CN103388839B - 具有混合特征的多管式燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有混合特征的多管式燃料喷嘴。系统包括具有入口板和邻近入口板的多个管的多管式燃料喷嘴。入口板包括多个孔口，并且每个孔口包括入口特征。多个管中的每个管联接于多个孔口中的一个孔口。多管式燃料喷嘴包括在多个管之间的不同构型的入口特征。

Description

具有混合特征的多管式燃料喷嘴

关于联邦政府资助研究和开发的声明

本发明利用能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42643下的政府支持完成。政府具有本发明中的某些权利。

技术领域

本文中公开的主题涉及燃烧系统，并且更具体地，涉及具有改进的设计以增加燃料喷嘴内的燃料-空气混合的燃料喷嘴。

背景技术

燃气涡轮发动机燃烧燃料和空气的混合物以产生热燃烧气体，其进而驱动一个或更多个涡轮级。特别地，热燃烧气体迫使涡轮叶片旋转，由此驱动轴以使一个或更多个负载(例如，发电机)旋转。燃气涡轮发动机包括用以将燃料和空气喷射到燃烧器中的燃料喷嘴。如可认识到的，燃料-空气混合物显著地影响发动机性能、燃料消耗和排放物。一些燃料喷嘴(诸如，多管式燃料喷嘴)包括构造成混合燃料和空气的多个管。在这种燃料喷嘴中，管的长度和直径影响混合质量。遗憾的是，长管或小直径管可增加成本、重量和涡轮发动机上的应力。

发明内容

在下面总结与原始要求权利的本发明的范围相称的某些实施例。这些实施例不意图限制要求权利的本发明的范围，而是这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要总结。实际上，本发明可包含可与下面阐述的实施例相似或不同的各种形式。

在第一实施例中，一种系统包括具有入口板和邻近入口板的多个管的多管式燃料喷嘴。入口板包括多个孔口，并且每个孔口包括入口特征。多个管中的每个管联接于多个孔口中的一个孔口。多管式燃料喷嘴包括在多个管之间的不同构型的入口特征。

在第二实施例中，一种系统包括具有入口板和邻近入口板的多个管的多管式燃料喷嘴。入口板包括多个孔口，并且每个孔口包括入口特征。多个管中的每个管包括轴向端部和在轴向端部下游的燃料入口。轴向端部联接于多个孔口中的一个孔口，并且构造成通过相应孔口接收空气流。燃料入口构造成接收燃料，并且空气流构造成与燃料混合以形成空气/燃料混合物。多管式燃料喷嘴包括在多个管之间的不同构型的入口特征，其构造成控制在多个管之间的空气/燃料混合物。

在第三实施例中，一种方法包括将燃料接收到延伸穿过多管式燃料喷嘴的本体的多个管中并且通过入口板将空气不同地接收到多个管中。入口板包括用于多个管中的每个管的入口特征。入口板包括在多个管之间的不同构型的入口特征。该方法还包括从多个管输出空气/燃料混合物。

一种系统，其包括：多管式燃料喷嘴，其包括：包括多个孔口的入口板，其中，每个孔口包括入口特征；以及邻近入口板的多个管，其中，多个管中的每个管联接于多个孔口中的一个孔口，并且多管式燃料喷嘴包括在多个管之间的不同构型的入口特征。

优选地，多个管中的每个管在相应管的轴向端部处联接于多个孔口中的相应孔口，并且构造成通过相应孔口接收空气流。

优选地，多个管中的每个管包括在相对于入口板的下游位置处的燃料入口。

优选地，每个孔口的入口特征包括至少一个诱发混合特征。

优选地，不同构型的入口特征包括在多个孔口之间的不同的诱发混合特征。

优选地，每个孔口的入口特征包括至少一个诱发混合特征，并且诱发混合特征包括交叉地延伸到孔口中的至少一个突出部。

优选地，至少一个突出部沿穿过孔口的流的上游方向或下游方向成角度。

优选地，至少一个突出部包括单个楔形突起。

优选地，至少一个突出部包括横跨孔口互相交叉地延伸的部件的网格。

优选地，至少一个突出部包括横跨孔口互相平行地延伸的部件的网格。

优选地，至少一个突出部包括绕着孔口的轴线对称地布置的多个突起。

优选地，系统包括共用入口板的多个多管式燃料喷嘴。

优选地，系统包括具有多管式燃料喷嘴的涡轮燃烧器或涡轮发动机。

一种系统，其包括：燃料喷嘴入口板，其构造成邻近多管式燃料喷嘴的管安装，其中，燃料喷嘴入口板包括：孔口，其构造成与管的上游轴向入口对齐；以及诱发混合特征，其配置在孔口中，其中，诱发混合特征包括交叉地延伸到孔口中的突出部，诱发混合特征构造成增加穿过孔口到管中的空气流与通过上游轴向入口下游的燃料入口进入管的燃料流之间的混合。

