CN101082422A - 用于燃气涡轮发动机燃料喷嘴的入口流动调节器 - Google Patents

用于燃气涡轮发动机燃料喷嘴的入口流动调节器 Download PDF

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Abstract

提供了入口流动调节器(IFC)(164)。IFC包括由第一壁至少部分地限定在其内的环形室(186)。第一壁包括多个延伸通过它的穿孔(168)。多个穿孔大体上等距地周向分开且构造为从IFC室(172)排放具有大体上均匀流动分布的流体。

Description

用于燃气涡轮发动机燃料喷嘴的入口流动调节器
技术领域
本发明一般地涉及旋转机器，且更特定地涉及燃气涡轮发动机及其运行方法。
背景技术
至少一些燃气涡轮发动机在燃烧器内点燃燃料-空气混合物且生成燃气流，通过热气体路径将燃气流引导到涡轮机。通过压缩机将压缩空气引导到燃烧器。燃烧器组件典型地具有便于将燃料和空气输送到燃烧器的燃烧区域的燃料喷嘴。涡轮机将燃气流的热能转化为使涡轮机轴旋转的机械能。涡轮机的输出可以用于驱动机器，例如发电机或泵。
一些已知的燃料喷嘴包括至少一个入口流动调节器(IFC)。典型地，IFC包括多个穿孔且构造为将空气从压缩机引导到燃料喷嘴的部分内以便于混合燃料和空气。一个已知的发动机将空气引导到燃料喷嘴内，以便于减轻空气紊流且产生在IFC内大体上均匀的径向和周向空气流动速度分布(profile)。一些已知的IFC包括至少一个便于在IFC的一些部分内生成非均匀径向空气流动速度分布的流动叶片。
发明内容
在一个方面中，提供了运行燃气涡轮发动机的方法。方法包括提供入口流动调节器(IFC)，入口流动调节器具有通过至少一个壁限定在其内的环形室，该壁形成有多个延伸通过它的穿孔。多个穿孔分开为至少两个轴向分开的排，排大体上周向地绕壁延伸。方法也包括将流体引导到IFC内且将流体从IFC以大体上均匀的流动分布排放。
在另一个方面中，提供了入口流动调节器(IFC)。IFC包括由第一壁至少部分地限定在其内的环形室，第一壁包括多个延伸通过它的穿孔。多个穿孔相互等距地周向分开且构造为引导流体，使得流体的大体上均匀的流动分布从至少一个室排放。
在进一步的方面中，提供了燃气涡轮发动机。发动机包括压缩机和与压缩机流动连通的燃烧器。燃烧器包括燃料喷嘴组件，燃料喷嘴组件包括入口流动调节器(IFC)。IFC包括由第一壁至少部分地限定在其内的环形IFC室，第一壁包括多个延伸通过它的穿孔。多个穿孔相互等距地周向分开且构造为引导流体，使得大体上均匀的流动分布从环形IFC室排放。
附图说明
图1是典型的燃气涡轮发动机的示意图；
图2是可与图1中示出的燃气涡轮发动机一起使用的典型的燃烧器的截面示意图；
图3是可与图2中示出的燃烧器一起使用的典型的燃料喷嘴组件的截面示意图；
图4是可与图3中示出的燃料喷嘴组件一起使用的典型的入口流动调节器(IFC)的部分图；
图5是图4中示出的IFC面向下游的轴向截面图且图示了第一轴向流动流；
图6是图4中示出的IFC面向下游的轴向截面图且图示了第二轴向流动流；和
图7是图4中示出的IFC面向下游的轴向截面图且图示了第三轴向流动流。
具体实施方式
图1是典型的燃气涡轮发动机100的示意性图示。发动机100包括压缩机102和多个燃烧器104。燃烧器104包括燃料喷嘴组件106。发动机100也包括涡轮机108和共同的压缩机/涡轮机轴110(有时称为转子110)。在一个实施例中，发动机100是MS9001H发动机，有时称为9H发动机，它可从General Electric Company，Greenville，South Carolina购得。
在运行中，空气流过压缩机102且压缩空气供给到燃烧器104。特别地，压缩空气供给到燃料喷嘴组件106。将燃料引导到其中它与空气混合且被点燃的燃烧区域。燃气被生成且引导到涡轮机108，其中燃气流热能转化为旋转机械能。涡轮机108旋转地联接到且驱动轴110。
