228包括围绕空气通道112的中心轴线214沿对立方向230和232引导至空气通道112的燃料路径238和240，以生成反向旋涡(即沿顺时针和逆时针方向的旋涡)，通常表示为箭头234和236，其围绕中心轴线214以使更好的混合过程能够实现。燃料通道226和228可沿轴线214的上游、垂直或下游方向引导至空气通道112。此外，燃料通道226和228的燃料路径238和240可以沿会聚或发散的方向引导至空气通道112。
可选地，如图17所示，燃料通道226和228可处于不同轴向位置，但其中燃料98的流引导朝向空气通道112的中心轴线214。如图所示，燃料通道226和228位于沿轴线214的不同轴向位置，如通过通道226和228的实线和虚线所示。此外，燃料通道226和228沿非平行的方向引导朝向空气通道112，如通过燃料路径238和240所示。如图所示，燃料通道238和240的燃料路径238和240沿会聚方向引导朝向中心轴线214，如通常通过箭头242和244所示。燃料通道238和240可沿上游、垂直或下游方向引导到空气通道112。燃料98朝向中心轴线214的会聚可以使更多燃料98与空气122预混合。实际上，上述所有燃料通道的不同布置都是为了在空气-燃料混合物喷入下游腔室84之前，在预混合壁76内预混合燃料98和空气112。由于预混合，燃料喷嘴12中高温区域和NOx排放物的形成将减少。
所公开的实施例的技术效果包括提供系统以在燃烧区域减少高温区域和NOx排放物。此外，系统减少火焰保持在燃料喷嘴12的附近内的可能性。本文中公开的实施例通过在燃料喷嘴12的内预混合壁76内预混合全部喷入燃料的一部分燃料和空气，帮助减少高温区域和NOx排放物。将空气和燃料在燃料喷嘴12的空腔80的上游进行预混合，比只是在空腔80内混合空气和燃料导致高温区域和NOx排放物的更大减少。经由在内预混合壁76内预混合空气和燃料，从而减少高温区域和NOx排放物，允许在致力于减少NOx排放物的过程中使用更少的稀释剂。此外，公开的实施例减少了与减少NOx排放物关联的操作成本。而且，燃料喷嘴12可包括额外空气通道，以沿燃料喷嘴套环62的内壁64引导空气流(或另一种保护性流体)，由此在靠近燃料喷嘴套环62的内壁64的外围区域生成空气垫，以减少火焰保持在燃料喷嘴12附近的可能性。
本书面描述利用实例公开了本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并实施任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它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其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
燃料喷嘴，包括：
具有内燃料通道的内环状部分；
围绕所述内环状部分布置的外环状部分；
在所述内环状部分与外环状部分之间延伸的中间环状部分，其中，所述内环状部分和外环状部分在所述中间环状部分上游限定环状燃料通道，并且所述外环状部分在所述中间环状部分下游限定空腔；
第一空气通道，其通过所述外环状部分和所述中间环状部分从所述外环状部分的外部延伸至所述空腔；
第一燃料通道，其通过所述中间环状部分从所述环状燃料通道延伸至所述空腔；和
第二燃料通道，其通过所述中间环状部分从所述环状燃料通道延伸至所述第一空气通道。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二燃料通道相对于通过所述第一空气通道的空气流路径沿上游方向成角度。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二燃料通道相对于通过所述第一空气通道的空气流路径沿下游方向成角度。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二燃料通道沿偏离所述第一空气通道的中心轴线的方向成角度，以围绕所述第一空气通道的中心轴线创造燃料的旋涡流动路径。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第三燃料通道，其通过所述中间环状部分从所述环状燃料通道延伸至所述第一空气通道。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二燃料通道和第三燃料通道彼此不平行。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二燃料通道和第三燃料通道具有彼此不同的直径。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二燃料通道和第三燃料通道包括围绕所述第一空气通道的中心轴线沿对立方向引导至所述第一空气通道的燃料路径，以生成围绕所述中心轴线的反向燃料旋涡。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二燃料通道和第三燃料通道包括沿会聚方向引导至所述第一空气通道的燃料路径。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括多个第一空气通道和多个第二燃料通道，其中，所述多个第一空气通道的各第一空气通道通过所述外环状部分和所述中间环状部分从所述外环状部分的外部延伸至所述空腔，并且所述多个第二燃料通道的各第二燃料通道通过所述中间环状部分从所述环状燃料通道延伸至所述多个第一空气通道的至少一个第一空气通道。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，包括多个第一燃料通道，其中，所述多个第一燃料通道的各第一燃料通道通过所述中间环状部分从所述环状燃料通道延伸至所述空腔。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，包括多个第二空气通道，其中，所述多个第二空气通道的各第二空气通道通过所述外环状部分和所述中间环状部分从所述外环状部分的外部延伸至所述空腔。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括具有所述燃料喷嘴的涡轮燃烧器或涡轮发动机中的至少一个。
14.一种系统，包括：
涡轮燃料喷嘴，包括：
第一燃料通道，其延伸至下游混合区域；
第一空气通道，其从所述涡轮燃料喷嘴的外部延伸至所述下游混合区域；和
第二燃料通道，其延伸进入所述下游混合区域上游的所述第一空气通道。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，包括：
第一腔室；
所述第一腔室下游的第二腔室；
围绕所述第一腔室和第二腔室的外壁部分；
布置在所述外壁部分内的内壁部分，其中，所述内壁部分分开所述第一腔室和第二腔室；
所述第一空气通道通过所述外壁部分和所述内壁部分从所述外壁部分的外部延伸至所述第二腔室；
所述第一燃料通道通过所述内壁部分从所述第一腔室延伸至所述第二腔室；并且
所述第二燃料通道通过所述内壁部分从所述第一腔室延伸至所述第一空气通道。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第二燃料通道相对于通过所述第一空气通道的空气流路径沿上游方向、下游方向、引起旋涡的方向或其组合成角度。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，包括多个第一空气通道和多个第二燃料通道，其中，所述多个第一空气通道的各第一空气通道通过所述外壁部分和所述内壁部分从所述外壁部分的外部延伸至所述第二腔室，并且所述多个第二燃料通道的各第二燃料通道通过所述内壁部分从所述第一腔室延伸至所述多个第一空气通道的至少一个第一空气通道。
18.一种系统，包括：
涡轮发动机；和
联接到所述涡轮发动机的涡轮燃料喷嘴，其中，所述涡轮燃料喷嘴包括内预混合壁，其具有第一空气通道和第一燃料通道，并且所述第一燃料通道联接到所述内预混合壁内的所述第一空气通道。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述第一空气通道从所述涡轮燃料喷嘴的外部，通过所述内预混合壁，延伸进入所述涡轮燃料喷嘴的内部。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，包括第二燃料通道，其联接到所述内预混合壁内的所述第一空气通道。
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