CN116412415A - 发动机燃料喷嘴和旋流器 - Google Patents

Abstract

涡轮发动机可以利用燃烧器来燃烧燃料，以驱动涡轮，涡轮驱动发动机。燃料喷嘴组件可以将燃料供应到燃烧器，用于燃料的燃烧或点火。燃料喷嘴组件可以包括旋流器和燃料喷嘴，以供应燃料和空气的混合物，用于燃烧。增加的效率和含碳排放需求受益于使用替代燃料，该替代燃料与传统燃料相比，以更高的温度燃烧，需要改进的燃料引入，而不出现火焰保持或回火。

Description

发动机燃料喷嘴和旋流器

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年12月29日提交的美国临时专利申请号63/294,593和2022年3月10日提交的美国专利申请号17/691,781的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本主题大体上涉及发动机部件，该发动机部件具有位于发动机中的燃料喷嘴和旋流器中的一个或两者。

背景技术

发动机，诸如涡轮发动机，包括通过发动机的燃烧器内的可燃燃料的燃烧而被驱动的涡轮。发动机利用燃料喷嘴将可燃燃料喷射到燃烧器中。旋流器提供燃料与空气混合，以便实现有效燃烧。

附图说明

在参考附图的说明书中，针对本领域普通技术人员，阐述了本公开的完整且能够实现的公开，包括其最佳模式，其中：

图1是根据本公开的示例性实施例的发动机的示意性横截面视图。

图2是根据本公开的示例性实施例的与图1的发动机一起使用的燃料喷嘴和旋流器的横截面视图。

图3是根据本公开的示例性实施例的包括一组开口的图2的燃料喷嘴的横截面的放大透视图。

图4是根据本公开的示例性实施例的图2和3的燃料喷嘴的出口的放大横截面视图。

图5是根据本公开的示例性实施例的用于图1的发动机的替代燃料喷嘴和旋流器的横截面。

图6是根据本公开的示例性实施例的用于燃料喷嘴的替代出口的横截面。

图7是根据本公开的示例性实施例的用于燃料喷嘴的另一个替代出口的横截面。

图8是根据本公开的示例性实施例的用于燃料喷嘴的又一个替代出口的横截面。

图9是根据本公开的示例性实施例的用于燃料喷嘴的替代凸形状的横截面。

图10是根据本公开的示例性实施例的用于燃料喷嘴的替代凹形状的横截面。

图11-23描绘了示出根据本公开的示例性实施例的显示由燃料喷嘴组件提供的旋流的变化量或变化率的非限制性示例性实施例的曲线图。

具体实施方式

本文公开的方面针对位于发动机部件内的燃料喷嘴和旋流器结构，并且更具体地，针对被构造成与升高的燃烧发动机温度一起使用的燃料喷嘴结构，诸如使用氢燃料的那些燃料喷嘴结构。氢燃料可以消除碳排放，但是由于较高的火焰速度，会产生与火焰保持相关的挑战。现行燃烧器在使用这种燃料或其他高温燃料时，会由于回火(flashback)导致的燃烧器部件上的火焰保持而包括耐用性风险。为了例释的目的，将关于用于具有驱动涡轮的燃烧器的飞行器的涡轮发动机来描述本公开。然而，将理解的是，本文公开的方面不限于此，并且可以在发动机内具有普遍适用性，发动机包括但不限于涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和涡轮风扇发动机。本文讨论的公开的各方面可以在具有燃烧器的非飞行器发动机内具有普遍适用性，诸如其他移动应用以及非移动工业、商业和住宅应用。

现在将详细参考燃料喷嘴和旋流器架构，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标号已用于指代本公开的相似或类似部分。

本文使用“示例性”一词来意指“用作示例、实例或例释”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或好于其他实施方式。此外，除非另有明确说明，否则本文描述的所有实施例都应视为示例性的。

术语“前”和“后”是指涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且是指涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，关于涡轮发动机，前是指更靠近发动机入口的位置，并且后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。

如本文所用，术语“上游”是指与流体流动方向相反的方向，而术语“下游”是指与流体流动方向相同的方向。术语“前向”或“前”表示在某物的前面，“后向”或“后”表示某物的后面。例如，当用于流体流动时，前向/前可以表示上游，后向/后可以表示下游。

术语“流体”可以是气体或液体。术语“流体连通”意指流体能够在指定区域之间建立连接。

术语“前”和“后”是指涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且是指涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，关于涡轮发动机，前是指更靠近发动机入口的位置，并且后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。

术语“火焰保持”涉及燃料的连续燃烧的状况，使得沿着或靠近部件，并且通常沿着或靠近如本文所述的燃料喷嘴组件的一部分，维持火焰，并且术语“回火”涉及燃烧火焰在上游方向上的倒退。

此外，如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指远离共同中心的方向。例如，在涡轮发动机的整体上下文中，径向是指沿着在发动机的中心纵向轴线和发动机外周之间延伸的射线的方向。

