CN113864821A - 用于燃料喷射器的改进的燃料回路 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于燃料喷射器的改进的燃料回路”。一种燃料喷射器(200)包括前端壁(206)和后端壁(208)。该燃料喷射器(200)还包括在该前端壁(206)和该后端壁(208)之间延伸的侧壁(204)。该前端壁(206)、该后端壁(208)和该侧壁(204)共同限定用于使空气通过的开口(210)。至少一个燃料喷射构件(212)设置在该开口(210)内并在该端壁(206，208)之间延伸。燃料回路(250)限定在该燃料喷射器(200)内。该燃料回路(250)包括限定在该燃料喷射器(200)的该前端壁(206)内的入口室(252)。该燃料回路(250)还包括从该入口室(252)延伸并与该入口室流体连通的燃料通道(254)。该燃料通道(254)限定在该至少一个燃料喷射构件(212)内。该燃料通道(254)具有沿着该燃料喷射构件(212)的长度变化的截面面积。

Description

用于燃料喷射器的改进的燃料回路

技术领域

本公开整体涉及用于气体涡轮燃烧器的燃料喷射器，并且更具体地，涉及与和此类燃烧器相关联的轴向燃料分级(AFS)系统一起使用的燃料喷射器。

背景技术

涡轮机用于各种工业和应用中以用于能量传递目的。例如，气体涡轮引擎通常包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。压缩机区段逐渐增加进入气体涡轮引擎的工作流体的压力，并且将该压缩的工作流体供应到燃烧区段。经压缩的工作流体和燃料(例如，天然气)在燃烧区段内混合并在燃烧室中燃烧以生成高压和高温燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段流入涡轮区段，在该涡轮区段中燃烧气体膨胀以做功。例如，涡轮区段中燃烧气体的膨胀可使连接到例如发电机的转子轴旋转以产生电力。然后燃烧气体经由排气区段离开气体涡轮。

在一些燃烧器中，燃烧气体的产生在两个间隔开的级发生。此类燃烧器在本文中被称为包括“轴向燃料分级”(AFS)系统，该系统将燃料和氧化剂递送到燃烧器的头端下游的一个或多个燃料喷射器。在具有AFS系统的燃烧器中，在燃烧器的上游端处的主燃料喷嘴将燃料和空气(或燃料/空气混合物)沿轴向方向喷射到主燃烧区中，并且位于主燃料喷嘴下游位置处的AFS燃料喷射器将燃料和空气(或第二燃料/空气混合物)作为横向流喷射到主燃烧区下游的辅助燃烧区中。该横向流大致横向于来自主燃烧区的燃烧产物的流。在一些情况下，期望将燃料和空气作为混合物引入辅助燃烧区中。因此，AFS喷射器的混合能力影响气体涡轮的总体操作效率和/或排放。

通常，AFS喷射器包括具有多个燃料出口的中空喷射构件，该多个燃料出口在辅助燃烧区内在燃烧之前喷射待与空气混合的燃料。然而，中空燃料喷射构件的使用存在问题。例如，燃料在中空喷射构件内的再循环以及燃料在多个燃料出口中的每个燃料出口上的不均匀压降可导致燃料在燃料喷射器内的不均匀分布。该燃料喷射构件内的再循环和该不均匀压降两者可导致燃料和空气在燃料喷射器内的不均匀混合，这导致气体涡轮的总体操作效率的损失。

因此，本领域期望一种改进的燃料喷射器，该燃料喷射器能够沿着其整个长度均匀地分配燃料。具体地，期望一种燃料喷射器，该燃料喷射器有利地使再循环涡流和流动涡流最小化，并且沿其整个长度平衡压降，从而减少气体涡轮的总排放。

发明内容

根据本公开，燃料喷射器和燃烧器的各方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从该描述中显而易见，或者可通过该技术的实践了解到。

根据一个实施方案，提供了一种燃料喷射器。该燃料喷射器包括前端壁和与该前端壁相对设置的后端壁。该燃料喷射器还包括在该前端壁和该后端壁之间延伸的侧壁。该前端壁、该后端壁和该侧壁共同限定用于使空气通过的开口。至少一个燃料喷射构件设置在该开口内并在该端壁之间延伸。燃料回路限定在该燃料喷射器内。该燃料回路包括限定在该燃料喷射器的该前端壁内的入口室。该燃料回路还包括从该入口室延伸并且与该入口室流体连通的燃料通道。该燃料通道限定在该至少一个燃料喷射构件内。该燃料通道具有沿着该燃料喷射构件的长度变化的截面面积。

根据另一个实施方案，提供了一种燃烧器。该燃烧器包括头端部分，该头端部分具有端盖和从该端盖延伸的至少一个燃料喷嘴。燃烧衬套在该头端部分和后框架之间延伸并且限定燃烧室。该燃烧器还包括燃料喷射器，该燃料喷射器设置在该至少一个燃料喷嘴的下游并且与该燃烧室流体连通。该燃料喷射器包括前端壁和与该前端壁相对设置的后端壁。该燃料喷射器还包括在该前端壁和该后端壁之间延伸的侧壁。该前端壁、该后端壁和该侧壁共同限定用于使空气通过的开口。至少一个燃料喷射构件设置在该开口内并在该端壁之间延伸。燃料回路限定在该燃料喷射器内。该燃料回路包括限定在该燃料喷射器的该前端壁内的入口室。该燃料回路还包括从该入口室延伸并且与该入口室流体连通的燃料通道。该燃料通道限定在该至少一个燃料喷射构件内。该燃料通道具有沿着该燃料喷射构件的长度变化的截面面积。

