專利名稱：用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
實施例和備選方案提供了提高燃料效率同時減少排氣排放的預(yù)混合器。實施例包括其中在燃料噴嘴(中心體)上方的邊界層分布被控制以最小化排放的那些。在過去，一直難以增加流邊界層處的流速同時還對構(gòu)件適當(dāng)?shù)卮_定大小以在預(yù)混合器中實現(xiàn)最佳葉片形狀，以及將燃燒器系統(tǒng)內(nèi)的旋流器定位成更靠近在一起。這樣，提供了實施例和備選方案，其實現(xiàn)通過利用混合器到混合器的接近度(proximity)減小而對燃料噴嘴(中心體)上方的邊界層分布的準(zhǔn)確控制、預(yù)混合器葉片傾斜以包括復(fù)合角的使用、降低的噴嘴/混合器傾斜靈敏度、以及混合器腳部輪廓。附加的邊界層控制使用吹掃槽縫和在采用雙徑向混合器時的分流器來實現(xiàn)，吹掃槽縫置于預(yù)混合器腳部或噴嘴外徑中的一者或兩者上。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)，其包括預(yù)混合器，該預(yù)混合器在形式上為大體圓柱形且由在第一環(huán)、第二環(huán)以及一個或更多徑向葉片之間的物理空間中的關(guān)系限定。其中，發(fā)現(xiàn)所述第一環(huán)和第二環(huán)為沿它們的面向表面在所有點彼此大體等距的，并且所述徑向葉片將所述第一環(huán)連接到所述第二環(huán)且由此形成所述預(yù)混合器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)，其包括預(yù)混合器，該預(yù)混合器在形式上為大體圓柱形且由在第一環(huán)、第二環(huán)以及多個徑向葉片之間的物理空間中的關(guān)系限定。其中，發(fā)現(xiàn)所述第一環(huán)和第二環(huán)為沿它們的面向表面在所有點彼此大體等距的，并且徑向葉片將所述第一環(huán)連接到所述第二環(huán)且由此形成所述預(yù)混合器。其中，所述第一環(huán)被認為大部分位于單個平面內(nèi)且所述第二環(huán)在物理空間中偏移，使得所述第二環(huán)占據(jù)的平面大體平行于所述第一環(huán)的所述平面，并且所述第一環(huán)具有大體上分別在第一外點和第一內(nèi)點處測量的第一環(huán)外徑和第一環(huán)內(nèi)徑。第一內(nèi)肩部設(shè)置在所述徑向葉片的內(nèi)側(cè)，并且第一外肩部設(shè)置在所述徑向葉片的外側(cè)，并且，所述第二環(huán)具有大體上分別在第二外點和第二內(nèi)點處測量的第二環(huán)外徑和第二環(huán)內(nèi)徑，并且第二內(nèi)肩部在剖視圖中位于一點處，在所述點，所述第二環(huán)的結(jié)構(gòu)移動通過大體直角，從而形成為大體圓柱形的室。還包括形成及設(shè)置在所述第二環(huán)上的一個或更多后唇吹掃流開口，所述室設(shè)置在主混合器中，大體上遠離所述徑向葉片所處的所述主混合器的區(qū)域，所述徑向葉片具有在從0.0lO英寸至0.030英寸的范圍內(nèi)的入口半徑。并且，還包括形成于所述第一環(huán)內(nèi)的一個或更多吹掃槽縫。然而，所述第一環(huán)可被認為大部分位于單個平面內(nèi)且所述第二環(huán)在物理空間中偏移，使得所述第二環(huán)占據(jù)的平面大體不平行于所述第一環(huán)的平面。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，公開了一種用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)，其包括預(yù)混合器，該預(yù)混合器在形式上為大體圓柱形且由在第一環(huán)、第二環(huán)以及多個徑向葉片之間的物理空間中的關(guān)系限定。其中，發(fā)現(xiàn)所述第一環(huán)和第二環(huán)為沿它們的面向表面在所有點彼此大體等距的，并且所述徑向葉片將所述第一環(huán)連接到所述第二環(huán)且由此形成所述預(yù)混合器。其中，所述第一環(huán)被認為大部分位于單個平面內(nèi)且所述第二環(huán)在物理空間中偏移，使得所述第二環(huán)占據(jù)的平面大體平行于所述第一環(huán)的平面，并且所述第一環(huán)具有大體上分別在第一外點和第一內(nèi)點處測量的第一環(huán)外徑和第一環(huán)內(nèi)徑。第一內(nèi)肩部設(shè)置在所述徑向葉片的內(nèi)側(cè)，并且第一外肩部設(shè)置在所述徑向葉片的外側(cè)，并且，所述第二環(huán)具有大體上分別在第二外點和第二內(nèi)點處測量的第二環(huán)外徑和第二環(huán)內(nèi)徑，并且第二內(nèi)肩部在剖視圖中位于一點處，在所述點，所述第二環(huán)的結(jié)構(gòu)移動通過大體直角，從而形成為大體圓柱形的室。還包括形成及設(shè)置在所述第二環(huán)上的一個或更多后唇吹掃流開口，所述室設(shè)置在主混合器中，大體上遠離所述徑向葉片所處的所述主混合器的區(qū)域，所述徑向葉片具有在從0.010英寸至0.030英寸的范圍內(nèi)的入口半徑。此外，還包括形成于所述第一環(huán)內(nèi)的一個或更多吹掃槽縫，并且提供一個或更多分流器，所述分流器大體設(shè)置在所述徑向葉片內(nèi)。


