具有燃料噴嘴的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有燃料噴嘴的系統(tǒng)和方法。具體而言，一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)包括第一主體，該第一主體包括從混合區(qū)延伸至該第一主體的第一下游端部部分處的中央出口的中央通路、該混合區(qū)中的燃料出口、該混合區(qū)中的氧化劑出口、和外通路，該外通路包括沿下游方向朝該第一下游端部部分延伸的第一通路和沿上游方向從該第一下游端部部分延伸到該混合區(qū)中的第二通路。
【專利說明】
具有燃料噴嘴的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本文中公開的主題涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，且更具體而言，涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃料噴嘴組件。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒燃料和空氣的混合物以生成熱燃燒氣體，該熱燃燒氣體又驅(qū)動一個或更多個渦輪級。具體而言，熱燃燒氣體迫使渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動軸來使一個或更多個負(fù)載(例如發(fā)電機(jī))旋轉(zhuǎn)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包括一個或更多個燃料噴嘴組件，以將燃料和空氣噴射到燃燒器中。燃料噴嘴組件的設(shè)計和構(gòu)造可顯著地影響排氣排放(例如氮氧化物、一氧化碳等)以及燃料噴嘴組件的構(gòu)件的壽命。而且，燃料噴嘴組件的設(shè)計和構(gòu)造可顯著地影響安裝、移除、維護(hù)、和一般檢修的時間、成本、和復(fù)雜性。因此，改進(jìn)燃料噴嘴組件的設(shè)計和構(gòu)造將是合乎需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在下面總結(jié)了在范圍上與原始要求保護(hù)的發(fā)明相當(dāng)?shù)哪承嵤├?。這些實施例不意圖限制本主張發(fā)明的范圍，相反，這些實施例僅意圖提供本發(fā)明的可能形式的簡要總結(jié)。事實上，本發(fā)明可涵蓋多種形式，它們可與在下面提出的實施例相似或不同。
[0004]在第一實施例中，一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)包括第一主體，該第一主體包括從混合區(qū)延伸至該第一主體的第一下游端部部分處的中央出口的中央通路、該混合區(qū)中的燃料出口、該混合區(qū)中的氧化劑出口、和外通路，該外通路包括沿下游方向朝該第一下游端部部分延伸的第一通路和沿上游方向從該第一下游端部部分延伸到該混合區(qū)中的第二通路。
[0005]在第二實施例中，一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)包括燃料噴嘴，該燃料噴嘴包括第一主體和第二主體，該第一主體包括從混合區(qū)延伸至該第一主體的第一下游端部部分處的中央出口的中央通路、配置在該混合區(qū)中的多個渦旋導(dǎo)葉、和外通路，該外通路包括沿下游方向朝該第一下游端部部分延伸的第一通路和沿上游方向從該第一下游端部部分延伸到該混合區(qū)中的第二通路，該第二主體圍繞該第一主體配置。第二主體包括延伸至該第二主體的第二下游端部部分的流體通路。
[0006]在第三實施例中，一種方法包括:使第一流體沿下游方向朝燃料噴嘴的第一主體的第一下游端部部分流動;使第一流體沿上游方向從第一下游端部部分流到混合區(qū)中；在混合區(qū)中將第一流體與第二流體混合以生成混合流體?；旌蠀^(qū)包括多個渦旋導(dǎo)葉、燃料出口、氧化劑出口、或它們的組合。該方法還包括使混合流體從混合區(qū)穿過中央通路流動到燃料噴嘴的第一下游端部部分處的中央出口。
[0007]一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，包括:
燃料噴嘴，包括:
第一主體，其包括從混合區(qū)延伸至所述第一主體的第一下游端部部分處的中央出口的中央通路、所述混合區(qū)中的燃料出口、所述混合區(qū)中的氧化劑出口、和外通路，所述外通路包括沿下游方向朝所述第一下游端部部分延伸的第一通路和沿上游方向從所述第一下游端部部分延伸到所述混合區(qū)中的第二通路。
[0008]優(yōu)選地，所述混合區(qū)包括多個導(dǎo)葉。
[0009]優(yōu)選地，所述多個導(dǎo)葉包括多個渦旋導(dǎo)葉。
[0010]優(yōu)選地，所述多個導(dǎo)葉限定向內(nèi)延伸到所述中央通路中的多個徑向通路。
[0011]優(yōu)選地，所述多個導(dǎo)葉在所述中央通路中圍繞中央轂配置。
[0012]優(yōu)選地，所述中央轂包括所述氧化劑出口。
[0013]優(yōu)選地，所述中央轂包括所述燃料出口。
[0014]優(yōu)選地，內(nèi)通路包括所述氧化劑出口。
[0015]優(yōu)選地，所述中央通路的寬度在所述混合區(qū)與所述中央出口之間變化。
[0016]優(yōu)選地，所述寬度在所述混合區(qū)與所述中央出口之間沿下游方向變化。
[0017]優(yōu)選地，所述第一和第二通路是同心的環(huán)形通路。
[0018]優(yōu)選地，所述第一主體包括在所述第一和第二通路之間延伸的多個徑向通路。
[0019]優(yōu)選地，所述外通路包括配置在所述第一下游端部部分附近的冷卻室。
[0020]優(yōu)選地，該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)包括具有多個沖擊端口的沖擊板，其中，所述冷卻室配置在所述沖擊板與所述第一下游端部部分之間。
[0021 ]優(yōu)選地，所述第一主體包括圍繞所述中央通路配置的第一壁和圍繞所述第一壁配置的第二壁，所述第一和第二通路配置在所述第二壁的相反側(cè)上，且所述第二壁包括多個沖擊端口。
[0022]優(yōu)選地，所述外通路包括徑向入口、軸向入口、或它們的組合。
[0023]優(yōu)選地，該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)包括圍繞所述第一主體配置的第二主體，其中，所述第二主體包括延伸至所述第二主體的第二下游端部部分的流動通路。
[0024]優(yōu)選地，所述流動通路包括多個渦旋導(dǎo)葉、至少一個氧化劑端口、和至少一個燃料端口。
[0025]優(yōu)選地，該燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)包括具有所述燃料噴嘴的燃?xì)鉁u輪燃燒器、或燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、或它們的組合。
[0026]—種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，包括:
燃料噴嘴，包括:
第一主體，其包括從混合區(qū)延伸至所述第一主體的第一下游端部部分處的中央出口的中央通路、配置在所述混合區(qū)中的多個渦旋導(dǎo)葉、和外通路，所述外通路包括沿下游方向朝所述第一下游端部部分延伸的第一通路和沿上游方向從所述第一下游端部部分延伸到所述混合區(qū)中的第二通路;和
第二主體，其圍繞所述第一主體配置，其中，所述第二主體包括延伸至所述第二主體的第二下游端部部分的流動通路。
[0027]一種方法，包括:
使第一流體沿下游方向朝燃料噴嘴的第一主體的第一下游端部部分流動；
使所述第一流體沿上游方向從所述第一下游端部部分流到混合區(qū)中；
在所述混合區(qū)中將所述第一流體與第二流體混合以生成混合流體，其中，所述混合區(qū)包括多個渦旋導(dǎo)葉、燃料出口、氧化劑出口、或它們的組合;和使所述混合流體從所述混合區(qū)穿過中央流路流動至所述燃料噴嘴的第一下游端部部分處的中央出口。
[0028]優(yōu)選地，該方法包括利用所述第一流體來冷卻所述燃料噴嘴的第一下游端部部分。
[0029]優(yōu)選地，冷卻包括使所述第一流體的多個流相對于所述第一下游端部部分的內(nèi)部表面沖擊。
[0030]技術(shù)方案1:一種燃?xì)獾溳喯到y(tǒng)，包括:
燃料噴嘴，包括:
第一主體，其包括從混合區(qū)延伸至所述第一主體的第一下游端部部分處的中央出口的中央通路、所述混合區(qū)中的燃料出口、所述混合區(qū)中的氧化劑出口、和外通路，所述外通路包括沿下游方向朝所述第一下游端部部分延伸的第一通路和沿上游方向從所述第一下游端部部分延伸到所述混合區(qū)中的第二通路。
[0031]技術(shù)方案2:根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述混合區(qū)包括多個導(dǎo)葉。
[0032]技術(shù)方案3:根據(jù)技術(shù)方案2所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述多個導(dǎo)葉包括多個渦旋導(dǎo)葉和/或向內(nèi)延伸到所述中央通路中的多個徑向通路中的至少一者。
[0033]技術(shù)方案4:根據(jù)技術(shù)方案2所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述多個導(dǎo)葉在所述中央通路中圍繞中央轂配置。
[0034]技術(shù)方案5:根據(jù)技術(shù)方案4所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述中央轂包括所述氧化劑出口和所述燃料出口中的至少一者。
[0035]技術(shù)方案6:根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述中央通路的寬度在所述混合區(qū)與所述中央出口之間變化。
[0036]技術(shù)方案7:根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述第一和第二通路是同心的環(huán)形通路。
[0037]技術(shù)方案8:根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述第一主體包括在所述第一和第二通路之間延伸的多個徑向通路，或者其中，所述第一主體包括圍繞所述中央通路配置的第一壁和圍繞所述第一壁配置的第二壁，所述第一和第二通路配置在所述第二壁的相反側(cè)上，且所述第二壁包括多個沖擊端口。
[0038]技術(shù)方案9:根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述外通路包括配置在所述第一下游端部部分附近的冷卻室或徑向入口、軸向入口、或它們的組合。
[0039]技術(shù)方案10:根據(jù)技術(shù)方案9所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，包括具有多個沖擊端口的沖擊板，其中，所述冷卻室配置在所述沖擊板與所述第一下游端部部分之間。
[0040]技術(shù)方案11:根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，包括圍繞所述第一主體配置的第二主體，其中，所述第二主體包括延伸至所述第二主體的第二下游端部部分的流動通路。
[0041]技術(shù)方案12:根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，包括具有所述燃料噴嘴的燃?xì)鉁u輪燃燒器、或燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、或它們的組合。
[0042I技術(shù)方案13:—種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，包括:
燃料噴嘴，包括:
第一主體，其包括從混合區(qū)延伸至所述第一主體的第一下游端部部分處的中央出口的中央通路、配置在所述混合區(qū)中的多個渦旋導(dǎo)葉、和外通路，所述外通路包括沿下游方向朝所述第一下游端部部分延伸的第一通路和沿上游方向從所述第一下游端部部分延伸到所述混合區(qū)中的第二通路;和
第二主體，其圍繞所述第一主體配置，其中，所述第二主體包括延伸至所述第二主體的第二下游端部部分的流動通路。
[0043]技術(shù)方案14:一種方法，包括:
使第一流體沿下游方向朝燃料噴嘴的第一主體的第一下游端部部分流動；