参照以下描述和所附权利要求书，本燃料喷射器和燃烧器的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本技术的实施方案，并与描述一起用于解释本技术的原理。

附图说明

本说明书中参考附图阐述了涉及本领域的普通技术人员的本燃料喷射器和燃烧器的完整且能够实现的公开内容，包括制造和使用本系统和方法的最佳模式，在附图中：

图1是根据本公开的实施方案的涡轮机的示意图；

图2是根据本公开的实施方案的燃烧器的示意性截面图示；

图3示出了根据本公开的实施方案的从燃烧器分离的燃料喷射组件的透视图；

图4示出了根据本公开的实施方案的附接到燃烧器的燃料喷射组件的截面平面视图；

图5示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射组件的局部截面平面视图；

图6示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射器的截面侧视图；

图7示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射器的截面侧视图；

图8示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射器的截面侧视图；

图9示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射器的截面平面视图；

图10示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射器的截面平面视图；

图11示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射器的截面平面视图；并且

图12示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射器的截面平面视图。

具体实施方式

现在将详细参考本燃料喷射器和燃烧器的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明技术的方式提供的，而不是对本技术的限制。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离受权利要求书保护的本发明技术的范围或实质的情况下，可以在本发明技术中进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施方案，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。

具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本发明的相似或类似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。

如本文所用，术语“上游”(或“向上”)和“下游”(或“向下”)是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，并且“下游”是指流体向其流动的方向。术语“径向地”是指基本垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向地”是指与特定部件的轴向中心线基本平行和/或同轴对齐的相对方向，并且术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。

近似术语，诸如“大体”或“约”包括在大于或小于指定值的百分之十内的值。当在角度或方向的上下文中使用时，此类术语包括在大于或小于所述角度或方向的十度内。例如，“大体竖直”包括沿任何方向(例如，顺时针或逆时针)在竖直的十度内的方向。

现在参见附图，图1示出了涡轮机的一个实施方案的示意图，该涡轮机在所示实施方案中是气体涡轮10。尽管本文示出并描述了工业或陆基气体涡轮，但除非在权利要求中另外指明，否则本公开不限于工业和/或陆基气体涡轮。例如，如本文所述的本发明可用于任何类型的涡轮机，包括但不限于蒸汽涡轮、飞行器气体涡轮或船用气体涡轮。

如图所示，气体涡轮10通常包括入口区段12、设置在该入口区段12下游的压缩机区段14、设置在该压缩机区段14下游的燃烧器区段16内的多个燃烧器17(图2)、设置在该燃烧器区段16下游的涡轮区段18、以及设置在该涡轮区段18下游的排气区段20。另外，气体涡轮10可包括联接在压缩机区段14和涡轮区段18之间的一个或多个轴22。

压缩机区段14一般可包括多个转子盘24(示出了其中一个)以及从每个转子盘24径向向外延伸并且连接到每个转子盘的多个转子叶片26。每个转子盘24继而可联接到或者形成延伸穿过压缩机区段14的轴22的一部分。

涡轮区段18一般可包括多个转子盘28(示出了其中一个)以及从每个转子盘28径向向外延伸并且互连到每个转子盘的多个转子叶片30。每个转子盘28继而可联接到或形成延伸穿过涡轮区段18的轴22的一部分。涡轮区段18还包括外部壳体31，该外部壳体周向围绕轴22的部分和转子叶片30，从而至少部分地限定穿过涡轮区段18的热气体路径32。

在操作期间，工作流体(诸如空气15)流过入口区段12并进入压缩机区段14，在该处该空气15逐渐被压缩，从而将加压空气或压缩空气19提供给压缩机区段16的燃烧器。加压空气与燃料混合并在每个燃烧器内燃烧以产生燃烧气体34。燃烧气体34从燃烧器区段16流过热气体路径32，流入涡轮区段18，在该涡轮区段中能量(动能和/或热能)从燃烧气体34传递到转子叶片30，从而导致轴22旋转。然后，机械旋转能可用于为压缩机区段14供电和/或发电。然后，离开涡轮区段18的燃烧气体34可经由排气区段20从气体涡轮10排出。

图2是燃烧器17的示意性表示，该燃烧器可包括在用于重载气体涡轮的罐环形燃烧系统中。在罐环形燃烧系统中，多个燃烧器17(例如，8、10、12、14、16或更多个)围绕将压缩机区段14连接到涡轮区段18的轴22定位成环形阵列。该涡轮区段18可以(例如，通过轴22)可操作地连接到发电机(未示出)以产生电力。

如图2中所示，燃烧器17可限定轴向方向A和围绕该轴向方向A延伸的周向方向C。该燃烧器17还可以限定垂直于该轴向方向A的径向方向R。

在图2中，该燃烧器17包括燃烧衬套42，该燃烧衬套包含燃烧气体34并将该燃烧气体传送到涡轮。该燃烧衬套42可具有圆柱形衬套部分和与该圆柱形衬套部分分开的锥形过渡部分，如在许多常规燃烧系统中那样。另选地，该燃烧衬套42可具有单体化主体(或“单体”)构造，其中圆柱形部分和锥形部分彼此成一体。因此，本文对燃烧衬套42的任何讨论旨在涵盖具有单独衬套和过渡件的常规燃烧系统以及具有单体衬套的那些燃烧系统两者。此外，本公开同样适用于其中涡轮的过渡件和级一的喷嘴被集成到单个单元(有时称为“过渡喷嘴”或“集成出口件”)中的那些燃烧系统。