通過參考結(jié)合附圖的以下描述，可以最好地理解用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)，在附圖中:
圖1是包括燃燒器的燃氣渦輪發(fā)動機的示意 圖2是帶有空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器的示例性實施例的燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器的剖視 圖3是示出圖2的燃料噴嘴和預(yù)混合器的所選細節(jié)的放大剖視 圖4a是示出備選的燃料噴嘴和預(yù)混合器的所選細節(jié)的放大剖視 圖4b是示出另一備選的燃料噴嘴和預(yù)混合器的所選細節(jié)的放大剖視 圖5是空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器的透視 圖6是圖5的空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器的另一透視 圖7是示出圖5的空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器的所選細節(jié)的剖視 圖8至圖9、圖10至圖11、圖12至圖13a、圖14至圖15、圖16至圖17、圖18至圖19、圖20至圖21、圖22至圖23、圖24至圖25、圖28至圖29以及圖30至圖31提供了成對的視圖，每一對的第一視圖以透視圖示出，每一對的第二視圖以剖視圖示出，每一對視圖如此選擇以示出空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器的備選實施例的所選細節(jié)； 圖13b和圖13c示出空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器的吹掃槽縫的所選細節(jié)；
圖26a、圖26b和圖27提供了一組三個視圖，第一視圖以透視圖示出，第二視圖以另一透視圖示出，并且第三視圖以剖視圖示出，該組視圖選擇為示出空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器的備選實施例的人字形分流器的所選細節(jié)。
具體實施例方式以一般引用的方式，已開發(fā)出飛行器燃氣渦輪發(fā)動機分級燃燒系統(tǒng)以限制諸如氮氧化物(NOx)、未燃燒的烴(HC)和一氧化碳(CO)的不期望的燃燒產(chǎn)物組分的產(chǎn)生，特別是在機場附近，在此，它們有助于增加城市光化學(xué)煙霧問題。燃氣渦輪發(fā)動機還設(shè)計成燃料高效的且具有低操作成本。影響燃燒器設(shè)計的其它因素為燃氣渦輪發(fā)動機使用者對高效、低成本操作的期望，這轉(zhuǎn)化為對在維持或甚至增加發(fā)動機輸出的同時減少燃料消耗的需求。因此，飛行器燃氣渦輪發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的重要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)包括提供高燃燒溫度，以便在各種發(fā)動機操作條件下提供高的熱效率。另外，重要的是最小化不期望的燃燒條件，該燃燒條件有助于顆粒的排放、不期望氣體的排放以及為光化學(xué)煙霧形成前體的燃燒產(chǎn)物的排放。已使用的一種混合器設(shè)計被稱為雙環(huán)預(yù)混旋流器(TAPS)，其在下列美國專利中公開:N0.6，354，072、N0.6，363，726、N0.6，367，262、N0.6，381，964、N0.6,389,815、N0.6，418，726、N0.6，453，660、N0.6，484，489 和 N0.6，865，889。將會理解，TAPS 混合器組件包括在整個發(fā)動機操作循環(huán)期間供有燃料的引燃(pilot)混合器和僅在發(fā)動機操作循環(huán)的增加功率條件下供有燃料的主混合器。雖然在具有序列號N0.11/188,596、N0.11/188，598和N0.11/188，470的專利申請中公開了在高功率條件(即起飛和升空)期間對組件的主混合器的改進，但希望修改引燃混合器以在維持燃燒效率的同時提高發(fā)動機操作范圍的其它部分(即，空轉(zhuǎn)、進場和巡航)的操作能力。為此且為了提供增加的功能和靈活性，TAPS型混合器組件中的引燃混合器已得到發(fā)展并在公布于2010年7月27日的名稱為“Pilot Mixer For Mixer Assembly Of A Gas Turbine Engine Combustor Having APrimary Fuel Injector And A Plurality Of Secondary Fuel Injection Ports，，的美國專利N0.7，762，073中公開。該專利歸本申請的受讓人所有且以引用方式并入本文中。提交于2009 年 4 月 16 日的名稱為 “DUAL ORIFICE PILOT FUEL INJECTOR” 的美國專利申請序列號N0.12/424,612 (公布號20100263382)公開了具有第一和第二引燃燃料噴嘴的燃料噴嘴，其設(shè)計成提高次空轉(zhuǎn)效率、降低周圍排氣溫度(EGT)變化同時維持對燃料噴射器結(jié)焦的低易感性。該專利申請歸本申請的受讓人所有且以引用方式并入本文中。