CN108474557A - 具有双主燃料喷射的燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于燃气涡轮发动机(100)的燃料喷射器(600)。所述燃料喷射器(600)包括两个主管、副管(603)、主气体廊道(643)和副气体廊道(644)。所述两个主管以平行构型连接以将主气体燃料提供给所述主气体廊道(643)。所述副管(603)将所述主气体燃料提供给独立于所述两个主管和所述主气体廊道(643)的所述副气体廊道(644)。所述主气体廊道(643)和所述副气体廊道(644)将所述主气体燃料独立地提供给预混合通道(669)，从而允许对所述燃气涡轮发动机(100)的鲁棒控制。

Description

具有双主燃料喷射的燃料喷射器

技术领域

本公开总体上涉及燃气涡轮发动机，并且涉及具有双主燃料喷射的燃料喷射器。

背景技术

燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮段。燃烧器包括为燃烧过程提供燃料的燃料喷射器。用于贫油预混燃烧的气体燃料的热值变动可能需要不同的条件来产生气体燃料和空气混合物以满足期望的排放条件。用于高热值气体燃料和低热值气体燃料的单独硬件用于适应这些不同的条件。

授予Zuo等人的美国专利申请公开No.2010/0162711公开了用于干式低NOx(DLN)燃烧器的主喷嘴，其配置为交替地燃烧第一气体燃料或第二气体燃料，其中两种气体燃料可具有广泛不同的含能量。天然气可以是第一气体燃料并且合成气可以是第二气体燃料。提供内部燃料回路和外部燃料回路以通过改变两个燃料回路之间的燃料分配来允许有效控制燃料/空气混合模式、动力学、初级预点火和排放控制。内部燃料回路可以利用许多气体燃料以扩散燃烧模式运行。

本公开旨在克服发明人发现的一个或多个问题。

发明内容

本文公开了一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷射器。在实施方案中，所述燃料喷射器包括法兰、分配块、主气体管件、进气通道、副气体管件、第一主通道、第二主通道、副通道和喷射器头。分配块从法兰延伸。主气体管件将主气体燃料供应到分配块。进气通道形成在分配块中并且从主气体管件延伸到分配块中。进气通道与主气体管件流动连通。副气体管件将主气体燃料供应到分配块。第一主通道形成在分配块中并且与进气通道流动连通。第二主通道形成在分配块中并且与进气通道流动连通，并且与第一主通道呈平行构型。副通道形成在分配块中并且与副气体管件流动连通。副通道与第一主通道和第二主通道隔离；

在实施方案中，燃料喷射器还包括主气体廊道、副气体廊道、预混合通道、第一主管、第二主管和副管。主气体廊道形成在喷射器头中并且具有第一环形形状。副气体廊道形成在喷射器头中且邻近主气体廊道并且具有第二环形形状。预混合通道形成在喷射器头中，并且位于主气体廊道和副气体廊道的下游，用于将主气体燃料与空气混合。第一主管从分配块延伸到喷射器主体。第一主管与第一主通道和主气体廊道流动连通。第二主管从分配块延伸到喷射器主体。第二主管与第一主通道和主气体廊道流动连通。副管从分配块延伸到喷射器头。副管与副通道和副气体廊道流动连通。主气体廊道和副气体廊道被配置为将主气体燃料独立地提供给预混合通道。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图2是图1的燃料喷射器的分解图。

图3是图2的燃料喷射器的一个实施方案的横截面视图。

图4是图2和图3中的分配块沿着线IV-IV的横截面视图。

图5是图2和图3中的喷射器头的横截面视图。

图6是图2的燃料喷射器的一个替代性实施方案的横截面视图。

图7是图6的喷射器头的横截面视图。

图8是图6的喷射器头的一部分的横截面视图。

图9是图2-8的中心主体组件的横截面视图。

图10是图9的中心主体组件的分解横截面视图。

图11是图10和图11中的旋流器的仰视图。

图12是图2-8的实施方案的喷射器头的一部分的横截面视图。

图13是用于贫油直喷液体燃料的方法的流程图。

具体实施方式

本文公开的系统和方法包括用于燃气涡轮发动机的燃料喷射器。在实施方案中，燃料喷射器包括双主气体燃料配置，其具有主主气体燃料回路和副主气体燃料回路。主气体燃料回路通过喷射器头中的叶片将主气体燃料喷射到预混合通道中，而副气体燃料回路将主气体燃料喷射通过喷射器的后平面。与单独的主气体燃料回路组合的不同喷射位置可以允许对燃料喷射器进行鲁棒控制。这种鲁棒控制可以允许燃气涡轮发动机利用低热值气体燃料以及使用相同硬件的高热值气体燃料运行。双主气体燃料回路与这种鲁棒控制一起还可以允许控制主气体燃料回路内的压降。

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。为了清楚和便于解释起见，在该图和其他附图中省略或放大了某些表面。此外，本公开可能提及前向和后向。通常，除非另有说明，否则对“前向”和“后向”的所有提及均与主空气的流动方向(即，在燃烧过程中使用的空气)相关联。例如，前向为相对于主气流的“上游”，而后向为相对于主气流的“下游”。

另外，本公开通常可提及燃气涡轮发动机的旋转中心轴线95，其一般地由燃气涡轮发动机的轴120(由多个轴承组件150支撑)的纵向轴线限定。中心轴线95可以与各种其他发动机同心部件共有或共用。除非另有说明，所有提及的径向、轴向和圆周方向以及测量均指中心轴线95，并且诸如“内”和“外”的术语一般表示远离更小的或更大的径向距离，其中径向96可以是垂直于中心轴线95和由中心轴线95向外辐射的任何方向。

一种燃气涡轮发动机100包括入口110、轴120、燃气发生器或“压缩机”200、燃烧器300、涡轮机400、排气装置500和动力输出联接装置50。燃气涡轮发动机100可具有单轴配置或双轴配置。

