CN103032899A - 用于燃料喷嘴中的燃料喷射的系统 - Google Patents

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CN103032899A CN2012103669545A CN201210366954A CN103032899A CN 103032899 A CN103032899 A CN 103032899A CN 2012103669545 A CN2012103669545 A CN 2012103669545A CN 201210366954 A CN201210366954 A CN 201210366954A CN 103032899 A CN103032899 A CN 103032899A
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Abstract

本发明涉及用于燃料喷嘴中的燃料喷射的系统。一种系统包括燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括毂部、围绕毂部设置的护罩、毂部与护罩之间的空气流路径、设置在毂部上的多个第一燃料出口以及在多个第一燃料出口下游设置在空气流路径中的多个旋流导叶。

Description

用于燃料喷嘴中的燃料喷射的系统
技术领域
本文公开的主题涉及带有改进的燃料喷射设计的燃料喷嘴。
背景技术
燃气涡轮发动机燃烧燃料与空气的混合物而产生热燃烧气体，热燃烧气体继而驱动一个或更多涡轮。特定而言，热燃烧气体迫使涡轮叶片旋转，由此驱动轴而使一个或更多负载(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到燃烧器中。如所了解的，燃料空气混合物显著地影响发动机性能、燃料消耗和排放。特定而言，燃料与空气的不均匀混合可增加排放，例如氮氧化物(NOx)。而且，在一些燃料喷嘴中，燃料可经由位于导叶上的燃料出口喷射，导叶设置在燃料喷嘴内。然而，导叶上用于燃料喷射的有限空间可引起不良的火焰稳定裕度和燃料分布。
发明内容
下面概括在范围上与原始要求保护的发明相称的某些实施例。这些实施例并不意图限制要求保护的发明的范围，而是，这些实施例仅仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可涵盖可与以下阐述的实施例类似或不同的各种形式。
根据第一实施例，一种系统包括燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括毂部、围绕毂部设置的护罩、毂部与护罩之间的空气流路径、设置在毂部上的多个第一燃料出口、以及在多个第一燃料出口下游设置在空气流路径中的多个旋流导叶(swirl vane)。
根据第二实施例，一种系统包括燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括毂部、围绕毂部设置的护罩、毂部与护罩之间的空气流路径、以及设置在空气流路径中的旋流机构。该燃料喷嘴还包括第一燃料路径，其通往在旋流机构上游导入空气流路径中的多个第一燃料出口。该燃料喷嘴还包括第二燃料路径，其通往导入空气流路径中的多个第二燃料出口，其中，多个第二燃料出口在多个第一燃料出口的下游，并且第一燃料路径和第二燃料路径构造成分别向多个第一和第二出口供应独立受控的燃料量。
根据第三实施例，一种系统包括燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括毂部、围绕毂部设置的护罩、毂部与护罩之间的空气流路径、沿空气流路径设置的会聚-发散几何结构、沿会聚-发散几何结构导入空气流路径中的多个第一燃料出口、以及在距会聚-发散几何结构的轴向偏离距离处导入空气流路径中的多个第二燃料出口。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中相同的符号代表相同的部分，其中：
图1是具有带有改进的燃料喷射设计的燃料喷嘴的涡轮系统的一实施例的框图；
图2是如图1中所示的燃料喷嘴的一实施例的截面侧视图，其中燃料喷嘴具有改进的燃料喷射设计(例如被动控制)；
图3是如图1中所示的燃料喷嘴的一实施例的截面侧视图，其中燃料喷嘴具有改进的燃料喷射设计(例如主动控制)；
图4是图2的燃料喷嘴的一实施例在线4-4内截取的局部截面侧视图，示出了多个燃料出口；
图5是图2的燃料喷嘴的一实施例在线4-4内截取的局部截面侧视图，示出了成角度的燃料出口；
