CN103307631A - 用于增强多管燃料喷嘴中的混合的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开并提供一种系统，该系统包括多管燃料喷嘴，多管燃料喷嘴包括燃料喷嘴头部以及多个管。燃料喷嘴头部包括包绕室的外壁，并且外壁包括下游壁部，下游壁部面向燃烧区域。多个管通过室延伸至下游壁部，并且每一个管都包括：进入管中的空气进口；燃料进口，燃料进口包括在相对于管的纵向轴线的横向方向上沿径向延伸至管中的突出部；以及离开管的出口。

Description

用于增强多管燃料喷嘴中的混合的系统

技术领域

本发明涉及涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于增加多管燃料喷嘴中的燃料-空气混合的系统。

背景技术

燃气涡轮发动机燃烧燃料与空气的混合物，以产生热燃烧气体，所产生的热燃烧气体接着对一个或多个涡轮级进行驱动。具体而言，热燃烧气体迫使涡轮叶片旋转，由此对轴进行驱动以使一个或多个负载（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至燃烧器中。如果燃料与空气的混合物未充分混合，那么结果能够包括不稳定火焰、不完全燃烧、以及氮氧化物（NO_X）以及其它不期望的副产物的产生增加。

发明内容

下文对与原始要求保护的发明的范围相符的某些实施例进行概述。并不期望这些实施例对所要求保护的发明的范围构成限制，相反，这些实施例仅仅旨在提供对本发明的可能形式的简要概括。事实上，本发明可以包括多种形式，这些形式可以与下文所阐述的实施例相似或不同。

根据第一实施例，一种系统包括多管燃料喷嘴，多管燃料喷嘴包括燃料喷嘴头部以及多个管。燃料喷嘴头部包括包绕室的外壁，并且外壁包括下游壁部，下游壁部构造成面向燃烧区域。多个管通过室延伸至下游壁部，并且每一个管都包括：进入管中的空气进口；燃料进口，燃料进口包括在相对于管的纵向轴线的横向方向上沿径向延伸至管中的突出部；以及离开管的出口。

根据第二实施例，一种系统包括预混管，预混管构造成安装在多管燃料喷嘴中。预混管包括进入预混管中的空气进口、燃料进口、以及离开预混管的出口。燃料进口具有在相对于预混管的纵向轴线的横向方向上沿径向延伸至预混管中的突出部。空气进口布置在燃料进口的上游，并且出口布置在空气进口和燃料进口的下游。

根据第三实施例，一种系统包括涡轮燃料喷嘴。涡轮燃料喷嘴包括预混管，预混管具有：进入预混管中的空气进口；燃料进口，燃料进口具有在相对于预混管的纵向轴线的横向方向上沿径向延伸至预混管中的突出部；以及离开预混管的出口。空气进口位于燃料进口的上游，并且出口同时位于空气进口和燃料进口的下游。

附图说明

当参照附图阅读详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面、以及优点将变得更好理解，其中在所有附图中相似的附图标记代表相似的部件，在附图中：

图1是涡轮机系统的实施例的方框图，该涡轮机系统包括用于增加多管燃料喷嘴中的燃料-空气混合的系统；

图2是燃烧器的实施例的横截面图，该燃烧器包括多个多管燃料喷嘴；

图3是沿图2的线3-3截取的燃烧器的实施例的主视平面图，其中示出了在帽部中相对于彼此间隔开的多个圆形多管燃料喷嘴；

图4是沿图2的线3-3截取的燃烧器的实施例的主视平面图，其中示出了在多个扇形的布置中直接邻近彼此地布置的多个楔形多管燃料喷嘴；

图5是多管燃料喷嘴的实施例的横截面图，所述多管燃料喷嘴具有具有沿径向突出的燃料进口的多个预混管；

图6是沿图5的线6-6截取的单个预混管的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了与纵向轴线垂直的沿径向突出的燃料进口；

图7是沿图5的线6-6截取的单个预混管的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了横向于纵向轴线并且与纵向轴线形成锐角的沿径向突出的燃料进口；

图8是沿图5的线6-6截取的单个预混管的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了具有直径上相对的构造的沿径向突出的燃料进口；

图9是沿图5的线6-6截取的单个预混管的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了具有沿轴向交错的构造的沿径向突出的燃料进口；

图10是沿图5的线6-6截取的单个预混管的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了在进入管中的径向深度方面发生变化、在直径方面发生变化、在管形形状方面发生变化、并且在构造方面发生变化的沿径向突出的燃料进口；

图11是沿图5的线6-6截取的单个预混管的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了在相对于纵向轴线的角度方面发生变化、在进入管中的径向深度方面发生变化、并且在直径方面发生变化的沿径向突出的燃料进口；

