CN115435339A

CN115435339A - 燃料喷嘴

Info

Publication number: CN115435339A
Application number: CN202210616886.7A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉斯·R·奥弗曼
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2022-12-06
Also published as: US11448175B1

Abstract

一种用于燃烧器的燃料喷嘴，包括燃料主体、具有主燃料出口的主燃料通道和具有次级燃料出口的次级燃料通道，次级燃料通道与主燃料通道不同心。主燃料出口和次级燃料出口不平行。主燃料出口的轴向中心线相对于主燃料通道的轴向中心线成角度，并且次级燃料出口的轴向中心线与次级燃料通道的轴向中心线共线。还提供了一种将非同心、非平行燃料流引入燃烧器的方法。

Description

燃料喷嘴

政府利益

本发明是在政府支持下根据合同号FA8650-15-D-2501完成的。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本公开涉及一种燃料喷嘴。更具体地，本公开涉及一种具有非同心双孔口的燃料喷嘴。

背景技术

现有用于燃烧器的燃料喷嘴通常是同心双孔口喷嘴。这种喷嘴具有同心地位于次级燃料通道内的主燃料通道。现有布置在需要燃料的地方分配燃料的选项方面受到限制。因此，这种布置可能会遭受将过多的燃料或过少的燃料引入主燃烧区和次级燃烧区。这可能导致高排放和低效率。

发明内容

根据一个实施例，一种用于燃烧器的燃料喷嘴可包括燃料喷嘴主体、具有主燃料出口的主燃料通道和具有次级燃料出口的次级燃料通道，次级燃料通道与主燃料通道不同心。主燃料出口和次级燃料出口可以是不平行的。主燃料出口的轴向中心线可以相对于燃料喷嘴主体成角度，并且次级燃料出口的轴向中心线可以与燃料喷嘴主体共线。

根据一个实施例，一种将燃料引入燃烧器的方法可以包括相对于燃烧器在周向方向上通过主燃料通道引入主燃料流，以及相对于燃烧器在径向向内的方向上通过次级燃料通道引入次级燃料流。主燃料流可以与次级燃料流不同心并且与次级燃料流不平行。

通过考虑以下详细描述、附图和权利要求来阐述或显而易见本公开的附加特征、优点和实施例。此外，应当理解，本公开的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

前述和其他特征和优点将从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中变得明显，其中相同的附图标记通常表示相同、功能相似和/或结构相似的元件。

图1A示出了根据本公开的实施例的燃料喷嘴的示意图。

图1B示出了根据本公开的实施例的沿图1A的截面线1B-1B截取的图1A的燃料喷嘴的示意性截面视图。

图2示出了根据本公开的实施例的燃料喷嘴的示意图。

图3A示出了根据本公开的实施例的沿图2的截面线3A-3A截取的图2的燃料喷嘴的示意性截面视图。

图3B示出了根据本公开的实施例的沿图3A的截面线3B-3B截取的图3A的燃料喷嘴的示意性截面视图。

图3C示出了根据本公开的实施例的图3A的燃料喷嘴的示意性仰视图。

图4A示出了根据本公开的实施例的沿图2的截面线4A-4A截取的图2的燃料喷嘴的示意性截面视图。

图4B示出了根据本公开的实施例的沿图4A的截面线4B-4B截取的图4A的燃料喷嘴的示意性截面视图。

图4C示出了根据本公开的实施例的图4A的燃料喷嘴的示意性仰视图。

图5示出了根据本公开的实施例的沿图2的类似截面3A-3A截取的燃料喷嘴的示意性截面视图。

图6A示出了根据本公开的实施例的具有燃料喷嘴的燃烧器的示意图。

图6B示出了根据本公开的实施例的具有燃料喷嘴的燃烧器的示意图。

图6C示出了根据本公开的实施例的具有燃料喷嘴的燃烧器的示意图。

图7A示出了根据本公开的实施例的具有燃料喷嘴的燃烧器的示意图。

图7B示出了根据本公开的实施例的具有燃料喷嘴的燃烧器的示意图。

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背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。

