CN115342388A - 具有涡流生成湍流器的燃烧器稀释 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器。燃烧器具有包括涡流湍流生成器的燃烧器衬套。涡流湍流生成器具有延伸通过其中的流动通道和设置在壁上的多个涡流生成湍流器，流动通道由围绕流动通道的外围的壁限定，多个涡流生成湍流器中的每一个包括从壁的表面延伸到流动通道中的突起部分，并且生成从燃烧器衬套的冷表面侧通过流动通道到燃烧器衬套的热表面侧的氧化剂的涡流湍流。

Description

具有涡流生成湍流器的燃烧器稀释

技术领域

本公开涉及燃气涡轮发动机的燃烧室中的燃烧气体的稀释。更具体地，本公开涉及燃烧室衬套中的稀释涡流湍流生成器，以生成进入燃烧室的稀释气体湍流从而增加湍流和与燃烧气体的混合。

背景技术

在传统的燃气涡轮发动机中，已知将稀释空气流提供到初级燃烧区下游的燃烧室中。传统上，环形燃烧器可包括内衬和外衬，在它们之间形成燃烧室。内燃烧衬套和外燃烧衬套可包括通过衬套的稀释孔，其将空气流从围绕环形燃烧器的通道提供到燃烧室中。已知一些应用使用圆形孔，而已知其他应用使用不同形状的稀释孔来向燃烧室提供稀释空气流。已知其他应用使用通过衬套的轴向对准的成角度稀释孔。成角度稀释孔通常在从上游到下游的流动方向上对准，以便向燃烧室提供稀释空气流。一些其他应用可以包括孔的内部分上的喇叭形出口，以在孔出口附近提供更大的稀释空气扩散。还有其他应用可以在稀释孔周围使用凸起的入口或支架。支架通常垂直于衬套的表面对准，以便提供直接进入燃烧室的稀释空气流。通过传统燃烧器中的稀释孔的空气流通常垂直于衬套的表面，并且通常靠近衬套的表面。靠近衬套的表面的传统稀释空气流有助于冷却衬套。

发明内容

为了解决传统技术中的问题，本发明人已经设计了用于在通过稀释孔的气流中引起湍流的技术。根据一个方面，本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器。燃烧器具有：燃烧器衬套，其具有冷表面侧和热表面侧；燃烧室，其布置在燃烧器衬套的热表面侧上；以及涡流湍流生成器，其布置在燃烧器衬套上。涡流湍流生成器包括湍流生成器流动通道，其从燃烧器衬套的冷表面侧延伸通过燃烧器衬套到燃烧器衬套的热表面侧。湍流生成器流动通道由围绕湍流生成器流动通道的外围的湍流生成器壁限定，并且多个涡流生成湍流器设置在湍流生成器壁上。多个涡流生成湍流器中的每一个包括从湍流生成器壁的表面延伸到湍流生成器流动通道中的突起部分，并且生成从燃烧器衬套的冷表面侧通过湍流生成器流动通道到燃烧器衬套的热表面侧的氧化剂的涡流湍流。

本公开的另一方面涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的稀释涡流湍流生成器。稀释涡流湍流生成器可以是例如要安装在燃烧器衬套中的插入件的形式。因此，稀释涡流湍流生成器可以包括：基体，其具有冷表面侧和热表面侧；湍流生成器流动通道，其从冷表面侧延伸通过基体到热表面侧，其中湍流生成器流动通道由围绕湍流生成器流动通道的外围的湍流生成器壁限定。多个涡流生成湍流器设置在湍流生成器壁上，多个涡流生成湍流器中的每一个包括从湍流生成器壁的表面延伸到湍流生成器流动通道中的突起部分，并且生成从基体的冷表面侧通过湍流生成器流动通道到基体的热表面侧的氧化剂的涡流湍流。

通过考虑以下详细描述、附图和权利要求，本公开的附加特征、优点和实施例被阐述或显而易见。此外，应当理解，上述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释，而不限制所要求保护的本公开的范围。

附图说明

通过以下更具体地对如附图中所示的各种示例性实施例的描述，前述和其他特征以及优点将变得显而易见，附图中相似的附图标记通常表示相同、功能类似和/或结构类似的元件。

图1是根据本公开的实施例的示例性高旁通涡轮风扇喷气发动机的示意局部截面侧视图。

图2是根据本公开的实施例的示例性燃烧区段的横截面侧视图。

图3是根据本公开的实施例的涡流湍流生成器的横截面视图。

图4是根据本公开的实施例的涡流湍流生成器的立体截面图。

图5A描绘了根据本公开的实施例的湍流器的示例实施例。

图5B描绘了根据本公开的实施例的湍流器的示例实施例。

图5C描绘了根据本公开的实施例的湍流器的示例实施例。

图5D描绘了根据本公开的实施例的湍流器的示例实施例。

图6是根据本公开的实施例的另一个示例涡流湍流生成器的平面图。

图7是根据本公开的实施例的另一个涡流湍流生成器的横截面视图。

图8是根据本公开的实施例的另一个涡流湍流生成器的立体横截面视图。

图9是根据本公开的实施例的用于涡流湍流生成器的延伸喇叭的示例。

图10是根据本公开的偏置涡流湍流生成器的示例。

具体实施方式

下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和构造。

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，并且不旨在表示各个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动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。