优选地，突出部仅部分地横跨孔口延伸。

优选地，突出部完全横跨孔口延伸。

优选地，系统包括具有燃料喷嘴入口板的多管式燃料喷嘴。

优选地，燃料喷嘴入口板包括多个孔口，每个孔口具有至少一个诱发混合特征，并且燃料喷嘴入口板在多管式燃料喷嘴的多个管之间被共用。

优选地，突出部包括横跨孔口互相交叉地延伸的部件的网格、横跨孔口互相平行地延伸的部件的格栅、绕着孔口的轴线对称地布置的多个突起、单个楔形突起，或沿穿过孔口的空气流的上游方向或下游方向成角度的至少一个突出部。

一种方法，其包括：将空气接收到延伸穿过多管式燃料喷嘴的本体的多个管中，其中，多个管中的每个管通过具有管的上游轴向端部处的至少一个诱发混合特征的孔口吸入空气，其中，与多个管相关的孔口配置在邻近多个管配置的至少一个入口板上；在管的上游轴向端部的下游位置处将燃料接收到多个管中的每个管中；以及从多个管输出燃料-空气混合物。

附图说明

当参考附图阅读下列详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在该附图中，同样的标记遍及附图表示同样的部件，其中：

图1是包括具有诱发混合特征的入口板的实施例的涡轮系统的方框图；

图2是具有多个多管式燃料喷嘴的图1的燃烧器的实施例的截面侧视图；

图3是包括多个多管式燃料喷嘴(例如，圆形)的燃烧器的实施例的正视平面图；

图4是包括多个多管式燃料喷嘴(例如，截顶馅饼形)的燃烧器的实施例的正视平面图；

图5是具有诱发混合特征的多管式燃料喷嘴的管的实施例的截面图；

图6是具有联接于多管式燃料喷嘴的管的诱发混合特征的入口板的实施例的局部透视图；

图7是诱发混合特征的实施例的正视图；

图8是诱发混合特征的实施例的正视图；

图9是诱发混合特征的实施例的正视图；

图10和图11是具有弯曲部的诱发混合特征的实施例的俯视图和侧视图；以及

图12是具有不同构型的诱发混合特征的入口板的实施例的正视图。

部件列表

10燃气涡轮系统

12入口板

13诱发混合特征

14压缩机

16涡轮燃烧器

18涡轮

20燃料喷嘴

21中心燃料喷嘴

22燃料

24空气

26进气口

28压缩空气

30排气

32涡轮轴

34排出出口

40燃料-空气混合物

50流动套管

51衬套

52端盖

53头端

54上游端部

56下游端部

58燃料导管

60燃料室

61喷嘴壁

62管

64箭头

66空气入口

68燃烧室

70上游空气流路径

72轴向

74内流动路径

76箭头

78下游空气流路径

80轴向

82管束

84燃料流路径

53头端

90帽部件

92中心轴线

94外燃料喷嘴

96多排

98中心轴线

100径向

102燃料喷嘴周边

103周边支承件

104周向

106外燃料喷嘴

107内周边

108圆形喷嘴区域

110非圆形周边

112平行侧面

114平行侧面

116侧面

118侧面

120周边

122中心部分

130轴向入口

131燃料入口

132空气流

134管的周边

136中心

138长度

140直径

142出口

144湍流

160扰流器

162孔口

164突出部

165径向

166周边

167凹入的凹槽

168楔形部

170网状物

172第一交叉部件

174第二交叉部件

176格栅

178突出部

180突出部

182楔形突出部

184弯曲部

190第一排

192第二排

194第三排

198第一区段

200第二区段

202第三区段。

具体实施方式

将在下面描述本发明的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可不在说明书中描述实际实施的所有特征。应当认识到，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计方案中，必须作出许多实施特定决定以实现开发者的特定目的，诸如服从系统相关和商业相关的约束，其可因实施而异。此外，应当认识到，这种开发努力可为复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的技术人员而言将不过为设计、制作和制造的常规任务。

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”意图指的是存在元件中的一个或更多个。用语“包含”、“包括”和“具有”意图为包括的，并且指的是可存在除了列出元件之外的附加元件。

如下面详细讨论的，公开的实施例包括多管式燃料喷嘴，其具有构造成增加多管式燃料喷嘴的每个管中的燃料-空气混合的诱发混合特征。多管式燃料喷嘴包括多个平行管(例如，10至1000个管)，其接收在喷射到燃烧器(例如，燃气涡轮燃烧器)中之前在管内内部地混合的燃料和空气两者。诱发混合特征可配置在沿多管式燃料喷嘴的每个管的长度的任何位置处，并且可被大体描述为在管中形成扰流以促进燃料-空气混合的扰流器。在下面讨论的实施例中，诱发混合特征在多管式燃料喷嘴的每个管的入口的背景下存在，但是诱发混合特征可配置在多管式燃料喷嘴的每个管的任何上游部分(例如，每个管长度的最初0至50%)内。诱发混合特征可包括与每个管集成或分开的各种结构，诸如入口板、管的变形、添加的突起(例如，突片、尖头或齿)、线、表面纹理或交叉地延伸到穿过管的流动通路中的任何其它结构。例如，诱发混合特征可包括在每个管的入口处扰流的一个或更多个入口特征。入口特征可配置在横跨所有管延伸的混合增强入口板(例如，共用板或其它结构)上，或者每个单独的管可具有其自身的入口特征。例如，带有具有联接于每个管的上游轴向端部的入口特征的孔口的入口板可影响进入每个管的空气流，并且因此影响离开多管式燃料喷嘴的燃料-空气混合物。如下面讨论的，入口板的每个孔口可具有可影响空气流的入口特征(例如，突出部、楔形、剖面形状、线性突出部)。入口特征可产生漩涡，形成涡流，增加湍流，或者另外改进每个管内的空气流的混合而不改变管的直径和/或长度。进入每个管的空气流可为不同的，从而导致离开多管式燃料喷嘴的每个管的不同质量的燃料-空气混合物。因此，管之间的不同构型的入口特征可影响多管式燃料喷嘴的燃料-空气混合物，以在燃烧器中获得期望的燃料-空气混合物。