根据本公开的实施例，可以为超紧凑型燃烧器或任何其他燃气涡轮燃烧器提供燃料喷嘴。燃料喷嘴可包括主燃料通道和次级燃料通道。主燃料通道和次级燃料通道可以是非同心的、间隔开的通道。主燃料通道和次级燃料通道可以是平行的或不平行的。主燃料通道和次级燃料通道可以允许对通过燃料喷嘴的燃料流进行位置控制。燃料喷嘴可包括空气辅助回路。

参考图1A和1B，示出了燃料喷嘴10的示意图。燃料喷嘴10可包括下部主体12、末端14和上部主体16。参照图1B，燃料喷嘴10可包括主燃料通道18和次级燃料通道20。主燃料通道18和次级燃料通道20可以是单独的通道。也就是说，主燃料通道18和次级燃料通道20可以不彼此流体连通。主燃料通道18可位于次级燃料通道20内(例如，内部)。主燃料通道18和次级燃料通道20可以同心对齐。主燃料通道18可以同心地位于次级燃料通道20内。例如，主燃料通道18和次级燃料通道20可以共享共同的轴向中心线19，使得它们是同轴的。因此，燃料喷嘴10可以是同心双孔口燃料喷嘴。主燃料通道18可以包括主燃料出口22，并且次级燃料通道20可以包括次级燃料出口24。主燃料出口22可以位于次级燃料通道20内并且位于次级燃料出口24的后面或上游。

在操作期间，燃料流可以通过主燃料通道18和次级燃料通道20被引入。由主燃料通道18和次级燃料通道20的喷射进入相似的区域(例如参见图6A)。主燃料通道18和次级燃料通道20不可定位在燃料喷嘴10内，因此不允许燃料流在燃料喷嘴10本身内的位置分级(例如，通道本身在燃料喷嘴内不成角度)。在一些情况下，可能存在内侧分级和外侧分级(例如，不同喷嘴相对于外壳体202的角度定位)，如图6C所示。燃料喷嘴10因此遭受将过多或过少的燃料引入主燃烧区和次级燃烧区。这可能导致高排放和低效率。

现在参考图2至3C，示出了燃料喷嘴100的示意图。燃料喷嘴100可包括下部主体112、末端114和上部主体116。参考图3A至4B，燃料喷嘴100可包括主燃料通道118和次级燃料通道120。主燃料通道118和次级燃料通道120可以是单独的通道。也就是说，主燃料通道118和次级燃料通道120可以不彼此流体连通。

如图3A至3C所示，主燃料通道118和次级燃料通道120可以彼此相邻(即，彼此邻近)定位。也就是说，主燃料通道118的轴向中心线118a和次级燃料通道120的轴向中心线120a可以彼此间隔开(图3A)。轴向中心线118a和轴向中心线120a可以是平行的，使得主燃料通道118和次级燃料通道120平行且对齐。主燃料通道118可以包括主燃料出口122，并且次级燃料通道120可以包括次级燃料出口124。主燃料出口122可以与次级燃料出口124分开并间隔开。主燃料出口122和次要燃料出口124可以各自以喷雾形式提供燃料流，该喷雾是喷雾锥、平板、离散射流或它们的任何组合。主燃料出口122和次级燃料出口124可以提供相同的喷雾或不同的喷雾。燃料喷嘴100可以是双单端燃料喷嘴。轴向中心线118a可延伸穿过主燃料出口122，使得主燃料通道118和主燃料出口122对齐且同轴。轴向中心线120a可延伸穿过次级燃料出口124，使得次级燃料通道120和次级燃料出口124对齐且同轴。

参考图4A至4C，主燃料出口122可以相对于主燃料通道118成角度。也就是说，主燃料出口122的轴向中心线122a可以相对于主燃料通道118的轴向中心线118a成角度。如图4C所示，由于成角度的次级燃料出口124，垂直于轴向中心线122a的横向轴线122b可以从垂直于次级燃料出口124的轴向中心线124a的横向轴线124b偏移距离d。以这种方式，主燃料出口122可以从次级燃料出口124偏移。这可能导致燃料在不同位置离开燃料喷嘴100。