图6是图2的燃料喷嘴的一实施例沿线6-6截取的截面图，示出了多个燃料出口；
图7是图2的燃料喷嘴的一实施例沿线6-6截取的截面图，示出了用于引发旋流的燃料喷射的多个成角度的燃料出口；以及
图8是图2的燃料喷嘴的一实施例在线4-4内截取的局部截面图，示出了带有燃料出口的会聚-平直-发散几何结构。
附图标记：
10 涡轮系统
11 旋流机构
12 燃料喷嘴
13 毂部(hub)
14 燃料供应
15 会聚-发散几何结构
16 燃烧器
17 护罩
18 涡轮
20 排气出口
22 轴
24 压缩机
26 进气口
28 负载
38 中心体部
42 轴线
46 径向间隙
48 多个导叶
50 方向
52 方向
54 周向
56 燃料通路
58 控制器
60 阀
62 燃料供应
64 公共燃料通路
66 多个第一燃料出口
68 多个第二燃料出口
70 箭头
72 箭头
74 空气流路径
76 会聚部分
77 轴向
78 发散方向
79 轴向偏离距离
80 第一组燃料出口
82 第二组燃料出口
84 箭头
86 第一混合区域
88 燃料-空气混合物
90 第二混合区域
92 燃料-空气混合物
94 出口
96 箭头
98 直径
110 燃料通路
111 燃料路径
112 燃料通路
113 燃料路径
114 阀
116 阀
118 燃料供应
120 燃料供应
122 燃料分割控制装置
124 第一组第一燃料出口
126 第二组第一燃料出口
128 第三组第一燃料出口
130 角度
132 上游方向
134 会聚-发散几何结构
136 箭头
138 箭头
140 箭头
150 直径
160 角度
162 箭头
172 箭头。
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或更多具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能未描述实际实施方案的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多针对实施方案的决定以实现开发者的具体目标，例如服从可能因实施方案而异的系统相关和商业相关的约束。此外，应当理解，此类开发努力可能是复杂和耗时的，但对受益于本公开的技术人员来说无非是设计、制作和制造的日常工作。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意指存在一个或更多该元件。用语“包含”、“包括”和“具有”意图是包括性的并意味着可存在除所列元件之外的额外元件。
本公开致力于用于改善燃料(例如液体和/或气体)到燃料喷嘴中的喷射的系统，由此增强燃料沃泊能力(wobbe capability)(即所使用燃料的可互换性)、火焰稳定裕度(flame holding margin)(即降低火焰稳定的可能性)、燃料的预混(例如预混燃料和空气)以及对燃料-空气轮廓的控制。特定而言，本公开的实施例包括分布式燃料喷射回路，其实现燃料(例如液体和/或气体)经由在位于导叶(例如旋流导叶)上的燃料出口上游设置在毂部或护罩上的燃料出口的喷射，导叶在毂部与护罩之间延伸。在某些实施例中，燃料喷嘴包括公共燃料通路，其在导叶上游的燃料出口与导叶上的燃料出口之间分割燃料流，从而在相应的燃料出口之间实现被动燃料控制。在其它实施例中，燃料喷嘴包括单独的燃料通路，其使燃料能够独立地流到导叶上游的燃料出口和导叶上的燃料出口，从而实现通往相应燃料出口的主动燃料控制(例如经由控制器)。导叶上游的燃料出口可位于毂部的会聚-发散几何结构上。另外，导叶上游的燃料出口可沿下游方向以一角度(例如相对于燃料喷嘴的轴线小于90度)且/或围绕燃料喷嘴的轴线周向地定向，以引发围绕轴线的旋流。此外，导叶上游的燃料出口可围绕毂部周向地间隔开且/或包括相对于燃料喷嘴的轴线彼此轴向偏离的多组燃料出口。通过在所公开的实施例中利用分布式燃料喷射回路，燃料可经由导叶上游的毂部和/或护罩喷射，以增强燃料沃泊能力、火焰稳定裕度、燃料的预混以及对燃料-空气轮廓的控制，同时减少排放。
