CN106574777B - 用于涡轮发动机中的燃烧器内的燃料喷嘴的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮发动机（14）中的燃料系统的冷却系统（10），该冷却系统（10）可用于使燃料喷嘴（16）冷却。冷却系统（10）可以包括定位在燃料喷嘴（16）周围的一个或多个冷却系统壳体（18），使得冷却系统壳体（18）形成至少部分地由冷却系统壳体（18）的内表面（22）和燃料喷嘴（16）的外表面（24）限定的冷却室（20）。燃料喷嘴（16）可以延伸进入至少部分地由燃烧器壳体（32）形成的燃烧器室（26）中。燃料喷嘴（16）可以包括一个或多个燃料排出孔（28），该燃料排出孔（28）在燃料喷嘴（16）的外表面（24）中具有开口（30）并且被构造成排出不受形成冷却系统冷却室（20）的壳体（18）限制的流体。冷却系统（10）可以提供冷却流体以使冷却系统冷却室（20）内的燃料喷嘴（16）冷却，而不论燃料喷嘴（16）是否在使用中。

Description

用于涡轮发动机中的燃烧器内的燃料喷嘴的冷却系统

关于联邦政府资助的研究或发展发的声明

本发明的发展部分地由美国能源部的“高级涡轮发展计划”（合同号DE-FC26-05NT42644）支持。因此，美国政府在本发明中可以具有一些权利。

技术领域

本发明一般涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器内的燃料系统的各部件的冷却系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括用于将燃料喷射至燃烧器中以便在火焰区的上游与空气混合的多个喷射器。常规的涡轮发动机的燃料喷射器可以以至少三种不同方案中的一种方案而布置。燃料喷射器可以定位在贫预混（lean premix）火焰系统中，在该系统中，燃料在空气流中被喷射到燃料/空气混合物被点燃的位置的上游足够远处，使得空气和燃料在火焰区中燃烧时被完全混合。燃料喷射器还可以被构造在扩散火焰系统中，使得燃料与空气混合并且同时燃烧。在通常被称为部分预混系统的另一种构造中，燃料喷射器可以在火焰区的上游的足够距离处喷射燃料，使得空气中的一些与燃料混合。部分预混系统是贫预混火焰系统和扩散火焰系统的组合。

此外，轴向级燃料喷嘴已经被定位在主燃烧区下游的二级燃烧区内。轴向级燃料喷嘴能够实现在低NOx和降低的燃烧器动力学的情况下的高温操作。轴向级燃料喷嘴能够在主燃烧区的下游排放燃料或燃料与稀释剂（通常是蒸汽）的混合物。如果燃料或稀释剂蒸汽流被切断，轴向级燃料喷嘴通常将失效。虽然蒸汽稀释剂可以有效地用作冷却剂，但它是昂贵的。因此，需要更加成本有效的冷却系统。

发明内容

用于涡轮发动机中的燃料系统的冷却系统被公开，该冷却系统可用于使燃料喷嘴冷却。该冷却系统可以包括定位在燃料喷嘴周围的一个或多个冷却系统壳体，使得冷却系统壳体形成至少部分地由冷却系统壳体的内表面和燃料喷嘴的外表面限定的冷却室。燃料喷嘴16可以延伸进入至少部分地由燃烧器壳体形成的燃烧器室中。燃料喷嘴可以包括一个或多个燃料排出孔，该燃料排出孔在燃料喷嘴的外表面中具有开口并且被构造成排出不受形成冷却系统冷却室的壳体限制的流体。该冷却系统可以提供冷却流体以便使冷却系统冷却室内的燃料喷嘴冷却，而不论燃料喷嘴是否在使用中。

在至少一个实施例中，冷却系统可以包括延伸进入至少部分地由燃烧器壳体形成的燃烧器室中的一个或多个燃料喷嘴。该燃料喷嘴可以包括在燃料喷嘴的外表面中具有开口的一个或多个燃料排出孔。冷却系统可以包括定位在燃料喷嘴周围的冷却系统壳体。该冷却系统壳体可以形成至少部分地由冷却系统壳体的内表面和燃料喷嘴的外表面限定的冷却室。在至少一个实施例中，燃料喷嘴可以是定位在二级燃烧区内的轴向级喷嘴。燃料喷嘴可以被定位成总体正交于二级燃烧区内的热气体流的方向。燃料喷嘴可以与燃料源连通并且与蒸汽源连通，由此形成燃料与蒸汽的混合喷嘴。

