CN107035532A - 燃气涡轮机的燃烧系统中的分级燃料和空气喷射 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮机的燃烧系统中的分级燃料和空气喷射，具体而言，涉及一种燃气涡轮机，其包括从燃烧器(13)中的前喷射器(21)向后延伸的工作流体流径(37)。燃烧器(13)可包括内径向壁(24)，外径向壁(25)，以及它们之间的流环道(26)。分级喷射器(51)可与流环道(26)相交，以便获得工作流体流径(37)内的喷射点，通过该喷射点限定后环形区段和前环形区段。空气指引结构可包括对应于后环形区段的后入口区段和对应于前环形区段的前入口区段。空气指引结构可构造成：将穿过后入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过后环形区段至分级喷射器(51)；以及将穿过前入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过前环形区段至前喷射器(21)。

Description

燃气涡轮机的燃烧系统中的分级燃料和空气喷射

联邦政府资助的研究申明

本发明在由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下的政府支持下完成。美国政府具有对本发明的一些权利。

技术领域

本申请大体上涉及燃烧或燃气涡轮发动机内的燃烧系统。更具体地，但并非作为限制，本申请描述了与空气和燃料在此类燃烧系统中的下游或轴向分级喷射相关的新型系统、装置和/或方法，以及与之相关的冷却系统和构件。

背景技术

如将会认识到的，在过去几十年来，由于先进的技术已经实现增大发动机尺寸以及更高的操作温度，因而燃烧或燃气涡轮发动机(“燃气涡轮机”)的效率已经极大地改善。已经允许此类成就的技术进步包括用于冷却热气体路径构件的新的热传递技术，以及新的更耐久的材料。然而，在此时间范围期间，颁布了限制某些污染物的排放水平的规章性标准。具体地，NOx，CO和UHC(它们都对发动机的操作温度和燃烧特性敏感)的排放水平已经变得被更严格地规定。在这些中，NOx的排放水平对于在较高发动机点火温度下的增加尤其敏感，并且因此，此污染物对于点火温度可以进一步升高多少变成了显著的限制。由于更高的运行温度通常导致更高效的发动机，因此这妨碍了效率的进一步提高。因此，与常规燃烧系统相关的性能限制变成了限制更高效的燃气涡轮机的发展的因素。

其中已经提高了燃烧系统出口温度，同时还依然保持可接受的排放水平以及冷却要求的一种方式是通过轴向分级燃料和空气喷射。这典型地要求增大经过燃烧器的空气体积，并指引比该体积更多的空气至相对于主喷射器轴向地在下游隔开的喷射器，主喷射器位于燃烧器的前端。如将会理解的，此增大的空气流的体积导致对于该单元的空气动力学性能产生更显著的影响。更具体地，最小化移动通过燃烧器的压缩的空气的压降的燃烧器可实现性能益处和效率，其在通过燃烧器的流量水平上升时，变得更加显著。另外，压缩机空气的显著部分在冷却热气体路径构件(诸如涡轮转子和定子叶片)，特别是在涡轮的初始级中的那些中消耗。

结果，先进燃烧系统设计的一个主要目标涉及开发能够实现更高点火温度和/或更高效的性能，同时最小化燃烧驱动排放和空气动力学压力损耗的构造和冷却策略。如将会认识到的，此类技术进步将导致改善的发动机效率水平。

发明内容

本申请因此描述了燃气涡轮机，其包括：联接到涡轮上的燃烧器，它们一起限定工作流体流径，工作流体流径沿纵向轴线从由燃烧器中的前喷射器限定的前端向后延伸，穿过燃烧器过渡到涡轮所处的界面，且然后穿过涡轮到达限定在其中的后端。燃烧器可包括内径向壁和外径向壁，内径向壁限定工作流体流径，外径向壁围绕内径向壁形成使得流环道形成在它们之间。压缩机排放腔可围绕燃烧器形成，以用于接收由压缩机输送至此的燃烧器空气供应。分级喷射系统可包括前喷射器，以及与前喷射器向后轴向地隔开的分级喷射器。分级喷射器可与流环道相交，以便获得工作流体流径内的喷射点。相对于喷射点的轴向位置，对喷射点的后侧限定后环形区段，而对喷射点的前侧限定前环形区段。燃料指引结构可在前喷射器和分级喷射器之间分配燃烧器燃料供应。空气指引结构可在前喷射器和分级喷射器之间分配燃烧器空气供应。空气指引结构可包括穿过外径向壁形成的轴向限定的入口区段，其将压缩机排放腔流体地连接至流环道的对应的轴向限定的区段。入口区段可包括对应于后环形区段的后入口区段和对应于前环形区段的前入口区段。空气指引结构可构造成：将穿过后入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过后环形区段至分级喷射器；以及将穿过前入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过前环形区段至前喷射器。

技术方案1. 一种燃气涡轮机，其包括：

联接至涡轮的燃烧器，它们一起限定工作流体流径，所述工作流体流径沿纵向轴线从由所述燃烧器中的前喷射器限定的前端向后延伸，穿过所述燃烧器过渡至所述涡轮所处的界面，且然后穿过所述涡轮到达在所述涡轮中限定的后端，其中所述燃烧器包括内径向壁和外径向壁，所述内径向壁限定所述工作流体流径，所述外径向壁围绕所述内径向壁形成使得流环道形成在它们之间；

围绕所述燃烧器形成的压缩机排放腔，以用于接收由压缩机输送至此的燃烧器空气供应；

分级喷射系统，其包括所述前喷射器，以及与所述前喷射器向后轴向地隔开的分级喷射器，其中所述分级喷射器与所述流环道相交，以便获得所述工作流体流径内的喷射点，且其中，相对于所述喷射点的轴向位置，对所述喷射点的后侧限定后环形区段，而对所述喷射点的前侧限定前环形区段；

用于在所述前喷射器和所述分级喷射器之间分配燃烧器燃料供应的燃料指引结构；以及

用于在所述前喷射器和所述分级喷射器之间分配所述燃烧器空气供应的空气指引结构；

其中，所述空气指引结构包括穿过所述外径向壁形成的轴向限定的入口区段，所述入口区段将所述压缩机排放腔流体地连接至所述流环道的对应的轴向限定的区段，所述入口区段包括对应于所述后环形区段的后入口区段和对应于所述前环形区段的前入口区段；以及

其中，所述空气指引结构构造成：

将穿过所述后入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过所述后环形区段至所述分级喷射器；以及

将穿过所述前入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过所述前环形区段至所述前喷射器。

技术方案2. 根据技术方案1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器包括基准平面，其包括：前基准平面，中间基准平面，后基准平面，以及喷射器基准平面，它们中的每一个都包括基本垂直于所述工作流体流径的所述纵向轴线而对齐的基准平面，其中：

所述前基准平面与所述工作流体流径的所述前端对齐；

所述后基准平面与所述燃烧器过渡至所述涡轮所处的所述界面对齐；

所述中间基准平面与所述前基准平面和所述后基准平面之间的所述工作流体流径的轴向中点对齐；且

所述喷射器基准平面与所述分级喷射器的所述喷射点对齐；以及

其中：

所述后入口区段包括大致限定在所述喷射器基准平面和所述后基准平面之间的轴向范围；以及

所述前入口区段包括大致限定在所述喷射器基准平面和所述前基准平面之间的轴向范围。

技术方案3. 根据技术方案2所述的燃气涡轮机，其特征在于：

所述后入口区段包括多个隔开的冲击端口，每一个穿过所述外径向壁形成，以用于使抵靠所述内径向壁的外表面的冲击空气射流成列；以及

所述前入口区段包括多个隔开的冲击端口，每一个穿过所述外径向壁形成，以用于使抵靠所述内径向壁的所述外表面的冲击空气射流成列。

技术方案4. 根据技术方案3所述的燃气涡轮机，其特征在于：

所述后入口区段的所述多个冲击端口在定位于所述后基准平面的正前方的最后冲击端口和定位于所述喷射器基准平面的正后方的最前冲击端口之间轴向地隔开；

所述前入口区段的所述多个冲击端口在定位于所述喷射器基准平面的正前方的最后冲击端口和定位于所述前基准平面的正后方的最前冲击端口之间轴向地隔开；以及

其中所述后入口区段和所述前入口区段中的每一个的所述多个冲击端口围绕所述外径向壁的基本上整个周边而周向地隔开。

技术方案5. 根据技术方案4所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述分级喷射器定位在所述前基准平面和所述中间基准平面之间。

技术方案6. 根据技术方案4所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述分级喷射器大致定位在所述中间基准平面处。

技术方案7. 根据技术方案4所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述分级喷射器定位在所述后基准平面的正前方。

技术方案8. 根据技术方案4所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述分级喷射器大致定位在所述中间基准平面和所述后基准平面之间的中间。

技术方案9. 根据技术方案4所述的燃气涡轮机，其特征在于，还包括围绕所述喷射器基准平面周向地隔开的多个所述分级喷射器；以及

其中所述多个分级喷射器中的每一个具有与其成角地对齐的所述后入口区段和所述前入口区段中的对应的一个。

技术方案10. 根据技术方案4所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述内径向壁包括限定在其内的轴向堆叠的室，所述轴向堆叠的室包括容纳所述前喷射器的前向室和限定燃烧区的后向室；以及

其中所述分级喷射器的喷嘴与所述流环道相交，以便获得所述喷射点；以及

其中所述喷嘴包括在所述外径向壁和所述内径向壁之间延伸的管，所述管阻塞所述流环道的一部分。

技术方案11. 根据技术方案10所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述分级喷射器包括穿过所述喷嘴的所述管而形成的空气端口，所述空气端口将所述流环道流体地连接至所述管的内部；以及

其中所述燃料指引结构包括：

从靠近所述燃烧器的头端定位的燃料源轴向地延伸的燃料通路；以及

将所述燃料通路流体地连接至所述管的所述内部的穿过所述喷嘴的所述管而形成的燃料端口。

技术方案12. 根据技术方案11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述空气端口设置在所述管的后侧面，并且构造成用于收集来自所述后环形区段的空气流；

其中所述燃料端口围绕所述喷嘴的所述管的内周边而周向地间隔开；以及

其中所述燃料通路穿过所述外径向壁的内部轴向地延伸。

技术方案13. 根据技术方案11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器空气供应包括输送给所述压缩机排放腔的总的空气供应；

其中所述空气指引结构包括在所述后入口区段、所述前入口区段和头端入口区段之间的相对孔口尺寸设置，以用于计量在所述前喷射器和所述分级喷射器之间的到所述燃烧器的供应空气；以及

其中计量所述燃烧器空气供应包括将到所述燃烧器的所述空气供应的至少20%指引至所述分级喷射器。

技术方案14. 根据技术方案11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器空气供应包括输送给所述压缩机排放腔的总的空气供应；

其中所述空气指引结构包括在所述后入口区段、所述前入口区段和所述头端入口区段之间的相对孔口尺寸设置，以用于计量在所述前喷射器和所述分级喷射器之间的到所述燃烧器的所述供应空气；以及

其中计量所述燃烧器空气供应包括将到所述燃烧器的所述空气供应的至少40%指引至所述分级喷射器。

技术方案15. 根据技术方案11所述的燃气涡轮机，其特征在于：

所述后环形区段包括热传递结构，以用于增大在移动穿过其的空气流和所述内径向壁的外表面之间发生的热传递率；以及

所述前环形区段包括所述热传递结构，以用于增大在移动穿过其的空气流和所述内径向壁的所述外表面之间发生的热传递率。

技术方案16. 根据技术方案15所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述热传递结构包括形成在所述内径向壁的所述外表面上的扰流器。

技术方案17. 根据技术方案15所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述热传递结构包括形成在所述内径向壁的所述外表面上的微通道。

技术方案18. 根据技术方案15所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述微通道中的每一个包括轴向地对齐的浅通道，其包括通向所述流环道的入口端口和出口端口，以及定位在它们之间的封闭的区段。

技术方案19. 根据技术方案11所述的燃气涡轮机，其特征在于，还包括定位于所述流环道中的轴向隔离物，以便与所述分级喷射器大致轴向地一致；

其中所述轴向隔离物构造成用于将所述前环形区段与所述后环形区段流体地密封，使得：

流入所述前环形区段的所述燃烧器空气供应的全部空气被指引至所述前喷射器；且

流入所述后环形区段的所述燃烧器空气供应的全部空气被指引至所述分级喷射器。

技术方案20. 根据技术方案19所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述轴向隔离物包括在所述外径向壁和所述内径向壁之间且围绕所述流环道的周边延伸的壁，以便相对所述后环形区段和所述前环形区段之间的流体连通密封所述流环道。

技术方案21. 根据技术方案2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器构造成以下中的一种：罐－环形燃烧器；以及环形燃烧器。