现在转到附图并首先参照图1，示出了涡轮系统10的一实施例的框图。如下面详细描述的，所公开的涡轮系统10(例如燃气涡轮发动机)可采用带有改进的燃料喷射设计的一个或更多燃料喷嘴12(例如涡轮燃料喷嘴)，以增强燃料沃泊能力、火焰稳定裕度、燃料的预混以及对燃料-空气轮廓的控制，同时减少涡轮系统10中的排放(例如NOx)。例如，各个燃料喷嘴12可包括构造成增强燃料沃泊能力、火焰稳定裕度、燃料与空气的预混以及对燃料喷嘴12中的燃料-空气轮廓的控制的分布式燃料喷射回路。涡轮系统10可使用液体和/或气体燃料(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，一个或更多燃料喷嘴12吸入燃料供应14(例如液体和/或气体燃料)，将燃料与空气混合，并以对于最佳燃烧、排放、燃料消耗和功率输出而言合适的比值将空气-燃料混合物分配到燃烧器16中。特定而言，分布式燃料喷射回路可向设置在旋流机构11的区域中(例如旋流导叶上)的燃料出口和旋流机构11上游的燃料出口提供燃料。例如，旋流机构11上游的燃料出口可设置在燃料喷嘴12的毂部13(例如会聚-发散几何结构15上)和/或护罩17上。涡轮系统10可包括位于一个或更多燃烧器16内部的一个或更多燃料喷嘴12。空气-燃料混合物在燃烧器16内的腔室中燃烧，由此形成热的加压排气。燃烧器16引导排气通过涡轮18朝向排气出口20。当排气经过涡轮18时，气体迫使涡轮叶片使轴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，包括压缩机24。压缩机24还包括联接到轴22的叶片。当轴22旋转时，压缩机24内的叶片也旋转，由此压缩来自进气口26的空气通过压缩机24并进入燃料喷嘴12和/或燃烧器16中。轴22还可连接到负载28，例如，该负载可以是车辆或静止负载，诸如动力设备中的发电机或飞行器上的推进装置。负载28可包括能够由涡轮系统10的旋转输出驱动的任何合适的装置。
图2是如图1中所示的燃料喷嘴12的一实施例的截面侧视图，其中燃料喷嘴12具有改进的燃料喷射设计，以增强燃料沃泊能力、火焰稳定裕度、燃料的预混以及对燃料-空气轮廓的控制，同时减少排放。燃料喷嘴12(例如涡轮燃料喷嘴)构造成安装在燃气涡轮发动机10的燃烧器16(例如涡轮燃烧器)中。燃料喷嘴12包括各自围绕轴线42设置的中心体部38(例如环形内体部)、旋流机构11和护罩17(例如环形外体部)。中心体部38包括设置在护罩17内并与护罩17同心的毂部13(例如环形壁)，其中护罩17和毂部13以径向间隙46彼此偏离。旋流机构11包括多个导叶48(例如旋流导叶)。导叶48在护罩17与毂部13之间沿方向50和52径向延伸，并且围绕轴线42周向地54分布。护罩17围绕毂部13和多个导叶48周向地54设置，其中导叶48在毂部13与护罩17之间延伸。燃料喷嘴12可包括任意数量的导叶48。燃料喷嘴12可包括1至20或2至10个导叶48，或其间的任意数量。中心体部38还包括燃料通路56。控制器58控制燃料经由阀60从燃料供应62到燃料喷嘴12(例如燃料通路56)的流动。
燃料通路56包括公共燃料通路64，其延伸穿过内体部38并通往设置在毂部13上的多个第一燃料出口66和设置在旋流机构11的区域中(例如多个导叶48上)的多个第二燃料出口68。如图所示，多个第一燃料出口66设置在多个第二燃料出口68的上游。公共燃料通路64如箭头70和72所示在第一燃料出口66与第二燃料出口68之间分割燃料流。公共燃料通路64中的全部燃料的大约30%或更少可被转移到第一燃料出口66。例如，公共燃料通路64中的全部燃料的大约5%、10%、15%、20%、25%或30%或者其间的任意其它数量可被转移到第一燃料出口66。公共燃料通路64实现对燃料经由燃料出口66和68的喷射的被动控制。第一燃料出口66在旋流机构11(例如导叶48)的上游设置在毂部13上。特定而言，第一燃料出口66沿空气流路径74设置在毂部13的会聚-发散几何结构15上。会聚-发散几何结构15包括沿轴向77朝护罩17逐渐会聚的会聚部分76和沿轴向77离开护罩17逐渐发散的发散部分78。发散部分78沿轴向77设置在会聚部分76的下游。在某些实施例中，第一燃料出口66可在旋流机构11的上游设置在毂部13的另一部分上(例如在会聚-发散几何结构15附近)。多个第二燃料出口68设置在会聚-发散几何结构15下游的轴向偏离距离79处。第一燃料出口66相对于燃料喷嘴12的轴线42沿径向50和52(即横向)朝外定向。在一些实施例中，第一燃料出口66还可分布在旋流机构11上游的护罩17上(参看图3)。图示的燃料出口66可各自代表围绕毂部13周向地54设置的一个或更多燃料出口66(参看图6和图7)。
如上所述，多个第二燃料出口68设置在旋流机构11的区域中(例如多个导叶48上)。各个导叶48包括一个或更多燃料出口68。另外，各个导叶48可包括在轴向(即下游)方向77上沿着燃料喷嘴12的轴线42彼此轴向偏离的第一组80燃料出口68和第二组82燃料出口68。各个导叶48上的燃料出口68的数量可在从1至50、1至10、4至20或4至10的范围内，或者任意其它数量。例如，各个导叶48可在每一侧包括一个或更多燃料出口68(例如1至10个)。多个导叶48构造成使空气流旋流或旋转，同时将燃料与空气混合。
