CN108019775A - 具有混合套筒的小型混合燃料喷嘴组件 - Google Patents

具有混合套筒的小型混合燃料喷嘴组件 Download PDF

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Abstract

本发明针对一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。所述燃料喷嘴界定径向方向、纵向方向、上游端和下游端。所述燃料喷嘴包括界定多个径向定向的空气入口端口的套筒。所述套筒在所述燃料喷嘴的所述下游端处界定套筒出口。所述套筒进一步包括所述径向方向中从所述套筒朝内的环状内壁，其中所述内壁在所述纵向方向上延伸。所述内壁界定流体通路和内壁出口，其中所述内壁出口朝向所述内壁的所述下游端安置。所述多个径向定向的空气入口端口的至少一部分沿着所述径向方向从所述内壁朝外。所述燃料喷嘴进一步包括围绕所述套筒的多个燃料喷射器，其中所述套筒和所述燃料喷射器中的每一个在所述下游端处连接到后向主体且在所述上游端处连接到前向主体。

Description

具有混合套筒的小型混合燃料喷嘴组件
技术领域
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机燃烧组件。更确切地说，本 主题涉及一种用于燃气涡轮发动机燃烧器的预混合燃料喷嘴组件。
背景技术
飞机和工业燃气涡轮发动机包括燃烧燃料以将能量输入到发动 机循环的燃烧器。典型的燃烧器并有一个或多个燃料喷嘴，其功能 是将液体或气体燃料引入到空气流动流中，使得其可雾化且燃烧。 一般燃气涡轮发动机燃烧设计准则包括优化燃料和空气的混合和燃 烧以产生高能量燃烧，同时最小化例如一氧化碳、二氧化碳、氧化 亚氮和未燃尽的碳氢化合物等排放物，以及最小化部分归因于燃烧 期间的压力振荡的燃烧声响(combustion tones)。此外，一般燃气涡 轮发动机燃烧设计必须产生满功率条件以及部分功率条件下的燃气 涡轮发动机可操作性，而不会产生不合需要的排放物输出或压力振荡。
因此，需要一种燃料喷嘴或燃烧组件，其可产生高能量燃烧， 同时最小化全功率和部分功率条件下的排放物和燃烧不稳定性。
发明内容
本发明的各方面及优点将部分在以下描述中阐述，或可从所述 描述显而易见，或可通过本发明的实践习得。
本发明针对一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。燃料喷嘴界 定径向方向、纵向方向、上游端和下游端。燃料喷嘴包括界定多个 径向定向的空气入口端口的套筒。所述套筒在燃料喷嘴的下游端处 界定套筒出口。所述套筒进一步包括径向方向中从套筒朝内的环状 内壁，其中所述内壁在纵向方向上延伸。内壁界定流体通路和内壁 出口，其中内壁出口朝向内壁的下游端安置。所述多个径向定向的 空气入口端口的至少一部分沿着径向方向从内壁朝外。燃料喷嘴进 一步包括围绕套筒的多个燃料喷射器，其中套筒和所述燃料喷射器 中的每一个在下游端处连接到后向主体且在上游端处连接到前向主 体。
本发明的另一方面针对一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组 件，其中所述燃烧器组件界定径向方向、纵向方向、上游端和下游 端。燃烧器组件包括隔板壁，其在内衬的上游端和外衬之间径向延 伸，其中内衬相对于发动机中心线与外衬径向间隔，且在其间界定环状燃烧腔室。内衬和外衬从隔板壁向下游延伸。燃烧器组件进一 步包括至少部分延伸穿过隔板壁的一个或多个燃料喷嘴。
本发明的又一方面针对一种在全功率或部分功率条件下操作燃 气涡轮发动机的方法。燃气涡轮发动机包括界定第一燃烧区、第二 燃烧区和第三燃烧区的燃烧器组件，其中所述方法包括发送第一量 的燃料和第一经压缩空气穿过燃料喷嘴；发送第二量的燃料和第二 经压缩空气穿过燃料喷嘴；以及发送第三量的燃料和第三经压缩空 气穿过燃料喷嘴。
具体地，本申请的技术方案1涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃 料喷嘴，所述燃料喷嘴界定径向方向、纵向方向、上游端和下游 端，所述燃料喷嘴包括：套筒，其界定多个径向定向的空气入口端 口，且其中所述套筒界定所述燃料喷嘴的所述下游端处的套筒出口，其中所述套筒包括在所述径向方向中从所述套筒朝内的环状内 壁，其中所述内壁在所述纵向方向上延伸，且其中所述内壁界定流 体通路，且其中所述内壁界定朝向所述内壁的所述下游端安置的内 壁出口，且进一步其中所述多个径向定向的空气入口端口的至少一部分沿着所述径向方向从所述内壁朝外；以及多个燃料喷射器，其 围绕所述套筒，其中所述套筒和所述燃料喷射器中的每一个在所述 下游端处连接到后向主体且在所述上游端处连接到前向主体。
本申请技术方案2根据技术方案1所述的燃料喷嘴，所述套筒进 一步包括界定径向涡流器的多个空气入口端口壁。
本申请技术方案3根据技术方案2所述的燃料喷嘴，所述内壁在 所述纵向方向上延伸到所述燃料喷嘴的所述下游端处的所述套筒出 口，且所述内壁和所述套筒界定其间的空气通路。
本申请技术方案4根据技术方案3所述的燃料喷嘴，所述套筒界 定纵向燃料喷嘴中心线，且所述内壁朝向所述套筒的所述下游端朝 向所述纵向燃料喷嘴中心线会聚。
本申请技术方案5根据技术方案3所述的燃料喷嘴，所述套筒界 定纵向燃料喷嘴中心线，且所述套筒朝向所述套筒的所述下游端朝 向所述纵向燃料喷嘴中心线会聚。
本申请技术方案6根据技术方案1所述的燃料喷嘴，其进一步包 括：压力雾化器，其在所述径向方向中从所述套筒的所述内壁朝内 定位，其中所述压力雾化器朝向所述内壁的所述下游端安置。