使所述第一流體沿上游方向從所述第一下游端部部分流到混合區(qū)中；
在所述混合區(qū)中將所述第一流體與第二流體混合以生成混合流體，其中，所述混合區(qū)包括多個渦旋導(dǎo)葉、燃料出口、氧化劑出口、或它們的組合;和
使所述混合流體從所述混合區(qū)穿過中央流路流動至所述燃料噴嘴的第一下游端部部分處的中央出口。
[0044]技術(shù)方案15:根據(jù)技術(shù)方案14所述的方法，包括利用所述第一流體來冷卻所述燃料噴嘴的第一下游端部部分。
【附圖說明】
[0045]當(dāng)參照附圖閱讀下列詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，其中，遍及附圖，類似的字符代表類似的部分，在附圖中:
圖1是具有燃料噴嘴組件的渦輪系統(tǒng)的實施例的框圖，該燃料噴嘴組件包括中央主體；圖2是圖1的渦輪系統(tǒng)的燃燒器的實施例的截面圖，其中，燃燒器包括具有中央主體的多個燃料噴嘴組件；
圖3是圖1的燃料噴嘴組件和中央主體的實施例的截面圖，其中，中央主體包括末梢冷卻通路和冷卻劑回收通路，它們在燃料噴嘴組件的混合區(qū)中流體地聯(lián)接于導(dǎo)葉；
圖4是中央主體的實施例的透視俯視圖，其中，中央主體包括中央引燃器、圍繞中央引燃器周向地延伸的多個燃料開口、圍繞燃料開口周向地延伸的渦旋導(dǎo)葉、和圍繞渦旋導(dǎo)葉周向地延伸的氧化劑出口；
圖5是中央主體的實施例的截面圖，其中，中央主體包括導(dǎo)管，導(dǎo)管限定冷卻劑回收通路和中央引燃器通路的至少一部分，該中央引燃器通路遠(yuǎn)離燃料噴嘴組件的中心線軸線徑向向外非線性地增大，使得中央引燃器和冷卻劑回收通路具有球狀形狀；
圖6是中央主體的實施例的截面圖，其中，中央主體包括導(dǎo)管，該導(dǎo)管限定冷卻劑回收通路和中央引燃器通路的至少一部分，該中央引燃器通路遠(yuǎn)離燃料噴嘴組件的中心線軸線徑向向外非線性地增大，使得中央引燃器和冷卻劑回收通路具有槽形形狀(flutedshape)；
圖7是中央主體的穿孔板的實施例的末梢視圖，其中，該穿孔板包括多個沖擊孔；
圖8是中央主體的下游端部部分的實施例的截面圖，其中，中央主體包括在冷卻室上游的穿孔板，該冷卻室流體地聯(lián)接末梢冷卻通路和冷卻劑回收通路，且末梢冷卻通路使冷卻流體流朝下游方向流動且冷卻劑回收通路使冷卻流體向上游方向流動；
圖9是中央主體的下游端部部分的實施例的截面圖，其中，限定末梢冷卻通路和冷卻劑回收通路二者的壁包括在穿孔板上游的多個開口 ；且圖10是圖1的渦輪系統(tǒng)的燃燒器的實施例的截面圖，其中，燃燒器包括具有瓣(lobe)的多個燃料噴嘴組件。
【具體實施方式】
[0046]下面將描述本公開的一個或更多個具體實施例。為了提供這些實施例的簡明描述，可不在說明書中描述實際實現(xiàn)方式的所有特征。應(yīng)當(dāng)理解的是，在任何此種實際實現(xiàn)方式的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計項目中一樣，必須進(jìn)行許多實現(xiàn)方式特定的決定以實現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，諸如遵守與系統(tǒng)相關(guān)和與商業(yè)相關(guān)的約束，它們可從一個實現(xiàn)方式到另一個而不同。而且，應(yīng)當(dāng)理解的是，這種開發(fā)努力可能是復(fù)雜且耗時的，但盡管如此，對于享有本公開益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將只是設(shè)計、制造、和加工的例行任務(wù)。
[0047]當(dāng)介紹本發(fā)明的各種實施例的要素時，冠詞“一”、“一個”、“該”、和“所述”意圖指存在一個或更多個要素。用語“包括”、“包含”、和“具有”意圖為包含性的且意思是可存在除所列出的要素之外的附加要素。
