CN103032895B - 用于冷却多管燃料喷嘴的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于冷却多管燃料喷嘴的系统。一种系统包括多‑管燃料喷嘴，其包括燃料喷嘴头，其包括环绕腔室的外壁。外壁包括构造成面对燃烧区的下游壁部。多‑管燃料喷嘴还包括延伸通过腔室至下游壁部的多个管。多个管中的各管包括上游部、下游部以及布置在上游部的至少一个燃料入口，并且各管构造成接收空气以及将空气与来自至少一个燃料入口的燃料混合。多‑管燃料喷嘴包括燃料导管，其延伸通过腔室交叉于多个管并且围绕多个管。燃料导管包括多个冲击冷却孔口。燃料流动路径延伸通过燃料导管、通过冲击冷却孔口、通过腔室以及进入各管的至少一个燃料入口。

Description

用于冷却多管燃料喷嘴的系统
技术领域
本文中公开的本主题涉及涡轮发动机，并且更特别地，涉及带有冷却特征的涡轮燃料喷嘴。
背景技术
燃气涡轮发动机燃烧燃料与空气的混合物以生成热燃烧气体，热燃烧气体继而驱动一个或者多个涡轮级。特别地，热燃烧气体推动涡轮叶片旋转，由此驱动轴以使一个或者多个负载，例如发电机旋转。燃气涡轮发动机包括燃料喷嘴以将燃料和空气喷射入燃烧器中。不幸的是，燃料喷嘴的一部分可经历高温，这可造成对燃料喷嘴的潜在损坏。
发明内容
以下总结了范围与原始要求保护的本发明相称的某些实施例。这些实施例不意图限制所要求保护的发明的范围，而是这些实施例仅意图提供对本发明的可能的形式的简要总结。事实上，本发明可包括可类似于或者不同于以下所陈述的实施例的多种形式。
根据第一实施例，一种系统包括多-管燃料喷嘴，其包括燃料喷嘴头，其包括环绕腔室的外壁。外壁包括下游壁部，其构造成面对燃烧区。多-管燃料喷嘴还包括多个管，其延伸通过腔室至下游壁部。多个管的各管包括上游部、下游部以及布置在上游部的至少一个燃料入口，并且构造成接收空气以及将空气与来自至少一个燃料入口的燃料混合。多-管燃料喷嘴进一步包括延伸通过腔室交叉(crosswise)于多个管并且围绕该多个管的燃料导管。燃料导管包括多个冲击冷却孔口。燃料流动路径延伸通过燃料导管、通过冲击冷却孔口、通过腔室以及进入各管的至少一个燃料入口。
根据第二实施例，一种系统包括涡轮燃烧室。涡轮燃烧室包括多-管燃料喷嘴，其联接到涡轮燃烧室。多-管燃料喷嘴包括燃料喷嘴主体，其包括环绕腔室的外壁以及延伸通过腔室的多个管。多个管的各管包括空气入口、燃料入口以及空气-燃料混合物出口。多-燃料喷嘴还包括多个冲击冷却孔口，其构造成引导燃料以冲击冷却该多-管燃料喷嘴。
根据第三实施例，一种系统包括多-管燃料喷嘴。多-管燃料喷嘴包括燃料喷嘴主体，其包括环绕腔室的外壁以及延伸通过腔室从外壁的第一壁部至第二壁部的多个管。多个管的各管包括空气入口、燃料入口以及空气-燃料混合物出口。多-管燃料喷嘴还包括燃料导管，其延伸通过腔室交叉于多个管并且围绕多个管，其中燃料导管包括多个冲击冷却孔口，其构造成引导燃料以冲击冷却外壁，并且燃料导管包括多个开口，其构造成引导燃料以对流地冷却多个管以及外壁。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其他特征、方面和优点将变得更容易理解，其中，在所有附图中，相同的符号表示相同的部件，其中：
图1是具有燃料喷嘴的涡轮系统的实施例的框图，其中，燃料喷嘴带有改进的设计以增强可操作性和耐久性；
图2是带有多个燃料喷嘴的图1的燃烧器的实施例的截面侧视图；
图3是包括多个燃料喷嘴(例如，圆形)的燃烧器的实施例的前平面视图；
图4是包括多个燃料喷嘴(例如，截短的饼形)的燃烧器的实施例的前平面视图；
图5是具有用于燃料的单一中央供给的图2的燃料喷嘴的实施例的局部截面侧视图；
图6是具有用于燃料的单一中央供给的图2的燃料喷嘴的实施例的局部截面侧视图；
图7是具有用于燃料的多个供给的图2的燃料喷嘴的实施例的局部截面侧视图；以及
图8是具有用于燃料的外部供给的图2的燃料喷嘴的实施例的局部截面侧视图。
部件列表
10 涡轮系统
12 燃料喷嘴
14 燃料供应
16 燃烧器
18 涡轮
20 排气出口
22 轴
24 压缩器
26 进气口
28 负载
38 流动套筒
40 端盖
42 燃料导管
44 上游端部
45 燃料喷嘴主体
46 下游端部
47 外壁
48 腔室
49 下游壁部
50 燃烧区
52 多个管
53 隔板(baffle)
54 箭头
55 空气入口
56 上游空气流路径
58 轴向方向