燃料如箭头84所示流入公共燃料通路64中。公共燃料通路64将燃料流分割成通往多个第一燃料出口66的第一燃料流70和通往多个第二燃料出口68的第二燃料流72。例如，燃料(例如气体燃料)沿轴向77流经燃料通路64，直到燃料的一部分沿径向50和52离开第一燃料出口66进入第一混合区域86中。特定而言，燃料与燃料喷嘴12的轴线42交叉地离开设置在毂部13上的燃料出口66。如图所示，燃料喷嘴12在毂部13与护罩17之间包括大体由箭头74示出的空气流路径(例如环形流动路径)。空气沿轴向77流入第一混合区域86中。在第一混合区域86中，来自燃料出口66的燃料与空气相互作用。燃料-空气混合物88朝设置在空气流路径74中的旋流机构11(例如叶片48)流向下游。燃料的另一部分离开第二燃料出口68进入第二混合区域90中。燃料-空气混合物88经空气流路径74流入包围各个导叶48的第二混合区域90中。在各个导叶48的混合区域90中，来自燃料出口68的燃料与燃料-空气混合物88相互作用而形成燃料-空气混合物92。燃料-空气混合物92由导叶48产生旋流，以帮助燃料与空气的混合用于适当燃烧，并大体如箭头96所示朝燃料喷嘴12的出口94流向下游。
旋流机构11上游的燃料喷射增强了导叶48周围的火焰稳定裕度(例如降低火焰稳定的可能性)。特定而言，为了上游喷射而转移一部分燃料实现了导叶48上的燃料出口68的直径98的减小，从而增强了火焰稳定裕度。例如，燃料出口68的直径98相对于典型燃料出口68的减小可在从大约1%至99%、10%至90%、20%至80%、30%至70%或40%至60%以及其间的所有子范围的范围内。燃料出口68的直径98的减小可为大约5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%，或任意其它数量。
除了降低火焰稳定的可能性之外，改进的燃料喷射设计增强了减少排放的预混效率。另外，改进的燃料喷射设计提供了来自周向54以及径向50和52两者的燃料喷射，以提供对燃料喷嘴12的整体燃料-空气轮廓的更好控制，并因此提高燃料喷嘴12的动态性能和操作性能。此外，改进的燃料喷射设计增强了燃料喷嘴12的沃泊能力和燃料适应性。
如上所述，燃料可从位于在旋流机构11上游的毂部13附近和/或之外的其它位置的燃料出口66喷射。另外，通往不同燃料出口66和68的燃料通路可以是分开的，从而实现对燃料流的主动控制。图3是如图1中所示的燃料喷嘴12的一实施例的截面侧视图，其中燃料喷嘴12具有改进的燃料喷射设计，以增强燃料沃泊能力、火焰稳定裕度、燃料的预混以及对燃料-空气轮廓的控制，同时减少排放。除燃料喷嘴12包括在旋流机构11上游设置在护罩17上的燃料出口66以及用于燃料出口66和68的分开的燃料通路之外，图3的燃料喷嘴12与在图2中所述的一样。燃料喷嘴12的中心体部38包括燃料通路56、燃料通路110和燃料通路112。燃料通路56提供通往设置在导叶48上的燃料出口68的燃料流(例如燃料路径111)。燃料通路110和112分别提供通往设置在毂部13和护罩17上的燃料出口66的燃料流(例如燃料路径113)。燃料路径111和113构造成分别向燃料出口66和68供应独立受控的燃料量。控制器58控制燃料经由阀60、114和116从相应的燃料供应62、118和120到相应的燃料通路56、110和112的流动。来自燃料供应62、118和120的燃料(例如气体和/或液体燃料)可以相同或不同。控制器58包括构造成彼此独立地控制通往出口66和68的燃料流的燃料分割控制装置122。不同的燃料通路56、110和112与控制器58相结合实现了对经由燃料出口66和68的燃料喷射的主动控制和因此改变燃料压力和燃料压力动态的能力。例如，燃料分割控制装置122可主动调节燃料的分割(例如流入燃料通路56、110和112中的燃料的比值或者通往各组燃料出口66和68的燃料的百分比)。 
