CN110006068B - 用于燃气涡轮发动机燃烧器的燃料喷嘴 - Google Patents

用于燃气涡轮发动机燃烧器的燃料喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮发动机燃烧器的燃料喷嘴。具体地，总体上提供一种用于操作燃气涡轮发动机的燃烧系统以减缓低频燃烧声学特性的方法和结构。该方法包括：使氧化剂流动经过限定内壁和外壁的燃料喷嘴通道，其中，内壁和外壁中的每个均定制轮廓成从第一半径至小于第一半径的第二半径；使氧化剂在燃料注入端口的上游在内壁处相对于外壁以较高轴向速度流动；使燃料流动经过燃料注入端口至燃料喷嘴通道以与氧化剂流混合来产生燃料‑氧化剂混合物；以及在燃料注入端口的下游点燃燃料‑氧化剂混合物。

Description

用于燃气涡轮发动机燃烧器的燃料喷嘴
技术领域
本主题涉及用于减缓燃气涡轮发动机中燃烧声学特性（或传音性，acoustics）的方法和结构。
背景技术
燃气涡轮发动机包括燃烧系统，在其中燃料被供给和与空气混合并且经点燃以产生燃烧气体。然而，已知的贫燃和富燃燃烧系统可在诸如次空转、空转以及通常较低功率状况的各种状况下遭受不期望的燃烧动态特性。此种不利的燃烧动态特性包括高压力波动，其可损坏燃烧系统和燃气涡轮发动机，或者产生可损坏燃气涡轮发动机或者对周围人群（例如，在机场处或在航空器中）造成不适或听力困难的可听声学特性。
因此，需要有一种减轻或消除不利燃烧动态特性的燃烧系统和操作方法。更具体地，需要有一种燃烧系统，其减轻或消除与在次空转、空转以及通常低功率操作状况下的低频声学特性或轰鸣相对应的不利燃烧动态特性。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文描述中部分地阐述，或者可根据该描述是显而易见的，或者可通过实施本发明而懂得。
总体上提供一种用于操作燃气涡轮发动机的燃烧系统以减缓低频燃烧声学特性的方法和结构。该方法包括：使氧化剂流动经过限定内壁和外壁的燃料喷嘴通道，其中，内壁和外壁中的每个均定制轮廓成从第一半径至小于第一半径的第二半径；使氧化剂在燃料注入端口的上游在内壁处相对于外壁以较高轴向速度流动；使燃料流动经过燃料注入端口至燃料喷嘴通道以与氧化剂流混合来产生燃料-氧化剂混合物；以及在燃料注入端口的下游点燃燃料-氧化剂混合物。
本公开内容还涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧系统。该燃烧系统包括燃料喷嘴，其包括共同限定燃料喷嘴通道的内壁和外壁，经由该燃料喷嘴通道，氧化剂流向燃烧室。内壁和外壁共同限定由第一半径至小于第一半径的第二半径的定制轮廓部分。内壁限定经由其与燃料喷嘴通道成流体连通的燃料注入端口。外壁限定位于燃料喷嘴通道处的喉部和位于外壁的下游端处邻近燃烧室的出口平面。燃料喷嘴在喉部和出口平面之间限定氧化剂流的前停滞点。
具体地，本发明还提供以下技术方案。
技术方案1. 一种操作燃气涡轮发动机的燃烧系统以减缓低频燃烧声学特性的方法，所述方法包括：
使氧化剂流动经过限定内壁和外壁的燃料喷嘴通道，其中，所述内壁和所述外壁中的每个均定制轮廓成从第一半径至小于所述第一半径的第二半径；
使所述氧化剂在燃料注入端口的上游在所述内壁处相对于所述外壁以较高轴向速度流动；
使燃料流动经过所述燃料注入端口至所述燃料喷嘴通道以与所述氧化剂流混合来产生燃料-氧化剂混合物；以及
在所述燃料注入端口的下游点燃所述燃料-氧化剂混合物。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，还包括：
至少基于使所述氧化剂以所述较高轴向速度流动，在所述燃料喷嘴通道处介于限定在所述内壁和所述外壁之间的喉部和限定在所述外壁处邻近燃烧室的出口平面之间生成前停滞点。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，还包括：
确定横跨所述燃料喷嘴通道的压力变化；以及
基于横跨所述燃料喷嘴通道的所确定的压力变化形成所述内壁和所述外壁的轮廓。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，使所述燃料流动经过所述燃料注入端口包括使所述燃料流动经过限定成穿过所述内壁的燃料注入端口。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂在所述内壁处以所述较高轴向速度流动限定所述氧化剂流的近似最大轴向速度。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，在所述内壁处所述氧化剂的最大轴向速度为在所述外壁处所述氧化剂的轴向速度的近似两倍。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂在所述内壁处以所述较高轴向速度流动限定在所述燃料注入端口的上游计所述燃料注入端口的近似八个直径长度或更小。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂在所述内壁处以所述较高轴向速度流动是相对于所述外壁的近似垂直于所述内壁的区域而言的，所述区域对应于在所述燃料注入端口的上游的等于所述燃料注入端口的近似八个直径长度或更小的距离。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，使燃料流动经过所述燃料注入端口大体上沿着氧化剂流的轴向方向提供燃料的近似锥形喷雾。