压缩机200包括压缩机转子组件210、压缩机固定叶片(“定子”)250和入口导流叶片255。压缩机转子组件210机械地联接到轴120。如图所示，压缩机转子组件210是轴流转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220包括压缩机转子盘，其周向地填充有压缩机转子叶片。定子250轴向地跟随每个压缩机盘组件220。与跟随压缩机盘组件220的相邻定子250配对的每个压缩机盘组件220被视为是一个压缩机级。压缩机200包括多个压缩机级。入口导流叶片255轴向地位于压缩机级之前。

燃烧器300包括一个或多个燃料喷射器600，并且包括一个或多个燃烧室390。每个燃料喷射器600包括法兰组件610，喷射器头630以及在法兰组件610和喷射器头630之间延伸的燃料管690。在所示的燃气涡轮发动机中，每个燃料喷射器600沿相对于通过燃烧器壳体398的径向壳体部分399或压缩机扩散器壳体的中心轴线95的轴向方向安装到燃烧器300中。

涡轮机400包括涡轮机转子组件410和涡轮机喷嘴450。涡轮机转子组件410机械地联接到轴120。如图所示，涡轮机转子组件410是轴流转子组件。涡轮机转子组件410包括一个或多个涡轮盘组件420。每个涡轮盘组件420包括周向设置有涡轮叶片的涡轮盘。涡轮机喷嘴450轴向地位于每个涡轮盘组件420之前。与在涡轮机盘组件420之前的相邻涡轮机喷嘴450配对的每个涡轮盘组件420被视为是一个涡轮机级。涡轮机400包括多个涡轮机级。

排气装置500包括排气扩散器510和排气收集器520。

燃料喷射器600可以包括用于将燃料输送到燃烧室390的多个燃料回路。图2是图1的燃料喷射器600的分解图。参考图2，法兰组件610可以包括法兰611、分配块612、管件和柄部620。每个燃料回路可以使用单个管件。法兰611可以是圆柱形盘并且可以包括用于将燃料喷射器600紧固到燃烧器壳体398的孔。

分配块612从法兰611延伸并且可以在法兰611的轴向方向上延伸。法兰611和分配块612可以形成为整体件。分配块612可以用作一个或多个燃料回路的歧管，以通过多个燃料管或通道将一个或多个回路的燃料流分配。

燃料管690可以包括第一主管601、第二主管602、副管603和管杆604。第一主管601和第二主管602可以是主主气体燃料回路的一部分。第一主管601和第二主管602可以是平行的并且可以平行于组件轴线797延伸。

副管603可以是主主气体燃料回路的一部分或者可以是副主气体燃料回路的一部分。副管603可以从分配块612以相对于第一主管601和第二主管602的角度延伸到喷射器头，并且可以用作喷射器头630的支撑管以防止喷射器头630的偏斜。管杆604可以包括用于主液体燃料回路、引燃液体燃料回路和引燃气体燃料回路的通道。

喷射器头630可以包括喷注射器主体640、外帽632、内部预混合管660、外部预混合筒670、中心主体组件700、锁定环634和紧固件635。喷射器主体640可以包括第一主燃料输送管件651、第二主燃料输送管件652和副燃料输送管件653。第一主管601可以在第一主燃料输送管件651处连接到喷射器头630。第二主管602可在第二主燃料传输管件652处连接到喷射器头630，并且副管603可在副燃料传输管件653处连接到喷射器头630。

外帽632可以连接到喷射器主体640并且可以位于喷射器主体640和法兰组件610之间。外帽632可以包括允许压缩机排气进入喷射器头630的开口。

法兰组件610、气体管、液体管、管杆604、喷射器主体640、内部预混合管660、外部预混合筒670和中心主体组件700包括或可以被组装以形成用于主气体燃料回路、主液体燃料回路、引燃液体燃料回路和引燃气体燃料回路的通道。本文公开了这些燃料回路的实施方案，并将结合其余附图进行讨论。

锁定环634和紧固件635可以用于将各种部件保持在一起。锁定环634可用于将内部预混管660固定到喷射器主体640。

图3是图2的燃料喷射器600的一个实施方案的横截面视图。图4是图2和图3中的分配块612沿着线IV-IV的横截面视图。在图3和图4所示的实施方案中，第一主管601、第二主管602和副管603形成单个主气体燃料回路。

参考图3，法兰组件610可以包括固定到法兰611的主气体管件621和与主气体管件621流动连通的进气通道614。进气通道614可以延伸穿过法兰611并进入分配块612中。参考图4，分配块612包括第一主通道615、第二主通道616和副通道617。在所示的实施方案中，第一主通道615、第二主通道616和副通道617全部与进气通道614流动连通。如图4所示，第一主通道615、第二主通道616和副通道617可以连接到进气通道614，并且可以处于平行流配置。

法兰组件610还可以包括第一主管端口638，第二主管端口639和副管端口619。第一主管601可以在第一主管端口638处连接至分配块612，可以与第一主通道615流动连通，并且可以将第一主通道615流体连接至第一主管601。第二主管602可以在第二主管端口639处连接至分配块612，可以与第二主通道616流动连通，并且可以将第二主通道616流体连接至第二主管602。副管603可以在副管端口619处连接至分配块612，可以与副通道617流动连通，并且可以将副通道617流体连接至副管603。

参考图3和图4，第一主通道615、第二主通道616和副通道617可全部与进气通道614在相同位置相交。在所示的实施方案中，第一主通道615、第二主通道616和副通道617是交叉钻出的。第一主通道615从分配块612的侧面以一定角度钻出，与进气通道614相交并延伸到第一主管端口638。第二主通道616从分配块612的相对侧面以一定角度钻出，与进气通道614及第一主通道615相交并延伸到第二主管端口639。副通道617从分配块612的底部向上钻出，与进气通道614、第一主通道615及第二主通道616相交，并延伸到副管端口619。法兰组件610可以在每个通道的远离其相应管端口的端部处包括塞子618。

