CN103249931B - 一种用于气体涡轮发动机的燃料喷射器 - Google Patents

一种用于气体涡轮发动机的燃料喷射器 Download PDF

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Abstract

用于气体涡轮发动机(100)的燃料喷射器(30)包括沿着纵向轴线(88)延伸并被构造成流体联接到涡轮发动机的燃烧器(50)的喷射器壳体(48)。燃料喷射器还包括用于燃料空气混合物到燃烧器并在喷射器壳体内纵向延伸的流路(42)和用于液体燃料且环绕流路的通道(56)。通道可包括被构造成将液体燃料从通道输送到流路的多个燃料辐条(54a、54b、54c、54d、54e)。通道可从供应端(56a)延伸到与供应端重叠的终端(56b)。供应端可以是液体燃料进入通道的区域，终端可以是通道终止的区域。

Description

一种用于气体涡轮发动机的燃料喷射器
技术领域
本发明总体涉及一种用于气体涡轮发动机的燃料喷射器，并且更特别是涉及一种具有端部供应液体燃料通道的气体涡轮燃料喷射器。
背景技术
气体涡轮发动机通过从燃料在压缩空气流中燃烧产生的热气体流汲取能量来产生动力。通常，涡轮发动机具有联接到下游涡轮的上游空气压缩机，燃烧室(“燃烧器”)位于上游空气压缩机和下游涡轮之间。能量在压缩空气和燃料的混合物在燃烧器内燃烧时释放。得到的热气体在涡轮的叶片上引导，使得涡轮旋转，并产生机械动力。在典型的涡轮发动机中，一个或多个燃料喷射器将一些类型的液体或气态碳氢燃料(例如柴油燃料或天然气)引导到燃烧器中以便燃烧。这种燃料与压缩空气(来自空气压缩机)在燃料喷射器内混合，并且流到燃烧器以便燃烧。温度可以超过800℉(426.7℃)的压缩空气可围绕燃料喷射器的多个部分，并产生用于燃料喷射器的热环境氛围。燃料在燃烧器内的燃烧可导致超过2000℉(1093.3℃)的温度。燃料喷射器附近的这种高温在涡轮发动机的操作过程中增加了燃料喷射器的温度。
在燃料喷射器中，燃料管线用来将燃料引导到燃料喷射器，并且燃料通道将燃料引导经过喷嘴，该喷嘴将燃料输送到燃烧器。燃料喷射器在操作过程中的高温会导致液体燃料在这些管线和通道中形成焦炭。随着时间推移，沉积在管线和通道内的这种焦炭会导致流动限制，不利地影响气体涡轮发动机的操作。
Hernandez等人的美国专利申请公开文献US2007/0157616A1(′616公开文献)描述一种用于喷气发动机的燃料喷射器。′616公开文献的燃料喷射器包括将独立的燃料流引导经过燃料喷射器的主燃料回路和辅燃料回路。辅燃料回路包括定位在空气涡流器内并流体联接到多个孔口的环形分配腔室。主回路包括定位在辅回路的分配腔室附近的独立的分配腔室。在′616公开文献的燃料喷射器中，一个燃料回路的分配腔室内的燃料用来冷却另一燃料回路的分配腔室内的燃料。′616公开文献的燃料喷射器可适用于包括彼此邻近定位的多个燃料回路的应用。但是，在这种布置由于空间或其他限制而不可行的应用中，′616公开文献的燃料喷射器会是不适当的。例如，在单个空气涡流器内彼此邻近地定位多个分配腔室会在空间受到限制时引入设计复杂性。
发明内容
在一个方面，公开一种用于气体涡轮发动机的燃料喷射器。燃料喷射器包括沿着纵向轴线延伸并能够流体联接到所述涡轮发动机的燃烧器的喷射器壳体。燃料喷射器还包括用于燃料空气混合物到所述燃烧器并在所述喷射器壳体内纵向延伸的流路以及用于液体燃料并环绕所述流路的通道。所述通道可以包括能够将液体燃料从所述通道输送到所述流路的多个燃料辐条。所述通道可以从供应端延伸到与所述供应端重叠的终端。所述供应端可以是液体燃料进入所述通道的区域，并且所述终端可以是所述通道终止的区域。