在至少一个实施例中，冷却系统壳体可以与燃料喷嘴同心。冷却系统壳体可以包括具有锥形形状的外表面。冷却系统壳体可以包括具有锥形形状的内表面。在冷却系统壳体的远端处的燃料喷嘴的外表面与冷却系统壳体的内表面之间的距离可以小于在燃烧器壳体处的近端处的燃料喷嘴的外表面与冷却系统壳体的内表面之间的距离。与燃料喷嘴的远端相比，冷却系统壳体的远端可以更靠近于燃烧器壳体终止。燃料喷嘴的远端可以从冷却系统的远端延伸四分之一英寸与一又四分之一英寸之间的距离。燃料喷嘴的远端从冷却系统的远端延伸四分之一英寸与四分之三英寸之间的距离。燃料喷嘴的远端可以包括一个或多个排出孔，该排出孔排出不受形成冷却系统冷却室的壳体限制的流体。冷却系统还可以包括从冷却系统壳体的内表面延伸的一个或多个定中支柱，用于维持壳体在燃料喷嘴周围的位置。

在使用期间，壳体空气可以被喷射至燃烧器中用于燃烧。代替被喷射至燃烧器中，壳体空气的一部分可以被排出并喷射至由冷却系统壳体和燃料喷嘴之间的空间形成的冷却室中。同样地，冷却系统用少量的壳体空气覆盖燃料喷嘴以使燃料喷嘴冷却，而不论燃料喷嘴是否在使用中。因此，当主燃烧区内的燃料喷嘴被使用时，在燃气涡轮发动机的整个操作时间中无需使用二级燃烧区内的燃料喷嘴。代替地，冷却系统提供灵活性，使得可以在不使用二级燃烧区内的燃料喷嘴16的情况下使用主燃烧区内的燃料喷嘴。

该冷却系统的优点在于，该冷却系统将冷却空气提供至围绕燃料喷嘴的至少一部分的冷却室，由此即使燃烧器在操作中并且燃料喷嘴定位在燃烧器室内，也防止在没有使用时损坏燃料喷嘴。喷嘴能够延伸超出冷却室，因为冷却空气膜被形成在保护喷嘴的尖端的通道中。

该冷却系统的另一个优点在于，该冷却系统的使用能够实现当通向喷嘴的燃料被切断时连接到该燃料喷嘴的蒸汽供应被切断，这不同于即使当通向喷嘴的燃料被切断时蒸汽也必须连续地被供应至燃料喷嘴的常规系统，从而防止高温燃烧气体对燃料喷嘴的损坏。

该冷却系统的又一个优点在于，定中支柱使冷却系统壳体在燃料喷嘴周围对准。

该冷却系统的另一个优点在于，该冷却系统将冷却空气提供至围绕燃料喷嘴的冷却室，在使用期间燃料和蒸汽的混合物通过该燃料喷嘴排出并且在不使用的时间段期间没有蒸汽或燃料通过该燃料喷嘴。

该冷却系统的又一个优点在于，该冷却系统壳体可以具有确保燃料喷嘴保持冷却但不影响来自燃料喷嘴尖端的燃料喷射模式的长度。

下面更详细地描述这些和其它实施例。

附图说明

并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图图解说明了当前公开的发明的实施例，并且连同本说明书一起公开了本发明的原理。