图12是具有沿径向突出的燃料进口的单个预混管的实施例的横截面图，所述沿径向突出的燃料进口具有朝向纵向轴线直接会聚的轴线；以及

图13是具有沿径向突出的燃料进口的单个预混管的实施例的横截面图，所述沿径向突出的燃料进口以这样的角度定向：该角度构造成引起围绕纵向轴线的旋流。

具体实施方式

下文将对本发明的一个或多个特定实施例进行描述。为了提供对这些实施例的简明描述，说明书中可能不会对实际实施方式的所有特征进行描述。应当领会，在开发任何这种实际实施方式的过程中，如在任何工程或设计项目中，必须进行多种实施方式特定的判定，以实现开发者的特定目标（例如遵守系统相关和商业相关的约束），所述特定目标可能随着实施方式的不同而发生改变。此外，应当领会，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但是无论如何，对于受益于本发明的本领域普通技术人员而言，这是设计、加工、和制造的常规任务。

当引入本发明的各个实施例的元件时，冠词“一个”和“所述”意在表示具有元件中的一个或多个元件。术语“包括”和“具有”意为包含的并且意味着除了所列出的元件还可能具有另外的元件。

本发明涉及用于增加多管燃料喷嘴内的燃料-空气混合的系统。多管燃料喷嘴可以具有多个预混管，多个预混管均具有一个或多个沿径向突出的燃料进口，以将燃料喷射至空气流中。应当领会，流体速度在预混管的中心处最高，并且燃料进口使接近该高速区域的射流穿透增加。因此，可以减少例如氮氧化物的燃烧副产物的形成。此外，可以减小预混管的长度，从而使得燃料喷嘴和燃烧器的长度较短。

图1是具有燃料喷嘴26（例如，多管燃料喷嘴）的涡轮机系统16的实施例的方框图，燃料喷嘴26装配有多个预混管68，多个预混管68均具有一个或多个沿径向突出的燃料进口11，以增加燃料-空气混合。在整个讨论中，将参考一组轴线。这些轴线基于轴向方向10、径向方向12、以及周向方向14中的圆柱坐标系以及点。例如，轴向方向10沿预混管的长度（或纵向轴线）延伸，径向方向12延伸远离纵向轴线，并且周向方向14围绕纵向轴线延伸。

涡轮机系统16包括压缩机18、燃烧器20、以及涡轮22。压缩机18从进气部24接收空气并且对空气进行压缩以输送至燃烧器20。燃烧器20也从燃料喷嘴26接收燃料。空气和燃料以适于最佳燃烧、排放物、燃料消耗、和功率输出的特定比供给至燃烧器20。空气与燃料混合并且进行反应以形成燃烧产物。如果空气与燃料未充分混合，那么会形成例如氮氧化物的不期望的燃烧副产物。涡轮机系统16的某些实施例包括用于增加燃料-空气混合的系统，以减少所形成的燃烧副产物，特别是氮氧化物的量。热燃烧产物供给至涡轮22中，从而使得轴28旋转。轴28还联接至压缩机18和负载30。旋转轴28为压缩机18提供能量以如上文所描述地对空气进行压缩。负载30能够是发电机或者能利用轴28的机械能的任何装置。最后，燃烧产物离开涡轮22并且通过排气出口32排放。

图2是燃烧器20的实施例的横截面侧视图，燃烧器20包括多管燃料喷嘴26，多管燃料喷嘴26均具有预混管68，预混管68具有一个或多个沿径向突出的燃料进口11，以增强燃料-空气混合。燃烧器20包括燃料喷嘴26的流套筒或外部壳体44、端盖46、和帽构件或分隔壁94以及/或者外壁48。外部壳体44具有空气进口50，空气进口50允许空气流入位于壳体44与燃烧器衬套51之间的环形空间49中。帽构件94以及/或者外壁48具有下游壁部52，下游壁部52面向燃烧区域54。帽构件94以及/或者外壁48使燃烧器内部与燃烧区域54分开。多个燃料喷嘴26安装在燃烧器20内。每一个燃料喷嘴26都包括燃料管道56和燃料喷嘴头部58。每一个燃料管道56都通过燃烧器20的头部端60并且从上游端部62向下游端部64沿轴向方向10定向。端盖46布置在上游端部62处并且燃料喷嘴头部58布置在下游端部64处。燃料喷嘴头部58包括外壁48，外壁48包绕联接至燃料管道56的燃料室66。每一个多管燃料喷嘴26的预混管68都通过室66从上游壁部70延伸至下游壁部52。管68围绕燃料管道56的下游部分沿周向14布置。在某些实施例中，每一个多管燃料喷嘴26都可以包括大约1至1000个、10至500个、或者20至100个预混管68，预混管68均具有一个或多个沿径向12突出的燃料进口，以增强燃料-空气混合。