在另一方面，公开一种操作气体涡轮发动机的方法。该方法包括将压缩空气引导经过燃料喷射器的纵向延伸的流路，并将液体燃料引导经过环绕所述流路从供应端延伸到与所述供应端重叠的终端的通道。所述供应端可以是液体燃料进入所述通道的区域，并且所述终端可以是所述通道终止的区域。该方法还包括在所述气体涡轮发动机的燃烧器内燃烧液体燃料和空气的混合物，并使用流过所述通道的液体燃料冷却所述通道的壁，使得所述终端的下游部分处的壁的温度低于所述终端的上游部分处的壁的温度。
在又一方面，公开一种气体涡轮发动机。气体涡轮发动机包括压缩机和定位在压缩机的下游的燃烧器。气体涡轮机发动机还包括流体联接压缩机和燃烧器的燃料喷射器。燃料喷射器可被构造成将燃料空气混合物经过纵向延伸通过其中的流路引导到燃烧器中。燃料喷射器可包括用于液体燃料且环绕流路的通道。该通道可从供应端延伸到与供应端重叠并定位在供应端的径向内侧的终端。供应端可以是液体燃料进入通道的区域，并且终端可以是通道终止的区域。
附图说明
图1是示例性公开的气体涡轮发动机系统的图示；
图2是图1的涡轮发动机中使用的示例性燃料喷射器的图示；
图3是图2的燃料喷射器沿着纵向平面的横截面图；
图4是图2的燃料喷射器沿着横向平面的横截面图；以及
图5是围绕图2的燃料喷射器的液体燃料通道的温度曲线。
具体实施方式
图1示出了示例性气体涡轮发动机(GTE)100。GTE100可尤其包括沿着发动机轴线98配置的压缩机系统10、燃烧器系统20、涡轮系统70以及排气系统90。压缩机系统10将空气压缩到压缩机排放压力和温度(分别为大致200psi和800℉(426.7℃))，并将压缩空气输送到燃烧器系统20的封罩72。压缩空气接着从封罩72引导到定位其中的一个或多个燃料喷射器30内。压缩空气可在燃料喷射器30内与燃料混合，并且混合物被引导到燃烧器50。燃料空气混合物在燃烧器50内点燃和燃烧，以便在高压和至少2000℉(1093.3℃)的温度下产生燃烧气体。这些燃烧气体接着被引导到涡轮系统70。涡轮系统70从这些燃烧气体汲取能量，并经由排气系统90将排气引导到大气。图1所示和以上描述的GTE100的布置只是示例性的，并且本发明的燃料喷射器30可以用于GTE100的任何构造和布置。
图2是可以联接到GTE100的燃烧器50的燃料喷射器30的实施方式的图示。燃料喷射器30从流体联接到燃烧器50的第一端44延伸到定位在封罩72内的第二端46。存储在封罩72内的压缩空气经由第二端46上的开口(图2未示出)进入燃料喷射器30。液体燃料还经由液体燃料管线38(和导引燃料供应管线34)在第二端46处引导到燃料喷射器30。这种燃料与流过燃料喷射器30的压缩空气混合，并且燃料空气混合物经由第一端44进入燃烧器50。燃料喷射器30的一些实施方式(例如图2所示的燃料喷射器30的实施方式)可以是双燃料喷射器，其被构造成选择性地输送气态燃料或液体燃料到燃烧器50。在这种双燃料喷射器中，输送到燃料喷射器30的燃料可以夹持在气态和液体燃料之间，以适用于GTE100的操作条件。例如，在具有富含天然气供应的操作地点，燃料喷射器30可以在启动过程中输送液体燃料到燃烧器50，并随后转换成输送天然气燃料，以利用当地可用的燃料供应。在双燃料喷射器中，除了输送液体燃料的燃料管线之外，一些燃料管线还输送气态燃料到燃料喷射器。例如，在图2的燃料喷射器30中，气体燃料管线36(和导引燃料供应管线34)可将气态燃料引导到燃料喷射器30。