当结合附图和所附权利要求书时，在查看了优选实施例的以下详细描述之后，本申请的这些和其他特征将变得明显。

附图说明

结合附图，通过仔细研究本发明的示例性实施例的以下更详细的描述，此发明的这些和其他特征将被更完整地理解和领会，在附图中：

图1是其中可使用本发明的实施例的一种类型的示例性燃气涡轮机的截面示意性表示；

图2是常规燃烧器和其中可使用本发明的实施例的一种类型的包围系统的截面示意性图示；

图3是图2的燃烧器的头端区域的放大截面示意性图示；

图4是常规燃烧器的截面示意性图示，该常规燃烧器具有其中可使用本发明的实施例的一种类型的分级喷射系统；

图5是常规燃烧器和其中可使用本发明的实施例的涡轮的上游级的截面示意性图示；

图6是燃烧器的简化截面表示，图示了根据常规设计的构造以及穿过该构造的引发的空气流；

图7是燃烧器的简化截面表示，图示了根据本发明的一个示例性实施例的构造以及穿过该构造的引发的空气流；

图8是燃烧器的简化截面表示，图示了根据本发明的一个备选实施例的构造以及穿过该构造的引发的空气流；

图9是燃烧器的简化截面表示，图示了根据本发明的一个备选实施例的构造以及穿过该构造的引发的空气流；

图10是燃烧器的简化截面表示，图示了根据本发明的一个备选实施例的构造以及穿过该构造的引发的空气流；

图11是根据本发明的实施例的分级喷射器的一个示例性构造以及在流环道中的热传递结构的增强视图；

图12是根据本发明的实施例的分级喷射器的一个备选构造以及在流环道中的热传递结构的增强视图；

图13是根据本发明的实施例的分级喷射器的一个备选构造以及在流环道中的热传递结构的增强视图；

图14是燃烧器的简化截面表示，图示了根据本发明的一个备选实施例的构造以及穿过该构造的引发的空气流；

图15是燃烧器的简化截面表示，图示了根据本发明的一个备选实施例的构造以及穿过该构造的引发的空气流；

图16是根据本发明的实施例的示出冷却和分级喷射构造的穿过燃烧器和涡轮的工作流体流径的截面视图；

图17是根据本发明的实施例的示出备选冷却和分级喷射构造的穿过燃烧器和涡轮的工作流体流径的截面视图；

图18是根据本发明的实施例的示出备选冷却和分级喷射构造的穿过燃烧器和涡轮的工作流体流径的截面视图；

图19是根据本发明的实施例的示出备选冷却和分级喷射构造的穿过燃烧器和涡轮的工作流体流径的截面视图；

图20是根据本发明的实施例的示出备选冷却和分级喷射构造的穿过燃烧器和涡轮的工作流体流径的截面视图；

图21是根据本发明的实施例的示出备选冷却和分级喷射构造的穿过燃烧器和涡轮的工作流体流径的截面视图；以及

图22是根据本发明的实施例的示出备选冷却和分级喷射构造的穿过燃烧器和涡轮的工作流体流径的截面视图。

零件列表

10燃气涡轮机

11 压缩机

14 转子叶片

15 定子叶片

12 涡轮

16 转子叶片

17 定子叶片

13 燃烧器

19 头端

18 纵向中心轴线

20 后框架

27 端盖

41 冲击端口

42 较大的开口

43 压缩机排放壳体

44 压缩机排放腔

30 盖组件

45 盖入口

24 内径向壁

32衬套

34 过渡件

25 外径向壁

31 燃烧器壳体

33 衬套套管

35 过渡套管

26 流环道

50 分级喷射系统

21 前喷射器

22 燃料线

23 喷嘴

51 分级喷射器

52 燃料通路

53喷嘴

54 外侧端口

55 侧面端口或空气端口

61 喷射端口

62 混合室

63 屏蔽壁

75 阀

37 工作流体流径

57 流径中心轴线

58 喷射器基准平面

67 燃烧器前基准平面

68 燃烧器中间基准平面

69 燃烧器后基准平面

70 上游燃烧区

71 下游燃烧区

72 涡轮燃烧区

81 突出结构

82 凹槽

83 微通道

85 轴向隔离物

86 第三径向壁

87 外流环道

88 之字形

91 上游区段

92 下游区段

93 前端口

94 后端口

101 冷却剂流径

103 入口区段

104 冷却回路

105 出口区段

108a 内流径壁

108b 外流径壁

109a 内环道壁

109b 外环道壁

26a 内流环道

26b 外流环道

111 轴向隔离物

113 翼型件

114 前缘

115 后缘

118 表面端口

119 连接通道。

具体实施方式

本发明的各方面和优点在以下说明中阐述，或者可由该说明而显而易见，或者可通过实践本发明而获悉。现在将详细参考本发明的当前实施例，其一个或更多示例在附图中图示。详细描述使用数字编号来指代图中的特征。图和描述中相同或相似的编号被用来指本发明的实施例中相同或相似的部分。如将会理解的那样，每个示例都作为本发明的解释而非本发明的限制提供。实际上，对于本领域技术人员将会明显的是在本发明中可做出各种改型和变型而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分图示并描述的特征可用在另一实施例上来产生又其他的实施例。因此，其意图在于本发明覆盖落入所附权利要求书及其等价物范围内的此类改型和变型。应该理解的是本文所提的范围和极限包括位于所规定的极限范围内的全部子范围，包括极限本身，除非另外指出。另外，某些术语已经被选择来描述本发明及其构件子系统和部分。尽可能地，这些术语都基于对于本技术领域常见的专业术语而选择。另外，将会理解的是这样的术语常面临不同的解释。例如，在本文可能作为单个构件提及的，在其他的地方可能作为由多个构件组成而提及，或者，在本文可能作为包括多个构件而提及的，在其他的地方可能作为单个构件而被提及。因而，在理解本发明的范围时，应不仅注意使用的特定术语，还应该注意相伴的描述和上下文，以及所提及并描述的构件的构造、功能和/或用途，包括该属于涉及若干附图的方式，以及当然，该术语在所附权利要求书中的精确使用。另外，当以下示例关于特定类型的燃气涡轮机或涡轮发动机呈现时，如相关技术领域的普通技术人员将会理解的那样，本发明的术语也可应用于其他类型的涡轮发动机。

贯穿此申请可使用若干描述性术语以便解释涡轮发动机和/或包括在其中的若干子系统或构件的运行，并且其也可证明对在此部分的开始限定这些术语是有益的。因此，除非另外指出，否则这些术语以及它们的定义如下。术语“前向”和“后”或“后向”，在没有进一步特殊性的情况下，指相对于燃气涡轮机的定向的方向的方向。因此，“前向”指的是发动机的压缩机端，而“后向”指的是朝向发动机的涡轮端的方向。因而这些术语的每一个都可以用来指沿着机械或其中的构件的纵向中心轴线的运动或相对位置。术语“下游”和“上游”用来指规定的导管内相对于穿过其移动的流的总体方向的位置。如将会理解的那样，这些术语指相对于正常操作期间穿过指定的导管预期的流的方向的方向，其对于本领域技术人员是显而易见的。因而，术语“下游”指流体沿其流过指定导管的方向，而“上游”指其相反的方向。因而，例如，穿过燃气涡轮机的工作流体的主要的流，其在空气移动穿过压缩机时开始，并且然后变成燃烧器内的燃烧气体并超出，可描述为在朝向上游或压缩机的前向端的上游位置开始，并且终止于朝向涡轮的下游或后向端的下游位置。

关于描述普通类型燃烧器内的流的方向，如以下更详细地讨论的那样，将会理解的是，压缩机排放空气典型地通过朝向燃烧器的后向端集中(相对于燃烧器的燃烧器纵向中心轴线以及限定前向/后向区别的前述压缩机/涡轮定位)的冲击端口进入燃烧器。一旦在燃烧器中，压缩的空气就由围绕内部室朝向燃烧器的前向端形成的流环道(flowannulus)引导，空气流在前向端处进入内部室且，反转其流动方向，向燃烧器的后向端行进。在又另一个上下文中，穿过冷却通道或通路的冷却剂的流可以以相同的方式处理。

另外，给定的围绕中心公共轴线的压缩机和涡轮的构造，以及围绕对于许多燃烧器类型典型的中心轴线的圆柱形构造，在本文可使用描述相对于此类轴线的位置的术语。在这方面，将会理解的是术语“径向”指的是垂直于轴线的运动或位置。与此相关，可能要求描述距中心轴线的相对距离。在此情况下，例如，如果第一构件在比第二构件更靠近中心轴线的位置，则第一构件将会被描述成第二构件的“径向向内”或者“内侧”。一方面，如果第一构件在比第二构件距中心轴线更远的位置，则第一构件在本文将会被描述成第二构件的“径向向外”或者“外侧”。另外，如将会理解的那样，术语“轴向”指的是平行于轴线的运动或位置，而术语“周向”指的是围绕轴线的运动或位置。如所提及的那样，虽然这些术语可相对于延伸穿过发动机的压缩机和涡轮区段的公共中心轴线应用，但是这些术语也可关于可能合适的发动机的其他构件或子系统而使用。最后，术语“转子叶片”，在没有其他特定性的情况下，指的是压缩机或涡轮的旋转叶片，其包括压缩机转子叶片和涡轮转子叶片两者。最后，术语“定子叶片”，在没有其他特定性的情况下，指的是压缩机或涡轮的静止叶片，其包括压缩机定子叶片和涡轮定子叶片两者。术语“叶片”在本文将用来指任一类型的叶片。因此，在没有进一步特定性的情况下，术语“叶片”包括全部类型的涡轮发动机叶片，包括压缩机转子叶片、压缩机定子叶片、涡轮转子叶片和涡轮定子叶片。

作为背景，现在参考附图，图1图示了示例性燃气涡轮机10，其中可使用本申请的实施例。本领域技术人员将会理解的是，本发明可不限于在该特定类型的涡轮发动机中使用，并且，除非另外指出，否则所提供的示例不意味着是如此限制性的。通常，燃气涡轮机通过从加压的热气体流提取能量操作，热气体由压缩的空气流中的燃料的燃烧产生。如图所示，燃气涡轮机10可包括轴流式压缩机11，轴流式压缩机11经由公共的轴或转子机械地联接到下游涡轮区段或涡轮12，其中燃烧器13定位在它们之间。如图所示，燃气涡轮机10的公共的轴形成延伸穿过压缩机11和涡轮12的中心轴线18。

压缩机11可包括多个级，其每一个都可包括一排压缩机转子叶片14，继之以一排压缩机定子叶片15。因此，第一级可包括一排压缩机转子叶片14(其围绕中心轴线18旋转)，继之以一排压缩机定子叶片15(其在运行期间保持静止)。涡轮12也可包括多个级。在图示示例性涡轮12的情况下，第一级可包括一排喷嘴或涡轮定子叶片17(其在运行期间保持静止)，继之以一排涡轮轮叶或转子叶片16(其在运行期间围绕中心轴线18旋转)。如将会理解的那样，其中一排内的涡轮定子叶片17通常是彼此周向隔开并且关于旋转轴线固定的。涡轮转子叶片16可安装在转子轮或盘上用于围绕中心轴线18旋转。将会理解的是涡轮定子叶片17和涡轮转子叶片16位于涡轮12的热气体路径中，并且与移动穿过其的热气体相互作用。

在一个操作示例中，转子叶片14在轴流式压缩机11内的旋转压缩空气流。在燃烧器13中，当压缩的空气流与燃料混合并被点燃时，释放能量。得到的来自燃烧器13的热燃烧气体流(其可被称为工作流体)然后被指引到涡轮转子叶片16上，其中其流动引起转子叶片16围绕轴旋转。以这种方式，工作流体的流的能量被转换成旋转叶片和旋转轴的机械能，考虑到转子叶片和轴之间经由转子盘的连接。轴的机械能然后可被用来驱动压缩机转子叶片的旋转，使得产生所需的压缩的空气的供应，以及也例如驱动用于电力生产的发电机，如在发电应用中将出现的情况那样。

图2提供了常规燃烧器13和包围结构的简化横截面视图，而图3图示了燃烧器13的前部的更详细的横截面视图。如将会理解的那样，燃烧器13可轴向地限定在头端19和后框架20之间，头端19定位在燃烧器13的前端处，而后框架20定位在燃烧器13的后端处，并且起作用来将燃烧器13连接到涡轮12上。前喷射器21可朝向燃烧器13的前端定位。如本文所用，前喷射器21指燃烧器13中的最前面的燃料和空气喷射器，其典型地用作用来混合燃料和空气用于在燃烧器13的燃烧区内燃烧的主要构件。前喷射器21可连接到燃料线22上并包括喷嘴23。前喷射器21的喷嘴23可包括任何类型的常规喷嘴，诸如微混合器喷嘴，具有涡流或漩涡喷嘴构造的喷嘴，或者满足本文所讨论的功能性的其他类型的喷嘴。更具体地，如以下更详细地讨论的那样，喷嘴23构造成与如美国专利8,019,523中所描述的分级喷射系统相兼容，该专利通过引用而整体结合在此处。如图示的那样，头端19可提供各种歧管、装置和/或燃料线22，燃料穿过它们可被输送到前喷射器21。如图所示，前端19也可包括端盖27，其如将会理解的那样，形成限定在燃烧器13内的大内腔的前轴向边界。

如图所示，限定在燃烧器13内的内腔可再分成若干较小的空间或室。这些室可包括空气流或空气指引结构(诸如壁、端口等)，其构造成沿期望的流路径指引压缩的空气和燃料/空气混合物的流。如以下将更详细地讨论的那样，燃烧器13的内腔可包括内径向壁24和围绕内径向壁24形成的外径向壁25。如图所示，内径向壁24和外径向壁25可构造成使得在其间限定流环道26。如进一步图示的那样，在限定在内径向壁24内的区域的前向端，可限定前向室28，且在前向室28的后向，可限定后向室29。如将会理解的那样，前向室28由内径向壁24的区段限定，该区段是称作盖组件30的构件的一部分。如将会理解的那样，后向室29可限定一区域，在该区域内在前喷射器21内聚集的燃料和空气混合物被点燃并燃烧，并且因而该区域也可被称作燃烧区29。将会理解的是，假定为此布置，前向室和后向室28，29可被描述成在它们的构造中轴向地堆叠。如将会理解的那样，除非另外特别地限制，否则本发明的燃烧器13可布置成环形燃烧器或者罐－环形燃烧器。

如图所示，盖组件30可从其与端盖27形成的连接向后延伸，并且大体上被外径向壁25的轴向区段包围，该轴向区段在本文中可被称作燃烧器壳体31。如将会理解的那样，燃烧器壳体31可正好形成在盖组件30的外表面外侧并且对其成隔开关系。以这种方式，盖组件30和燃烧器壳体31可在它们之间形成流环道26的轴向区段。如以下更多讨论的那样，流环道26的此区段可称作盖组件区段。如将会理解的那样，盖组件30还可容纳并且结构上支撑前喷射器21的喷嘴23，前喷射器21可定位在盖组件30的后端处或附近。假定为此构造，盖组件30可被描述为被分段成两个较小的、轴向堆叠的区域，其中它们的第一区域是如图3中箭头所示的前向区域，其构造成接收来自流环道26的压缩的空气流。盖组件30内的第二区域是在其中限定了喷嘴23的后向区域。

