CN111197764A - 环形同心燃料喷嘴组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及环形同心燃料喷嘴组件。大体上提供了一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。燃料喷嘴包括外套筒，其围绕燃料喷嘴中心线沿周向延伸并沿着与燃料喷嘴中心线基本上同方向的纵向方向延伸。外套筒相对于燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过外套筒的多个第一沿径向定向的空气入口端口。燃料喷嘴进一步包括定位在外套筒的径向内侧的中心体。中心体沿着与燃料喷嘴中心线基本上同方向的纵向方向延伸，并且其中中心体与燃料喷嘴中心线和外套筒同心。中心体相对于燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过中心体的多个第二沿径向定向的空气入口端口。中心体进一步在直接邻近于燃烧室的下游端处相对于燃料喷嘴中心线限定环形中心体凹槽或凹陷部。

Description

环形同心燃料喷嘴组件
技术领域
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机燃烧组件。更特别地，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
飞行器和工业燃气涡轮发动机包括燃烧器，燃料在燃烧器中燃烧以将能量输入到发动机循环。典型的燃烧器结合一个或多个燃料喷嘴，其功能是将液态或气态燃料引入到空气流中，使得燃料可雾化并燃烧。一般的燃气涡轮发动机燃烧设计标准包括优化燃料和空气的混合和燃烧以产生高能燃烧，同时使诸如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物和未燃烃的排放物最少，以及使部分地由于燃烧期间的压力振荡而引起的燃烧音(tone)最小。另外，一般的燃气涡轮发动机燃烧设计必须在全功率状况以及部分功率状况下产生燃气涡轮发动机的可操作性，而不会产生不合期望的排放物输出或压力振荡。
因此，存在对于如下的燃料喷嘴或燃烧组件的需要：该燃料喷嘴或燃烧组件可在全功率和部分功率状况下产生高能燃烧同时使排放物最少并使燃烧不稳定性最小。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而认识到。
本公开的方面涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。燃料喷嘴包括外套筒，该外套筒围绕燃料喷嘴中心线沿周向延伸，并且沿着与燃料喷嘴中心线基本上同方向的纵向方向延伸。外套筒相对于燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过外套筒的多个第一沿径向定向的空气入口端口。燃料喷嘴进一步包括定位在外套筒的径向内侧的中心体。中心体沿着与燃料喷嘴中心线基本上同方向的纵向方向延伸，并且其中中心体与燃料喷嘴中心线和外套筒同心。中心体相对于燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过中心体的多个第二沿径向定向的空气入口端口。中心体进一步在直接邻近于燃烧室的下游端处相对于燃料喷嘴中心线限定环形中心体凹槽或凹陷部。燃料喷嘴进一步包括内套筒，该内套筒围绕燃料喷嘴中心线沿周向延伸并且沿着与燃料喷嘴中心线基本上同方向的纵向方向延伸。内套筒沿径向定位在外套筒与中心体之间。内套筒进一步在直接邻近于燃烧室的下游端处相对于燃料喷嘴中心线限定环形内套筒凹陷部。外套筒和内套筒一起限定第一燃料空气混合通路，该第一燃料空气混合通路沿径向在外套筒与内套筒之间，并且基本上沿着纵向方向延伸以与燃烧室成直接流体连通。内套筒和中心体一起进一步限定第二燃料空气混合通路，该第二燃料空气混合通路沿径向在内套筒与中心体之间，并且基本上沿着纵向方向延伸以与燃烧室成直接流体连通。
在一个实施例中，第一燃料空气混合通路在外套筒与内套筒之间围绕燃料喷嘴中心线沿周向延伸。
在另一实施例中，第二燃料空气混合通路在内套筒与中心体之间围绕燃料喷嘴中心线沿周向延伸。
在多种实施例中，外套筒、内套筒和中心体一起相对于燃料喷嘴中心线成同心布置。在一个实施例中，第一燃料空气混合通路和第二燃料空气混合通路相对于燃料喷嘴中心线成同心布置。
在另外的多种实施例中，燃料喷嘴进一步包括定位在燃料喷嘴的上游端处的端壁，其中端壁联接到外套筒、内套筒和中心体。在一个实施例中，端壁限定与第一燃料空气混合通路成流体连通的第一燃料喷射端口，其中端壁构造成经由第一燃料喷射端口来向第一燃料空气混合通路提供燃料的流。在另一实施例中，多个第一沿径向定向的空气入口端口被限定成正好(directly)在第一燃料喷射出口开口的径向外侧，该第一燃料喷射出口开口被限定在第一燃料喷射端口处以与第一燃料空气混合通路成直接流体连通。在另外的另一实施例中，第一燃料喷射端口基本上沿着纵向方向延伸。
在另外的多种实施例中，端壁限定与第二燃料空气混合通路成流体连通的第二燃料喷射端口，其中端壁构造成经由第二燃料喷射端口来向第二燃料空气混合通路提供燃料的流。在一个实施例中，多个第二沿径向定向的空气入口端口被限定成正好在第二燃料喷射出口开口的径向内侧，该第二燃料喷射出口开口被限定在第二燃料喷射端口处以与第二燃料空气混合通路成直接流体连通。在另一实施例中，第二燃料喷射端口基本上沿着纵向方向延伸。
在一个实施例中，中心体限定基本上沿径向定向的中心体燃料喷射端口，该中心体燃料喷射端口构造成向第二燃料空气混合通路提供燃料的横流射流。