燃烧衬套42被外部套管44包围，该外部套管在燃烧衬套42的径向外侧间隔开以在燃烧衬套42和外部套管44之间限定冷却流动环132。外部套管44可包括在前端处的流动套管部分和在后端处的冲击套管部分，如在许多常规燃烧系统中那样。另选地，外部套管44可具有单体式主体(或“单套管”)构造，其中流动套管部分和冲击套管部分在轴向方向A上彼此集成。如前所述，本文对外部套管44的任何讨论旨在涵盖具有单独流动套管和冲击套管的常规燃烧系统以及具有单套管外部套管的燃烧系统两者。

燃烧器17的头端部分120包括一个或多个燃料喷嘴122，该燃料喷嘴从燃烧器17的前端处的端盖126延伸。该燃料喷嘴122在上游(或入口)端具有燃料入口124。该燃料入口124可通过端盖126形成。燃料喷嘴122的下游(或出口)端延伸穿过燃烧器帽128。

燃烧器17的头端部分120至少部分地被前壳体130包围，该前壳体物理地联接并流体地连接到压缩机排放壳140。该压缩机排放壳140流体地连接到压缩机区段14(如图1所示)的出口，并且限定包围燃烧器17的至少一部分的加压空气室142。压缩空气19通过外部套管44中靠近燃烧器17的后端118的孔从压缩机排放壳140流入冷却流动环132中。因为该冷却流动环132流体地联接到头端部分120，所以压缩空气19从燃烧器17的后端118附近向上游行进到头端部分120，其中压缩空气19反转方向并进入燃料喷嘴122。

该燃料喷嘴122将燃料和空气作为主燃料/空气混合物46引入燃烧衬套42的前端处的主燃烧区50中，燃料和空气在该主燃烧区中燃烧。在一个实施方案中，燃料和空气在燃料喷嘴122内(例如，在预混燃料喷嘴中)混合。在其他实施方案中，燃料和空气可单独地引入到主燃烧区50中并在主燃烧区50内混合(例如，如可通过扩散喷嘴发生的)。本文提及“第一燃料/空气混合物”应被解释为描述预混合的燃料/空气混合物和扩散型燃料/空气混合物两者，其中任一者均可由燃料喷嘴122产生。

来自主燃烧区50的燃烧气体朝燃烧器17的后端118向下游行进。一个或多个燃料喷射器100将燃料和空气作为辅助燃料/空气混合物56引入辅助燃烧区60中，其中燃料和空气由主燃烧区燃烧气体点燃以形成组合的燃烧气体产物流34。在单个燃烧器17内具有轴向分离的燃烧区的这种燃烧系统被描述为“轴向燃料分级”(AFS)系统，并且喷射器组件100在本文中可被称为“AFS喷射器”。

在所示的实施方案中，用于每个喷射器组件100的燃料经由燃料入口154从燃烧器17的头端供应。每个燃料入口154联接到燃料供应管线104，该燃料供应管线联接到相应的喷射器组件100。应当理解，可以采用将燃料递送到喷射器组件100的其他方法，包括从环形歧管或从延伸穿过压缩机排放壳140的径向定向的燃料供应管线供应燃料。

图2进一步示出了喷射器组件100可相对于燃烧器17的中心线70以角度θ(西塔)定向。在所示的实施方案中，喷射器100的前缘部分(即，喷射器100的最靠近头端定位的部分)远离燃烧器17的中心线70定向，而喷射器100的后缘部分朝向燃烧器10的中心线70定向。限定在喷射器100的纵向轴线75与中心线70之间的角度θ可在0度和±90度之间、在0度和±80度之间、在0度和±70度之间、在0度和±60度之间、在0度和±50度之间、在0度和±40度之间、在0度和±30度之间、在0度和±20度之间、或在0度和±10度之间或它们之间的任何中间值。

图2示出了喷射器组件100相对于燃烧器的中心线70成正角度的取向。在其他实施方案(未单独示出)中，可能期望使喷射器100相对于中心线70以负角度定向，使得前缘部分靠近中心线70，并且后缘部分远离中心线70。在一个实施方案中，如果以非零角度设置，则用于燃烧器17的所有喷射器组件100都以相同角度定向(即，都以相同正角度定向，或者都以相同负角度定向)。

喷射器组件100沿横向于中心线70和/或来自主燃烧区的燃烧产物的流动的方向将第二燃料/空气混合物56注入燃烧衬套42中，从而形成辅助燃烧区60。来自主燃烧区和辅助燃烧区的组合燃烧气体34向下游行进通过燃烧器罐17的后端118并进入涡轮区段18(图1)，其中燃烧气体34膨胀以驱动涡轮区段18。