60 内部流动路径
62 箭头
64 下游空气流路径
66 轴向方向
68 燃料流动路径
74 帽部件
76 中央燃料喷嘴
78 外燃料喷嘴
80 排
82 中央轴线
84 虚线圆
86 径向方向
96 帽部件
98 方向
100 中央燃料喷嘴
102 外燃料喷嘴
104 内周边
106 圆形喷嘴区域
108 非圆形喷嘴区域
110 平行侧
112 平行侧
114 侧
116 侧
118 径向方向
120 周边
122 中央部
124 中央轴线
132 单一中央供给
134 上游壁部
136 壁部
138 上游部
140 下游部
142 燃料入口
144 空气入口
146 空气-燃料混合物出口
148 空气-燃料混合物
150 多个冲击冷却孔口
152 第一隔板
154 第二隔板
155 间隔件
156 轴线
157 间隙
158 接合部
159 冲击冷却板
160 第一开口
162 第二开口
164 间隙
166 径向方向
168 轴向方向
170 箭头
172 箭头
174 箭头
176 箭头
178 箭头
188 供给
190 供给
192 燃料出口
194 第一端
196 第二端
198 压室
200 箭头
202 径向方向
204 箭头
214 外部供给
216 环状护罩
218 第一部
220 第二部
222 套筒
224 箭头。
具体实施方式
本发明的一个或者多个具体实施例将在下文描述。为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可不描述实际实施的所有特征。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项目中，必须做出许多具体实施相关的决定以实现开发者的具体目标，诸如遵从系统相关和行业相关的约束，这些约束可随着实施不同而不同。然而，应当理解，这种开发努力可为复杂且耗时的，但对于将从本公开受益的普通技术人员来说，这将仍然是设计、制作和制造的例行任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一”、“该”和“所述”意图表示存在一个或者多个元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”意图为包含性的并且表示除了所列元件之外可存在其他元件。
本公开的实施例提供包括多管燃料喷嘴的系统，多管燃料喷嘴带有不同的冷却特征以改进燃料喷嘴的可操作性和耐久性。例如，多管燃料喷嘴可包括如下燃料喷嘴头，即，其包括围绕腔室的外壁，其中外壁包括面对燃烧区的下游壁部。多个管延伸通过腔室到下游壁部，其中各管包括上游部、下游部和布置在上游部的至少一个燃料出口。各管构造成接收空气并且将空气与来自至少一个燃料入口的燃料混合。燃料导管延伸通过腔室交叉于多个管并且围绕多个管。燃料导管包括多个冲击冷却孔口。燃料流动路径延伸通过燃料导管、通过冲击冷却孔口、通过腔室并且进入各管的至少一个燃料入口。多个冲击冷却孔口可引导燃料以冲击冷却下游壁部。在某些实施例中，燃料导管可包括彼此间隔开的第一隔板和第二隔板。第二隔板可布置在第一隔板与下游壁部之间并且包括具有多个冲击冷却孔口的冲击冷却板。多个管可延伸通过在隔板中的开口，其中开口相对于管超尺寸以限定在管与隔板之间的间隙。这些间隙可引导燃料以对流地冷却管和/或下游壁部。另外，这些间隙可响应于管的热膨胀而收缩以增加通过多个冲击冷却孔口的燃料流。这些实施例的冷却特征可冷却下游壁部(例如，燃料喷嘴头的面部)和/或管以增加燃料喷嘴的可操作性和耐久性。
现在转向附图并且首先参考图1，示出了涡轮系统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(例如，燃气涡轮发动机)可采用一个或者多个燃料喷嘴12(例如，多管燃料喷嘴)，其带有改进的设计以增加涡轮系统10中的燃料喷嘴12的可操作性和耐久性。例如，某些燃料喷嘴12(例如，多管燃料喷嘴)包括不同的冷却特征(例如，用于冲击冷却的冲击冷却孔口和用于对流冷却的间隙)，其构造成通过朝向并且/或者沿着这些构件引导燃料来冷却各燃料喷嘴12的构件。例如，这些冷却特征可沿着多个管(例如，预混合管)并且/或者朝向燃料喷嘴主体的下游壁部(例如，燃料喷嘴头)引导燃料，该下游壁部构造成面对各燃料喷嘴12的燃烧区。因此，这些冷却特征使燃料喷嘴12能够使用燃料以冷却这些构件，而不需要诸如空气或者水的不必要的流动流。此外，这些冷却特征增加了燃料喷嘴12的可操作性(例如，允许在稍微更高的燃料压力比率下的操作)和耐久性。在某些实施例中，系统10包括围绕中央燃料喷嘴12配置的多个燃料喷嘴12。这些燃料喷嘴12中的一个或者多个可包括在下文详细描述地流动控制特征。