在另一实施例中，中心体限定基本上沿纵向定向的中心体燃料喷射端口，该中心体燃料喷射端口构造成向燃烧室提供燃料的基本上纵向的流。
在另外的另一实施例中，内套筒相对于燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过内套筒的多个第三沿径向定向的空气入口端口。
在又一实施例中，第一燃料空气混合通路在第一燃料空气混合通路的直接邻近于燃烧室的下游端处限定第一出口高度，其中第一出口高度在外套筒的内表面与内套筒的外表面之间，并且此外，其中第一出口高度在大致0.25厘米与大致0.90厘米之间。
在另外的又一实施例中，第二燃料空气混合通路在第二燃料空气混合通路的直接邻近于燃烧室的下游端处限定第二出口高度，其中第二出口高度在内套筒的内表面与中心体的外表面之间，并且此外，其中第二出口高度在大致0.25厘米与大致0.90厘米之间。
在一个实施例中，环形中心体凹陷部限定进入中心体的基本上半圆形横截面的中心体凹陷部。
在另一实施例中，环形内套筒凹陷部限定进入内套筒的基本上半圆形横截面的凹陷部。
本公开的另一方面涉及一种燃气涡轮发动机，其包括燃烧区段，该燃烧区段包括限定燃烧室的燃烧器组件。燃烧区段进一步包括邻近于燃烧室而设置的燃料喷嘴，该燃料喷嘴构造成向燃烧室提供燃料的流。
技术方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括：
外套筒，其围绕燃料喷嘴中心线沿周向延伸并沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的纵向方向延伸，其中所述外套筒相对于所述燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过所述外套筒的多个第一沿径向定向的空气入口端口；
中心体，其定位在所述外套筒的径向内侧，其中所述中心体沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的所述纵向方向延伸，并且其中所述中心体与所述燃料喷嘴中心线和所述外套筒同心，并且此外，其中所述中心体相对于所述燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过所述中心体的多个第二沿径向定向的空气入口端口，并且其中所述中心体在直接邻近于燃烧室的下游端处相对于所述燃料喷嘴中心线限定环形中心体凹陷部；以及
内套筒，其围绕所述燃料喷嘴中心线沿周向延伸并沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的所述纵向方向延伸，其中所述内套筒沿径向定位在所述外套筒与所述中心体之间，并且其中所述内套筒在直接邻近于所述燃烧室的所述下游端处相对于所述燃料喷嘴中心线限定环形内套筒凹陷部；
其中所述外套筒和所述内套筒一起限定第一燃料空气混合通路，所述第一燃料空气混合通路沿径向在所述外套筒与所述内套筒之间，并且基本上沿着所述纵向方向延伸以与所述燃烧室成直接流体连通，并且此外，其中所述内套筒和所述中心体一起限定第二燃料空气混合通路，所述第二燃料空气混合通路沿径向在所述内套筒与所述中心体之间，并且基本上沿着所述纵向方向延伸以与所述燃烧室成直接流体连通。
技术方案2. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一燃料空气混合通路在所述外套筒与所述内套筒之间围绕所述燃料喷嘴中心线沿周向延伸。
技术方案3. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第二燃料空气混合通路在所述内套筒与所述中心体之间围绕所述燃料喷嘴中心线沿周向延伸。
技术方案4. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述外套筒、所述内套筒和所述中心体一起相对于所述燃料喷嘴中心线成同心布置。
技术方案5. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一燃料空气混合通路和所述第二燃料空气混合通路相对于所述燃料喷嘴中心线成同心布置。
技术方案6. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴进一步包括：
定位在所述燃料喷嘴的上游端处的端壁，其中所述端壁联接到所述外套筒、所述内套筒和所述中心体。
技术方案7. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述端壁限定与所述第一燃料空气混合通路成流体连通的第一燃料喷射端口，其中所述端壁构造成经由所述第一燃料喷射端口来向所述第一燃料空气混合通路提供燃料的流。
技术方案8. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述多个第一沿径向定向的空气入口端口被限定成正好在第一燃料喷射出口开口的径向外侧，所述第一燃料喷射出口开口被限定在所述第一燃料喷射端口处以与所述第一燃料空气混合通路成直接流体连通。
技术方案9. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一燃料喷射端口基本上沿着所述纵向方向延伸。
技术方案10. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述端壁限定与所述第二燃料空气混合通路成流体连通的第二燃料喷射端口，其中所述端壁构造成经由所述第二燃料喷射端口来向所述第二燃料空气混合通路提供燃料的流。
技术方案11. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述多个第二沿径向定向的空气入口端口被限定成正好在第二燃料喷射出口开口的径向内侧，所述第二燃料喷射出口开口被限定在所述第二燃料喷射端口处以与所述第二燃料空气混合通路成直接流体连通。