一些传统稀释孔是通过衬套的简单孔，其提供垂直于衬套的表面的空气流。稀释空气流的一个目的是在燃烧气体进入涡轮区段之前对其进行冷却。稀释空气流的另一个目的是提供衬套的表面冷却。然而，传统的稀释孔不提供从稀释孔进入燃烧室的湍流，这导致与燃烧气体的不良混合。此外，离开传统稀释孔的非湍流空气在稀释孔的后缘处停滞，这增加了停滞区中的燃烧器衬套的温度。因此，需要提供更好的混合并减少由传统稀释孔引起的停滞区。因此，本发明人发现需要引起通过稀释孔的稀释气流的湍流，以便提供稀释空气和燃烧气体的更好混合，并减少停滞区。

本公开大体涉及将稀释空气流提供到燃烧器的稀释区中。当稀释空气流经由稀释孔进入燃烧室时，它在衬套表面处与流过燃烧室的热燃烧气体混合。稀释空气流的一个目的是在燃烧气体进入涡轮区段之前对其进行冷却。稀释空气流的另一个目的是提供衬套的表面冷却。然而，当空气流垂直于表面并且通常不是湍流时，空气流保持靠近衬套的表面。结果，高温气体积聚在孔的下游边缘和表面，从而降低衬套的可靠性。此外，如果稀释空气流保持靠近衬套表面，则它不能远离衬套表面提供燃烧气体的有效混合和冷却。因此，需要一种减少稀释区中的NOx排放的方法。通过提供稀释空气流与燃烧气体的更好混合，可以减少稀释区中的NOx排放，并且可以实现稀释孔周围的燃烧器衬套的更高可靠性。

根据本公开，涡流湍流生成器形成在燃烧器的稀释区中的稀释孔处。在燃烧器衬套的冷侧上的外室中流动的空气流过涡流湍流生成器进入燃烧室，以提供与燃烧气体的混合并提供衬套表面的冷却。根据本公开的涡流湍流生成器包括以衬套中的孔的形式的流动通道，其中孔的壁衬有湍流器。湍流器是从壁延伸到孔中的突起，并且被成形为在通过湍流器的空气流中生成涡流。湍流器可以是从壁延伸的锥形突起的形式，其中锥形的基部附接到壁。当空气流过湍流器的表面时，会在空气流中生成涡流。湍流器也可以布置在壁上，其也生成围绕孔的涡流空气流。例如，湍流器可以以螺旋方式沿壁放置，使得当空气流过孔时，也可以生成围绕孔的圆周的涡流。在一些实施例中，孔的中心部分通常是敞开的，以允许一些空气自由地流过敞开部分而不流过湍流器。这具有形成通过被湍流器生成的湍流涡流包围的孔的中间的相对非湍流空气流的主射流的效果。在其他实施例中，主射流结构可以包括在孔的中心中，以将孔中的空气流分离成通过射流器的大致非湍流射流空气流和孔的湍流器部分中的围绕射流器的涡流湍流。然后来自射流器的流与燃烧室中的湍流气流混合。

由于围绕主射流空气流的湍流空气流，可以实现稀释空气更深地渗透到燃烧室中。此外，当湍流空气流离开孔时，湍流空气流提供使稀释空气存在于孔的下游侧上的整体流的尾流中。这在孔的下游部分处的衬套表面上提供了较冷的温度，从而提高衬套的可靠性。

现在参考附图，图1是可结合本公开的各种实施例的示例性高旁通涡轮风扇喷气发动机10(本文称为“发动机10”)的示意局部横截面侧视图。尽管下文参考涡轮风扇发动机进一步描述，但本公开也适用于一般的涡轮机械，包括涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机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动力单元。如图1所示，发动机10具有从上游端98到下游端99延伸通过其中的纵向或轴向中心线轴线12，以供参考。通常，发动机10可以包括风扇组件14和设置在风扇组件14下游的核心发动机16。

核心发动机16通常可以包括基本上管状的外壳18，其限定环形入口20。外壳18以串行流动关系包围或至少部分地形成：压缩机区段，其具有增压或低压(LP)压缩机22、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；以及喷射排气喷嘴区段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也可以连接到风扇组件14的风扇轴38。在特定实施例中，如图1所示，例如在间接驱动或齿轮驱动构造中，LP转子轴36可以通过减速齿轮40连接到风扇轴38。在其他实施例中，尽管未示出，但发动机10还可以包括中压(IP)压缩机和可随中压轴旋转的涡轮。

如图1所示，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并从风扇轴38径向向外延伸。环形风扇壳体或机舱44周向围绕风扇组件14和/或核心发动机16的至少一部分。在一个实施例中，机舱44可以通过多个周向间隔开的出口导向轮叶或支柱46相对于核心发动机16被支撑。此外，机舱44的至少一部分可以在核心发动机16的外部分上延伸，以便在其间限定旁通气流通道48。