出现于前喷射器21正下游的后向室或燃烧区39可周向地由内径向壁24的轴向区段限定，该轴向区段取决于燃烧器的类型可被称作衬套32。从衬套32开始，后向室29可向后延伸穿过内径向壁24的下游区段，该下游区段可被称作过渡件34。如将会理解的那样，内径向壁24的此轴向区段向燃烧器13与涡轮12形成的连接指引热燃烧气体的流。尽管其他的构造是可能的，但在过渡件34内后向室29(即燃烧区29)的横截区域可被构造成从衬套32的典型地圆形形状平滑地过渡至过渡件34出口的更加环状的形状，其对于以期望的方式将热气体流指引到涡轮叶片上是必需的。如将会理解的那样，衬套32和过渡件34可构造成分离地形成的构件，它们经由一些常规方式(诸如机械附接)而连结。但是，根据其他设计，衬套32和过渡件34可形成为整体构件或单一体。因此，除非另外指出，否则对内径向壁24的引用应被理解为包括任一备选方式。

如所提及的那样，外径向壁25可包围内径向壁24，使得在其间形成流环道26。根据示例性构造，在内径向壁24的衬套32区段周围定位的是可称作衬套套管33的外径向壁25的区段。尽管其他的构造也是可能的，但是衬套32和套管33形状可为圆柱形的并且同心地布置。如图所示，形成在盖组件30和燃烧器壳体31之间的流环道26的区段可连接到限定在衬套32和衬套套管33之间的流环道26上，并且以这种方式，流环道26向后延伸(即，朝向到涡轮12的连接)。如图所示，以类似的方式，在内径向壁24的过渡件34区段周围定位的是可称作过渡套管35的外径向壁25的区段。如图所示，过渡套管35构造成包围过渡件34，使得流环道26进一步向后延伸。如将会理解的那样，由衬套32/衬套套管33以及过渡件34/过渡套管35限定的流环道26的区段包围燃烧区29组装。因而，流环道的这些区段可一起称作燃烧区区段。

根据提供的示例，将会理解的是流环道26在前端和后端之间轴向地延伸，前端限定在头端19的端盖27处，后端在后框架20附近。更具体地，将会理解的是内径向壁24和外径向壁25(如可由盖组件30/燃烧器壳体31，衬套32/衬套套管33，以及过渡件34/过渡套管35对的每一对限定)可被构造成使得流环道26在燃烧器13的大部分轴向长度上延伸。如将会理解的那样，像衬套32和过渡件34一样，衬套套管33和过渡套管35可包括分离地形成的构件，它们经由一些常规方式(诸如机械附接)而连结。但是，根据其他设计，衬套套管33和过渡套管35可作为整体构件或单一体一起形成。因此，除非另外指出，否则对外径向壁25的引用应被理解为包括任一备选方式。

衬套套管33和/或过渡套管35可包括多个冲击端口41，冲击端口41允许燃烧器13外的压缩的空气进入流环道26。将会理解的是，如图2中所示，压缩机排放壳体43可限定燃烧器13周围的压缩机排放腔44。根据常规设计，压缩机排放腔44可构造成从压缩机11接收压缩的空气供应，使得压缩的空气穿过冲击端口41进入流环道26。如将会理解的那样，冲击端口41可构造成冲击进入燃烧器13的空气流，使得产生快速移动的空气射流。这些空气射流可相对内径向壁24的外表面成列(train)——如刚才所描述的，内径向壁24可包括衬套32和过渡件34，或者整体的单一体——以便在运行其间对流冷却内径向壁24。根据常规设计，一旦在流环道26中，压缩的空气则典型地被引向燃烧器13的前端，在那里经由形成在盖组件30中的一个或更多盖入口45，空气流进入盖组件30的前向区。一旦处在盖组件30中，则压缩的空气然后可被引向前喷射器21的喷嘴23，如所提及的那样，在那里压缩的空气与燃料混合以用于在燃烧区内燃烧。

图4图示了具有分级喷射系统50的燃烧器13的视图，其使得能够向后或向下游将燃料和/或空气喷入燃烧区29。将会理解的是这样的燃料和空气喷射系统通常被称作补充喷射系统、延迟-贫喷射系统、轴向分级喷射系统等。如本文所用，这些类型的燃料和空气喷射器、喷射系统和/或与之相关的构件的不同方面将被大体上无限制地(除了本文所提供的)称作“分级喷射系统”。还将被理解的是图4的分级喷射系统50与示例性常规设计一致并且仅出于那些目的而提供。

如将会理解的那样，已经为了多种原因开发出用于燃气涡轮机的燃烧器的分级喷射系统，包括为了降低排放。虽然对于燃气涡轮机的排放水平取决于许多标准，但重要的一条与燃烧区内反应物的温度相关，其已经显示出对某些排放水平影响更大，诸如NOx。将会理解的是燃烧区中反应物的温度与燃烧器的出口温度成比例地相关，其对应于在此类布雷顿循环类型发动机中更高的压力比和改善的效率水平。因为已经发现NOx的排放水平与反应物温度有着强烈而直接的关系，所以现代的燃气涡轮机已经能够仅通过例如先进的燃料喷嘴设计和预混合之类的技术进步而保持可接受的NOx排放水平，同时保持升高的点火温度。在这些进步之后，已经采用下游或分级喷射来使得能够进一步升高点火温度，因为发现在较高温度下反应物在燃烧区内较短的驻留时间降低了NOx水平。

在运行中，如将会理解的那样，此类分级喷射系统典型地在典型地是在燃烧器前端处的主喷射点的下游引入燃烧器总空气和燃料供应的一部分。将会理解的是喷射器的此类下游定位减少了燃烧反应物在燃烧器内保持在火焰区域的较高温度下的时间。这就是说，缩短了反应物在离开火焰区之前行进的距离减少了那些反应物驻留在燃烧器内最高温度内的时间，这继而减少了NOx的形成并且降低了对于发动机的整体NOx排放水平。这例如已经允许将燃料/空气混合或预混合技术与下游喷射的减少的反应物驻留时间相联接的先进燃烧器设计，以实现燃烧器点火温度更进一步的增加，并且重要的是，更高效的发动机，同时也保持可接受的NOx排放水平。如将会理解的那样，还有限制可进行下游喷射的方式和程度的其他考虑。例如，下游喷射会促使CO和UHC的排放水平升高。就是说，如果燃料以太大的数量在燃烧区中下游太远的位置喷射，这可能导致燃料的不完全燃烧或CO的不充分燃尽。因此，虽然关于延迟喷射的基本原理以及其如何使用来影响某些排放可能是通常已知的，但设计的障碍依然是此策略如何可以最佳利用以便使得能够实现更高效的发动机。然而，随着这些障碍被克服，并且随着将更大百分比的燃料和空气转向下游或者轴向分级喷射器的更大机会的实现，用来将整体质量流指引穿过燃烧器的更多高效的方式可允许与降低跨越燃烧器的总体压降以及改善冷却空气的效率和使用相关的性能优势。

在一个示例性构造中，如图4中所示，分级喷射系统50可包括前喷射器21以及一个或更多分级喷射器51。如本文所用，分级喷射器51是从前喷射器21向后轴向地分开的喷射器。根据一个示例性布置，每个分级喷射器51都可包括连接到喷嘴53上的燃料通路52。在喷嘴53内，产生燃料/空气混合物用来喷射到燃烧区的下游部分中。如图所示，燃料通路52可包含在燃烧器13的外径向壁25内，但是用于燃料输送的其他装置和方法也是可能的。燃料通路52可沿总体向后的方向在出现在头端19附近的到燃料源的连接和与分级喷射器51的喷嘴53的连接之间延伸。尽管其他的构造对于此类系统50的分级喷射器51也是可能的，但是在提供的示例中，可将多个分级喷射器51定位在燃烧区29的周边周围。如图所示，分级喷射器51的轴向定位可接近衬套32/衬套套管33组件的后端。每个分级喷射器51均可包括喷嘴53。根据提供的示例，喷嘴53可构造成跨越流环道26或与之相交而延伸的管。此管可构造成指引穿过其的流以用于喷入燃烧区29。更具体地，喷嘴53的管的外侧端可向形成的压缩机排放腔和/或端口开口，压缩机排放腔和/或端口与流环道26流体地连通，并且因此喷嘴53的管可接收加压的空气流。如以下更多讨论的那样，喷嘴53还可包括穿过管结构的侧面形成的燃料端口，其可将燃料喷入移动穿过其的加压的空气。以这种方式，每个分级喷射器51都可起作用来将空气和燃料供应聚集并混合，且然后将得到的混合物喷入燃烧区。

如图4的示例中进一步所示，分级喷射系统50可包括围绕燃烧器13的后向室29周向地隔开的若干分级喷射器51。这些喷射器51可整体结合到衬套32/衬套套管32组件中(或者，更一般地，内径向壁24/外径向壁25组件)。分级喷射器51可阵列成使得燃料/空气混合物在围绕燃烧区多个周向隔开的点处被喷射。如图所示，分级喷射器51可定位在相同或共同的轴向位置处。就是说，多个分级喷射器51可围绕沿燃烧器13的纵向或中心轴线57近似相同的轴向位置定位。对于此构造，分级喷射器51可被描述为定位在公共平面上，或者如本文将会指出的那样，如图4中所示的喷射基准平面58。如将会理解的那样，可将分级喷射器51对齐，使得喷射基准平面58大致与中心轴线57垂直。在所示的示例性构造中，喷射基准平面58定位在衬套32/衬套套管33组件的后端处。

根据本发明的另一方面，如以下将更详细地讨论的那样，提出了分级喷射器51的特定放置。通常，分级喷射器51可相对于前喷射器21向后轴向地隔开，以便沿工作流体流径具有离散的轴向位置。分级喷射器51的此放置可沿流径的中心轴线57在轴向范围内限定。根据期望的性能特性可选择此类放置。另外，如本文将会提供的那样，分级喷射器51的轴向定位可包括沿着燃烧器13的后向室29的位置以及在涡轮12的前向级内限定的位置。

现在参考图5，提供了燃烧器13和涡轮12的前向级的横截面视图，并且，参考其内部描绘的区域，此图示将被用于限定定位术语，由此可描述分级喷射器51和其他相关的构件。首先，为了限定燃烧器13内的轴向定位，将会理解的是燃烧器13和涡轮12限定了工作流体流径37，工作流体流径37围绕纵向中心轴线57从被燃烧器13中的前喷射器21限定的上游端穿过涡轮12中的下游端延伸。因此，分级喷射器51和其他构件的定位可根据沿着工作流体流径37的此中心轴线57的位置限定。

如所示出的那样，在图5中限定了某些垂直基准平面，以便提供在工作流体流径37内与轴向定位相关的清楚性。如图所示，这些平面的第一个是靠近燃烧器13的头端19限定的前基准平面67。具体地，前基准平面设置在燃烧区29的前端处，即，在限定于内壁24内的前向室28和后向室29之间的边界处。描述前基准平面67的定位的另一种方式是其大致位于前喷射器21的喷嘴23的下游端处，或者备选地，在工作流体流径37的前端处。第二基准平面是中间基准平面68。该中间基准平面68定位在燃烧器13的后向室29的大致轴向中点处，即，大概前喷射器的喷嘴23和燃烧器13的下游端(其可为后框架20)之间的半路处。在燃烧器13包括之前所述的衬套32/过渡件34组件的情况下，将会理解的是燃烧器中间平面68可出现在这些组件连接的位置附近。这些基准平面的最后一个是后基准平面69，其如图所示可限定在燃烧器13的后端处。如将会理解的那样，后基准平面69标出了燃烧器13的远侧、下游端，并且因此，如在所提供的示例中那样，可在后框架20处限定。另外，根据这些基准平面67，68，69，可指定燃烧器13和涡轮12的流径内的具体区域，其也在图5中被指示。因此，如所示出的那样，上游燃烧区70显示为出现在前基准平面67和中间基准平面68之间。其次，下游燃烧区域71被显示为出现在中间基准平面68和后基准平面69之间。最后，涡轮燃烧区72是指示为穿过涡轮12内的第一级叶片16，17从末端基准平面69出现的区域。如将会看到的那样，这些区域70，71，72的每一个在图5上都被独特的交叉阴影图案彼此绘出。

出于示例性目的，图5还提供了分级喷射器52的一个级在上述区域70，71，72的每个区域内的可能放置。如将会理解的那样，为了清楚的目的，与图4中示出的一个示例性分级喷射器相比，分级喷射器51已经被图形上简化了。应该理解的是分级喷射器51的这些级的每个级都可单独使用，或者与其他级的一个或两个合作使用。如图所示，分级喷射器51的第一级显示为围绕位于上游燃烧区70内的喷射基准平面58周向地隔开。分级喷射器51的第二级显示为围绕位于下游燃烧区71内的第二喷射基准平面58周向地隔开。并且最后分级喷射器51的第三级显示为围绕位于涡轮燃烧区72内的第三喷射基准平面58周向地隔开。因此，分级喷射器51的一个或更多级可设置在前喷射器21的下游。

在任何前述位置处的分级喷射器51均可常规地构造用于喷射空气、燃料或空气和燃料两者，并且可在每个轴向位置处提供多个，使得产生围绕喷射基准平面58的喷射器的阵列。虽然图5中图形上被简化了，但是本发明的分级喷射器51除非另外指出，否则应被理解为包括任何类型的常规喷射器，如相关技术领域的普通技术人员将会理解的那样，其对于本文所述的功能是适用的。例如，可用在以下描述的本发明的实施例中的分级喷射器51可包括图4中提供的示例性类型。另外，分级喷射器可为在美国专利8,019,523和7,603,863中描述或引用的任何喷射器类型，这两项专利通过它们的整体引用而结合在本文中。按照任何常规器件和装置，本发明的分级喷射器51还可包括可结合在其中一排定子叶片17中的那些分级喷射器，诸如上述美国专利中描述的那些，以及在美国专利申请2014/0260269中描述的那些，该专利申请也通过其整体引用而结合在本文中。这些例如可包括美国专利申请2014/0260269中被描述为结合在后框架20中的燃料/空气喷射器。