技术方案12. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第二燃料喷射端口基本上沿着所述纵向方向延伸。
技术方案13. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述中心体限定基本上沿径向定向的中心体燃料喷射端口，所述中心体燃料喷射端口构造成向所述第二燃料空气混合通路提供燃料的横流射流。
技术方案14. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述中心体限定基本上沿纵向定向的中心体燃料喷射端口，所述中心体燃料喷射端口构造成向所述燃烧室提供燃料的基本上纵向的流。
技术方案15. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述内套筒相对于所述燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过所述内套筒的多个第三沿径向定向的空气入口端口。
技术方案16. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一燃料空气混合通路在所述第一燃料空气混合通路的直接邻近于所述燃烧室的所述下游端处限定第一出口高度，其中所述第一出口高度在所述外套筒的内表面与所述内套筒的外表面之间，并且此外，其中所述第一出口高度在大致0.25厘米与大致0.90厘米之间。
技术方案17. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第二燃料空气混合通路在所述第二燃料空气混合通路的直接邻近于所述燃烧室的所述下游端处限定第二出口高度，其中所述第二出口高度在所述内套筒的内表面与所述中心体的外表面之间，并且此外，其中所述第二出口高度在大致0.25厘米与大致0.90厘米之间。
技术方案18. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述环形中心体凹陷部限定进入所述中心体的基本上半圆形横截面的中心体凹陷部。
技术方案19. 根据任意前述技术方案所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述环形内套筒凹陷部限定进入所述内套筒的基本上半圆形横截面的凹陷部。
技术方案20. 一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：
燃烧区段，其包括限定燃烧室的燃烧器组件，并且其中所述燃烧区段进一步包括邻近于所述燃烧室而设置的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴构造成向所述燃烧室提供燃料的流，其中所述燃料喷嘴包括：
外套筒，其围绕燃料喷嘴中心线沿周向延伸并沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的纵向方向延伸，其中所述外套筒相对于所述燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过所述外套筒的多个第一沿径向定向的空气入口端口；
中心体，其定位在所述外套筒的径向内侧，其中所述中心体沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的所述纵向方向延伸，并且其中所述中心体与所述燃料喷嘴中心线和所述外套筒同心，并且此外，其中所述中心体相对于所述燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过所述中心体的多个第二沿径向定向的空气入口端口，并且其中所述中心体在直接邻近于燃烧室的下游端处相对于所述燃料喷嘴中心线限定环形中心体凹陷部；以及
内套筒，其围绕所述燃料喷嘴中心线沿周向延伸并沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的所述纵向方向延伸，其中所述内套筒沿径向定位在所述外套筒与所述中心体之间，并且其中所述内套筒在直接邻近于所述燃烧室的所述下游端处相对于所述燃料喷嘴中心线限定环形内套筒凹陷部；
其中所述外套筒和所述内套筒一起限定第一燃料空气混合通路，所述第一燃料空气混合通路沿径向在所述外套筒与所述内套筒之间，并且基本上沿着所述纵向方向延伸以与所述燃烧室成直接流体连通，并且此外，其中所述内套筒和所述中心体一起限定第二燃料空气混合通路，所述第二燃料空气混合通路沿径向在所述内套筒与所述中心体之间，并且基本上沿着所述纵向方向延伸以与所述燃烧室成直接流体连通。
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、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成其部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且充分的公开，在附图中：
图1是结合燃料喷嘴和燃烧器组件的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面视图；
图2是图1中所显示的示例性发动机的燃烧器组件的示例性实施例的轴向横截面视图；
图3是根据本公开的方面的燃料喷嘴的示例性实施例的透视图；
图4是关于图3而提供的燃料喷嘴的剖面透视图；
图5是根据本公开的方面的燃料喷嘴的实施例的纵向横截面视图；