图2是如图1所示的核心发动机16的示例性燃烧区段26的横截面侧视图。如图2所示，燃烧区段26通常可包括环形燃烧器组件50，其具有环形内衬52、环形外衬54和隔板壁56，它们一起限定燃烧室62。燃烧室62可以更具体地限定区域，该区域限定初级燃烧区62(a)，在初级燃烧区62(a)处，可以在进一步向下游流动到稀释区62(b)之前发生燃料-氧化剂混合物72的初始化学反应和/或燃烧气体86的再循环，在稀释区62(b)处，燃烧产物和空气的混合和/或再循环可以在流动到HP涡轮28和LP涡轮30之前发生。隔板壁56和圆顶组件57各自分别在径向间隔开的内衬52和外衬54的上游端58、60之间径向延伸。圆顶组件57设置在隔板壁56的下游，邻近限定在圆顶组件57、内衬52和外衬54之间的大致环形燃烧室62。在特定实施例中，内衬52和/或外衬54可以至少部分或全部由金属合金或陶瓷基复合物(CMC)材料形成。

如图2所示，内衬52和外衬54可以被包围在扩散器或外壳64内。可围绕内衬52和/或外衬54限定外流动通道66。内衬52和外衬54可以从隔板壁56朝向涡轮喷嘴或入口68延伸到HP涡轮28(图1)，因此至少部分地限定燃烧器组件50和HP涡轮28之间的热气路径。内衬52的与外流动通道66相邻的外表面可称为冷表面侧52(a)，外衬54的与外流动通道66相邻的外表面可称为冷表面侧54(a)。内衬52的与热气路径相邻的内表面可称为热表面侧52(b)，外衬54的与热气路径相邻的内表面可称为热表面侧54(b)。

如图2进一步所示，燃烧器组件50的内衬52和外衬54中的每一个可包括多个稀释涡流湍流生成器90。如下文将更详细描述的，稀释涡流湍流生成器90提供通过其中并进入燃烧室62的压缩空气82(c)流。因此，压缩空气82(c)流既可以用来冷却内衬52和外衬54的一部分，也可以用来冷却初级燃烧区62(a)下游的燃烧气体86，以便冷却进入涡轮区段的燃烧气体86流。

在发动机10的操作期间，如图1和图2共同所示，如箭头74示意性指示的一定量空气通过机舱44和/或风扇组件14的相关入口76从上游端98进入发动机10。当空气74穿过风扇叶片42时，由箭头78示意性指示的一部分空气被引导或导向到旁通气流通道48中，而由箭头80示意性指示的另一部分空气被引导或导向到低压压缩机22中。空气80在朝向燃烧区段26流过LP压缩机22和HP压缩机24时被逐渐压缩。如图2所示，如箭头82示意性指示的当前压缩空气流过压缩机出口导向轮叶(CEGV)67，并通过预扩散器65进入燃烧区段26的扩散器腔84。

压缩空气82对扩散器腔84加压。如箭头82(a)示意性所示的压缩空气82的第一部分从扩散器腔84流入燃烧室62，在燃烧室62中，压缩空气82的第一部分与从燃料喷嘴70喷射的燃料混合以形成被燃烧的燃料/空气混合物72，从而在燃烧器组件50的初级燃烧区62(a)内生成如箭头86示意性所示的燃烧气体86。通常，LP压缩机22和HP压缩机24向扩散器腔84提供比燃烧所需更多的压缩空气。因此，如箭头82(b)示意性指示的压缩空气82的第二部分可用于除燃烧之外的各种目的。例如，如图2所示，压缩空气82(b)可以被导向到外流动通道66中，以向内衬52和外衬54提供冷却。压缩空气82(b)的一部分可被导向通过稀释涡流湍流生成器90(示意性地示出为压缩空气82(c))并进入燃烧室62的稀释区62(b)，以向内衬52和外衬54提供冷却。压缩空气82(c)还可以为稀释区62(b)中的燃烧气体86提供冷却，并且还可以为燃烧气体86流提供湍流，以便提供稀释氧化剂气体(压缩空气82(c))与燃烧气体86的更好混合。此外，或在替代方案中，压缩空气82(b)的至少一部分可被导向出扩散器腔84。例如，压缩空气82(b)的一部分可被引导通过各种流动通道，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，因此导致HP转子轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。如图1所示，燃烧气体86然后被导向通过LP涡轮30，因此导致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。然后，燃烧气体86通过核心发动机16的喷射排气喷嘴区段32排出，以在下游端99处提供推进。

图3是在图2的细节3-3处看到的外衬54的区段的放大图。在图3中，描绘了根据本公开的一个实施例的稀释涡流湍流生成器的横截面。图3的稀释涡流湍流生成器可以形成为插入件，以安装在内衬52或外衬54中。或者，稀释涡流湍流生成器可以与内衬52和外衬54一体形成。图3描绘了作为插入件的稀释涡流湍流生成器的示例，而图4描绘了可以与内衬52或外衬54成一体的稀释涡流湍流生成器。在图3中，可以看到稀释涡流湍流生成器元件100包括基体106。基体106的形状可以是大致圆柱形的，以便适配在内衬52或外衬54的对应孔内。基体106包括冷表面侧54(a)和热表面侧54(b)。当安装在外衬54中时，冷表面侧54(a)与外流动通道66相邻，而热表面侧54(b)与燃烧室62相邻。通过基体106形成的是氧化剂流动通道108，氧化剂流动通道108允许氧化剂的压缩空气82(c)流从外流动通道66进入燃烧室62。流动通道108包括壁102。壁102在从基体106的冷表面侧54(a)到基体106的热表面侧54(b)的流动通道108的整个长度上可以是圆柱形的。或者，壁102的一部分可以沿着流动通道108的轴向长度的一部分是圆柱形的，而壁102的另一部分(102a)可以是圆锥形的。在另一个实施例中，整个流动通道108可以是圆锥形的。在任一情况下，流动通道108的圆锥形表面102a的大直径D1朝向基体106的冷表面侧54(a)布置，而圆锥形表面102a的小直径D2朝向基体106的热表面侧54(b)布置。