对于位于上游燃烧区70或下游燃烧区71内的分级喷射器51，每个都可结构上被内径向壁24和/或外径向壁25支撑，并且在一些情况下，可突出到燃烧区70，71中，或者像图4的示例一样，分级喷射器51可包括喷嘴53，喷嘴53具有相对于内径向壁24平齐定位的端部。如将会理解的那样，分级喷射器51可构造成沿大致横向于穿过过渡区的主要流方向的方向喷射空气和燃料。位于喷射基准平面58周围的分级喷射器51在数量上可为若干个，并且围绕燃烧区70，71以规则的间隔定位，用于喷射燃料/空气的均衡分布，但是其他的构造也是可能的。作为一个示例，在喷射基准平面58处可采用3到10个之间分级喷射器51，但是也可使用更多或更少分级喷射器。如上文所述，分级喷射系统50可包括多级分级喷射器51，即，在多个轴向地隔开的喷射基准平面58处的多个分级喷射器51。在这种情况下，两个分离的级之间的分级喷射器51可相对于彼此成直线放置或交错放置，并且一个的布置可配置成与另一个相补充。

如将会理解的那样，根据本发明的某些方面，燃料和空气可以经由任何常规的方式可控制地供应给前喷射器21和每个分级喷射器51，包括以上通过引用结合的专利和专利申请以及美国专利申请2010/0170219中所提及并描述的那些方式的任何方式，该美国专利申请通过其整体引用而结合在本文中。如图5中关于限定的区域70，71，72中每个级内的其中一个分级喷射器以及前喷射器21示意性地图示的那样，分级喷射系统50可包括控制装置和相关的构件，以用于主动或被动地控制向每个喷射器输送燃料和/或空气。就是说，本发明的不同方面可包括用于分配或计量输送给分级喷射器51和/或前喷射器21之间的燃烧器13的全部燃料和空气供应的控制装置、方法、系统和构造。可包括在分级喷射系统50中的前喷射器21和不同的分级喷射器51可以以若干方式进行控制并配置，使得实现期望的操作和优选的空气和燃料分离。如图5中示意性表示的那样，这可包括经由可控制阀75主动地控制输送给每个喷射器的空气和燃料供应，但是也可使用起作用来计量相关流的任何机械致动的装置。将会理解的是主动控制可通过将可控制阀75连接到计算机化控制系统上而实现，该计算机化控制系统中控制器电气地与每个阀通讯并且从而根据控制算法操作阀设置。根据其他可能的实施例，到每个分级喷射器51以及前喷射器21的空气和燃料供应可经由向每个喷射器供应燃料和空气的燃料和空气导管的相对孔口尺寸设置而被动地控制。

与分级喷射系统50相关的控制策略可包括计量不同分级喷射器51之间、分级喷射器53的不同级(如果存在)之间、不同分级喷射器51和前喷射器21之间的燃料和空气供应，或者它们的全部。因此，例如，参考图5的示例性构造和其中描绘的分级喷射器51的不同的级，根据一个可能的布置，位于第一喷射基准平面58周围的分级喷射器51的第一级可构造成比位于第二喷射基准平面58周围的第二级喷射器喷射更多燃料/空气，第二级喷射器可构造成比位于第三喷射基准平面58周围的第三级喷射器喷射更多燃料/空气。如将会理解的那样，这些构造可使用相对百分比更具体地描述。因此，例如，根据关于分级喷射器51的第一、第二和第三级之间燃料的计量的另一个可能布置，控制构造可限制在分级喷射器51的第二级喷射的燃料少于在分级喷射器51的第一级喷射的燃料的50%，且在分级喷射器51的第三级喷射的燃料少于在喷射器的第二级喷射的燃料的50%。更特别地，根据另一个示例性布置，例如，分级喷射器51的第一、第二和第三级可包括控制构造，该控制构造将在分级喷射器51的第二级喷射的燃料限制为在分级喷射器51的第一级喷射的燃料的10%到50%之间，且在分级喷射器51的第三级喷射的燃料限制为在分级喷射器51的第一级喷射的燃料的10%到50%之间。如所指出的那样，这样的控制策略也可包括前喷射器21，使得整体的燃料供应在全部可能的喷射点之间都被计量。在这种情况下，例如，示例性控制布置可规定前喷射器21以及分级喷射系统50的分级喷射器51的第一、第二和第三级被可控制地构造，使得在运行期间将总燃烧器燃料供应的以下百分比的燃料输送给每一个：将40%和80%之间的输送至前喷射器21；将20%和40%之间的输送至分级喷射器51的第一级；将2%和10%之间的输送至分级喷射器51的第二级；以及将2%和10%之间的输送至分级喷射器51的第三级。如将会理解的那样，可对于每一个类似地操作空气的供应。

图6包括燃烧器13和具有典型空气流模式的分级喷射系统50的简化图示，该典型空气流模式导致指定的布置。为了清楚，分级喷射系统50显示为具有单级喷射器51。如将会理解的那样，可在燃烧区周边周围提供其他此类分级喷射器51。例如，这些其他的分级喷射器51可布置在穿过示出的分级喷射器51限定的喷射基准平面58周围。如所图示的那样，分级喷射器51可包括跨越流环道26延伸的喷嘴53。喷嘴53可经由外侧端口54接收空气流，外侧端口54将喷嘴流体地连接到压缩机排放腔44，如将会理解的那样，压缩机排放腔44可包围燃烧器的外径向壁25。备选地(或者另外)，分级喷射器51的喷嘴53可经由一个或更多侧面端口或端口55接收空气流，端口55构造成将喷嘴53流体地连接到流环道26上。喷嘴53还可包括燃料端口(如图11-13中所示)，以用来将经由燃料通路52输送给它的燃料喷射到移动穿过喷嘴53内部的空气供应中。

根据一个示例性布置，分级喷射器51的喷嘴53包括圆柱形管，该圆柱形管承载在喷嘴53内跨越流环道26聚集到一起来用于喷射到燃烧区29中的燃料/空气。以这种方式，喷嘴53提供用来跨越流环道26指引燃料/空气混合的导管，在这里燃料/空气混合物然后可被喷入移动穿过燃烧区29的热气体的流中，燃烧区29由内径向壁24限定。根据其他的构造，如图12中所示，分级喷射器51可包括位于外侧端口54周围的盖板或空气屏蔽罩，以便控制或限制从压缩机排放腔44的空气的进入，同时还提供更封闭的体积，在该体积内燃料和空气可聚集在一起并且在喷射之间适当地混合。将会理解的是此类空气屏蔽罩可用来将分级喷射器51与包围它的压缩机排放腔44显著地隔离。

如由图6中包括的流箭头所示，在运行期间，来自压缩机排放腔44的空气可经由穿过外径向壁25形成的冲击孔口41进入流环道26。此冲击空气流冷却内径向壁24并且然后沿向前的方向被指引至燃烧器13的头端19，在此点处其可反转方向并且被向前喷射器21导引。与分级喷射器21的使用相关的一个特定的问题是它们在通过流环道26的空气流上的负冲击。具体地，分级喷射器21典型地包括结构(诸如喷嘴23)，其必须与流环道26交叉，并且因而中断或者特定地阻塞穿过其中的流。如将会理解的那样，这导致压力损耗并且导致在堵塞的下游形成尾流。此尾流通过使进入盖组件30的空气流变得不均匀，可不利地影响进入盖组件30的空气流，这然后会导致前喷射器21的喷嘴23内不充分混合的燃料-空气，其负面地影响燃烧和NOx排放。由分级喷射器51形成的尾流也可影响分级喷射器51正下游的内冷却壁24的冷却。具体地，该尾流可产生空气流或涡流的“死区”，其负面地影响热传递系数。另外，流环道26内的冷却剂的交叉流不利地影响通过定位成更靠近头端19的冲击端口41抵达的新鲜冷却剂的冷却效率。具体地，在流环道26中形成的消耗的冷却剂的横向流(即，已经从内径向壁24吸收了热量的冷却剂)起作用来温暖即将进入的更新鲜的冷却剂，这降低了其冷却有效性。交叉流也使进入的冷却剂偏向，使得其以较不陡峭的角度击打内径向壁24，这进一步减少了其效率。两种流的混合——即，排放的冷却剂的交叉流和垂直于其抵达的新鲜冷却剂流——导致与动态混合以及动量传递相关的更进一步的系统损耗。

现在参考图7到10，提供了示意性截面图示(其类似于参考图6讨论的那一个)来图示具有根据本发明的示例性实施例的示例性分级喷射系统50的燃烧器13。如将会理解的那样，这些示例图示了燃烧器构造以及所引发的空气流模式，空气流模式涉及按照本发明的不同方面的构造。为了清晰，在所提供的每个附图里都只示出了单个分级喷射器51。如将会理解的那样，可在燃烧区29周边周围提供其他此类分级喷射器51。例如，这些其他的分级喷射器51可布置在穿过在每一个描绘的分级喷射器51限定的喷射基准平面58周围。如将会理解的那样，这些其他的喷射器51在存在时可以以相同的方式构造，使得每个都在流环道26的对应区域内引发相同的图示流模式。以这种方式，可围绕流环道26的整个周边引发在每个图中描绘的示例性流模式。另外，应该理解的是可将分级喷射器51配置成环形分级喷射器，其自身围绕流环道26的周边延伸。应该理解的是任何这些备选方式都可以以相同的方式应用于随后在图11到22中的示例性实施例。

应该指出的是，如本文中所用，“空气流模式”是输送给压缩机排放腔44的空气供应被引入其中并且穿过其中循环的方式。如将会理解的那样，示例性空气流模式描绘成它们这样满足某些性能标准和目标，其包括：1)将空气输送至前喷射器21和分级喷射器51，以期望地燃烧被输送给每一个的燃料的供应；2)通过在其表面上或穿过其表面指引充足的空气流来冷却燃烧器构件，尤其是那些邻近或者限定燃烧区的构件；和/或3)最小化跨燃烧器的压降，以便增加发动机效率。如将会理解的那样，本文图示的空气流模式可通过已知系统、方法和装置实现，诸如通道、端口、隔离物、壁、表面特征、流控制器、阀门、孔口、出口和/或其他类型的流指引结构的构造，以及此类特征的相对尺寸及其定位。此类流指引结构可包括当前公开的全部那些特征，以及如相关领域中普通技术人员将会理解的其他常规类型。如本文所使用的，术语“隔离物”意味着覆盖了壁和密封结构两者以及流体密封件。另外，除非另外指出，否则此类隔离物可完全或部分地密封通道。

如所提供的附图中所示，根据本发明的分级喷射系统50可包括前喷射器21，以及与前喷射器21向后轴向地隔开的分级喷射器51。如关于图6中所讨论的，分级喷射器51可与流环道26相交，以便在前喷射器21下游在由内径向壁24限定的燃烧区29内获得喷射点。出于描述的目的，相对于分级喷射器51的喷射点的轴向位置，可对喷射点的后向侧限定后环形区段，可对喷射点的前向侧限定前环形区段(forward annulus section)。如早已经描述的，分级喷射系统50可包括燃料指引结构，诸如燃料线22，燃料通路52，以及相关的构件，它们一起可被构造成在前喷射器21和分级喷射器51之间分配燃烧器燃料供应。如本文所使用的，燃烧器燃料供应可被限定为运行期间被输送给燃烧器13的总的燃料供应。如以下将更详细讨论的，分级喷射系统50还可包括空气指引结构，其可包括本文已经描述的那些结构中的任一个，以及任何其他常规装置和构件。空气指引结构可构造成在前喷射器21和分级喷射系统50的分级喷射器51之间分配燃烧器空气供应。如本文所使用的，燃烧器空气供应可被限定为运行期间被输送给燃烧器13的总的空气供应。

空气指引结构可包括沿着外径向壁25并穿过外径向壁25形成的轴向限定的入口区段。如图示的那样，这些入口区段可包括穿过外径向壁25形成的一个或更多端口或开口。这些端口和开口可将周围的压缩机排放腔44流体地连接到流环道26的对应的区段。如将会理解的那样，可穿过对应于后环形区段的外径向壁25限定后入口区段，并且可穿过对应于前环形区段的外径向壁25限定前入口区段。如由空气流箭头指示的那样，可将空气指引结构构造成以便指引穿过后入口区段进入的空气沿向前的方向穿过后环形区段。以这种方式，如图7到10中所示，穿过从分级喷射器51向后定位的端口进入流环道26的空气可沿向前的方向流动，以用于由分级喷射器51摄入。如进一步图示的那样，可将空气指引结构构造成以便指引穿过前入口区段进入的空气沿向后的方向穿过前环形区段。以这种方式，穿过从分级喷射器51向前定位的端口进入流环道26的空气可沿向后的方向流动，以便由分级喷射器51摄入。

如关于图6限定的那样，通过燃烧器13的工作流体流径37可包括若干基准平面。这些平面包括前基准平面67，中间基准平面68以及后基准平面69。这些平面的每一个代表与工作流体流径37相交的平面，并且基本垂直于工作流体流径37的中心轴线57对齐。前基准平面67可定位成以便与燃烧区29的前端对齐。中间基准平面68可定位成以便与燃烧区29的轴向中点对齐。并且，后基准平面69可定位成以便与燃烧区的后端对齐。另外，喷射基准平面58是在分级喷射器51的位置处与工作流体流径37相交的平面。喷射基准平面58也可基本垂直于工作流体流径37的中心轴线57，并且定位成以便与分级喷射器51的喷射点对齐。喷射基准平面58可包括定位在其上的若干个分级喷射器51，在这种情况下其为公共喷射器基准平面58。根据某些优选的实施例，前入口区段和后入口区段可关于基准平面58，67，68，69限定。如图7中所示，按照示例性实施例，后入口区段可包括大约限定在喷射基准平面58和后基准平面69之间的轴向范围，而前入口区段可包括大约限定在喷射基准平面58和前基准平面67之间的轴向范围。如图8到10中所示，其他的构造也是可能的。