本申请技术方案7根据技术方案6所述的燃料喷嘴，所述压力雾 化器为单孔压力涡流、双孔压力涡流、空气辅助、超声、静电或发 泡压力雾化器，或其组合。
本申请技术方案8根据技术方案1所述的燃料喷嘴，所述套筒界 定从所述内壁出口延伸到所述套筒出口的混合通路。
本申请技术方案9根据技术方案1所述的燃料喷嘴，所述内壁界 定内壁直径和内壁出口直径，且所述内壁出口直径为所述内壁直径 的约50％或更小。
本申请技术方案10根据技术方案9所述的燃料喷嘴，所述内壁 出口直径为所述内壁直径的约33％或更小。
本申请技术方案11根据技术方案1所述的燃料喷嘴，所述套筒 界定套筒直径和套筒出口直径，且所述套筒出口直径为所述套筒直 径的约50％或更小。
本申请技术方案12根据技术方案11所述的燃料喷嘴，所述套筒 出口直径为所述套筒直径的约40％或更小。
本申请技术方案13根据技术方案1所述的燃料喷嘴，所述套筒 进一步界定套筒入口，且所述套筒入口使燃料流动穿过所述流体通 路。
本申请技术方案14根据技术方案1所述的燃料喷嘴，所述后向 主体、所述多个燃料喷射器和所述前向主体一起界定空气供应腔以 将空气馈送到所述多个燃料喷射器和所述套筒。
本申请技术方案15涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组 件，所述燃烧器组件界定径向方向、纵向方向、上游端和下游端， 所述燃烧器组件包括：隔板壁，其在内衬的上游端和外衬之间径向 延伸，其中所述内衬相对于发动机中心线与所述外衬径向间隔且在 其间界定环状燃烧腔室，且其中所述内衬和所述外衬从所述隔板壁 向下游延伸；以及一个或多个燃料喷嘴，其至少部分延伸穿过所述 隔板壁，所述燃料喷嘴包括：套筒，其界定多个径向定向的空气入 口端口，且其中所述套筒界定所述燃料喷嘴的所述下游端处的套筒 出口，其中所述套筒包括在所述径向方向中从所述套筒朝内的环状 内壁，其中所述内壁在所述纵向方向上延伸，且其中所述内壁界定 流体通路，且其中所述内壁界定朝向所述内壁的所述下游端安置的 内壁出口，且进一步其中所述多个径向定向的空气入口端口的至少 一部分沿着所述径向方向从所述内壁朝外；以及多个燃料喷射器， 其围绕所述套筒，其中所述套筒和所述燃料喷射器中的每一个在所 述下游端处连接到后向主体且在所述上游端处连接到前向主体。
本申请技术方案16根据技术方案15所述的燃烧器组件，所述燃 烧器组件界定第一燃烧区和第二燃烧区，且其中所述第一燃烧区界 定在外圆周的至少一部分中，且其中所述第二燃烧区界定在中间圆 周的至少一部分中。
本申请技术方案17根据技术方案16所述的燃烧器组件，所述燃 烧器组件进一步界定在内圆周的至少一部分中界定的第三燃烧区。
本申请技术方案18涉及一种在满功率或部分功率条件下操作燃 气涡轮发动机的方法，其中所述燃气涡轮发动机包括界定第一燃烧 区、第二燃烧区和第三燃烧区的燃烧器组件，所述方法包括：穿过 燃料喷嘴发送第一量的燃料和第一经压缩空气；穿过所述燃料喷嘴 发送第二量的燃料和第二经压缩空气；以及穿过燃料喷嘴发送第三 量的燃料和第三经压缩空气。
本申请技术方案19根据技术方案18所述的方法，其进一步包 括∶调节穿过所述燃料喷嘴的燃料的所述第一量。
本申请技术方案20根据技术方案18所述的方法，所述第一经压 缩空气对应于约地面空闲条件或更小条件下所述燃气涡轮发动机的 转速的第一范围，且所述第二经压缩空气对应于约所述地面空闲条 件到飞行空闲条件下转速的第二范围，且进一步所述第三经压缩空 气对应于约所述飞行空闲条件到约最大启动条件下转速的第三范 围。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、 方面和优点将得到更好的理解。被并入到本说明书中并组成其一部 分的附图说明本发明的实施例，并且与描述内容一起用来阐释本发 明的原理。
附图说明
本发明的完整且可实施的公开内容，包括其对于所属领域的一 般技术人员来说的最佳模式，在参考附图的说明书中被阐述，在所 述附图中：
图1是并有燃料喷嘴和燃烧器组件的示范性实施例的示范性燃气 涡轮发动机的示意性截面图；
图2是图1中展示的示范性发动机的燃烧器组件的示范性实施例 的轴向截面图；
图3是图2中展示的燃烧器组件的燃料喷嘴的示范性实施例的透 视图；
图4是图2中展示的燃烧器组件的燃料喷嘴的示范性实施例的另 一透视图；
图5是图3中展示的燃料喷嘴的示范性实施例的一部分的透视 图；
图6是燃料喷嘴的示范性实施例的轴向截面图；
图7是图4中展示的燃料喷嘴的示范性实施例的轴向截面图；
图8是图4中展示的燃料喷嘴的示范性实施例的另一轴向截面 图；
图9是平面9-9处图8中展示的燃料喷嘴的示范性实施例的截面 图；
图10是观察包括燃料喷嘴的示范性实施例的示范性燃烧器组件 的下游的流动路径视图；以及
图11是操作燃气涡轮发动机的方法的流程图。
在本说明书和图式中参考标号的重复使用希望表示本发明的相 同或相似特征或组件。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，在图式中说明本发明 的实施例的一个或多个实例。每一实例是为了解释本发明而提供， 而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离 本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改及变化。 举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例 一起使用以产生再一实施例。因此，希望本发明涵盖处于所附权利 要求书及其等效物的范围内的此类修改及变化。