尽管仅针对主燃料通道118和主燃料出口122示出，在次级燃料通道120中可以存在类似的布置，使得次级燃料出口124的轴向中心线124a相对于次级燃料通道120的轴向中心线120a成角度。主燃料出口122可以成角度，次级燃料出口124可以成角度，或者主燃料出口122和次级燃料出口124两者都可以相对于燃料喷嘴100的纵向轴线或相对于燃料出口或燃料通道中的另一个成角度。在一些情况下，燃料出口可以在相同方向上、在不同方向上、在相反方向上、在相同方向上但以不同角度、在不同方向上且以不同角度或其任意组合成角度。尽管图4B显示了在图4B中向右成角度的主燃料出口122(例如，如图4A所示，进入页面内或页面外)，主燃料出口122可以向左成角度，可以向内或向外成角度(例如，如图4A所示，向左或向右)，和/或可以成角度为与所示出的程度不同。可以对次级燃料出口124进行类似的修改。

因此，主燃料出口122和次级燃料出口124可以是平行的(图3B)或不平行的(图4B)。在一些情况下，可以选择或预定主燃料出口122和/或次级燃料出口124的角度以实现流入燃烧器的特定区域。例如，主燃料出口122可以朝向圆周成角度，并且次级燃料出口124可以朝向径向中心成角度。出口可以相对于相应燃料通道的中心线成角度。主燃料出口122和次级燃料出口124可以周向地间隔开、轴向地间隔开，或者周向地并且轴向地间隔开。这可以允许通过主燃料通道118和次级燃料通道120的燃料流中的每一个周向地间隔开、轴向地间隔开，或周向地并且轴向地间隔开。定向主燃料出口122和次级燃料出口124的能力可以允许将主燃料流和次级燃料流引导到期望的方向以提供燃料和空气流的混合。例如，参考图7B，主燃料出口122(图4A)可以成角度，使得主燃料流A被引导朝向外壳体202的圆周(例如，比次级燃料出口124更周向地成角度)。在图7B的相同示例中，次级燃料出口124(图4A)可以成角度，使得次级燃料流B被引导朝向燃烧器的径向中心(例如，比主燃料出口122更径向地成角度)。

尽管在图3A至3C和图4A至4C中描绘为具有平行的轴向中心线118a和轴向中心线120a，主燃料通道118和次级燃料通道120可以具有不平行的轴向中心线118a和轴向中心线120a。也就是说，轴向中心线118a和轴向中心线120a可以相对于彼此和/或相对于燃料喷嘴100成角度。在一些实施例中，主燃料通道118的轴向中心线118a可以周向地成角度，并且次级燃料通道120可以径向地成角度，从而导致通道和出口也成角度。

继续参考图4A至4C和图7B，主燃料出口122可以相对于主燃料通道118的轴向中心线118a倾斜或成角度。次级燃料出口124可平行于燃料喷嘴100的主体的纵向轴线。主燃料出口122相对于主燃料通道118的角度可以是0度至45度或其中的任何值或范围。尽管被描述为成角度的或不平行的出口，但在一些实施例中，主燃料通道118和次级燃料通道120可以是成角度的或不平行的(除了燃料出口之外或代替燃料出口)。例如，主燃料通道118可以相对于喷嘴主体成角度，并且次级燃料通道120可以平行于喷嘴主体的纵向轴线对齐，使得主燃料通道118和次级燃料通道120不平行。

参考图5，在一些实施例中，燃料喷嘴100可以包括空气辅助装置150。空气辅助装置150可具有与次级燃料通道120的轴向中心线120a同轴的中心线。空气辅助装置150可用于部分动力条件。也就是说，当次级燃料通道120开始引入燃料时，空气辅助装置150可以用非常少量的空气帮助雾化燃料流。在实践中，在发动机启动或发动机开始期间，燃料喷嘴100将被激活以通过主燃料通道118喷射或引入燃料流，然后，在操作期间，次级燃料通道120可以引入燃料流。尽管针对次级燃料通道120进行了描述，但是除了次级燃料通道120中的空气辅助装置150之外或替代地，可以在主燃料通道118中提供空气辅助装置。