涡轮系统10可使用液体或者气体燃料，诸如天然气和/或富氢合成气，以驱动涡轮系统10。如所示，一个或者多个燃料喷嘴12吸入燃料供应14、混合燃料与空气并且将空气-燃料混合物以用于最佳燃烧、排放、燃料消耗和功率输出的适当比率分配到燃烧器16内。涡轮系统10可包括位于一个或者多个燃烧器16内的一个或者多个燃料喷嘴12。空气-燃料混合物在燃烧器16内的腔室内燃烧，由此形成热加压排气。燃烧器16引导排气通过涡轮18朝向排气出口20。随着排气行进通过涡轮18，气体推动涡轮叶片使轴22沿涡轮系统10的轴线旋转。如图所示，轴22可连接到涡轮系统10的各种构件，包括压缩器24。压缩器24还包括联接到轴22的叶片。随着轴22旋转，压缩器24内的叶片也旋转，由此压缩空气，该空气从空气入口26通过压缩器24并且进入燃料喷嘴12和/或燃烧器16。例如，轴22还可连接到负载28，其可为载具或者静止负载，诸如在发电厂内的发电机或者飞行器上的推进器。负载28可包括能够由涡轮系统10的旋转输出提供功率的任何适当器件。
图2是带有多个燃料喷嘴12的图1的燃烧器16的实施例的截面侧视图。燃烧器16包括外壳或流动套筒38和端盖40。多个燃料喷嘴12(例如，多管燃料喷嘴)安装在燃烧器16内。各燃料喷嘴12包括从喷嘴12的上游端部44延伸到下游端部46的燃料导管42。各燃料喷嘴12的下游端部46包括燃料喷嘴主体45(例如，燃料喷嘴头)，其包括围绕联接到燃料导管42的腔室48(例如，燃料腔室)的外壁47。外壁47包括构造成面对燃烧区50的下游壁部49。另外，各燃料喷嘴12包括如下文更详细地描述地延伸通过腔室48到下游壁部49的多个管52(例如，预混合管)。燃料导管42延伸通过腔室48交叉于多个管52并且围绕多个管52。燃料导管42可包括一个或者多个隔板53(例如，间隔开的第一和第二隔板)。在某些实施例中，至少一个隔板53(例如，浮置(floating)隔板)可构造成相对于多个管52浮置(例如，移动)。
空气(例如，压缩空气)经由一个或者多个空气入口55进入流动套筒38(如由箭头54大体指示地)，并且沿着上游空气流动路径56沿轴向方向58朝向端盖40。空气然后流入内部流动路径60，如由箭头62大体指示地，并且沿着下游空气流路径64沿轴向方向66通过各燃料喷嘴12的多个管52前进。燃料沿轴向方向66沿燃料流动路径68通过各燃料导管42朝向各燃料喷嘴12的下游端部46流动。燃料然后进入各燃料喷嘴12的腔室48并且与多个管52内的空气混合，如下文更详细描述地。燃料喷嘴12将空气-燃料混合物以用于最佳燃烧、排放、燃料消耗和功率输出的适当比率喷射到燃烧区50内。
如下文详细讨论地，各燃料喷嘴12可包括用以冷却喷嘴12的构件的特征。例如，布置在下游壁部49附近的隔板53可包括多个冲击冷却孔口，其构造成引导燃料以冷却下游壁部49。因此，各燃料流动路径68延伸通过燃料导管42，通过冲击冷却孔口，通过腔室48，并且进入各管52的至少一个燃料入口。另外，多个管52中的各管52可延伸通过燃料导管42和/或一个或者多个隔板53的开口。开口可相对于各管52超尺寸以限定在燃料导管42和/或一个或者多个隔板53与各管52之间的间隙。各间隙可构造成引导燃料以对流冷却邻近管52和/或下游壁部49。而且，各间隙可构造成响应于邻近管52的热膨胀而收缩，以增加通过多个冲击孔口的燃料流。因此，这些冷却特征使燃料喷嘴12能够使用燃料来冷却这些构件而无需诸如空气或者水的不必要的流动流。另外，这些冷却特征增加燃料喷嘴12的可操作性(例如，允许在稍微更高的燃料压力比率下的操作)和耐久性。