现在转向附图，图1示出了燃气涡轮系统10的实施例的方框图，燃气涡轮系统10可包括根据本实施例的具有至少一个诱发混合特征13的混合增强入口板12。系统10包括压缩机14(例如，一个或更多个压缩机级)、一个或更多个涡轮燃烧器16和涡轮18(例如，一个或更多个涡轮级)。每个涡轮燃烧器16包括一个或更多个燃料喷嘴20(例如，具有入口板12的多管式燃料喷嘴)，其将燃料22(例如，液体和/或气体燃料)和空气24的混合物喷射到相应涡轮燃烧器16中。压缩机14通过进气口26接收空气24，并且将压缩空气28引导到燃烧器16和燃料喷嘴20中。压缩空气28中的至少一些与燃料喷嘴20中的燃料22混合以形成用于在燃烧器16中燃烧的燃料-空气混合物40。如下面进一步详细讨论的，入口板12增强燃料22和空气24在燃料喷嘴20内(例如，在多管式燃料喷嘴20的每个管内)的混合，由此产生用于在燃烧器16中燃烧的更好燃料-空气混合物40。燃烧的燃料-空气混合物接着形成穿过涡轮18的热加压排气30，由此在通过排出出口34离开之前驱动涡轮轴32的旋转。涡轮轴32进而驱动压缩机14和诸如发电机的负载36的旋转。

如下面详细讨论的，燃料喷嘴20可为多管式燃料喷嘴，其包括接收燃料22和空气24并在每个管内将它们混合的多个大体平行的管(例如，10至1000个管)。在某些实施例中，每个燃料喷嘴20可为罐型喷嘴(例如，环形外本体)或扇形喷嘴(例如，楔形或截顶馅饼形外本体)。此外，每个燃烧器16可包括围绕中心燃料喷嘴20(例如，图2-4的喷嘴21)布置的多个周边燃料喷嘴20。公开的实施例通过添加诱发混合特征13(诸如，每个管的上游端部处的入口特征)而增强在多管式燃料喷嘴20的每个管内发生的燃料-空气混合。图1的实施例包括入口板12，其包括用于多管式燃料喷嘴20中的管中的每一个的诱发混合特征13(例如，入口特征)。因此，空气24(例如，压缩空气28)可在进入管中的每一个之前流动穿过具有入口特征的孔口，由此干扰进入管的空气流。扰流进而改进每个管内的燃料-空气混合。在公开的实施例中，入口板12直接配置在多管式燃料喷嘴20中的每个管的上游轴向端部处，例如，直接附接于或邻接上游轴向端部。由于多管式燃料喷嘴20的管中的改进的燃料-空气混合，故燃料喷嘴20可提供多个管之间的燃料-空气混合的更受控的分布(例如，一致或特定分布曲线)，由此改进燃烧效率和功率输出，减少污染排放物并且减少燃烧器16中的不合乎需要的燃烧动态。

图2是具有多个燃料喷嘴20的图1的燃烧器16的实施例的截面侧视图，每个燃料喷嘴包括具有诱发混合特征13的入口板12。燃烧器16包括外壳体或流动套筒50、同轴地配置在流动套筒50内的衬套51、端盖52、头端53、头端53的上游端部54和头端53的下游端部56。多个燃料喷嘴20(例如，多管式燃料喷嘴)安装在燃烧器16内。每个燃料喷嘴20包括从上游端部54延伸到下游端部56的燃料导管58，以及下游端部56处的燃料喷嘴头部59。燃料喷嘴头部59包括容纳多个管62(例如，10至1000个管)的燃料室60，多个管62包括在室60内的燃料入口和沿入口板12在室60外部的空气入口。在一些实施例中，每个燃料喷嘴头部59包括环绕燃料室60的喷嘴壁61。如以上指出的，每个燃料喷嘴头部59的喷嘴壁61可限定环形头部、楔形或截顶馅饼形头部或任何其它几何形状。不管头部59的形状，燃料22可从燃烧器16外部的源进入燃料导管58，并且流动至燃料喷嘴头部59内的燃料室60。一旦位于头部59内，则燃料进入多个管62并且与穿过管62的空气流混合。

压缩空气28还通过入口板12与多个管62流体连接。压缩空气28经由一个或更多个空气入口66如由箭头64大体指示地通过流动套筒50进入燃烧器16。穿过流动套筒50的压缩空气28有助于冷却衬套51以去除来自被衬套51环绕的燃烧室68内的燃烧的热。压缩空气28沿朝向端盖52的沿轴向72的上游空气流路径70前进。压缩空气28接着如由箭头76大体指示地流动到内流动路径74中，并且沿在轴向80上的下游空气流路径78继续行进穿过入口板12进入每个燃料喷嘴20的管束82(例如，管62)。