值得注意的是，为了增强气体涡轮10的操作效率并减少排放，期望喷射器100彻底混合燃料和压缩气体以形成第二燃料/空气混合物56。因此，下文所述的喷射器实施方案是有利于改善混合的。另外，因为燃料喷射器100包括大量燃料喷射端口，如下文进一步描述的，所以增加了引入具有宽范围的热释放值的燃料的能力，为气体涡轮操作者提供了更大的燃料灵活性。

图3示出了根据本公开的实施方案的示例性燃料喷射器组件100。如图所示，该喷射器组件100可包括燃料喷射器200和凸台300。虽然该燃料喷射器200和该凸台300在图3中被示出为联接在一起的两个单独部件，但是在许多实施方案中，该燃料喷射器200和该凸台300可以是单个一体形成的部件。

如图所示，燃料喷射器200包括彼此间隔开的端壁202和在该端壁202之间延伸的侧壁204。在许多实施方案中，当安装在燃烧器17中时，燃料喷射器200的侧壁204可平行于轴向方向A延伸(图5)。燃料喷射器200的端壁202包括彼此相对设置的前端壁206和后端壁208。侧壁204可彼此间隔开，并且可在前端壁206和后端壁208之间延伸。

在许多实施方案中，前端壁206和后端壁208二者为弓形的并且具有大体倒圆的截面形状，并且侧壁可在端壁202之间大体直线地延伸，使得端壁202和侧壁204共同限定第一开口210，该第一开口具有被成形为几何形体育场的截面。在各种实施方案中，侧壁204可长于端壁204，使得开口210在附接到燃烧器17时在轴向方向A上是最长的。在一些实施方案中，如图所示，端壁202和侧壁204可共同限定几何形体育场形状的区域，即具有倒圆端部的矩形，该区域勾勒出并限定第一开口210的周边。在其他实施方案中(如图9和图10所示)，端壁202可为直线的，使得端壁202和侧壁204共同限定矩形形状的区域。

在许多实施方案中，第一开口210可用于为来自压缩空气室142的压缩空气19提供路径以在到达辅助燃烧区60之前行进通过燃料并与燃料混合。如图3所示，燃料喷射器200还可包括至少一个燃料喷射构件212，该燃料喷射构件可设置在第一开口210内并且在端壁202之间延伸。在示例性实施方案中，燃料喷射构件212可在端壁202之间轴向延伸。燃料喷射构件212可为基本上中空的主体，该主体用于经由通过燃料喷射构件212限定的多个燃料端口214向第一开口210提供燃料。每个燃料喷射构件212可从位于前端壁206处的第一端延伸到位于后端壁208处的第二端。在许多实施方案中，燃料喷射构件212可沿轴向方向A从前端壁206直线(即，方向没有突然变化)延伸到后端壁208。

在图3所示的实施方案中，燃料喷射器被示出为具有在开口210内彼此间隔开的两个燃料喷射构件212。然而，燃料喷射器200可具有设置在第一开口210内的任何数量的燃料喷射构件212(例如，1个、3个、4个、5个、6个或更多个)，并且本公开不限于任何特定数量的燃料喷射构件212，除非在权利要求中具体地叙述。

如图3所示，燃料喷射器200还包括与前端壁206一体形成的导管配件220。该导管配件220可流体联接到燃料供应管线104，使得其用于从燃料供应管线104接收燃料流。然后导管配件220可以将燃料分配到燃料喷射构件212和/或侧壁燃料喷射构件222、224(图4)中的每一个燃料喷射构件，以喷射到第一开口210中并与压缩空气19混合。导管配件220可具有任何合适的尺寸和形状，并且可与燃料喷射器200的任何合适的部分一体地形成或联接到该任何合适的部分，该任何合适的部分使导管配件220能够如本文所述起作用。

在许多实施方案中，整个燃料喷射器200可整体成型为单个部件。也就是说，每个子部件(例如，端壁202、侧壁204、燃料喷射构件212和燃料喷射器200的任何其他子部件)可一起制造为单个主体。在示例性实施方案中，燃料喷射器200的单个主体可通过利用增材制造方法(诸如3D打印)来生产。就这一点而言，利用增材制造方法，燃料喷射器200可整体形成为单件连续金属，并且因此可包括与现有设计相比更少的子部件和/或接头。通过增材制造整体形成燃料喷射器200可有利地改善整个组装过程。例如，整体形成减少了必须组装的单独零件的数量，从而减少了相关联的时间和总组装成本。另外，可有利地减少例如泄漏、单独零件之间的接头质量和总体性能的现有问题。在其他实施方案中，可使用诸如铸造或其他合适技术的制造技术。

如图3所示，燃料喷射器组件100还可包括凸台300。如图4和图5所示，该凸台300可在第一端302处固定地联接到燃烧衬套42，并且可径向延伸穿过冷却流动环132到达设置在第二端304处的凸缘部分306。该凸缘部分306可以是基本上平坦和平面的，使得其为燃料喷射器200提供平滑表面以密封地联接到该凸缘部分，这使在气体涡轮10的操作期间燃料/空气泄漏的可能性最小化。在许多实施方案中，凸台300可包括在第一端302和凸缘部分306之间延伸的夹套部分308。