圖1提供為取向且示出燃氣渦輪發(fā)動機10的所選構(gòu)件，其包括旁路風(fēng)扇15、低壓壓縮機300、高壓壓縮機400、燃燒器16、高壓渦輪500和低壓渦輪600。參照圖2，示出了包括燃燒區(qū)18的燃燒器16的示例性實施例，燃燒區(qū)18由環(huán)形徑向外襯里20和內(nèi)襯里22限定且限定在兩者間,外襯里20和內(nèi)襯里22分別包圍發(fā)動機中心線52。外襯里20和內(nèi)襯里22位于環(huán)形燃燒器殼體26的徑向內(nèi)側(cè),環(huán)形燃燒器殼體26圍繞外襯里20和內(nèi)襯里22周向延伸。燃燒器16還包括環(huán)形拱頂34，其安裝在燃燒區(qū)18上游且附連到外襯里20和內(nèi)襯里22。拱頂34限定燃燒區(qū)18的上游端36，并且多個混合器組件40(僅示出一個)圍繞拱頂34周向間隔開。每個混合器組件40包括引燃混合器102和安裝在拱頂34中的預(yù)混合器104。燃燒器16接納來自高壓壓縮機排出口 69的加壓壓縮機排放空氣402的環(huán)形流，其被稱為CDP空氣(壓縮機排放壓力空氣)。壓縮機排放空氣402的第一部分23流入混合器組件40中，在此燃料也被噴入以與空氣混合并形成燃料空氣混合物65，燃料空氣混合物65被提供至燃燒區(qū)18以用于燃燒。燃料空氣混合物65的點燃由合適的點火器70實現(xiàn)，并且所得燃燒氣體60在軸向方向上流向且流入環(huán)形的第一級渦輪噴嘴72。第一級渦輪噴嘴72由環(huán)形流動通道限定，該通道包括多個徑向延伸的圓形地間隔開的噴嘴葉片74，噴嘴葉片74使氣體旋轉(zhuǎn)，使得它們有角度地流動并沖擊第一渦輪(未示出)的第一級渦輪葉片(未示出)。圖2中的箭頭示出了壓縮機排放空氣在燃燒器16內(nèi)流動的方向。壓縮機排放空氣402的第二部分24圍繞外襯里20流動，并且壓縮機排放空氣402的第三部分25圍繞內(nèi)襯里22流動。圖2中進一步示出的燃料噴射器11包括噴嘴基座或凸緣30，其適于被固定和密封到燃燒器殼體26。燃料噴射器11的中空桿32與凸緣30 —體化或固定到凸緣30 (例如通過釬焊或焊接)，并且包括燃料噴嘴組件12。中空桿32支撐燃料噴嘴組件12和引燃混合器102。在桿32頂部處的閥外殼37包含在以上引用的美國專利申請N0.20100263382中更詳細示出和討論的閥。參照圖2且在圖3中示出進一步細節(jié)，燃料噴嘴組件12包括主燃料噴嘴61和到引燃混合器102的環(huán)形引燃入口 54，壓縮機排放空氣14的第一部分23流過引燃入口 54。燃料噴嘴組件12還包括在環(huán)形引燃入口 54中基本上居中的雙孔引燃燃料噴射器頂端57。雙孔引燃燃料噴射器頂端57包括同心的一級引燃燃料噴嘴58和次級引燃燃料噴嘴59。引燃混合器102包括中心軸線120，雙孔引燃燃料噴射器頂端57、一級引燃燃料噴嘴58和次級引燃燃料噴嘴59、環(huán)形引燃入口 54和主燃料噴嘴61以中心軸線120為中心且包圍中心軸線120。引燃外殼99包括中心體103，并且徑向向內(nèi)支撐引燃燃料噴射器頂端57且徑向向外支撐主燃料噴嘴61。中心體103徑向設(shè)置在引燃燃料噴射器頂端57和主燃料噴嘴61之間。中心體103圍繞引燃混合器102并限定室105，室105與引燃混合器102流動連通且在其下游。相對于發(fā)動機中心線52，引燃混合器102在徑向內(nèi)徑ID處徑向支撐雙孔引燃燃料噴射器頂端57，并且中心體103在徑向外徑OD處徑向支撐主燃料噴嘴61。主燃料噴嘴61設(shè)置在混合器組件40的預(yù)混合器104(參見圖1)內(nèi)，并且雙孔引燃燃料噴射器頂端57設(shè)置在引燃混合器102內(nèi)。燃料被來自引燃混合器102的空氣流霧化，該空氣流在環(huán)形次級出口 100附近的平面中處于其最大速度。參照圖4a和圖4b,提供了具有為嗔嘴槽縫62的空氣流通路的實施例和備選方案，噴嘴槽縫62設(shè)置在噴嘴61的結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而允許在燃料噴射器11的所選結(jié)構(gòu)之間的流體連通。所選結(jié)構(gòu)包括但不限于中空桿32。把我們的關(guān)注轉(zhuǎn)到預(yù)混合器104且參照圖3以及圖5至圖9，預(yù)混合器104在形式上通常為圓柱形，并且由第一環(huán)200、第二環(huán)220和多個徑向葉片210之間的物理空間中的關(guān)系限定。更詳細而言，實施例包括其中發(fā)現(xiàn)第一環(huán)200和第二環(huán)220為沿它們的面向表面在所有點彼此大體等距的那些。如果第一環(huán)200被認為大部分位于單個平面內(nèi)，那么第二環(huán)220在物理空間中偏移，使得其所占據(jù)的平面大體平行于第一環(huán)200的平面。通過繼續(xù)參照附圖，然后可看到，徑向葉片210將第一環(huán)200連接到第二環(huán)220且由此形成預(yù)混合器 104。提供了不需要環(huán)200、220的大體等距且平行的平面性質(zhì)的備選方案。對于這樣的實施例，環(huán)200、220設(shè)想為不設(shè)置在大體平行的平面中。附加的實施例和備選方案提供了預(yù)混合器104，其具有根據(jù)需要選擇性地形成或提供的多種附加的結(jié)構(gòu)、腔、孔等，以便在燃燒中提供提高的燃料效率以及減少的排放。在圖8至圖31中已選擇示出了若干備選方案；然而，圖示實施例意圖被視為范圍更廣泛的各種實施例和備選方案的范例。