为了减小大气污染物(例如NOx)的排放并同时保持燃烧器50内的稳定火焰，燃料喷射器30将单独燃料空气混合物流引导到燃烧器50。这些单独的流包括主燃料流和导引燃料流。主燃料流是燃料贫乏的燃料空气混合物流，导引燃料流是富含燃料的燃料空气混合物流。形成主燃料流的贫燃料空气混合物在燃烧器50内燃烧以产生低温火焰。虽然以低温火焰操作的GTE100的NOx排放可以相对低，在一些情况下低温火焰会不稳定。由富含燃料的燃料空气混合物构成的导引燃料流在较高温度下燃烧，并用来以略微增加NOx排放为代价来稳定燃烧过程。为了减小NOx排放并同时保持燃烧过程的稳定性，GTE100的控制系统(未示出)在检测到不稳定燃烧事件时启动和控制导引燃料空气混合的流动。
导引燃料空气混合物经由中央地定位在燃料喷射器30内的导引组件40被引导到燃烧器50。导引燃料供应管线34将液体和气态燃料供应到导引组件40。燃料喷射器30还包括围绕导引组件40的壳体43周向布置的管状预混筒48，以便限定围绕导引组件40的环形导管42。主燃料空气混合物经由该环形导管42引导到燃烧器50。液体燃料(以及双燃料喷射器情况下的气态燃料)和压缩空气被引导到导引组件40和环形导管42，以便分别形成导引燃料空气混合物和主燃料空气混合物。这些燃料空气混合物形成经由燃料喷射器30的第一端44引导到燃烧器50内的单独燃料空气流。
图3是沿着图2的平面3-3的燃料喷射器30的横截面图示。导引组件40包括一起协作以便将导引燃料空气混合物输送到燃烧器50的多个部件。由于燃料喷射器和导引组件的操作是本领域已知的，出于简明目的，省略了导引组件40的细节。在第二端46的近侧，环形导管42包括被构造成使得从封罩72进入环形导管42的压缩空气形成涡流的空气涡流器52。来自液体燃料管线38(见图2)的燃料被引导到围绕空气涡流器52周向布置的液体燃料通道56。多个辐条54a-54e(只有一个辐条54a可在图3中看到，辐条54a-54e在图4中示出)将液体燃料通道56内的液体燃料输送到流过空气涡流器52的压缩空气。这种燃料与形成涡流的空气流混合，以形成经由环形导管42进入燃烧器50的主燃料流。虽然图3示出了辐条54a联接到空气涡流器52，这不是必须的，并且在一些实施方式中，辐条54a-54e可以定位在空气涡流器52的上游或下游。在双燃料喷射器中，空气涡流器52还包括被构造成将气态燃料喷射到形成涡流的空气流内的多个气体孔口58。根据燃料喷射器所依赖进行操作的燃料的类型，液体燃料或气态燃料之一被输送到流过空气涡流器52的压缩空气。这种燃料(液体或气态)将与压缩空气混合以形成主燃料流。
图4是沿着图2的平面4-4的燃料喷射器30的横截面图示。为了简明，在图4的图示中，导引组件已经从燃料喷射器移除。来自液体燃料管线38的液体燃料在入口38a处引导到液体燃料通道56内。液体燃料通道56围绕燃料喷射器30卷绕，以便从入口38a延伸到末端38b。液体燃料通道56的邻近入口38a的部分称为供应端56a，并且邻近末端38b的部分称为液体燃料通道56的终端56b。液体燃料通道定位成使得末端38b延伸经过入口38a。在这种构型中，液体燃料通道56的终端56b与供应端56a重叠。重叠θ的大小会取决于应用。在一些实施方式中，重叠θ可以是零，而在其他实施方式中，重叠θ可以大于零。在一些实施方式中，重叠θ的大小可以在大约30°和40°之间，而在其他实施方式中，重叠的大小可以在大约35°和38°之间。在重叠θ大于零时，供应端56a可以与终端56b径向隔开(如图4所示)。虽然，通常，供应端56a和终端56b之间的径向间隙ra可以具有任何数值，在一些实施方式中，该径向间隙ra可以在大约0.01英寸(0.25mm)和大约0.5英寸(12.7mm)之间变化，而在其他实施方式中，该径向间隙ra可以在大约0.05英寸(1.27mm)和大约0.25英寸(6.35mm)之间。在一些实施方式中，供应端56a可以大致平行于终端56b，并且径向间隙ra可以是固定数值。在其他实施方式中，如在图4的实施方式中，供应端56a可包括大致直的区段，而终端56b可以是弯曲的。