再次参考图3和图4，可以看到多个涡流生成湍流器104附接到壁102，并且包括从壁102延伸到流动通道108的开口部分中的突起部分104a。每个涡流生成湍流器都形成有空气动力学形状，使得当氧化剂(空气)流横穿湍流器时，由湍流器在流中生成涡流。如图所示，可围绕壁102设置多排湍流器104，其中第一排湍流器104可以位于更靠近冷表面侧54(a)，并且第二排湍流器104可以位于更靠近热表面侧54(b)。在提供多排湍流器104的情况下，一排中的湍流器104可以绕流动通道108的中心线轴线168围绕壁102旋转交错，例如在图4的两个交错排中看到的湍流器104。或者，可以替代地包括单排湍流器104，或者可以包括多于两排湍流器104。此外，可以实施其中湍流器104以螺旋图案沿壁从冷表面侧54(a)延伸到热表面侧54(b)的布置。湍流器104的一个目的是生成流过流动通道108的氧化剂(空气)的涡流湍流。更具体地，湍流器104布置成使得在氧化剂流离开流动通道108并进入燃烧室62的热表面侧54(b)处，在出口处生成涡流或湍流。

在图3和4中，可以看到湍流器104的形状大体为圆锥形或棱锥形，圆锥形/棱锥形湍流器的基部分170连接到壁102，而圆锥形/棱锥形湍流器的顶点部分172延伸到流动通道108的开口部分中。圆锥形/棱锥形形状的一个表面110被布置成直接暴露于通过流动通道108的空气流。例如，如图3所示，湍流器104可以是圆锥的一部分，其中外圆锥形表面110面向冷表面侧以接收进入的空气流。当空气流通过圆锥形形状的表面时，由湍流器104在空气流中生成涡流。对于本文的描述，表面110(以及下面描述的对应其他表面)通常将被认为是初级流界面表面。即，表面110将被认为是湍流器的主空气动力学表面，其通常提供与通过流动通道108的进入的氧化剂流的相互作用。

现在参考图5A至5D，其中描绘了可以在本公开的各种实施例中实施的湍流器104的一些布置。图5A至5D中所示的每个湍流器104可以类似于图3和4中所示的湍流器布置在壁102上。图5A描绘了包括初级流界面表面的大致棱锥形湍流器104，初级流界面表面为大致三角形表面112。在图5B中，湍流器104同样是大致棱锥形的，并且包括与图5A的三角形表面112类似的初级流界面表面114，但在从壁102延伸到流动通道108的开口部分中的侧面上具有圆形边缘。在图5C中，表面116类似于图5A的三角形表面112，但被分成两个三角形，在其间形成腔118。图5D类似于图5C，但包括表面120的三个三角形截面。

不管实施的湍流器104的形状如何，可以理解的是，可以基于所采用的形状来调整湍流器到壁102的附接，以便提供穿过表面的期望空气动力流。例如，如图4所示，圆锥形湍流器104可以安装在壁上，使得圆锥形表面110大体垂直于进入流。然而，湍流器104可以绕圆锥形轴线旋转，使得圆锥形表面110相对于进入流处于期望角度。这样的角度可以用于生成离开圆锥形表面110的涡流湍流，以及引导一部分进入空气流在围绕壁102的圆周的切线方向上偏转离开圆锥形表面110。因此，这可以在流动通道108内提供整体涡流。

在图3和图4中，还可以看到流动通道108的中间部分可以打开以允许自由空气流通过其中。即，湍流器104的长度可以使得它们不从壁102延伸穿过流动通道108的中心线轴线，从而允许湍流器104的尖端之间的通畅孔，如从冷表面侧54(a)的平面图(未示出)中看到的。因此，这种布置使气流的大致非湍流主射流通过开口部分，而湍流器104生成围绕中央主射流的湍流涡流。当在热表面侧离开涡流湍流生成器时，主射流将具有比较慢湍流更高的速度。然后主射流可以更深地渗透到燃烧室中，而周围湍流可以在出口周围(特别是在流的下游尾流部分(将在下面更详细地描述))提供稀释空气。

图6至图8描绘了根据本公开的稀释涡流湍流生成器的另一个实施例。例如，图6是从外衬54的冷表面侧54(a)截取的稀释涡流湍流生成器的平面图。图7是沿图6所示的平面7-7截取的横截面视图，并且图8是沿平面7-7截取的横截面的立体图。在图6至图8中，本实施例的稀释涡流湍流生成器包括类似于图3和图4的涡流湍流生成部分139，但还包括设置在其中的稀释流主射流器130。如图6至图8所示，本实施例包括壁102和形成在壁102上的与图3和图4中所示类似的湍流器104，从而形成湍流生成部分。然而，与图3和图4相比，可以看到图7中的壁102是从冷表面侧54(a)延伸到热表面侧54(b)的圆锥形。圆锥形壁的大直径部分180位于冷表面侧54(a)，圆锥形壁的小直径部分182位于热表面侧54(b)。因此，壁102形成通过其中的会聚空气流。附接到壁102的是湍流器104，其可以包括之前描述的任何湍流器实施例。此外，类似于图3和图4，图6至图8所示的本实施例包括绕壁102的两排湍流器。因此，前述壁和湍流器限定本实施例的湍流生成部分。