技术方案10.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，使所述燃料流动经过所述燃料注入端口还包括使燃料穿过双孔洞喷雾器流动。
技术方案11.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，使所述燃料流动经过所述燃料注入端口还包括使燃料穿过压力旋涡式喷雾器流动。
技术方案12.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂流动还在所述燃料注入端口的上游近似在所述内壁处相对于所述外壁限定较低切向速度。
技术方案13.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，使氧化剂流动经过所述燃料喷嘴通道包括使所述氧化剂以与从所述发动机的压缩机进入燃烧室的氧化剂的流量的4%至25%对应的轴向速度流动。
技术方案14.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，使氧化剂流动经过所述燃料喷嘴通道包括使所述氧化剂以与所述燃气涡轮发动机的空转状况或更低近似对应的轴向速度流动。
技术方案15.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统，所述燃烧系统包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括共同限定燃料喷嘴通道的内壁和外壁，氧化剂穿过所述燃料喷嘴通道朝向燃烧室流动，其中，所述内壁和所述外壁共同限定从第一半径至小于所述第一半径的第二半径的定制轮廓部分，以及进一步地其中，所述内壁限定穿过其与所述燃料喷嘴通道成流体连通的燃料注入端口，以及其中，所述外壁限定在所述燃料喷嘴通道处的喉部和在所述外壁的下游端处邻近所述燃烧室的出口平面，以及其中，所述燃料喷嘴在所述喉部和所述出口平面之间限定所述氧化剂流的前停滞点。
技术方案16.根据技术方案15所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料喷嘴还包括：
围绕燃料喷嘴中心线成邻近的周向布置的多个翼片，其中，每个翼片在所述燃料注入端口的上游介于所述内壁和所述外壁之间延伸，以及其中，每一对翼片限定周向地在二者之间接近前缘的第一截面区域和接近后缘的不同于所述第一截面区域的第二截面区域。
技术方案17.根据技术方案16所述的燃烧系统，其特征在于，所述多个翼片相对于所述燃料喷嘴中心线至少部分地沿着周向方向、切向方向或者两者延伸。
技术方案18.根据技术方案17所述的燃烧系统，其特征在于，所述多个翼片使所述后缘延伸至相对于所述喷嘴中心线的不同于所述前缘的周向位置以便至少部分地遮掩所述第二截面区域免于相对于所述第一截面区域沿着向下游的方向看到。
技术方案19.根据技术方案15所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料注入端口设置在由所述外壁限定的所述喉部的上游。
技术方案20.根据技术方案15所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料喷嘴通道限定在所述燃料注入端口上游的近似八个直径长度内的区域，在所述区域处，相对于所述外壁的垂直于所述内壁而言氧化剂流在所述内壁处限定较高轴向速度。
参照下文描述和所附权利要求，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成其一部分的附图例示了本发明的实施例，并且连同描述一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
本发明针对本领域普通技术人员而言全面并能够实施的公开内容（包括其最佳方式）在参照附图的说明书中阐述，附图中：
图1为根据本公开内容的一个方面的包括示例性燃烧系统的燃气涡轮发动机的示例性实施例的轴向截面视图；
图2为根据本公开内容的一个方面的总体上提供在图1中的燃气涡轮发动机的示例性燃烧系统的轴向截面视图；
图3为总体上提供在图2中的燃烧系统的燃料喷嘴的示例性实施例的轴向截面视图；
图4至图6为总体上提供在图3中的燃料喷嘴的部分的示例性实施例的透视图；以及
图7为描画操作燃气涡轮发动机的燃烧系统以减缓低频燃烧声学特性的示例性方法的步骤的流程图。
在本说明书和图中对参照符号的重复使用意图表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或更多实例在图中例示。每个实例均通过解释本发明来提供而非对本发明的限制。事实上，本领域技术人员将清楚的是，在本发明中可作出各种修正和变型而不脱离本发明的范围或实质。例如，例示或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一实施例使用以产生又一个实施例。因此，本发明意图将此类修正和变型涵盖为落入所附权利要求及其等同方案的范围内。