图6是根据本公开的方面的燃料喷嘴的实施例的流径视图；以及
图7是包括根据本公开的方面的燃料喷嘴的示例性实施例的图2的燃烧器组件的环形截面的部分的流径视图。
本说明书和附图中的参考字符的重复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各个示例作为本发明的阐释而非本发明的限制来提供。事实上，对于本领域技术人员而言将为明显的是，可在本发明中作出多种修改和变型而不会脱离本发明的范围或精神。例如，示出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另外的其它实施例。因此，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
如本文中所使用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用，以将一个构件与另一构件区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
用语“上游”和“下游”指代相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”指代流体所流自的方向，且“下游”指代流体所流至的方向。
大体上提供了燃料喷嘴的实施例，其可在全功率和部分功率状况下产生高能燃烧同时使排放物最少并使燃烧不稳定性最小。燃料喷嘴包括多个燃料空气混合通路，这些燃料空气混合通路限定同心、嵌套的预混合器环形空间，以便有益地在燃烧室处提供相对短、紧凑的火焰，以便减轻氮氧化物和其它排放物(例如未燃烃、烟、一氧化碳、二氧化碳等)的形成。燃料喷嘴限定液压直径，液压直径可进一步在燃烧室处提供相对短、紧凑的火焰，以便减轻氮氧化物和其它排放物的形成，同时合乎期望地满足有效流动面积目标。来自燃料喷嘴的在燃烧室处的较短、较紧凑的火焰可进一步实现纵向较短的燃烧器组件，同时与已知的燃烧区段相比而提供类似的或更多的能量输出。
现在参考附图，图1是如可结合本公开的多种实施例的示例性高旁通涡轮风扇喷气发动机10(其在本文中被称为“发动机10”)的示意性局部横截面侧视图。尽管在下面参考涡轮风扇发动机来进一步描述本公开，但本公开大体上也可适用于涡轮机，其包括涡轮喷气、涡轮螺旋桨和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括船用和工业涡轮发动机和辅助功率单元。如图1中所显示的那样，发动机10具有纵向或轴向中心线轴线12，中心线轴线12延伸通过发动机10以用于参考目的。大体上，发动机10可包括风扇组件14和设置在风扇组件14的下游的核心发动机16。
核心发动机16大体上可包括基本上管状的外壳18，外壳18限定环形入口20。外壳18以串行流的关系包封或至少部分地形成：具有增压或低压(LP)压缩机22、高压(HP)压缩机24的压缩机区段；燃烧区段26；包括高压(HP)涡轮28、低压(LP)涡轮30的涡轮区段；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)转子轴34将HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)转子轴36将LP涡轮30驱动地连接到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中所显示的那样，LP转子轴36可通过减速齿轮40(诸如以间接驱动或齿轮驱动构造)连接到风扇轴38。在其它实施例中，发动机10可进一步包括能够与中压(IP)轴一起旋转的中压压缩机和涡轮。
如图1中所显示的那样，风扇组件14包括多个风扇叶片42，多个风扇叶片42联接到风扇轴38且从风扇轴38沿径向向外延伸。环形风扇壳或机舱44沿周向环绕风扇组件14和/或核心发动机16的至少部分。在一个实施例中，机舱44可由多个沿周向隔开的出口导叶或支柱46相对于核心发动机16支承。此外，机舱44的至少部分可在核心发动机16的外部部分上延伸，以便在其之间限定旁通空气流通路48。
图2为如图1中所显示的核心发动机16的示例性燃烧区段26的横截面侧视图。如图2中所显示的那样，燃烧区段26大体上可包括环形类型的燃烧器50，燃烧器50具有环形内衬套52、环形外衬套54和在内衬套52的上游端58与外衬套54的上游端60之间沿径向延伸的隔板壁56。在燃烧区段26的其它实施例中，燃烧组件50可为筒或筒环形类型。如图2中所显示的那样，内衬套52相对于发动机中心线12(图1)与外衬套54沿径向隔开，并在其之间限定大体上环形的燃烧室62。在特定实施例中，内衬套52和/或外衬套54可至少部分地或全部由金属合金或陶瓷基质复合(CMC)材料形成。
如图2中所显示的那样，内衬套52和外衬套54可被包封在外壳64内。外流动通路66可围绕内衬套52和/或外衬套54限定。内衬套52和外衬套54可从隔板壁56朝向通往HP涡轮28(图1)的涡轮喷嘴或入口68而延伸，因此至少部分地在燃烧器组件50与HP涡轮28之间限定热气体路径。燃料喷嘴组件200(燃料喷嘴100)可至少部分地延伸通过隔板壁56并且向燃烧室62提供燃料-空气混合物72。
在发动机10的操作期间，如图1和图2中所共同显示的那样，如由箭头74示意性地指示的一定体积的空气通过机舱44和/或风扇组件14的相关联的入口76而进入发动机10。当空气74横穿风扇叶片42时，空气的如由箭头78示意性地指示的部分被引导或导送至旁通空气流通路48中，而空气的如由箭头80示意性地指示的另一部分被引导或导送至LP压缩机22中。当空气80通过LP压缩机22和HP压缩机24而朝向燃烧区段26流动时，空气80被逐渐压缩。如图2中所显示的那样，如由箭头82示意性地指示的现在的压缩空气流经压缩机出口导叶(CEGV)67并流过预扩散器65而进入燃烧区段26的扩散器腔或头端部分84。