如图7到10中所提供的，后入口区段和前入口区段的每一个都可包括多个隔开的冲击端口41。后入口区段和前入口区段也可包括用于在特定位置允许更大体积的空气进入流环道26的更大的端口或开口42。在冲击端口41的情况下，每个端口都可穿过外径向壁25形成，并且构造成抵靠内径向壁24的外表面使空气的冲击射流成列。以这种方式，可通过由分级喷射器51摄入的空气供应充分地冷却内径向壁24的大区段。根据某些优选的实施例，例如，后入口区段的多个冲击端口41可在位于后基准平面69的正前方的最后冲击端口和位于喷射基准平面58的正后方的最前冲击端口之间轴向地隔开。例如，前入口区段的多个冲击端口41可在位于喷射基准平面58的正前方的最后冲击端口和位于前基准平面67的正后方的最前冲击端口之间轴向地隔开。其他的构造也是可能的。另外，后入口区段和前入口区段的每一个的多个冲击端口41在数量上可包括许多，诸如大于一百。这些冲击端口41可周向地以及轴向地隔开，并且可围绕外径向壁25的整个周边延伸。如同样图示的那样，可穿过外径向壁25限定更大的端口或开口42。这些可用来在指定的位置允许更大的空气流进入流环道26。在这种情况下，如将会理解的那样，这些更大的流可以在距分级喷射器51显著的距离处被带入流环道26，并且被允许在该较大的流向分级喷射器51行进时对流地冷却内径向壁24的外表面，以最终由此摄入。包括冲击端口41和较大开口42两者的实施例也是可能的。

在本发明的此类分级喷射系统50中，分级喷射器51可沿外径向壁25/内径向壁24组件的长度在不同的轴向位置处设置。就是说，分级喷射器51相对于前喷射器21向后的间隔可以变化。根据一个宽的范围，分级喷射器51可在前基准平面67和后基准平面69之间的任何位置处定位。根据优选实施例，诸如图7和8的示例，分级喷射器51可定位在中间基准平面68处或附近，即，大概在前基准平面67和后基准平面69之间的中间。根据其他的优选实施例，如图7，8，和9中所示，分级喷射器51可定位在前基准平面67和中间基准平面68之间。根据这些特定实施例内的变化，分级喷射器51可定位成更靠近前基准平面67或中间基准平面68。如图9中图示的那样，根据那些特定布置中的一个，分级喷射器51定位在前基准平面67的正后方。根据那些布置的另一个，分级喷射器51可大约定位在前基准平面67和中间基准平面68之间的中间。如图10中所图示的，分级喷射器51也可定位在中间基准平面68和后基准平面69之间。此定位也可包括变型，诸如其中分级喷射器51更靠近中间基准平面68的示例以及其中分级喷射器51更靠近后基准平面69或在后基准平面69处的其他示例。根据图10的特定实施例，分级喷射器51也可大约定位在中间基准平面68和后基准平面69之间的中间。

不管定位如何，如将会理解的那样，从入口区段到分级喷射器51的空气流的相对方向在图7到10的每个示例中都保持一致。另外，关于这些实施例的每一个，分级喷射系统50都可包括多个此类分级喷射器51。在这种情况下，如已经解释的那样，分级喷射器51可周向地隔开，使得喷射基准平面58对于每一个都是公共的。因此，这些附加的分级喷射器51每一个都可从与之对应的后入口区段和前入口区段接收流。分级喷射器51也可构造成环形喷射器。

如图7到10的每一个图进一步图示的，燃烧器13的空气指引结构可更具体地描述为包括对应于前喷射器21的头端入口区段。如图所示，头端入口区段可定位在前入口区段的前面。在这种情况下，头端入口区段可包括穿过外径向壁25形成的较大端口或开口42的其中一个，其可构造成允许来自压缩机排放腔44的充分的空气进入，用来供应前喷射器21。如图所示，此空气可进入流环道26，且然后沿向前方向向前喷射器21指引。就是说，头端入口区段可配置成将通过其进入的空气引向前喷射器21，以用于与同样被供应给它的燃料燃烧。

出于描述的目的，如已经提及的那样，内径向壁24可描述为包括轴向堆叠的室，其中前向室28容纳前喷射器21，而后向室29限定燃烧区。此外，分级喷射器51可包括在外径向壁25和内径向壁24之间延伸的结构，并且从而阻塞流环道26的一部分。具体地，例如可为管状喷嘴53的此结构可称为阻塞流环道26的周向限定的节段。根据本发明的实施例，喷嘴53可包括与流环道26流体地连通的端口55。例如可为穿过喷嘴53的管侧向形成的这些端口55可构造成接收通过流环道26被引向分级喷射器51的空气流。关于图7和10的实施例，第一端口55可设置在喷嘴53的后向面上，并且构造成接收经由后环形区段流向分级喷射器的空气。另外，第二端口55可设置在喷嘴53的前向面上，并且配置成接收经由前环形区段流向分级喷射器的空气。如同样提及的那样，并且如图11到13中所示，燃料指引结构可包括形成在喷嘴53内的一个或更多燃料端口56。燃料端口56可连接到形成在内径向壁24外侧的燃料通路52上。根据优选实施例，燃料端口56可在喷嘴53的外侧端和内侧端之间侧向地定位。燃料指引结构还可包括实施例，其中燃料通路52轴向地延伸穿过外径向壁25的内部，如图11到13中所示。

出于描述的目的，如已提及的那样，流环道26可被描述为包括盖组件区段和燃烧区区段。具体地，流环道26的盖组件区段包括在内径向壁24的前向室28周围出现的轴向区段(即，盖组件)，而流环道26的燃烧区区段包括出现在内径向壁24的后向室29周围的轴向区段(即，燃烧区)。根据某些优选的实施例，头端入口区段的开口42穿过对应于流环道26的盖组件区段的外径向壁25形成。开口42可包括与冲击端口41相比在流区域中大得多的端口，冲击端口41穿过对应于流环道26的燃烧区区段的外径向壁25形成。如图7到10中所示，开口42可构造成将压缩机排放腔44流体地连接到流环道26的盖组件区段。如已经讨论的那样，与盖组件30相关联的内径向壁24可包括盖入口45，盖入口45用于将流环道26的盖组件区段流体地连接到盖组件30的内部区域，其可配置成将通过盖入口45进入的空气引向前喷射器21的喷嘴23。如将会理解的那样，在这种情况下，燃料指引结构可包括将前喷射器21的喷嘴23连接到燃料源上的燃料线22。

如将会理解的那样，图7到10的实施例的空气指引结构可包括端口和开口之间的相对孔口或流区域尺寸设置，开口对应于后入口区段、前入口区段和头端入口区段。根据优选的实施例，相对孔口尺寸设置配置成用于计量前喷射器21和分级喷射器51之间的燃烧器空气供应。根据某些实施例，燃烧器空气供应的此计量包括将供应的至少30%引向分级喷射器51。根据其他优选实施例，燃烧器空气供应的至少50%被引向分级喷射器51。

现在参考图11到13，根据备选实施例，后环形区段和/或前环形区段可包括热传递结构，以用于增大在移动穿过环道的空气流和内径向壁24的外表面之间的热传递率。热传递结构可包括促进湍流并且从而通过打破在冷却剂移动穿过通道时在其中形成的热学层而增大热传递的任何类型的结构。以这种方式，新鲜的冷却剂，即，还没有从内径向壁24吸收热量的空气流，可被带至与壁形成接触，使得更大的温度差增大热传递率。热传递结构也可包括增大内径向壁24的表面面积，并从而增大壁和移动穿过环道26的空气流之间能量交换的速率的构造。注意图11到13还图示了根据优选实施例的若干类型的分级喷射器。如图11中所示，第一类型的分级喷射器51包括喷嘴53，其中喷射端口61定位成基本与内径向壁24的热侧平齐。如图12中所示，第二类型的分级喷射器51包括位于流环道外的燃料和空气混合室62，即，在外径向壁25外侧。混合室62可由倒圆的屏蔽壁63形成，屏蔽壁63从外径向壁25的外表面凸出。如将会理解的那样，混合室62可给分级喷射器51提供较大的内部，以用于燃料和空气在喷射到工作流体流径中之前改善的混合。第三类型的分级喷射器51包括突出的喷嘴53，该突出的喷嘴53从内径向壁24的内表面延伸，以便穿入工作流体流径37。此类型的喷嘴53常被称作浸入喷射器，因为它包括喷射端口，并且例如可被用来使喷射的燃料/空气混合物更均匀地分散在工作流体流径37内。

如图11中所示，根据一个优选的实施例，热传递结构包括形成在内径向壁24的外表面上的多个扰流器81。如将会理解的那样，扰流器81可构造成从内径向壁突入流环道26的突起。如图所示，在一个优选实施例中，此类扰流器81可呈周向延伸的脊状物的形式。根据其他实施例，扰流器81可构造成离散的隆起、凹陷等。扰流器81在流环道26中可定位在分级喷射器51的任一侧，即，在后环形区段或前环形区段或两者内。根据另一实施例，如图12中所示，热传递结构可包括垂直于穿过流环道26的流的总体方向形成的一系列凹槽82。凹槽82可形成在内径向壁24的外表面上，并且可被包括在分级喷射器51的任一侧上。其他的构造也是可能的。

图13图示了按照本发明的备选实施例的另一种类型的热传递结构。如图所示，可穿过内径向壁24的外表面形成微通道83。微通道83可包括浅的凹槽。根据一个实施例，凹槽如图所示可以是封闭的。备选地，凹槽可对流通道26保持开口。如图所示，例如每个微通道83都可构造成轴向对齐的浅通道，其包括通向流环道26的入口端口和出口端口，具有在两者之间延伸的封闭的区段。微通道83还可包括在2015年11月18日提交的待决美国专利申请(序列号14/944341，档案号282958)中公开或引用的那些微通道，该美国专利申请通过其整体引用而结合在本文中。如将会理解的那样，在运行期间，通过冲击端口41冲击在外径向壁上的空气流可被强制进入微通道83的入口端口，使得产生穿过其中的空气流。由于内径向壁24的更大的表面面积被暴露，且微通道83允许冷却剂渗入内径向壁24的外表面，从而此空气流引起改善的热传递率。以这种方式，冷却效果不仅仅限于内径向壁24的表面。如将会理解的那样，此策略的优点包括减少了以其他方式将会形成的急剧的温度梯度。根据某些实施例，通过形成在内径向壁24内的微通道83的集合，流环道26本身可形成并整体包含在内径向壁24内。如本文所用，术语“流环道”应被理解为包括这样的意思。

现在参考图14，提供了一个备选实施例，其中流环道26内的密封结构或者轴向隔离物85防止或者限制空气经过分级喷射器51的移动。如图所示，这可用来引起穿过燃烧器的不同类型的流循环以及新的冷却策略。如将会解释的那样，这产生了从流环道26的后环形区段到分级喷射器51的空气流，同时流环道26的前环形区段内的流被引向前喷射器21。如本文所用，轴向隔离物包括壁和其他密封结构以及流体密封件。另外，除非另外指出，否则此类轴向隔离物可完全或部分地密封通道。

如对于本文讨论的其他示例那样，图14的实施例包括分级喷射系统50，该分级喷射系统50具有前喷射器21和从该前喷射器21向后轴向地隔开的分级喷射器51，分级喷射器51具有燃烧区29内的喷射点。因而，喷射点从前喷射器21向后且在下游。相对于此喷射点，可将后环形区段限定至喷射点的后侧，且可将前环形区段限定在其前侧。同样，如之前关于其他实施例所描述的，图14的示例的空气指引结构可包括沿着外径向壁25形成的轴向限定的入口区段。如图所示，这些入口区段可包括穿过外径向壁25形成的一个或更多端口或开口，其将周围的压缩机排放腔44流体地连接到流环道26的对应区段。因此，可穿过对应于后环形区段的外径向壁25限定后入口区段，并且可穿过对应于前环形区段的外径向壁25限定前入口区段。入口区段每个都可包括多个冲击端口41和/或开口42。

如图14的箭头所示，此实施例的空气指引结构这样构造，以指引进入后环形区段的空气沿向前的方向穿过后入口区段并流向分级喷射器51。以这种方式，穿过从分级喷射器51向后定位的端口进入流环道26的空气被引向分级喷射器以在其内部摄入。但是，不同于图7到13的实施例，与图14相关的空气指引结构这样构造，以引导穿过前入口区段(即，分级喷射器的前面及其喷射点)进入的空气沿向前的方向穿过前环形区段。以这种方式，如图所示，穿过从分级喷射器51向前定位的端口进入流环道26的空气被引向前喷射器21以在其内部摄入。如将会理解的那样——并且为了防止不必要的重复——分级喷射器51的定位可包括以上关于其他实施例已经讨论的那些位置的任何位置。还将理解的是本文讨论的任何其他备选方式和特征——诸如喷射器或热传递结构的类型——可以以类似的方式应用于图14中所示的实施例，尤其是当所附权利要求的范围允许时。

因此，图14的实施例包括一种构造，其中在相对于分级喷射器51的后向位置进入流环道26的空气被引向分级喷射器51以在其中使用，而在相对于分级喷射器51在前面进入流环道26的空气被引向前喷射器21。如图所示，这可以通过轴向隔离物85实现，轴向隔离物85可构造成壁、密封件等。如图示实施例中所示，轴向隔离物85可形成为在外侧端连接到外径向壁25上且在内侧端连接到内径向壁24上的壁。隔离物85可围绕流环道26的周边延伸。如将会理解的那样，隔离物85可这样定位在流环道26内，以便妨碍、限制或者完全阻止后环形区段内的空气流流过分级喷射器51的接近轴向位置。这就是说，轴向隔离物85可指引或引导流环道26的该区段内的全部空气流进入分级喷射器51。分级喷射器51的喷嘴23可包括空气流从流环道26流出的端口55。

根据另一个实施例，如图15中所示，空气指引结构可包括围绕外径向壁25并在其外侧形成的第三径向壁86，以便在它们之间产生外侧流环道86。如图所示，可布置一条之字形冷却剂流径88，其最终将源自压缩机排放腔44的空气流输送至分级喷射器51。如所指示的那样，之字形冷却剂流径88可包括形成在流环道26的区段内的上游区段91，继之以形成在外流环道87内的下游区段92。以这种方式，之字形冷却剂流径88可将向前移动穿过流环道26的流重新指引成移动穿过外流环道87的后向流。

之字形冷却剂流径88可包括穿过外径向壁25形成的前端口93和后端口94。如图所示，前端口93可将上游区段91流体地连接到之字形冷却剂流径88的下游区段92。后端口94可将之字形冷却剂流径88的下游区段92流体地连接到分级喷射器51的喷嘴53上。如进一步所示的，第三径向壁86可形成为实心连续的结构，其封闭前端口93和后端口94两者，并且将穿过外流环道87的流与周围的压缩机排放腔44中的流流体地隔离。