如文中所用，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用以区分一个构件与另一构件而非意图表示各个构件的位置或重要性。
用语“上游”和“下游”是指关于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体自其流动的方向，而“下游”是指流体向其流动的方向。
文中记载的近似值可包括基于如在本领域中使用的一个或多个测量装置的容限，例如但不限于测量装置或传感器的全标度测量范围的百分比。备选地，文中记载的近似值可包括大于上限值的上限值的10%或者小于下限值的下限值的10%的容限。
总体上提供减轻或消除不利燃烧动态特性的燃烧系统和操作方法的实施例。文中总体上提供的燃烧系统和操作方法的实施例可减轻或消除与在次空转、空转以及通常低功率操作状况下的低频声学特性或轰鸣相对应的不利燃烧动态特性。文中总体上提供的结构和方法控制经由燃料喷嘴通道以便减轻或消除低频声学特性的氧化剂流的速度分布图（profile）。总体上提供的结构和方法可通常在先导燃料喷嘴的喉部和出口平面之间设置先导燃料-氧化剂燃烧区的前停滞点。更进一步地，文中总体上提供的结构和方法还可增大经由燃料喷嘴通道的氧化剂流，或者更具体地，相比于燃料喷嘴的外壁有选择地增大关于内壁的氧化剂流。
现在参看附图，其中贯穿图中同样的标号表示相同元件，图1为根据本公开内容的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面视图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机为高旁通涡轮风扇发动机10，文中称为“发动机10”。如在图1中所示，发动机10限定轴向方向A（平行于提供为用于参照的纵向中心线12延伸）和远离纵向中心线12延伸的径向方向R。发动机10还限定氧化剂（例如，空气）流自其进入发动机10的参考上游端99，以及氧化剂流在其处离开发动机10的下游端98。一般来讲，发动机10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示例性核心涡轮发动机16通常包括限定环形入口20的大致管状外部壳体18。外部壳体18以串行流动关系地包围压缩机区段，其包括增压器或低压（LP）压缩机22以及高压（HP）压缩机24；燃烧系统26；涡轮区段，其包括高压（HP）涡轮28和低压（LP）涡轮30；以及喷射排出喷嘴区段32。高压（HP）轴或管轴（spool）34将HP涡轮28驱动地连接至HP压缩机24。低压（LP）轴或管轴36将LP涡轮30驱动地连接至LP压缩机22。在发动机10的其它实施例中，可提供附加的管轴，使得发动机10可描述为多管轴发动机。
对于所绘实施例，风扇区段14包括风扇38，其具有以间隔开的方式联接至盘42的多个风扇叶片40。如所绘那样，风扇叶片40大体上沿着径向方向R从盘42向外延伸。风扇叶片40和盘42可通过LP轴36围绕纵向轴线12共同地旋转。在一些实施例中，可包括具有多个齿轮的功率齿轮箱用于将LP轴36的旋转速度逐步减低至更为有效的旋转风扇速度。
仍参看图1的示例性实施例，盘42由可旋转的整流罩盖48所覆盖，该整流罩盖空气动力学地定制轮廓以促进经由上述多个风扇叶片40的空气流。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外机舱50，其周向地包绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应当认识到的是，机舱50可构造成用以由多个周向地隔开的出口导向翼片52相对于核心涡轮发动机16受到支承。此外，机舱50的下游区段54可延伸高于核心涡轮发动机16的外部部分以便在二者之间限定旁通空气流通道56。
在发动机10的操作期间，一定体积的空气58经由机舱50和/或风扇区段14的相关联入口60进入发动机10。随着该体积的空气58传送越过风扇叶片40，如由箭头62所示的空气58的第一部分被引导或输送到旁通空气流通道56中以及如由箭头64所示的空气58的第二部分被引导或输送到LP压缩机22中。第一部分的空气62和第二部分的空气64之间的比率通常称为旁通比率。第二部分空气64的压力于是随着其输送穿过高压（HP）压缩机24并进入燃烧系统26中而增大，在燃烧系统中该部分空气与燃料相混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66输送经过HP涡轮28，在其中来自燃烧气体66的一部分热能和/或动能经由联接至外部壳体18的HP涡轮定子翼片68和联接至HP轴或管轴34的HP涡轮转子叶片70的相继的级所提取，由此导致HP轴或管轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66然后输送经过LP涡轮30，在其中经由联接至外部壳体18的LP涡轮定子翼片72和联接至LP轴或管轴36的LP涡轮转子叶片74的相继的级从燃烧气体66中提取第二部分的热能和/或动能，由此导致LP轴或管轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后输送穿过核心涡轮发动机16的喷射排出喷嘴区段32以提供推进推力。同时，随着第一部分空气62在其从发动机10的风扇喷嘴排出区段76排出之前输送穿过旁通空气流通道56，第一部分空气62的压力显著增大，从而也提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30以及喷射排出喷嘴区段32至少部分地限定用于输送燃烧气体66穿过核心涡轮发动机16的热气体路径78。