图6A至6C示出了位于外壳体202和内壳体204内的燃烧器200。在燃烧器200内可以是主区域210和次级区域212。一个或多个燃料喷嘴206可放置在外壳体202的一个或多个开口208中。燃料喷嘴206可以是图1A和1B的燃料喷嘴10。燃料喷嘴206可将燃料引入燃烧器200的内部。燃料喷嘴206可以包括同心的、同轴的主燃料通道和次级燃料通道(不可见)，例如关于图1所描述的。主燃料通道可以将主燃料流A引入燃烧器200的内部。次级燃料通道可以将次级燃料流B引入燃烧器200的内部。如图6A所示，主燃料流A和次级燃料流B可以与来自滑槽214的空气流C和来自压缩机(不可见)的空气流D相互作用。

图6B示出了沿图6A的截面线6B-6B截取的燃烧器200，其中主燃料流A和次级燃料流B径向地指向燃烧器的内部。这种布置可能将过多的燃料推出主区域210并进入次级区域212。这可能导致对于燃烧来说太稀的空气燃料比。图6C示出了沿图6A的截面线6C-6C截取的燃烧器200，其中整个燃料喷嘴206周向地成角度，使得主燃料流A和次级燃料流B均周向地成角度。这种布置可能将过多的燃料引入主区域210。这可能导致对于燃烧来说太浓的空气燃料比。在图6A至6C的布置中，主燃料流A和次级燃料流B在相同的轴向平面和相同的周向平面处同时被引入。

从图6A到6C可以看出，当采用同心双孔口燃料喷嘴时，燃料可以轴向地、径向地或周向地喷射。在燃烧器中主要轴向地喷射燃料可能最终导致燃料到达腔的相对侧(例如，不与空气混合)并且可能不允许在次级区域内适当混合。为了适当地向次级区域提供足够的燃料，燃料可被主要径向地向内喷射，但这可能导致燃料在燃烧器周围的传播更加困难，从而导致过稀的主区域。主要周向地喷射燃料可能有助于传播和有益于传播，但会导致在次级区域中难以混合，因此可能会使主区域过浓，从而导致效率和烟雾问题。

如图7A和7B所示，燃烧器200可以包括一个或多个燃料喷嘴306。燃料喷嘴306可以是图2至5所示的燃料喷嘴100。燃料喷嘴306可包括由图3A或图4A的主燃料通道118和次级燃料通道120提供的主燃料流A和次级燃料流B。主燃料流A和次级燃料流B可以布置成具有不同的中心线角度。例如，主燃料流A可以更周向地成角度以改善传播，并且次级燃料流B可以更径向地成角度以防止涡流过浓(在主区域中)。可以通过使喷嘴的出口(例如，图4A的122和124)成角度来实现成角度。替代地或附加地，燃料通道可以成角度。

现在参考图7B，主燃料流A(以及因此主燃料出口122)可以更周向地成角度，即，成角度使得流被引导更接近外壳体202的圆周(图7A)，而次级燃料流B(以及因此，次级燃料出口124)可以更径向地成角度，即，成角度使得流被引导朝向燃烧器200的径向中心(图7A)。使主燃料流A周向地成角度可以改善涡流腔中的火焰传播。使次级燃料流B径向地向内成角度可以防止涡流变得过浓，从而降低高烟雾和低效率的风险。使主燃料流A和次级燃料流B成角度可以使得适当量的燃料被引入主区域和次级区域，以实现具有提高的效率的期望燃烧。

如图7A和7B所示，与图6A至6B所示的并且具有燃料喷嘴10的燃烧器200相比，喷嘴和因此燃料流可以布置成实现燃料和空气的期望混合，从而提高发动机效率并减少排放。