在一些实施方案中，第一主通道615、第二主通道616和副通道617可全部从进气通道614开始并延伸到它们各自的管端口。例如，第一主通道615、第二主通道616和副通道617可以在增材制造过程期间与分配块612同时形成，并且可以不需要交叉钻出。

法兰组件610还可以包括杆腔622。杆腔622可以延伸穿过法兰611并且还可以延伸穿过分配块612。在所示的实施方案中，分配块612成形为围绕管杆604延伸。

管杆604可延伸穿过法兰组件610并进入喷射器头630中。管杆604可以包括贯穿其延伸的主液体管腔605，引燃液体管腔606以及引燃气体通道625。

燃料喷射器600还可以包括连接到远离喷射器头630的管杆604的主液体管件627，引燃液体管件628和引燃气体管件691。在实施方案中，燃料喷射器600包括延伸穿过主液体管腔605的主液体管607和延伸穿过引燃液体管腔606的引燃液体管608。主液体管607与主液体管件627流动连通，并且引燃液体管608与引燃液体管件628流动连通。在所示的实施方案中，燃料喷射器600包括用于引燃液体管608的支架，以保持引燃液体管608和管杆604在引燃液体管腔606处的间隔。

图5是图2和图3中的喷射器头630的横截面视图。喷射器头630可以包括组件轴线797。所有提及的喷射器头630的径向、轴向和圆周方向以及测量以及喷射器头630的元件均指组件轴线797，并且诸如“内”和“外”的术语一般表示远离该组件轴线797更小的或更大的径向距离。法兰611的中心可以从组件轴线797偏移。

参考图3和图5，喷射器头630可以包括喷射器主体640、外帽632、外部预混合筒670、内部预混合管660、预混合筒帽681、引燃管屏蔽件629和中心主体组件700。喷射器主体640可以包括后向部分641和前向部分642。

后向部分641可以具有圆柱形形状并且可以是具有围绕组件轴线797旋转的“C”、“U”或“J”形横截面的中空圆柱体。前向部分642也可以具有圆柱形基部并且也可以是中空圆柱体。前向部分642还可以包括从基部沿着后向方向延伸的同轴中空圆柱部。中空圆柱部的直径可以大于形成用于内部预混合管660的扩孔的基部的直径。前向部分642还可以包括用于锁定环634的扩孔，该扩孔可以用于将内部预混合管660固定到前向部分642。前向部分642还可以包括喷射器主体面649。喷射器主体面649可以是环形的并且可以朝向前向轴向方向，与后向部分641相对。前向部分642和后向部分641可以例如通过钎焊或焊接而以冶金方式结合。

第一主燃料输送管件651、第二主燃料输送管件652和副燃料输送管件653可以与后向部分一体化并且可以相对于前向部分642位于后向部分641的相对轴向侧上。

喷射器头630还包括主气体廊道643、主廊道入口658、副廊道入口659和主体主气体通道646。后向部分641和前向部分642可以接合在一起以形成主气体廊道643。主气体廊道643可以是围绕组件轴线797延伸的环形空腔。在实施方案中，围绕组件轴线797旋转的“C”、“U”或“J”型横截面形状的后向部分641可以在被固定到前向部分642时形成主气体廊道643。

喷射器头630可以包括邻近每个主燃料输送管件(例如第一主燃料输送管件651和第二主燃料输送管件652)的主廊道入口658。主廊道入口658可以是延伸穿过后向部分641的后端的开口，其延伸到主气体廊道643，使得连接到相邻主燃料输送接头651的主气体管道与主气体廊道643流动连通。在所示的实施方案中，副廊道入口659是延伸穿过后向部分641的后端的开口，其延伸到主气体廊道643，使得副管603与主气体廊道643流动连通。

主体主气体通道646可从主气体廊道643轴向延伸通过前向部分，以提供主气体燃料到外部预混合筒670的路径。在图3-5所示的实施方案中，主气体燃料在单个主气体燃料回路内提供给外部预混合筒670。主气体燃料回路包括主气体管件621、进气通道614、第一主通道615、第二主通道616、副通道617、第一主管601、第二主管602、副管603、主气体廊道643和主体主气体通道646。

喷射器头还可以包括头部杆腔650、中心主体开口655和供气通道654。头部杆腔650可以延伸穿过后向部分641并且可以是后向部分641的中空圆柱形状的中空部分。中心主体开口655可以与前向部分642同轴并且可以沿轴向方向延伸穿过前向部分642的基部。供气通道654也可沿轴向方向延伸穿过前向部分642的基部。供气通道654可以位于组件轴线797和中心主体开口655的径向外侧，并且可以位于前向部分642的中空圆柱部分的内表面的径向内侧。

外帽632可以是圆顶形帽，其在后向部分641的径向外表面处连接到喷射器主体640。外帽632可以包括用于燃料管690中的一个或多个并且用于压缩机排气进入燃料喷射器600的多个孔和通道。

外部预混合筒670接合到喷射器主体640并且位于内部预混合管660的径向外侧。外部预混合筒670可以包括筒671、筒端672和预混管外表面680。筒671可以包括主体部674、筒部675、叶片673、叶片主气体通道676、主气体出口677、排气通道678和排气出口679。主体部674可以具有环形盘形状。筒部675可以从主体部674轴向向后延伸。在所示的实施方案中，筒部675从主体部674的后向部分和径向内部延伸。筒部675可以具有中空圆柱体或圆柱管形状。中空圆柱体或圆柱管状可以是锥形的或具有锥形内表面。

叶片673可以从主体部674轴向向前延伸。叶片673可以是楔形的并且可以截短或去除楔形的尖端。叶片673可以包括被配置成引导和旋转空气进入预混合管669的其他形状。

叶片主气体通道676可以轴向延伸到每个叶片673中。每个叶片主气体通道676与主体主气体通道646对齐并流动连通。主气体出口677从叶片主气体通道676延伸并且穿过叶片673。在所示的实施方案中，主气体出口677横向于叶片主气体通道676延伸，使得主气体燃料将从相邻叶片673之间的主气体出口677沿相对于组件轴线797的切线方向离开并进入预混合通道669。在所示的实施方案中，叶片主气体通道676和主气体出口677是主气体燃料回路的一部分。