如本文中所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使 用以区分一个部件与另一部件，而并非希望表示个别部件的位置或 重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流的相 对方向。例如，“上游”是指流体从其流出的方向，而“下游”是 指流体流到的方向。
大体上提供具有混合套筒的小型混合燃料喷嘴和燃烧器组件， 其可产生高能量燃烧，同时在燃气涡轮发动机中的全功率和/或部分 功率条件下最小化排放物且增加燃烧稳定性。此外，具有混合套筒 的小型混合燃料喷嘴和燃烧器组件可增强全功率和/或部分功率条件 下的火焰稳定性且改进点火。在一个实施例中，围绕一个或多个燃 料-空气混合套筒的多个小型混合燃料喷射器的组合可改进点火、排 放物以及点火或起燃、斜升到满功率(例如最大起飞条件、满负载 等)和调小(例如从满功率到部分功率条件或关断)时的燃烧稳定 性。在另一实施例中，混合套筒可包括压力雾化器来改进燃料雾化 和燃烧性能。
在特定实施例中，包括具有燃料-空气混合套筒的多个小型混合 燃料喷嘴的燃烧器组件可提供更精细的燃烧动力学和排放物可控性 和/或增加总体燃气涡轮发动机可操作性。燃烧动力学可控性可包括 减小燃烧腔室的圆周周围的燃烧温度的差异、控制部分功率和满功 率条件下的排放物、增加部分功率和满功率条件下的燃气涡轮发动 机可操作性，以及避免贫油熄火(lean blow-out，LBO)。
混合套筒界定从每一燃料喷嘴的一个或多个燃料喷射器的单独 可控的燃料-空气混合通路。在各种实施例中，混合套筒可界定引燃 燃料-空气喷嘴或提供主燃料-空气供应。此外或作为替代，混合套筒 界定独立于所述一个或多个燃料喷射器的燃料和空气流动路径。
现参看图式，图1是本文中被称作“发动机10”的示范性高旁 路涡扇喷气发动机10的示意性部分截面侧视图，所述发动机10可并 有本发明的各种实施例。尽管下文参考涡扇发动机进一步描述，但 本发明一般还适用于涡轮机，包括涡喷、涡桨和涡轴燃气涡轮发动机，包括船用和工业涡轮发动机以及辅助动力单元。如图1中所示， 出于参考目的，发动机10具有延伸穿过其的纵向或轴向中心线轴线 12。一般来说，发动机10可包括风扇组件14和安置在风扇组件14 下游的核心发动机16。
核心发动机16可以大体包括基本上管状的外部壳体18，其界定 环状入口20。外部壳体18以串流关系包封或至少部分形成：压缩机 区段，其具有增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机 24；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮28、低压 (LP)涡轮30；以及喷气排放喷嘴区段32。高压(HP)转子轴34将 HP涡轮28传动地连接到HP压缩机24。低压(LP)转子轴36将LP 涡轮30传动地连接到LP压缩机22。LP转子轴36还可连接到风扇 组件14的风扇轴38。在特定实施例中，如图1中所示，LP转子轴 36可借助于减速齿轮40以例如间接传动或齿轮传动配置连接到风扇 轴38。在其它实施例中，发动机10可进一步包括可与中压轴一起旋 转的中压(IP)压缩机和涡轮。
如图1中所示，风扇组件14包括多个扇叶42，其连接到风扇轴 38且从风扇轴38径向向外延伸。另外，环状风扇壳体或舱体44周 沿圆周包围风扇组件14和/或核心发动机16的至少一部分。在一个 实施例中，舱体44可由多个沿圆周间隔的出口引导叶片或支柱46相对于核心发动机16而支撑。此外，舱体44的至少一部分可在核心发 动机16的外部部分上方延伸以便在其间界定旁路空气流动通路48。
图2是如图1中所示的核心发动机16的示范性燃烧区段26的截 面侧视图。如图2中所展示，燃烧区段26可通常包括环型燃烧器 50，其分别具有环状内衬52、环状外衬54以及在内衬52的上游端 58、60和外衬54之间径向延伸的隔板壁56。在燃烧区段26的其它 实施例中，燃烧组件50可以是罐式或环状罐式。如图2中所示，内 衬52相对于发动机中心线12(图1)与外衬54径向地间隔且在其间 界定大体环状燃烧腔室62。在特定实施例中，内衬52和/或外衬54 可至少部分或完全由金属合金或陶瓷基复合(CMC)材料形成。
如图2中所示，内衬52和外衬54可包封在外部壳体64内。可 围绕内衬52和/或外衬54界定外部流动通路66。内衬52和外衬54 可从隔板壁56朝向涡轮喷嘴或入口68延伸到HP涡轮28(图1)， 因此至少部分界定燃烧器组件50和HP涡轮28之间的热气体路径。 燃料喷嘴200可至少部分延伸穿过隔板壁56，且将燃料-空气混合物 72提供到燃烧腔室62。
在发动机10的操作期间，如图1和2中共同地展示，如箭头74 示意性地指示的一定体积的空气穿过舱体44和/或风扇组件14的相 关联入口76进入发动机10。随着空气74跨过扇叶42，如由箭头78 示意性地指示的空气的一部分引导或投送到旁路空气流动通路48中，而如箭头80示意性地指示的空气的另一部分引导或投送到LP 压缩机22中。空气80在朝向燃烧区段26流动穿过LP压缩机22和 HP压缩机24时，被渐进地压缩。如图2中所示，由箭头82示意性 地指示的当前经压缩空气流经压缩机出口引导叶片(CEGV)67且穿 过前置扩散器(prediffuser)65到燃烧区段26的扩散器腔或头端部 分84中。
前置扩散器65和CEGV 67调节到燃料喷嘴200的经压缩空气 82的流动。经压缩空气82对扩散器腔84加压。经压缩空气82进入 燃料喷嘴200，且到燃料喷嘴200内的多个燃料喷射器100中以与燃 料71混合。燃料71可以是气态或液体燃料，包括但不限于燃油、喷 气燃料丙烷、乙烷、氢、焦炉气体、天然气、合成气体或其组合。 燃料喷射器100在燃料喷射器的阵列内预混合燃料71和空气82，离 开燃料喷嘴200的所得燃料-空气混合物72存在极少涡流或无涡流。 在燃料喷射器100内预混合燃料71和空气82之后，来自所述多个燃 料喷射器100中的每一个的燃料-空气混合物72燃烧成来自每一燃料 喷射器100的稳定化的紧密、管状火焰阵列。