在某些实施例中，每个燃料喷嘴20的管束82包括互相成大体平行偏置关系的多个管62，其中，管62中的至少一些或全部构造成使压缩空气28和燃料22混合以形成用于喷射到燃烧室68中的燃料-空气混合物40。燃料22朝向每个燃料喷嘴20的下游端部56(例如，燃料喷嘴头部59)沿轴向80流动穿过沿燃料流动路径84的每个燃料导管58。燃料导管58可穿过入口板12的中心区。燃料22进入每个燃料喷嘴头部59的燃料室60，其中，燃料转移到多个管62中以与流动穿过入口板12并进入每个管62的上游端部的压缩空气28混合。在示出的实施例中，燃料喷嘴20的每个管62在其接收燃料22处的上游接收压缩空气28，由此将燃料22添加于压缩空气28的流。例如，每个管62可通过空气入口在管62的上游端部(例如，上游轴向端部)处接收空气28，然而管62通过燃料入口在更下游(例如，在管62的上游轴向端部下游的管62的长度的5%至50%)接收燃料22。此外，入口板12构造成在进入管62的空气28的流中(例如，在上游端部处)诱发混合，由此有助于促进每个管62内的空气28与燃料22之间的混合。

入口板12(例如，诱发混合特征13)可有助于控制进入管62的空气流的分布、湍流和使空气28在每个管62内与燃料22混合、从每个管62离开的最终燃料-空气混合物40，以及燃料-空气混合物40在用于每个燃料喷嘴20的多个管62之间的分布(例如，流动速率和燃料/空气比率)。假设空气流28不均匀地流动至每个燃料喷嘴20和头端53内的每个管62，则入口板12可有助于调节进入燃料喷嘴20和管62的空气流。例如，燃料导管58附近的管62可通过除了进一步远离燃料导管58的其它管62之外的管62接收不同空气流。同样地，中心燃料喷嘴20、21中的管62可通过除了环绕中心燃料喷嘴20、21的周边燃料喷嘴20之外的管62接收不同空气流。虽然入口板12可配置在远离燃料喷嘴20的管62的偏置距离处以提供用于进入管62的共用流的大体流调节，但是入口板12直接邻近或附于管62的上游轴向端部的放置可提供适用于进入每个单独的管62的空气流的特定流调节。换言之，直接邻近或附于管62的上游轴向端部的入口板12可使用用于每个管62的诱发混合特征13独立地控制每个管62内的燃料-空气混合，同时还有助于控制所有管62之间的分布或变化。入口板12的放置和操作在下面进一步详细地讨论。

图3是包括多个燃料喷嘴20(例如，多管式燃料喷嘴)的燃烧器16的实施例的正视平面图，每个燃料喷嘴20具有带有用于管62的诱发混合特征13的入口板12。燃烧器16包括支承多个燃料喷嘴20的帽部件90。如示出的，燃烧器16包括居中地位于帽部件90内并与燃烧器16的中心轴线92同轴的燃料喷嘴20(例如，中心燃料喷嘴21)。燃烧器16还包括绕着中心燃料喷嘴21周向地配置的多个燃料喷嘴20(例如，外燃料喷嘴94)。如示出的，6个外燃料喷嘴20、94环绕中心燃料喷嘴20、21。然而，在某些实施例中，燃料喷嘴20的数量以及燃料喷嘴20的布置可变化。每个燃料喷嘴20包括多个管62，并且因此每个燃料喷嘴20是多管式燃料喷嘴。如示出的，每个燃料喷嘴20的多个管62成多排96布置(例如，管62的同心环)。排96具有绕着每个燃料喷嘴20的中心轴线98的同心布置，并且可朝向燃料喷嘴周边102(例如，周壁)沿径向100延伸。在某些实施例中，排96的数量、每个排96的管62的数量和多个管62的布置可变化。在某些实施例中，燃料喷嘴20中的每一个可包括在下面详细讨论的不同构型的入口板12中的至少一个。在某些实施例中，仅中心燃料喷嘴20、21可包括不同的入口板12。可选地，在某些实施例中，仅外燃料喷嘴20、94可包括不同的入口板12。在一些实施例中，中心燃料喷嘴21和外燃料喷嘴94两者可包括不同的入口板12。此外，在一些实施例中，每个入口板12与其它入口板12分开。可选地，一个或更多个喷嘴20可具有共同的入口板12。如在下面讨论的，入口板12构造成控制每个管62内的燃料-空气混合和各个燃料喷嘴20的多个管62之间的流分布。