所有方向引用(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、横向、前面、背面、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前、后等)仅用于标识目的，以帮助读者理解本公开，并且不造成限制，特别是关于本文描述的公开的方面的位置、方位或使用的限制。连接引用(例如，附接、联接、连接和接合)将被广义地解释，并且可以包括元件集合之间的中间结构元件以及元件之间的相对移动，除非另有指示。因此，连接引用不一定意味着两个元件直接连接并且相对于彼此固定。示例性附图仅用于例释的目的，并且在所附附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。

单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。此外，如本文所用，术语“组”或“一组”元件可以是任意数量的元件，包括仅一个。

如本文中在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言被应用于修饰可以允许变化而不导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由诸如“大约”、“近似”、“大体上”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指代在单个值、值的范围和/或限定值的范围的端点的1％、2％、4％、5％、10％、15％或20％的余量内。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这种范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点能够彼此独立地组合。

在本公开的某些示例性实施例中，提供了限定中心线和周向方向的涡轮发动机。涡轮发动机大体上可以包括涡轮机和转子组件。转子组件可以由涡轮机驱动。涡轮机、转子组件或两者可以相对于涡轮发动机的中心线限定基本上环形的流动路径。涡轮发动机包括定位在涡轮上游的燃烧器，该燃烧器被构造成驱动涡轮。

燃烧器从燃料喷嘴引入燃料，燃料与旋流器提供的空气混合，然后在燃烧器内燃烧，以驱动涡轮。效率的增加和排放的减少已经驱动了使用燃烧更清洁或在较高温度下燃烧的燃料的需求，诸如使用氢燃料。有需要在这些操作参数下改进燃烧器的耐用性，诸如改进火焰控制以防止火焰保持在燃料喷嘴和旋流器部件上。

图1是涡轮发动机10的示意图。作为非限制性示例，涡轮发动机10可以在飞行器内使用。涡轮发动机10可以至少包括压缩机区段12、燃烧区段14和涡轮区段16。驱动轴18旋转地联接压缩机区段12和涡轮区段16，使得其中一个的旋转影响另一个的旋转，并且限定涡轮发动机10的旋转轴线20。

压缩机区段12可以包括彼此串行流体联接的低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24。涡轮区段16可以包括彼此串行流体联接的LP涡轮28和HP涡轮26。驱动轴18可以将LP压缩机22、HP压缩机24、LP涡轮28和HP涡轮26可操作地联接在一起。替代地，驱动轴18可以包括LP驱动轴(未示出)和HP驱动轴(未示出)。LP驱动轴可以将LP压缩机22联接到LP涡轮28，并且HP驱动轴可以将HP压缩机24联接到HP涡轮26。LP线轴可以被限定为LP压缩机22、LP涡轮28和LP驱动轴的组合，使得LP涡轮28的旋转可以将驱动力施加到LP驱动轴，LP驱动轴进而可以使LP压缩机22旋转。HP线轴可以被限定为HP压缩机24、HP涡轮26和HP驱动轴的组合，使得HP涡轮26的旋转可以将驱动力施加到HP驱动轴，HP驱动轴进而可以使HP压缩机24旋转。

压缩机区段12可以包括多个轴向间隔开的级。每一级包括一组周向间隔开的旋转叶片和一组周向间隔开的固定轮叶。用于压缩机区段12的一级的压缩机叶片可以被安装到盘，盘被安装到驱动轴18。用于给定级的每一组叶片可以具有其自己的盘。压缩机区段12的轮叶可以被安装到壳体，壳体可以围绕涡轮发动机10周向延伸。应当理解，压缩机区段12的表示仅仅是示意性的并且可以有任何数量的级。进一步地，预期的是，在压缩机区段12内可以有任何其他数量的部件。

与压缩机区段12类似，涡轮区段16可以包括多个轴向间隔开的级，其中每一级具有一组周向间隔开的旋转叶片和一组周向间隔开的固定轮叶。用于涡轮区段16的一级的涡轮叶片可以被安装到盘，盘被安装到驱动轴18。用于给定级的每一组叶片可以具有其自己的盘。涡轮区段的轮叶可以以周向方式被安装到壳体。要注意的是，可以有任意数量的叶片、轮叶和涡轮级，因为图示的涡轮区段仅仅是示意性的表示。进一步地，预期的是，在涡轮区段16内可以有任何其他数量的部件。

燃烧区段14可以串行设置在压缩机区段12和涡轮区段16之间。燃烧区段14可以流体联接到压缩机区段12和涡轮区段16的至少一部分，使得燃烧区段14至少部分地将压缩机区段12流体联接到涡轮区段16。作为非限制性示例，燃烧区段14可以在燃烧区段14的上游端处流体联接到HP压缩机24，并且在燃烧区段14的下游端处流体联接到HP涡轮26。