通常，LP压缩机22和HP压缩机24将比燃烧所需的量多的经 压缩空气提供到扩散器腔84。因此，如由箭头82(a)示意性地指示 的经压缩空气82的第二部分可用于除燃烧外的各种目的。举例来 说，如图2中所示，经压缩空气82(a)可被投送到外部流动通路66 中以向内衬52和外衬54提供冷却。另外或在替代方案中，经压缩空 气82(a)的至少一部分可从扩散器腔84投送出去。举例来说，经 压缩空气82(a)的一部分可引导穿过各种流动通路以向HP涡轮28 或LP涡轮30中的至少一个提供冷却空气。
返回共同地参看图1和2，产生于燃烧腔室62中的燃烧气体86 从燃烧器组件50流动到HP涡轮28中，因此致使HP转子轴34旋 转，借此支持HP压缩机24的操作。如图1中所示，燃烧气体86接 着被投送穿过LP涡轮30，因此致使LP转子轴36旋转，借此支持 LP压缩机22的操作和/或风扇轴38的旋转。燃烧气体86随后穿过 核心发动机16的喷气排放喷嘴区段32排放以提供推进推力。
现在参考图3和4，提供燃烧器组件50的小型混合燃料喷嘴200 (本文中被称作“燃料喷嘴200”)的示范性实施例的一部分的透视 图。燃料喷嘴200界定纵向方向L、径向方向R和纵向燃料喷嘴中心 线91。燃料喷嘴200包括在纵向方向L上延伸的燃料-空气混合套筒210(在本文中被称作“套筒210”)和围绕套筒210的多个燃料喷 射器100。套筒210和燃料喷射器100中的每一个在下游端98处连 接到燃料喷嘴200的后向主体220。套筒210和燃料喷射器100中的 每一个在燃料喷嘴200的上游端99处连接到前向主体230。套筒210 在燃料喷嘴200的下游端98处界定套筒出口211。在图4中展示的 实施例中，套筒210界定穿过后向主体220的套筒出口211。
现参看图5，展示燃料喷嘴200的一部分的透视图。参看图3和 4，套筒210界定多个径向定向的第一空气入口端口212。套筒210 包括环状内壁250，其在径向方向R中从套筒210朝内且在纵向方向 L中朝向下游端98延伸。内壁250界定朝向内壁250的下游端98安 置的内壁出口252。内壁250在径向方向R中在其内进一步界定流体 通路254。所述多个径向定向的第一空气入口端口212的至少一部分 从内壁250径向朝外安置。
在一个实施例中，套筒210在内壁250的上游界定流体通路 254。在另一实施例中，内壁250的至少一部分是第一空气入口端口 212上游的套筒210的内径部分。
在一个实施例中，套筒210界定从内壁出口252径向朝外安置的 多个第二径向定向的空气入口端口213。在另一实施例中，所述多个 径向定向的第二空气入口端口213安置在内壁出口252的下游且接近 内壁出口252。举例来说，所述多个径向定向的第二空气入口端口 213可在沿着纵向方向L的内壁出口252的五个内壁出口直径长度 内。作为另一非限制性实例，所述多个径向定向的第二空气入口端 口213可在沿着纵向方向L的内壁出口252的三个内壁出口直径长度 内。
套筒210可界定混合通路208，其从内壁出口252延伸到套筒出 口211(图4中展示)。在一个实施例中，经压缩空气82，作为第一 空气流92，穿过径向定向的第一空气入口端口212进入混合通路 208。第一空气流92朝向下游端98流动。燃料71朝向下游端98流 动穿过流体通路254。燃料71穿过内壁出口252离开，且与第一空 气流92在混合通路208中混合。燃料71和空气82的混合物朝向燃 料喷嘴200的下游端98流动，且穿过套筒出口211进入燃烧腔室 62。
在套筒210的另一实施例中，经压缩空气82，作为第二空气流 94，穿过径向定向的第二空气入口端口213进入混合通路208，且与 离开流体通路254的燃料71混合。在燃料喷嘴200的又一实施例 中，套筒210可包括界定径向涡流器217的多个空气入口端口壁 216。在各种实施例中，第一和/或第二空气入口端口212、213可包 括空气入口端口壁216以在第一和/或第二空气入口端口212、213处 界定径向涡流器217。
在各种实施例中，套筒210可与径向涡流器217组合将第一和/ 或第二空气入口端口212、213界定为直线流(即，无空气入口端口 壁216)。在其它实施例中，套筒210可包括第一和/或第二空气入口 端口212、213处的空气入口端口壁216以界定涡流。在一个实施例中，第一和第二空气入口端口212、213可布置在共涡流布置中 (即，第一和第二空气入口端口212、213处的空气入口端口壁216各 自相对于纵向燃料喷嘴中心线91为正角或负角，如图9中所展示)。 在另一实施例中，第一和第二空气入口端口212、213可布置在反涡 流布置中(即，第一空气入口端口212处的空气入口端口壁216相对 于纵向燃料喷嘴中心线91为正角，且第二空气入口端口213相对于 纵向燃料喷嘴中心线91为负角)。
现参看图6，展示燃料喷嘴200的示范性实施例，其中内壁250 在燃料喷嘴200的下游端98处在纵向方向L上延伸到套筒出口 211。内壁250和套筒210在其间径向界定空气通路209。经压缩空 气82(例如第一和/或第二空气流92、94)可流动穿过空气通路 209。在图5中展示的实施例中，流体通路254在内壁250内延伸到 套筒210的下游端98。流体通路254中的燃料71和空气通路209中 的空气82可离开到燃烧腔室62中且在燃烧腔室62中混合。