因此，本公开的燃料喷嘴可以是双单孔口喷嘴。燃料喷嘴可具有非同心的主喷雾和次级喷雾，允许在周向方向、轴向方向或周向方向和轴向方向两者上的间隔。本公开的燃料喷嘴可以布置成具有两个不平行的单孔口的中心线，其中主喷雾更周向地成角度，并且次级喷雾更径向地成角度。任何上述燃料喷嘴都可以布置有空气辅助回路。

本公开的燃料喷嘴可以允许对燃料喷雾进行独立控制，例如对主燃料流和次级燃料流(也称为主喷雾和次级喷雾)的独立方向控制。与同心双孔口燃料喷嘴相比，本公开的燃料喷嘴可允许燃料与空气的更大分布和更大混合。燃料喷嘴允许更广泛的燃料分布(与同心双孔口燃料喷嘴相比)，因此增加了与空气的混合率，以提高燃烧效率。

本公开的燃料喷嘴可以允许主喷雾在更周向地成角度以改善涡流腔中的火焰传播。次级喷雾可以更径向地向内成角度，以防止涡流变得过浓。这可以降低高烟雾和低效率的风险，并且可以在降低排放的情况下提高发动机的效率。

本公开的燃料喷嘴可以提供不包裹在旋流器中的燃料喷嘴，因此允许主流和次级流的分离。本公开的燃料喷嘴允许增加对燃烧器中的燃料分布的控制。燃料喷嘴可以允许将主燃料集中在涡流主区域上并且将次级燃料流集中在次级燃烧器区域上。这可以提高燃烧效率并减少烟雾。燃料喷嘴可允许纯主压力雾化。燃料喷嘴可以允许次级燃料流上的空气辅助。空气辅助回路可以在启动条件之上有利地操作。空气回路上的大压力差可以用非常少量的空气使次级燃料通道中的非常低的燃料流雾化。

本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。

一种用于燃烧器的燃料喷嘴。所述燃料喷嘴包括：燃料喷嘴主体；主燃料通道，所述主燃料通道具有主燃料出口；和次级燃料通道，所述次级燃料通道具有次级燃料出口，所述次级燃料通道与所述主燃料通道不同心，其中所述主燃料出口和所述次级燃料出口不平行，并且其中所述主燃料出口的轴向中心线相对于所述燃料喷嘴主体成角度，并且所述次级燃料出口的轴向中心线与所述燃料喷嘴主体共线。

根据前述条项的燃料喷嘴，其中所述主燃料出口周向地成角度。

根据任何前述条项的燃料喷嘴，其中所述主燃料出口的轴向中心线在五度和四十五度之间成角度。

根据任何前述条项的燃料喷嘴，其中，所述主燃料出口的轴向位置和所述主燃料出口的周向位置相对于所述次级燃料出口的轴向位置和所述次级燃料出口的周向位置被独立地控制。

根据任何前述条项的燃料喷嘴，进一步包括空气辅助回路，所述空气辅助回路与所述次级燃料通道、所述主燃料通道、或所述次级燃料通道和所述主燃料通道两者邻近。

根据任何前述条项的燃料喷嘴，其中所述主燃料出口是喷雾锥、扁平喷雾或离散射流，并且所述次级燃料出口是喷雾锥、扁平喷雾或离散射流。

根据任何前述条项的燃料喷嘴，其中主燃料出口的轴向中心线相对于主燃料通道的轴向中心线成角度，并且次级燃料出口的轴向中心线与次级燃料通道的轴向中心线成角度。

根据任何前述条项的燃料喷嘴，其中所述主燃料出口的轴向中心线与所述主燃料通道的轴向中心线共线，并且所述次级燃料出口的轴向中心线与所述次级燃料通道的轴向中心线共线。

根据任何前述条项的燃料喷嘴，其中所述主燃料出口是单孔口并且是所述主燃料通道的唯一出口，并且其中所述次级燃料出口是单孔口并且是所述次级燃料通道的唯一出口。

一种将燃料引入燃烧器的方法。所述方法包括：相对于燃烧器在周向方向上通过主燃料通道引入主燃料流；以及相对于燃烧器在径向向内的方向上通过次级燃料通道引入次级燃料流，其中所述主燃料流与所述次级燃料流不同心并且与所述次级燃料流不平行。