凸台300可限定第二开口310，该第二开口与第一开口210对准并且形成用于燃料和空气被引入到辅助燃烧区60中的路径(图4)。例如，在一些实施方案中，第二开口310和第一开口210可共享公共中心轴线(图4和图5)。在此布置中，凸台300提供燃料喷射器200与辅助燃烧区60之间的流体连通。更具体地，第二开口310可由凸台300的凸缘部分306和夹套部分308限定，并且可被成形为几何形体育场，即具有半圆形端部的矩形。

在许多实施方案中，第二开口310的尺寸可在燃烧器17上的燃料喷射组件100之间变化。例如，因为第二开口310至少部分地用于计量引入到辅助燃烧区60的空气和燃料的流动，所以在一些实施方案中，通过燃烧器17上的燃料喷射组件100中的一个或多个燃料喷射组件引入更多/更少的空气和燃料可能是有利的。此差异计量可通过改变至少一个燃料喷射器组件100的第二开口310相对于至少一个其他燃料喷射器组件100的尺寸来实现，这取决于待在给定周向位置处引入到辅助燃烧区60的空气和燃料的期望体积。

图4示出了联接到燃烧器17的燃料喷射组件100的截面视图。如图4所示，夹套部分308从凸缘306穿过冷却流动环132延伸到燃烧衬套42。在许多实施方案中，夹套部分308产生对压缩空气19流过冷却流动环132的阻碍(图4)。然而，如图3所示，夹套部分306被成形为其主轴线平行于或基本上平行于压缩空气19流的方向的几何形体育场。这有利地在冷却流动环132中比例如具有圆形形状的夹套部分产生更小的压缩空气19阻塞，同时仍然为通过第二开口310引入并夹带到辅助燃烧区60中的燃料和空气提供足够的区域。

在许多实施方案中，如图所示，侧壁204可包括第一燃料喷射构件222和第二燃料喷射构件224。例如，第一燃料喷射构件222和第二燃料喷射构件224可在侧壁204内一体地形成，使得它们用来部分地限定第一开口210并且用来通过多个燃料端口210喷射燃料以在燃料喷射器200内混合。在各种实施方案中，如图所示，燃料喷射构件212可包括第三燃料喷射构件226和第四燃料喷射构件228，该第三燃料喷射构件和第四燃料喷射构件定位在限定于侧壁204中的第一燃料喷射构件222和第二燃料喷射构件224之间。

在具有四个燃料喷射构件的实施方案中，在燃料喷射器200内可存在六个喷射平面。例如，单排燃料端口214可限定在侧壁燃料喷射构件222、224中的每者上，这提供燃料喷射平面中的两个燃料喷射平面。另外四个燃料喷射平面可设置在位于中央的燃料喷射构件226、228上。例如，每个燃料喷射构件226、228可具有设置在燃料喷射构件226、228的任一侧上的单排燃料端口214，这提供四个燃料喷射平面。在一些实施方案中，第一燃料喷射构件222和第二燃料喷射构件224可在它们径向向内延伸时朝向彼此收拢。以此方式，由端壁202和侧壁204限定的整个几何形体育场区域从燃料喷射器200的径向外表面到径向内表面逐渐减小。

如图4所示，燃料喷射构件226、228可各自具有限定泪滴形状的外部截面轮廓240。如图所示，该泪滴形状的特征在于具有前缘234、与该前缘234相对的后缘236以及壁238。该壁238可在前缘234和后缘236之间延伸。在许多实施方案中，每个燃料喷射构件226、228的壁238限定多个燃料喷射端口214。在至少一个实施方案中，燃料喷射端口214可设置成单排(图6)。虽然燃料喷射构件226、228在图4中示出为具有限定泪滴形状的外部截面轮廓240，但是燃料喷射构件226、228可各自具有限定圆形形状、三角形形状、菱形形状、矩形形状或任何其他合适截面形状中的任一者的外部截面轮廓。

如图3至图5所示，燃料喷射构件226、228的外部截面轮廓240在轴向方向A上可为均匀的，使得当它们在轴向方向A上从前端壁206延伸到后端壁208时不存在形状或取向的突然变化。以此方式，尽管内部轮廓可沿着轴向方向A变化，如图6至图8所示，但是外部截面轮廓240可在轴向方向上A是均匀的。

图5示出了燃料喷射组件100的局部截面平面视图。如图所示，燃料喷射器200还可包括限定于其中的燃料回路250。如图所示，该燃料回路250可经由导管配件220流体联接到燃料供应管线104。在许多实施方案中，燃料回路250包括限定在燃料喷射器200的前端壁206内的入口室252。该入口室252可从燃料供应管线104接收燃料并将其分配到限定在侧壁燃料喷射构件222、224和/或燃料喷射构件226、228内的一个或多个燃料通道254。在一些实施方案中，如图5所示，每个燃料通道254可沿着轴向方向A直接从入口燃料室252延伸到后端壁208。在许多实施方案中，每个燃料通道254可彼此平行。

如图5所示，多个燃料端口214可限定在侧壁燃料喷射构件222、224和/或燃料喷射构件226、228上，并且可与相应的燃料通道254流体连通，以便向第一开口210提供燃料以在进入辅助燃烧区60之前与压缩空气19混合。例如，在许多实施方案中，多个燃料端口214中的每个燃料端口214可在相应的燃料通道254和开口210之间延伸。