图3是包括多个燃料喷嘴12(例如，多管燃料喷嘴)的燃烧器16的实施例的前平面视图。燃烧器16包括帽部件74，其带有通过其布置的多个燃料喷嘴12。如图所示，燃烧器16包括燃料喷嘴12(例如，中央燃料喷嘴76)，其居中地位于燃烧器16的帽部件74内。燃烧器16还包括多个燃料喷嘴12(例如，外燃料喷嘴78)，其围绕中央燃料喷嘴76周向地布置。如图所示，六个外燃料喷嘴78环绕中央燃料喷嘴76。然而，在某些实施例中，燃料喷嘴12的数量以及燃料喷嘴12的配置可改变。例如，燃料喷嘴12可如在2009年2月27号提交的美国专利申请号12/394,544(其在此通过引用而整体并入)中所述地配置。各燃料喷嘴12包括多个管52。如图所示，各燃料喷嘴12的多个管52配置在多个排80(例如，环)中。排80具有围绕各燃料喷嘴12的中央轴线82的同心配置。在某些实施例中，排80的数目、每排80的管52的数目以及多个管52的配置可改变。在某些实施例中，燃料喷嘴12可包括上述的不同冷却特征中的至少一个(例如，用于冲击冷却的冲击冷却孔口和/或用于对流冷却的间隙)。在某些实施例中，仅中央燃料喷嘴76可包括冷却特征中的至少一个。备选地，在某些实施例中，仅外燃料喷嘴78可包括冷却特征中的至少一个。在一些实施例中，中央燃料喷嘴76和外燃料喷嘴78都可包括冷却特征中的至少一个。
图4是包括多个燃料喷嘴12(例如，多管燃料喷嘴)的燃烧器16的另一实施例的前平面视图。燃烧器16包括帽部件96。帽部件96沿方向98在燃料喷嘴12周围周向地布置。如图所示，燃烧器16包括中央燃料喷嘴100和在中央燃料喷嘴100周围周向地布置的多个燃料喷嘴12(例如，外燃料喷嘴102)。如图所示，六个外燃料喷嘴102环绕中央燃料喷嘴100。然而，在某些实施例中，燃料喷嘴12的数量以及燃料喷嘴12的配置可改变。例如，外燃料喷嘴102的数量可为1至20、1至10或任何其他数量。燃料喷嘴12紧密地布置在帽部件96之内。因此，帽部件96的内周边104限定用于燃烧器16的圆形喷嘴区域106。燃料喷嘴12的下游端部46包围整个圆形喷嘴区域106。各外燃料喷嘴102包括非圆形周边108。如图所示，周边108包括带有两个大体平行侧110和112的楔形或截断饼形。侧110和112是弧形，而侧114和116是线性的(例如，沿径向方向118发散)。然而，在某些实施例中，外燃料喷嘴102的周边108可包括其他形状，例如带有三侧的饼形。各外燃料喷嘴102的周边108包括圆形喷嘴区域106的区。中央燃料喷嘴100包括周边120(例如，圆形周边)。在某些实施例中，周边120可包括其他形状，例如正方形、六边形、三角形或其他多边形。中央燃料喷嘴100的周边120布置在圆形喷嘴区域106的中央部122。
各燃料喷嘴12包括多个预混合管52。为明晰起见，预混合管52仅在燃料喷嘴12的一些的部分上示出。如图所示，各燃料喷嘴12的多个管52配置成多个排80。外燃料喷嘴102的管52的排80具有在燃烧器16的中心轴线124周围的同心配置。中央燃料喷嘴100的管52的排80也具有在燃烧器16的中心轴线124周围的同心配置。在某些实施例中，排80的数量、每一排80的管52的数量以及多个管52的配置可改变。在某些实施例中，燃料喷嘴12可包括上述的不同冷却特征中的至少一个(例如，用于冲击冷却的冲击冷却孔口和/或用于对流冷却的间隙)。在某些实施例中，仅中央燃料喷嘴100可包括冷却特征中的至少一个。备选地，在某些实施例中，仅外燃料喷嘴102可包括冷却特征中的至少一个。在一些实施例中，中央燃料喷嘴100以及外燃料喷嘴102都可包括冷却特征中的至少一个。
图5-8示出了具有上述冷却特征的燃料喷嘴12(例如，多-管燃料喷嘴)的各种实施例。图5是具有用于燃料的单一中央供给132的图2的燃料喷嘴12(例如，多-管燃料喷嘴)的实施例的局部截面侧视图。燃料喷嘴12包括燃料喷嘴主体45(例如，燃料喷嘴头)，其包括环绕腔室48(例如，燃烧室)的外壁47。外壁47包括上游壁部134、下游壁部49以及布置在壁部49与134之间的壁部136。下游壁部49构造成面对燃烧区50。
另外，燃料喷嘴12包括从上游壁部134延伸通过腔室48至下游壁部49的多个管52(例如，预混合管)。多个管52相对于上游壁部134固定。多个管52中的各管52包括上游部138、下游部140、布置在上游部138处的至少一个燃料入口142、布置在上游部138处的至少一个燃料入口142的上游的空气入口144以及在下游部140处的空气-燃料混合物出口146。燃料入口142的数量、形状以及配置可改变。例如，各管52可包括1至100、2至50、3至25或4至10个燃料入口142。各管52构造成经由空气入口144接收空气并且将空气与来自至少一个燃料入口142的燃料混合。另外，各管52构造成将空气-燃料混合物148经由空气-燃料混合物出口146注入燃烧区50。