再次參照圖3和圖7，備選方案包括其中第一環(huán)200具有通常分別在第一外部點202和第一內(nèi)部點204處測量的第一環(huán)外徑和第一環(huán)內(nèi)徑的那些。具體參照圖3，第一環(huán)200的一部分示出為第一內(nèi)環(huán)平臺205。在一些實施例中發(fā)現(xiàn)第一內(nèi)肩部206和第一外肩部或“腳部”208。第二環(huán)220具有通常分別在第二外部點222和第二內(nèi)部點224處測量的第二環(huán)外徑和第二環(huán)內(nèi)徑。第二內(nèi)肩部226在剖視圖中位于一點處，在該點，第二環(huán)220的結(jié)構(gòu)移動通過大體直角，從而形成在備選實施例中為大體圓柱形的室228。一個或更多后唇吹掃流開口 227根據(jù)需要形成及設(shè)置在環(huán)220上。室228設(shè)置在主混合器104中，大體上遠離葉片210所處的主混合器104的區(qū)域?；叵?參見圖2)壓縮機排放空氣14的第一部分23流入混合器組件40中，成為在發(fā)動機的壓縮機段(未示出)中的上游被壓縮并引導(dǎo)至燃燒器系統(tǒng)中的流體。這樣的空氣14從混合器組件40外側(cè)到達，沿肩部226向內(nèi)傳遞并被引導(dǎo)通過混合器40，并且向前通過室228離開而成為燃料空氣混合物65的一部分。通過選擇性地改變在預(yù)混合器104的各種元件之間的以上這樣限定的相應(yīng)直徑和距離的值，并且如圖7至圖31所示，提供了呈現(xiàn)所選和所期望的物理結(jié)構(gòu)到流動路徑中以優(yōu)化通過預(yù)混合器104的流的實施例。例如，圖5至圖9中例示的預(yù)混合器104大體上提供了比現(xiàn)有設(shè)計更長的室228，從而提供更高的整體軸向速度。圖8示出一實施例的透視圖且圖9示出同一實施例的剖視圖。后續(xù)成對的圖(圖10至圖11、圖12至圖13等等，至圖對30和31)提供了那些視圖，每一對用于不同的說明性實施例和備選的預(yù)混合器104。圖組26a-26c使用三個視圖來說明包括分流器240的備選方案的細節(jié)。對于還包括波形242的后續(xù)圖，為分流器240的細節(jié)而返回參照圖26a至圖 26c。參照圖10至圖19，例示的預(yù)混合器向圖5至圖9中例示的那些預(yù)混合器104的結(jié)構(gòu)提供了吹掃槽縫230的添加。這些槽縫230幫助激活中心體103上的邊界層(參見圖4)。參照圖13a且還示出在圖17中，備選的預(yù)混合器104包括如下提供的傾角700: 可以看到，如果與第一外點202的位置相比第一內(nèi)點204軸向向內(nèi)移位到主混合器104
中，那么也會發(fā)現(xiàn)肩部206被并入如此形成的實施例中。如果肩部206與第一外點202大體上共同定位，那么沿第一環(huán)200的內(nèi)表面呈現(xiàn)大體傾斜的輪廓。在剖視圖(參見圖13和圖17)中，容易看出傾角700在沿第一環(huán)200的內(nèi)表面勾畫大體傾斜輪廓的線和從噴射器11的中心線徑向向外畫出的線之間測量。提供備選方案，其具有設(shè)置在第一外點202內(nèi)側(cè)某個位置處且因此更靠近第一內(nèi)點204的肩部。參照剖視圖，在空氣14到達預(yù)混合器104中時，對空氣14呈現(xiàn)傾斜。這樣的傾角700幫助提高效率并減少與提供帶有減小的角向變化(當(dāng)在剖視圖中從側(cè)面觀察時)的流型14相關(guān)聯(lián)的空氣動力學(xué)損失。這樣的空氣動力學(xué)包裝導(dǎo)致增強的邊界層控制、提高的接近度和減小的堆疊靈敏度。傾角700的方式提供了邊界層的控制，優(yōu)化了旋流器包裝，通過減小偏心度而提供了穩(wěn)健的混合，并且允許減小混合器腔228的大小。參照圖10至圖23，實施例和備選方案提供了與預(yù)混合器104分開形成的第二環(huán)220，其中第二環(huán)220配合至對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，相關(guān)聯(lián)的兩件式組件由此變?yōu)轭A(yù)混合器104。圖10至圖27還示出了具有根據(jù)需要設(shè)置及形成于第一環(huán)200內(nèi)的多個吹掃槽縫230的實施例和備選方案。圖26a至圖31提供了預(yù)混合器104的實施例的范例，對其提供了大體設(shè)置在葉片210內(nèi)的一個或更多分流器240。這樣的實施例提供了流14的提高的空氣動力學(xué)效率。此夕卜，圖26a至圖31中例示的備選方案還包括波形242，其形成及設(shè)置在分流器240上，以便進一步提高流14的空氣動力學(xué)效率。參照圖18至圖23，例示的預(yù)混合器提供了較短的預(yù)混合器104，其帶有同時較短的徑向葉片210且具有較長的室228，在其中內(nèi)峰值速度分布被最大化。參照圖26a至圖31，例示的預(yù)混合器在備選預(yù)混合器104上提供了進一步的區(qū)別。具體而言，參照圖26a、圖26b和圖27，除了在其它附圖中例示的備選方案的徑向葉片210之外，錐形葉片212大體形成在第一環(huán)200上且從其徑向向內(nèi)懸垂。此外，一個或更多分流器240設(shè)置在較短的預(yù)混合器104的大體徑向內(nèi)側(cè)，預(yù)混合器104帶有同時較短的徑向葉片210且具有較長的室228，在其中內(nèi)峰值速度分布被最大化。