图6至图8示出了根据本公开的实施方案的燃料喷射器200的截面侧视图，示出了燃料喷射构件260。图6至图8所示的燃料喷射构件260可代表本文所讨论的侧壁燃料喷射构件222、224和/或燃料喷射构件226、228中的任一者或两者。如图所示，喷射构件260设置在第一开口210内并且在端壁202之间轴向延伸。

如本文所讨论，燃料喷射器200可进一步限定具有入口室252和燃料通道254的燃料回路250。在许多实施方案中，入口室252可限定在燃料喷射器200的前端壁206内。燃料通道254可在燃料喷射构件260内直接从入口室252延伸，并终止于后端壁208附近。在许多实施方案中，来自入口燃料室252的燃料可流入燃料通道254，经由沿着燃料喷射构件260设置的多个燃料端口214喷射到开口210中。在一些实施方案中，燃料通道254可以终止于后端壁208内。在其他实施方案中，燃料通道254可以终止于后端壁208的前方。

在许多实施方案中，燃料通道254可具有沿着燃料喷射构件260的轴向长度256变化的截面面积。具体地，如图所示，径向高度258(即，在径向方向上测量的燃料通道254的宽度)可以随着通道在轴向方向A上沿着长度延伸而变化，这从而减小燃料通道254的总截面面积。在一些实施方案中，燃料通道260可以包括径向内边缘262和径向外边缘264，该径向内边缘和该径向外边缘分别限定燃料通道254的径向内流动边界和径向外流动边界。

在图6所示的实施方案中，径向外边缘264可以是沿着轴向方向A大体平行于燃料喷射构件260的前缘234的直线。当通道在轴向方向A上延伸时，流动通道254的径向内边缘262可朝向径向外边缘264渐缩。换句话讲，径向内边缘262是朝向径向外边缘264倾斜的直线边缘(没有曲线)，使得其随着在轴向方向A上延伸而朝向径向外边缘264逐渐且连续地收拢。在此布置中，当流动通道254在轴向方向A上从前端壁206延伸到后端壁208时，径向高度258可以以恒定速率减小。

在图6所示的实施方案中，径向内边缘262被示出为包括锥形，并且径向外边缘264被示出为平行于前缘234。在其他实施方案(未示出)中，径向外边缘264可包括锥形，并且径向内边缘262可平行于前缘234。

如图7所示，燃料通道254可以包括直线部分265、沿着径向方向R的第一收拢部分266、发散部分268和第二收拢部分270。燃料通道254的直线部分265可从入口室252延伸到第一收拢部分266，并且发散部分268可从第一收拢部分266延伸到第二收拢部分270。如图7所示，直线部分可以是燃料通道252的某部段，在该部段中，随着燃料通道254在径向方向A上延伸，截面面积是均匀的，即恒定的或不变的。燃料通道254的收拢部分266、270可以是燃料通道254的某部段，在该部段中，截面面积随着燃料通道254沿着轴向方向A延伸而减小。相反，发散部分268可以是燃料通道的某部段，在该部段中，截面面积随着燃料通道254沿着轴向方向A延伸而增加。

如图7所示，径向外边缘264可以是沿着燃料喷射构件260的整个轴向长度256大体平行于燃料喷射构件260的前缘234的直线。如图所示，在直线部分265中，径向外边缘264和径向内边缘262可彼此平行，使得径向高度258沿整个直线部分265为恒定的。在燃料通道254的收拢部分266、270中，径向内边缘262可以是弓形的，并且随着燃料通道在轴向方向A上延伸可以朝向径向外边缘264收拢，从而导致燃料通道254的径向高度258和总截面面积沿着轴向方向A减小。相反，在燃料通道254的发散部分268中，径向内边缘262可以是弓形的并且可以远离径向外边缘264发散，从而导致燃料通道254的径向高度258和总截面面积沿着轴向方向A增加。

如图8所示，径向外边缘264可包括弯曲部分272。如图所示，该径向外边缘264的弯曲部分272可以是弓形的，并且随着燃料通道254在轴向方向A上延伸，可以朝向径向内边缘262收拢，然后远离径向内边缘发散，从而使燃料通道254的径向高度258和总截面面积沿着轴向方向A变化。在许多实施方案中，如图所示，弯曲部分272可以具有大体抛物线形或“U”形形状。弯曲部分可用于有利地减少如果燃料通道254是完全直线的则可能发生的流动分离、再循环和流动涡流。

在图6至图8所示的实施方案中，径向内边缘262被示出为沿轴向方向A渐缩的和/或弯曲的，而径向外边缘为大体直线的或具有大体直线的主要部分。然而，在其它实施方案(未示出)中，边缘轮廓可被切换，使得径向内边缘262可为直线的或大部分直线的，而径向外边缘264沿轴向方向A弯曲。

如图6至图8所示，并且如本文所讨论，燃料通道254可以限定在燃料喷射构件260内，并且可以具有在轴向方向A上变化的截面。然而，随着燃料喷射器260在轴向方向上延伸，外部截面轮廓240(其在一些实施方案中可以成形为泪滴)可以是恒定的、均匀的和/或不变的。制造方法(诸如本文所讨论的增材制造方法)的进步允许燃料喷射构件260内的复杂且变化的燃料通道254，同时保持对燃料喷射构件260之间的均匀气流重要的恒定外部截面轮廓240。