排气通道678也可以轴向延伸到每个叶片673中并且可以位于叶片主气体通道676附近。排气出口679从排气通道678延伸通过叶片673，并且可以在楔形的窄端处离开叶片673，以防止在叶片673的端部形成低压槽。

筒端672可以在筒部675的后端处以冶金方式接合到筒671，例如焊接或钎焊。筒端部672可以具有与筒部675的形状类似的中空圆柱体或圆柱管形状。预混合筒帽681可以在筒端部672的外表面处例如通过焊接或铜焊而以冶金方式接合到筒端部672的后端。预混合筒帽681可以具有围绕组件轴线797旋转的“C”、“U”或“J”形横截面。预混合筒帽681可以与筒端672形成气槽或通道。

预混合管外表面680可以包括筒671和筒端672的径向内部圆柱表面。当安装在喷射器头630中时，预混合管外表面680可以位于内部预混合管660的径向外侧。

参考图2，外部预混合筒670可以通过紧固件635固定到喷射器主体640。当外部预混合筒670接合到喷射器主体640时，叶片673可以接触喷射器主体面649。

再次参考图3和图5，内部预混合管660可以接合到喷射器主体640并且可以包括过渡端661、中间管662、尖端663、尖端面665和预混合管内表面664。在图3所示的实施方案中，过渡端661是双曲线漏斗，其相对于组件轴线797从径向方向到轴向方向形成过渡。

中间管662可以以冶金方式接合到过渡端661的后端，例如通过焊接或钎焊。在所示的实施方案中，中间管662延续了过渡端661的双曲线漏斗形状。在其他实施方案中，中间管662可以是圆锥台、漏斗或由具有围绕内部预混合管660的轴线旋转的弯曲外表面和内表面的横截面形成。

尖端663可以以冶金方式接合到中间管662的远离过渡端661的后端。尖端面665从尖端663径向向内延伸并且可以与尖端663成一体。尖端663可以具有形成尖端开口666的环形盘形状。

预混合管内表面664是内部预混合管660的外表面的至少一部分。预混合管内表面664可以是围绕内部预混合管660的轴线的旋转表面，其从径向或环形圆环表面过渡到圆周或圆柱表面。在所示的实施方案中，预混合管内表面664是双曲漏斗，或是伪球面的一部分。在其他实施方案中，径向表面可以通过围绕内部预混合管660的轴线旋转的线段或曲线的组合过渡到圆柱形表面。

预混合管内表面664与预混合管外表面680间隔开，从而在两者间形成预混合通道669。预混合通道669可以是环形通道。压缩机排气可以进入叶片673之间的预混合通道669中，并且可以与离开主气体出口677的气体燃料混合。预混合通道669可以将燃料空气混合物引导至燃烧室390中用于燃烧。

引燃液体管608可以包括引燃管尖609。引燃管尖609可以是单个雾化喷嘴并且可以是引燃液体燃料回路的一部分。引燃管尖609可以包括压力旋涡构型或平口构型。引燃管屏蔽件629可以包括位于中心主体组件700的径向内侧的轴向部分，并且构造成覆盖引燃管尖609。

中心主体组件700可以位于内部预混合管660和喷射器体640的径向内侧。中心主体组件700也可以轴向邻近管杆604并且可以例如通过钎焊或焊接以冶金方式结合到管杆604。

参考图5，中心主体组件700可以包括中心主体710、套筒750和旋流器770。中心主体710可以与管杆604相邻。套筒750和旋流器770可以位于与管杆604相对的中心主体710的端部处。套筒750从中心主体710的端部延伸并且位于旋流器770的径向内侧。旋流器770也从中心主体710的该端部延伸。旋流器770包括旋流器主体771和旋流器法兰772。旋流器法兰772从旋流器主体771径向向外延伸到内部预混合管660的尖端663。

中心主体710包括后向引燃孔716、引燃气端口725和引燃进气口719。后向引燃孔716可以是扩孔，其相对于组件轴线797同轴地延伸到中心主体710中。引燃气端口725与引燃气体通道625流动连通，并且可以轴向延伸到与后向引燃孔716径向邻近的中心主体710中。引燃进气口719将引燃气端口725连接到后向引燃孔716，并且可在引燃气端口725与后向引燃孔716之间径向延伸。引燃气体管件691、引燃气体通道625、引燃气端口725和引燃进气口719形成引燃气体燃料回路，用于将引燃气体燃料提供给后向引燃孔716，以将引燃气体燃料导出尖端开口666用于燃烧。

参考图3，中心主体710还包括液体管口722和主液体通道721。液体管口722与主液体管607流动连通。液体管口722可以轴向延伸到中心主体710中。主液体通道721从液体管口722延伸通过中心主体710以将主液体燃料传送到图9-11中所示的液体廊道774。主液体管件627、主液体管607、液体管口722和主液体通道721形成主液体燃料回路，用于从主液体管件627向液体廊道774提供燃料，使得可以在将液体燃料引导出尖端开口666以用于燃烧之前预先灌注液体燃料。

图6是图2的燃料喷射器的一个替代性实施方案的横截面视图。在图6所示的实施方案中，第一主管601和第二主管602形成主气体燃料回路的一部分，而副管603形成副气体燃料回路的一部分。

主气体管件621与第一主管601和第二主管602流动连通。主气体管件621不与副管603流动连通。在图6所示的实施方案中，法兰组件610包括与副通道617和副管603流动连通的副气体管件623。法兰组件610可以包括将副气体管件623流体连接到副通道617的副进气通道692。分配块612可以被配置为将副气体管件623及副管603相对于主气体管件621、第一主管601和第二主管602隔离。