在涡轮发动机10的操作期间，环境空气或大气空气经由压缩机区段12上游的风扇(未示出)被吸入压缩机区段12，空气在压缩机区段12处被压缩，限定加压空气。然后，加压空气可以流入燃烧区段14，加压空气在燃烧区段14处与燃料混合并被点燃，从而生成燃烧气体。HP涡轮26从这些燃烧气体中提取一些功，HP涡轮26驱动HP压缩机24。燃烧气体被排出到LP涡轮28中，LP涡轮28提取附加功来驱动LP压缩机22，并且排气最终经由涡轮区段16下游的排气区段(未示出)从涡轮发动机10被排出。LP涡轮28的驱动驱动了LP线轴，以使风扇(未示出)和LP压缩机22旋转。加压气流和燃烧气体可以一起限定流过涡轮发动机10的风扇、压缩机区段12、燃烧区段14和涡轮区段16的工作气流。

图2示出了燃料喷嘴组件100，燃料喷嘴组件100包括燃料喷嘴102和围绕燃料喷嘴102环形设置的旋流器104。圆顶(未示出)可以设置在旋流器104的前方并且邻近旋流器104。燃料喷嘴102包括喷嘴供应通道106、燃料喷嘴盖108和喷嘴出口110。喷嘴盖108可以包括允许燃料从喷嘴供应通道106排放的一组开口140。旋流器104包括旋流器供应通道120，旋流器供应通道120至少部分地环绕燃料喷嘴102并且排放到扩口锥部122。一组旋流器轮叶124设置在旋流器供应通道120内，以将切向或螺旋旋流给予由旋流器104提供的空气。分离器126从旋流器轮叶124延伸，以将旋流器供应通道120内的气流分成两个旋流空气流，这两个旋流空气流包含在由分离器126限定的外直径通道128和内直径通道130内。分离器126轴向延伸到下游端132，使得下游端132与燃料喷嘴供应通道106或图1的旋转轴线20同轴，同时预期的是，下游端132相对于燃料喷嘴供应通道106或相对于由燃料喷嘴102、旋流器104限定的纵向轴线112或由包含燃料喷嘴组件100的燃烧区段14限定的纵向轴线，存在角偏离。这种偏离可用于相对于燃料喷嘴102的纵向范围，将方向性给予燃烧燃料。另外，燃料喷嘴102可以是圆柱形的，使得径向轴线114可以被限定成垂直于纵向轴线112。

转到图3，示出了燃料喷嘴102的一部分，包括设置在燃料喷嘴盖108中的一组开口140。例如，开口140可以被布置成周向多排开口142a-e，开口142a-e相对于燃料喷嘴供应通道106的轴向范围或纵向轴线112被周向限定，同时预期到合适的替代布置。每个开口140可以包括切向分量，具有布置为切向角150的中心线138，使得旋流或螺旋分量被施加到通过燃料喷嘴盖108供应的燃料。切向角150可以相对于纵向轴线112、平行于纵向轴线112的轴线、或从纵向轴线112延伸的半径被限定。另外，每个开口140或每排开口142a-e的切向角150可以被指定。更具体地，燃料喷嘴盖108的外直径附近的开口140或一排开口142e的切向分量可以相对于开口140或在外直径排开口140e内部的多排开口142a-d给予增加的旋流，但是利用增加的切向角150来给予增加的旋流。例如，开口140的切向角150可以在从纵向轴线112径向向外延伸的方向上增加。更具体地，每排开口142a-d的切向角150可以随着多排开口142a-d被定位得远离纵向轴线112而增加。在另一个非限制性示例中，相对于燃料喷嘴盖108的中心或中心开口142a也可以没有切向分量，诸如与燃料喷嘴供应通道106同轴，这可以将来自旋流器的中心再循环进一步推向后方，这可以进一步减少或消除火焰保持或回火。在开口没有被布置成排的示例中，每个开口的切向角可以在从燃料喷嘴盖108的中心径向向外延伸的方向上增加，使得更远离纵向轴线112的开口比更靠近纵向轴线112的开口具有更大的切向角150。在另一个非限制性示例中，更靠近燃料喷嘴盖108的中心的开口140相对于更靠近燃料喷嘴盖108的外直径的开口140可以更小，诸如具有更小的横截面面积，这可以提供减少或消除射流拍动。在非限制性示例中，进一步预期到开口140的不同横截面轮廓，诸如圆形、槽形、卵形、椭圆形或跑道形。进一步预期的是，形状可以基于与燃料喷嘴盖108的中心的径向关系而变化，使得形状基于径向位置而变化。

转到图4，燃料喷嘴唇部144设置在喷嘴出口110处、在燃料喷嘴盖108的下游。燃料喷嘴唇部144包括轴向部分146和从轴向部分146延伸的渐扩部分148。轴向部分146限定在燃料喷嘴盖108下游的恒定的横截面面积，并且可以与燃料喷嘴102同轴。渐扩部分148限定增加的或渐扩的横截面面积。在替代示例中，喷嘴出口110可以形成为渐缩的、渐扩的、恒定的或其任何组合，其可以由限定喷嘴出口110的线性、弯曲或离散壁几何形状或其组合来限定。燃料喷嘴唇部144的圆角尖端提供减少喷嘴出口110的端部处的流动再循环，这可以消除停滞点和火焰保持。