在本实施例中，稀释流主射流器130包括在湍流生成部分139内。主射流器130从衬套的冷表面侧54(a)延伸到衬套的热表面侧54(b)。主射流器130在图中被描绘为大致圆锥形的壁102，并且示出为相对于壁102大致中心地位于流动通道的开口部分中，在主射流器130和壁102之间具有间隙144。然而，主射流器130不必是圆锥形的并且可以替代地实施其他布置。此外，主射流器130不需要相对于壁102位于中心，而是可以偏移。对于这些图中描绘的圆锥形主射流器，可以看到大直径部分184与衬套的冷表面侧54(a)相邻，而可以看到小直径部分186与衬套的热表面侧54(b)相邻。

可以看到主射流器130具有通过其中的主射流器流动通道132。主射流器流动通道132将通过主射流器的氧化剂流从衬套的冷表面侧提供到热表面侧。可以看到主射流器由圆锥形射流器壁134形成，圆锥形射流器壁134具有限定主射流器流动通道132的内表面136和外表面138。内表面136可以是相对光滑的，以便提供通过主射流器流动通道132进入燃烧室62的氧化剂的相对非湍流。或者，内表面136还可以包括湍流器。外表面138也可以是光滑的，或者如图所示，可以包括附接到其并延伸到外表面138和壁102之间的间隙144中的湍流器142。湍流器142与壁102上的湍流器104可以是相同类型，或者它们可以是不同类型。

可以看到主射流器130由肋140支撑。在图6至图8中，主射流器130示出为由四个肋140支撑，但是可以实施多于四个肋或少于四个肋来支撑主射流器130。此外，图6至图8描绘了位于主射流器130的冷表面侧54(a)上的肋140，并且没有描绘位于主射流器130的热表面侧上的肋140。然而，可以理解的是，肋140也可以设置在主射流器的热表面侧上，或者可以设置在冷表面侧和热表面侧之间的任何位置，将外表面138连接到壁102。此外，虽然图中未示出，但肋140还可以包括附接到其的湍流器104。

图6至图8中描绘的稀释涡流湍流生成器通常通过主射流器130和围绕主射流器130的湍流生成部分139提供从内衬52的冷表面侧52(a)到内衬52的热表面侧52(b)，或从外衬54的冷表面侧54(a)到热表面侧54(b)的氧化剂流。因此，如图7所示，氧化剂的相对平滑的主射流150由主射流器130提供至燃烧室62，而氧化剂的湍流152经由湍流生成器部分提供至燃烧室。在燃烧室中的涡流湍流生成器的出口处(即，在热表面侧54(b)处)，主射流150和湍流152彼此混合。如稍后将描述的，这种布置减少衬套上的出口的下游部分上的热燃烧气体，从而减少NOx排放并提供更好的衬套耐久性。

图9描绘了根据本公开的涡流湍流生成器的另一个实施例。在图9中，延伸喇叭154设置在燃烧器衬套的冷表面侧54(a)上。延伸喇叭154从冷表面侧54(a)延伸到外流动通道66(图2)中。延伸喇叭154包括冷表面侧54(a)处的近端156和远端158。类似于图3和4，涡流湍流生成器设置在延伸喇叭154中并且可以从远端158通过流动通道108延伸到热表面侧54(b)。因此，涡流生成湍流器104围绕通过延伸喇叭154的长度的内流动通道108设置。涡流生成湍流器104可以沿流动通道108的长度以螺旋图案围绕圆周布置，从而生成离开流动通道108进入燃烧室62的涡流(通常描绘为159)。

在图10中描绘的根据本公开的另一个实施例中，类似于图6至图8中所示的湍流生成器/主射流器构造可以以非同心方式实施。图10大体描绘了示例平面图，其中湍流生成部分不是像图6至图8中所示的那样的圆形，而是大体可以具有泪滴形状。也就是说，形成流动通道108的壁102的第一部分160可以与主射流器130大致同心。形成壁102的第二部分162可以与主射流器130不同心，并且可以是比第一部分160更大的尺寸(例如，直径)。在这种布置中，第一部分160和主射流器130朝向涡流生成器的上游端98定位，而第二部分162可以朝向涡流生成器的下游端99定位。可以看到形成第二部分162的壁102包括湍流器104，而第一部分160可以不包括湍流器104。因此，湍流生成器的第二部分162可以在进入燃烧室的出口的下游侧生成氧化剂的湍流，而主射流器130在湍流的上游提供氧化剂的平滑流(非湍流)。这种布置有助于在流的下游端提供更好的湍流，从而降低涡流生成器下游侧的温度。

在本公开与传统稀释孔的比较中，在传统稀释孔中，燃烧气体向下游流动并且稀释空气通过稀释孔到达燃烧室。气体的较高温度存在于孔后面的混合位置，稀释空气在该混合位置处与燃烧气体混合，离开稀释孔。传统稀释孔中的较高温度是由于燃烧气体和稀释空气缺乏湍流混合。此外，传统稀释孔在稀释孔的下游边缘处具有小尾流区域。小尾流导致下游边缘处的热气体浓度更高。结果，气体壁处的较高温度集中在稀释孔的下游边缘处，从而降低衬套的寿命。