在这种实施方式中，径向间隙ra可以是可变化的。虽然在图4中，供应端56a表示成包括类似于弯曲肘部定位的两个直区段，这只是示例性的。通常，供应端56a可具有任何形状，并且可以相对于终端56b以任何方式定向。除了径向间隔开之外，在一些实施方式中，终端56b也可与供应端56a纵向隔开(将供应端56a的纵向位置与图3中的液体燃料通道56的纵向位置相比)。在一些实施方式中，液体燃料通道56可围绕燃料喷射器30卷绕多次，并且每圈可以与另一圈径向和纵向偏移，使得液体燃料通道56形成围绕空气涡流器42的螺旋路径。
辐条54a-54e将液体燃料通道56流体联接到环形导管42。这些辐条54a-54e经过空气涡流器52的叶片延伸到环形空间42内，并适用于将来自液体燃料通道56的液体燃料喷洒到流过空气涡流器52的压缩空气内。在图4的实施方式中，这些辐条54a-54e围绕燃料喷射器30对称定位。虽然在图4的实施方式中示出了五个辐条(54a-54e)，通常任何数量的辐条可以在燃料喷射器的不同实施方式中以任何方式(对称或其他方式)配置。由于每个辐条将一定量的燃料从液体燃料通道56排放到燃料喷射器30内，在液体燃料通道56内朝着下一个辐条流动的燃料的质量流速减小。例如，在辐条54b排放燃料之后，在液体燃料通道56内朝着辐条54c流动的燃料的质量流速减小。并且，在辐条54c排放燃料之后，在液体燃料通道内朝着辐条54d流动的燃料的质量流速进一步减小。在液体燃料通道56的横截面面积随着其围绕燃料喷射器30卷绕而保持大致恒定的实施方式中(图4的实施方式所示)，质量流速减小转换成液体燃料通道56内流动的燃料速度减小。因此，液体燃料通道56内的燃料的质量流速(以及速度)随着燃料从液体燃料通道56的供应端56a流到终端56b而逐渐降低。因此，液体燃料通道56的终端56b处的液体燃料的质量流速和速度最低。
如上所述，在GTE100的操作过程中，燃料喷射器30附近的温度很高。为了确保这种高温不造成液体燃料形成焦炭，希望的是将液体燃料通道的壁保持在希望的温度(例如大约400℉(204.4℃))以下。随着液体燃料流过液体燃料通道56，流动的燃料在其附近冷却液体燃料通道56的壁。在一些情况下，液体燃料通道56的终端56b处的减小速度和质量流速的液体燃料不能提供将此区域的通道壁保持在希望温度以下的足够冷却。但是，将液体燃料通道56定向成使得终端56b与供应端56a重叠(此处燃料流速对于提供充分冷却来说足够高)以允许终端的壁通过流过液体燃料通道56的供应端56a的燃料冷却。液体燃料通道56的终端56b以此方式与供应端56a的重叠允许来自终端56b的壁的热量通过传导到供应端56a的壁来转移，并接着通过流过其中的相对高速的液体燃料的对流来移除。所提供的重叠大小会取决于终端56b的希望被冷却的长度以及GTE100的其他操作细节(例如，流过液体燃料通道的燃料特性等)。
工业实用性
所公开的气体涡轮燃料喷射器可适用于其中希望将燃料喷射器的所选区域的温度保持在希望温度以下的任何涡轮发动机。在被构造成以液体燃料操作的燃料喷射器的实施方式中，液体燃料通道经由供应端供应，并且液体燃料通道被设计成使得终端与供应端重叠。在这种布置中，终端处的通道壁通过流过供应端的液体燃料冷却。现在将描述具有包括端部供应液体通道的燃料喷射器的气体涡轮发动机的操作。