图1是在燃烧器中包括燃料系统的涡轮发动机的一部分的横截面侧视图，其中，燃料喷嘴定位在具有用于保护该燃料喷嘴的冷却系统的二级燃烧区中。

图2是燃烧器的示意图，其中，燃料喷嘴定位在具有用于保护该燃料喷嘴的冷却系统的二级燃烧区中。

图3是定位在燃烧器内的二级燃烧区中的燃料喷嘴的透视图。

图4是定位在燃烧器内的二级燃烧区中的燃料喷嘴的透视图，其中，冷却系统定位在该燃料喷嘴周围。

图5是冷却系统壳体的透视图，冷却系统壳体具有从该冷却系统壳体的内表面径向地向内延伸的多个定中支柱。

图6是沿图4中的截面线6-6截取的冷却系统和燃料喷嘴的横截面视图。

具体实施方式

如图1-图6中所示，用于涡轮发动机14中的燃料系统12的冷却系统10被公开，该冷却系统10可用于使燃料喷嘴16冷却。冷却系统10可以包括定位在燃料喷嘴16周围的一个或多个冷却系统壳体18，使得冷却系统壳体18形成至少部分地由冷却系统壳体18的内表面22和燃料喷嘴16的外表面24限定的冷却室20。燃料喷嘴16可以延伸进入至少部分地由燃烧器壳体32形成的燃烧器室26中。燃料喷嘴16可以包括一个或多个燃料排出孔32（如图3和图4中所示），该燃料排出孔32在燃料喷嘴16的外表面24中具有开口30并且被构造成排出不受形成冷却系统冷却室20的壳体18限制的流体。冷却系统10可以提供冷却流体以便使冷却系统冷却室20内的燃料喷嘴16冷却，而不论燃料喷嘴16是否在使用中。

在至少一个实施例中，冷却系统10可以包括一个或多个燃料喷嘴16，如图3中所示，该燃料喷嘴16延伸进入至少部分地由燃烧器壳体32形成的燃烧器室26中。燃料喷嘴16可以包括在燃料喷嘴16的外表面24中具有开口30的一个或多个燃料排出孔28，如图3和图4中所示。冷却系统壳体18可以定位在燃料喷嘴16周围。在至少一个实施例中，燃料喷嘴16可以是定位在二级燃烧区34内的轴向级喷嘴16，该二级燃烧区34位于主燃烧区36的下游，如图1和图2中所示。燃料喷嘴16可以定位成总体正交于二级燃烧区34内的热气体流的方向。燃料喷嘴16可以与燃料源38连通并且与蒸汽源40连通，由此形成组合的燃料和蒸汽喷嘴16。

冷却系统壳体18，如图4和图5中所示，形成至少部分地由冷却系统壳体18的内表面22和燃料喷嘴16的外表面24限定的冷却室20。在至少一个实施例中，冷却系统壳体18可以与燃料喷嘴16同心。如图6中所示，冷却系统壳体18可以包括具有锥形形状的外表面。冷却系统壳体18可以包括具有锥形形状的内表面22。在至少一个实施例中，在冷却系统壳体18的远端42处的燃料喷嘴16的外表面24与冷却系统壳体18的内表面22之间的距离小于在燃烧器壳体32处的近端44处的燃料喷嘴16的外表面24与冷却系统壳体18的内表面22之间的距离。

与燃料喷嘴16的远端46相比，冷却系统壳体18的远端42可以更靠近于燃烧器壳体32终止，如图4和图6中所示。燃料喷嘴16的远端46可以从冷却系统10的远端42延伸四分之一英寸与一又四分之一英寸之间的距离。在另一个实施例中，燃料喷嘴16的远端46可以从冷却系统10的远端42延伸四分之一英寸与四分之三英寸之间的距离。燃料喷嘴16的远端46可以包括一个或多个排出孔28，该排出孔28排出不受形成冷却系统冷却室20的壳体18限制的流体。

冷却系统壳体18可以由能够暴露于燃烧器26内存在的高温气体的材料形成。冷却系统壳体18可以由以下材料形成：（例如但不限于）HASTELLOY材料和INCONEL材料。

如图5中所示，冷却系统壳体18可以包括从壳体18的内表面22朝向壳体18的中心线50延伸的一个或多个定中支柱48，用于维持壳体18在燃料喷嘴16周围的位置。定中支柱48可以与燃料喷嘴16的外表面24接触或者可以不与燃料喷嘴16的外表面24接触。在其中定中支柱48与燃料喷嘴16的外表面24接触的实施例中，定中支柱48的整个长度或者定中支柱48的一部分可以与燃料喷嘴16接触。定中支柱48可以延伸冷却系统壳体18的整个长度或者延伸壳体18的长度的一部分。在至少一个实施例中，冷却系统10可以包括从冷却系统壳体18径向地向内延伸的三个定中支柱48。在其它实施例中，冷却系统10可以包括从冷却系统壳体18径向地向内延伸的另外数量的定中支柱48，例如一个、两个、四个或更多的定中支柱48。