图9至图12示出了根据本公开实施方案的沿着径向方向R从燃料喷射器200的径向外侧看的燃料喷射器200的平面视图。如图所示，燃料喷射器200仅包括单个燃料喷射构件260。将认识到，图9至图12所示的燃料喷射构件260的特征可以结合到本文所述的任何燃料喷射构件(诸如侧壁燃料喷射构件222、224和/或燃料喷射构件226、228)中。如图9至图12所示，燃料喷射器200可包括横向方向T，该横向方向与燃烧器的周向方向C相切并且垂直于径向方向R和轴向方向A两者。

在图9所示的实施方案中，燃料通道254还可以包括沿着横向方向T的收拢部分274和发散部分276。如图所示，燃料喷射构件260的相对设置的壁238可包括相对设置的内表面278、280，该内表面在横向方向T上形成供燃料行进通过燃料通道254的流动边界。在燃料通道254的收拢部分274中，内表面278、280可以是弓形的并且可以随着燃料通道254在轴向方向A上延伸而朝向彼此收拢，从而导致燃料通道254的横向长度282和总截面面积沿着轴向方向A减小。

相反，在发散部分276中，内表面278、280可以是弓形的，并且可以随着燃料通道254在轴向方向A上延伸而远离彼此发散，从而导致燃料通道254的横向长度282和总截面面积沿着轴向方向A增加。改变燃料通道254中的横向长度282可以有利地减少燃料在燃料通道内的流动分离、再循环和流动涡流。

在其他实施方案中，诸如图11和图12所示的实施方案，第一内表面278和第二内表面280可为直线的，使得横向长度282在轴向方向上是均匀的。以此方式，在特定实施方案中，燃料通道254可以仅在径向长度上变化，仅在横向长度上变化，或者在径向长度和横向长度两者上变化。

在图10所示的实施方案中，燃料通道254可随着其从入口室252轴向延伸而收拢或渐缩，使得横向长度282在轴向方向上以恒定速率减小。如图所示，燃料喷射构件260的相对设置的壁238可包括相对设置的内表面278、280，该内表面在横向方向T上形成供燃料行进通过燃料通道254的的流动边界。在图10所示的实施方案中，内表面278、280可以以恒定速率朝向彼此渐缩，从而导致燃料通道254的横向长度282和总截面面积沿着轴向方向A减小。逐渐减小燃料通道254中的横向长度282可以有利地减小燃料在燃料通道内的流动分离、再循环和流动涡流。

如图9和图10所示，多个燃料端口214中的每个燃料端口可限定在燃料喷射构件260的壁238内。更具体地，多个燃料端口214中的每个燃料端口214可在壁238的相应内表面278、280与壁238的相应外表面288、290之间延伸。

如图11所示，多个燃料端口214中的每个燃料端口可包括倒角入口286。该倒角入口286可以是圆锥形的，使得燃料端口214从入口处的第一直径292逐渐渐缩到设置在燃料端口214的入口和出口之间的过渡点296处的第二直径294。如图11所示，第一直径292可大于第二直径294。在过渡点296处，燃料端口214中的每个燃料端口可从圆锥形过渡到圆柱形，使得第二直径从过渡点296到燃料端口214的出口是恒定的。利用具有倒角入口286的燃料端口214可有利地在第一开口210内提供更均匀的燃料分配，这允许进入辅助燃烧区60的燃料和空气的更均匀混合物。如本文所讨论，均匀混合的燃料/空气混合物可提高气体涡轮10的总体性能。

如图12所示，多个燃料端口214中的每个燃料端口可包括倒圆入口287。例如，每个燃料端口214的倒圆入口287可为大体凸形的或可以其他方式为倒圆的，使得燃料端口214从入口处的第一直径293逐渐渐缩到设置在燃料端口214的入口和出口之间的过渡点297处的第二直径295。如图11所示，第一直径293可大于第二直径295。在过渡点297处，每个燃料端口214可从倒圆过渡到圆柱形，使得第二直径295从过渡点297到燃料端口214的出口是恒定的。利用具有倒圆入口287的燃料端口214可有利地在第一开口210内提供更均匀的燃料分配，这允许进入辅助燃烧区60的燃料和空气的更均匀混合物。如本文所讨论，均匀混合的燃料/空气混合物可提高气体涡轮10的总体性能。

如本文所公开，沿着燃料喷射构件260的长度改变燃料通道254的截面面积(而不是例如使燃料通道具有均匀的截面面积)有利地使行进通过燃料通道254的燃料的再循环、流动分离和流动涡流最小化。这种截面变化使得通过燃料端口214的燃料分配是相等的。通过相等的燃料分配，燃料和空气在燃料喷射器200内的混合增加，从而提高了气体涡轮10的总体操作效率。此外，在某些部分中减小燃料通道254的截面面积允许燃料沿着燃料喷射构件260的整个长度具有均匀得多的压力。例如，在每个燃料端口214上存在压力损失，但是燃料通道254的截面面积的减小增加了燃料压力，这平衡了由燃料端口214引起的下降。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明可申请专利的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他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种燃料喷射器(200)，所述燃料喷射器包括：

前端壁(206)和与所述前端壁(206)相对设置的后端壁(208)；

侧壁(204)，所述侧壁在所述前端壁(206)和所述后端壁(208)之间延伸，其中所述前端壁(206)、所述后端壁(208)和所述侧壁(204)共同限定用于使空气通过的开口(210)；