图4是包括多个燃料喷嘴20(例如，多管式燃料喷嘴)的燃烧器16的另一个实施例的正视平面图，每个燃料喷嘴20具有带有用于管62的诱发混合特征13的入口板12。燃烧器16包括沿绕着轴线92的周向104绕着燃料喷嘴20周向地延伸的周边支承件103。如示出的，燃烧器16包括中心燃料喷嘴20、21和绕着中心燃料喷嘴20、21周向地104配置的多个外燃料喷嘴20、106。如示出的，6个外燃料喷嘴106环绕中心燃料喷嘴20、21。然而，在某些实施例中，燃料喷嘴20的数量以及燃料喷嘴20的布置可变化。例如，外燃料喷嘴106的数量可为1至20、1至10或任何其它数量。燃料喷嘴20紧密地配置在周边支承件103内。因此，周边支承件103的内周边107限定用于燃烧器16的圆形喷嘴区域108。燃料喷嘴20的喷嘴壁61包含整个圆形喷嘴区域108。每个外燃料喷嘴106包括非圆形周边110。如示出的，周边110包括具有两个大体平行的侧面112和114的楔形或截顶馅饼形。侧面112和114为弧形，而侧面116和118为线性(例如，沿径向100分叉)。然而，在某些实施例中，外燃料喷嘴106的周边110可包括其它形状，例如，具有三个侧面的馅饼形。每个外燃料喷嘴106的周边110包括圆形喷嘴区域108的区。中心燃料喷嘴20、21包括周边120(例如，圆形周边)。在某些实施例中，周边120可包括其它形状，例如正方形、六边形、三角形或其它多边形。中心燃料喷嘴21的周边120配置在定心在燃烧器16的中心轴线92上的圆形喷嘴区域108的中心部分122处。

每个燃料喷嘴20(例如，21和106)包括多个管62。在图4中，为了清楚，仅在燃料喷嘴20中的一些的部分上示出管62。如示出的，每个燃料喷嘴20的多个管62成多排96布置。外燃料喷嘴106的管62的排96具有绕着燃烧器16的中心轴线92的同心布置。中心燃料喷嘴20、21的管62的排96也具有绕着燃烧器16的中心轴线92的同心布置。在某些实施例中，排96的数量、每排96的管62的数量和多个管62的布置可变化。燃料喷嘴20可包括在下面详细讨论的不同构型的入口板12中的至少一个。在某些实施例中，仅中心燃料喷嘴21可包括不同的入口板12。可选地，在某些实施例中，仅外燃料喷嘴106可包括不同的入口板12。在一些实施例中，中心燃料喷嘴21和外燃料喷嘴106两者可包括不同的入口板12。如下面讨论的，入口板12构造成控制每个管62内的燃料-空气混合和各个燃料喷嘴20的多个管62之间的流分布。

压缩空气28(例如，空气流132)可在与以上讨论的燃料喷嘴20中的燃料22混合之前进入管62的上游轴向入口130。图5是构造成安装在图1-4的燃料喷嘴20中的管62中的一个的实施例的图，示出了具有配置在管62的上游轴向入口130处的诱发混合特征13的入口板12。入口板12(具有诱发混合特征13)可专用于单独的管62，或者入口板12可为多个管62中的一些或全部所共用。在任一构型中，入口板12包括交叉地延伸到管62的流动路径中的至少一个诱发混合特征13(例如，突起、突片、齿、扰流器等)。在示出的实施例中，入口板12包括绕着管62的周壁134(例如，环形侧壁)布置的多个诱发混合特征13，其中，诱发混合特征13直接配置在管62的上游轴向入口130处。然而，诱发混合特征13可配置在管62的任何上游部分129处，使得空气流132穿过在用于燃料22的燃料入口131上游的诱发混合特征13。因此，诱发混合特征13有助于促进空气流132(例如，压缩空气28)在作为燃料-空气混合物40排放之前在管62内与燃料22的混合。

出于讨论的目的，在没有入口板12及其相关的诱发混合特征13的情况下，管62内的燃料-空气混合可受到一定限制并且基于管62的若干设计参数。通常，湍流流体流可提供比层流更大的混合量。对于进入不具有入口板12的管62的流而言，通过扩散的适度混合可由于管62的周壁134附近的主要层流而在该区中发生，而上游轴向入口130附近的大部分混合可为由进入的流体射流的湍流引起的管62的中心附近(即，沿其纵向轴线136)的射流驱动的混合。在没有入口板12的情况下，射流驱动的混合对于在大约2至10之间的长度138与直径140(L/D)的比率而言可为主要的；然而，其可被主要限制于管62绕着纵向轴线136的中心区。在没有入口板12的情况下，由于管62与流体之间的摩擦而产生的扩散混合和长度混合可在L/D比率大于大约10时变成主要的。在没有入口板12的情况下，大约15至20的L/D的混合长度可用于通过管62的出口142实现充分混合。例如，在没有入口板12的情况下，对于小于20的L/D比率而言，压缩空气28和燃料22可仅被部分混合，其中，离开中心部分(例如，沿轴线136)的燃料-空气混合物40比从周壁134附近离开的燃料-空气混合物40更好地混合。然而，在没有入口板12的情况下，L/D比率可需要为甚至更大的以确保期望水平的混合，以使混合物40足够稳健以适应燃料组分、温度和压力的变化。管62的L/D比率可通过减小每个管62的直径140并且/或者增大每个管62的长度138而增大，然而减小直径140和增大长度138存在某些缺点。例如，具有小直径140的管62可由于摩擦而具有显著的压力损失，并且可不能运送与具有大直径140的管62相同的流量。另外，大量小直径管62可为庞大、昂贵、维护或修理复杂的，并且需要比较少数量的较大直径管62更多的加工和处理。较长的管62可为昂贵的，并且/或者占据比可对于特定应用而言期望的更多的用于充分混合的线性空间。因此，通过调整L/D比率而实现的任何混合增强可受到一定限制并且为昂贵的。不过，彻底混合的燃料-空气混合物40可实现燃烧器16内的最佳燃烧。