[0048]本公開涉及用于在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中使用的燃料噴嘴組件。燃料噴嘴組件將燃料和氧化劑(即空氣)的混合物提供至燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器的燃燒區(qū)(例如，火焰區(qū))，以生成火焰，該火焰又生成熱燃燒氣體。渦輪將來自火焰(即，熱燃燒氣體)的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，該機(jī)械能用于對機(jī)器，例如發(fā)動機(jī)、栗等提供動力。燃料噴嘴組件大體上控制燃燒區(qū)中的燃料噴嘴組件的下游的火焰的特性(例如，長度、形狀等)以及排放物的產(chǎn)生。例如，燃料噴嘴組件包括支撐結(jié)構(gòu)(例如，主要主體)，該支撐結(jié)構(gòu)限定內(nèi)部容積，該內(nèi)部容積用于接收燃料和空氣流，從而生成混合物。支撐結(jié)構(gòu)包括中央主體，該中央主體將燃料和空氣混合物的至少一部分供應(yīng)至燃燒區(qū)，且使在燃燒區(qū)內(nèi)生成的火焰穩(wěn)定。燃料噴嘴組件還包括噴嘴護(hù)罩，該噴嘴護(hù)罩在燃料噴嘴組件的下游端部部分處聯(lián)接至支撐結(jié)構(gòu)。在某些實施例中，噴嘴護(hù)罩可將燃料和空氣混合物的流分離成與彼此間隔開的多個射流。例如，噴嘴護(hù)罩可包括延伸至燃料噴嘴組件的下游端部部分的瓣，從而有助于在射流從燃料噴嘴組件離開時分離它們。通過在燃料噴嘴組件中將燃料和空氣混合物分離成多個射流，在燃燒區(qū)中生成的主火焰可被分離成與由非分割的燃料和空氣混合物生成的主火焰相比具有短的火焰長度的多個火焰。
[0049]在燃料和空氣混合物的燃燒期間，燃料噴嘴組件的下游端部部分可暴露于范圍從大約1000攝氏度(°C)到大于大約2100°C的溫度。此種高溫可導(dǎo)致燃料噴嘴表面的熱應(yīng)力、磨損、和退化，從而提高維護(hù)和更換成本。冷卻方法可用于通過冷卻燃料噴嘴組件的下游端部部分(例如，在燃燒區(qū)附近)來提高燃料噴嘴組件的壽命。例如，燃料噴嘴組件的下游端部部分可被通過膜冷卻、沖擊冷卻、或任何其他合適的冷卻技術(shù)利用冷卻流體(例如，氧化劑諸如空氣、不活潑氣體、蒸汽、燃料、或非燃料)冷卻。一般來說，冷卻流體在冷卻之后被排放到燃燒區(qū)中。排放的冷卻流體(例如，非燃料諸如空氣)可稀釋用于在燃燒區(qū)中生成火焰的燃料和空氣混合物，從而改變?nèi)剂?空氣混合物的燃料/空氣比。此外，排放的冷卻流體可使燃料-空氣混合物驟冷，且改變跨過燃料噴嘴組件的下游端部部分的壓力。因此，在沒有所公開的實施例的情況下，火焰可不穩(wěn)定，從而降低系統(tǒng)10的效率且增多燃燒排放物。因此，在冷卻下游端部部分之后，回收且使用冷卻流體以在燃料噴嘴組件的預(yù)混合區(qū)中生成燃料-空氣混合物可能是合乎需要的。以此方式，與將冷卻流體直接排出到燃燒區(qū)中相關(guān)的燃料/空氣比、溫度、和壓力波動可通過再循環(huán)和預(yù)混合而得到減輕。因此，可提高系統(tǒng)效率，且可降低操作和維護(hù)成本。
[0050]圖1例示了渦輪系統(tǒng)10的實施例的框圖。如在下面更詳細(xì)地描述的，所公開的渦輪系統(tǒng)10(例如，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī))可采用如下所述的燃料噴嘴組件，其可改善系統(tǒng)耐久性、操作性、和可靠性。如圖所示，系統(tǒng)10包括壓縮機(jī)12(例如，具有一個或更多個壓縮級)、一個或更多個渦輪燃燒器14、和渦輪16(例如，具有一個或更多個渦輪級)。渦輪燃燒器14可為圍繞渦輪系統(tǒng)10的旋轉(zhuǎn)軸線周向地延伸的環(huán)形燃燒器，或者系統(tǒng)10可包括圍繞該旋轉(zhuǎn)軸線周向地間隔的多個燃燒器14。渦輪燃燒器14可包括一個或更多個燃料噴嘴組件20，燃料噴嘴組件20構(gòu)造成接收燃料22和加壓氧化劑24 二者，氧化劑諸如空氣、氧、富氧空氣、減氧空氣、或它們的任何組合。雖然以下論述將作為空氣24參照氧化劑，但可與所公開的實施例一起使用任何適合的氧化劑。而且，在某些實施例中，一種或更多種流體(例如，燃料、蒸汽、不活潑氣體諸如氮、排氣氣體再循環(huán)(EGR)氣體、或它們的任何組合)可在燃料噴嘴組件20的上游添加至氧化劑。燃料噴嘴組件20將燃料22 (例如，液體燃料和/或氣體燃料，諸如天然氣、合成氣、或它們的組合)發(fā)送到渦輪燃燒器14中。