至少一个燃料喷射构件(212)，所述至少一个燃料喷射构件设置在所述开口(210)内并且在所述端壁(206，208)之间延伸；和

燃料回路(250)，所述燃料回路限定在所述燃料喷射器(200)内，所述燃料回路(250)包括：

入口室(252)，所述入口室限定在所述燃料喷射器(200)的所述前端壁(206)内；和

燃料通道(254)，所述燃料通道从所述入口室(252)延伸并与所述入口室流体连通，所述燃料通道(254)限定在所述至少一个燃料喷射构件(212)内，其中所述燃料通道(254)具有沿着所述燃料喷射构件(212)的长度变化的截面面积。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射器(200)，其中所述燃料喷射构件(212)包括沿着所述燃料喷射构件(212)的整个长度均匀的外部截面轮廓。

3.根据权利要求1所述的燃料喷射器(200)，所述燃料喷射器还包括限定在所述燃料喷射构件(212)上的多个燃料端口(214)，所述多个燃料端口(214)提供所述燃料通道(254)与所述开口(210)之间的流体连通。

4.根据权利要求3所述的燃料喷射器(200)，其中所述多个燃料端口(214)中的每个燃料端口包括倒角入口(286)或倒圆入口(287)中的一者。

5.根据权利要求1所述的燃料喷射器(200)，其中所述燃料通道(254)的所述截面面积从所述入口室(252)逐渐收拢到所述燃料喷射器(200)的所述后壁。

6.根据权利要求1所述的燃料喷射器(200)，其中所述燃料通道(254)包括第一收拢部分(266)、发散部分(268)和第二收拢部分(270)。

7.根据权利要求1所述的燃料喷射器(200)，其中所述至少一个燃料喷射构件(212)包括设置在所述侧壁(204)之间的一对燃料喷射构件(212)，其中所述燃料通道(254)限定在所述一对燃料喷射构件(212)的第一燃料喷射构件(212)内，并且第二燃料通道(254)限定在所述一对燃料喷射构件(212)的第二燃料喷射构件(212)内。

8.根据权利要求7所述的燃料喷射器(200)，其中所述第一燃料通道(254)和所述第二燃料通道(254)各自具有从所述入口室(252)到所述后端壁(208)变化的相应的截面面积。

9.根据权利要求7所述的燃料喷射器(200)，其中所述侧壁(204)包括第一侧壁燃料喷射构件(212)和第二侧壁燃料喷射构件(212)，其中第一侧壁燃料通道(254)限定在所述第一侧壁燃料喷射构件(212)内，并且第二侧壁燃料通道(254)限定在所述第二侧壁燃料喷射构件(212)内，并且其中所述第一侧壁燃料通道(254)和所述第二侧壁燃料通道(254)从所述入口室(252)延伸并且与所述入口室流体连通。

10.根据权利要求7所述的燃料喷射器(200)，其中所述第一侧壁燃料通道(254)和所述第二侧壁燃料通道(254)各自具有从所述入口室(252)到所述后端壁(208)变化的相应的截面面积。

11.一种燃烧器(17)，所述燃烧器包括：

端盖(126)；

至少一个燃料喷嘴(122)，所述至少一个燃料喷嘴在所述端盖(126)和燃烧衬套(42)之间延伸，其中所述燃烧衬套(42)在所述至少一个燃料喷嘴(122)和后框架之间延伸并限定燃烧室；

燃料喷射器(200)，所述燃料喷射器设置在所述至少一个燃料喷嘴(122)的下游并且与所述燃烧室流体连通，所述燃料喷射器(200)包括：

前端壁(206)和与所述前端壁(206)相对设置的后端壁(208)；

侧壁(204)，所述侧壁在所述前端壁(206)和所述后端壁(208)之间延伸，其中所述前端壁(206)、所述后端壁(208)和所述侧壁(204)共同限定用于使空气通过的开口(210)；

至少一个燃料喷射构件(212)，所述至少一个燃料喷射构件设置在所述开口(210)内并且在所述端壁(206，208)之间延伸；和

燃料回路(250)，所述燃料回路限定在所述燃料喷射器(200)内，所述燃料回路(250)包括：

入口室(252)，所述入口室限定在所述燃料喷射器(200)的所述前端壁(206)内；和

燃料通道(254)，所述燃料通道从所述入口室(252)延伸并与所述入口室流体连通，所述燃料通道(254)限定在所述至少一个燃料喷射构件(212)内，其中所述燃料通道(254)具有沿着所述燃料喷射构件(212)的长度变化的截面面积。

12.根据权利要求11所述的燃烧器(17)，其中所述燃料喷射构件(212)包括沿着所述燃料喷射构件(212)的整个长度均匀的外部截面轮廓。

13.根据权利要求11所述的燃烧器(17)，所述燃烧器还包括限定在所述燃料喷射构件(212)上的多个燃料端口(214)，所述多个燃料端口(214)提供所述燃料通道(254)与所述开口(210)之间的流体连通。

14.根据权利要求13所述的燃烧器(17)，其中所述多个燃料端口(214)中的每个燃料端口包括倒角入口(286)或倒圆入口(287)中的一者。

15.根据权利要求11所述的燃烧器(17)，其中所述燃料通道(254)的所述截面面积从所述入口室(252)逐渐收拢到所述燃料喷射器(200)的所述后壁。

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