在图示的布置中，空气通过空气进口50沿路径72流入环形空间49中并且接着沿路径74流入头部端60中。空气接着沿路径76流入预混管68中。燃料从燃料供给部进入燃料管道56并且跟随路径80进入燃料室66中。在图示实施例中，燃料室66还包括挡板82，挡板82迫使燃料围绕挡板82流动，以到达预混管68的沿径向突出的燃料进口。燃料进入沿径向突出的燃料进口并且在管68内与空气混合。燃料-空气混合物流过预混管68并且进入燃烧区域54，在燃烧区域54处，混合物转化成热燃烧产物。

图3是沿图2的线3-3截取的燃烧器20的实施例的主视平面图，其中示出了在帽构件94中相对于彼此间隔开的多个圆形多管燃料喷嘴26（例如，96、98）。如图所示，燃烧器20包括中心地定位在燃烧器20的帽构件94内的中心燃料喷嘴96。燃烧器20还包括围绕中心燃料喷嘴96沿周向布置的多个外部燃料喷嘴98。如图所示，六个外部燃料喷嘴98包绕中心燃料喷嘴96。每一个燃料喷嘴26都包括多个管68。如图所示，每一个燃料喷嘴26的多个管68都布置在多个环100和101中。环100和101具有围绕每一个燃料喷嘴26的中心轴线102的同心布置。在某些实施例中，环100和101的数量、每个环100和101的管68的数量、以及多个管68的布置可以发生变化。同样地，每一个管68都可以包括一个或多个（例如1至50个）沿径向突出的燃料进口11，以增强每一个管68中的燃料-空气混合。

图4是沿图2的线3-3截取的燃烧器20的实施例的布置主视平面图，其中示出了在多个扇形的布置中直接邻近彼此地布置的多个楔形多管燃料喷嘴26（例如，116、118）。燃烧器20包括围绕燃料喷嘴26沿周向14延伸的外部支承结构114。如图所示，燃烧器20包括中心燃料喷嘴116以及围绕中心燃料喷嘴116沿周向布置的多个外部燃料喷嘴118。六个外部燃料喷嘴118包绕中心燃料喷嘴116。然而，在某些实施例中，燃料喷嘴26的数量以及燃料喷嘴26的布置可以发生变化。例如，外部燃料喷嘴118的数量可以是1至20个、1至10个、或者任何其它的数量。为了简单起见，外部燃料喷嘴118以及中心燃料喷嘴116中仅示出了管68中的一些管68。然而，每一个燃料喷嘴26都包括多个预混管68。

每一个外部燃料喷嘴118都包括非圆形周界120。如图所示，周界120包括具有相对的侧面122和124以及相对的侧面126和128的楔形形状或者截断馅饼形状。侧面122和124是相对于彼此沿径向12偏置的弓形侧面。侧面126和128从侧面122向侧面124呈线性并且朝向彼此大体会聚。然而，在某些实施例中，外部燃料喷嘴118的周界120可以包括其它形状，例如，具有三个侧面的馅饼形状。无论形状如何，每一个外部燃料喷嘴118都是具有多个预混管68的多管燃料喷嘴26，多个预混管68均具有一个或多个（例如，1至50个）沿径向突出的燃料进口11，以增强管68中的燃料-空气混合。类似地，中心燃料喷嘴116是具有多个预混管68的多管燃料喷嘴26，多个预混管68均具有一个或多个（例如，1至50个）沿径向突出的燃料进口11，以增强管68中的燃料-空气混合。中心燃料喷嘴116包括周界130（例如，圆形周界）。在某些实施例中，周界130可以包括其它形状，例如，正方形、六边形、三角形、或者其它多边形。中心燃料喷嘴116的周界130可以与燃烧器20的中心轴线132共轴并且可以包括预混管68的同心环134。

图5是具有混合管68的多管燃料喷嘴26（例如，燃料喷嘴96、98、116、和118）的实施例的横截面图，预混管68均具有一个或多个沿径向突出的燃料进口11、154，一个或多个沿径向突出的燃料进口11、154具有相应的突出部146，以增加燃料-空气混合。每一个管68都沿轴向方向10围绕中心线150成圆柱形。每一个管68都具有进入管中的空气进口152；沿径向12突出至管中的燃料进口11、154；以及离开管的出口156。如图所示，空气进口152在管68的上游端部148处在中心线150的方向上沿轴向10延伸。燃料进口154包括突出部146（例如，空心突出部），突出部146沿相对于管68的纵向轴线（例如，中心线150）的横向方向（例如，径向方向12）延伸至管68中。空气进口152和出口156都位于室66的外部。