另外，燃料喷嘴12包括燃料导管42，其延伸通过腔室48交叉于多个管52并且围绕多个管52。如图所示，燃料导管42包括多个冲击冷却孔口150，其构造成引导燃料以冲击冷却下游壁部49。而且，燃料导管42包括布置成彼此间隔开的第一和第二隔板152和154。如图所示，第一和第二隔板152和154布置在燃料喷嘴12的轴线156(例如，纵向轴线)的周围。第二隔板154布置在第一隔板152与下游壁部49之间。间隔件(spacer)155布置在下游壁部49与第二隔板154之间并且构造成维持在壁部49与隔板154之间的间隙157。第二隔板154包括多个冲击冷却孔口150。间隙157的尺寸可依赖于多个冲击冷却孔口150的尺寸。
如图所示，第一和第二隔板152和154交叉地延伸至多个管52。特别地，第一隔板152在于接合部158(例如，弯曲接合部)处与第二隔板152交界之前成角度交叉地延伸至多个管52。在某些实施例中，隔板152和154的至少一个或两者包括浮置隔板，其构造成相对于多个管52浮置。在一些实施例中，第二隔板154为浮置隔板；而在其他实施例中，第一和第二隔板152和154两者是浮置隔板。浮置隔板154包括冲击冷却板159，其具有冲击冷却孔口150。在某些实施例中，第一和第二隔板152和154可硬焊或焊接在一起(例如，在接合部158处)。在其他实施例中，第一和第二隔板152和154可不是机械联接的。
多个管52中的各管52延伸通过在燃料导管42中的至少一个开口160和162。例如，多个管52延伸通过第一和第二隔板152和154。特别地，多个管52的各管52延伸通过在第一隔板152中的第一开口160和在第二隔板154中的第二开口162。燃料导管42的至少一个开口160和162相对于各相邻管52超尺寸以限定在燃料导管42与管52之间的间隙164。例如，第一和第二开口160和162相对于各相邻管52超尺寸以限定在相应的第一和第二隔板152和154与管52之间的间隙164。各间隙164构造成引导燃料以对流冷却各相邻管52和/或下游壁部49。另外，各间隙164构造成响应于各相邻管52的热膨胀而收缩以增加通过多个冲击冷却孔口150的燃料流。间隙164使隔板152和154能够相对于多个管52浮置。在某些实施例中，在第一隔板152的第一开口160与管52之间的间隙164的尺寸可稍微大于在第二隔板154的第二开口162与管52之间的间隙164，或者反之亦然。在其他实施例中，在第一和第二开口160和162与管52之间的间隙164的尺寸可相同。
空气(例如，压缩空气)经由空气入口144进入各管52并且沿着下游空气流路径64沿轴向方向66通过各管52。压缩空气的温度范围可为从大约260℃至538℃、315℃至482℃，或371℃至427℃。燃料喷嘴12包括延伸通过燃料导管42、通过多个冲击冷却孔口150、通过间隙164、通过腔室48并且进入燃料入口142的燃料流动路径68。燃料沿轴向方向66流过燃料导管42朝向下游壁部49。燃料的温度范围可为从大约-20℃至500℃、15℃至200℃、21℃至100℃或26℃至38℃。当燃料接近下游壁部49时，燃料的一部分沿大体径向方向166在第一隔板152与第二隔板154之间流动，其中燃料引导通过间隙164和多个冲击冷却孔口150两者。冲击冷却孔口150的尺寸的范围可为从大约0.5至3.85mm、0.7至3.1mm或1.0至1.6mm。间隙164的尺寸的范围可为从大约0.0至0.5mm、0.02至0.12mm或0.05至0.08mm。沿轴向方向168和66(如由箭头170和172所指示地)流过间隙164的燃料，对流地冷却多个管52和/或下游壁部49。沿轴向方向66流过多个冲击孔口150的燃料，如箭头174所示，冲击冷却下游壁部49。引导通过在第二出口162与管52之间的间隙164的燃料和引导通过冲击孔口150的燃料，如箭头176所指示地，然后沿径向方向166移动远离燃料喷嘴12的轴线156朝向壁部136，从而在转向轴向方向168朝管52的燃料入口142之前对流地冷却下游壁部49。燃料进入管52的燃料入口142，如箭头178所指示地，其中各管52将空气与来自燃料入口142的燃料混合并且将空气-燃料混合物148经由空气-燃料混合物出口146注入燃烧区50。