预扩散器65和CEGV 67调节流至燃料喷嘴100的压缩空气82的流。压缩空气82对扩散器腔84加压。压缩空气82进入燃料喷嘴100并进入到燃料喷嘴100内的多个燃料喷射器100中以与燃料71混合。燃料71可为气态或液态燃料，其包括但不限于燃料油、喷气燃料丙烷、乙烷、氢气、焦炉气、天然气、合成气或其组合。燃料喷射器100在离开燃料喷嘴100的所得燃料-空气混合物72几乎没有旋流的情况下在燃料喷射器阵列内预混合燃料71和空气82。在燃料喷射器100内预混合燃料71和空气82之后，燃料-空气混合物72从多个燃料喷射器100中的各个燃烧为由各个燃料喷嘴100稳定的紧凑的管状火焰的阵列。
典型地，LP压缩机22和HP压缩机24向扩散器腔84提供比燃烧所需的压缩空气更多的压缩空气。因此，压缩空气82的如由箭头82(a)示意性地指示的第二部分可用于除燃烧之外的多种目的。例如，如图2中所显示的那样，压缩空气82(a)可被导送至外流动通路66中，以向内衬套52和外衬套54提供冷却。另外或在备选方案中，可将压缩空气82(a)的至少部分从扩散器腔84导送出。例如，压缩空气82(a)的部分可被引导通过多种流动通路，以向HP涡轮28或LP涡轮30中的至少一个提供冷却空气。
共同返回参考图1和图2，在燃烧室62中生成的燃烧气体86从燃烧器组件50流入HP涡轮28中，因此使HP转子轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。如图1中所显示的那样，燃烧气体86然后被导送通过LP涡轮30，因此使LP转子轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇轴38的旋转。燃烧气体86然后通过核心发动机16的喷气排气喷嘴区段32而排出以提供推进推力。
现在参考图3-7，大体上提供了燃料喷嘴100的示例性实施例。图3提供了燃料喷嘴100的实施例的透视图。图4提供了在图3中大体上描绘的燃料喷嘴100的实施例的剖面透视图。图5提供了燃料喷嘴100的另一实施例的横截面视图。图6-7提供了从燃料喷嘴100的下游看向上游的示例性横截面流径视图。图7提供了燃烧器组件50的示例性环形截面，其包括隔板壁56和延伸通过隔板壁56的多个燃料喷嘴100的环形截面。
参考图3-5，燃料喷嘴100限定通过燃料喷嘴100的参考燃料喷嘴中心线112。燃料喷嘴100包括围绕燃料喷嘴中心线112沿周向延伸的外套筒110。外套筒110进一步沿着与燃料喷嘴中心线112基本上同方向的纵向方向L延伸。外套筒110限定相对于燃料喷嘴中心线112沿着周向方向C布置的通过外套筒110的多个第一沿径向定向的空气入口端口113。
燃料喷嘴100进一步包括中心体120，该中心体120相对于燃料喷嘴中心线112沿着径向方向R定位在外套筒110的内侧。中心体120沿着与燃料喷嘴中心线112基本上同方向的纵向方向L延伸。中心体120与燃料喷嘴中心线112和外套筒110同心。中心体120进一步限定相对于燃料喷嘴中心线112沿着周向方向C布置的通过中心体120的多个第二沿径向定向的空气入口端口123。中心体120在燃料喷嘴100的直接邻近于燃烧室62的下游端98处相对于燃料喷嘴中心线112限定环形中心体凹槽或凹陷部127。
燃料喷嘴100进一步包括内套筒130，该内套筒130围绕燃料喷嘴中心线112沿着周向方向C延伸。内套筒130沿着与燃料喷嘴中心线112基本上同方向的纵向方向L延伸。内套筒130沿径向(即，沿着径向方向R)定位在外套筒110与中心体120之间。内套筒130在燃料喷嘴100的直接邻近于燃烧室62的下游端98处相对于燃料喷嘴中心线112限定环形内套筒凹槽或凹陷部137。
外套筒110和内套筒130一起沿着径向方向R在它们之间限定第一燃料空气混合通路115。第一燃料空气混合通路115基本上沿着纵向方向L延伸以与燃烧室62成直接流体连通。内套筒130和中心体120一起沿着径向方向R在它们之间限定第二燃料空气混合通路125。第二燃料空气混合通路125基本上沿着纵向方向L延伸以与燃烧室62成直接流体连通。
在一个实施例中，第一燃料空气混合通路115在外套筒110与内套筒130之间围绕燃料喷嘴中心线112沿着周向方向C延伸。在另一实施例中，第二燃料空气混合通路125在内套筒130与中心体120之间围绕燃料喷嘴中心线112沿着周向方向C延伸。在又一实施例中，外套筒110、内套筒130和中心体120一起相对于燃料喷嘴中心线112成同心布置。在另外的又一实施例中，第一燃料空气混合通路115和第二燃料空气混合通路125一起相对于燃料喷嘴中心线112成同心布置。
在多种实施例中，第一燃料空气混合通路115在第一燃料空气混合通路115的沿着纵向方向L直接邻近于燃烧室62的下游端98处限定第一出口高度119。第一出口高度119在外套筒110的内表面111与内套筒130的外表面131之间，内表面111和外表面131各自基本上沿着纵向方向L延伸，在内表面111和外表面131中的各个之间限定第一燃料空气混合通路115。在一个实施例中，第一出口高度119在大致0.25厘米与大致0.90厘米之间。在更特定的实施例中，第一出口高度119在内表面111与外表面131之间被限定在距来自第一燃料空气混合通路115的下游端98的燃烧室62的等于或小于第一出口高度119的距离内。例如，第一出口高度119在第一燃料空气混合通路115内被限定在距第一燃料空气混合通路115的下游端98的大致0.90厘米或更小的距离内。在另外的更特定的实施例中，第一出口高度119限定第一燃料空气混合通路115的液压直径。