如上所述，多个第一燃料出口66设置在毂部13上(例如，沿着会聚-发散几何结构15)。各个图示的燃料出口66可代表围绕燃料喷嘴12的轴线42周向地54设置的一个或更多燃料出口66(参看图6和图7)。多个第一燃料出口66包括第一组124第一燃料出口66、第二组126第一燃料出口66和第三组128第一燃料出口66。第一组124、第二组126和第三组128燃料出口66相对于第一燃料喷嘴12的轴线42彼此轴向偏离。如图所示，各个燃料出口66导入空气流路径74中。特定而言，各个燃料出口66相对于燃料喷嘴12的轴线42以角度130定向。燃料出口66可沿着空气流路径74在上游(例如轴向)方向132(例如第三组128燃料出口66)或下游(例如轴向)方向77(例如第一组124燃料出口66)上以角度130定向。另外，燃料出口66可直接垂直(例如横向)于空气流路径74定向(例如第二组126燃料出口66)。各个燃料出口66相对于燃料喷嘴12的轴线42的角度130可在从大约0至180度、0至90度、90至180度、0至45度、45至90度、90至135度或135至180度以及其间的所有子范围的范围内。例如，角度130可为大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170或180度，或任意其它角度。在某些实施例中，各个燃料出口66沿着空气流路径74在下游方向77上以角度130定向，其中角度130相对于燃料喷嘴12的轴线42小于大约90度(参看图5)。在一些实施例中，多个第一出口66的各个燃料出口66围绕燃料喷嘴12的轴线42以一角度周向地定向，以导致喷射的燃料围绕轴线42产生旋流，其中该角度相对于轴线42小于90度(参看图7)。
如图所示，燃料喷嘴12还包括设置在护罩17上的多个第一出口66。第一出口66沿着会聚-发散几何结构134定位。会聚-发散几何结构134类似于会聚-发散几何结构15。在某些实施例中，第一出口66可在旋流机构11(例如导叶48)的上游设置在护罩17的不同于会聚-发散几何结构134的部分上。设置在护罩17上的第一出口66类似于设置在毂部13上的第一出口66。护罩17(和会聚-发散几何结构134)上的多个第一出口66可直接设置在毂部13(和会聚-发散几何结构15)上的多个第一出口66对面。在某些实施例中，护罩17上的多个第一出口66可沿着燃料喷嘴12的轴线42与毂部13上的多个燃料出口66轴向偏离。
燃料流入燃料路径113中，燃料路径113通往在旋流机构11上游导入空气流路径74中的多个第一燃料出口66。特定而言，燃料如箭头136和138所示分别流入燃料通路110和112中。例如，燃料(例如液体和/或气体燃料)沿轴向54流经燃料通路110并沿径向50和52离开第一燃料出口66进入第一混合区域86中。而且，燃料(例如液体和/或气体燃料)流经燃料通路112并沿径向50和52离开第一燃料出口66进入第一混合区域中。特定而言，燃料与燃料喷嘴12的轴线42交叉地离开设置在毂部13和护罩17上的燃料出口66。例如，设置在毂部13和护罩17上的燃料出口66彼此交叉(例如分别沿向外50和向内52径向)且与轴线42交叉而定向。如图所示，燃料喷嘴12在毂部13与护罩17之间包括大体由箭头74示出的空气流路径(例如环形流动路径)。空气沿轴向54流入第一混合区域86中。在第一混合区域86中，来自燃料出口66的燃料与空气相互作用。燃料-空气混合物88朝设置在空气流路径74中的旋流机构11(例如叶片48)流向下游。
如上所述，多个第二燃料出口68设置在旋流机构11的区域中(例如旋流导叶48上)。燃料流入燃料路径111中，燃料路径111通往导入空气流路径74中的多个第二燃料出口68。特定而言，燃料如箭头140所示流入燃料通路56中，并如箭头72所示流到导叶48上的燃料出口68。燃料离开第二燃料出口68进入第二混合区域90中。燃料-空气混合物88经空气流路径74流入包围各个导叶48的第二混合区域90中。在各个导叶48的混合区域90中，来自燃料出口68的燃料与燃料-空气混合物88相互作用而形成燃料-空气混合物90。燃料-空气混合物90由导叶48产生旋流，以帮助燃料与空气的混合用于适当燃烧，并如箭头96大体所示朝燃料喷嘴12的出口94流向下游。
燃料在旋流机构11上游的喷射提高了导叶48周围的火焰稳定裕度。特定而言，为了上游喷射而转移一部分燃料实现了导叶48上的燃料出口68的直径98的减小，从而增强了火焰稳定裕度。例如，燃料出口68的直径98相对于典型燃料出口68的减小可在从大约1%至99%、10%至90%、20%至80%、30%至70%或40%至60%以及其间的所有子范围的范围内。燃料出口68的直径98的减小可为大约5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%，或任意其它数量。
除了降低火焰稳定的可能性外，改进的燃料喷射设计提高了减少排放的预混效率。另外，改进的燃料喷射设计提供了来自周向54以及径向50和52两者的燃料喷射，以提供对燃料喷嘴12的整体燃料-空气轮廓的更好控制，并因此改善燃料喷嘴12的动态性能和操作性能。特定而言，改进的燃料喷射设计实现了燃料与空气的分级混合。此外，改进的燃料喷射设计增强了燃料喷嘴12的沃泊能力和燃料适应性。特定而言，多个燃料通路56、111和113使燃料喷嘴12能够采用不同燃料(例如液体和/或气体燃料)。