随着在温度方面条件的增加，管52热膨胀，从而减少间隙164的尺寸，增加在隔板152与154内的压力，并且引导更多的燃料通过冲击冷却孔口150用于冲击冷却下游壁部49。如上所述，在某些实施例中，在第一隔板152的第一开口160与管52之间的间隙164可稍微大于在第二隔板154的第二出口162与管52之间的间隙164，以便维持充足的压力以导致下游壁部49的冲击冷却。然而，在其他实施例中，在第一和第二开口160和162与管52之间的间隙164的尺寸可相同。在冷态中，在冲击冷却孔口150、第一开口160与管52之间的间隙164、第二开口162与管52之间的间隙164之间的燃料分流可为相应地大约40%、30%与30%(例如，4：3：3)。在热态中，燃料分流可为相应地60%、20%与20%(例如，3：1：1)。在某些实施例中，在冲击冷却孔口150与各种间隙164之间的燃料分流可基于间隙尺寸、冲击冷却孔口150的数量、冲击冷却孔口150的尺寸、操作温度和/或其他因素而改变。这些冷却特征允许燃料喷嘴12使用燃料以冷却这些构件而无需诸如空气或水的不必要的流动流。另外，这些冷却特征增加了燃料喷嘴12的可操作性(例如，允许在稍微更高的燃料压力比率下的操作)和耐久性。
图6是也具有用于燃料的单一中央供给132的图2的燃料喷嘴12(例如，多-管燃料喷嘴)的实施例的局部截面侧视图。在图6中的燃料喷嘴12结构上类似于在图5中的燃料喷嘴12，除了几个例外。首先，图6中的燃料喷嘴12比在图5中的包括更少的管52(例如，预混合管)。第二，在图6中的第一隔板152沿径向方向166直接交叉地延伸至管52，而没有如图5中所示地朝向第二隔板154弯曲。换言之，所示隔板152和154彼此平行，并且平行于下游壁部49。而且，隔板152和154与下游壁部49垂直于轴线156。因此，在隔板152与154之间的间隙179和在隔板154与下游壁部49之间的间隙157沿径向方向166大体恒定。第三，在图6中的第一和第二隔板152和154之间的接合部158为直线接合部。如图所示，接合部158大体平行于轴线156和壁部136。图6的燃料喷嘴12与它的冷却特征起着图5中所示的作用。
图7为具有用于燃料的多个供给188和190的图2的燃料喷嘴12(例如，多-管燃料喷嘴)的实施例的局部截面侧视图。通常，在图7中的燃料喷嘴结构上类似于上文的燃料喷嘴12，除了几个例外。如图所示，相对于用于燃料132的单一供给，燃料导管42包括用于燃料的两个供给188和190。各供给188和190包括燃油出口192，其在压室198的第一端194和第二端196处接合或紧固到第一隔板152，压室198由第一和第二隔板152和154形成。多组多个管52布置在供给188与190之间。另外，在第一和第二隔板152与154之间的接合部158为直线接合部。
图7的燃料喷嘴12和它的冷却特征如在图5中所述地起作用。例如，空气(例如，压缩空气)经由空气入口144进入各管52并且沿轴向方向66沿着下游空气流路径64通过各管52。压缩空气的温度的范围可为从大约260℃至538℃、315℃至482℃或371℃至427℃。燃料喷嘴12包括燃料流动路径68，其延伸通过燃料导管42、通过多个冲击冷却孔口150、通过间隙164、通过腔室48并且进入燃料入口142。燃料沿轴向方向66流过供给188和190两者的燃料导管42并且流出燃油出口192进入压室198，如箭头200指示地。燃料的温度范围可为从大约-20℃至500℃、15℃至200℃、21℃至100℃或26℃至38℃。在压室198之内，燃料的一部分沿大体径向方向202和166相应地从供给188和190流动。而且，在压室198内，燃料被引导通过间隙164和多个冲击冷却孔口150两者。如箭头170和172所示地，沿轴线方向168和66两者流过间隙164的燃料对流地冷却多个管52和/或下游壁部49。如箭头174所指示地，沿轴向方向66流过多个冲击孔口150的燃料冲击冷却下游壁部49。引导通过在第二出口162与管52之间的间隙164的燃料和引导通过冲击孔口150的燃料，如箭头176和204指示地，然后沿径向方向166和202朝向壁部136移动，从而在转向轴向方向168朝向管52的燃料入口142之前对流地冷却下游壁部49。燃料进入管52的燃料入口142，如箭头178所指示地，其中各管52将空气与来自燃料入口142的燃料混合并且将空气-燃料混合物148经由空气-燃料混合物出口146注入燃烧区50。这些冷却特征允许燃料喷嘴12使用燃料以冷却这些构件，而无需诸如空气或水的不必要的流动流。另外，这些冷却特征增加了燃料喷嘴12的可操作性(例如，允许在稍微更高的燃料压力比率下的操作)和耐久性。