在使用期间，壳体空气可以被喷射至燃烧器室26中用于燃烧。代替被喷射至燃烧器室26中，壳体空气的一部分可以被排出并喷射至由在冷却系统壳体18和燃料喷嘴16之间的空间形成的冷却室20中。同样地，冷却系统10用少量的壳体空气覆盖燃料喷嘴16以使燃料喷嘴16冷却，而不论燃料喷嘴16是否在使用中。因此，当主燃烧区36内的燃料喷嘴被使用时，在燃气涡轮发动机14的整个运行时间中无需使用二级燃烧区34内的燃料喷嘴16。代替地，冷却系统10提供灵活性，使得在不使用二级燃烧区34内的燃料喷嘴16的情况下可以使用主燃烧区36内的燃料喷嘴。

为了说明、解释和描述本发明的实施例的目的而提供前述内容。这些实施例的修改和改变对于本领域技术人员将是明显的，并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下做出这些修改和调整。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机（14）的燃料系统的冷却系统（10）， 其特征在于，

至少一个燃料喷嘴（16）延伸进入至少部分地由燃烧器壳体（32）形成的燃烧器室（26）中，其中，所述至少一个燃料喷嘴（16）包括在所述至少一个燃料喷嘴（16）的外表面（24）中具有开口（30）的至少一个燃料排出孔（28）；以及

至少一个冷却系统壳体（18）定位在所述至少一个燃料喷嘴（16）周围，其中，所述至少一个冷却系统壳体（18）形成至少部分地由所述至少一个冷却系统壳体（18）的内表面（22）和所述至少一个燃料喷嘴（16）的外表面（24）限定的冷却室（20），其中，所述冷却室（20）传输冷却空气，所述冷却空气被设置成围绕所述燃料喷嘴（16）并且因此在燃烧器操作期间冷却所述燃料喷嘴（16），而不论所述燃料喷嘴是否在使用中；

其中，与所述至少一个燃料喷嘴（16）的远离所述燃烧器壳体（32）的远端（46）相比，所述至少一个冷却系统壳体（18）的远离所述燃烧器壳体（32）的远端（42）更靠近于所述燃烧器壳体（32）终止；

其中，至少一个定中支柱（48）从所述至少一个冷却系统壳体（18）的所述内表面（22）径向地向内延伸，用于维持所述至少一个冷却系统壳体（18）在所述燃料喷嘴（16）周围的位置。

2.如权利要求1所述的冷却系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴（16）是定位在二级燃烧区（34）内的轴向级喷嘴。

3.如权利要求2所述的冷却系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴（16）被定位成总体上正交于所述二级燃烧区（34）内的热气体流的方向。

4.如权利要求1所述的冷却系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴（16）与燃料源（38）连通并且与蒸汽源（40）连通，由此形成组合的燃料和蒸汽喷嘴。

5.如权利要求1所述的冷却系统（10），其特征在于，所述至少一个冷却系统壳体（18）与所述至少一个燃料喷嘴（16）同心。

6.如权利要求1所述的冷却系统（10），其特征在于，所述至少一个冷却系统壳体（18）包括具有锥形形状的所述外表面（24），以及其中，所述至少一个冷却系统壳体（18）包括具有锥形形状的所述内表面（22）。

7.如权利要求1所述的冷却系统（10），其特征在于，在所述至少一个冷却系统壳体（18）的远端（42）处的所述至少一个燃料喷嘴（16）的所述外表面（24）与所述至少一个冷却系统壳体（18）的所述内表面（22）之间的距离小于在所述燃烧器壳体（32）处的近端处的所述至少一个燃料喷嘴（16）的所述外表面（24）与所述至少一个冷却系统壳体（18）的所述内表面（22）之间的距离。

8.如权利要求1所述的冷却系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴（16）的所述远端（46）从所述至少一个冷却系统壳体（18）的所述远端（42）延伸0.64厘米至3.18厘米的范围内的距离。

9.如权利要求1所述的冷却系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴（16）的所述远端（46）从所述至少一个冷却系统壳体（18）的所述远端（42）延伸0.64厘米至1.90厘米的范围内的距离。

10.如权利要求1所述的冷却系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴（16）的所述远端（46）包括至少一个排出孔（28），所述至少一个排出孔（28）排出不受形成至少一个冷却系统冷却室（20）的壳体（18）限制的流体。

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