CN101650032A - 燃烧器燃料喷嘴中的超低喷射角燃料孔 - Google Patents

燃烧器燃料喷嘴中的超低喷射角燃料孔 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃烧器燃料喷嘴中的超低喷射角燃料孔。公开了一种用于燃烧器的燃料喷嘴，包括流体通过其而导向燃烧区域(16)的混合通道(34)和布置在混合通道(34)中的多个旋流器叶片(18)。多个旋流器叶片(18)的各个旋流器叶片(18)包括至少一个燃料孔(28)，燃料沿基本平行于多个旋流器叶片(28)的外表面(30)的喷射方向通过燃料孔(28)进入混合通道(34)，从而减小所述燃料喷嘴(10)的火焰稳定趋势。进一步公开了一种操作用于燃烧器的燃料喷嘴(10)的方法，包括使流体经过多个旋流器叶片(18)而流过混合通道(34)，以及沿基本平行于多个旋流器叶片(18)的外表面(30)的喷射方向将燃料喷入混合通道(34)中。

Description

燃烧器燃料喷嘴中的超低喷射角燃料孔
关于政府利益的声明
本发明在美国能源部(Department of Energy)授予的合同No.DE-FC26-05NT42643下由美国政府支持完成。美国政府享有本发明的某些权利。
技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮机。更具体地，本发明涉及用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。
背景技术
燃气涡轮机通常在燃气涡轮机的燃烧器部分中包括一些燃料喷嘴(或swozzle)。各个喷嘴是具有用于将燃料和空气的混合物输送到燃烧室以便于点火的一个或多个通道的构件。燃料喷嘴常常包括旋流器，以在点火之前改进使燃料和空气混合成一致、均匀的混合物。旋流器包括自喷嘴延伸且具有空气动力学轮廓的多个叶片。旋流器叶片通常包括为旋流器叶片的表面上的燃料孔提供燃料的通道。当燃料离开燃料孔时，燃料与经过旋流器叶片的流体(通常为空气)混合。燃料孔通常构造成直孔，其使旋流器叶片中的燃料气室连接至其中燃料与空气混合的通道。这样来构造的燃料孔通常基本垂直于经过的空气而喷射燃料。当燃料被喷入经过的气流中时，产生了横流-射流(jet-in-crossflow)现象，其导致在喷射孔的下游但基本上是燃烧区的上游形成低速流的再循环区。
再循环区是有问题的，尤其是对于高反应性、高氢燃料而言，例如合成气、无碳合成气和氢-天然气混合物。这些燃料具有比低速再循环区中的燃料的停留时间短得多的喷出或吹出时间，所以如果提供了点火源，则再循环区中的任何燃料都可点火并继续在旋流器叶片附近燃烧，从而损害燃料喷嘴且可能损害燃气涡轮机的其它构件。
发明内容
根据本发明的一个方面，用于燃烧器的燃料喷嘴包括流体通过其而导向燃烧区域的混合通道和布置在混合通道中的多个旋流器叶片。多个旋流器叶片的各个旋流器叶片包括至少一个燃料孔，燃料通过该燃料孔沿基本平行于多个旋流器叶片的外表面的喷射方向进入混合通道，从而减小燃料喷嘴的火焰稳定趋势。
根据本发明的另一个方面，一种操作用于燃烧器的燃料喷嘴的方法包括：使流体经过多个旋流器叶片而流过混合通道，以及沿基本平行于多个旋流器叶片的外表面的喷射方向将燃料喷入混合通道中，从而减小燃料喷嘴的火焰稳定趋势。
根据结合附图的以下说明，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在本说明书完结时权利要求书中特别指出和明确主张了被认为是本发明的主题。根据结合附图的以下详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点显而易见，其中：
图1是燃料喷嘴的一个实施例的截面图；
图2是图1的燃料喷嘴的旋流器的一个实施例的透视图；
图3是图1的燃料喷嘴的旋流器叶片的一个实施例的截面图；
图4是图3的旋流器叶片处的燃料孔的一个实施例的放大图；
图5是燃料孔出口的一个实施例的平面图；以及
图6是燃料孔出口的另一个实施例的平面图。
具体实施方式以参照附图的实例的方式阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表：
燃料喷嘴  10
旋流器  12
喷嘴入口  14
燃烧区域  16
旋流器叶片  18
中心主体  20
护罩  22
气室  24
中心主体孔  26
燃料孔  28
外表面  30
计量区  32
混合通道  34
前壁  36
后壁  38
截面面积  40
箭头  42
气流  44
下游区域  46
出口  48
下游边缘  50
上游边缘  52
侧边缘  54
流向  56
张开角  58
宽度  60
曲率  62
曲率  64
具体实施方式
图1显示的是包括旋流器12的燃料喷嘴10的一部分。旋流器构造成且布置成以便接收来自喷嘴入口14的流体流(通常为空气)并且将空气与燃料混合成空气/燃料混合物。空气/燃料混合物然后向下游前进，在下游处，空气/燃料混合在燃烧区域16中被点燃。如图2最佳地显示，旋流器12包括围绕中心主体20沿周向布置且延伸到护罩22的多个旋流器叶片18。在一个实施例中，图1的实施例的旋流器12由直接金属激光烧结(DMLS)生产，但还构思了处于本公开的范围之内的其它制造方法，包括例如铸造、焊接或机械加工。
如图3最佳地显示，该多个旋流器叶片18可具有一个或多个内部气室24。气室24在一个或多个中心主体孔26处连接至中心主体20，且构造成以便能够使来自中心主体20的燃料流过一个或多个气室24，并且通过布置在旋流器叶片外表面30处的一个或多个燃料孔28离开气室24。如图4所示，各个燃料孔28包括计量区32，在某些实施例中，计量区32具有圆形或跑道形截面，而且计量区32是燃料孔28的最小截面，以调节通过燃料孔28进入混合通道34中的燃料流的流率。燃料孔28的前壁36缓缓地弯曲，且可具有前曲率半径62并且以大约33度角与外表面30交汇。虽然在所示实施例中角度为大约33度，但是将理解的是，可使用其它适当的角度，例如大约15-55度范围中的角度。燃料孔28的后壁38具有大于前曲率半径62的后曲率半径64，且其布置成使得当后壁38与外表面30交汇时，后壁38与外表面30基本相切。此外，从计量区32到混合通道34，后曲率半径64可变化(例如增大)。由此得到的燃料孔28具有大于计量区32的截面的出口截面面积40，其允许流扩散。此外，如由箭头42所示，由于后壁38与外表面30相切地交汇，燃料基本平行于通过混合通道34的气流44而在后壁38附近喷入混合通道中。将燃料42喷入气流44中建立了燃料42与气流44的近似协流，与典型的燃料孔构造的燃料再循环区相反，用燃料42以高的下游速度来填充下游区域46。
图5和6显示的是燃料孔28的出口48的两种构造的视图。在某些实施例中，如图5所示，出口48包括下游边缘50、上游边缘52和两个侧边缘54。在图5的实施例中，侧边缘54基本彼此平行，和/或平行于流向56。在其它实施例中，如图6所示，出口48的侧边缘54张开成与流向56成张开角58，从而使得出口48的宽度60在下游边缘50处比在上游边缘52处更大。相反，在某些实施例中，有利的是使侧边缘54张开，从而使得下游边缘50处的宽度60小于上游边缘52处的宽度60。将理解的是，图5和6中所示的出口48的构造可一起用于同一叶片18中或同一燃料喷嘴10中。此外，本文所述的出口48构造仅是示例性的，而且还构思了本范围之内的其它出口48构造。
根据所呈现的实施例的燃料孔28可通过各种制造方法形成。在某些实施例中，燃料孔28在多个旋流器叶片18的直接金属激光烧结(DMLS)期间形成。
本文所述的燃料孔28使燃料42基本平行于气流44而喷入混合通道34中，从而引起燃料42朝向燃烧区(未示出)的高速流动。该高速流动减少了再循环区的形成，且从而减小了燃料喷嘴10的火焰稳定趋势。
虽然已经仅仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，可以修改本发明，以包括迄今未描述的但是与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、变更、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是将理解，本发明的各方面可包括所述实施例其中某些。因此，本发明不应被视为受上述说明的限制，而是仅受所附的权利要求书的范围的限制。