在公开的实施例中，具有其诱发混合特征13的入口板12解决了通过调整前述参数(例如，L/D比率)而改进混合的限制。入口板12的诱发混合特征13构造成干扰管62的入口130附近的流，以改进混合并且/或者利用较短长度138的管62提供相似的混合。如由曲线144示出的，入口板12的诱发混合特征13在燃料入口131上游的空气流132中产生大规模涡旋和/或小规模涡流(例如，湍流或回旋流144)，由此在燃料22流动穿过入口131进入管62时显著地增加燃料22的混合。在某些实施例中，入口板12的诱发混合特征13可配置在离燃料入口131的轴向偏置距离146处，其中，轴向偏置距离146为管62的全长138的大约0至75%、10%至50%或15%至25%。在轴向入口130附近产生的回旋流144可干扰轴向入口130附近的任何层流流体流的全部或一部分，由此改进遍及管62的混合。回旋流144可增强横跨管62的整个直径140的混合，由此确保燃料-空气混合物40在离开管62之后更均匀。如认识到的，回旋流144可大体为与从入口130到出口142穿过管62的流132的方向相反的旋转流的区。回旋流144为补充以上详细讨论的射流驱动混合、扩散混合和长度混合的混合驱动器。此外，回旋流144可为独立于L/D比率的混合驱动器。例如，具有由诱发混合特征13产生的回旋流144的短管62可具有比不具有这种附加诱发混合特征13的较大长度138和/或较小直径140的管62更好的混合质量和稳健性。增加燃料-空气混合物40的稳健性还可容许燃料喷嘴20利用不同燃料22操作并在不同温度和压力下以改进的特性操作。此外，装备有入口板12的燃料喷嘴20还可以以改进的混合性能在燃料-空气混合物40的较宽范围内操作。

图6-11是入口板12的图，示出了诱发混合特征13的各种实施例。如示出的，入口板12的每个实施例包括具有至少一个交叉扰流或扰流器160的诱发混合特征13。每个扰流器160配置在入口板12的孔口162中，以改进管62中的混合。孔口162大体与管62的轴向入口130对齐(例如，同轴或同心)，并且可具有与管62大致相同的直径140。然而，扰流器160以管62的直径140的大约1%至100%、5%至75%、10%至50%或15%至25%的距离例如沿径向165向内延伸超出管62的周壁134的外边界。扰流器160可包括入口板12的从孔口162的周边166进入孔口162的任何类型的突出部164，其可改变进入每个管62的空气流132的全部或一部分。例如，扰流器160可包括线、网格或网状物、齿、矩形突片、三角形突片、表面纹理或凹槽或它们的任何组合。

扰流器160在每个管62中产生回旋流144(例如，大规模涡旋和/或小规模涡流)，由此改进每个管62中的混合并且/或者将某些流动特性给予空气流132。在穿过入口板12之后，空气流132基本上立即以回旋流144进入管62，回旋流144接着便于与通过燃料入口131(例如，1至100个入口)进入的燃料22的燃料-空气混合。在一些实施例中，入口板12联接于多个管62，使得入口板12直接邻接并且/或者环绕每个管62的上游轴向入口130。例如，入口板12可焊接、硬焊或螺栓连接在适当的位置，使得孔口160直接通向管62的入口130。在一个实施例中，入口板12包括凹入的凹槽167，其接收每个管62的轴向入口130并与其一起密封。在另一个实施例中，每个管62可螺纹连接到入口板12中。此外，每个板12可包括用于单个管62的单个孔口162和相关的突出部164，或者每个板12可具有多个孔口162和相关的突出部164以容纳多个管62。

图6是带有具有诱发混合特征13(例如，扰流器160)的入口板12的管62的实施例的局部透视图，诱发混合特征13包括进入孔口162的成形为楔形部或三角翼突出部168的突出部164。该楔形部168可在于轴向入口130处进入到管62中的空气流132中产生回旋流144。单个楔形部168可影响局部区或整个管62内的混合，同时仅妨碍穿过孔口162的空气流132的一部分。在诱发混合特征13下游，燃料入口131可延伸穿过管62的周边134，并且将燃料22喷射到空气流132中。在另一个实施例中，扰流器160可包括如图7所示地突出到孔口162中的多个楔形部168。

图7是具有诱发混合特征13(例如，扰流器160)的入口板12的实施例的正视图，诱发混合特征13包括绕着孔口162和管62的轴线136隔开的成形为楔形部或三角翼突出部168的多个突出部164。多个楔形部168可通过诱发比单个楔形部168更多的回旋流144而改进管62内的混合。在该实施例中，每个楔形部168可以以管62的直径140的大约5%至40%或10%至25%的径向距离朝向轴线136向内沿径向165延伸。