图8是具有用于燃料的外部供给214的图2的燃料喷嘴12的实施例的局部截面侧视图。通常，在图7中的燃料喷嘴结构上类似于以上的燃料喷嘴12，除了几个例外。燃料喷嘴12包括外护罩216(例如，饼形或环状护罩)。如图所示，相对于用于燃料的一个或多个内部供给，燃料导管42包括用于燃料的至少一个单一外部供给214。另外，第一隔板152不是机械联接至第二隔板154(例如，冲击冷却板159)。第一隔板152的第一部分218，不含孔，沿轴向方向66从相邻的外部供给214朝向多个管52的下游部140延伸，并且第二部分220交叉地延伸至管52。第二隔板154布置在第一隔板152与下游壁部49之间，并且交叉地延伸至在燃料喷嘴12的壁部136之间的管52。另外，各管52由套筒222(例如，环形套筒)环绕，其在第一隔板152与第二隔板154之间延伸。特别地，间隙164在套筒222与相应的管52之间延伸以限定第一和第二开口160和162。
图8的燃料喷嘴12和它的冷却特征类似于以上在图5中所述的实施例那样起作用。例如，空气(例如，压缩空气)经由空气入口144进入各管52并且沿着下游的空气流路径64沿轴向方向66通过各管52。压缩空气的温度范围可为从大约260℃至538℃、315℃至482℃或371至427℃。燃料喷嘴12包括燃料流动路径68，其延伸通过燃料导管42、通过多个冲击冷却孔口150、通过间隙164、通过腔室48并且进入燃料入口142。燃料经由外部供给214进入燃料喷嘴12并且沿轴向方向66流过燃料导管42朝向第二隔板154(例如，冲击冷却板159)。燃料的温度范围可为从大约-20℃至500℃、15℃至200℃、21℃至100℃或26℃至38℃。随着燃料行进过第一隔板152的第一部分218，燃料的一部分沿大体径向方向202在第一和第二隔板152和154之间流动，如箭头223所指示地，其中燃料引导通过多个冲击冷却孔口150进入在第二隔板154与下游壁部49之间的间隙157。如箭头174所指示地，沿轴向方向66流过多个冲击孔口150的燃料流冲击冷却下游壁部49。在间隙157内的燃料进入在套筒222与管52之间的间隙164，如箭头224所指示地，并且如箭头170所指示地沿轴向方向168流动。流过间隙164的燃料对流地冷却多个管52。引导通过间隙164的燃料然后朝向管52的燃料入口142移动并且进入管52的燃料入口142，如箭头178所指示地，其中各管52将空气与来自燃料入口142的燃料混合并且将空气-燃料混合物148经由空气-燃料混合物出口146注入燃烧区50。这些冷却特征允许燃料喷嘴12使用燃料以冷却这些构件，而无需诸如空气或水的不必要的流动流。另外，这些冷却特征增加了燃料喷嘴12的可操作性(例如，允许在稍微更高的燃料压力比率下的操作)和耐久性。
本公开的实施例的技术效果包括使用燃料作为冷却剂以冷却燃料喷嘴12(例如，多-管燃料喷嘴)的构件的系统。本文中公开的实施例包括燃料喷嘴主体45(例如，燃料喷嘴头)的下游壁部49和/或燃料喷嘴12的多个管52(例如，预混合管)的分别用于冲击冷却和对流冷却的诸如冲击孔口150和间隙164的冷却特征。这些冷却特征允许燃料喷嘴12使用燃料以冷却这些构件而无需诸如空气或水的不必要的流动流。另外，这些冷却特征增加了燃料喷嘴12的可操作性(例如，允许在稍微更高的燃料压力比率下的操作)和耐久性。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够使用本发明，包括制备和使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其他示例。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，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种涡轮系统，包括：
多-管燃料喷嘴，包括：
燃料喷嘴头，其包括环绕腔室的外壁，其中，所述外壁包括构造成面对燃烧区的下游壁部；
多个管，其延伸通过所述腔室到所述下游壁部，其中，所述多个管中的各管包括上游部、下游部和布置在所述上游部的至少一个燃料入口，其中，各管构造成接收空气并且将所述空气与来自所述至少一个燃料入口的燃料混合；以及
燃料导管，其延伸通过所述腔室交叉于所述多个管并且围绕所述多个管，其中，所述燃料导管包括多个冲击冷却孔口，其中，燃料流动路径延伸通过所述燃料导管、通过所述冲击冷却孔口、通过所述腔室并且进入各管的所述至少一个燃料入口。
2.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述多个冲击冷却孔口构造成引导燃料以冲击冷却所述下游壁部。