参考图2-4，在操作中，经由旋流器104提供空气供应，并且经由燃料喷嘴供应通道106提供燃料供应。经由旋流器104提供的空气供应通过旋流器轮叶124被给予有切向、旋流或螺旋分量，并且通过分离器126被分成两个流。这些流相对于从燃料喷嘴供应通道106的纵向轴线112延伸的半径，被形成为内直径流和外直径流。由分离器126分开的两个流可以在相同方向上旋流，以使内直径流和外直径流之间的任何剪力最小化，同时预期到逆流，其中增加的混合或湍流可以是有利的。

类似地，从燃料喷嘴102提供的燃料经由燃料喷嘴盖108中的一组开口140而被提供有切向或旋流分量。由燃料喷嘴102给予的旋流的方向可以是与由旋流器104提供的空气的方向相同的方向，以减少或避免限定在燃料和空气之间的任何剪力，同时预期到逆流以增加燃料-空气混合物。在一个示例中，开口140的切向分量可以与旋流器104给予的切向分量相关。例如，两者之中的切向角可以互补，以便进一步减少不同流之中的剪力。替代地，预期到逆流，其中可以期望在空气和燃料之间生成增加的混合。轴向部分146提供用于速度轮廓的改进的一致性，以维持高轴向速度，这可以防止燃料喷嘴出口110上的火焰保持。随着燃料从喷嘴出口110排出，燃料喷嘴唇部144处的渐扩部分148允许燃料流膨胀，这减少或消除了喷嘴唇部144上的低速区域，这减少或消除了燃料喷嘴102或旋流器104硬件上的火焰保持。

燃料流和空气流之中的共旋流可以减少或避免流之间的高剪力。剪力的减少使气流和燃料流之间的剪切层不足减少。这种不足的减少可以为径向速度轮廓提供改进的分布，这可以提供维持用于燃料和气流两者的高轴向速度。高轴向速度减少或消除了在燃料喷嘴组件100上出现火焰保持和回火，允许使用较高温度的燃料，诸如氢燃料，这可以减少或消除碳排放。另外，空气和燃料的共旋流阻止了空气和燃料的混合，这提供更好的混合控制，以及回火和火焰保持在高温操作下的进一步减少或消除。

在将空气流引入燃料流之前，分离器126提供改进的速度分布及其控制。改进的速度分布提供防止燃料喷嘴102、旋流器104或扩口锥部122上的火焰保持。沿着与燃料喷嘴供应通道106同轴的分离器126的恒定面积提供了用于旋流气流的改进的流动发展，这减少或消除了由分离器126产生的低速区域的出现。燃料被引入旋流器104的下游，以防止对旋流器104的火焰保持。类似地，由燃料喷嘴盖108上的切向开口140产生的旋流可以减少或避免在燃料喷嘴外直径上出现低速，这可以减少燃料喷嘴102上的火焰保持或回火的机会。

燃料喷嘴唇部144被布置在燃料喷嘴盖108的下游，以减少燃料喷嘴唇部144之前的空气和燃料的混合物，并且进一步减少空气和燃料流混合的区域中的再循环区的生成。燃料喷嘴盖108提供将切向旋流给予燃料供应，而轴向部分146和渐扩部分148在燃料被引入来自旋流器104的空气之前，为燃料供应提供明确限定的速度轮廓，同时减少或消除再循环区。

本文包括的特征向涡轮发动机燃烧器提供了改进的燃料供应，这提供减少或消除燃料喷嘴组件100处的火焰保持或回火。这种减少或消除提供了使用较高温度的燃料，诸如氢燃料，这提供在减少或消除排放的同时改进或维持效率。

转到图5，提供了替代燃料喷嘴组件200。例如，燃料喷嘴组件200包括设置在燃料供应通道204内的中心通道202并且可以彼此同轴。这样，燃料喷嘴组件200包括三个供应管线，包括由旋流器208提供的外供应206、由燃料供应通道204提供的燃料供应210和由中心通道202提供的中心供应212。在一个示例中，可以在中心通道202内提供空气，同时预期到其他流体或材料，诸如燃料、燃料混合物或稀释剂。在另外的非限制性示例中，中心通道202内的流体可以具有旋流或螺旋分量，诸如由旋流器或轮叶所给予的旋流或螺旋分量，或者可以被设置为非旋流或层流。

另外，中心供应212和外供应206中的每一个可以是旋流的或非旋流的。在一个示例中，所有三个供应206、210和212都可以被给予有在相同方向上的旋流分量，以便减少不同流之间的剪力。替代地，只有中心通道202可以是非旋流的，这可以提供将任何再循环区移动到燃料供应通道204的端部的后方或下游，这可以减少或消除火焰保持和回火。在另一个示例中，从燃料供应210提供的燃料可以被设置在外供应206中的外旋流空气和中心通道202内的内非旋流空气之间，这提供了在燃料供应通道204下游的改进的燃料和空气混合。在又一个示例中，中心通道202可以用作先导或用于引入其他材料，在一个非限制性示例中，其他材料诸如用于抑制氮氧化物的稀释剂。应当理解，旋流或非旋流气流的不同使用可用于限定所提供的燃料和空气的速度轮廓，这可用于减少或消除火焰保持或回火出现在燃料喷嘴组件200处，允许使用较高温度的燃料，诸如氢。