图2是燃烧器104的截面示意图。燃烧器组件104流动连通地与涡轮机组件108且与压缩机组件102连通。压缩机组件102包括扩散器112和压缩机排放增压室114，它们流动连通地相互联接。
在典型的实施例中，燃烧器组件104包括端部覆盖件120，它为多个燃料喷嘴122提供了结构支承。端部覆盖件120由保持硬件(在图2中未示出)联接到燃烧器壳体124。燃烧器衬件126定位在壳体124内且联接到壳体124，使得燃烧室128由衬件126限定。环形燃烧室冷却通道129在燃烧器壳体124和燃烧器衬件126之间延伸。
过渡部分或过渡件130联接到燃烧器壳体124以便于将室128内生成的燃气引导向涡轮机喷嘴132。在典型实施例中，过渡件130包括多个形成在外壁136内的开口134。过渡件130也包括限定在内壁140和外壁136之间的环形通道138。内壁140限定了导向腔142。
在运行中，压缩机组件102通过轴110(在图1中示出)由涡轮机组件108驱动。当压缩机组件102旋转时，压缩空气排放到扩散器112内，如相关箭头所图示。在典型的实施例中，从压缩机组件102排放的空气的大部分被通过压缩机排放增压室114引导向燃烧器组件104，且压缩空气的较小的部分可以被引导以用于冷却发动机100部件。更特定地，在增压室114内加压的压缩空气通过外壁开口134引导到过渡件130内且引导到通道138内。空气然后从过渡件环形通道138引导到燃烧室冷却通道129内。空气从通道129被排放且被引导到燃料喷嘴122内。
燃料和空气在燃烧室128内混合且被点燃。壳体124便于将燃烧室128及其相关燃烧过程与例如围绕涡轮机部件的外部环境隔离。将生成的燃气从室128通过过渡件导向腔142引导向涡轮机喷嘴132。
图3是燃料喷嘴组件122的截面示意图。在典型的实施例中，为清晰起见省略了空气雾化液体燃料喷嘴(未示出)，它联接到组件122以提供双燃料能力。组件122具有中心线轴线143且通过燃料喷嘴凸缘144联接到端部覆盖件120(在图2中示出)。
燃料喷嘴组件122包括联接到凸缘144的汇聚管146。管146包括径向外表面148。组件122也包括径向内管150，它通过管-凸缘波纹管152联接到凸缘144。波纹管152便于补偿管150和凸缘144之间的热膨胀率变化。管146和管150限定了大体上环形的第一预混合燃料供给通道154。组件122也包括大体上环形的内管156，它与径向内管150协作限定了第二预混合燃料供给通道158。内管156部分地限定了扩散燃料通道160且通过空气管-凸缘波纹管162联接到凸缘144，波纹管162便于补偿管156和凸缘144之间的热膨胀率变化。通道154、158和160流动连通地联接到燃料源(在图3中未示出)。在一个实施例中，通道160在其内接收空气雾化液体燃料喷嘴。
组件122包括大体上环形的入口流动调节器(IFC)164。IFC 164包括径向外壁166，外壁166包括多个穿孔168，IFC 164还包括定位在IFC 164尾端上且在壁166和表面148之间延伸的端壁170。壁166和170和表面148在它们内部限定了大体上环形的IFC室172。室172通过穿孔168与冷却通道129(在图2中示出)流动连通。组件122也包括联接到壁166的管状过渡件174。过渡件174限定了大体上环形的过渡室176，过渡室176大体上相对于室172同心地对齐且定位为使得IFC出口通道178在室172和176之间延伸。
组件122也包括用于气态燃料喷射的空气涡旋器组件或涡旋喷嘴(swozzle)组件180。涡旋喷嘴180包括联接到过渡件174的大体上管状的罩182和联接到管146、150和156的大体上管状的毂184。罩182和毂184限定了其内的环形室186，其中多个空心转向叶片188在罩182和毂184之间延伸。室186流动连通地与室176联接。毂184限定了多个初级转向叶片通道(在图3中未示出)，它们流动连通地与预混合燃料供给通道154联接。多个预混合气体喷射口(在图3中未示出)限定在空心转向叶片188内。类似地，毂184限定了多个次级转向叶片通道(在图3中未示出)，它们流动连通地与预混合燃料供给通道158和多个限定在转向叶片188内的次级气体喷射口(在图3中未示出)联接。入口室186和初级和次级气体喷射口流动连通地与出口室190联接。