将认识到的是，尽管是相对于具有核心涡轮发动机16的发动机10描述，但本主题可适用于其它类型的涡轮机械。例如，本主题可适于结合涡轮螺桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、工业和船用燃气涡轮发动机，和/或辅助动力单元或在其中使用。
图2提供根据本主题的示例性实施例的燃烧器组件95（例如，用于在图1的燃气涡轮发动机10的燃烧系统26中使用）的示意性截面视图。如在图2中所示，燃烧器组件95限定前端201和后端211。燃烧器组件95还包括环形内衬套202和环形外衬套204。内衬套202通常沿着轴向方向A在上游端206和下游端208之间延伸。相似地，外衬套204通常沿着轴向方向A在上游端210和下游端212之间延伸。
燃烧器穹顶214通常沿着径向方向R在内衬套202的上游端206和外衬套204的上游端210之间延伸。如在图2中所示，内衬套202、外衬套204以及燃烧器穹顶214限定在其之间的燃烧室116。在一些实施例中，燃烧器穹顶214与内衬套202形成一体，也即，内衬套202和燃烧器穹顶214一体地形成为单件结构，但在其它实施例中，燃烧器穹顶214与外衬套204形成一体，也即，外衬套204和燃烧器穹顶214一体地形成为单件结构。在还有的其它实施例中，燃烧器穹顶214与内衬套202和外衬套204单独地形成，或者在另有的其它实施例中，燃烧器穹顶214与内和外衬套202、204二者一体地形成，例如，燃烧器穹顶214的至少第一部分可与内衬套202形成一体以及燃烧器穹顶214的至少第二部分可与外衬套204形成一体。燃烧器穹顶214可由任何适合材料形成，例如，CMC材料或者诸如金属或金属合金的金属材料。
另外，燃烧器组件95包括燃料喷嘴100，其在燃料喷嘴100的出口端219处限定燃料喷嘴出口220。主混合器或旋流器组件290如在下文更为详细描述那样围绕燃料喷嘴出口220延伸。燃料喷嘴100设置成穿过燃烧器穹顶214，使得燃料喷嘴出口220设置在燃烧器组件95的前端201处或附近以引导燃料-氧化剂混合物到燃烧室116中。更具体地，示例性燃料喷嘴100为构造成用以注入液体烃燃料到燃烧器组件95的空气气流中的类型。燃料喷嘴100为“分级式”类型，意味着它能够操作以有选择地经由两个或多个分立的级注入燃料，其中每个级均由燃料喷嘴100内的单独燃料流动路径限定。例如，燃料喷嘴100可限定先导燃料回路228、230中的一个或多个和主燃料回路236中的一个或多个。
燃料流率（或流动速率）可在级的每个内是可变的。在图2中所描绘的示例性实施例中，燃料喷嘴100连接至燃料系统222，其能够操作以根据操作需要按变化的流率供给液体燃料流。燃料系统222供给燃料至先导控制阀224，该先导控制阀联接至先导燃料导管226，其继而供给燃料至先导供给管线227。在各种实施例中，例如关于图3所示，先导供给管线227可在燃料喷嘴100内进一步再分成第一先导供给管线228和第二先导供给管线230。第一先导供给管线228经由燃料注入端口127提供燃料或燃料-氧化剂混合物流至燃烧室116，如关于图3进一步所述。第二先导供给管线230经由第二燃料注入端口129提供燃料或燃料-氧化剂混合物流至燃烧室116，例如关于图3进一步所述。在第一先导供给管线228或第二先导供给管线230中的一个或多个内可设置燃料喷雾器。在各种实施例中，燃料喷雾器可限定压力旋涡式喷雾器、双孔洞喷雾器、普通或空气辅助喷管（jet），或者燃料注入的其它适合方法。
在还有的其它实施例中，先导供给管线227可进一步再分成第三或更多先导供给管线。燃料系统222还供给燃料至主阀232，该主阀联接至主燃料导管234，其继而供给燃料喷嘴100的主燃料回路。在各种实施例中，主燃料回路可进一步再分成引出燃料到燃烧室116中的两个或更多主燃料回路管线。
现在参看图3，总体上提供燃料喷嘴100的一部分的截面视图。燃料喷嘴100总体上限定至少双级燃料喷嘴。例如，燃料喷嘴100包括至少一个先导燃料回路和至少一个主燃料回路。一般来讲，先导燃料回路引出燃料或燃料-氧化剂混合物到燃烧室116中以便实现或促进点燃和低功率操作（例如，次空转状况、空转状况、中等功率或部分负载操作等）。先导燃料回路还可调节或以其它方式影响燃烧排放物、模式因子（pattern factor），以及动态特性。燃烧动态特性，例如低频声学特性或低“轰鸣”，可导致不期望的振动和声学噪音，其可损坏燃料喷嘴100、燃烧器组件95，以及发动机10。此外，声学噪音可导致人体不适，直到和包括在耐受足够时间期间的情况下的听力损伤或听力损失。
主燃料回路通常可在一种或多种中等功率或高功率或全负载状况下提供燃料或燃料-氧化剂混合物至燃烧室116，以便提供至多最大总体燃料-空气比至燃烧室116。