在另一个非限制性示例中，中心通道202出口可以截断到燃料喷嘴盖108、截断在燃料喷嘴唇部144处，或者可以截断在燃料喷嘴盖108和唇部144之间。也可能的是，中心通道202可以在燃料喷嘴唇部144的后方延伸。可以使得中心通道202的通道是渐缩的、恒定面积的或渐扩的，以控制中心通道202出口处的速度轮廓。如果中心通道202用作先导或稀释剂喷射，则对于不同的操作周期，可以独立控制通过该回路的流。燃料喷嘴唇部144的出口还可以具有具有恒定面积区段的特征，渐扩区段接在恒定面积区段之后。预期的是，中心通道202可以具有喷嘴盖，喷嘴盖具有轴向或切向的孔口，燃料喷嘴唇部接在轴向或切向孔口之后。例如，代替孔口，可能的是，中心通道202可以具有旋流器，诸如旋流器轮叶，具有范围从0到0.5的低旋流数。

分离器216的径向放置可以在空气流与燃料流相互作用之前控制旋流器通道出口处的流动面积和速度。分离器216的径向位置可以是从通道高度H的20％到80％，通道高度H可以被限定为燃料喷嘴218和旋流器外壁214之间的径向距离。在一个示例中，分离器216可以被定位成从0.2H到5H，同时预期到其他或更大的范围。在分离器216的后端和燃料喷嘴后尖端220之间设置足够的长度，使得分离器216生成的尾流在空气流与燃料流相互作用之前被减少或消除。分离器216的后端可以具有锐利的竖直或径向切口、槽或凹槽，以使分离器尾流最小化，或者它可以包括圆角，以使来自分离器216的尾流最小化。

转到图6，用于燃料喷嘴250的替代喷嘴尖端252被设置在喷嘴盖254的下游，具有渐扩几何形状。喷嘴尖端252可以包括沿燃料喷嘴250从喷嘴盖254到喷嘴尖端252的远端限定的唇部长度L。直径D可以被限定为燃料喷嘴250的直径，其随着喷嘴尖端252在渐扩部分260处渐扩而增加。虽然直径D在图6所示的视图中被切断，但是应当理解，燃料喷嘴250可以是环形的或圆柱形的，限定直径D。开口直径d可以被限定为设置在喷嘴盖254中的开口256的直径。在非限制性示例中，唇部长度L与开口的直径d的比率可以在零到五十(0-50)之间，并且唇部长度L与喷嘴直径D的比率可以在零到五(0-5)之间，同时预期到更宽的范围。喷嘴尖端252的外表面258可以具有恒定的直径，以在燃料喷嘴250的外部上维持高速。在一个示例中，对于氢燃料或氢燃料混合物，跨开口256的燃料压力比可以是从1.0至1.4，同时基于特定燃料，预期到其他压力比。

转到图7，用于燃料喷嘴270的另一个替代喷嘴尖端272被设置在分离器274的下游，分离器274被设置在外部旋流器276内。喷嘴尖端272的外表面278可以弯曲，限定向后延伸的喷嘴尖端272的减小厚度280，限定用于径向外旋流器通道284的渐扩部分282。渐扩部分282可以在分离器274的后方开始，以便在渐扩部分282之前，为来自旋流器276的空气产生具有高轴向速度分量的速度轮廓。渐扩部分282可以提供减少或消除再循环区或火焰保持出现在喷嘴尖端272处，因为向内曲率加速了喷嘴尖端272上的气流，以减少或避免喷嘴尖端272上的火焰保持。

转到图8，用于燃料喷嘴290的另一个替代喷嘴尖端292被设置在分离器294和包含在燃料喷嘴290内的喷嘴盖296的下游。喷嘴尖端292包括内部表面298和外部表面300。内部表面298和外部表面300可以弯曲，使得渐扩通道302被限定用于旋流器304，并且渐缩通道306被限定用于燃料喷嘴290。燃料喷嘴290可以包括具有恒定横截面面积的周向尖端部分308，同时预期的是，这部分被去除，使得燃料喷嘴290终止于内部表面298的曲率端部处。尖端部分308可以提供改进的速度，以消除火焰保持，同时消除尖端部分308可以帮助减少喷嘴尖端292处的再循环区。

现在转到图9，替代燃料喷嘴330包括相对于通过燃料喷嘴330的燃料流凸出的喷嘴盖332。例如，喷嘴盖332的曲率可以由圆形或椭圆形轮廓限定，其可以为喷嘴盖332限定半球形或椭圆形形状，同时预期到其他几何形状。开口334设置在喷嘴盖332中，可以类似于如本文所述的开口140，具有更靠近燃料喷嘴330的外直径的增加的旋流分量。此外，除了利用开口334的切向取向来将旋流给予穿过喷嘴盖332的燃料之外，或在不利用开口334的切向取向来将旋流给予穿过喷嘴盖332的燃料的情况下，开口334的中心线336可以被定向成朝向半球体或椭圆体的中心，或者可以相对于燃料喷嘴330轴向对齐。这样，应当理解，开口334可以轴向、径向、切向或形成为其组合的复合角度布置。