来自头部端60的空气通过空气进口152流入每一个预混管68中。来自燃料供给部的燃料行进通过燃料管道56并且通过流动路径158进入室66中。燃料遇到挡板82，挡板82迫使燃料跟随路径160通过室66，以有助于将燃料均匀地分配至多个预混管68的燃料进口154。燃料接着通过燃料进口154进入预混管68。在每一个预混管68内，空气与燃料彼此接触、混合、并且以充分混合的组成通过出口156离开管68进入燃烧区域54中。突出部146有助于燃料进一步穿透至每一个管68中（例如，沿径向方向12），由此增强管68中的燃料-空气混合。突出部146还可以通过干扰流动、引起湍流、引起旋流、引起旋涡、或者其任何组合来增强混合。如下文详细讨论的，每一个管68都可以包括具有突出部146的1至100个（例如，1个、2个、3个、4个、5个、或者更多个）燃料进口154，并且每一个突出部146都可以具有共同或不同的直径、径向12高度、形状、相对于轴线150的角度、或者其任何组合。

图6是沿图5的线6-6截取的单个预混管68的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了与纵向轴线150垂直的沿径向12突出的燃料进口11、154。预混管68沿轴向方向10关于中心线150对称并且具有外径172、内径174（例如，内部直径）、外部表面176、内部表面178、以及管状形状180。可用于流体流动的横截面积、或者流动区域182是内径174的函数。管68具有空气进口152、燃料进口154、以及出口156。此外，燃料进口154相对于空气进口152（例如，端部153）和出口156（例如，端部157）偏置，使得空气进口端153位于燃料进口154的上游，并且出口端157相对于空气进口152和燃料进口154都位于下游。预混管68具有进口端153与出口端157之间的长度184。在涡轮机系统16的某些实施例中，可能期望缩短预混管68的长度184，以减小燃料喷嘴26和/或燃烧器20的尺寸。

突出部146布置在燃料进口154处，以在更靠近预混管68的中心线150处喷射燃料。突出部146可以包括插入部147，插入部147联接至位于管68中的开口186。例如，插入部147可以在接头187（例如，焊接、钎焊、或者其它的固定或可移除的接头）处联接至开口186。备选地，突出部146可以与管68整体形成为一件式结构。在一件式结构的情况下，管68能够通过铸造形成。因此，突出部146（例如，空心突出部）可以通过铸造、变形、冲压、或者另一种技术形成。

沿径向突出的燃料进口154的突出部146构造成增加预混管68中的燃料-空气混合。燃料-空气混合物在通过出口端156离开预混管68时的混合程度还受到流体速度的影响。流体流过预混管68的速度取决于沿径向方向12的流速以及相对于管中心线150的偏置。流体（例如空气）可以在管中心线150处具有最大速度，而沿管壁（例如管内部表面178）具有最小速度。与壁178相接触的空气流基本为零，并且随着相对于管中心线150的径向12偏置接近零而增大。突出部146将燃料输送至空气速度较高的区域中，从而使得混合得到改进。此外，突出部146可以引起湍流、旋流、并且/或者形成大范围的旋涡和小范围的涡旋，以增强管68内的燃料-空气混合。换句话说，突出部146可以大体干扰流动，同时还增加沿径向12穿透至空气流中的燃料。通过该方式，沿径向突出的燃料进口154的突出部146可以提供燃料在空气中的更均匀的分配，由此改进离开每一个管68的燃料-空气分配（即，更均匀）。

突出部146的管状形状能够是圆柱形、锥形、多面形、或者适于将燃料输送至预混管68的另一种几何形状。突出部146具有沿径向方向12的中心线188、外径190、内径192、以及径向深度194。根据管68的尺寸，突出部146的内径192可以是大约25至500密尔、50至250密尔、75至125密尔、或者小于大约100密尔。突出部146在径向深度194处喷射燃料，径向深度194从管内部表面178测量得到。径向深度194可以处于管内径174的1%至50%、或者5%至40%、或者10%至30%的范围内。例如，径向深度194可以大于内径174的大约5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、或者40%。总体而言，对于单个突出部146而言，燃料穿透的程度随着深度194接近管中心线150而增大。随着径向深度194的增大还可以使流动干扰（例如，湍流）和混合逐渐增加。

如图所示，突出部146定向成横向（例如，垂直）于管中心线150。突出部中心线188相对于空气进口端153偏置距离196。某些实施例可以将突出部146定位成接近空气进口端153，以使管68内燃料-空气混合的停留时间最大化。在另一个实施例中，燃料进口154可以直接布置在空气进口端153处或者布置成邻近空气进口端153，同时仍然具有与管中心线150的横向定向。例如，距离196能够是长度184的大约0%至75%、1%至50%、5%至25%、或者10%至15%。在某些实施例中，突出部146的轴线188可以相对于中心线150以角度189定向，其中角度189可以是相对于中心线150的大约5至90度、10至80度、20至70度、30至60度、40至50度、30度、45度、60度、或者90度。角度189可以沿上游轴向10方向、下游轴向10方向、顺时针周向14方向、或者逆时针周向14方向定向。