图4-图7示出燃料出口66在旋流机构11上游的布置的各种实施例。燃料出口66在旋流机构11上游的布置增强了燃料沃泊能力、火焰稳定裕度、燃料的预混以及对燃料-空气轮廓的控制，同时减少了涡轮系统10中的排放(例如NOx)。图4是图2的燃料喷嘴12的一实施例在线4-4内截取的局部截面侧视图，示出了多个燃料出口66。如图所示，毂部13的会聚-发散几何结构15包括多个第一燃料出口66。会聚-发散几何结构15与在图2中所述的一样。各个图示的燃料出口66可代表围绕燃料喷嘴12的轴线42周向地54设置的一个或更多燃料出口66(参看图6和图7)。多个第一燃料出口66包括第一组124第一燃料出口66、第二组126第一燃料出口66和第三组128第一燃料出口66。第一组124、第二组126和第三组128燃料出口66相对于第一燃料喷嘴12的轴线42彼此轴向偏离。
如图所示，各个燃料出口66导入空气流路径74中。特定而言，各个燃料出口66相对于燃料喷嘴12的轴线42以角度130定向。具体而言，图示的燃料出口66直接沿径向50垂直(例如横向)于空气流路径74而定向，其中各个燃料出口66包括相对于燃料喷嘴12的轴线42成90度的角度130。因此，燃料如箭头148所示与空气流路径74交叉地沿径向50离开燃料出口。备选地，燃料出口66可沿空气流路径74在上游(例如轴向)方向132(例如第三组128燃料出口66)或下游(例如轴向)方向77(例如第一组124燃料出口66)以角度130定向(参看图3)。如上所述，各个燃料出口66相对于燃料喷嘴12的轴线42的角度130可在从大约0至180度、0至90度、90至180度、0至45度、45至90度、90至135度或135至180度以及其间的所有子范围的范围内。例如，角度130可为大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170或180度，或任意其它角度。
另外，各个燃料出口66可包括直径150。各个燃料出口66的直径150可在从大约0.5至1.8mm、0.75至1.55mm、1至1.3mm、0.5至1.0mm、1至1.8mm、1.3至1.8mm以及其间的所有子范围的范围内。例如，各个燃料出口66的直径150可为大约0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm或1.8mm，或其间的任意其它数量。各个燃料出口66在不同轴向位置的直径150可相同或不同。燃料出口66之间的直径150的差异可相对于彼此相差大约10%至200%。例如，燃料出口66的直径150可相差大约10%至100%、10%至50%、50%至100%、100%至200%、100%至150%、150%至200%以及其间的所有子范围。例如，燃料出口66之间的直径150可相差大约10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%、120%、130%、140%、150%、160%、170%、180%、190%或200%，或其间的任意其它数量。
图5是图2的燃料喷嘴12的一实施例在线4-4内截取的局部截面侧视图，其示出成角度的燃料出口66。如图所示，毂部13的会聚-发散几何结构15包括多个第一燃料出口66。会聚-发散几何结构15与在图2中所述的一样。各个图示的燃料出口66可代表围绕燃料喷嘴12的轴线42周向地54设置的一个或更多燃料出口66(参看图6和图7)。如图所示，燃料出口66导入空气流路径74中。特定而言，各个燃料出口66沿着空气流路径74在下游方向77上以角度130定向，其中角度130相对于燃料喷嘴12的轴线42小于大约90度。使下游的燃料喷射成角度实现了燃料和空气的预混而不妨碍通过空气流路径74的流动。
图6是图2的燃料喷嘴12的一实施例沿线6-6截取的截面图，其示出多个燃料出口66。燃料喷嘴12包括毂部13、护罩17以及围绕轴线42设置的多个第一燃料出口66。如图所示，燃料出口66围绕燃料喷嘴12的轴线42周向地54设置。特定而言，设置在毂部13上的燃料出口66导入空气流路径74中并与轴线42交叉地定向。各个燃料出口66围绕轴线42周向地以角度160定向(例如相对于切线(用虚线示出))。各个燃料出口66周向地围绕燃料喷嘴12的轴线42的角度160可在从大约0至180度、0至90度、90至180度、0至45度、45至90度、90至135度或135至180度以及其间的所有子范围的范围内。例如，角度160可为大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170或180度，或任意其它角度。如图所示，各个燃料出口66包括大约90度的角度160。各个燃料出口66构造成如箭头162所示将燃料径向地50和52喷射到空气流路径74中，以使燃料与沿轴向77流动的空气混合。