在图6中展示的实施例中，内壁250可进一步包括径向安置在流 体通路254中的内壁250内的压力雾化器260。压力雾化器260可朝 向燃料喷嘴200的下游端98安置。举例来说，压力雾化器260可接 近于燃烧腔室62。在一个实施例中，压力雾化器260在套筒出口211的近似三个套筒出口直径261内。在另一实施例中，压力雾化器260 在套筒出口211的近似一个套筒出口直径261内。在各种实施例中， 压力雾化器260为单孔压力涡流、双孔压力涡流、空气辅助、超声、 静电或发泡压力雾化器。在其它实施例中，燃料喷嘴200包括多个套筒210，其包括界定不同压力雾化器260的内壁250，其中燃料喷嘴200包括前述压力雾化器260的组合。在另外其它实施例中，内壁 250可界定一个或多个内壁空气入口端口251以将空气流82提供到 压力雾化器260。
返回参看图6，在一个实施例中，随着内壁250朝向燃料喷嘴 200的下游端98延伸，内壁250的至少一部分朝向套筒210的纵向 燃料喷嘴中心线91会聚。在一个实施例中，内壁出口252界定内壁 出口直径262，其约为内壁250的内壁直径263的50％或更小。在另 一实施例中，内壁出口252将内壁出口262直径界定在内壁直径263 的约33％或更小处。在再一实施例中，内壁出口252将内壁出口直 径262界定在内壁直径263的约25％或更小处。
在图6中展示的套筒210的另一实施例中，随着内壁250朝向燃 料喷嘴200的下游端98延伸，套筒210的至少一部分朝向纵向燃料 喷嘴中心线91会聚。在一个实施例中，套筒出口211界定套筒出口 直径261，其约为套筒210的套筒直径264的50％或更小。在另一实施例中，套筒出口211将套筒出口直径261界定在套筒直径264的约 40％或更小处。在再一实施例中，套筒出口211将套筒出口直径261 界定在套筒直径264的约30％或更小处。
在另外其它实施例中，套筒210的至少一部分可从纵向燃料喷嘴 中心线91发散使得套筒出口211界定大于套筒直径264的套筒出口 直径261。在另外其它实施例中，内壁250的至少一部分可从纵向燃 料喷嘴中心线91发散使得内壁出口251界定大于内壁直径263的内 壁出口直径262。
现在参考图7-9，提供展示套筒210和燃料喷射器100之间的示 范性关系的燃料喷嘴200的示范性实施例的剖视截面图。在图7中展 示的燃料喷嘴200的示范性实施例的轴向截面图中，套筒210从上游 端99延伸到下游端98。套筒210径向安置在多个燃料喷射器100之 间。套筒210在上游端98处连接到燃料喷嘴200的前向主体230。 套筒210在下游端98处连接到燃料喷嘴200的后向主体220。套筒210的至少一部分可以是具有燃料喷嘴200的前向和/或后向主体 230、220的单式结构。在一个实施例中，压力雾化器260(图6中展 示)可沿径向方向R从后向主体230朝内安置在套筒210或外壁250 中。
仍参考图7，套筒210可朝向套筒210的上游端99界定套筒入 口207。套筒入口207可允许燃料71进入流体通路254。流体通路 254和套筒入口207可连接到从燃料源递送燃料71的管件、管道、 歧管或其它有壁的结构。在其它实施例中，流体通路254可额外连接 空气或惰性气体源。举例来说，空气或惰性气体源可使空气或惰性 气体流动穿过流体通路254以净化、冷却套筒210、燃料喷嘴200或 燃烧器组件50或为其提供缓冲。
现参看图8，提供图1-6中展示的燃料喷嘴200的燃料喷射器 100的示范性实施例的轴向截面侧视图。燃料喷射器100包括中心主 体110、外部套筒120和前向主体230。中心主体110包括轴向延伸 的外壁112和轴向延伸的内壁114。外壁112和内壁114从前向主体230朝向燃料喷嘴200的下游端98延伸。外壁112、内壁114和前向 主体230一起界定流体导管142。流体导管142在第一方向141中朝 向燃料喷射器100的下游端98且在第二方向143中朝向燃料喷嘴 200的上游端99延伸。
外部套筒120从前向主体230朝向燃料喷射器100的下游端98 包围中心主体110。外部套筒120和中心主体110一起界定其间的预 混合通路102和出口104。中心主体110可进一步界定从外壁112径 向朝外且沿着预混合通路102的中心主体表面111。外部套筒120可进一步界定从外部套筒120径向朝内且沿着预混合通路102的外部套 筒表面119。出口104界定在燃料喷射器100的预混合通路102的下 游端98处。外部套筒120在外部套筒120的第一轴向部分121处在 圆周布置中界定多个径向定向的第一空气入口端口122。外部套筒120在外部套筒120的第二轴向部分123处在圆周布置中进一步界定 多个径向定向的第二空气入口端口124。
外部套筒120界定第一流体通路144，其布置在每一第一空气入 口端口122之间且从流体导管142和前向主体230延伸。外部套筒 120还界定与第一流体通路144成流体连通的第一流体注射端口 145。流体导管142、第一流体通路144和第一流体注射端口145可 使燃料71、空气或惰性气体流动。
外部套筒进一步界定朝向燃料喷射器100的下游端98轴向延伸 的环状唇缘149。唇缘149从第一流体注射端口145延伸到预混合通 路102中。在各种实施例中，唇缘149从径向定向的第二空气入口端 口124径向朝内安置。唇缘149可进一步从每一第一流体注射端口 145径向外部延伸到每一流体注射端口145的径向内部。随着燃料71 与第一和第二空气流106、108混合，唇缘149可界定从第一流体注 射端口145到预混合通路102中的纯喷射燃料流71。在各种实施例 中，随着燃料71与第一和第二空气流106、108混合，唇缘149可进 一步界定预膜化燃料流71。