图8是具有诱发混合特征13(例如，扰流器160)的入口板12的实施例的正视图，诱发混合特征13包括向孔口162和管62的轴线136会聚的多个突出部164(例如，4个突出部)。换言之，突出部164可互相交叉地延伸，同时还互相相交以限定网格或网状物170。例如，网状物170可包括第一交叉部件172和第二交叉部件174，第一交叉部件172和第二交叉部件174成垂直或其它的交叉关系互相交叉以限定“X”形网状物170或“+”形网状物。以该方式，网状物170限定孔口162的4个扇区或象限，其中，象限由部件172和174划分。

图9是具有诱发混合特征13(例如，扰流器160)的入口板12的实施例的正视图，诱发混合特征13包括横跨孔口162和管62大体互相平行的多个突出部164(例如，两个突出部178和180)。换言之，突出部164可限定格栅176。例如，格栅176可包括将孔口162划分为多个平行扇区(例如，三个扇区)的第一平行部件178和第二平行部件180。在其它实施例中，任何数量的平行部件(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多)可按平行布置横跨孔口162配置。在其它实施例中，突出部164可将孔口162划分为多个非平行的扇区。

图10和图11是具有诱发混合特征13(例如，扰流器160)的入口板12的另一个实施例的俯视图和侧视图，诱发混合特征13包括既沿径向165又沿轴向80延伸到管62中的突出部164。与图6的实施例相似，图10和图11的突出部164为还包括弯曲或成角度的部分184的单个楔形突出部182。图11的成角度的部分184远离板12的平面186沿下游轴向80成角度或弯曲，但是成角度的部分184的其它实施例可远离板12的平面186沿上游轴向186成角度或弯曲。该成角度的部分同样可适用于以上参考图1-9提出的实施例中的任何一个。例如，图5-9的诱发混合特征13(例如，扰流器160)中的每一个可包括向上成角度的部分和/或向下成角度的部分，以增强入口130处的混合。

在某些实施例中，诱发混合特征13(例如，扰流器160)可与入口板12一体地形成(例如，单件式)，而诱发混合特征13(例如，扰流器160)的其它实施例可与入口板12分开但附接于入口板12。在板12的单件式结构中，诱发混合特征13(例如，扰流器160)可通过冲孔、铸造、加工或另外从板12去除至少一些材料以形成孔口162同时保留孔口162中的至少一些材料以限定突出部164而形成。在一些实施例中，可采用直接金属激光烧结(DMLS)或其它添加制作技术来形成具有扰流器160的入口板12。此外，突出部164的成角度的部分184可同时或分开地形成在板12上。例如，单次冲孔操作可同时形成孔口162、突出部164和突出部164的成角度的部分184。然而，任何合适的技术可用于形成突出部164。在其它实施例中，突出部可经由焊接、硬焊、螺栓或其它紧固件附接于板12。另外，入口板12可联接于流动套筒50、燃料导管58或燃料喷嘴20。

在一些实施例中，入口板12的每个孔口162可对应于管62。在实施例中，每个孔口162与管束82的对应管62同心。在该实施例中，利用具有与管62同心的孔口162的入口板12，扰流器160可改变进入每个管62的空气流132。可选地，入口板12的每个孔口162可不与管束82的每个相应管62同心，而是每个孔口162的周边166可部分地在每个管62的轴向入口130上面延伸。例如，每个管轴线136可从孔口轴线偏置，由此使周边166在轴向入口130上面延伸。入口板12的该构型可使每个孔口162的扰流器160和在轴向入口130上面延伸的周边166两者改变进入管62的空气流132。

不同构型的入口板12可用于形成用于不同燃料喷嘴20的不同质量的燃料-空气混合物40。图12示出了具有多个孔口162的入口板12的一部分的实施例，孔口162具有在入口板下游的多个管62之间的不同构型的入口特征(例如，扰流器160)。在实施例中，第一排190的每个孔口162可具有进入孔口162的单个突出部164(例如，图6)，第二排192的每个孔口162可具有横跨孔口162的网状物170(例如，图8)，而第三排194的每个孔口162可具有绕着孔口162隔开的多个楔形突出部182(例如，图7)。横跨入口板12的不同构型的扰流器160不受限于孔口162的排(例如，190、192和194)。例如，入口板12的第一区段198的孔口162可具有第一扰流器160，第二区段200的孔口162可具有第二扰流器160，而第三区段202的孔口162可具有第三扰流器160。相同扰流器160的方位还可横跨入口板12不同。

一些扰流器160可比其它扰流器更加改进管62内的混合。在一些实施例中，扰流器160可选择性地放置成产生用于每个喷嘴20的特定燃料-空气混合物40。一些扰流器160可向燃料-空气混合物40提供特定空气流特性(例如，漩涡方向、快速混合)，其使喷射的燃料-空气混合物40对于某些状态而言更稳健。在一些实施例中，具有特定扰流器160的入口板12可配置在某些管62的入口处，该入口将燃料-空气混合物40喷射到燃烧室68的呈现这种状态的区中。例如，如果燃烧室68的邻近中心燃料喷嘴21的区呈现再循环，并且具有成角度的部分184的楔形突出部182在燃料-空气混合物40中产生减少再循环的漩涡，则用于中心燃料21的入口板12的孔口162可包括具有成角度的部分184的楔形突出部182。