空气进入空气进口152并且朝向出口156沿预混管68在轴向方向10上流动。在位置196处，燃料进入燃料进口154并且开始在接触区域198（例如，中心区域）处与空气混合，如由燃料路径200所表示的。随着混合物沿管68在主要沿轴向的方向10上流动，燃料-空气继续混合。当混合物通过出口端156离开管68时，实现了燃料-空气分配的改进。总体而言，燃料-空气混合物的混合程度沿管道长度184增加，从接触区域198处的最小混合度增加至出口端156处的最大混合度。通过增加流动干扰和燃料穿透的程度（例如，径向深度194），突出部146使得较短的混合管168能够实现与不具有突出部146的较长的混合管68相同的混合程度。类似地，对比不具有突出部146的长度184相同的管68，管68的燃料-空气混合物的混合程度增加。

图7是沿图5的线6-6截取的单个预混管68的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了横向于中心线150并且与中心线150形成锐角212的沿径向突出的燃料进口11、154。预混管68和突出部146在结构上与图6中所描述的管和突出部类似。突出部中心线188与沿轴向方向10的纵向轴线（例如管中心线150）形成锐角212。突出部146可以沿轴向10成角度，使得锐角212相对于管中心线150沿上游流动方向214或者下游流动方向216（如图所示）定向。突出部146还可以以锐角212沿周向14成角度，锐角212构造成引起围绕管中心线150的旋流。在这种情况下，突出部中心线188相对于管中心线150倾斜，并且角度212由突出部中心线188以及与管中心线150平行（但是沿径向12与管中心线150偏置）的纵向轴线所限定。某些实施例可以将锐角212选择成使得出口端157处的混合程度最大化。此外，其它实施例可以包括多于一个的成角度突出部146（例如，2至100个成角度的突出部146），成角度突出部146可以包括均匀或不同地成角度的突出部146（例如，30度、45度、60度、75度和/或90度成角度的突出部146）。

空气进入空气进口152并且朝向出口156沿预混管68在轴向方向10上流动。在位置196处，燃料进入燃料进口154并且开始在接触区域198（例如，中心区域）处与空气混合，如由燃料路径200所表示的。随着混合物沿管68在主要沿轴向的方向10上流动，燃料-空气继续混合。当混合物通过出口端156离开管68时，实现了燃料-空气分配的改进。具体而言，锐角212可以进一步增加湍流、旋流、以及/或者形成大范围的旋涡和小范围的涡旋，以增强管68内的燃料-空气混合。例如，如果锐角212沿上游流动方向214定向，那么可以增加管68内的燃料-空气混合的停留时间。此外，如果锐角212沿下游流动方向216定向，那么可以提高燃料-空气混合物通过管68的速度，从而可以增加燃料-空气混合物的湍流。

图8是沿图5的线6-6截取的单个预混管68的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了具有径向上相对的构造的沿径向突出的燃料进口11、154。突出部146和228在相对于管中心线150的公共的轴向位置230处具有直径上相对的构造。突出部228在相对于管中心线150的横向方向（例如，径向12方向）上沿径向方向12延伸至的管68中。除了管68具有两个沿径向12相对的燃料进口154和232，预混管68在结构上与图6中所描述的预混管类似。根据其它实施例，燃料进口和突出部的数量可以在大约2至100个、3至50个、4至25个、或者5至10个之间发生变化。突出部146和228将燃料引向管中心线150。突出部228可以与突出部146相同或不同。例如，突出部146和228可以在进入管68的径向深度194、234方面、相对于中心线150的角度189、236方面、直径192、238方面、管状形状239、240方面、或者其任何组合方面发生变化。如图所示，突出部146和228共用公共的轴向位置230，同时相对于彼此沿周向14偏置（例如，围绕中心线150沿周向方向14旋转180度）。在其它实施例中，突出部146和228可以共用公共的轴向位置230，但是可以以不同的角度相对于彼此沿周向14偏置，例如大约10至180度、30至150度、或者45至135度。如图所示，突出部146和228的轴向位置230都相对于空气进口端153偏置轴向距离196。在某些实施例中，能够将距离196选择成使得突出部146和228接近空气进口端1523，以使管68内的燃料-空气混合的停留时间最大化。具体而言，燃料进口154、232可以沿管68的上游部分布置并且可以处于距离196内，距离196大约是长度184的0%至75%、1%至50%、或者5%至25%。此外，突出部146和228可以与图7中所讨论的相同或不同地成角度。