參照圖28至圖31，一個或更多分流器240在軸向上位于第一環(huán)200和第二環(huán)220之間，并且沿此前示出為其它備選方案的徑向葉片210的物體的長度介入(參見例如圖26a、圖26b和圖27)。這樣，圖28至圖31中例示的實施例將徑向葉片210替換成兩個徑向葉片:設(shè)置在第一環(huán)200和分流器240之間的前部徑向葉片216以及設(shè)置在分流器240和第二環(huán)220之間的后部徑向葉片214。示出這樣的實施例以增強低排放操作同時還提高動態(tài)空氣流的可能。提供其它實施例，其代替徑向葉片210中的一個或更多，一個或更多錐形葉片212大體形成在第一環(huán)上且從第一環(huán)徑向向內(nèi)懸垂。另外的實施例提供了波形242，其設(shè)置在分流器240上，從而進一步增強低排放操作同時還提高動態(tài)空氣流的可能。一些波形242形成為人字形形狀。相對于如在任何特定實施例中發(fā)現(xiàn)的葉片210、前部徑向葉片216和后部徑向葉片214，一些備選方案提供了沿表面路徑的急劇輪廓變化，如在從附近但遠離這些葉片210、214、216的結(jié)構(gòu)觀察過渡時所見的那樣。例如，在一些實施例中，葉片210、214、216通過沖壓或包括切削和彎曲的其它操作而形成。相對于意圖為非限制性的該示例更詳細而言，實施例包括示出具有大約90度過渡角的葉片的那些，該過渡角對應(yīng)于非常接近零一大約為鈍角一的過渡半徑。備選方案包括其中葉片210、214、216特征為較不急劇過渡的那些，該過渡代之為成圓角的過渡。這樣的葉片210、214、216的過渡半徑為入口半徑211。備選方案包括其中入口半徑211在從0.010英寸到0.030英寸的范圍內(nèi)的那些。另外的備選方案的特征為相對于葉片210、214、216急劇且成圓角的過渡。返回參照帶有圖3、圖4a和圖4b所示細節(jié)的噴嘴61，提供預(yù)混合器104的實施例和備選方案，其中使用包括吹掃槽縫230和/或噴嘴槽縫62的槽縫來實現(xiàn)附加的邊界層控制，吹掃槽縫230和/或噴嘴槽縫62分別設(shè)置在預(yù)混合器104的腳部208中的一者或兩者處或者沿噴嘴61的外徑設(shè)置。參照圖4b，備選方案包括其中空氣流通路形成為多于一個噴嘴槽縫62的那些，噴嘴槽縫允許附加的空氣在預(yù)混合器104的腳部208附近但從腳部208徑向向內(nèi)穿過噴嘴61。對于具有吹掃槽縫230的實施例且參照圖13、圖13b和圖13c，備選方案提供吹掃槽縫，其形成為并入徑向角度232 (如圖13中所示)和周向角度234中的任一者、兩者或無一者的幾何形狀。關(guān)于周向角度234且參照圖13b和圖13c，平面236示出在圖13b的預(yù)混合器104的透視圖中。參照圖13c中的平面236看到周向角度234。圖13c的視點在平面236內(nèi)，因此平面236在該視圖中看起來是從6點鐘到12點鐘的豎直線。周向角度234從平面236取到沿吹掃槽縫230內(nèi)的所選結(jié)構(gòu)部分的面延伸的線，如圖13c所示。備選方案包括其中徑向角度在從約O度至約45度的范圍內(nèi)的那些。備選方案包括其中周向角度在從約O度至約60度的范圍內(nèi)的那些。實施例包括其中所有吹掃槽縫的數(shù)量與所有葉片的數(shù)量相同的那些。
備選方案提供了吹掃槽縫230的所選設(shè)置或排列。例如，參照圖15和圖16，備選方案提供了，吹掃槽縫230在示出為介于第一內(nèi)點204和第一內(nèi)肩部206之間的區(qū)域內(nèi)排放。參照圖16和圖17，其它實施例代之提供了，吹掃槽縫230不在由第一內(nèi)點204和第一內(nèi)肩部206限定的區(qū)域內(nèi)排放，而是吹掃槽縫230徑向進一步向內(nèi)且因此沿第一內(nèi)環(huán)平臺205排放。其它備選方案通過吹掃槽縫230的排列的其它選擇而提供周向吹掃。實施例還通過吹掃槽縫230的排列的選擇且還通過將第一環(huán)200的形狀選擇為包括第一外肩部208的形狀和位置而提供可變的軸向吹掃。吹掃槽縫230提供了局部邊界層控制。當(dāng)與傾角700結(jié)合時，吹掃槽縫230還提供會聚且激活的邊界層。當(dāng)利用可變的軸向吹掃時，預(yù)混合器104受益于對預(yù)混合器104周向周圍有時可見的泄漏變化的敏感性的降低。可變的軸向吹掃還允許在低功率下減少吹掃。參照圖18和圖20，備選方案提供了，圖18的吹掃槽縫230可選擇性地增加尺寸(參見圖20)，以充當(dāng)一個或更多軸向葉片。這些軸向葉片還可充當(dāng)圖26a、圖26b和圖27中所示的錐形葉片的實施例。備選方案(參見圖26a、圖26b和圖27)提供了，一個分流器240在軸向上位于第一環(huán)200和第二環(huán)220之間，并且其中提供了一個錐形葉片和一個徑向葉片；前部錐形葉片設(shè)置在第一環(huán)200和分流器240之間，后部徑向葉片設(shè)置在分流器240和第二環(huán)220之間。實施例和備選方案允許選擇由室228限定的預(yù)混合器104的喉部的長度。通過將室228的長度除以葉片210的長度而確定這兩個值的比。實施例通過選擇期望值范圍內(nèi)的比值而提供提高的流和效率。備選方案包括其中室228長度與葉片210長度的比為從1:1至2:1的那些。例如且參照至少圖20至圖21中示出的實施例，備選方案(例如，參見圖18至圖19和圖22至圖23)包括其中葉片210形成為相對于室228緊湊從而導(dǎo)致比值處于1:1至2:1的范圍的較高端的那些。