各燃料噴嘴組件20包括中央主體26，中央主體26具有流動通路，該流動通路將冷卻流體(例如，燃料22和/或空氣24)回收且引導(dǎo)至燃料噴嘴組件20的混合區(qū)，其在下面參照圖3-9更詳細(xì)地說明。例如，燃料噴嘴組件20將空氣24的流分成兩個射流，一個射流流入主要主體導(dǎo)葉中(例如，主要主體空氣)，且另一射流流入中央主體26中(例如，中央主體空氣)。主要主體空氣射流可在流過燃料噴嘴組件20的總空氣24的大約90%和大約98%之間(例如，穿過主要主體導(dǎo)葉和中央主體26的空氣24)。中央主體26也可在中央吹掃噴口(jet)與內(nèi)部末梢冷卻回收回路之間分裂中央主體空氣24。中央主體26配置在燃料噴嘴組件20中，由燃料噴嘴支撐結(jié)構(gòu)和噴嘴護(hù)罩的至少一部分包圍。中央主體26構(gòu)造成將空氣24分成兩個射流。例如，中央主體26可將空氣24的第一射流引導(dǎo)到冷卻通路，該冷卻通路在燃料噴嘴組件20的下游端部部分27處流體地聯(lián)接至冷卻室，且可將空氣24的第二射流引導(dǎo)到中央主體26內(nèi)的中央吹掃噴口。此外，中央主體26可在冷卻下游端部部分27之后回收冷卻流體(例如，空氣24的第一射流)，且將該回收的冷卻流體引導(dǎo)至與中央引燃器流體地聯(lián)接的預(yù)混合區(qū)。來自空氣24的第二射流的回收流體與燃料22和空氣24的第一射流混合，從而生成燃料-空氣混合物?；厥绽鋮s流體且引導(dǎo)至燃料噴嘴組件20的預(yù)混合區(qū)以生成燃料-空氣混合物可減輕燃燒器14中的燃料-空氣混合物的稀釋。因此，可維持適合的燃料/空氣比，從而與將冷卻流體直接排出到燃燒器14中的燃料噴嘴組件相比提高燃燒效率。而且，可減少與將冷卻流體直接排放到燃燒器14中相關(guān)的跨過下游端部部分27的壓力和溫度波動。因此，可使燃燒器14中的由燃料-空氣混合物生成的火焰穩(wěn)定，且可通過在上游預(yù)混合來減少燃燒排放。
[0051]作為壓縮機(jī)12的構(gòu)件而包括壓縮機(jī)葉片。壓縮機(jī)12內(nèi)的葉片聯(lián)接至軸28，且將在通過渦輪16驅(qū)動軸28旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)，如下面所描述的。壓縮機(jī)12內(nèi)的葉片的旋轉(zhuǎn)將來自空氣進(jìn)口 32的空氣30壓縮成加壓空氣24。然后將加壓空氣24供給到渦輪燃燒器14的燃料噴嘴組件20中。加壓空氣24的第一部分(例如，總?cè)剂蠂娮炜諝獾拇蠹s2%到大約10%)可用于冷卻燃料噴嘴中央主體末梢組件20的下游端部部分27(例如通過沖擊冷卻)，且再循環(huán)至中央主體26中的預(yù)混合區(qū)。因此，冷卻流體(例如，加壓空氣24)不被直接釋放到燃燒器14中。而且，由于來自下游端部部分27的熱吸收，所回收的流體(例如，熱空氣24)可在預(yù)混合區(qū)中預(yù)熱燃料22。這可提高燃燒器14中的燃料和空氣混合物的總體燃燒效率。加壓空氣24的第二、小部分(例如，穿過燃料噴嘴組件20的總空氣24的大約0.1%到大約1%)可被通過吹掃噴口引導(dǎo)至中央混合區(qū)，且與燃料的一部分和所回收的冷卻流體預(yù)混合，以生成燃料-空氣混合物的至少一部分。
[0052]渦輪燃燒器14點燃且燃燒燃料-空氣混合物，且然后將熱加壓燃燒氣體34(例如，排氣)傳遞至渦輪16中。渦輪葉片聯(lián)接至軸28，軸28也貫穿渦輪系統(tǒng)10聯(lián)接至若干其他構(gòu)件。在燃燒氣體34朝渦輪16中的渦輪葉片流動且在葉片之間流動時，渦輪16被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致軸28旋轉(zhuǎn)。最終，燃燒氣體34通過排氣出口 36(例如，排氣導(dǎo)管)離開渦輪系統(tǒng)10。而且，軸28可聯(lián)接至負(fù)載38，負(fù)載38通過軸28的旋轉(zhuǎn)而被供能。例如，負(fù)載38可為可通過渦輪系統(tǒng)10的旋轉(zhuǎn)輸出而生成功率的任何適當(dāng)?shù)难b置，諸如發(fā)電機(jī)、飛機(jī)的螺旋槳等。