在另外的多种实施例中，第二燃料空气混合通路125在第二燃料空气混合通路125的沿着纵向方向L直接邻近于燃烧室62的下游端98处限定第二出口高度129。第二出口高度129在内套筒130的内表面132与中心体120的外表面121之间，内表面132和外表面121各自基本上沿着纵向方向L延伸，在内表面132和外表面121中的各个之间限定第二燃料空气混合通路125。在一个实施例中，第二出口高度129在大致0.25厘米与大致0.90厘米之间。在更特定的实施例中，第二出口高度129在内表面132与外表面121之间被限定在距来自第二燃料空气混合通路125的下游端98的燃烧室62的等于或小于第二出口高度129的距离内。例如，第二出口高度129在第二燃料空气混合通路125内被限定在距第二燃料空气混合通路125的下游端98的大致0.90厘米或更小的距离内。在另外的更特定的实施例中，第二出口高度129限定第二燃料空气混合通路125的液压直径。
限定各自限定混合通路115、125的相应液压直径的相应出口高度119、129的燃料空气混合通路115、125可将出口高度119、129至少部分地限定为：
Figure 813992DEST_PATH_IMAGE001
其中DH是混合通路115、125处的液压直径，A是通过混合通路115、125的燃料-空气混合物的流的横截面面积，并且P是该横截面的润湿周长(wetter perimeter)。应当认识到，润湿周长是相应表面111、121、131、132中的所有或基本上所有的表面，在相应表面111、121、131、132之间沿着周向方向C限定各个出口高度119、129(诸如关于图6-7而大体上描绘的)。应当进一步认识到，横截面面积至少部分地由表面111、121、131、132之间的限定相应的混合通路115、125的区域限定。因此，应当认识到，燃料喷嘴100的实施例可将液压直径限定在大致0.25厘米与大致0.90厘米之间。在其它实施例中，基于燃料喷嘴100所用于的设备(例如，船用或工业发动机的发电、推进、辅助发电等)，液压直径可更大或更小。
包括多个燃料空气混合通路115、125的燃料喷嘴100可限定同心、嵌套的预混合器环形空间，以便有益地在燃烧室62处提供相对短、紧凑的火焰，以便减轻氮氧化物和其它排放物的形成。限定出口高度119、129(其限定液压直径)的燃料喷嘴100进一步在燃烧室62处提供相对短、紧凑的火焰，以便减轻氮氧化物和其它排放物的形成，同时合乎期望地满足有效流动面积目标。来自燃料喷嘴100的在燃烧室62处的较短、较紧凑的火焰可进一步实现纵向较短的燃烧器组件50，同时与已知的燃烧区段相比而提供类似的或更多的能量输出。在多种实施例中，燃料喷嘴100从燃料喷嘴100的下游端98沿着纵向方向L提供在大致0.60厘米与大致5.60厘米之间的较短、较紧凑的火焰。
在多种实施例中，可将旋流赋予离开各个燃料空气混合通路115、125的燃料-空气混合物的流，以便合乎期望地改变、修改或以其它方式影响燃烧器的火焰稳定性和热释放，从而大体上改善贫燃熄火(LBO)裕度、压力振荡和燃烧动态特性。可经由通过各个相应的沿径向定向的空气入口端口113、123而进入各个燃料空气混合通路115、125的空气的流来赋予离开各个燃料空气混合通路115、125的燃料-空气混合物的流。
在一个实施例中，第一沿径向定向的空气入口端口113与第一燃料空气混合通路115成流体连通，以便提供通过其中的空气的流以与液态或气态燃料的流混合。在另一实施例中，第二沿径向定向的空气入口端口123与第二燃料空气混合通路125成流体连通，以便提供通过其中的空气的流以与液态或气态燃料的流混合。空气入口端口113、123的多种实施例可相对于燃料喷嘴中心线112沿着径向方向R设置。空气入口端口113、123的另外的多种实施例可进一步相对于燃料喷嘴中心线112至少部分地沿切向设置，以便进一步相对于燃料喷嘴中心线112沿着周向方向C将旋流赋予进入相应的燃料空气混合通路115、125的空气。在另外的又一些多种实施例中，空气入口端口113、123可构造成以便赋予通过混合通路115、125中的一个或多个的基本上纵向的流，以便减轻向进入混合通路115、125的空气的流提供旋流或向离开混合通路115、125的燃料-空气混合物提供旋流。
仍参考图3-5，尽管燃料空气混合通路115、125被描绘为基本上沿着纵向方向L延伸，但是在多种实施例中，燃料空气混合通路115、125可以以蛇形布置延伸，或包括多个凸起部或隆起部，以便在各个相应的混合通路115、125处引起燃料和/或空气的流的湍流。
在燃料喷嘴100的一个实施例中，环形中心体凹陷部127限定进入中心体110的基本上半圆形横截面的中心体凹陷部。在燃料喷嘴100的另一实施例中，环形内套筒凹陷部137限定进入内套筒130的基本上半圆形横截面的凹陷部。远离燃烧室62而延伸的各个凹陷部127、137大体上限定非流线形体火焰稳定部，以便改善LBO裕度、燃烧动态特性和总体发动机可操作性。
仍参考图3-5，在多种实施例中，燃料喷嘴100进一步包括定位在燃料喷嘴100的上游端99处的端壁140，其中端壁140附接、联接或直接形成至外套筒110、内套筒130和中心体120。端壁140构造成以围绕燃料喷嘴中心线112的同心布置支承外套筒110、内套筒130和中心体120。
更清楚地参考图5，端壁140构造成从燃料系统(未显示)接收液态和/或气态燃料，并将燃料提供给混合通路115、125，以用于与空气混合并在燃烧室62处燃烧。在多种实施例中，端壁140限定与第一燃料空气混合通路115成流体连通的第一燃料喷射端口141。端壁140构造成经由第一燃料喷射端口141来向第一燃料空气混合通路115提供燃料的流。在一个实施例中，第一燃料喷射端口141基本上沿着纵向方向L延伸。纵向延伸的第一燃料喷射端口141可向第一燃料空气混合通路115提供通过第一燃料喷射端口141的基本上纵向的燃料的流。然而，在其它实施例中，多个第一沿径向定向的空气入口端口113可将旋流赋予进入第一燃料空气混合通路115的空气的流，以便在第一燃料空气混合通路115中提供燃料-空气混合物的沿着周向方向C的旋流。