组件122进一步包括大体上环形的燃料-空气混合通道192，它由管状罩延伸部分194和管状毂延伸部分196限定。通道192流动连通地与室190联接，且延伸部分194和196每个分别联接到罩182和毂184。
管状扩散火焰喷嘴组件198联接到毂184且部分地限定了环形扩散燃料通道160。组件198也与毂延伸部分196协作限定了环形空气通道200。组件122也包括带缝的气体顶端202，其联接到毂延伸部分196和组件198，且包括多个气体喷射器204和空气喷射器206。顶端202流动连通地与燃烧室128联接且便于燃料和空气在燃烧器128内混合。
在运行中，燃料喷嘴组件122从冷却通道129(在图2中示出)通过围绕组件122的增压室(在图3中未示出)接收压缩空气。用于燃烧的空气的大部分通过IFC 164进入组件122，且被引导到预混合部件。特别地，空气通过穿孔168进入IFC 164且在室172内混合，且空气通过通道178离开IFC 164且通过过渡件室176进入涡旋喷嘴入口室186。进入通道129的高压空气的部分也被引导到***在扩散燃料通道160内的空气雾化液体燃料筒(在图3中未示出)内。
燃料喷嘴组件122通过预混合燃料供给通道154和158接收来自燃料源(在图3中未示出)的燃料。燃料从预混合燃料供给通道154引导到多个限定在转向叶片188内的初级气体喷射口。类似地，燃料从预混合燃料供给通道158引导到多个限定在转向叶片188内的次级气体喷射口。
从过渡件室176引导到涡旋喷嘴入口室186内的空气通过转向叶片188形成涡漩且与燃料混合，且燃料/空气混合物被引导向涡旋喷嘴出口室190用于进一步混合。燃料和空气混合物然后被引导到混合通道192且从组件122排放到燃烧室128内。另外，引导通过扩散燃料通道160的扩散燃料通过气体喷射器204排放到燃烧室128内，其中它与从空气喷射器206排放的空气混合且燃烧。
图4是IFC 164的部分图。中心线轴线143、过渡件174和涡旋喷嘴罩182透视地图示出。图5是面向下游的典型的IFC 164的轴向截面图且图示了第一轴向流动流212。中心线轴线143、扩散燃料通道160、管156、预混合燃料供给通道158、径向内管150、预混合燃料供给通道154、汇聚管146和汇聚管径向外表面148透视地图示出。在图5中仅示出了六个周向分开的穿孔168。替代地，IFC 164可以包括任何个数的穿孔168。IFC 164包括径向外壁166，径向外壁166限定了多个大体上圆形的穿孔168。在典型的实施例中，IFC 164包括六个轴向分开的穿孔168的排207。例如，在图4中，分别确定了第一、第二和第三周向穿孔排208、214和220。替代地，IFC 164可以包括任何个数的轴向分开的穿孔168的排207。
在典型的实施例中，穿孔168每个形成为大体上直径D1相同，且轴向分开的排207定向为使得六个穿孔大体上轴向对齐。此外，在典型的实施例中，穿孔168大体上周向地且轴向地相等地分开。穿孔168的典型定向便于减轻跨过IFC 164的压力下降，这随后便于改进发动机效率。替代地，IFC 164可以包括布置在任何使IFC 164能如在此描述地起作用的定向的任何个数的穿孔168。
IFC 164也可以包括定位在IFC 164的尾端上的在壁166和表面148之间延伸的端壁170。IFC 164可以联接到管146使得壁166和170和表面148在其内限定了环形IFC室172。室172通过穿孔168流动连通地与燃烧室冷却通道129(在图2中示出)联接。