[0053]如上所述，中央主體26將加壓空氣24的流分離(例如，分割)成兩個流或射流(例如，末梢冷卻射流和中央引燃器射流)，且將所回收的冷卻流體(例如，熱加壓空氣24)再循環(huán)至預(yù)混合區(qū)。預(yù)混合區(qū)配置在中央主體26的中央轂(centra I hub)內(nèi)。在以下論述中，可參照渦輪系統(tǒng)10的軸向軸線或方向40、徑向軸線或方向42、和/或周向軸線或方向44。圖2是系統(tǒng)10的渦輪燃燒器14(例如，環(huán)形燃燒器)的透視圖，該系統(tǒng)10具有一個或更多個燃料噴嘴組件20和相關(guān)的中央主體26，以用于對渦輪燃燒器14供應(yīng)燃料22和空氣24的混合物。雖然以下論述作為環(huán)形燃燒器參照渦輪燃燒器14，但任何其他適合的燃燒器構(gòu)造可與燃料噴嘴組件20—起使用。在例示的實施例中，渦輪燃燒器14包括環(huán)形區(qū)46，環(huán)形區(qū)46由第一燃燒器邊界48(例如，外環(huán)形壁)和第二燃燒器邊界50(例如，內(nèi)環(huán)形壁)限定。壁50(例如，第二燃燒器邊界)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線51周向地配置，區(qū)46圍繞壁50周向地配置，且壁48(例如，第一燃燒器邊界)圍繞區(qū)46和壁50周向地配置。渦輪燃燒器14包括在環(huán)形區(qū)46內(nèi)的多個噴嘴桿52(例如，徑向突起、臂、輻條或懸臂部件)。例如，渦輪燃燒器14可包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、
11、12、13、14、15、或更多個噴嘴桿52。各噴嘴桿52與相鄰的噴嘴桿52周向地(例如，沿周向軸線44)間隔開距離53。噴嘴桿52可包括安裝結(jié)構(gòu)(例如，安裝凸緣)以有助于聯(lián)接，且將噴嘴桿52固連至渦輪燃燒器14。
[0054]例示的噴嘴桿52各自包括兩個燃料噴嘴組件20。例如，噴嘴桿52可包括外燃料噴嘴組件54和內(nèi)燃料噴嘴組件56。在某些實施例中，噴嘴桿52可各自包括一個燃料噴嘴組件20或任何數(shù)量的噴嘴租金20(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個)。如上所述，燃料噴嘴組件20構(gòu)造成將燃料22和空氣24的混合物發(fā)送到渦輪燃燒器14的燃燒器區(qū)中。例如，燃料噴嘴組件20將燃料-空氣混合物引導(dǎo)到渦輪燃燒器14的環(huán)形區(qū)46中，在此，燃料-空氣混合物經(jīng)歷燃燒，以生成熱能，該熱能用于對渦輪16供能且驅(qū)動一個或更多個機(jī)器(例如，發(fā)電機(jī)、飛機(jī)螺旋槳等)。各相應(yīng)的噴嘴桿52上的外和內(nèi)燃料噴嘴組件54、56可經(jīng)由第一噴嘴開口 58(例如，環(huán)形開口)和/或第一中央引燃器開口 60輸出相同或不同的類型、成分、和/或量的燃料22和/或氧化劑24 ο例如，外燃料噴嘴組件54可輸出液體燃料22且內(nèi)燃料噴嘴組件56可輸出氣體燃料22，或反之亦然。類似地，外燃料噴嘴組件54可輸出空氣24且內(nèi)燃料噴嘴組件56可輸出天然氣和/或合成氣(例如，氧化劑24)，或反之亦然。
[0055]圖3是燃料噴嘴組件20的實施例的截面圖，該燃料噴嘴組件20可用于對渦輪燃燒器14供應(yīng)燃料22和空氣24。除了中央主體26之外，燃料噴嘴組件20包括主要主體70(例如，支撐結(jié)構(gòu))和燃料護(hù)罩72。在圖4-8中示出中央主體26的詳細(xì)視圖，貫穿圖3的論述參照圖4-8。在一個實施例中，主要主體70、噴嘴護(hù)罩72、和中央主體26是分開的結(jié)構(gòu)，它們例如通過可移除的緊固件，諸如螺栓、夾具、過盈配合、公-母接頭、或它們的任何組合而可移除地聯(lián)接在一起。主要主體70、噴嘴護(hù)罩72、和中央主體26各自圍繞燃料噴嘴組件20的軸向軸線76周向地44延伸，且可具有大體上環(huán)形的形狀。在某些實施例中，燃料噴嘴組件20的各構(gòu)件(例如，主要主體70、噴嘴護(hù)罩72、和中央主體26)能夠通過聯(lián)接特征而分離。