图10显示了另一个替代燃料喷嘴350，其包括相对于通过燃料喷嘴350的燃料流凹入的喷嘴盖352。与图9中的类似，喷嘴盖352的曲率可以是半球形的或椭圆形的，同时预期到其他几何形状。另外，开口354可以相对于喷嘴盖352被定向，诸如与由喷嘴盖352的曲率所限定的半球体或椭圆体的中心对齐，或者相对于燃料喷嘴350被轴向布置。另外，开口354可以提供将旋流给予通过燃料喷嘴350的燃料流，同时预期的是，开口354不给予旋流。与图9类似，应当理解，开口354可以轴向、径向、切向或形成为其组合的复合角度布置。

图11-23示出了显示x轴上的由旋流器提供的气流的旋流速率相对于y轴上的径向位置的图表式曲线图。中心定位的虚线表示来自燃料喷嘴的燃料供应和来自燃料喷嘴的径向外部的旋流器的空气供应之间的划界。更具体地，可以基于径向位置来控制所提供的旋流量或旋流速率，径向位置可以通过如本文所述的旋流器和燃料喷嘴盖中的切向开口来被限定。

图11示出了包括表示切向旋流的增加速率的x轴402和表示径向位置的y轴404的图表400，径向位置被限定成从燃料喷嘴的中心径向向外。虚线406表示从燃料喷嘴到径向外部旋流器的径向过渡。

如可以通过曲线图408理解的，在410处指示的，从燃料喷嘴的中心到燃料喷嘴的约50％径向范围的旋流量包括零旋流。在412处指示的，在燃料喷嘴的外50％径向范围内限定的旋流可以以足以与旋流器的径向内部处的旋流速率大致相同的速率增加。然后，在412处指示的，旋流器的旋流速率可以进一步以比410处的燃料喷嘴的旋流更高的速率增加，径向向外延伸。尽管上面提到了燃料的轴向方向到切向方向之间的50％过渡，但是这种过渡可以发生在燃料喷嘴尖端的任何径向位置处。

在燃料喷嘴的径向中心内没有旋流提供了在后方向上定位再循环泡沫，其可以是由燃料生成的尾流导致的再循环燃料流，这减少了燃料喷嘴处的火焰保持。从无旋流增加燃料的旋流速率到匹配旋流器的径向内部处的旋流提供了减少两个流之间的剪力，以及消除火焰保持。最后，在旋流器内在径向向外方向上增加切向旋流提供了减少扩口锥部上的火焰保持。

应当理解，燃料喷嘴中的开口的编号、大小、取向和放置可以变化，以在燃料喷嘴出口处实现期望的速度分布。此外，开口的大小可以变化，以改变喷嘴出口处的燃料动量轮廓。这种速度分布和动量轮廓可以针对特定的燃料喷嘴组件或发动机而被定制，以减少再循环、火焰保持或回火。

参考图12，另一个曲线图420示出了在422处指示的，燃料供应的旋流速率的恒定增加，其中该速率在中心处为零。在424处指示的，在燃料与来自旋流器的空气相遇处的旋流速率可以类似，以减少两个流之间的剪力。

图13显示了另一个曲线图430，曲线图430示出了在432处指示的，燃料喷嘴的零旋流。旋流器在径向内部处的旋流速率可以为零，与燃料喷嘴的旋流速率相匹配，然后，在434处指示的，具有径向向外延伸的恒定速率的速率增加。燃料喷嘴和径向内部处的旋流器没有旋流提供了两个流之间的减少的剪力，同时增加燃料的速度分量。另外，在旋流器的径向外部上的较高旋流器防止了扩口锥部上的火焰保持。

图14显示了图13的曲线图430的替代布置，描绘了曲线图440，其中零旋流延伸到旋流器中，使得旋流器包括在442处指示的在径向内部部分上没有旋流，以及在444处指示的在径向外部部分上的旋流轮廓，这可以通过如本文所述的分离器而被允许，将旋流器分成两个流。

图15显示了又一个替代曲线图450，其中在452处指示的，燃料喷嘴的中心包括零旋流。在454处指示的，燃料喷嘴的径向外部部分的旋流可以增加，径向向外延伸。在456处指示的，旋流器的径向内部部分的旋流可以与来自燃料喷嘴的径向外旋流相同，以减少两个流之间的剪力。然后，在458处指示的，旋流可以减小到零。燃料中心处的零流推回再循环泡沫，同时径向外部分处的零旋流可以沿扩口锥部增加速度轮廓，这可以减少火焰保持。这种类型的分布是针对具有较低扩口锥部角度或没有圆柱形扩口的几何形状。