在运行中，来自通道129的压缩空气绕IFC 164流动。穿孔168便于通过限制到IFC 164内的空气流动增加绕IFC 164外周的背压。增加的背压便于大体上使通过穿孔168的空气流动均衡。例如，空气以多个径向空气流210流动通过穿孔208且进入室172(在图4中仅图示了三个且在图5中仅图示了六个)。每个空气流210的相当大部分冲击到表面148上且改变方向以大体上填充限定在排208和端盖170之间的室172的部分。如此，在室172的此部分内生成静压力。径向空气流210的冲击到表面148的另一个部分改变方向且被引导向过渡件174。径向空气流210形成了表面148的部分上的空气边界层，使得在室172内形成多个轴向空气流212(在图5中仅图示了六个)且将以第一径向和周向速度分布限定。所形成的轴向空气流212趋向于大体上平行于接纳了第一径向空气流210的穿孔208的排流动。空气流212的较少的部分流动到限定在穿孔208之间的室172的部分内。当空气流212向过渡件174行进时，它们趋向于在径向和周向方向膨胀。如此，空气流212的径向和周向速度分布大体上是非均匀的。
图6是面向下游的IFC 164的轴向截面图且图示了第二轴向流动流218。中心线轴线143、扩散燃料通道160、内管156、预混合燃料供给通道158、径向内管150、预混合燃料供给通道154、汇聚管146和汇聚管径向外表面148透视地图示出。为清晰起见，在图6中仅图示了六个穿孔168。空气流动通过第二排214且以多个径向空气流216(在图4中仅图示了三个且在图6中仅图示了六个)进入室172。空气流216的相当大部分冲击到表面148和空气流212，使得在室172内形成多个具有第二径向和周向速度分布的第二轴向空气流218。轴向空气流218趋向于形成为使得室172的限定在轴向穿孔208和214之间的周向区域以流动的空气填充。此行为因此降低了在空气流218的直接在穿孔168下的部分和空气流218的在周向邻近的穿孔168之间的部分之间的质量流动的差异。流向过渡件174的空气流218趋向于在径向和周向方向膨胀。因此，一般地，空气流218的径向和周向速度分布比空气流212的速度分布更均匀。
图7是面向下游的IFC 164的轴向截面图且图示了第三轴向流动流224。中心线轴线143、扩散燃料通道160、内管156、预混合燃料供给通道158、径向内管150、预混合燃料供给通道154、汇聚管146和汇聚管径向外表面148透视地图示出。为清晰起见，在图7中仅图示了六个穿孔168。空气流动通过第三排220且以多个径向空气流222(在图4中仅图示了三个且在图7中仅图示了六个)进入室172。每个空气流222的第一部分冲击到表面148且每个空气流222的第二部分冲击到空气流218，使得在室172内形成多个具有第三径向和周向速度分布的第三轴向空气流224。轴向空气流224趋向于形成为使得室172的限定在穿孔208、214和220之间的周向区域以流动的空气填充。此行为因此进一步降低了在空气流224的直接在穿孔168下的部分和空气流224的在周向邻近的穿孔168之间的部分之间的质量流动的差异。流向过渡件174的空气流224趋向于在径向和周向方向膨胀。一般地，空气流224的径向和周向速度分布比空气流218的速度分布更均匀。
冲击在复合轴向流上的随后径向流的重复过程导致在室172内越过IFC出口通道178(在图3中示出)流动到过渡件174内的空气内的流动速度分布，该流动速度分布在径向方向上越过通道178大体上恒定。空气的大体上均匀的速度分布便于降低在燃料喷嘴122和燃烧室142内的富空气或过量空气穴，这随后便于降低不希望的燃烧副产物，例如NOx的形成。类似地，大体上均匀的空气速度分布便于降低在燃料喷嘴122和燃烧室142内的贫空气穴，因此便于增加火焰稳定性。
用于组装和运行在此描述的燃烧器的方法和设备便于燃气涡轮发动机的运行。更特定地，入口流动调节器便于在燃料喷嘴组件内导致更均匀的空气流动速度分布。这样的空气流动分布便于燃烧效率和不希望燃烧副产物的降低。此外，入口流动调节器便于降低资金和维护成本，以及增加运行可靠性。
以上详细描述了与燃气涡轮发动机相关的入口流动调节器的典型的实施例。方法、设备和***不限制于在此描述的特定的实施例，也不限制于特定的图示的入口流动调节器。
虽然已根据多种特定的实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到本发明可以以在权利要求书的精神和范围内的修改来实行。