3.根据权利要求2所述的涡轮系统，其特征在于，燃料导管包括彼此间隔开的第一隔板和第二隔板，所述第二隔板布置在所述第一隔板与所述下游壁部之间，所述第二隔板包括所述多个冲击冷却孔口，并且所述多个管延伸通过所述第一隔板和第二隔板。
4.根据权利要求3所述的涡轮系统，其特征在于，所述多个管中的各管延伸通过在所述第一隔板中的第一开口和在所述第二隔板中的第二开口，并且所述第一开口和第二开口尺寸超过该管，以限定在所述第一隔板和第二隔板与该管之间的相应的间隙。
5.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述多个管的各管延伸通过在所述燃料导管中的至少一个开口，所述至少一个开口尺寸超过该管，以限定在所述燃料导管与该管之间的间隙，并且各间隙构造成引导燃料以对流地冷却该管或所述下游壁部。
6.根据权利要求5所述的涡轮系统，其特征在于，各间隙构造成响应于该管的热膨胀而收缩以增加通过所述多个冲击冷却孔口的燃料流。
7.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述燃料导管包括构造成相对于所述多个管浮置的至少一个浮置隔板。
8.根据权利要求7所述的涡轮系统，其特征在于，所述至少一个浮置隔板包括具有所述多个冲击冷却孔口的冲击冷却板。
9.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述系统包括具有所述多-管燃料喷嘴的涡轮燃烧器或燃气涡轮发动机。
10.一种涡轮系统，包括：
涡轮燃烧器，包括：
多-管燃料喷嘴，其联接到所述涡轮燃烧器，其中，所述多-管燃料喷嘴包括：
燃料喷嘴主体，其包括环绕腔室的外壁；
多个管，其延伸通过所述腔室，其中，所述多个管中的各管包括空气入口、燃料入口和空气-燃料混合物出口；以及
交叉地延伸至所述多个管的至少一个隔板，其中，所述至少一个隔板包括多个冲击冷却孔口，其构造成引导燃料以冲击冷却所述多-管燃料喷嘴，其中，所述隔板包括多个开口，所述多个管中的各管延伸通过所述多个开口中的一个，且所述多个开口中的各开口尺寸超过相应的所述管，以限定间隙。
11.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，所述多个冲击冷却孔口构造成引导所述燃料以冲击冷却所述外壁或所述多个管。
12.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，所述至少一个隔板是构造成相对于所述多个管浮置的浮置隔板。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，各间隙构造成引导所述燃料以对流地冷却所述相应的管或所述外壁。
14.根据权利要求13所述的涡轮系统，其特征在于，各间隙构造成响应于所述相应的管的热膨胀收缩以增加通过所述多个冲击冷却孔口的燃料流。
15.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，燃料流动路径延伸通过所述冲击冷却孔口、通过所述腔室以及进入各管的所述燃料入口。
16.一种涡轮系统，包括：
多-管燃料喷嘴，包括：
燃料喷嘴主体，其包括环绕腔室的外壁；
多个管，其延伸通过所述腔室从所述外壁的第一壁部到第二壁部，其中，所述多个管中的各管包括空气入口、燃料入口以及空气-燃料混合物出口；以及
燃料导管，其延伸通过所述腔室交叉于所述多个管并且围绕所述多个管，其中，所述燃料导管包括多个冲击冷却孔口，其构造成引导燃料以冲击冷却所述外壁，以及所述燃料导管包括多个开口，其构造成引导所述燃料以对流地冷却所述多个管以及所述外壁。
17.根据权利要求16所述的涡轮系统，其特征在于，燃料导管包括彼此间隔开的第一隔板和第二隔板，所述第一隔板和第二隔板中的至少一个包括所述多个冲击冷却孔口，所述多个管中的各管延伸通过在所述第一隔板中的第一开口和在所述第二隔板中的第二开口，以及所述第一开口和第二开口尺寸超过该管，以限定在所述第一隔板和第二隔板与该管之间的相应的间隙。
18.根据权利要求17所述的涡轮系统，其特征在于，各间隙构造成响应于该管的热膨胀而收缩以增加通过所述多个冲击冷却孔口的燃料流。
19.根据权利要求16所述的涡轮系统，其特征在于，燃料流动路径延伸通过所述开口和所述冲击冷却孔口、通过所述腔室以及进入各管的燃料入口。
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