杆腔622、管杆604、主液体管件627、引燃液体管件628、引燃气体管件691以及它们的相关特征可以与以上相对于先前实施方案所描述的特征相同或相似。

图7是图6的喷射器头630的横截面视图。图8是图6的喷射器头630的一部分的横截面视图。参照图6-8，该实施方案中的喷射器头630包括主气体廊道643和副气体廊道644。主气体廊道643和副气体廊道644可以是相邻的环形腔体。如图所示，主气体廊道643和副气体廊道644可以径向间隔开，一个在另一个径向内侧。

图6-8的实施方案还包括主廊道入口658(图8中所示)，主体主气体通道646，叶片主气体通道676和主气体出口677。主廊道入口658位于第一主管601与主气体廊道643之间，以及第二主管602与主气体廊道643之间。主体主气体通道646，叶片主气体通道676和主气体出口677可以与结合前述实施方案所描述的那些相同或相似。

主气体燃料回路包括主气体管件621、第一主管601、第二主管602、主气体廊道643、主体主气体通道646、叶片主气体通道676和主气体出口677。第一主管601和第二主管602每个均与主气体管件621和主气体廊道643流动连通。主气体廊道643与主体主气体通道646、叶片主气体通道676和主气体出口677流动连通。主气体燃料回路被配置成将主气体燃料从主气体管件621经由主气体出口677传送到预混合通道669。

图6-8的实施方案还包括副廊道入口659(在图6和图7中示出)、副气体出口648和副气体通道647。副廊道入口659位于副管603和副廊道644之间。每个副气体出口648可以位于相邻叶片673之间的喷射器主体面649处。副气体出口648可以被配置成在叶片673之间沿轴向方向引导主气体燃料。每个副气体出口648可以从喷射器主体面649延伸到前向部分642内。副气体出口648可以沿圆周方向均匀地分布，使得副气体出口648位于每组相邻叶片673之间。

每个副气体通道647从副气体出口648延伸穿过前向部分642到副气体通道644以将副气体出口648连接到副气体廊道644。在实施方案中，每个副气体通道647从副气体通道644沿轴向后向方向和径向向外方向延伸到副气体出口648

副气体燃料回路包括副气体管件623、副管603、副气体廊道644、副气体通道647和副气体出口648。副气体燃料回路被配置成将主气体燃料从副气体管件623经由副气体出口648传送到预混合通道669。

图9是图2-8的中心主体组件700的横截面视图。图10是图9的中心主体组件700的分解横截面视图。参考图9和图10，中心主体710可以包括基部端711、中间部分712、旋流端713和杆连接器714。基部端711可以包括圆柱形并且可以相对于中间部分712形成凸缘。中间部分712在基部端711和旋流端713之间延伸并且可以从基部端711到旋流端713渐缩。旋流端713在基部端711的远侧，并且可以相对于中间部分712形成凸缘。杆连接器714可以包括中空圆柱形状并且可以沿着与旋流端713相反的方向从基部端711延伸。杆连接器714可用于将中心主体710连接到管杆604。在一些实施方案中，杆连接器714还可以包括延伸到基部端711中并接收管杆604的一部分的扩孔。

中心主体710还包括后向引燃孔716、旋流器端口723、前向引燃孔717、内法兰715和引燃孔718。后向引燃孔716可从基部端711延伸并进入中间部分712。后向引燃孔716可从杆连接器714延伸到内法兰715。旋流器端口723可以延伸到旋流端713中。旋流器端口723可以是被配置成接收旋流器770的扩孔。前向引燃孔717可从旋流器端口723延伸至内法兰715。旋流器端口723可以包括旋流器端口表面724，该旋流器端口表面是旋流器端口723的底表面。旋流器端口表面724可以包括环形的形状。

内法兰715可以从中间部分712径向向内延伸。内法兰715可以是中空圆柱体并且可以形成引燃管孔718。引燃管孔718可以将后向引燃孔716连接到前向引燃孔717。中心主体710还可以包括通过中间部分712延伸到前向引燃孔717的引燃空气入口720。引燃空气入口720可允许压缩机排气进入前向引燃孔717并在被引导至燃烧室390中之前与引燃气体燃料混合。

引燃气体入口719、后向引燃孔716、引燃管孔718和前向引燃孔717也可形成引燃气体燃料回路的一部分。

套筒750可以包括套筒本体751、套筒底座752和套筒尖端753。套筒本体751可以包括中空圆柱形状并且可以在其内部形成套筒孔756。套筒孔756可以将引燃气体燃料和空气的混合物从前向引燃孔717引导通过尖端开口666到达燃烧室390。套筒本体751可以包括套筒本体表面754。套筒本体表面754可以是直圆柱体并且可以是套筒本体751的外表面。

套筒基部752可以从套筒本体751轴向延伸。套筒基部752可以包括中空圆柱形状并且可以具有比套筒基部752的外径更小的外径。套筒基部752的尺寸可以设置成配合在前向引燃孔717内，使得套筒本体751可以抵靠邻近前向引燃孔717的旋流器端口723内的旋流端713。

套筒尖端753可以在与套筒基部752相反的方向上从套筒本体751延伸。套筒尖端753可以包括漏斗形状，例如空心截锥体。套筒尖端753可以渐缩，使得随着漏斗变窄，套筒尖端753的厚度变窄。套管尖端753可以包括套筒预膜表面755。套筒预膜表面755可以是套筒尖端753的外表面。套筒预膜表面755可以包括截头圆锥形状。

如前所描述的，旋流器770可以包括旋流器主体771和旋流器法兰772。旋流器主体771可以是围绕组件轴线797旋转的旋转体。

旋流器770还可以包括旋流器基部782、旋流器尖端773、液体廊道槽784、旋流器孔777、旋流器孔表面780、预膜孔778和旋流槽775。旋流器基部782可以邻近旋流器主体771并且可以相对于旋流器端口723设定尺寸。旋流器770和中心体710可以在旋流器基部782和旋流器端口723处接合。旋流器主体771可以从旋流器基部782到旋流器法兰772渐缩。旋流器基部782位于旋流器端口723中并且可以抵靠旋流器端口表面724。