這樣的備選預(yù)混合器104示出NOx的顯著降低。實施例包括其中NOx降低在從10%至20%的范圍內(nèi)的那些。參照圖3、圖16和圖17，實施例包括其中熱增長和收縮作為被動方式被依賴的那些，以改變預(yù)混合器104相對于燃料噴射器11的相對位置，從而減小在高功率下泄漏間隙速度的不均勻性。更詳細而言，第一環(huán)內(nèi)平臺205在平移運動中相對于燃料噴射器11噴嘴的所選結(jié)構(gòu)軸向移動，從而打開或關(guān)閉燃料噴射器11和平臺205之間的可用區(qū)域并因此提供被動吹掃空氣控制。接近度減小涉及用于將各自具有罩蓋的多個燃料噴嘴以期望布置定位在燃燒系統(tǒng)內(nèi)從而允許優(yōu)化罩蓋至罩蓋距離的可能性。備選方案提供罩蓋至罩蓋距離為0.100英寸或更大。傾斜靈敏度涉及將腳部208相對于其它設(shè)計重新定位在徑向下游的可能性。實施例和備選方案提供了允許10%的傾斜靈敏度減小，如由流14可見。如至少在圖14中所示，具有大體在10度至45度之間的范圍內(nèi)的值的傾角700在流14中提供增加的速度、增加的霧化以及空氣與燃料的混合，從而通過將低效率減少10%至20%的范圍而提供可測量的提高，以及排放的減少。雖然本文中已描述了可視為本發(fā)明的優(yōu)選和示例性實施例的內(nèi)容，但根據(jù)本文的教導(dǎo)，本發(fā)明的其它修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言應(yīng)是顯而易見的，并且因此希望將落在本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)的所有這樣的修改保護在所附權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)，包括: 預(yù)混合器，其在形式上為大體圓柱形且由在第一環(huán)、第二環(huán)以及一個或更多徑向葉片之間的物理空間中的關(guān)系限定；其中，發(fā)現(xiàn)所述第一環(huán)和第二環(huán)為沿它們的面向表面在所有點彼此大體等距的，并且所述徑向葉片將所述第一環(huán)連接到所述第二環(huán)且由此形成所述預(yù)混合器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述第一環(huán)被認為大部分位于單個平面內(nèi)且所述第二環(huán)在物理空間中偏移，使得所述第二環(huán)占據(jù)的平面大體平行于所述第一環(huán)的平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述第一環(huán)被認為大部分位于單個平面內(nèi)且所述第二環(huán)在物理空間中偏移，使得所述第二環(huán)占據(jù)的平面大體不平行于所述第一環(huán)的平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述第一環(huán)具有大體上分別在第一外點和第一內(nèi)點處測量的第一環(huán)外徑和第一環(huán)內(nèi)徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在所述徑向葉片內(nèi)側(cè)的第一內(nèi)肩部和設(shè)置在所述徑向葉片外側(cè)的第一外肩部，并且其中，所述第二環(huán)具有大體上分別在第二外點和第二內(nèi)點處測量的第二環(huán)外徑和第二環(huán)內(nèi)徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括在剖視圖中位于一點處的第二內(nèi)肩部，在所述點，所述第二環(huán)的結(jié)構(gòu)移動通過大體直角，從而形成為大體圓柱形的室。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括形成及設(shè)置在所述第二環(huán)上的一個或更多后唇吹掃流開口。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述室設(shè)置在主混合器中，大體上遠離所述徑向葉片所處的所述主混合器的區(qū)域；并且，所述徑向葉片具有在從0.0lO英寸至0.030英寸的范圍內(nèi)的入口半徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括形成于所述第一環(huán)內(nèi)的一個或更多吹掃槽縫。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述一個或更多吹掃槽縫具有限定在其上且在從約O度至約45度的范圍內(nèi)的徑向角度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述一個或更多吹掃槽縫通過第一環(huán)內(nèi)平臺排放。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述一個或更多吹掃槽縫具有限定在其上且在從約O度至約60度的范圍內(nèi)的周向角度。