空气进入空气进口152并且朝向出口156沿预混管68在轴向方向10上流动。在位置196处，燃料进入燃料进口154、232并且开始在接触区域198、242（例如，中心区域）处与空气混合，如由燃料路径200、244所表示的。在某些实施例中，燃料进口154、232可以共用接触区域198（例如，燃料射流在区域198中直接彼此冲击）。随着混合物沿管68在主要沿轴向的方向10上流动，燃料-空气混合物继续混合。当混合物通过出口端156离开管68时，实现了燃料-空气分配的改进。具体而言，相对的燃料进口154、232可以进一步增加湍流、旋流、以及/或者形成大范围的旋涡和小范围的涡旋，以增强管68内的燃料-空气混合。例如，相对的燃料进口154、232可以使得来自每一个进口154、232的燃料彼此冲击并且增加接触区域198、242处的湍流。因此，相对的燃料进口154、232可以增强管68内的燃料-空气混合并且使得能够缩短管68。

图9是沿图5的线6-6截取的单个预混管68的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了在不同的轴向位置230和256处具有沿轴向10交错构造255的沿径向突出的燃料进口11（例如，154、232）。除了燃料进口154和232具有交错构造255之外，预混管68在结构上与图8中所描述的预混管类似。突出部228可以与突出部146相同或不同。例如，突出部146和228可以在进入管68的径向深度194、234方面、相对于中心线150的角度189、236方面、直径192、238方面、管状形状239、240方面、或者其任何组合方面发生变化。如图所示，突出部146的轴向位置230相对于空气进口端153沿轴向10偏置距离196。此外，突出部228的轴向位置256相对于空气进口端153沿轴向10偏置距离258。距离196和258可以相等或不同。然而，如图所示，距离196与258不同，以限定燃料进口154与232之间以及相关联的突出部146与228之间的轴向间距或偏置260。在某些实施例中，间距260可以是管68的长度184的大约0%至75%、1%至50%、5%至25%、或者10%至15%。在又一些其它的实施例中，间距260可以是管68的内径174的大约1%至1000%、10%至150%、或者20%至90%。可以领会，管68可以具有位于各种轴向10位置、径向12深度、角度、周向14位置、或者其任何组合处的任何数量（例如，大约2至100个、5至50个、10至25个）的燃料进口（154和232）以及相关联的突出部（例如，146和228）。

空气进入空气进口152并且朝向出口156沿预混管68在轴向方向10上流动。在位置196和258处，燃料进入燃料进口154、232并且开始在接触区域198、242（例如，中心区域）处与空气混合，如由燃料路径200、244所表示的。随着混合物沿管68在主要沿轴向的方向10上流动，燃料-空气混合物继续混合。当混合物通过出口端156离开管68时，实现了燃料-空气分配的改进。具体而言，交错的燃料进口154、232可以进一步增加湍流、旋流、以及/或者形成大范围的旋涡和小范围的涡旋，以增强管68内的燃料-空气混合。例如，交错的燃料进口154、232可以使得来自每一个进口154、232的燃料撞击管内部表面178的相对侧面并且增加接触区域198、242处的湍流。因此，相对的燃料进口154、232可以增强管68内的燃料-空气混合并且使得能够缩短管68。

图10是沿图5的线6-6截取的单个预混管68的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了在进入管中的径向12深度方面发生变化、在直径方面发生变化、在管状形状方面发生变化、以及在构造方面发生变化的沿径向突出的燃料进口11。具体而言，预混管68具有与在进入管中的径向12深度方面发生变化、在直径方面发生变化、在管状形状方面发生变化、以及在构造方面发生变化的与燃料进口11相关联的突出部146、228、272、274、276、278、280、282、284、和286。图10示出了上文的突出部特性的多种变型和组合。应当理解，图10旨在表示本文中所公开的特征中的任何特征都能够一起使用，并且因此不是互相排斥的。

燃料进口11的突出部146、228具有径向深度194；燃料进口11的突出部272、274具有径向深度287；并且燃料进口11的突出部276、278具有径向深度288。径向深度194、287、288彼此不同，并且沿下游流动方向216逐渐增大。在其它实施例中，径向深度194、287、288可以沿下游流动方向216逐渐减小或者同时增大和减小。如图所示，燃料进口11的突出部146、228、272、274、276、和278具有管状形状240（例如，圆柱形），而突出部280、282、284、和286具有不同的管状形状290（例如，锥形）。如图所示，锥形突出部280、282、284、和286均相对于相应的突出部的中心轴线302以角度300会聚。总体而言，角度300可以是大约1至40度、2至30度、3至20度、或者4至10度。此外，突出部280、282、284、和286可以具有相等或不同的角度300。