相比之下，对于本公开的涡流湍流生成器，由于湍流空气与热燃烧气体混合，在孔后面的混合位置处的气体温度较低，从而减少NOx排放。此外，稀释空气存在于稀释流的尾流中，这降低了下游侧上的稀释孔边缘处的温度，并使热气体进一步向下游扩散。稀释空气的较低温度和扩散提供了更好的衬套可靠性。

作为传统稀释孔和本公开的涡流湍流生成器之间的进一步比较，本公开的涡流湍流生成器在稀释空气的下游侧提供比传统稀释孔中的较高速度流更低的速度流。更低速度表示来自涡流湍流生成器的湍流进入燃烧室。

作为燃烧室中的湍流动能(TKE)的进一步比较，在传统稀释孔中，由于射流离开孔，湍流通常集中在稀释孔附近。相比之下，在本公开的涡流湍流生成器中，湍流进一步向下游扩散，从而导致与燃烧气体更好地混合并降低NOx排放。

本公开还提供在燃气涡轮发动机的燃烧器中提供氧化剂的稀释流的方法。根据本公开，在燃烧器衬套的冷表面侧提供氧化剂流。来自燃烧器衬套的冷表面侧的氧化剂流被提供给燃烧器衬套内的涡流湍流生成器。涡流湍流生成器生成氧化剂的涡流湍流，将生成的涡流湍流输出到燃烧器衬套的热表面侧上的燃烧室。在涡流湍流生成器中生成湍流涉及使氧化剂流通过涡流湍流器的涡流生成表面，涡流湍流器设置在流动通道壁上，流动通道壁延伸通过涡流湍流生成器并限定通过其中的氧化剂流动通道。涡流湍流器从流动通道壁延伸到流动通道的开口部分中，并且涡流湍流器的涡流生成表面生成通过涡流湍流生成器内的涡流湍流器的表面的氧化剂的涡流。涡流湍流生成器可以具有设置在流动通道壁上的多个涡流湍流器，并且多个涡流湍流器进一步在涡流湍流生成器内围绕流动通道生成氧化剂的涡流。更进一步，涡流湍流生成器布置成提供通过涡流湍流生成器的中心部分从燃烧器衬套的冷表面侧到燃烧器衬套的热表面侧的非湍流氧化剂流射流，并且非湍流氧化剂流射流与氧化剂的涡流湍流一起输出到燃烧室中，涡流湍流围绕非湍流氧化剂流射流输出。

虽然前面的描述大体涉及燃气涡轮发动机，但可以容易地理解，燃气涡轮发动机可以在各种环境中实施。例如，发动机可以在飞行器中实施，但也可以在非飞行器应用(例如发电站、海洋应用或油气生产应用)中实施。因此，本公开不限于在飞行器中使用。

本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。

一种用于燃气涡轮的燃烧器，包括：燃烧器衬套，所述燃烧器衬套具有冷表面侧和热表面侧；燃烧室，所述燃烧室布置在所述燃烧器衬套的所述热表面侧；涡流湍流生成器，所述涡流湍流生成器布置在所述燃烧器衬套上，所述涡流湍流生成器包括：湍流生成器流动通道，所述湍流生成器流动通道从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧延伸通过所述燃烧器衬套到所述燃烧器衬套的所述热表面侧，所述湍流生成器流动通道由围绕所述湍流生成器流动通道的外围的湍流生成器壁限定；以及多个涡流生成湍流器，所述多个涡流生成湍流器设置在所述湍流生成器壁上，所述多个涡流生成湍流器中的每一个包括从所述湍流生成器壁的表面延伸到所述湍流生成器流动通道中的突起部分，并且生成从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧通过所述湍流生成器流动通道到所述燃烧器衬套的所述热表面侧的氧化剂的涡流湍流。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述湍流生成器壁的至少一部分是圆锥形表面，所述圆锥形表面的大直径朝向所述燃烧器衬套的所述冷表面侧设置，并且所述圆锥形表面的小直径朝向所述燃烧器衬套的所述热表面侧设置。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述多个涡流生成湍流器包括设置在所述湍流生成器壁上的多排涡流生成湍流器，所述多排涡流生成湍流器中的第一排设置为与所述燃烧器衬套的所述冷表面侧相邻，并且所述多排涡流生成湍流器中的第二排设置为与所述燃烧器衬套的所述热表面侧相邻。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述第一排中的涡流生成湍流器相对于所述第二排中的涡流生成湍流器围绕所述湍流生成器流动通道的中心轴线在所述湍流生成器壁上旋转地交错。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述涡流生成湍流器中的每一个是圆锥形元件，所述圆锥形元件的基部分设置在所述湍流生成器壁上，并且所述圆锥形元件的顶点部分延伸到所述湍流生成器流动通道中。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述涡流湍流生成器进一步包括延伸喇叭，所述延伸喇叭具有所述燃烧器衬套的所述冷表面侧处的近端和从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧延伸的远端，其中所述湍流生成器流动通道进一步从所述近端延伸通过所述延伸喇叭到所述远端。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述涡流湍流生成器进一步包括主射流器，所述主射流器包括射流器壁，所述射流器壁具有通过其中的主射流器流动通道，所述射流器壁具有限定所述主射流器流动通道的射流器壁内表面和射流器壁外表面，其中所述主射流器从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧延伸到所述燃烧器衬套的所述热表面侧，并且其中，所述主射流器设置在所述湍流生成器流动通道内，在所述湍流生成器壁和所述射流器壁外表面之间具有间隙。