图16显示了又一个替代曲线图462，显示了在燃料喷嘴的中心处的非零旋流，其在460处指示的，径向向外减小到零，并且在到达燃料喷嘴的径向外部之前的一部分保持为零。然后，在464处指示的，旋流器可以在径向内部处包括零旋流，以减少两个流之间的剪力，旋流器的径向内部部分包括零旋流，增加的旋流在旋流器的径向外部分中径向向外延伸。径向外部处的增加旋流可以提供减少沿扩口锥部的火焰保持。

现在参考图17，显示了又一个替代曲线图470，显示了在燃料喷嘴的中心处的非零旋流，在472处指示的，在燃料喷嘴的径向外部处径向向外减小到零旋流。然后，在474处指示的，旋流器可以在径向内部处包括零旋流，以减少两个流之间的剪力，增加的旋流径向向外延伸。径向外部处的增加旋流可以提供减少沿扩口锥部的火焰保持。

现在参考图18，另一个曲线图480指示燃料喷嘴和旋流器之间的共同分布轮廓，其中在482和486处指示，各自包括具有零旋流的径向内部部分。在484和488处指示，燃料喷嘴和旋流器中的每一个的径向外部部分可以包括从零开始径向向外延伸的增加旋流。

图19显示了另一个曲线图490，具有在燃料喷嘴和旋流器之间的另一个共同分布轮廓，分别在492和494处指示的，各自从零旋流径向向外延伸地增加。

图20显示了又一个曲线图500。在502处指示的，燃料喷嘴可以具有从中心处的零旋流径向向外增加的增加旋流。旋流器中的旋流可以恒定并且非零，这可以与燃料喷嘴的径向外部处的旋流相同，以减少两个流之间的剪力。

图21显示了又一个曲线图510，其中在512处指示的，燃料喷嘴旋流以恒定速率从零增加，径向向外延伸。旋流器的径向内部处的旋流可以与燃料喷嘴在径向外部处的旋流相同，使得两个流之间的剪力减少。然后，在514处指示的，旋流器中的旋流可以减小到零，在径向向外方向上延伸。

图22显示了另一个曲线图520，具有燃料喷嘴和旋流器的共同轮廓。在522和524处指示的，各自包括在燃料喷嘴的径向内部或中心处的非零旋流器，减小到零旋流。然后，在526和528处指示的，各自包括从零增加的部分，以匹配径向内部处的旋流。这样，燃料喷嘴和旋流器之间的剪力减小，同时限定可变轮廓，以减少或消除火焰保持。

图23显示了另一个曲线图540，其中在542和544处指示的，燃料喷嘴和旋流器两者都包括恒定的非零旋流，这可以减少两个流之间的剪力。

应当理解，虽然图11-23中的各个轮廓被显示为线性的或恒定的，在径向方向上的旋流的非恒定变化率可以是非恒定的，使得曲线图弯曲，但是也预期到恒定和非恒定的组合。

应当进一步理解，改变来自燃料喷嘴的燃料流和来自旋流器的空气流的旋流速率可用于开发复杂的速度轮廓，其可以被定制，以减少或消除燃料喷嘴组件的各个径向位置处的火焰保持、回火和再循环，这可以提供使用更快燃烧或更高温度的燃料，诸如氢或氢混合物。

此外，应当理解，燃料旋流或孔的切向角应当逐渐增加，以减少或避免燃料喷嘴唇部上的火焰。来自燃料回路的喷嘴尖端处的平均旋流可以从0到1.5，并且在与燃料相互作用之前，来自旋流器空气回路出口的平均旋流可以从0到1.5。减少旋流器空气回路和燃料喷嘴之间的剪力提供一致的速度轮廓，这减少了下游硬件上的火焰保持。

进一步地，可以期望的是，燃料喷嘴的切向速度可以逐渐增加，以减少导致具有燃料通道下游燃料喷嘴的高剪力层的速度、压力或流动条件的突然不足。类似地，必须很好地控制气流速度，以减少如分离器、旋流器外壁、旋流器内壁和扩口锥部的旋流器部件上的火焰保持。

应当理解，本文提供的方面和实施例不限于所示的那些实施例。更具体地，一个实施例的一个或多个方面可以与一个或多个其他实施例组合、互换或从一个或多个其他实施例中去除，使得本领域普通技术人员在本公开的范围内预期到另外的实施例，尽管没有被明确地显示。

该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本公开的可专利范围由权利要求所限定，并且可以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文字语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言没有实质差异的等效结构元件，则这些其他示例旨在处于权利要求的范围内。