仍参考图8中展示的示范性实施例，第一流体注射端口145轴向 定向且从第二空气入口端口124径向朝内安置。径向定向的第一空气 入口端口122、轴向定向的第一流体注射端口145和从第一流体注射 端口145径向朝外的径向定向的第二空气入口端口124的串联组合可 在较高主燃烧区温度(即，较高能量输出)下提供紧凑的无涡流或 低涡流预混合火焰(即，较短长度火焰)，同时满足或超出当前排放 物标准。随着在中心主体110和外部套筒120之间径向来自第一流体 注射端口145的燃料71引入到来自第一空气入口端口122的第一空 气流106和来自第二空气入口端口124的第二空气流108之间的预混 合通路102，燃料和空气沿着预混合通路102远离沿着中心主体表面 111和外部套筒表面119的流体边界层混合。第一流体注射端口145 的轴向定向与空气106、108移动到燃料喷射器100的预混合通路 102的下游端98的方向近似共线性地将燃料释放到预混合通路102 中，同时防止燃料在中心主体表面111或外部套筒表面119的任一个 上接触或堆积。防止燃料在任一表面111、119上接触或堆积缓和了 预混合通路102内的燃料焦化。
在图8中展示的燃料喷嘴200的另一实施例中，第一流体注射端 口145可轴向定向且从第二空气入口端口124径向朝内安置。第一流 体注射端口145可界定相对于每一燃料喷射器100的纵向燃料喷射器 中心线90的倾斜角(即，不与纵向燃料喷射器中心线90共线或平 行，也不垂直于纵向燃料喷射器中心线90)。更确切地说，第一流体 注射端口145可安置成相对于纵向燃料喷射器中心线90成锐角，使 得针对流体从第一注射端口145到预混合通路102中的注射存在径向 分量。
仍参考图8，燃料喷嘴200的示范性实施例可进一步包括安置在 中心主体110的下游端98处的护罩116。护罩116可从中心主体110 的外壁112的下游端98朝向燃烧腔室62轴向延伸。护罩116的下游 端98可与外部套筒120的下游端98成近似轴向对准。护罩116在外壁112的下游端98周围呈环状。护罩116可进一步界定从外壁112 朝内径向延伸的护罩壁117。护罩壁117向上游突出到中心主体110 中。护罩壁117可界定向上游突出到中心主体110中的半径。护罩壁 117的上游端99可与流体导管142成热连通。护罩116可为从燃料 喷射器100喷射的无或低涡流火焰提供火焰稳定。
燃料喷射器100的中心主体表面111可朝向外部套筒表面119径 向延伸，以在出口104处界定比预混合通路102的出口104的上游小 的直径。在图8中展示的实施例中，预混合通路102在出口104处界 定小于出口104的上游的直径的直径。如图8中所展示，护罩116处的中心主体表面111朝向外部套筒表面119径向延伸，以在出口104 处界定比出口104和护罩116的上游小的直径。在另一实施例中，外 部套筒表面119的至少一部分可远离纵向燃料喷射器中心线90径向 朝外延伸。中心主体表面111和外部套筒表面119在预混合通路102中从下游直至出口104界定减小的直径可增加预混合通路102中的燃 料-空气混合物的速度，借此增加混合物和所得火焰的效能。
现在参考图7和8，前向主体230界定流体腔室132。流体腔室 132与中心主体110的流体导管142成流体连通。在图7和8中展示 的实施例中，流体腔室132可使燃料71流动穿过所述多个燃料喷射 器100的至少一部分。前向主体230可进一步包括流体腔室入口232 以使燃料71流动到流体腔室132中。流体腔室入口232和流体腔室 132可连接到管件、歧管、管道或其它有壁的结构以使燃料71从燃 料源流动。此外，流体腔室132可连接到空气或惰性气体源以使空气 或惰性气体流动。举例来说，空气或惰性气体可经由燃料喷射器100 而流动穿过流体腔室132以净化或冷却燃料喷射器100、前向主体 230或燃料喷嘴200。
在各种实施例中，燃料喷嘴200可包括在每一燃料喷嘴200内彼 此流体分离的多个流体腔室132。所述多个流体腔室132可经由相应 多个燃料喷射器100接收燃料71和/或使燃料71流动穿过相应多个 燃料喷射器100。每多个流体腔室132可独立地接收燃料71和/或使 燃料71流动。举例来说，所述多个流体腔室132可以相对于彼此独 立或不同的流动速率、压力或温度使燃料71流动。
尽管图1-9展示具有四个燃料喷射器100的燃料喷嘴200的实施 例，但在其它实施例中燃料喷嘴200包括较少或额外燃料喷射器 100。在其它实施例中，燃料喷嘴200可每燃料喷嘴200包括五个或 八个或十二个或十三个等燃料喷射器100。在另外其它实施例中，多个套筒210可包括在所述多个燃料喷射器100之间。举例来说，燃料 喷嘴200可包括每两个燃料喷射器一个套筒210，或每三个燃料喷射 器一个套筒210，或每四个燃料喷射器一个套筒210。在另外其它实 施例中，燃料喷嘴200可包括每燃料喷射器100一个流体腔室132， 或每两个燃料喷射器100一个流体腔室132，或每四个燃料喷射器 100一个流体腔室132，等等。
现参看图9，展示燃料喷嘴200的示范性实施例的来自图8中的 平面9-9的截面图。图8进一步展示安置于所述多个燃料喷射器100 之间且围绕套筒210的空气供应腔190。后向主体220、所述多个燃 料喷射器100和前向主体230一起界定空气供应腔190。空气供应腔190将经压缩空气82馈送到所述多个燃料喷射器100和套筒210。后 向主体230界定屏障以流体地分离后向主体230上游99的空气供应 腔190和扩散器腔84与后向主体230下游98的燃烧腔室62。