燃料喷嘴100包括共同限定燃料喷嘴通道123的内壁120和外壁110。在各种实施例中，来自压缩机22、24的氧化剂64的总流量的50%或更少进入燃烧系统26的多个燃料喷嘴100。氧化剂流83从上游端99经由燃料喷嘴通道123朝向燃烧室116引出。图3中所描绘的氧化剂流83通常为从压缩机22、24进入燃烧系统26中的氧化剂64（例如，压缩空气）流的至少一部分。在各种实施例中，经由燃料喷嘴100供给氧化剂以与来自先导供给管线227（图2）中的一个或多个的燃料相混合的氧化剂流83为从压缩机22、24进入燃烧系统26的氧化剂64的总流量的25%或更少。
内壁120和外壁110共同限定从第一半径101至小于第一半径101的第二半径102的燃料喷嘴通道123的定制轮廓部分125。例如，第一半径101可通常限定相对于外壁110的外部第一半径101（a）和相对于内壁120的内部第一半径101（b）。第二半径102可通常限定相对于外壁110的外部第二半径102（a）和相对于内壁120的内部第二半径102（b）。每个半径101、102均相对于延伸穿过每个燃料喷嘴100的喷嘴中心线13并且沿着远离喷嘴中心线13延伸的径向方向R2限定。
内壁120通常限定为围绕喷嘴中心线13并且沿着轴向方向A延伸的圆柱形，以便限定燃料或燃料-氧化剂混合物经由其流动的中心体。内壁120限定经由其与燃料喷嘴通道123成流体连通的燃料注入端口127。燃料注入端口127可限定为穿过内壁120的围绕喷嘴中心线13周向地布置的多个分立开口。燃料注入端口127还限定穿过内壁120的长轴尺寸或直径128。因此，将应理解，燃料注入端口127可限定穿过内壁120的圆形截面区域或者椭圆形、卵形或者长圆形截面区域，以便限定长轴和小于长轴的短轴。如在文中进一步描述，燃料注入端口127的长轴尺寸或直径128可提供用于沿着燃料喷嘴通道123限定远离燃料注入端口127的长度或距离的参考基准。
燃料喷嘴100还限定设置成与喷嘴中心线13大体上同心的第二燃料注入端口129。在各种实施例中，双孔洞喷雾器或压力旋涡式喷雾器限定成沿着与燃料注入端口127和第二燃料注入端口129中的一个或两者成流体连通的先导燃料回路。第二燃料注入端口129可通常提供燃料或燃料-氧化剂混合物的大体锥形喷雾到燃烧室116中。
现在参看图7，总体上提供描画操作燃气涡轮发动机的燃烧系统以减缓低频燃烧声学特性的方法（在下文称为“方法1000”）的示例性步骤的流程图。方法1000可关于大体上在图1至图6中示出和提供的发动机10和燃料喷嘴100执行。然而，应当认识到的是，方法1000可在大体上限定先导燃料回路和燃料-氧化剂混合通道的燃料喷嘴中采用和实施。更进一步地，尽管方法1000通常以某一顺序提供，但应当认识到的是，方法1000的步骤可在不从本公开内容的范围移除的情况下重新排序、重新布置、重排顺序、增加，或者移除。
共同地参看图1至图7，方法1000包括在1010使氧化剂83流动经过由内壁120和外壁110限定的燃料喷嘴通道123，例如关于图1至图2所示和描述。
方法1000还包括在1020使氧化剂83在燃料注入端口127的上游在内壁120处相对于外壁110以较高轴向速度流动，例如大体上关于图3至图6所示和描述。在各种实施例中，使氧化剂83在内壁120处以较高的轴向速度流动限定氧化剂流83的近似最大轴向速度。在一个实施例中，氧化剂83在内壁120处的最大轴向速度为氧化剂83在外壁110处的轴向速度的近似两倍。在又一实施例中，在内壁120处相对于外壁110的较高轴向速度处于燃料注入端口127的上游并且在多个翼片130（诸如例如在下文进一步描述的多个旋涡式翼片）的下游。更进一步地，在内壁120处相对于外壁110的较高轴向速度处于接近多个翼片130的后缘134的第二截面区域132（例如关于图3至图6中所述）的下游。
更具体地，使氧化剂83在内壁120处以较高轴向速度流动限定在燃料注入端口127的上游计燃料注入端口127的近似八个直径长度。例如，直径长度至少基于穿过内壁120的燃料注入端口127的喷管或开口的直径限定。直径长度为穿过内壁120的燃料注入端口127的喷管或开口的直径值，大体上沿着轴向方向A作为沿着燃料喷嘴通道123的内壁120的距离的测量单位，等于燃料注入端口127的主轴或直径128。因此，在一个实施例中，使氧化剂83在内壁120处以较高轴向速度流动限定在燃料喷嘴通道123的从内壁120至外壁110的区域126内，该区域大体上对应于燃料喷嘴通道123的与沿着燃料喷嘴通道123从燃料注入端口127向上游至燃料注入端口127的主轴或直径128的近似八倍的距离相对应的部分。更加具体地，在其中使氧化剂83在内壁120处以较高轴向速度流动的燃料喷嘴通道123的区域126是相对于外壁110的近似垂直于内壁120的部分而言的，该部分对应于沿着燃料喷嘴通道123从燃料注入端口127向上游为燃料注入端口127的近似八个直径长度的距离。在燃料喷嘴100和方法1000的另一实施例中，区域126限定在远离穿过内壁120限定的燃料注入端口127的近似四个直径长度内。
在1020的步骤的还有的各种实施例中，使氧化剂83流动还可限定使氧化剂83在燃料注入端口127的上游近似在内壁120处相对于外壁110以较低切向速度流动。例如，使氧化剂83在内壁120处相比于外壁110以较低切向速度（也即，相对于喷嘴中心线13沿着周向方向的较低速度）流动包括使氧化剂83在例如此前描述的燃料喷嘴通道123的区域126内以较低切向速度流动。