根据任何前述条项所述的燃烧器，进一步包括多个涡流生成湍流器，所述多个涡流生成湍流器设置在所述射流器壁外表面上并且延伸到所述间隙中。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述湍流生成器壁、所述射流器壁内表面和所述射流器壁外表面各自包括彼此径向布置的圆锥形表面，每个圆锥形表面的大直径部分设置在所述燃烧器衬套的所述冷表面侧，并且每个圆锥形表面的小直径部分设置在所述燃烧器衬套的所述热表面侧。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述主射流器将所述氧化剂的非湍流提供到所述燃烧室中，并且其中，所述湍流生成器将所述氧化剂的湍流涡流提供到所述燃烧室中，所述湍流涡流在所述燃烧器衬套的所述热表面侧处围绕所述非湍流。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，所述湍流生成器壁包括与所述主射流器同心的第一部分以及与所述主射流器不同心的第二部分，所述第一部分在所述涡流湍流生成器的上游侧，所述第二部分在所述涡流湍流生成器的下游侧并且具有比所述第一部分更大的半径。

根据任何前述条项所述的燃烧器，其中，设置在所述湍流生成器的所述壁上的所述多个湍流器设置在所述第二部分上而不设置在所述第一部分上。

根据任何前述条项所述的燃烧器，进一步包括设置在所述射流器壁内表面上的多个涡流生成湍流器。

本公开的进一步方面由以下进一步条项的主题提供。

一种用于燃气涡轮的燃烧器的稀释涡流湍流生成器，所述生成器包括：基体，所述基体具有冷表面侧和热表面侧；湍流生成器流动通道，所述湍流生成器流动通道从所述冷表面侧延伸通过所述基体到所述热表面侧，所述湍流生成器流动通道由围绕所述湍流生成器流动通道的外围的湍流生成器壁限定；以及多个涡流生成湍流器，所述多个涡流生成湍流器设置在所述湍流生成器壁上，所述多个涡流生成湍流器中的每一个包括从所述湍流生成器壁的表面延伸到所述湍流生成器流动通道中的突起部分，并且生成从所述基体的所述冷表面侧通过所述湍流生成器流动通道到所述基体的所述热表面侧的氧化剂的涡流湍流。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，其中，所述湍流生成器壁的至少一部分是圆锥形表面，所述圆锥形表面的大直径朝向所述基体的所述冷表面侧设置，并且所述圆锥形表面的小直径朝向所述基体的所述热表面侧设置。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，其中，所述多个涡流生成湍流器包括设置在所述湍流生成器壁上的多排所述涡流生成湍流器，所述多排中的第一排设置为与所述基体的所述冷表面侧相邻，并且所述多排中的第二排设置为与所述基体的所述热表面侧相邻。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，其中，所述第一排中的所述涡流生成湍流器相对于所述第二排中的所述涡流生成湍流器围绕所述湍流生成器流动通道的中心轴线在所述湍流生成器壁上旋转地交错。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，其中，所述涡流生成湍流器中的每一个是圆锥形元件，所述圆锥形元件的基部分设置在所述湍流生成器壁上，并且所述圆锥形元件的顶点部分延伸到所述湍流生成器流动通道中。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，进一步包括延伸喇叭，所述延伸喇叭具有所述基体的所述冷表面侧处的近端和从所述基体的所述冷表面侧延伸的远端，其中所述湍流生成器流动通道进一步从所述近端延伸通过所述延伸喇叭到所述远端。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，进一步包括主射流器，所述主射流器包括射流器壁，所述射流器壁具有通过其中的主射流器流动通道，所述射流器壁具有限定所述主射流器流动通道的射流器壁内表面和射流器壁外表面，其中所述主射流器从所述基体的所述冷表面侧延伸到所述基体的所述热表面侧，并且其中，所述主射流器设置在所述湍流生成器流动通道内，在所述湍流生成器壁和所述射流器壁外表面之间具有间隙。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，进一步包括多个涡流生成湍流器，所述多个涡流生成湍流器设置在所述射流器壁外表面上并延伸到所述间隙中。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，进一步包括设置在所述射流器壁内表面上的多个涡流生成湍流器。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，其中，所述湍流生成器壁、所述射流器壁内表面和所述射流器壁外表面各自包括彼此径向布置的圆锥形表面，每个圆锥形表面的大直径部分设置在所述基体的所述冷表面侧，并且每个圆锥形表面的小直径部分设置在所述基体的所述热表面侧。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，其中，所述湍流生成器壁的所述表面包括与所述主射流器同心的第一部分以及与所述主射流器不同心的第二部分，所述第一部分在所述稀释涡流湍流生成器的上游侧上，所述第二部分在所述稀释涡流湍流生成器的下游侧上并且具有比所述第一部分更大的半径。