根据任何前述条项的方法，进一步包括以喷雾锥、扁平喷雾或离散射流的形式引入主燃料流，并且以喷雾锥、扁平喷雾或离散射流的形式引入次级燃料流。

根据任何前述条项的方法，进一步包括空气辅助回路，所述空气辅助回路用于向所述主燃料流、所述次级燃料流、或所述主燃料流和所述次级燃料流两者提供空气流。

根据任何前述条项的方法，进一步包括雾化所述次级燃料流。

根据任何前述条项的方法，进一步包括将所述主燃料流引入到所述燃烧器的主区域，并且将所述次级燃料流引入到所述燃烧器的次级区域。

根据任何前述条项的方法，其中所述主燃料通道包括主燃料出口，并且所述次级燃料通道包括次级燃料出口，所述主燃料出口是所述主燃料通道的唯一出口，并且所述次级燃料出口是所述次级燃料通道的唯一出口。

根据任何前述条项的方法，其中引入所述主燃料流包括通过所述主燃料通道和主燃料出口引入所述主燃料流。

根据任何前述条项的方法，进一步包括使所述主燃料出口相对于所述主燃料通道成角度。

根据任何前述条项的方法，其中成角度包括所述主燃料出口的轴向中心线在五度和四十五度之间成角度。

根据任何前述条项的方法，其中引入所述次级燃料流包括通过所述次级燃料通道和次级燃料出口引入所述次级燃料流。

根据任何前述条项的方法，进一步包括相对于所述次级燃料出口的轴向位置和所述次级燃料出口的周向位置独立地控制所述主燃料出口的轴向位置和所述主燃料出口的周向位置。

尽管上述描述是针对优选实施例的，但应注意，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，并且可以在不背离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，即使上面没有明确说明，结合一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用。

Claims

1.一种用于燃烧器的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴包括：

燃料喷嘴主体；

主燃料通道，所述主燃料通道具有主燃料出口；和

次级燃料通道，所述次级燃料通道具有次级燃料出口，所述次级燃料通道与所述主燃料通道不同心，

其中所述主燃料出口和所述次级燃料出口不平行，并且

其中所述主燃料出口的轴向中心线相对于所述燃料喷嘴主体成角度，并且所述次级燃料出口的轴向中心线与所述燃料喷嘴主体共线。

2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，其中所述主燃料出口周向地成角度。

3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，其中所述主燃料出口的所述轴向中心线在五度和四十五度之间成角度。

4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，其中所述主燃料出口的轴向位置和所述主燃料出口的周向位置相对于所述次级燃料出口的轴向位置和所述次级燃料出口的周向位置被独立地控制。

5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，进一步包括空气辅助回路，所述空气辅助回路与所述次级燃料通道、所述主燃料通道、或所述次级燃料通道和所述主燃料通道两者邻近。

6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，其中所述主燃料出口是喷雾锥、扁平喷雾或离散射流，并且所述次级燃料出口是喷雾锥、扁平喷雾或离散射流。

7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，其中所述主燃料出口的所述轴向中心线相对于所述主燃料通道的轴向中心线成角度，并且所述次级燃料出口的所述轴向中心线与所述次级燃料通道的轴向中心线成角度。

8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，其中所述主燃料出口的所述轴向中心线与所述主燃料通道的轴向中心线共线，并且所述次级燃料出口的所述轴向中心线与所述次级燃料通道的轴向中心线共线。

9.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，其中所述主燃料出口是单孔口并且是所述主燃料通道的唯一出口，并且其中所述次级燃料出口是单孔口并且是所述次级燃料通道的唯一出口。

10.一种将燃料引入燃烧器的方法，其特征在于，所述方法包括：

相对于所述燃烧器在周向方向上通过主燃料通道引入主燃料流；以及

相对于所述燃烧器在径向向内的方向上通过次级燃料通道引入次级燃料流，

其中所述主燃料流与所述次级燃料流不同心并且与所述次级燃料流不平行。