旋流器尖端773从旋流器主体771的远离旋流器基部782的一端并与旋流器基部782相对地延伸。旋流器尖端773可以包括漏斗形状，例如空心截锥体。旋流器尖端773可以渐缩，使得随着漏斗变窄，旋流器尖端773的厚度变窄。旋流器尖端773可以包括旋流器预膜表面779。旋流器预膜表面779可以是旋流器尖端773的内表面。旋流器预膜表面779可以包括截头圆锥形状。当组装时，旋流器预膜表面779可以与套筒预膜表面755间隔开。

旋流器孔777可从旋流器基部782延伸并进入旋流器主体771。旋流器孔777可以包括圆柱体形状。旋流器孔表面780可以是旋流器孔777的表面。旋流器孔表面780可以包括圆柱体形状，例如直圆柱体。当组装时，旋流器孔表面780邻接套筒本体表面754。套筒750和旋流器770可以被组装以在其间形成密封，诸如以过盈配合进行组装，其中旋流器孔表面780具有比套筒主体表面754的直径更小的直径。

预膜孔778可以与旋流器孔777相邻并且可以包括预膜孔表面783。预膜孔表面783可以包括比旋流器孔表面780更大的直径。当组装时，预膜孔表面783从套筒本体表面754偏移，从而在其间形成环形空间。该环形空间可以形成预膜通道769的前向部分。预膜通道769在朝着组件轴线797向内转向之前可以轴向延伸。当向内转向时，预膜通道769可相对于组件轴线797同时在轴向后向方向和径向向内方向上延伸。

液体廊道槽784位于旋流器基部782中。图11是图10和图11中的旋流器770的仰视图。参照图9-11，液体廊道槽784可以是围绕大部分旋流器基部782延伸的靠近旋流器孔777的周向槽。液体廊道槽784可从廊道入口端781周向地延伸到廊道排出端785。廊道入口端部781和廊道排出端785可以相邻而不接触，即稍微间隔开且两者之间具有材料。

液体廊道槽784可以从廊道入口端781到廊道排出口端785渐缩，其中廊道槽784的横截面积从廊道入口端781到廊道排出口端785减小。液体廊道槽784可以从廊道入口端781到廊道排出端785具有恒定锥度或者可以分段渐缩。液体廊道槽784可以如图11所示的在径向方向上渐缩，并且可以如图10所示的在轴向方向上渐缩。

参考图9，当旋流器770组装到中心体710时，液体廊道槽784可邻接旋流器孔表面780和旋流器端口表面724。液体廊道槽784，旋流器孔表面780和旋流器端口表面724可以形成用于从主液体通道721分配主液体燃料的液体通道774。廊道入口端781可以与主液体通道721邻接并流动连通。

参考图10，旋流器槽775沿着旋流器孔表面780从液廊道槽784延伸到预膜孔778。旋流器槽775可以从旋流器孔表面780延伸到旋流器主体771中。旋流器槽775可以同时沿轴向方向和圆周方向(例如以螺旋形式)延伸，以通过向主液体燃料的行进方向增加切向分量来旋转主液体燃料。

参考图9，旋流槽775与套筒本体表面754邻接，从而形成用于主液体燃料的旋流通道。套筒本体751与旋流器主体771之间的配合可形成为密封旋流槽775以防止主液体燃料从旋流槽775泄漏。

旋流槽775的数量可以被选择为确保离开旋流槽775进入预膜通道769的主液体燃料在离开预膜通道769之前形成薄膜。在实施方案中，旋流器770可以包括六至十个旋流槽775以确保主液体燃料在预膜通道769中形成薄膜。在图9-11所示的实施方案中，旋流器770包括八个旋流槽775。

主液体燃料回路还可以包括液体廊道774、旋流槽775和预膜通道769。

尽管中心体组件700的实施方案包括中心体710、套筒750和旋流器770作为独立部件，这些部件例如通过以冶金方式结合而接合在一起，但是一些实施方案包括两个或更多个中心体组件700部件作为整体件。该整体件可以通过增材制造或类似的制造工艺形成。

本文公开的钻孔、通道、腔体、孔和其他类似的元件例如通过铸造或机加工工艺形成在法兰组件610、管杆604或喷射器头630中的一个中。钻孔、通道、腔体、孔和其他类似元件由它们延伸通过的部件所限定。

工业实用性

燃气涡轮发动机可适用于多种工业应用，如石油和天然气工业的各个方面(包括石油和天然气的传输、收集、储藏、抽出和起升)、发电工业、废热发电、航空航天和其他运输工业。

参照图1，气体(典型地是空气10)进入入口110作为“工作流体”并且由压缩机200压缩。在压缩机200中，由一些列的压缩机盘组件220在环形流动路径115上压缩工作流体。特别地，空气10在编号的“级”内被压缩，级与每个压缩机盘组件220相关联。例如，“第四级空气”可与在下游或“向后”方向(从入口110朝向排气装置500)上的第四压缩机盘组件220相关联。同样，每个涡轮盘组件420可与编号的级相关联。

一旦压缩空气10离开压缩机200，它就进入燃烧器300，在此处扩散并添加诸如液体燃料或气体燃料的燃料。空气10和燃料通过喷射器600被喷射入燃烧室390中并燃烧。由一系列的涡轮盘组件420中的每一级通过涡轮机400从燃烧反应中提取能量。排出的废气90然后可以在排气扩散器510中扩散，收集并改变方向。排出的废气90通过排气收集器520离开该系统并且可进行进一步处理(例如，以减少有害排放和/或从排出的废气90中回收热)。

通过燃料喷射器600中的管的燃料可能导致管内的温度变化并且可能导致管膨胀或收缩。在图3-5所公开的实施方案中，燃料喷射器600被配置成提供将单个主气体燃料源分流成三个平行路径的单主气体燃料回路，这三个平行路径将主气体燃料导入主气体廊道643。在所示的实施方案中，分配块612分成引导燃料进入第一主管601的第一主通道615，引导燃料进入第二主管602的第二主通道616和引导燃料进入副管603的副通道617。