此外，突出部146、228具有直径292；突出部272、274具有直径293；并且突出部276、278具有直径294。直径292、293、294彼此不同并且沿下游流动方向216逐渐减小。在其它实施例中，直径292、293、294可以沿下游流动方向216逐渐增大或者可以同时增大和减小。如图所示，突出部146相对于突出部228具有相对的构造，突出部272相对于突出部274具有相对的构造，并且突出部276相对于突出部278具有相对的构造。此外，每一组相对的突出部都具有共同特征（例如，直径、径向深度），但是相比其它组具有不同的特征。

此外，突出部282和284在不同的轴向位置296和298处以交错构造布置。类似地，突出部280和286具有交错构造。此外，突出部146、228相对于突出部272、274、276、278、280、282、284、和286交错。应当领会，突出部可以在管68的相同或相对的侧面上交错。如图10中所示，突出部146、228、272、274、276、278、280、282、284、286中的任何突出部都可以与管68整体形成或者可以是如上文所讨论的通过接头187联接至管68的插入部147。

此外，管68具有突出部146、228与突出部272、274之间的间距304以及突出部272、274与突出部276、278之间的间距306。如图所示，间距304、306在下游流动方向216上沿管68的长度184逐渐减小。在其它实施例中，间距304、306可以沿管68的长度184逐渐增大或者可以随机变化。

图11是沿图5的线6-6截取的单个预混管68的实施例的部分横截面侧视图，其中示出了在相对于中心线150的角度方面发生变化、在进入管中的径向12深度方面发生变化、并且在直径方面发生变化的沿径向突出的燃料进口11。应当理解，图11旨在表示本文中所公开的特征中的任何特征都能够一起使用，并且因此不是互相排斥的。

如图所示，突出部146、228（例如，中心线188）都定向成沿下游流动方向216与管中心线150成锐角212。此外，突出部276、278（例如，中心线312）都定向成沿上游流动方向214与管中心线150成锐角314。总体而言，锐角212、314可以彼此相同或不同，例如大约是1至89度、5至85度、20至70度、或者35至55度。如图所示，突出部146、228具有径向深度194；突出部272、274具有径向深度287；并且突出部276、278具有径向深度288。径向深度194、287、288彼此不同并且沿下游流动方向216逐渐减小。在其它实施例中，径向深度194、287、288可以沿下游流动方向216逐渐增大或者同时增大和减小。此外，突出部146、228具有直径292；突出部272、274具有直径293；并且突出部276、278具有直径294。直径292、293、294彼此不同并且都沿管68的长度184增大和减小。在其它实施例中，直径292、293、294可以沿下游流动方向216逐渐减小或逐渐增大。

图12是具有沿轴向12突出的燃料进口11的单个预混管68的实施例的横截面图，沿径向12突出的燃料进口11具有朝向纵向轴线（例如，中心线150）直接会聚的轴线。管68包括突出部146、228、272、和274，突出部146、228、272、和274并不引起围绕管中心线150的旋流，原因是每一个突出部中心线188、326、328、330都与管中心线150相交。在其它实施例中，突出部146、228、272、274可以围绕中心线150沿周向14均匀或不同地间隔开。

图13是具有沿径向突出的燃料进口11（例如，突出部146、228、272、和274）的单个预混管68的实施例的横截面图，沿径向突出的燃料进口11以这样的角度定向：该角度构造成引起围绕管中心线150的旋流。具体而言，每一个燃料进口11（例如，突出部146、228、272、274）都相对于半径或径向线352以角度350定向。例如，角度350可以被限定在管68、径向线352、与每一个相应的突出部146的轴线188、326、328、和330之间的相交处。一个突出部的角度350可以与另一个突出部的角度相同或不同。此外，角度350可以是大约1至90度、5至60度、10至45度、或者20至30度。图示的布置引起沿逆时针方向342的旋流。不同的布置能够产生沿顺时针方向的旋流。此外，在某些实施例中，突出部146、228、272、274可以围绕中心线150均匀或不同地沿周向14间隔开。

所公开的实施例的技术效果包括用于增加具有多管燃料喷嘴的燃烧器中的燃料-空气混合的系统。布置在位于预混管上的燃料进口处的突出部增加了燃料的射流穿透。流体速度在管的中心处最高，并且突出部允许在接近该高速区域处喷射燃料。例如氮氧化物的燃烧副产物的形成与空气和燃料的不良混合直接相关。因此，布置在位于预混管上的燃料进口处的突出部减少了预混管的氮氧化物排放物。突出部还产生了流动干扰，从而进一步增强燃料-空气混合。

本书面描述使用示例对本发明进行了公开（其中包括最佳模式），并且还使本领域技术人员能够实施本发明（其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法）。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种系统，所述系统包括：