在一个实施例中，多个第一沿径向定向的空气入口端口113被限定成沿着径向方向R正好在第一燃料喷射出口开口146的外侧，第一燃料喷射出口开口146被限定在第一燃料喷射端口141处以与第一燃料空气混合通路115成直接流体连通。例如，第一燃料喷射出口开口146被限定在第一燃料喷射端口141的下游端98处，以便限定燃料在其处离开第一燃料喷射端口141并进入第一燃料空气混合通路115的平面。限定这样的平面的第一燃料喷射出口开口146可被限定成沿着径向方向R正好在多个第一沿径向定向的空气入口端口113的内侧。
仍参考图5，在另外的多种实施例中，端壁140限定与第二燃料空气混合通路125成流体连通的第二燃料喷射端口142。端壁140构造成经由第二燃料喷射端口142来向第二燃料空气混合通路125提供燃料的流。在一个实施例中，第二燃料喷射端口142基本上沿着纵向方向L延伸。纵向延伸的第二燃料喷射端口142可向第一燃料空气混合通路115提供通过第二燃料喷射端口142的基本上纵向的燃料的流。然而，在其它实施例中，多个第二沿径向定向的空气入口端口123可将旋流赋予进入第二燃料空气混合通路125的空气的流，以便在第二燃料空气混合通路125中提供燃料-空气混合物的沿着周向方向C的旋流。
在一个实施例中，多个第二沿径向定向的空气入口端口123被限定成沿着径向方向R正好在第二燃料喷射出口开口147的内侧，第二燃料喷射出口开口147被限定在第二燃料喷射端口142处以与第二燃料空气混合通路125成直接流体连通。例如，第二燃料喷射出口开口147被限定在第二燃料喷射端口142的下游端98处，以便限定燃料在其处离开第二燃料喷射端口142并进入第二燃料空气混合通路125的平面。限定这样的平面的第二燃料喷射出口开口147可被限定成沿着径向方向R正好在多个第二沿径向定向的空气入口端口123的外侧。
仍参考图5，在另一实施例中，内套筒130可相对于燃料喷嘴中心线112以周向布置限定通过内套筒130的多个第三沿径向定向的空气入口端口133。在一个实施例中，多个第三沿径向定向的空气入口端口133可被限定通过内套筒130以与第一燃料空气混合通路115成流体连通。多个第三沿径向定向的空气入口端口133可被限定成沿着径向方向R在多个第一沿径向定向的空气入口端口113的内侧。多个第三沿径向定向的空气入口端口133可进一步被限定成沿着径向方向R正好在第三燃料喷射端口143的内侧，第三燃料喷射端口143沿着纵向方向L延伸通过端壁140。第三燃料喷射端口143可被限定成沿着径向方向R在第一燃料喷射端口141的内侧。多个第一沿径向定向的空气入口端口113大体上可设置成与多个第三沿径向定向的空气入口端口133沿径向相对。第一燃料喷射端口141和第三燃料喷射端口143中的各个可被限定成沿径向在相对的第一沿径向定向的空气入口端口113与第三沿径向定向的空气入口端口133之间。
在另一实施例中，多个第三沿径向定向的空气入口端口133可被限定通过内套筒130以与第二燃料空气混合通路125成流体连通。多个第三沿径向定向的空气入口端口133可被限定成沿着径向方向R在多个第二沿径向定向的空气入口端口123的外侧。多个第三沿径向定向的空气入口端口133可进一步被限定成沿着径向方向R正好在第四燃料喷射端口144的外侧，第四燃料喷射端口144沿着纵向方向L延伸通过端壁140。第四燃料喷射端口144可被限定成沿着径向方向R在第二燃料喷射端口142的外侧。多个第二沿径向定向的空气入口端口123大体上可设置成与多个第三沿径向定向的空气入口端口133沿径向相对。第二燃料喷射端口142和第四燃料喷射端口144中的各个可被限定成沿径向在相对的第二沿径向定向的空气入口端口123与第三沿径向定向的空气入口端口133之间。
包括沿径向相对的沿径向定向的空气入口端口和被限定成沿径向在空气入口端口之间的燃料喷射端口中的一个或多个的燃料喷嘴100的实施例可改善燃料和空气在混合通路处的混合(诸如，经由利用基本上沿纵向离开燃料喷射端口的燃料流来剪切空气的流)。除了燃料空气混合通路115、125的同心布置之外，或另外除了液压直径之外，燃料和空气的改善的混合可在燃烧室62处提供合乎期望地较短、较紧凑的火焰(诸如本文中所描述的)。
参考图4-5，在多种实施例中，中心体120可限定在中心体120内延伸的中心体燃料喷射端口145。中心体燃料喷射端口145可在中心体120内限定回路，以便提供燃料与中心体120之间的热传递。燃料与中心体120之间的热传递可改善燃料的性质，以便降低粘度、减轻焦化或以其它方式改善混合和燃烧。燃料与中心体120之间的热传递可进一步改善中心体120的耐久性，以便提供热衰减。
参考图4，在一个实施例中，中心体120限定基本上沿径向定向的中心体燃料喷射端口145，中心体燃料喷射端口145构造成通过沿径向定向的中心体燃料喷射出口开口149来向第二燃料空气混合通路125提供燃料的横流射流。
参考图5，在另一实施例中，中心体120限定基本上沿纵向延伸的中心体燃料喷射端口145，中心体燃料喷射端口145构造成通过沿纵向定向的中心体燃料喷射出口开口149来向燃烧室62提供燃料的基本上纵向的流。在又一实施例中，诸如关于图5而描绘的，中心体120限定沿径向在中心体120内以与燃烧室62成流体连通的沿纵向延伸的腔155，来自中心体燃料喷射端口145的燃料的流通过腔155而流至燃烧室62。