如将会理解的那样，根据优选的实施例，轴向隔离物85可形成在流环道26内，以产生进入之字形冷却剂流径88的期望的流。轴向隔离物85可形成之字形冷却剂流径88的上游区段91的前端点。如将会理解的那样，轴向隔离物85可与分级喷射器51在前地隔开。分级喷射器51可与穿过之字形冷却剂流径88的上游区段的流环道相交。轴向隔离物85可构造成部分或完整的隔离物，并且可包括在外径向壁25和内径向壁24之间并围绕流环道26的周边延伸的壁或其他流体密封件，以便阻止流环道26内的轴向流。

相对轴向隔离物85的位置，流环道26可描述成分成后环形区段和前环形区段，后环形区段限定至轴向隔离物85的后侧，而前环形区段限定至轴向隔离物85的前侧。空气指引结构可包括穿过外径向壁25形成的轴向限定的入口区段，该入口区段将压缩机排放腔44流体地连接到流环道26的对应的轴向限定的区段上。根据优选的实施例，这些入口区段可包括对应于后环形区段的后入口区段，以及对应于前环形区段的前入口区段。根据其他优选的实施例，轴向隔离物85可构造成将前环形区段与后环形区段流体地密封，使得：基本上流入前环形区段的燃烧器空气供应的全部空气被引向前喷射器21；以及基本上流入后环形区段的燃烧器空气供应的全部空气被指引穿过之字形冷却剂流径以用于输送到分级喷射器51。

如所示出的那样，依据之字形冷却剂流径88的示例性实施例，穿过流环道26的相对于轴向隔离物85的位置向后进入的空气流可被沿向前的方向指引。此空气流可被允许经过分级喷射器51的位置并继续到达前端口93。换言之，空气流从后环形区段向前环形区段经过周向间隙行进，周向间隙可存在于分级喷射器51之间。此流然后可继续流向压缩机13的前端，直至抵达一点，在该点处之字形冷却剂流径88构造成使流反向大约180°。具体地，如图所示，可使空气流经由之字形冷却剂流径88“对折”，使得其被引向分级喷射器51，以用于最终经由后端口94输送至该处。

根据示例性实施例，之字形冷却剂流径88可构造成使得穿过流环道26的空气流被引入在外径向壁25周围形成的外流环道87。具体地，第三径向壁86可形成在外径向壁25外侧并从其偏移，使得在它们之间形成第二流环道，即外流环道87。外流环道87内的空气流可被引向后端口94，在那里其可由分级喷射器51摄入。如本文所述，在分级喷射器51内，空气流可与燃料混合并且被喷入工作流体流径37。如将会理解的那样，分级喷射器51的类型和放置可与本文关于其他实施例已经描述的备选方式一致。

如将会理解的那样，图7到15的示例性实施例提供了新颖的构造以及所引发的空气流模式，其中燃烧器的主体的显著部分主要地由空气流冷却，该空气流最终预定用于穿过分级喷射器而不是经由在燃烧器头端的前喷射器喷射。假定被引向轴向分级喷射器的燃烧器空气的持续升高的水平，本文描述的构造提供了更高的系统效率，诸如压力损耗的降低以及冷却空气的更高效的使用。早期的喷射系统采用将总的空气的相对小比例引向分级喷射器——即，大约5%到20%——的轴向分级，而更新的系统现在将多得多比例的空气引向分级喷射器。结果，使用预定由分级喷射器喷射的空气来冷却限定燃烧区域的单一体或内径向壁的显著部分或全部变得可能，这可以使系统的整体空气动力学成为流线型。随着对于穿过燃烧器的更大质量空气的要求持续攀升，如本文所描述的此类系统的优点已经被发现是显著的。如将会理解的那样，在常规系统中，用于限定内径向壁的燃烧区的冷却构造串联地链接，且与之相关联的大部分空气流被引向燃烧器头端和定位在其中的前喷射器。这导致由顺序连接的构件损耗构成的总的系统压力损耗，其导致分级喷射器接收跨越它的总系统压力损耗。当燃烧器主体的冷却从该系列构件压力损耗(如本文所提出的那样)显著地去除时，总体系统压力损耗可被显著地降低，因为更多的构件压力损耗现在并行地操作了。取决于操作者的倾向，本文公开的构造可使得能够重新分配系统压力损耗。这就是说，在前喷射器内可消耗更多的压力损耗，以改善燃料和空气在其内部的混合。

本发明的不同方面另外可用于减少与环道内的冲击冷却相关的问题。在常规的系统中，如将会理解的那样，最终被供给到前喷射器中的大部分空气在流环道的后端处或附近进入流环道。此空气然后被要求流过流环道的长度，或者至少其显著部分，这导致与例如通过沿单一体的长度定位的冲击端口刚刚进入流环道的新鲜冷却剂的流碰撞。这导致增大了系统整体压力损耗的空气动力学的混合和动量损耗。另外，在流环道内形成的使用过的冷却剂的交叉流降低了刚刚到达的更新鲜的冷却剂的效力。这是因为冲击端口的冲击空气流在直接抵靠待冷却的表面而成列(即，以大约90°的陡峭角度)时是最有效的。交叉流经由使冲击冷却剂的射流在交叉流移动的方向上偏移而与冲击冷却剂的射流产生干扰，使得它们以较浅的角度撞击内径向壁的外表面。依据本申请的设计，这些问题可通过降低大多数冷却剂在到达喷射点前在流环道中行进的程度而最小化或者基本上消除。另外，依据某些优选的实施例，对于冷却剂流经被喷嘴或与分级喷射器相关的其他构件部分阻塞的流环道的区段的必要性可最小化或者基本上消除。这意味着进入流环道的后向部分的冷却剂不再必须移动通过流环道的这些区段，这些区段由于分级喷射器的相交的构件已经被缩窄。这不仅具有消除与这些缩窄的区段相关的压力损耗的好处，但也带起了源自在相交结构下游形成的尾流的那些问题。这些问题包括那些与由尾流引起的对表面冷却的中断相关的问题，以及与前喷射器中的流中断和不均匀下游空气流相关的问题。如将会理解的那样，本发明的实施例允许将增大体积的空气输送至分级喷射器，同时限制分级喷射器要求的必须流经流环道内的障碍物的空气的体积。

现在总体参考图16到22，示出了本发明的另外的实施例，其中一部分燃烧器空气供应在被引向分级喷射器51用于喷射到工作流体中之前，首先作为冷却剂循环穿过涡轮12内的定子叶片17。如将会理解的那样，当前实施例的系统和构件可包括与以上描述的那些的若干相似之处。例如，工作流体流径37可穿过燃气涡轮机10的燃烧器13和涡轮12区段限定。与图5中所示的构造类似，工作流体流径37可沿纵向中心轴线57从由燃烧器13中的前喷射器21限定的前端向后延伸，穿过燃烧器13在该处过渡至涡轮12的界面，且然后穿过涡轮12到达在其中限定的后端。(注意“界面”术语旨在包括这样的构造，其中在发动机的燃烧器13和涡轮12区段之间形成无缝过渡，即，其中燃烧器13和涡轮12跨越整体的单一体连接。)另外，压缩机排放腔44可围绕工作流体流径37形成，以用于接收由压缩机11输送到那里的燃烧器空气供应。燃气涡轮机可包括分级喷射系统50，其包括前喷射器21和与其轴向向后隔开的分级喷射器51。如以下更详细地讨论的那样，该系统还可包括：用于在前喷射器21和分级喷射器51之间分配燃烧器燃料供应的燃料指引结构；以及用于在前喷射器21和分级喷射器51之间分配燃烧器空气供应的空气指引结构。

进一步参考图16到22，空气指引结构可包括一个或更多冷却剂流径101，其每个都提供一个指向性的、连续的流体通路，来自压缩机排放腔44的冷却剂穿过该流体通路被发送以最终输送至分级喷射器51。具体地，冷却剂流径101可包括将冷却剂指引穿过定子叶片17的内部的区段。然后，在经过定子叶片17后，冷却剂流径101可将冷却剂指引至分级喷射器51，在这里冷却剂与燃料混合并被喷入工作流体流径37。根据优选的实施例，冷却剂流径101通常可包括入口区段103，冷却回路104以及出口区段105。如以下将更详细讨论的那样，入口区段103可包括上游端口，其流体地联接到压缩机排放腔44上，以及下游端口，其可穿过定子叶片17中的一个的内侧壁或外侧壁形成。出口区段105可包括下游端口，其流体地联接到分级喷射器51上，以及上游端口，其也穿过定子叶片17中的一个的内侧壁或外侧壁形成。冷却回路104可为延伸穿过定子叶片17中的一个的内部的冷却通道。冷却回路104可包括上游端，其连接到入口区段103的下游端口上，以及下游端，其连接到出口区段105的上游端口上。

如所讨论的那样，涡轮12可包括若干级叶片，其每个级都可包括一排定子叶片17，继之以一排转子叶片。一排定子叶片17可包括围绕涡轮转子盘周向地隔开的多个定子叶片17。如图所示，每个定子叶片17都可包括跨越工作流体流径37延伸的翼型件113。翼型件113是定子叶片17的一部分，其构造成与穿过涡轮12的工作流体的流相互作用。定子叶片17可包括在翼型件113侧翼并将其固定到涡轮13内的固定结构上的侧壁。具体地，翼型件113可连接到内侧壁和外侧壁上，内侧壁在安装后，可使得限定工作流体流径37的内边界，外侧壁在安装后，可使得限定工作流体流径37的外边界。如将会理解的那样，翼型件113、内侧壁以及外侧壁可为定子叶片17的一体形成的构件。出于描述的目的，定子叶片17的轴向宽度限定为翼型件113的前缘114和后缘115之间的轴向距离。另外，如本文中所用，最前一排定子叶片17代表定位成最靠近涡轮12的前端的那排定子叶片17，即，最靠近燃烧器13和涡轮12之间的界面。

如现在所呈现的，继续参考图16到22，可围绕穿过燃烧器13和涡轮12两者的区段的工作流体流径37形成流环道26。在燃烧器13内，流环道26可以以如上已经讨论的方式构造。如图所示，由于图中提供的横截面视图的特性，因而形成在涡轮12内的流环道26的部分可显得相似地构造。但是，如将会理解的那样，由于燃烧器13和涡轮12中工作流体流径37的不同的构造，涡轮12内的流环道26可具有在燃烧器11内的区段中找不到的某些特性。这些特性将在下面限定。

虽然作为一个初始问题，但应该理解的是通常引用“流环道”可指形成在燃烧器13的工作流体流径37周围的流环道或者涡轮12的工作流体流径37周围的流环道或者两者。当做这样的通常引用时，流环道26将被描述为限定在流径壁108和环道壁109之间，如贯穿若干附图所示。因此，穿过燃烧器13和/或涡轮12的工作流体流径37可通常指由流径壁108限定，而流环道26可通常描述为被限定在流径壁108和环道壁109之间。另外，如本文中所用，流径壁108可被描述为具有相反的热侧和冷侧，其中热侧为面向工作流体流径37(并且热的燃烧气体包含在其中)的侧面，而冷侧为面向流环道26(且相对较冷的空气流包含在其中)的一侧。因此，总体上，环道壁109可被描述为包围流径壁108的冷侧并从其偏移，使得流环道26形成在其间。

转回燃烧器13和涡轮12内工作流体流径37和流环道26之间的不同，以下术语将用来辨别按照普通涡轮发动机构造对于每一个特定的特征。如将会理解的那样，此普通构造包括多个圆柱形的燃烧器13，其每一个都连接到穿过涡轮12形成的环形地成形的工作流体流径37的环形节段上。在燃烧器13内，这意味着概述性的术语“流径壁”和“环道壁”可理解为代表之前在本文中被分别称作“内径向壁”和“外径向壁”的特征。然而，在涡轮12内，这些概述性的术语——即，“流径壁”和“环道壁”——可能被进一步细化，使得可标识环形地成形的流径特别固有的区域。因此，出于描述的目的，涡轮12内的“流径壁108”可描述为具有内流径壁108a和外流径壁108b，如若干附图中所标识的那样。因此，如将会理解的那样，内流径壁108a限定工作流体流径37的内边界，而外流径壁108b限定工作流体流径37的外边界。类似地，穿过涡轮12的流环道26可包括围绕内流径壁108a和外流径壁108b两者的冷侧形成的流环道。因此，如图16到22中所示，涡轮12内的流环道26可更特别地描述为包括内流环道26a和外流环道26b。为了形成内流环道26a和外流环道26b，涡轮12内的环道壁109可更特别地被描述成具有内环道壁109a和外环道壁109b。给定这些符号表示，如将会理解的那样，内环道壁109a可从内流径壁108a的冷侧偏移，使得内流环道26a限定在其间。并且，对于工作流体流径37的另一侧，外环道壁109b从外流径壁108b的冷侧偏移，使得外流环道26b限定在其间。

另外，应该理解的是存在许多可能的构造，通过这些构造流环道26可形成在涡轮12内，以便实现本文所述的功能性。除非另外限制，否则此类备选布置应被认为包括在所附权利要求书的范围内。就是说，本文所使用的非限制性语言应被理解为覆盖任何此类构造，压缩的空气通过此类构造可源自压缩机排放腔44并且然后沿着涡轮12的工作流体流径37的外部输送到特定的位置，以用于满足本文所述的功能。如还将理解的那样，定子叶片17可包括内侧壁和外侧壁，它们附接到工作流体流径37内的翼型件113上并将翼型件113固定。内侧壁和外侧壁可构造成分别限定工作流体流径37的内边界和外边界的轴向区段。由于这个，内侧壁和外侧壁可被认为分别是内流径壁108a和外流径壁108b的构件。

另外，根据备选实施例，燃烧器13也可被构造成环形燃烧器。在这种情况下，燃烧器13可包括连接到涡轮12的环形地成形的流径上的连续的环形地成形的流径。将会理解的是，燃烧器13之后将可以以如图6和7中对于涡轮12所示的相同的方式包括内侧流径壁108a和外侧流径壁108b。应该理解的是，虽然本文提供的某些示例讨论了罐－环状构造，提供的图示以及所附权利要求书包括了可能的燃烧器构造(即，环形或罐－环形)中的任一个，除非另外指出。