多管燃料喷嘴，所述多管燃料喷嘴包括：

燃料喷嘴头部，所述燃料喷嘴头部包括包绕室的外壁，其中所述外壁包括下游壁部，所述下游壁部构造成面向燃烧区域；以及

多个管，所述多个管通过所述室延伸至所述下游壁部，其中所述多个管中的每一个管都包括：进入所述管中的空气进口；第一燃料进口，所述第一燃料进口包括在相对于所述管的纵向轴线的第一横向方向上沿径向延伸至所述管中的第一突出部；以及离开所述管的出口。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个管都具有布置在所述第一燃料进口上游的所述空气进口，并且每一个管都具有布置在所述空气进口和所述第一燃料进口下游的所述出口。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，每一个管都具有沿轴向延伸至所述管的上游端部中的所述空气进口。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，每一个管都通过所述室从上游壁部延伸至所述下游壁部，并且每一个管都具有位于所述室外部的所述空气进口和所述出口。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个管都包括第二燃料进口，所述第二燃料进口包括在相对于所述管的所述纵向轴线的第二横向方向上沿径向延伸至所述管中的第二突出部。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，每一个管都具有在相对于所述纵向轴线的共同轴向位置处以相对的构造布置的所述第一突出部和所述第二突出部。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，每一个管都具有在相对于所述纵向轴线的不同的轴向位置处以交错构造布置的所述第一突出部和所述第二突出部。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，每一个管都具有具有不同的进入所述管中的径向深度、不同的相对于所述纵向轴线的角度、不同的直径、不同的管状形状、或者其任何组合的所述第一突出部和所述第二突出部。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个管都具有定向成垂直于所述纵向轴线的所述第一突出部。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个管都具有相对于所述纵向轴线沿上游流动方向或下游流动方向以锐角定向的所述第一突出部。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个管都具有以锐角定向的所述第一突出部，所述锐角构造成引起围绕所述纵向轴线的旋流。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个管都具有与所述管整体形成为一件式结构的所述第一突出部。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个管都具有第一插入部，所述第一插入部联接至位于所述管中的第一开口，以在所述管中限定所述第一突出部。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有所述多管燃料喷嘴的涡轮机燃烧器、具有所述涡轮机燃烧器的燃气涡轮发动机、或者其组合。

15.一种系统，所述系统包括：

预混管，所述预混管构造成安装在多管燃料喷嘴中，其中所述预混管包括：

进入所述预混管中的空气进口；

第一燃料进口，所述第一燃料进口包括在相对于所述预混管的纵向轴线的第一横向方向上沿径向延伸至所述预混管中的第一突出部；以及

离开所述预混管的出口，其中所述空气进口布置在所述第一燃料进口的上游，并且所述出口布置在所述空气进口和所述第一燃料进口的下游。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有多个预混管的所述多管燃料喷嘴、具有所述多管燃料喷嘴的涡轮机燃烧器、具有所述涡轮机燃烧器的燃气涡轮发动机、或者其组合。

17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述预混管包括第二燃料进口，所述第二燃料进口具有在相对于所述纵向轴线的第二横向方向上沿径向延伸至所述预混管中的第二突出部，其中所述第一突出部和所述第二突出部具有不同的进入所述预混管的径向深度、不同的相对于所述纵向轴线的角度、不同的直径、不同的管状形状、或者其任何组合。

18.一种系统，所述系统包括：

涡轮燃料喷嘴，所述涡轮燃料喷嘴包括：

第一预混管，所述第一预混管具有：进入所述第一预混管中的第一空气进口；第一燃料进口，所述第一燃料进口具有在相对于所述第一预混管的第一纵向轴线的第一横向方向上沿径向延伸至所述第一预混管中的第一突出部；以及从所述第一预混管的第一出口，其中所述第一空气进口布置在所述第一燃料进口的上游，并且所述第一出口布置在所述第一空气进口和所述第一燃料进口的下游。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述涡轮燃料喷嘴包括多管燃料喷嘴，所述多管燃料喷嘴具有延伸通过燃料室的所述第一预混管和第二预混管，其中所述第二预混管包括：进入所述第二预混管的第二空气进口；第二燃料进口，所述第二燃料进口具有在相对于所述第二预混管的第二纵向轴线的第二横向方向上沿径向延伸至所述第二预混管中的第二突出部；以及从所述第二预混管的第二出口，其中所述第二空气进口布置在所述第二燃料进口的上游，并且所述第二出口布置在所述第二空气进口和所述第二燃料进口的下游。

20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述第一预混管具有第一插入部，所述第一插入部联接至所述第一预混管中的第一开口，以在所述第一预混管中限定所述第一突出部，并且所述第一插入部具有小于大约100密尔的内径。

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