图7是图2的燃料喷嘴12的一实施例沿线6-6截取的截面图，其示出用于引发旋流的燃料喷射的多个成角度的燃料出口66。除了燃料出口66成角度以引发旋流外，燃料喷嘴12与在图6中所述的一样。特定而言，各个燃料出口66围绕燃料喷嘴12的轴线42以角度160周向地定向(例如相对于切线(用虚线示出))。如图所示，角度160相对于轴线42小于大约90度。角度160可在从大约20至70度、30至60度、40至50度以及其间的所有子范围的范围内。例如，角度160可为大约10、15、20、25、30、40、45、40、45、50、55、60、65、70、75、80或85度，或任意其它角度。成角度的燃料出口66构造成导致喷射的燃料如箭头172所示围绕轴线周向地54产生旋流。旋流的引发可提高燃料与空气之间的预混效率。
除上述的会聚-发散几何结构15之外，一个或更多燃料出口66可在旋流机构11上游设置在毂部13的不同几何结构上。图8是图2的燃料喷嘴12的一实施例在线4-4内截取的局部截面图，其示出带有燃料出口66的会聚-平直-发散几何结构182。会聚-平直-发散几何结构182包括沿轴向77朝毂部13逐渐会聚的会聚部分76、相对于毂部13保持不变的平直部分184以及沿轴向77离开毂部13逐渐发散的发散部分78。发散部分78沿轴向77设置在会聚部分76和平直部分184的下游。平直部分184沿轴向77设置在会聚部分76的下游。燃料出口66可代表围绕毂部13周向地设置的一个或更多燃料出口66。在某些实施例中，几何结构184可包括相对于燃料喷嘴12的轴线42彼此轴向偏离的多组燃料出口66。燃料出口66可设置在会聚部分76、平直部分184和/或发散部分78上。在某些实施例中，燃料出口66可如上所述成角度。带有燃料出口56的毂部13的几何结构15和184仅为各种几何结构的示例。在某些实施例中，带有燃料出口66的毂部13的几何结构的布置和形状可不同于几何结构15和184。
所公开实施例的技术效果包括提供了用于改进燃料向燃料喷嘴12中的喷射的系统。位于旋流机构11(例如导叶48)的区域中的燃料喷射上游的燃料出口66实现了与空气流交叉的燃料的毂部13和护罩17喷射。燃料可被分配到这些燃料出口66之间，用于成各种角度(例如0至90度)的错流喷射。改进的设计增强了燃料沃泊能力、火焰稳定裕度、燃料的预混以及对燃料-空气轮廓的控制，同时减少了涡轮系统10中的排放(例如NOx)。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可专利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示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同结构元件，则此类其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括：
      毂部；
      围绕所述毂部设置的护罩；
      所述毂部与所述护罩之间的空气流路径；
      设置在所述毂部上的多个第一燃料出口；以及
      在所述多个第一燃料出口下游设置在所述空气流路径中的多个旋流导叶。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料喷嘴是构造成安装在燃气涡轮发动机的涡轮燃烧器中的涡轮燃料喷嘴。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有所述涡轮燃料喷嘴的涡轮燃烧器或燃气涡轮发动机。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料喷嘴包括设置在所述多个旋流导叶上的多个第二燃料出口。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述燃料喷嘴包括公共燃料通路，其将燃料流分割成通往所述多个第一燃料出口的第一燃料流和通往所述多个第二燃料出口的第二燃料流。