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括傾角，所述傾角在沿所述第一環(huán)的內(nèi)表面勾畫大體傾斜輪廓的線和從所述噴射器的中心線徑向向外畫出的線之間測量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述肩部設(shè)置在所述第一外點內(nèi)側(cè)的位置處且因此接近度更靠近所述第一內(nèi)點。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述吹掃槽縫尺寸增長以充當(dāng)軸向葉片。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二環(huán)與所述預(yù)混合器分開形成，其中，所述第二環(huán)配合至對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，相關(guān)聯(lián)的兩件式組件由此構(gòu)成所述預(yù)混合器。
17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:提供大體設(shè)置在所述徑向葉片內(nèi)的一個或更多分流器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括形成及設(shè)置在所述分流器上的波形。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述一個或更多分流器在軸向上位于所述第一環(huán)和所述第二環(huán)之間，且其中提供兩個徑向葉片，為設(shè)置在所述第一環(huán)和所述分流器之間的前部徑向葉片以及設(shè)置在所述分流器和所述第二環(huán)之間的后部徑向葉片。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:提供大體設(shè)置在所述軸向葉片和徑向葉片之間的一個或更多分流器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括形成及設(shè)置在所述分流器上的波形。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述一個或更多徑向葉片由大體形成于所述第一環(huán)上且從所述第一環(huán)徑向向內(nèi)懸垂的一個或更多錐形葉片代替。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括形成及設(shè)置在所述分流器上的波形。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:所述一個或更多分流器在軸向上位于所述第一環(huán)和所述第二環(huán)之間，且其中提供一個錐形葉片和一個徑向葉片，為設(shè)置在所述第一環(huán)和所述分流器之間的前部錐形葉片以及設(shè)置在所述分流器和所述第二環(huán)之間的后部徑向葉片。
25.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，使用選自組吹掃槽縫、噴嘴槽縫的槽縫來實現(xiàn)邊界層控制；所述槽縫分別設(shè)置在所述預(yù)混合器的所述第一外肩部中的一者或兩者處或沿所述噴嘴的外徑設(shè)置。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，吹掃槽縫的數(shù)量與葉片的數(shù)量相同。
27.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，將室長度的值除以葉片長度的值得到在約1:1至約2:1的范圍內(nèi)的比。
28.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括在從10%至20%的范圍內(nèi)的NOx減少。
29.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，熱增長和收縮作為被動方式被依賴，以改變所述預(yù)混合器相對于所述燃料噴射器的相對位置，從而減小在高功率下泄漏間隙速度的不均勻性。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一環(huán)內(nèi)平臺在平移運動中相對于所述燃料噴射器的所選結(jié)構(gòu)軸向移動，從而打開或關(guān)閉所述燃料噴射器和所述第一環(huán)內(nèi)平臺之間的可用區(qū)域并因此提供被動吹掃空氣控制。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括固連到相似數(shù)量的燃料噴嘴的一個或更多預(yù)混合器，并且，通過將各自具有罩蓋的所述一個或更多燃料噴嘴定位在燃燒器系統(tǒng)內(nèi)使得罩蓋至罩蓋距離在從約0.100英寸或更大的范圍內(nèi)提供，從而實現(xiàn)接近度減小。
32.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括如由流所見的10%的傾斜靈敏度減小。
33.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:具有大體在10度至45度之間的范圍內(nèi)的值的所述傾角在所述流中提供增加的速度、增加的霧化以及空氣與燃料的混合，從而通過將低效率減少10%至20%的范圍而提供可測量的提高，以及排放的減少。