Claims (10)

1.一种用于燃烧器的燃料喷嘴(10)，其包括：
流体通过其而导向燃烧区域(16)的混合通道(34)；以及
设置在所述混合通道(34)中的多个旋流器叶片(18)，所述多个旋流器叶片(18)中的各个旋流器叶片(18)包括至少一个燃料孔(28)，燃料通过所述燃料孔(28)沿基本平行于所述多个旋流器叶片(18)的外表面(30)的喷射方向进入所述混合通道(34)，从而减小所述燃料喷嘴(10)的火焰稳定趋势。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述至少一个燃料孔(28)包括与所述外表面(30)相切地相交的后壁(38)。
3.根据权利要求2所述的燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述后壁(38)比所述至少一个燃料孔(28)的可相对地设置的前壁(36)具有更大的曲率半径(62)。
4.根据权利要求3所述的燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述前壁(36)以处于约15至约55度范围内的角度与所述外表面(30)相交。
5.根据权利要求2所述的燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述后壁(38)的构造确定了进入所述混合通道(34)中的燃料相对于所述外表面(30)的喷射角。
6.根据权利要求5所述的燃料喷嘴(10)，其特征在于，在所述后壁(38)与所述外表面(30)相交处，所述喷射角基本为零度。
7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述多个旋流器叶片(18)中的各个旋流器叶片(18)包括通过所述至少一个燃料孔(28)连接至混合通道(34)的至少一个燃料气室(24)。
8.一种操作用于燃烧器的燃料喷嘴(10)的方法，其包括：
使流体经过多个旋流器叶片(18)而流过混合通道(34)；以及
沿基本平行于所述多个旋流器叶片(18)的外表面(30)的喷射方向将燃料喷入所述混合通道(34)中，从而减小所述燃料喷嘴(10)的火焰稳定趋势。
9.根据权利要求8的所述方法，其特征在于，所述方法包括通过设置在所述多个旋流器叶片(18)中的至少一个燃料孔(28)将燃料喷入所述混合通道(34)中。
10.根据权利要求9的所述方法，其特征在于，所述至少一个燃料孔(28)包括与所述外表面(30)相切地相交的后壁(38)。
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