根据任何前述条项所述的稀释涡流湍流生成器，其中，设置在所述湍流生成器壁上的所述多个湍流器设置在所述第二部分上并且不设置在所述第一部分上。

本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。

一种在燃气涡轮的燃烧器中提供氧化剂的稀释流的方法，所述方法包括：在燃烧器衬套的冷表面侧提供氧化剂流；将所述氧化剂流从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧提供到所述燃烧器衬套内的涡流湍流生成器；在所述涡流湍流生成器内生成所述氧化剂的涡流湍流，并且从所述涡流湍流生成器输出到所述燃烧器衬套的所述热表面侧上的燃烧室，在生成步骤中生成所述氧化剂的所述涡流湍流，其中所述生成步骤包括：使所述氧化剂流通过涡流湍流器的涡流生成表面，所述涡流湍流器设置在流动通道壁上，所述流动通道壁延伸通过所述涡流湍流生成器并限定通过其中的氧化剂流动通道，其中所述涡流湍流器从所述流动通道壁延伸到所述流动通道的开口部分中，并且其中，所述涡流湍流器的所述涡流生成表面生成所述氧化剂的涡流，所述氧化剂的涡流通过所述涡流湍流生成器内的所述涡流湍流器的所述表面。

根据任何前述条项所述的方法，其中，所述涡流湍流生成器包括设置在所述流动通道壁上的多个涡流湍流器，其中所述多个涡流湍流器进一步在所述涡流湍流生成器内围绕所述流动通道生成所述氧化剂的涡流。

根据任何前述条项所述的方法，其中，所述涡流湍流生成器布置成提供从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧通过所述涡流湍流生成器的中心部分到所述燃烧器衬套的所述热表面侧的非湍流氧化剂流射流，并且其中，在所述输出中，所述非湍流氧化剂流射流与所述氧化剂的所述涡流湍流一起输出到所述燃烧室中，所述涡流湍流围绕所述非湍流氧化剂流射流输出。

尽管前面的描述针对本公开的一些示例性实施例，但是应当注意，其他变化和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合本公开的一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮的燃烧器，其特征在于，包括：

燃烧器衬套，所述燃烧器衬套具有冷表面侧和热表面侧；

燃烧室，所述燃烧室布置在所述燃烧器衬套的所述热表面侧；

涡流湍流生成器，所述涡流湍流生成器布置在所述燃烧器衬套上，所述涡流湍流生成器包括：

湍流生成器流动通道，所述湍流生成器流动通道从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧延伸通过所述燃烧器衬套到所述燃烧器衬套的所述热表面侧，所述湍流生成器流动通道由围绕所述湍流生成器流动通道的外围的湍流生成器壁限定；以及

多个涡流生成湍流器，所述多个涡流生成湍流器设置在所述湍流生成器壁上，所述多个涡流生成湍流器中的每一个包括从所述湍流生成器壁的表面延伸到所述湍流生成器流动通道中的突起部分，并且生成从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧通过所述湍流生成器流动通道到所述燃烧器衬套的所述热表面侧的氧化剂的涡流湍流。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，其中，所述湍流生成器壁的至少一部分是圆锥形表面，所述圆锥形表面的大直径朝向所述燃烧器衬套的所述冷表面侧设置，并且所述圆锥形表面的小直径朝向所述燃烧器衬套的所述热表面侧设置。

3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，其中，所述多个涡流生成湍流器包括设置在所述湍流生成器壁上的多排涡流生成湍流器，所述多排涡流生成湍流器中的第一排设置为与所述燃烧器衬套的所述冷表面侧相邻，并且所述多排涡流生成湍流器中的第二排设置为与所述燃烧器衬套的所述热表面侧相邻。

4.根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，其中，所述第一排中的涡流生成湍流器相对于所述第二排中的涡流生成湍流器围绕所述湍流生成器流动通道的中心轴线在所述湍流生成器壁上旋转地交错。

5.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，其中，所述多个涡流生成湍流器中的每一个是圆锥形元件，所述圆锥形元件的基部分设置在所述湍流生成器壁上，并且所述圆锥形元件的顶点部分延伸到所述湍流生成器流动通道中。

6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，其中，所述涡流湍流生成器进一步包括延伸喇叭，所述延伸喇叭具有所述燃烧器衬套的所述冷表面侧处的近端和从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧延伸的远端，

其中所述湍流生成器流动通道进一步从所述近端延伸通过所述延伸喇叭到所述远端。

7.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，其中，所述涡流湍流生成器进一步包括主射流器，所述主射流器包括射流器壁，所述射流器壁具有通过其中的主射流器流动通道，所述射流器壁具有限定所述主射流器流动通道的射流器壁内表面和射流器壁外表面，

其中，所述主射流器从所述燃烧器衬套的所述冷表面侧延伸到所述燃烧器衬套的所述热表面侧，并且

其中，所述主射流器设置在所述湍流生成器流动通道内，在所述湍流生成器壁和所述射流器壁外表面之间具有间隙。

8.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，进一步包括多个涡流生成湍流器，所述多个涡流生成湍流器设置在所述射流器壁外表面上并且延伸到所述间隙中。

9.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，其中，所述湍流生成器壁、所述射流器壁内表面和所述射流器壁外表面各自包括彼此径向布置的圆锥形表面，每个圆锥形表面的大直径部分设置在所述燃烧器衬套的所述冷表面侧，并且每个圆锥形表面的小直径部分设置在所述燃烧器衬套的所述热表面侧。

10.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，其中，所述主射流器将所述氧化剂的非湍流提供到所述燃烧室中，并且

其中，所述涡流湍流生成器将所述氧化剂的湍流涡流提供到所述燃烧室中，所述湍流涡流在所述燃烧器衬套的所述热表面侧处围绕所述非湍流。

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