如图9中所展示，套筒210包括由套筒210中的所述多个空气入 口端口壁216界定的径向涡流器217。所述多个空气入口端口壁216 界定为沿着径向方向R相对于垂直参考线89成角度218，以便将涡 流施加到进入空气通路209或混合通路208的空气82(如图3-7中所展示)。
现参看图10，在朝向上游端99检视的流动路径内提供来自下游 端98的燃烧器组件50的示范性实施例。燃烧器组件50包括关于图 1-9展示和描述的多个燃料喷嘴200。在图9中展示的实施例中，燃 烧器组件50是环状配置，其中所述多个燃料喷嘴200处于沿圆周邻近布置中。在其它实施例中，燃烧器组件50可以是包括多个燃料喷 嘴200的罐式或环状罐式布置。
在图10中展示的实施例中，燃烧器组件50包括具有不同多个燃 料喷射器100的燃料喷嘴200的实例。在一个非限制性实例中，第一 燃料喷嘴201展示为包括十三个燃料喷射器100。在另一非限制性实 例中，第二燃料喷嘴202展示为包括八个燃料喷射器100。
在各种实施例中，所述一个或多个套筒210界定到燃烧腔室62 的单独可控燃料-空气注射，或相对于每一燃料喷嘴200的所述一个 或多个燃料喷射器100的单独可控混合通路208。在各种实施例中， 套筒210可界定引燃燃料-空气喷嘴(例如用于点火或低功率稳定 性)或提供主燃料-空气供应。在另外其它实施例中，套筒210界定 独立于所述一个或多个燃料喷射器100的燃料和空气流动路径。举例 来说，套筒210处和穿过套筒210的燃料71和/或空气82的流动条 件(例如，压力、温度、速度、紊流或混合等)至少大体上独立于 穿过所述一个或多个燃料喷射器100的流动条件。
在各种实施例中，所述多个燃料喷嘴200可界定多个独立的燃烧 区300。在一个实施例中，套筒210混合燃料71和空气82(图1-9 中展示)以产生燃料-空气混合物72以在燃烧腔室62中喷射和燃 烧。燃料-空气混合物72可喷射到燃烧腔室62中以提供用于起燃的 初始燃料-空气混合物。在其它实施例中，引燃燃料-空气混合物302 可提供燃料-空气混合物以促进高程起燃(即，在发动机10处于离开 地面的任何高程处时的点火)。
在另一实施例中，燃烧器组件50界定至少第一燃烧区310和第 二燃烧区320。在另外其它实施例中，燃烧器组件50可界定第三燃 烧区330。在各种实施例中，燃烧区300可在径向布置中。作为非限 制性实例，第一燃烧区310可包括燃烧器组件50的外圆周301的至少一部分。作为另一非限制性实例，第二燃烧区320可包括燃烧器组 件50的中间圆周302的至少一部分。在又一非限制性实例中，第三 燃烧区330可包括燃烧器组件50的内圆周303的至少一部分。
现参看图11，提供1100(本文中称作“方法1100”)操作燃气 涡轮发动机的方法的示范性实施例的流程图。方法1100可提供改进 的燃烧稳定性、点火能力和排放物。此外，方法1100可改进调低能 力。举例来说，方法1100可改进部分功率条件下的排放物和/或燃烧稳定性。方法1100可利用如关于图1到10展示和描述的燃料喷嘴 200和燃烧器组件50实施。出于说明和论述目的，图11描绘以特定 次序执行的步骤。所属领域的一般技术人员使用本文中所提供的公 开内容将理解，本文中所公开的方法中的任一个的各种步骤可以不 同方式调适、修改、重新布置、省略或扩展，而不偏离本发明的范 围。
方法1100在(1110)处包括穿过燃料喷嘴发送第一量的燃料。举例 来说，第一量的燃料可流动穿过燃烧器组件50的所述多个燃料喷嘴200 中的每一个的套筒210。第一量的燃料可流动穿过燃料喷嘴200以在燃烧 腔室62中开始初始起燃或燃烧。穿过燃料喷嘴发送第一量的燃料可进一 步包括穿过燃料喷嘴发送第一经压缩空气。第一经压缩空气可对应于发动 机的转速的第一范围。举例来说，燃气涡轮发动机可以增加的功率输出界 定起燃或地面怠速(GIDLE)、部分负载或飞行怠速(FIDLE)和全负载 或最大起飞条件(MTO)。FIDLE可包括小于MTO且大于起燃 (GIDLE)之后的最低功率输出的任何功率输出。燃料的第一量和转速的 第一范围可从近似零到近似GIDLE变动。参看关于图5至图10展示和描 述的燃烧器组件50，在一个实施例中，第一量的燃料可与经压缩空气混 合且从套筒210注射到燃烧腔室62。在另一实施例中，第一量的燃料可与 经压缩空气混合且从第一燃烧区310注射到燃烧腔室62。
方法1100在(1120)处包括穿过燃料喷嘴发送第二量的燃料。 举例来说，第二量的燃料可流动穿过关于图10描述的燃烧器组件50 的所述多个燃料喷嘴200中的每一个的第二燃烧区320。穿过燃料喷 嘴发送第二量的燃料可进一步包括穿过燃料喷嘴发送第二经压缩空 气。第二经压缩空气可对应于发动机的转速的第二范围。转速的第 二范围可界定为从近似GIDLE到FIDLE。第二量的燃料可流动穿过 燃料喷嘴200以将发动机10的功率输出从GIDLE增加到FIDLE。
方法1100在(1130)处包括穿过燃料喷嘴发送第三量的燃料。 举例来说，第三量的燃料可流动穿过关于图10描述的燃烧器组件50 的所述多个燃料喷嘴200中的每一个的第三燃烧区330。穿过燃料喷 嘴发送第三量的燃料可进一步包括穿过燃料喷嘴发送第三经压缩空 气。第三经压缩空气可对应于发动机的转速的第三范围。转速的第 三范围可界定为从近似FIDLE到MTO。第三量的燃料可流动穿过燃 料喷嘴200以将发动机10的功率输出从FIDLE增加到MTO。
在各种实施例中，方法1100可包括从满负载或MTO到部分负 载或FIDLE条件操作燃气涡轮发动机，同时最小化排放物和/或维持 燃烧稳定性。方法1100可包括在(1140)处调节穿过燃料喷嘴的燃 料的第一量。举例来说，第一量的燃料可流动穿过所述多个燃料喷嘴200中的每一个的套筒210以控制排放物，维持燃烧稳定性，和/ 或防止贫油熄火(LBO)。