34.一種用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)，包括: 預(yù)混合器，其在形式上為大體圓柱形且由在第一環(huán)、第二環(huán)以及多個徑向葉片之間的物理空間中的關(guān)系限定；其中，發(fā)現(xiàn)所述第一環(huán)和第二環(huán)為沿它們的面向表面在所有點彼此大體等距的，并且徑向葉片將所述第一環(huán)連接到所述第二環(huán)且由此形成所述預(yù)混合器；其中，所述第一環(huán)被認為大部分位于單個平面內(nèi)且所述第二環(huán)在物理空間中偏移，使得所述第二環(huán)占據(jù)的平面大體平行于所述第一環(huán)的平面，并且所述第一環(huán)具有大體上分別在第一外點和第一內(nèi)點處測量的第一環(huán)外徑和第一環(huán)內(nèi)徑； 第一內(nèi)肩部設(shè)置在所述徑向葉片的內(nèi)側(cè)且第一外肩部設(shè)置在所述徑向葉片的外側(cè)，并且，所述第二環(huán)具有大體上分別在第二外點和第二內(nèi)點處測量的第二環(huán)外徑和第二環(huán)內(nèi)徑，并且第二內(nèi)肩部在剖視圖中位于一點處，在所述點，所述第二環(huán)的結(jié)構(gòu)移動通過大體直角，從而形成為大體圓柱形的室； 還包括形成及設(shè)置在所述第二環(huán)上的一個或更多后唇吹掃流開口，所述室設(shè)置在主混合器中，大體上遠離所述徑向葉片所處的所述主混合器的區(qū)域，所述徑向葉片具有在從0.010英寸至0.030英寸的范圍內(nèi)的入口半徑；并且， 還包括形成于所述第一環(huán)內(nèi)的一個或更多吹掃槽縫。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，然而，所述第一環(huán)被認為大部分位于單個平面內(nèi)且所述第二環(huán)在物理空間中偏移，使得所述第二環(huán)占據(jù)的平面大體不平行于所述第一環(huán)的平面。
36.一種用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)，包括: 預(yù)混合器，其在形式上為大體圓柱形且由在第一環(huán)、第二環(huán)以及多個徑向葉片之間的物理空間中的關(guān)系限定；其中，發(fā)現(xiàn)所述第一環(huán)和第二環(huán)為沿它們的面向表面在所有點彼此大體等距的，并且所述徑向葉片將所述第一環(huán)連接到所述第二環(huán)且由此形成所述預(yù)混合器； 其中，所述第一環(huán)被認為大部分位于單個平面內(nèi)且所述第二環(huán)在物理空間中偏移，使得所述第二環(huán)占據(jù)的平面大體平行于所述第一環(huán)的平面，并且所述第一環(huán)具有大體上分別在第一外點和第一內(nèi)點處測量的第一環(huán)外徑和第一環(huán)內(nèi)徑； 第一內(nèi)肩部設(shè)置在所述徑向葉片的內(nèi)側(cè)且第一外肩部設(shè)置在所述徑向葉片的外側(cè)，并且，所述第二環(huán)具有大體上分別在第二外點和第二內(nèi)點處測量的第二環(huán)外徑和第二環(huán)內(nèi)徑，并且第二內(nèi)肩部在剖視圖中位于一點處，在所述點，所述第二環(huán)的結(jié)構(gòu)移動通過大體直角，從而形成為大體圓柱形的室； 還包括形成及設(shè)置在所述第二環(huán)上的一個或更多后唇吹掃流開口，所述室設(shè)置在主混合器中，大體上遠離所述徑向葉片所處的所述主混合器的區(qū)域，所述徑向葉片具有在從0.010英寸至0.030英寸的范圍內(nèi)的入口半徑； 還包括形成于所述第一環(huán)內(nèi)的一個或更多吹掃槽縫，并且提供一個或更多分流器，所述分流器大體設(shè)置在所述徑向葉片內(nèi)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括形成及設(shè)置在所述分流器上的波形。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括:代替所述徑向葉片中的一個或更多，一個或更多錐形葉片大體形成于所述第一環(huán)上且從所述第一環(huán)徑向向內(nèi)懸垂。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括形成及設(shè)置在所述分流器上的波形。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于空氣動力學(xué)增強預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)。更具體而言，一種用于空氣動力學(xué)預(yù)混合器以減少排放的系統(tǒng)包括預(yù)混合器，該預(yù)混合器在形式上為大體圓柱形且由在第一環(huán)、第二環(huán)以及多個徑向葉片之間的物理空間中的關(guān)系限定。發(fā)現(xiàn)第一環(huán)和第二環(huán)為沿它們的面向表面在所有點彼此大體等距的。徑向葉片將第一環(huán)連接到第二環(huán)且由此形成預(yù)混合器。
文檔編號F23R3/28GK103162312SQ20121053697
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者N.V.帕特爾, D.D.湯森 申請人:通用電氣公司