在又一实施例中，使氧化剂83流动经过燃料喷嘴通道123还可包括使氧化剂83以与来自发动机10的压缩机22、24（图1）的氧化剂64的总流量的40%或更小相对应的轴向速度（也即，大体上沿着轴向方向A的速度）流动。例如，氧化剂83穿过燃料喷嘴通道123以便限定期望较高轴向速度、较低切向速度或者两者的流动（例如关于在1010和1020的步骤所述）可为进入燃烧系统26的燃烧室116的氧化剂64的总流量的4%至25%或更小。
文中所述的燃料喷嘴100和方法1000的步骤1010和1020的各种实施例可限定燃料喷嘴通道123，或者更具体地限定燃料喷嘴通道123的定制轮廓部分125用以从第一半径101减小至第二半径102以便在例如文中所述的区域126内提供氧化剂流83的较高轴向速度。燃料喷嘴通道123的定制轮廓部分125还可限定为更具体地相比于外壁110在内壁120处提供氧化剂流83的较高轴向速度。在还有的各种实施例中，燃料喷嘴通道123的定制轮廓部分125还可限定为在其中限定的区域126内在内壁120处提供氧化剂流83的较高轴向速度，在其中较高轴向速度限定相比于外壁110在内壁120处为近似两倍的最大轴向速度。
在文中所述的燃料喷嘴100和方法1000的步骤1010和1020的还有的各种实施例中，燃料喷嘴通道123或者更具体为其定制轮廓部分125限定相比于外壁110在内壁120处的氧化剂流的较低切向速度。在一个实施例中，在内壁120处的氧化剂流的较低切向速度为在外壁110处的氧化剂流的切向速度的近似一半。更进一步地，氧化剂流83的较低切向速度可限定在文中所述的区域126内。
方法1000还包括在1030使燃料流动经过燃料注入端口127至燃料喷嘴通道123以与氧化剂流83混合来产生燃料-氧化剂混合物85。例如，使燃料流动经过燃料注入端口127包括使燃料流动经过内壁120到燃料喷嘴通道123中。在各种实施例中，使燃料流动还包括使燃料经过第二燃料注入端口129流动至燃烧室116。方法1000还包括在燃料注入端口127的下游（例如，朝向下游端98）点燃燃料-氧化剂混合物。更进一步地，在各种实施例中，使燃料流动经过燃料注入端口127、129提供大体上沿着氧化剂流83的轴向方向A的燃料的近似锥形喷雾。甚至更进一步地，使燃料流动经过燃料注入端口127、129还可包括使燃料经过限定在内壁120内的双孔洞喷雾器或压力旋涡式喷雾器流动。
在1050，方法1000还可包括在燃料喷嘴通道123处介于限定在外壁110处的喉部111和限定在外壁110的下游端112处邻近燃烧室116的出口平面114之间生成前停滞点。生成前停滞点通常至少是基于使氧化剂83以较高轴向速度流动（例如关于步骤1010、1020所述）并且在1030提供燃料，以及在步骤1040点燃燃料-氧化剂混合物85。
在各种实施例中，由外壁110限定的喉部111限定沿着燃料喷嘴通道123的最小截面区域。喉部111通常限定在燃料注入端口127的下游。在各种实施例中，喉部111也可限定在第二燃料注入端口129的下游。在还有的各种实施例中，喉部111可限定在每个燃料注入端口127、129的下游。前停滞点大体上限定在参考平面113和出口平面114之间，其中参考平面限定在喉部111处远离喷嘴中心线13沿着径向方向R2延伸，以及出口平面限定在外壁110的下游端112处远离喷嘴中心线13沿着径向方向R2延伸。
介于在喉部111处的参考平面113和出口平面114之间限定的前停滞点通常限定沿着燃料喷嘴通道123的一个或多个点，在该一个或多个点处流体（例如，燃料-氧化剂混合物85）流的局部速度接近喷嘴中心线13为近似零。燃料-氧化剂混合物85的再循环区可大体上限定在前停滞点处，以便通过在喉部111和出口平面114之间限定前停滞点来改善低频动态特性。
方法1000还可包括在1060确定横跨燃料喷嘴通道123的压力变化。更进一步地，方法1000还可包括在1070基于横跨燃料喷嘴通道123的所确定的压力变化在内壁120和外壁110处形成定制轮廓部分125燃料喷嘴通道123。确定横跨燃料喷嘴通道123的压力变化可大体上限定燃料喷嘴100的总体大小。燃料喷嘴100的总体大小可大体上限制穿过燃料喷嘴通道123的氧化剂流83的总体最大轴向速度和/或切向速度。因此，诸如关于燃料喷嘴100限定的结构以及限定燃料喷嘴100的结构的方法1000实现减缓或消除因燃料-氧化剂混合物85的燃烧引起的燃烧动态特性，例如低频轰鸣（例如，介于60Hz和200Hz之间的频率）。文中总体上提供的燃料喷嘴100和方法1000的实施例分配最大轴向速度、最小切向速度或者两者，以便减缓或消除不期望的燃烧动态特性，否则其可损坏或损害燃烧器组件95和发动机10的操作。
现在参看图4至图6，总体上提供大体上在图3中示出的燃料喷嘴100的部分的透视图。参看图3至图6，燃料喷嘴100还可包括环绕喷嘴中心线13成邻近周向布置的多个翼片130。每个翼片130在燃料注入端口127的上游（也即，朝向上游端99）介于内壁120和外壁110之间延伸。每对邻近的翼片130限定周向地在二者之间接近前缘133的第一截面区域131（也即，接近上游端99的翼片130的部分）和接近后缘134的第二截面区域132（也即，接近下游端98的翼片130的部分）。第二截面区域132不同于第一截面区域131。