零件列表
100燃气涡轮发动机
102压缩机
104燃烧器组件
106燃料喷嘴组件
108涡轮机组件
110压缩机/涡轮机轴
110转子
112扩散器
114压缩机排放增压室
120端部覆盖件
122燃料喷嘴组件
124燃烧器壳体
126燃烧器衬件
128燃烧室
129燃烧室冷却通道
130过渡部分或过渡件
134开口
136外壁
138环形通道
140内壁
142燃烧室或导向腔
143中心线轴线
144燃料喷嘴凸缘
146汇聚管
148外表面
150内管
152波纹管
154燃料供给通道
156内管
158燃料供给通道
158燃料供给通道
160扩散燃料通道
162波纹管
164入口流动调节器(IFC)
166外壁
168穿孔
170端壁
172IFC室
174过渡件
176过渡件室
178出口通道
180涡旋器组件或涡旋喷嘴组件
182涡旋喷嘴罩
184毂
186涡旋喷嘴入口室或环形室
188转向叶片
190涡旋喷嘴出口室
192混合通道
194管状罩延伸部分
196毂延伸部分
198火焰喷嘴组件
200空气通道
202带缝的燃气顶端
204气体喷射器
206空气喷射器
207轴向分开的排
208穿孔
210空气流
212空气流
214穿孔
216空气流
218空气流
220第三排
222空气流
224空气流

Claims (10)

1.一种入口流动调节器(IFC)(164)，所述的IFC包括由第一壁至少部分地限定在其内的环形室(186)，所述的第一壁包括多个延伸通过它的穿孔(168)，所述的多个穿孔大体上等距地周向分开且构造为从所述的IFC室(172)排放具有大体上均匀流动分布的流体。
2.根据权利要求1所述的IFC(164)，其中所述的第一壁包括大体上圆柱形的外壁(166)，所述的IFC进一步包括：
大体上圆柱形的内壁(140)；和
在所述的内壁和外壁之间延伸的大体上环形的轴向端壁(170)。
3.根据权利要求2所述的IFC(164)，其中所述的内壁(140)、所述的外壁(166)和所述的端壁(170)限定了所述的IFC室(172)。
4.根据权利要求3所述的IFC(164)，其中所述的内壁(140)的至少部分和所述的外壁(166)的至少部分限定了环形通道(138)，环形通道(138)与所述的端壁(170)轴向相对，所述的通道便于将所述的IFC室(172)流动连通地与位于所述的IFC室的轴向下游的涡旋喷嘴组件(180)联接。
5.根据权利要求1所述的IFC(164)，其中所述的多个穿孔(168)的至少部分形成了至少部分地限定了至少一个周向排的大体上轴向线性的构造。
6.根据权利要求1所述的IFC(164)，其中所述的IFC流动连通地与流体源联接。
7.根据权利要求6所述的IFC(164)，其中流体源是燃气涡轮机压缩机(102)。
8.一种燃气涡轮发动机(100)，所述的发动机包括：
压缩机(102)；和
与所述的压缩机流动连通的燃烧器(104)，所述的燃烧器包括燃料喷嘴组件(106)，所述的燃料喷嘴组件包括至少一个涡旋喷嘴组件(180)和至少一个入口流动调节器(IFC)(164)，所述的IFC包括由第一壁至少部分地限定在其内的环形IFC室(172)，所述的第一壁包括多个延伸通过它的穿孔(168)，所述的多个穿孔大体上等距地周向分开且构造为从所述的IFC室排放具有大体上均匀流动分布的流体。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(100)，其中所述的第一壁包括大体上圆柱形的外壁(166)，所述的IFC(164)进一步包括：
大体上圆柱形的内壁(140)；和
在所述的内壁和外壁之间延伸的大体上环形的轴向端壁(170)。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机(100)，其中所述的内壁(140)、所述的外壁(166)和所述的端壁(170)限定了所述的IFC室(172)。
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