在其它实施例中，每个孔口162可基于管62在燃料喷嘴20和/或燃烧器16内的位置而包括用于每个管62的不同类型的扰流器160。因此，每个燃料喷嘴20可包括任何数量(例如，1至100或更多)的不同类型的扰流器164，以控制在多个管62之间的总体流分布和燃料-空气混合。如以上指出的，管62内的混合可被管62在燃料喷嘴20内的位置影响。例如，与喷嘴20的周边102附近的管62相比，射流驱动混合可在每个喷嘴20的中心轴线98附近的管62的入口中为更加主要的。这可导致较不彻底地混合的燃料-空气混合物40。同样地，与燃烧器16的周边附近的管62相比，射流驱动混合可在燃烧器16的中心轴线92附近的管62中为更加主要的。用于呈现该特性的每个管62的孔口162可包括特定扰流器160以应对该特性，并且通过在管62内形成湍流而改进用于相应管62的混合。

虽然已参考图1-10示出和描述诱发混合特征13(例如，扰流器160)的特定实施例，但是扰流器160可包括进入孔口162的任何类型、形状或样式的突出部164，包括旋转对称(例如，图7)和不对称的突出部(例如，图6)、规则和不规则的形状、与其它混合特征相交的混合特征(例如，图9)，以及横跨孔口162的全部或一部分的混合特征(例如，图9和图10)。

该书面的描述使用实例以公开本发明(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执行任何并入的方法)。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实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种多管式燃料喷嘴系统，其包括：

多管式燃料喷嘴，其包括：

包括多个孔口的入口板，其中，每个孔口包括入口特征；以及

邻近所述入口板的多个管，其中，所述多个管中的每个管联接于所述多个孔口中的一个孔口，并且所述多管式燃料喷嘴包括在所述多个管之间的不同构型的入口特征；

其中，每个孔口的所述入口特征包括至少一个诱发混合特征，并且所述诱发混合特征包括交叉地延伸到所述孔口中的至少一个突出部。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个管中的每个管在相应管的轴向端部处联接于所述多个孔口中的相应孔口，并且构造成通过所述相应孔口接收空气流。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个管中的每个管包括在相对于所述入口板的下游位置处的燃料入口。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不同构型的入口特征包括在所述多个孔口之间的不同的诱发混合特征。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个突出部沿穿过所述孔口的空气流的上游方向或下游方向成角度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个突出部包括单个楔形突起。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个突出部包括横跨所述孔口互相交叉地延伸的部件的网格。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个突出部包括横跨所述孔口互相平行地延伸的部件的网格。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个突出部包括绕着所述孔口的轴线对称地布置的多个突起。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括共用所述入口板的多个多管式燃料喷嘴。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括具有所述多管式燃料喷嘴的涡轮燃烧器或涡轮发动机。

12.一种多管式燃料喷嘴，其包括：

燃料喷嘴入口板，其构造成邻近多管式燃料喷嘴的管安装，其中，所述燃料喷嘴入口板包括：

孔口，其构造成与所述管的上游轴向入口对齐；以及

诱发混合特征，其配置在所述孔口中，其中，所述诱发混合特征包括交叉地延伸到所述孔口中的突出部，所述诱发混合特征构造成增加穿过所述孔口到所述管中的空气流与通过所述上游轴向入口下游的燃料入口进入所述管的燃料流之间的混合。

13.根据权利要求12所述的多管式燃料喷嘴，其特征在于，所述突出部仅部分地横跨所述孔口延伸。

14.根据权利要求12所述的多管式燃料喷嘴，其特征在于，所述突出部完全横跨所述孔口延伸。

15.根据权利要求12所述的多管式燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴入口板包括多个孔口，每个孔口具有至少一个诱发混合特征，并且所述燃料喷嘴入口板在所述多管式燃料喷嘴的多个管之间被共用。

16.根据权利要求12所述的多管式燃料喷嘴，其特征在于，所述突出部包括横跨所述孔口互相交叉地延伸的部件的网格、横跨所述孔口互相平行地延伸的部件的格栅、绕着所述孔口的轴线对称地布置的多个突起、单个楔形突起，或沿穿过所述孔口的所述空气流的上游方向或下游方向成角度的至少一个突出部。

17.一种用于多管式燃料喷嘴的方法，其包括：

将空气接收到延伸穿过多管式燃料喷嘴的本体的多个管中，其中，所述多个管中的每个管通过具有所述管的上游轴向端部处的至少一个诱发混合特征的孔口吸入所述空气，其中，与所述多个管相关的所述孔口配置在邻近所述多个管配置的至少一个入口板上；

在所述管的上游轴向端部的下游位置处将燃料接收到所述多个管中的每个管中；以及从所述多个管输出燃料-空气混合物；

其中，每个孔口在所述管的上游轴向端部包括至少一个诱发混合特征，并且所述诱发混合特征包括交叉地延伸到所述孔口中的至少一个突出部。