在各种实施例中，多个翼片130相对于喷嘴中心线13至少部分地沿着周向方向、切向方向或者两者延伸。例如，前缘133或第一截面区域131设置成相对于后缘134或第二截面区域132沿着周向方向或者切向方向偏移。在一个实施例中，例如大体上在图6中所示，通过使翼片130沿着周向方向C或者切向方向或者两者从前缘133至后缘134至少部分地延伸所生成的偏移防止沿着轴向方向A“看穿”。例如，参看从上游端99朝向下游端98观察的图6，多个翼片130使后缘134延伸至相对于喷嘴中心线13的不同于前缘133的周向位置以便至少部分地遮掩第二截面区域134免于相对于第一截面区域132沿着向下游的方向看到。作为一个实例，翼片130可遮掩第二截面区域134免于相对于第一截面区域132沿着向下游的方向看到至少50%。作为另一实例，翼片130可遮掩第二截面区域134免于相对于第一截面区域132沿着向下游的方向看到至少90%。作为又一实例，仍参看从上游端99朝向下游端98观察的图6，第二截面区域132可大体上或近似完全地由相对于喷嘴中心线13沿着切向或周向方向C从每个翼片130的前缘133至后缘134延伸的翼片130遮掩。
仍参看图3至图6，限定第一半径101的定制轮廓部分125近似限定在第二截面区域132处。限定第二半径102的定制轮廓部分125近似限定在穿过内壁120的燃料注入端口127处。
第一截面区域131和第二截面区域132的各种实施例可包括矩形截面、圆形截面、椭圆形、卵形或者长圆形截面区域，或者多边形截面区域中的一个或多个组合。第一截面区域131和第二截面区域132还可限定相对于彼此的较大或较小截面区域。在还有的各种实施例中，多个翼片130可大体上限定在步骤1060所确定的压力变化或压力损失。在第二截面区域132处的压力变化还可限定燃料喷嘴通道123的定制轮廓部分125以便将氧化剂流83的较高轴向速度分配在内壁120而不是外壁110处。在第二截面区域132处的压力变化可更进一步地限定定制轮廓部分125以便将氧化剂流83的较低切向速度分配在内壁120而不是外壁110处。
如文中所述，氧化剂流83的轴向速度和切向速度可通常限定介于内壁120和外壁110之间的梯度。例如，梯度可从内壁120大体上垂直于相对的外壁110（或备选地，从外壁110至相对的内壁120）限定。梯度可近似在内壁120处限定氧化剂流83的轴向速度，其限定氧化剂流83的最大轴向速度。梯度还可大体上较为靠近或更加接近外壁110限定氧化剂流83的轴向速度，其限定氧化剂流的较小轴向速度。
梯度还可近似在内壁120处限定氧化剂流83的切向速度，其限定氧化剂流的最小或最低切向速度。梯度还可大体上较为靠近或更加接近外壁110限定氧化剂流83的切向速度，其限定氧化剂流的通常较大的切向速度。
应当认识到的是，在内壁120和外壁110之间的氧化剂流83的速度梯度可在二者之间非线性地限定。更进一步地，应当认识到的是，在内壁120处的最大轴向速度或者在内壁120处的最小或最低切向速度，或者相对于内壁120或外壁110的速度的其它定义可理解为从相应的壁（例如，内壁120、外壁110）并沿着垂直方向进入燃料喷嘴通道123中达到位于内壁120和外壁110之间总体距离的10%或更小距离限定。例如，参看图3，区域126可限定从内壁120朝向外壁110垂直地延伸到燃料喷嘴通道123中的部分136，其限定介于外壁110和内壁120之间的区域的高达10%。作为另一实例，区域126可限定从外壁110朝向内壁120垂直地延伸到燃料喷嘴通道123中的部分，其限定介于内壁120和外壁110之间的区域的高达10%。
在总体上提供的燃料喷嘴100和方法1000的各种实施例中，低频声学特性或低轰鸣可在穿过燃料喷嘴通道123的氧化剂流83的一个或多个流率或流动状况下减缓。例如，在一个实施例中，低频声学特性或低轰鸣可在以下状况下减缓，也即在该状况中进入燃烧室116的氧化剂64的总流量的4%至25%或更少穿过燃料喷嘴通道123进入燃料喷嘴100的先导部分。
本书面描述使用实例来公开包括最佳方式的本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明可取得专利的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。如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差异的同等结构元件，则认为它们处在权利要求的范围内。
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Claims (20)

1.一种操作燃气涡轮发动机的燃烧系统以减缓低频燃烧声学特性的方法，所述方法包括：
使氧化剂流动经过限定内壁和外壁的燃料喷嘴通道，其中，所述内壁和所述外壁中的每个均定制轮廓成从第一半径至小于所述第一半径的第二半径；
使所述氧化剂在燃料注入端口的上游在所述内壁处相对于所述外壁以较高轴向速度流动；
使燃料流动经过所述燃料注入端口至所述燃料喷嘴通道以与所述氧化剂流混合来产生燃料-氧化剂混合物；
在所述燃料注入端口的下游点燃所述燃料-氧化剂混合物；以及