尽管本文中大体上提供的燃料喷嘴100的实施例描绘了一起成同心布置以形成第一燃料空气混合通路115和第二燃料空气混合通路125的外套筒110、中心体120和内套筒130，但应当认识到，在其它实施例中，多个内套筒130可设置在外套筒110与中心体130之间，以沿径向在它们之间形成多个额外的燃料空气混合通路。
在图1-7中显示并且在本文中描述的燃料喷嘴100和燃烧器组件50可构造为机械地连结或布置以便产生本文中所显示和描述的燃料喷嘴100的多种构件的组件。备选地，燃料喷嘴100可构造为单个整体式构件，并且可通过本领域技术人员通常已知的任何数量的工艺来制造。这些制造工艺包括但不限于被称为“增材制造”或“3D打印”的制造工艺。另外，可利用任何数量的铸造、机加工、焊接、铜焊或烧结工艺或机械紧固件或其任何组合来构造燃料喷嘴100或燃烧器组件50。此外，燃料喷嘴100可由任何适合于涡轮发动机燃烧器区段的材料(包括但不限于镍基和钴基合金)构造。更进一步，流径表面可包括用以减小阻力或以其它方式促进流体流的表面精加工或其它制造方法(诸如但不限于滚筒精加工、滚磨、膛线、抛光或涂覆)。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何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，以及执行任何结合的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于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，所述燃料喷嘴包括：
外套筒，其围绕燃料喷嘴中心线沿周向延伸并沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的纵向方向延伸，其中所述外套筒相对于所述燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过所述外套筒的多个第一沿径向定向的空气入口端口；
中心体，其定位在所述外套筒的径向内侧，其中所述中心体沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的所述纵向方向延伸，并且其中所述中心体与所述燃料喷嘴中心线和所述外套筒同心，并且此外，其中所述中心体相对于所述燃料喷嘴中心线以周向布置限定通过所述中心体的多个第二沿径向定向的空气入口端口，并且其中所述中心体在直接邻近于燃烧室的下游端处相对于所述燃料喷嘴中心线限定环形中心体凹陷部；以及
内套筒，其围绕所述燃料喷嘴中心线沿周向延伸并沿着与所述燃料喷嘴中心线基本上同方向的所述纵向方向延伸，其中所述内套筒沿径向定位在所述外套筒与所述中心体之间，并且其中所述内套筒在直接邻近于所述燃烧室的所述下游端处相对于所述燃料喷嘴中心线限定环形内套筒凹陷部；
其中所述外套筒和所述内套筒一起限定第一燃料空气混合通路，所述第一燃料空气混合通路沿径向在所述外套筒与所述内套筒之间，并且基本上沿着所述纵向方向延伸以与所述燃烧室成直接流体连通，并且此外，其中所述内套筒和所述中心体一起限定第二燃料空气混合通路，所述第二燃料空气混合通路沿径向在所述内套筒与所述中心体之间，并且基本上沿着所述纵向方向延伸以与所述燃烧室成直接流体连通。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一燃料空气混合通路在所述外套筒与所述内套筒之间围绕所述燃料喷嘴中心线沿周向延伸。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第二燃料空气混合通路在所述内套筒与所述中心体之间围绕所述燃料喷嘴中心线沿周向延伸。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述外套筒、所述内套筒和所述中心体一起相对于所述燃料喷嘴中心线成同心布置。
5.根据权利要求4所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一燃料空气混合通路和所述第二燃料空气混合通路相对于所述燃料喷嘴中心线成同心布置。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴进一步包括：
定位在所述燃料喷嘴的上游端处的端壁，其中所述端壁联接到所述外套筒、所述内套筒和所述中心体。
7.根据权利要求6所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述端壁限定与所述第一燃料空气混合通路成流体连通的第一燃料喷射端口，其中所述端壁构造成经由所述第一燃料喷射端口来向所述第一燃料空气混合通路提供燃料的流。
8.根据权利要求7所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述多个第一沿径向定向的空气入口端口被限定成正好在第一燃料喷射出口开口的径向外侧，所述第一燃料喷射出口开口被限定在所述第一燃料喷射端口处以与所述第一燃料空气混合通路成直接流体连通。
9.根据权利要求7所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一燃料喷射端口基本上沿着所述纵向方向延伸。
10.根据权利要求6所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述端壁限定与所述第二燃料空气混合通路成流体连通的第二燃料喷射端口，其中所述端壁构造成经由所述第二燃料喷射端口来向所述第二燃料空气混合通路提供燃料的流。
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