进一步的方面由以下条款的主题提供：一种涡轮发动机，包括：处于串行流动布置的压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段，所述燃烧器区段包括燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件包括：燃料喷嘴，所述燃料喷嘴限定纵向轴线和与所述纵向轴线正交的径向轴线，并且所述燃料喷嘴包括终止于出口处的燃料通道，所述燃料喷嘴包括喷嘴尖端；和喷嘴盖，所述喷嘴盖包括一组开口并且设置在所述燃料通道内；其中所述一组开口中的至少一个开口具有以相对于所述径向轴线的切向角定向的中心线。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中所述一组开口布置成相对于所述纵向轴线周向限定的多排。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中多排开口的所述切向角随着距所述纵向轴线的径向距离的增加而增加。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中所述一组开口中的在所述喷嘴盖的中心处的开口的所述切向角为零。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，进一步包括限定在所述喷嘴盖和所述喷嘴尖端之间的喷嘴唇部。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中所述喷嘴唇部包括轴向部分和渐扩部分。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中所述喷嘴尖端限定唇部长度并且所述燃料喷嘴限定直径，并且唇部长度与直径的比率在零和五之间。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中所述喷嘴尖端限定唇部长度并且所述一组开口中的每个开口限定开口直径，并且唇部长度与开口直径的比率在零和五十之间。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中所述喷嘴唇部包括限定在所述燃料喷嘴的外部表面上的渐扩部分。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中所述喷嘴唇部进一步包括限定在所述燃料喷嘴的内部表面上的渐扩部分。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，其中所述喷嘴盖相对于通过所述燃料通道的流动方向被弯曲为凹形或凸形。

根据前述条款中任一项所述的涡轮发动机，进一步包括中心通道，所述中心通道在所述燃料通道内延伸并且延伸通过所述喷嘴盖。

一种用于发动机的燃料喷嘴和旋流器组件，所述燃料喷嘴和旋流器组件包括：燃料喷嘴，所述燃料喷嘴限定纵向轴线和与所述纵向轴线正交的径向轴线；旋流器，所述旋流器环绕所述燃料喷嘴，所述旋流器包括一组轮叶，以将与所述径向轴线相切的切向分量给予穿过所述旋流器的流体；和分离器，所述分离器从所述一组轮叶向后延伸，将所述旋流器分成径向外通道和径向内通道。

根据前述条款中任一项所述的燃料喷嘴和旋流器组件，其中所述分离器布置成平行于所述燃料喷嘴。

根据前述条款中任一项所述的燃料喷嘴和旋流器组件，其中所述径向外通道和所述径向内通道与所述燃料喷嘴同轴。

根据前述条款中任一项所述的燃料喷嘴和旋流器组件，其中所述燃料喷嘴进一步包括喷嘴盖，一组开口延伸通过所述喷嘴盖，所述一组开口中的至少一些开口以相对于半径的切向角布置，所述半径相对于所述纵向方向被限定。

一种向涡轮发动机的燃烧器提供燃料和空气的方法，所述方法经由限定纵向轴线的燃料喷嘴提供燃料供应，以及经由环绕所述燃料喷嘴的旋流器提供空气供应，所述方法包括：将与从所述纵向轴线延伸的半径相切的切向分量给予所述燃料供应，其中设置在喷嘴盖中的一组开口以切向角布置。

根据前述条款中任一项所述的方法，其中给予所述燃料供应的所述切向分量与由所述旋流器给予所述空气供应的旋流互补。

根据前述条款中任一项所述的方法，其中所述旋流器包括分离器，将所述空气供应分成径向内供应和径向外供应，并且给予所述燃料供应的所述切向分量与给予所述径向内供应的所述旋流互补。

根据前述条款中任一项所述的方法，其中给予所述燃料供应的所述切向分量相对于由所述旋流器提供的所述空气供应反向旋转。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机，其特征在于，包括：

处于串行流动布置的压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段，所述燃烧器区段包括燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件包括：

燃料喷嘴，所述燃料喷嘴限定纵向轴线和与所述纵向轴线正交的径向轴线，并且所述燃料喷嘴包括终止于出口处的燃料通道，所述燃料喷嘴包括喷嘴尖端；和

喷嘴盖，所述喷嘴盖包括一组开口并且设置在所述燃料通道内；

其中所述一组开口中的至少一个开口具有以相对于所述径向轴线的切向角定向的中心线。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中所述一组开口布置成相对于所述纵向轴线周向限定的多排。

3.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，其中多排开口的所述切向角随着距所述纵向轴线的径向距离的增加而增加。

4.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其特征在于，其中所述一组开口中的在所述喷嘴盖的中心处的开口的所述切向角为零。

5.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，进一步包括限定在所述喷嘴盖和所述喷嘴尖端之间的喷嘴唇部。

6.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，其中所述喷嘴唇部包括轴向部分和渐扩部分。

7.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，其中所述喷嘴尖端限定唇部长度并且所述燃料喷嘴限定直径，并且唇部长度与直径的比率在零和五之间。

8.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，其中所述喷嘴尖端限定唇部长度并且所述一组开口中的每个开口限定开口直径，并且唇部长度与开口直径的比率在零和五十之间。

9.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，其中所述喷嘴唇部包括限定在所述燃料喷嘴的外部表面上的渐扩部分。

10.根据权利要求9所述的涡轮发动机，其特征在于，其中所述喷嘴唇部进一步包括限定在所述燃料喷嘴的内部表面上的渐扩部分。

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