通过在分配块612中以三种方式对燃料进行分流，主气体燃料可以均匀地供应到每个管，并且可以向每个管提供类似的温度梯度，导致每个管中的相似热膨胀。在每个管中保持相似的热膨胀可以特别防止一个或多个管的机械变形，并且可以防止注射器头630的偏斜。

在图6-8所公开的实施方案中，主气体燃料由双主气体燃料回路(例如主气体燃料回路和副气体燃料回路)供应。在所示的实施方案中，主气体燃料回路通过叶片673将主气体燃料喷射到预混合通道669中，并且副气体燃料回路通过喷射器主体640的后平面在注射器主体面649处将主气体燃料喷射到预混合通道669中。

双主气体燃料回路可以使燃气涡轮发动机的工作范围内的燃料压力需求最小化，并且可以提供对用于贫油预混燃烧的预混合通道669中的主气体燃料传送的鲁棒控制。这种鲁棒控制可以保证低热值燃料(如基于烃的低沃泊指数燃料)和使用相同硬件的高热值燃料(如天然气)满足排放保证。

当燃气涡轮发动机100以低热值气体燃料(例如具有从450-750的沃泊指数的气体燃料)运行时，主和副主气体燃料回路两者可以在整个工作范围内向预混合通道669供应燃料，包括点火、加速到怠速以及从怠速到满载的整个负载范围。引燃气体燃料回路还可以在整个工作范围内供应用于燃烧的气体燃料。在实施方案中，通过副主气体燃料回路供应的燃料流的百分比可以保持恒定，同时通过主主气体燃料回路和通过引燃气体燃料回路供应的燃料流的百分比可以根据工作条件和排放保证要求而改变。

当燃气涡轮发动机100以高热值气体燃料(例如具有从750-1320的沃泊指数的气体燃料)运行时，副主气体燃料回路和引燃气体燃料回路可为较低流量状态提供气体燃料，例如点火、怠速以及达到预定百分比的负载。主主气体燃料回路还可以提供具有副主气体燃料回路和引燃气体燃料回路的气体燃料，用于较高流量燃料状态，例如从预定百分比到满载。仅通过副主气体燃料回路和引燃气体燃料回路向较低流量状态提供气体燃料可以帮助控制在较低燃料流量下副主气体燃料回路内的压降。在较高流量燃料状态时通过主主气体燃料回路和副主气体燃料回路提供气体燃料可以帮助控制具有较高燃料流量的压降并且可发促进预混合通道669中的适当空气燃料混合模式以符合排放保证。

中心体组件700被配置成向燃烧室390中喷射液体燃料薄膜。图12是图2-8的实施方案的喷射器头630的一部分的横截面视图。如图12中的主参考线799所示，液体燃料薄膜可以离开预膜通道769并形成圆锥形薄膜。尽管预膜通道769是朝向组件轴线797转动的环形通道，但是旋流槽775向液体燃料的速度施加圆周分量，这使得燃料在离开预膜通道769时从组件轴线797向外移动，以生成液体薄膜的圆锥形状。

中心体组件700还可以被配置成在液体廊道774周围保持几乎恒定的燃料速度。液体廊道槽784的横截面面积可以从廊道入口端781和相邻的旋流槽775以及在相邻的旋流槽775之间减小尺寸。横截面面积的这种减小可以是恒定的锥度，或者可以相对于在相邻的旋流槽775之间的液体廊道槽784的每个区段而变化。例如，区段之间的锥形可以被配置成使得液体廊道774中的流体速度在每个旋流槽775的入口处相同。减小液体廊道槽784的横截面面积可以有助于确保不会在流体路径中发生突变。减小液体廊道槽784的横截面面积还可有助于将液体燃料均匀地供给到旋流槽775并有助于液体燃料在薄膜内均匀分布。

减小液体廊道槽784的横截面面积还可以将液体燃料的速度保持在阈值量以上，以防止过多的热量传递给液体燃料(这可能导致液体燃料焦化)。

再次参考图12，引燃管尖端609可以如引燃参考线798所示的以圆锥形形式将引燃液体燃料喷射到燃烧室390中。引燃液体燃料的锥形扩展可以位于由中心体组件700喷射出的液体燃料薄膜的锥形扩展内。

由主液体燃料回路经由中心体组件700和由引燃液体燃料回路经由引燃管尖端609喷射的液体燃料的量可以被优化用于在各个阶段操作期间的贫油直喷，以尽量减少点火和加速至怠速期间的烟雾，并尽量减少该系统的燃料压力需求。

图13是用于贫油直喷液体燃料的方法的流程图。所述方法包括步骤810，在点火期间通过引燃液体燃料回路(例如本文所述的引燃液体燃料回路)将全部(即百分之百)液体燃料喷射到燃烧室390中。所述方法还包括步骤820，在燃气涡轮发动机100朝着怠速加速期间通过引燃液体燃料回路将全部液体燃料喷射到燃烧室390中。在点火和加速至怠速期间离开引燃管尖端609的液体燃料的燃料雾化可使烟气生成最小化，同时在燃烧系统周围提供可靠的点火。

所述方法进一步包括步骤830，当燃气涡轮发动机100处于怠速时，通过引燃液体燃料回路并通过包括环形预膜构造的主液体燃料回路(例如包括中心体组件700的主液体燃料回路)以两股液流将液体燃料喷射入燃烧室390中。步骤830包括通过主液体燃料回路喷射大部分(例如大约百分之八十五)的液体燃料，而其余的液体燃料通过引燃液体燃料回路喷射。在一些实施方案中，大部分液体燃料是喷射的液体燃料的百分之八十到百分之九十。在其他实施方案中，大部分是喷射的液体燃料的百分之八十三到百分之八十七。

所述方法可以包括在怠速转期间或之前的过渡期间(例如接近怠速时)，由通过液体引燃燃料回路喷射所有液体燃料转变为通过两股液流喷射液体燃料，其中大部分液体燃料通过主液体燃料回路喷射。