至少基于使所述氧化剂以所述较高轴向速度流动，在所述燃料喷嘴通道处生成前停滞点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前停滞点在所述燃料喷嘴通道处介于限定在所述外壁之间的喉部，以及其中，所述前停滞点在限定在所述外壁的下游端处邻近燃烧室的出口平面的上游。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定横跨所述燃料喷嘴通道的压力变化；以及
基于横跨所述燃料喷嘴通道的所确定的压力变化形成所述内壁和所述外壁的轮廓。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述燃料流动经过所述燃料注入端口包括使所述燃料流动经过限定成穿过所述内壁的燃料注入端口。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂在所述内壁处以所述较高轴向速度流动限定所述氧化剂流的最大轴向速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述内壁处所述氧化剂的最大轴向速度为在所述外壁处所述氧化剂的轴向速度的两倍。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂在所述内壁处以所述较高轴向速度流动限定在所述燃料注入端口的上游计所述燃料注入端口的八个直径长度或更小。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂在所述内壁处以所述较高轴向速度流动是相对于所述外壁的近似垂直于所述内壁的区域而言的，所述区域对应于在所述燃料注入端口的上游的等于所述燃料注入端口的八个直径长度或更小的距离。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使燃料流动经过所述燃料注入端口大体上沿着氧化剂流的轴向方向提供燃料的近似锥形喷雾。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述燃料流动经过所述燃料注入端口还包括使燃料穿过双孔洞喷雾器流动。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述燃料流动经过所述燃料注入端口还包括使燃料穿过压力旋涡式喷雾器流动。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂流动还在所述燃料注入端口的上游近似在所述内壁处相对于所述外壁限定较低切向速度。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使氧化剂流动经过所述燃料喷嘴通道包括使所述氧化剂以与从所述发动机的压缩机进入燃烧室的氧化剂的流量的4%至25%对应的轴向速度流动。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使氧化剂流动经过所述燃料喷嘴通道包括使所述氧化剂以与所述燃气涡轮发动机的空转状况或更低功率状况对应的轴向速度流动。
15.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统，所述燃烧系统包括：
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括共同限定燃料喷嘴通道的内壁和外壁，氧化剂穿过所述燃料喷嘴通道朝向燃烧室流动，其中，所述内壁和所述外壁共同限定从第一半径至小于所述第一半径的第二半径的定制轮廓部分，以及进一步地其中，所述内壁限定穿过其与所述燃料喷嘴通道成流体连通的燃料注入端口，以及其中，所述外壁限定在所述燃料喷嘴通道处的喉部和在所述外壁的下游端处邻近所述燃烧室的出口平面，以及其中，所述燃料喷嘴在所述喉部和所述出口平面之间限定所述氧化剂流的前停滞点。
16.根据权利要求15所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料喷嘴还包括：
围绕燃料喷嘴中心线成邻近的周向布置的多个翼片，其中，每个翼片在所述燃料注入端口的上游介于所述内壁和所述外壁之间延伸，以及其中，每一对翼片限定周向地在二者之间接近前缘的第一截面区域和接近后缘的不同于所述第一截面区域的第二截面区域。
17.根据权利要求16所述的燃烧系统，其特征在于，所述多个翼片相对于所述燃料喷嘴中心线至少部分地沿着周向方向、切向方向或者两者延伸。
18.根据权利要求17所述的燃烧系统，其特征在于，所述多个翼片使所述后缘延伸至相对于所述喷嘴中心线的不同于所述前缘的周向位置以便至少部分地遮掩所述第二截面区域免于相对于所述第一截面区域沿着向下游的方向看到。
19.根据权利要求15所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料注入端口设置在由所述外壁限定的所述喉部的上游。
20.根据权利要求15所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料喷嘴通道限定在所述燃料注入端口上游的八个直径长度内的区域，在所述区域处，相对于所述外壁的垂直于所述内壁而言氧化剂流在所述内壁处限定较高轴向速度，其中，所述直径长度基于所述燃料注入端口的喷管或开口的直径限定。
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