在GTE100的操作过程中，燃料喷射器30暴露于高温。为了减小这些高温造成液体燃料形成焦炭的机会，希望将燃料喷射器30的液体燃料通道56的壁保持在安全操作温度以下，例如400℉(204.4℃)以下。流过液体燃料通道的液体燃料通过对流移除热量，并有助于将这些壁保持在400℉(204.4℃)以下。但是，由于流过通道的燃料的质量流速和速度在其终端处很低，通过终端处的流动燃料提供的冷却不能充分地将终端处的壁保持在400℉(204.4℃)以下。将燃料通道设计成使得终端与供应端重叠允许终端的壁通过流过供应端的燃料冷却。为了确定这种液体燃料通道布置对于通道壁的温度的影响，进行气体涡轮发动机的操作的数字模拟。图5是具有图4所示的液体燃料通道56的示例性燃料喷射器30的壁所获得的温度曲线的图示。随着燃料从供应端56a进入液体燃料通道56，流动的燃料冷却通道的壁。这从液体燃料通道56的开始部分内的壁温度减小而明显看到。随着燃料继续围绕通道流动，其质量流速和速度随着燃料通过每个孔口排放而降低。这种降低的质量流速和速度减小了通过流动燃料移除的热量大小。这从图5的中间部分的壁温度增加而明显看到。随着燃料进入终端56b，虽然燃料在此区域内的质量流速和速度很低，壁温度也降低。壁温度的这种降低来自于流过重叠供应端的燃料提供的附加冷却。在没有这种附加冷却时，终端56b处的液体燃料通道56的壁温度会继续增加。经由供应端为液体燃料通道提供供应，并围绕燃料喷射器卷绕通道，使得终端与供应端重叠，这允许通道壁的温度保持在400℉(204.4℃)的希望温度以下。
本领域普通技术人员将明白可以对于具有端部供应的液体通道的本发明气体涡轮燃料喷射器进行多种改型和变型。本领域普通技术人员从说明书的考虑和具有端部供应的液体通道的本发明气体涡轮燃料喷射器的实践中将明白其他的实施方式。说明书和例子旨在认为只是示例性的，真实的范围通过以下权利要求及其等同物来指明。

Claims (6)

1.一种用于气体涡轮发动机(100)的燃料喷射器(30)，包括：
喷射器壳体(48)，其沿着纵向轴线(88)延伸，并能够流体联接到所述涡轮发动机的燃烧器(50)；
流路(42)，其用于燃料空气混合物到所述燃烧器，并在所述喷射器壳体内纵向延伸；以及
通道(56)，其用于液体燃料并环绕所述流路，所述通道包括能够将液体燃料从所述通道输送到所述流路的多个燃料辐条(54a、54b、54c、54d、54e)，所述通道周向地围绕流路从供应端(56a)延伸到与所述供应端重叠的终端(56b),所述供应端是液体燃料进入所述通道的区域，所述终端是所述通道终止的区域，通道围绕流路卷绕多次，其中每圈彼此径向和纵向偏移，使得通道形成围绕流路的螺旋路径；以及
多个燃料辐条沿着一段通道顺序定位、围绕通道对称定位并延伸经过涡流器(52)，其中通道的横截面形状使得通道内流动的流体燃料的速度从供应端到终端减小。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述多个燃料辐条中的燃料辐条定位在所述通道的终端处。
3.根据权利要求1所述的燃料喷射器，所述涡流器(52)定位在所述通道的径向内侧的流路内。
4.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中，所述多个燃料辐条的每个燃料辐条经过所述涡流器延伸到所述流路内。
5.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述终端定位在所述通道的供应端的径向内侧并与所述供应端纵向偏移。
6.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述终端定位在所述供应端的径向内侧，并且所述供应端和终端的重叠在35 ° 和38 ° 之间。
CN201180058907.8A 2010-11-10 2011-10-12 一种用于气体涡轮发动机的燃料喷射器 Active CN103249931B (zh)

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