所述方法还进一步包括步骤840，在怠速以上的工作范围内以和步骤830中以相同或相似的喷射水平以两股液流喷射液体燃料。通过两股液流注射液体燃料，并且大部分液体燃料通过主液体燃料回路在环形薄膜喷射中可使该系统的燃料压力需求最小化，同时为贫油直喷提供所需的液体燃料和空气混合物。

前面的具体实施方案仅仅是示例性的，而不是用来限制本发明或本发明的应用和使用。所描述的实施方案并不限于与特定类型的燃气涡轮发动机一起使用。因此，尽管为了便于解释，本公开为描绘并描述了特定的燃料喷射器，但应理解的是，根据本公开的燃料喷射器可以以各种其他构造来实施，可与各种其他类型的燃气涡轮发动机一起使用，并可用在其他类型的机器中。此外，并没有意图使本发明受前面的背景技术和具体实施方式中提出的任何理论的束缚。也应理解，图示可包括放大的尺寸，以更好地图解示出的引用项，而不应认为如此限制，除非特别说明。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的燃料喷射器(600)，包括：

法兰(611)；

分配块(612)，其从所述法兰(611)延伸；

主气体管件(621)，其用于将主气体燃料供应到所述分配块(612)；

进气通道(614)，其形成在所述分配块(612)中并且从所述主气体管件(621)延伸到所述分配块(612)中，所述进气通道(614)与所述主气体管件(621)流动连通；

副气体管件(623)，其用于将所述主气体燃料供应到所述分配块(612)；

第一主通道(615)，其形成在所述分配块(612)中并且与所述进气通道(614)流动连通；

第二主通道(616)，其形成在所述分配块(612)中并且与所述进气通道(614)流动连通，并且与所述第一主通道(615)呈平行构型；以及

副通道(617)，其形成在所述分配块(612)中并且与所述副气体管件(623)流动连通，并且所述副通道(617)与所述第一主通道(615)和所述第二主通道(616)隔离；

喷射器头(630)；

主气体廊道(643)，其形成在所述喷射器头(630)中，所述主气体廊道(643)具有环形形状；

副气体廊道(644)，其形成在所述喷射器头(630)中且邻近所述主气体廊道(643)，所述副气体廊道(644)具有第二环形形状；

预混合通道(669)形成在所述喷射器头(630)中，并且位于所述主气体廊道(643)和所述副气体廊道(644)的下游，用于将所述主气体燃料与空气混合；

第一主管(601)，其从所述分配块(612)延伸到所述喷射器头(630)，所述第一主管(601)与所述第一主通道(615)和所述主气体廊道(643)流动连通；

第二主管(602)，其从所述分配块(612)延伸到所述喷射器头(630)，所述第二主管(602)与所述第二主通道(616)和所述主气体廊道(643)流动连通；以及

副管(603)，其从所述分配块(612)延伸到所述喷射器头(630)，所述副管(603)与所述副通道(617)和所述副气体廊道(644)流动连通；

其中所述主气体廊道(643)和所述副气体廊道(644)被配置为将所述主气体燃料独立地提供给所述预混合通道(669)。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射器(600)，其中所述主气体廊道(643)和所述副气体廊道(644)被配置为将所述主气体燃料同时提供给所述预混合通道(669)。

3.根据权利要求1所述的燃料喷射器(600)，其中所述副气体廊道(644)位于所述主气体廊道(643)的内侧。

4.根据权利要求1所述的燃料喷射器(600)，其中所述分配块(612)与所述法兰(611)成一体并且相对于所述燃料喷射器(600)的组件轴线(797)从所述法兰(611)轴向地延伸。

5.根据权利要求1所述的燃料喷射器(600)，其中所述喷射器头(630)还包括包含多个叶片(673)的外部预混合筒(670)，并且其中所述主气体廊道(643)被配置为将所述主气体燃料引导至形成在所述多个叶片(673)中的多个主气体出口(677)中，并且所述副气体廊道(644)被配置为将所述主气体燃料引导至形成在所述喷射器头(630)中且邻近所述外部预混合筒(670)的多个副气体出口(648)。

6.根据权利要求5所述的燃料喷射器(600)，其中所述多个主气体出口(677)被配置为沿相对于所述燃料喷射器(600)的组件轴线(797)的切线方向将主气体燃料在所述多个叶片(673)之间引导。

7.根据权利要求5所述的燃料喷射器(600)，其中所述多个副气体出口(648)被配置为沿相对于所述燃料喷射器(600)的组件轴线(797)的轴向方向将所述主气体燃料在所述多个叶片(673)之间引导。

8.根据权利要求5所述的燃料喷射器(600)，其中所述副气体廊道(644)位于所述主气体廊道(643)的内侧，其中所述喷射器头包括多个副气体通道，每个所述副气体通道沿轴向后向方向和径向向外方向延伸到所述多个副气体出口(648)的副气体出口(648)，并且其中所述喷射器头(630)包括多个主体主气体通道(646)，每个所述主体主气体通道沿轴向后向方向延伸以将所述主气体燃料引导至所述多个叶片(673)中的一个。

9.根据权利要求1所述的燃料喷射器(600)，其中所述副管(603)从所述分配块(612)延伸到所述喷射器头(630)以支撑所述喷射器头(630)并防止所述喷射器头(630)偏斜。

10.根据前述权利要求中任一项所述的燃料喷射器(600)，还包括：

管杆(604)，其延伸穿过所述法兰(611)到所述喷射器头(630)；

引燃气体通道(625)，其形成在所述管杆(604)中以用于向所述喷射器头(630)提供引燃气体燃料；

主液体管腔(605)，其形成在所述管杆(604)中以用于向所述喷射器头(630)提供主液体燃料；以及

引燃液体管腔(606)，其形成在所述管杆(604)中以用于向所述喷射器头(630)提供引燃液体燃料。