本讨论的实施例通常可包括与以上所述的那些中的任一个一致的分级喷射系统50。就是说图16到22的分级喷射系统50可包括关于前述附图已经讨论的那些实施例的任何实施例。因此，例如，分级喷射系统50可包括前喷射器21和从前喷射器21轴向地向后隔开的一个或更多分级喷射器51。另外，分级喷射器51可构造成与流环道26相交，以便获得工作流体流径37内的喷射点。出于描述的目的，相对于喷射点的轴向位置，可对喷射点的前侧限定前环形区段，而对喷射点的后侧限定后环形区段。分级喷射器51可包括轴向隔离物85，轴向隔离物85可构造成轴向地分隔流环道26。根据某些实施例，如之前所述，轴向隔离物85可定位在流环道26中，以便与分级喷射器51轴向地一致或者靠近分级喷射器51。轴向隔离物111可构造成使前环形区段与后环形区段流体地密封。此密封布置可形成为使得进入前环形区段的全部或基本上全部燃烧器空气供应被引向前喷射器21，而进入后环形区段的全部或基本上全部燃烧器空气供应被引向分级喷射器51。如以下更详细地讨论的那样，分级喷射器51可定位在燃烧器13或涡轮12内。

现在特别注意图16和18，提供的本发明的实施例包括冷却回路104，冷却回路104具有在定子叶片17的翼型件113内的环形构造。如图所示，这些示例性实施例中的空气指引结构包括冷却剂流径101，冷却剂流径101具有入口区段103，冷却回路104，以及出口区段105，该空气指引结构可根据图16和17中提供的备选布置构造。

根据一种备选形式，如图16中所示，冷却回路104从与内流环道26a的连接处延伸并且返回到该连接处。如将会理解的那样，在这些连接之间，冷却回路104可形成定子叶片17的翼型件113内的冷却通道。更具体地，如图所示，入口区段103可包括：流体地联接到压缩机排放腔44上的上游端口；以及穿过翼型件113的内侧壁或者更通常地，穿过内流径壁108a形成的下游端口。如进一步图示的，出口区段105可包括：流体地联接到分级喷射器51上的下游端口；以及穿过翼型件113的内侧壁或者更通常地，穿过内流径壁108a形成的上游端口。冷却回路104可构造成沿着依照冷却要求选择的期望路径延伸穿过翼型件113的内部，同时将入口区段103流体地连接到出口区段105上。因此，冷却回路104可包括上游端，其连接到入口区段103的下游端口上，以及下游端，其连接到出口区段105的上游端口上。根据优选的实施例，冷却回路104具有蜿蜒的构造，以便增强翼型件113内的冷却效率。

根据另一备选形式，如图17中所示，冷却回路104从与外流环道26b的连接处延伸并且返回到该连接处。如将会理解的那样，在这些连接之间，冷却回路104可形成定子叶片17的翼型件113内的冷却通道。更具体地，如图所示，入口区段103可包括：流体地联接到压缩机排放腔44上的上游端口；以及穿过翼型件113的外侧壁或者更通常地，穿过外流径壁108b形成的下游端口。如进一步图示的，出口区段105可包括：流体地联接到分级喷射器51上的下游端口；以及穿过翼型件113的外侧壁或者更通常地，穿过外流径壁108b形成的上游端口。冷却回路104可构造成沿着依照冷却要求选择的期望路径延伸穿过翼型件113的内部，同时将入口区段103流体地连接到出口区段105上。因此，冷却回路104可包括上游端，其连接到入口区段103的下游端口上，以及下游端，其连接到出口区段105的上游端口上。冷却回路104可包括蜿蜒的构造，以便增强翼型件113内的冷却效率。

如图所示，图16和17的实施例可包括位于流环道26内的轴向隔离物111。如将会理解的那样，冷却剂流径101的入口区段103和出口区段105可包括流环道26的邻近轴向区段，它们定位在轴向隔离物111的两侧。根据优选的实施例，轴向隔离物111可构造成将邻近的轴向区段中的每一个与彼此流体地密封。假定此构造，则冷却剂流径101的入口区段103可描述成位于轴向隔离物111的后侧，而冷却剂流径101的出口区段105可描述成位于轴向隔离物111的前侧。尽管其他的构造也是可能的，但轴向隔离物111可定位在限定于定子叶片17的前缘114和后缘115之间的轴向范围内。

如图16和17中进一步图示的那样，冷却剂流径101的入口区段103的上游端口可包括穿过环道壁109的对应区段形成的开口，以用于允许一部分燃烧器空气供应进入入口区段103。这些开口可构造成穿过环道壁109形成的冲击端口41。因此，根据优选的实施例，冷却剂流径101的入口区段103的上游端口可包括穿过环道壁109形成的多个冲击端口41。如以下更多讨论的那样，开口或冲击端口41可用于计量到分级喷射器51的空气流以及冷却系统的构件。如以下提供的那样，也可包括表面端口和连接器通道。另外，如所指示的那样，此类冲击端口41不包括在冷却剂流径101的出口区段105中。最终，如将会理解的那样，图16和17的示例的分级喷射系统可包括本文讨论的任何备选实施例和构件，包括那些与分级喷射器51的数量、类型、构造、位置等相关的备选实施例和构件，以及燃料的类型和空气指引结构。

在图18中，定子叶片17的侧壁117在图示中被更特别地着重指出，以便描述一个备选实施例，其中冷却回路104主要穿过定子叶片17的侧壁117形成。根据此备选方式，如图所示，冷却回路104从与外流环道26b的连接处延伸并返回该连接处，同时在两者之间形成定子叶片17的侧壁117内的冷却回路104。如将会理解的那样，冷却回路104显示为在外侧壁117中，但是同样也可形成在内侧壁117中。如同图16和17的实施例一样，入口区段103可包括：流体地联接到压缩机排放腔44上的上游端口，以及形成在翼型件113的侧壁117中的下游端口。出口区段105可包括：流体地联接到分级喷射器51上的下游端口，以及形成在翼型件113的侧壁117中的上游端口。冷却回路104可构造成沿着依照其中的冷却要求选择的期望路径延伸穿过侧壁117的内部，同时将入口区段103流体地连接到出口区段105上。因此，冷却回路104可包括上游端，其连接到入口区段103的下游端口上，以及下游端，其连接到出口区段105的上游端口上。虽然并未示出，但冷却回路104可包括蜿蜒的构造，以便增强翼型件113内的冷却效率。如图所示，图18的实施例可包括定位在流环道26内的轴向隔离物111，以便将期望的冷却剂流指引穿过冷却回路104。

现在特别注意图19和20，提供的本发明的实施例包括冷却回路104，冷却回路104径向地跨越定子叶片17的翼型件113延伸。如图所示，这些实施例中的空气指引结构也可包括冷却剂流径101，冷却剂流径101具有入口区段103，冷却回路104，以及出口区段105，该空气指引结构可根据图18和19中提供的备选布置来构造。

根据一个备选形式，如图19中所示，冷却回路104从与内流环道26a的上游连接处向与外流环道26b的下游连接处延伸。如将会理解的那样，在这些连接之间，冷却回路104可形成定子叶片17的翼型件113内的冷却通道。更具体地，如图所示，入口区段103可包括：流体地联接到压缩机排放腔44上的上游端口；以及穿过翼型件113的内侧壁或者更通常地，穿过内流径壁108a形成的下游端口。如进一步图示的，出口区段105可包括：流体地联接到分级喷射器51上的下游端口；以及穿过翼型件113的外侧壁或者更通常地，穿过外流径壁108b形成的上游端口。冷却回路104可构造成沿着依照冷却要求选择的期望路径延伸穿过翼型件113的内部，同时将入口区段103流体地连接到出口区段105上。因此，冷却回路104可包括上游端，其连接到入口区段103的下游端口上，以及下游端，其连接到出口区段105的上游端口上。冷却回路104可包括蜿蜒的构造，以便增强翼型件113内的冷却效率。

根据另一个备选形式，如图20中所示，冷却回路104从与外流环道26b的上游连接处向与内流环道26a的下游连接处延伸。如将会理解的那样，在这些连接之间，冷却回路104可形成定子叶片17的翼型件113内的冷却通道。更具体地，如图所示，入口区段103可包括：流体地联接到压缩机排放腔44上的上游端口；以及穿过翼型件113的外侧壁或者更通常地，穿过外流径壁108b形成的下游端口。如进一步图示的，出口区段105可包括：流体地联接到分级喷射器51上的下游端口；以及穿过翼型件113的内侧壁或者更通常地，穿过内流径壁108a形成的上游端口。冷却回路104可构造成沿着依照冷却要求选择的期望路径延伸穿过翼型件113的内部，同时将入口区段103流体地连接到出口区段105上。因此，冷却回路104可包括上游端，其连接到入口区段103的下游端口上，以及下游端，其连接到出口区段105的上游端口上。冷却回路104可包括蜿蜒的构造，以便增强翼型件113内的冷却效率。

根据优选的实施例，如图19和20中图示的那样，冷却剂流径101的入口区段103和出口区段105可定位成使得每个都轴向地重叠限定在定子叶片17的翼型件113的前缘114和后缘115之间的轴向范围。根据其他优选备选形式，入口区段103和出口区段105可定位成以便彼此轴向地重叠。冷却剂流径101的入口区段103和出口区段105两者都可构造成限定这样的轴向范围，该轴向范围在其中完全地包括限定在翼型件113的前缘114和后缘115之间的轴向范围。

如图19和20中进一步图示的那样，冷却剂流径101的入口区段103的上游端口可包括穿过环道壁109的对应区段形成的开口，以用于允许一部分燃烧器空气供应进入入口区段103。这些开口可构造成穿过环道壁109形成的冲击端口41。因此，根据优选的实施例，冷却剂流径101的入口区段103的上游端口可包括穿过环道壁109形成的多个冲击端口41。如以下更多讨论的那样，开口或冲击端口41可用于计量到分级喷射器51的空气流以及冷却系统的构件。如以下提供的那样，也可包括表面端口和连接器通道。另外，如所指示的那样，此类冲击端口41不包括在冷却剂流径101的出口区段105中。最终，如将会理解的那样，图18和19的示例的分级喷射系统可包括本文讨论的任何备选实施例和构件，包括那些与分级喷射器51的数量、类型、构造、位置等相关的备选实施例和构件，以及燃料的类型和空气指引结构。

现在特别注意图21和22，示出了本发明的实施例，其中形成了多个冷却剂流径101，以便产生定子叶片17的翼型件113内的十字形构造。在这些示例中，如将会理解的那样，空气指引结构可包括冷却剂流径101中的至少两个，其每个都具有入口区段103、冷却回路104和出口区段105。如以下更多描述的那样，出于描述目的，冷却流径101可包括冷却回路104，冷却回路104构造成当每一个都在内环道和外环道之间沿相反的方向径向延伸时在翼型件113内十字交叉。

根据优选的实施例，空气指引结构可包括第一冷却剂流径101a和第二冷却剂流径101b。第一冷却剂流径101a可包括：入口区段103，其具有流体地联接到压缩机排放腔44上的上游端口和穿过翼型件113的内侧壁，或者更通常地，穿过内流径壁108a形成的下游端口；出口区段105，其包括流体地联接到分级喷射器51上的下游端口和穿过外侧壁，或者更通常地，穿过外流径壁108b形成的上游端口；以及冷却回路104，其延伸穿过定子叶片17的翼型件113的内部，并且将入口区段103连接到出口区段105上。冷却回路104可构造成沿着依照冷却要求选择的期望路径延伸穿过翼型件113的内部，同时将入口区段103流体地连接到出口区段105上。因此，冷却回路104可包括上游端，其连接到入口区段103的下游端口上，以及下游端，其连接到出口区段105的上游端口上。

如图所示，第二冷却剂流径101b可构造成跨越翼型件113沿相反的方向承载冷却剂。因此，第二冷却剂流径101b可包括：入口区段103，其具有流体地联接到压缩机排放腔44上的上游端口和穿过翼型件113的外侧壁，或者更通常地，穿过外流径壁108b形成的下游端口；出口区段105，其包括流体地联接到分级喷射器51上的下游端口和穿过内侧壁，或者更通常地，穿过内流径壁108a形成的上游端口；以及冷却回路104，其延伸穿过定子叶片17的翼型件113的内部，并且将入口区段103连接到出口区段105上。冷却回路104可构造成沿着依照冷却要求选择的期望路径延伸穿过翼型件113的内部，同时将入口区段103流体地连接到出口区段105上。因此，冷却回路104可包括上游端，其连接到入口区段103的下游端口上，以及下游端，其连接到出口区段105的上游端口上。

如图所示，在第一和第二流环道26a，26b的每一个中均可包括轴向隔离物111。如将会理解的那样，第一冷却剂流径101a的入口区段103以及第二冷却剂流径101b的出口区段105可构造成流环道26的相邻轴向区段，它们定位成位于它们内的轴向隔离物111的两侧。根据优选的实施例，轴向隔离物111构造成将邻近的轴向区段中的每一个与彼此流体地密封。类似地，第二冷却剂流径101b的入口区段103以及第一冷却剂流径101a的出口区段105可形成为流环道26的相邻轴向区段，它们定位成位于它们内的轴向隔离物111的两侧。轴向隔离物111也可构造成将邻近的轴向区段中的每一个与彼此流体地密封。假定此构造，则第一冷却剂流径101a和第二冷却剂流径101b的入口区段103可描述成位于轴向隔离物111的后侧，而第一冷却剂流径101a和第二冷却剂流径101b的出口区段105可描述成位于轴向隔离物111的前侧。尽管其他的构造也是可能的，但轴向隔离物111可定位在限定于定子叶片17的前缘114和后缘115之间的轴向范围内。如将会理解的那样，前述构造导致第一冷却剂流径101a的入口区段103的下游端口和第二冷却剂流径101b的出口区段105的上游端口各自都穿过内侧壁(或者更通常地，内流径壁108a)形成，而第二冷却剂流径101b的入口区段103的下游端口和第一冷却剂流径101a的出口区段105的上游端口各自都穿过外侧壁(或者更通常地，内流径壁108a)形成。