在另外其它实施例中，方法1100可包括在(1150)处操作燃料 喷嘴的一部分。举例来说，操作燃烧器组件50的燃料喷嘴200的一 部分可包括操作对应于第一燃烧区310的至少一部分的外圆周301、 对应于第二燃烧区320的至少一部分的中间圆周302和/或对应于第 三燃烧区330的至少一部分的内圆周303或其组合的一部分。
图1到10中展示且在本文中描述的燃料喷射器100、燃料喷嘴 200和燃烧器组件50可构造为以机械方式接合的各种组件的组件， 或构造为单一一体式组件，且通过所属领域的技术人员通常已知的 任何数目的方法制成。这些制造方法包括(但不限于)被称作“增材制造”或“3D打印”的制造方法。此外，可利用任何数目的浇 铸、机械加工、焊接、钎焊或烧结方法或机械紧固件或其任何组合 来构造燃料喷射器100、燃料喷嘴200或燃烧器组件50。此外，燃料 喷射器100和燃料喷嘴200可由用于涡轮发动机燃烧器区段的任何合 适的材料构成，包括(但不限于)镍和钴基合金。再者，流动路径 表面可包括用以减少阻力或以其它方式促进流体流动的表面精加工 或其它制造方法，例如(但不限于)滚筒抛光处理、滚光、制来复 线(rifling)、抛光或涂覆。
此书面说明书使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还 使得所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装 置或系统并且执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由 权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实 例。如果此类其它实例包括与权利要求书的字面语言没有不同的结 构元件，或如果此类其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质 差别的等效结构元件，那么此类其它实例希望在权利要求书的范围 内。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴界定径向方向、纵向方向、上游端和下游端，所述燃料喷嘴包括：
套筒，其界定多个径向定向的空气入口端口，且其中所述套筒界定所述燃料喷嘴的所述下游端处的套筒出口，其中所述套筒包括在所述径向方向中从所述套筒朝内的环状内壁，其中所述内壁在所述纵向方向上延伸，且其中所述内壁界定流体通路，且其中所述内壁界定朝向所述内壁的所述下游端安置的内壁出口，且进一步其中所述多个径向定向的空气入口端口的至少一部分沿着所述径向方向从所述内壁朝外；以及
多个燃料喷射器，其围绕所述套筒，其中所述套筒和所述燃料喷射器中的每一个在所述下游端处连接到后向主体且在所述上游端处连接到前向主体。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于：所述套筒进一步包括界定径向涡流器的多个空气入口端口壁。
3.根据权利要求2所述的燃料喷嘴，其特征在于：所述内壁在所述纵向方向上延伸到所述燃料喷嘴的所述下游端处的所述套筒出口，且所述内壁和所述套筒界定其间的空气通路。
4.根据权利要求3所述的燃料喷嘴，其特征在于：所述套筒界定纵向燃料喷嘴中心线，且所述内壁朝向所述套筒的所述下游端朝向所述纵向燃料喷嘴中心线会聚。
5.根据权利要求3所述的燃料喷嘴，其特征在于：所述套筒界定纵向燃料喷嘴中心线，且所述套筒朝向所述套筒的所述下游端朝向所述纵向燃料喷嘴中心线会聚。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于进一步包括：
压力雾化器，其在所述径向方向中从所述套筒的所述内壁朝内定位，其中所述压力雾化器朝向所述内壁的所述下游端安置。
7.根据权利要求6所述的燃料喷嘴，其特征在于：所述压力雾化器为单孔压力涡流、双孔压力涡流、空气辅助、超声、静电或发泡压力雾化器，或其组合。
8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于：所述套筒界定从所述内壁出口延伸到所述套筒出口的混合通路。
9.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件，所述燃烧器组件界定径向方向、纵向方向、上游端和下游端，所述燃烧器组件包括：
隔板壁，其在内衬的上游端和外衬之间径向延伸，其中所述内衬相对于发动机中心线与所述外衬径向间隔且在其间界定环状燃烧腔室，且其中所述内衬和所述外衬从所述隔板壁向下游延伸；以及
一个或多个燃料喷嘴，其至少部分延伸穿过所述隔板壁，所述燃料喷嘴包括：
套筒，其界定多个径向定向的空气入口端口，且其中所述套筒界定所述燃料喷嘴的所述下游端处的套筒出口，其中所述套筒包括在所述径向方向中从所述套筒朝内的环状内壁，其中所述内壁在所述纵向方向上延伸，且其中所述内壁界定流体通路，且其中所述内壁界定朝向所述内壁的所述下游端安置的内壁出口，且进一步其中所述多个径向定向的空气入口端口的至少一部分沿着所述径向方向从所述内壁朝外；以及
多个燃料喷射器，其围绕所述套筒，其中所述套筒和所述燃料喷射器中的每一个在所述下游端处连接到后向主体且在所述上游端处连接到前向主体。
10.一种在全功率或部分功率条件下操作燃气涡轮发动机的方法，其中所述燃气涡轮发动机包括界定第一燃烧区、第二燃烧区和第三燃烧区的燃烧器组件，所述方法包括：
穿过燃料喷嘴发送第一量的燃料和第一经压缩空气；
穿过所述燃料喷嘴发送第二量的燃料和第二经压缩空气；以及
穿过燃料喷嘴发送第三量的燃料和第三经压缩空气。
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