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述燃料喷嘴包括用以向所述多个第一燃料出口提供第一燃料流的第一燃料通路、用以向所述多个第二燃料出口提供第二燃料流的第二燃料通路、以及构造成彼此独立地控制所述第一燃料流和所述第二燃料流的控制器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料喷嘴包括沿着所述空气流路径的会聚-发散几何结构，并且所述多个第一燃料出口沿着所述会聚-发散几何结构设置。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个第一燃料出口中的每个燃料出口沿着从所述燃料喷嘴的轴线径向向外的方向定向。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个第一燃料出口中的每个燃料出口沿着所述空气流路径在下游方向上以一角度定向，并且所述角度相对于所述燃料喷嘴的轴线小于大约90度。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个第一燃料出口中的每个燃料出口围绕所述燃料喷嘴的轴线以一角度周向地定向，以导致喷射的燃料围绕所述轴线产生旋流，并且所述角度相对于所述轴线小于大约90度。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个第一燃料出口围绕所述毂部周向地间隔开。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个第一燃料出口包括在所述多个旋流导叶的上游设置在所述毂部上的第一组第一燃料出口和第二组第一燃料出口，并且所述第一组和第二组第一燃料出口相对于所述燃料喷嘴的轴线彼此轴向偏离。
13.一种系统，包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括：
      毂部；
      围绕所述毂部设置的护罩；
      所述毂部与所述护罩之间的空气流路径；
      设置在所述空气流路径中的旋流机构；
      第一燃料路径，其通往在所述旋流机构上游导入所述空气流路径中的多个第一燃料出口； 
      第二燃料路径，其通往导入所述空气流路径中的多个第二燃料出口，其中，所述多个第二燃料出口在所述多个第一燃料出口的下游，并且所述第一燃料路径和所述第二燃料路径构造成分别向所述多个第一燃料出口和第二燃料出口供应独立受控的燃料量。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述多个第一燃料出口设置在所述毂部或所述护罩上，并且所述多个第二燃料出口设置在所述旋流机构的区域中。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多个第一燃料出口的至少一部分设置在所述毂部上，并且所述旋流机构包括多个旋流导叶。
16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述多个第一燃料出口沿着所述空气流路径设置在会聚-发散几何结构上。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有所述燃料喷嘴的涡轮燃烧器，或者所述系统包括具有所述燃料喷嘴的燃气涡轮发动机，或者所述燃料喷嘴是涡轮燃料喷嘴。
18.一种系统，包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括：
      毂部；
      围绕所述毂部设置的护罩；
      所述毂部与所述护罩之间的空气流路径；
      沿着所述空气流路径设置的会聚-发散几何结构；
      多个第一燃料出口，其沿着所述会聚-发散几何结构导入所述空气流路径中；以及
      多个第二燃料出口，其在距所述会聚-发散几何结构的轴向偏离距离处导入所述空气流路径中。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述燃料喷嘴包括旋流机构，其在所述会聚-发散几何结构下游沿着所述空气流路径设置。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述多个第二燃料出口设置在所述旋流机构的区域中，并且所述旋流机构包括多个旋流导叶。
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