第一冷却剂流径101a和第二冷却剂流径101b的入口区段103的上游端口可包括穿过环道壁109的对应区段形成的开口，以用于允许一部分燃烧器空气供应进入入口区段103。如图所示，这些开口可构造成穿过环道壁109形成的冲击端口41。因此，根据优选的实施例，第一冷却剂流径101a和第二冷却剂流径101b的入口区段103的上游端口可包括分别穿过内环道壁109a和外环道壁109b形成的多个冲击端口41。如将会理解的那样，这样的冲击端口41可构造成用于冲击来自压缩机排放腔44的空气流，并且使得到的空气射流抵靠内流径壁108a和外流径壁108b的冷侧成列，从而在运行期间对它主动冷却。如将会理解的那样，上游端口的开口可构造成用来计量被引向一个或更多分级喷射器51的燃烧器空气供应的部分。此分配可相对于否则将被引向前喷射器21的燃烧器空气供应的剩余部分而做出。根据某些实施例，燃烧器空气供应的计量包括将其至少20%引向分级喷射器51。根据其他的优选实施例，燃烧器空气供应的至少40%被引向分级喷射器51。

根据一个备选实施例，如图21中所示，一个或更多表面端口118可穿过定子叶片17的翼型件113的外表面形成。在这种情况下，可提供连接器通道119，其从冷却回路104分支并且将表面端口流体地联接到连接器通道中的一个上。如将会理解的那样，可以这样做来对翼型件113提供表面冷却(即，膜冷却)，以及经由连接器通道119的对流冷却，连接器通道119可构造成延伸穿过没有被冷却回路104覆盖的翼型件113的内部区域。

根据优选的实施例，冲击端口41不包括在冷却剂流径101的出口区段105中。具体地，环道壁109可构造成将冷却剂流径101的出口区段105与在其外部的任何流(例如，压缩机排放腔44内的压缩的空气的流)流体地屏蔽或隔离开。如将会理解的那样，可以这样做使得到出口区段105的空气的供应首先被迫使穿过冷却剂流径101a，101b的入口区段103以及冷却回路104。因此，对应于第一冷却剂流径101a的出口区段105的外环道壁109b可包括分离结构(即，构造成实心壁)，分离结构将移动穿过它的流与压缩机排放腔44中的流流体地隔离。同样，对应于第二冷却剂流径101b的出口区段105的内环道壁109a可包括分离结构，分离结构将移动穿过它的流与压缩机排放腔44中的流流体地隔离。

如图22中所示，分级喷射系统50可包括多于一个分级喷射器51。这些分级喷射器可位于燃烧器13中，或者如图所示，多个分级喷射器51可包括位于涡轮12中的第一和第二分级喷射器51。在后一种情况下，第一分级喷射器51穿过外流径壁108b形成且经由第一冷却剂流径101a供应空气，而第二分级喷射器穿过内流径壁108a形成且经由第二冷却剂流径101b供应空气。根据示例性实施例，分级喷射器51可包括喷嘴53，喷嘴53延伸穿过或跨越流环道26，即，在流环道壁109和流径壁108之间。在这种情况下，第一冷却剂流径101a的出口区段105的下游端口可包括第一分级喷射器51的喷嘴53中的开口，而第二冷却剂流径101b的出口区段105的下游端口可包括第二分级喷射器51的喷嘴53中的开口。

再次总体参考图16到22，分级喷射器51可包括适于本文所述的功能的任何类型的常规燃料/空气喷射器。根据某些优选的实施例，分级喷射器51可为包括位于流环道26外部的混合室62的喷射器。图12中示出了这种类型喷射器的一个示例。备选地，分级喷射器51可为浸入型喷射器，如图13中所示。在此情况下，喷嘴53从流径壁108突出到工作流体流径37中。根据其他的实施例，分级喷射器51可包括喷嘴53，喷嘴53具有与流径壁108的热侧平齐定位的喷射端口61。图11中示出了这种类型喷射器的一个示例。更一般地，分级喷射器51可包括喷嘴53，喷嘴53包括多个燃料端口56。可包括燃料通路52，其将燃料端口56连接到靠近燃烧器13的前端定位的燃料源上。如已经讨论的那样，燃料通路52可轴向地延伸穿过流径壁108的内部。如图20中所示，燃料通路52也可形成在流径壁108外侧。

当前实施例的分级喷射器51可沿着工作流体流径37内的一系列位置定位。这些位置可包括本文已经讨论的任何位置，包括关于图2到15讨论的那些。根据某些优选的实施例，分级喷射器51可相对于定子叶片17轴向地向前隔开预定的距离。分级喷射器51相对于定子叶片17向前隔开的预定的距离可基于预期运行状态期间与由分级喷射器51喷射的燃料在到达定子叶片17之前优选在工作流体流径37中驻留的最小时间相关的驻留标准。当分级喷射器51位于涡轮12内时，其可穿过定子叶片17的内侧壁和外侧壁的一个或两者而形成。如将会理解的那样，在这种情况下，内侧壁和外侧壁可为与翼型件113一体形成的构件。为了获得分级喷射器51相对于定子叶片17必要的向前的间隔，喷射器穿过其形成的侧壁沿向前的方向可以是伸长的。根据某些实施例，定子叶片17的伸长的侧壁可延伸至燃烧器13和涡轮12之间的界面。如图20中所示，分级喷射器51也可整体结合到后框架20中。当分级喷射器51定位在燃烧器13内时，某些优选的实施例包括将分级喷射器51大约定位在中间基准平面和后基准平面的中间。

如将会理解的那样，当前讨论的实施例的一个有利的方面是冷却最前一排定子叶片17所需的大部分空气流不再绕过燃烧。典型地相当大的此空气流通常穿过定子叶片17循环且然后被排入穿过工作流体流径37的热气体的流，从而将其稀释。这负面地影响了发动机的性能。如将会理解的那样，如果此空气流可以通过用作到分级喷射器51的输入而被减少或者替代，则燃气涡轮机10可保持输出和效率，同时允许燃烧器13在更低的温度下运行，这产生了较少的NOx。另外，既然这也可以允许发动机通常在相同的负载水平下更冷地运行，在其建造中就可以使用较便宜的材料。另外，如将会理解的那样，与图16到22相关的系统也使得能够在降低整体系统压力损耗方面实现相同的好处，如以上关于图7到15的实施例所讨论的那样。

本领域普通技术人员将会理解的是，以上关于若干示例性实施例所描述的许多变化的特征和构造可进一步选择性地应用，以形成本发明其他可能的实施例。出于简短的目的，并且考虑了本领域普通技术人员的能力，并没有详细提供或者讨论全部可能的迭代，尽管由所附若干权利要求所包含的全部实施例的组合和可能的实施例或者其他都意在为本申请的一部分。另外，由本发明的若干示例性实施例的以上描述，本领域技术人员将会认知到改善、变化和改型。在本领域技术内的此类改善、变化和改型也意在由所述权利要求所覆盖。另外，应该显而易见的是前述仅涉及所描述的本申请的实施例，且在此可做出众多变化和改型而不背离如由首府权利要求书及其等价物所限定的本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮机，其包括：

联接至涡轮(12)的燃烧器(13)，它们一起限定工作流体流径(37)，所述工作流体流径(37)沿纵向轴线从由所述燃烧器(13)中的前喷射器(21)限定的前端向后延伸，穿过所述燃烧器(13)过渡至所述涡轮(12)所处的界面，且然后穿过所述涡轮(12)到达在所述涡轮(12)中限定的后端，其中所述燃烧器(13)包括内径向壁(24)和外径向壁(25)，所述内径向壁(24)限定所述工作流体流径(37)，所述外径向壁(25)围绕所述内径向壁(24)形成使得流环道(26)形成在它们之间；

围绕所述燃烧器(13)形成的压缩机排放腔(44)，以用于接收由压缩机(11)输送至此的燃烧器空气供应；

分级喷射系统，其包括所述前喷射器(21)，以及与所述前喷射器(21)向后轴向地隔开的分级喷射器(51)，其中所述分级喷射器(51)与所述流环道(26)相交，以便获得所述工作流体流径(37)内的喷射点，且其中，相对于所述喷射点的轴向位置，对所述喷射点的后侧限定后环形区段，而对所述喷射点的前侧限定前环形区段；

用于在所述前喷射器(21)和所述分级喷射器(51)之间分配燃烧器燃料供应的燃料指引结构；以及

用于在所述前喷射器(21)和所述分级喷射器(51)之间分配所述燃烧器空气供应的空气指引结构；

其中，所述空气指引结构包括穿过所述外径向壁(25)形成的轴向限定的入口区段，所述入口区段将所述压缩机排放腔(44)流体地连接至所述流环道(26)的对应的轴向限定的区段，所述入口区段包括对应于所述后环形区段的后入口区段和对应于所述前环形区段的前入口区段；以及

其中，所述空气指引结构构造成：

将穿过所述后入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过所述后环形区段至所述分级喷射器(51)；以及

将穿过所述前入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过所述前环形区段至所述前喷射器(21)。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器(13)包括基准平面，其包括：前基准平面(67)，中间基准平面(68)，后基准平面(69)，以及喷射器基准平面(58)，它们中的每一个都包括基本垂直于所述工作流体流径(37)的所述纵向轴线而对齐的基准平面，其中：

所述前基准平面(67)与所述工作流体流径(37)的所述前端对齐；

所述后基准平面(69)与所述燃烧器(13)过渡至所述涡轮(12)所处的所述界面对齐；

所述中间基准平面(68)与所述前基准平面和所述后基准平面(69)之间的所述工作流体流径(37)的轴向中点对齐；且

所述喷射器基准平面(58)与所述分级喷射器(51)的所述喷射点对齐；以及

其中：

所述后入口区段包括大致限定在所述喷射器基准平面(58)和所述后基准平面(69)之间的轴向范围；以及

所述前入口区段包括大致限定在所述喷射器基准平面(58)和所述前基准平面(67)之间的轴向范围；其中：

所述后入口区段包括多个隔开的冲击端口(41)，每一个穿过所述外径向壁(25)形成，以用于使抵靠所述内径向壁(24)的外表面的冲击空气射流成列；以及

所述前入口区段包括多个隔开的冲击端口(41)，每一个穿过所述外径向壁(25)形成，以用于使抵靠所述内径向壁(24)的所述外表面的冲击空气射流成列。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于：

所述后入口区段的所述多个冲击端口(41)在定位于所述后基准平面(69)的正前方的最后冲击端口和定位于所述喷射器基准平面(58)的正后方的最前冲击端口之间轴向地隔开；

所述前入口区段的所述多个冲击端口(41)在定位于所述喷射器基准平面(58)的正前方的最后冲击端口和定位于所述前基准平面(67)的正后方的最前冲击端口之间轴向地隔开；以及

其中所述后入口区段和所述前入口区段中的每一个的所述多个冲击端口(41)围绕所述外径向壁(25)的基本上整个周边而周向地隔开。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述分级喷射器(51)定位在所述前基准平面(67)和所述中间基准平面(68)之间。

5. 根据权利要求3所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述分级喷射器(51)大致定位在所述中间基准平面(68)和所述后基准平面(69)之间的中间；

还包括围绕所述喷射器基准平面(58)周向地隔开的多个所述分级喷射器(51)；以及

其中所述多个分级喷射器(51)中的每一个具有与其成角地对齐的所述后入口区段和所述前入口区段中的对应的一个。

6. 根据权利要求3所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述内径向壁(24)包括限定在其内的轴向堆叠的室，所述轴向堆叠的室包括容纳所述前喷射器(21)的前向室(28)和限定燃烧区的后向室(29)；以及

其中所述分级喷射器(51)的喷嘴(23)与所述流环道(26)相交，以便获得所述喷射点；以及

其中所述喷嘴(23)包括在所述外径向壁(25)和所述内径向壁(24)之间延伸的管，所述管阻塞所述流环道(26)的一部分；

其中所述分级喷射器(51)包括穿过所述喷嘴(23)的所述管而形成的空气端口(55)，所述空气端口(55)将所述流环道(26)流体地连接至所述管的内部；以及

其中所述燃料指引结构包括：

从靠近所述燃烧器(13)的头端(19)定位的燃料源轴向地延伸的燃料通路(52)；以及

将所述燃料通路(52)流体地连接至所述管的所述内部的穿过所述喷嘴(23)的所述管而形成的燃料端口。

7. 根据权利要求6所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述空气端口(55)设置在所述管的后侧面，并且构造成用于收集来自所述后环形区段的空气流；

其中所述燃料端口围绕所述喷嘴(23)的所述管的内周边而周向地间隔开；以及

其中所述燃料通路(52)穿过所述外径向壁(25)的内部轴向地延伸。

8. 根据权利要求6所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器空气供应包括输送给所述压缩机排放腔(44)的总的空气供应；

其中所述空气指引结构包括在所述后入口区段、所述前入口区段和头端入口区段之间的相对孔口尺寸设置，以用于计量在所述前喷射器(21)和所述分级喷射器(51)之间的到所述燃烧器的供应空气；以及

其中计量所述燃烧器空气供应包括将到所述燃烧器(13)的所述空气供应的至少20%指引至所述分级喷射器(51)。

9. 根据权利要求6所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器空气供应包括输送给所述压缩机排放腔(44)的总的空气供应；

其中所述空气指引结构包括在所述后入口区段、所述前入口区段和所述头端入口区段之间的相对孔口尺寸设置，以用于计量在所述前喷射器(21)和所述分级喷射器(51)之间的到所述燃烧器的所述供应空气；以及

其中计量所述燃烧器空气供应包括将所述燃烧器空气供应的至少40%指引至所述分级喷射器(51)。

10. 根据权利要求6所述的燃气涡轮机，其特征在于：

所述后环形区段包括热传递结构，以用于增大在移动穿过其的空气流和所述内径向壁(24)的外表面之间发生的热传递率；以及

所述前环形区段包括所述热传递结构，以用于增大在移动穿过其的空气流和所述内径向壁(24)的所述外表面之间发生的热传递率。