在其他實施例中，主要主體70和中央主體26是單個結(jié)構(gòu)(例如，作為單件而一體地形成)，且噴嘴護(hù)罩72是分開的結(jié)構(gòu)，其可移除地聯(lián)接至該單個結(jié)構(gòu)(例如，主體26、70)。即，主體26、70是不可分離的，且噴嘴護(hù)罩72是可分離的(例如，可移除的)。如應(yīng)注意到的，主要主體70、噴嘴護(hù)罩72、和中央主體26可為單個結(jié)構(gòu)(即，不可分離的)。主要主體70、噴嘴護(hù)罩72、和中央主體26可通過3-D打印/添加制造技術(shù)來制造，使得主要主體70、噴嘴護(hù)罩72、和中央主體26為一個結(jié)構(gòu)(例如，不是可移除地聯(lián)接的)或分開的結(jié)構(gòu)(例如，可移除地聯(lián)接的)。在使噴嘴護(hù)罩72可移除地聯(lián)接至主要主體70的實施例中，主要主體70和噴嘴護(hù)罩72可包括聯(lián)接特征，諸如螺栓、螺釘、螺紋緊固件、螺紋對接件、過盈配合、夾具、公-母接頭、或有助于主要主體70和噴嘴護(hù)罩72的聯(lián)接和斷開的其他任何適合的聯(lián)接機(jī)構(gòu)。在某些實施例中，中央主體26可通過過盈配合而聯(lián)接至主要主體70、噴嘴護(hù)罩72、或它們的組合。
[0056]燃料噴嘴組件20包括有助于燃料22和空氣24的穿過燃料噴嘴組件20內(nèi)部容積的流動的各種特征，該內(nèi)部容積由主要主體70、噴嘴護(hù)罩72、和中央主體26限定。例如，主要主體26包括中央引燃器導(dǎo)管78(例如，中央環(huán)形壁)，導(dǎo)管78限定中央引燃器80，中央引燃器80具有在燃料噴嘴組件20的下游端部部分27處的第一中央引燃器開口60(例如軸向開口)、和在端部部分27的軸向40上游的第二中央引燃器開口 82。導(dǎo)管78(或壁)圍繞軸向軸線76周向地44延伸，從而限定軸向通路86，軸向通路86在開口 60和82之間軸向地40延伸。如應(yīng)注意到的，開口 58圍繞開口 60和軸線76周向地44延伸。
[0057]第二中央引燃器開口82流體地聯(lián)接至燃料噴射器90，燃料噴射器90具有第一中央引燃器通路92(例如，導(dǎo)管)和一個或更多個第二中央引燃器通路94(例如，導(dǎo)管)。第一中央引燃器通路92沿軸向軸線76延伸，而該一個或更多個第二中央引燃器通路94與軸向軸線76徑向地52偏移(還見圖4的詳細(xì)視圖)。在某些實施例中，通路92、94與彼此和/或與燃料噴嘴組件20的軸向軸線76同軸或同心。例如，第二中央引燃器通路94可圍繞第一中央引燃器通路92周向地44配置，使得第二中央引燃器94圍繞第一中央引燃器通路92形成環(huán)帶(也見圖4)。通路92、94接收燃料22和/或(例如來自壓縮機(jī)12的)加壓空氣24的至少一部分，且分別通過一個或更多個第一和第二引燃器開口 100、102 (例如，軸向開口)將燃料22和/或空氣24供應(yīng)至與中央引燃器80相關(guān)的混合區(qū)96(例如，如由虛線框指示的)，該一個或更多個第一和第二引燃器開口 100、102沿軸向方向40定向燃料流。例如，燃料引燃器通路104流體地聯(lián)接至通路94，且將燃料22的至少一部分引導(dǎo)至混合區(qū)96(例如，通過通路94)。類似地，一部分(例如，在穿過燃料噴嘴組件20的總?cè)剂蠂娮炜諝?4的大約0.1%與大約1%之間)流過通路92且流到混合區(qū)96中，在此，其與燃料22和所回收的冷卻流體混合，如在上面更詳細(xì)地論述的。在某些實施例中，噴嘴燃料22的一部分(例如，在大約0.5%和大約20%之間)與混合區(qū)96上游的通路92中的空氣24混合(例如，紊流混合)ο如應(yīng)注意到的，在某些實施例中，燃料22可流過通路92且空氣24可流過通路104。
[0058]第一混合區(qū)96可包括一個或更多個導(dǎo)葉106(例如，渦旋導(dǎo)葉或徑向渦旋器)，以有助于燃料22和空氣24的混合。例如，第一混合區(qū)96可包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個渦旋導(dǎo)葉106，渦旋導(dǎo)葉106圍繞軸線76和通路92、94的至少下游部分周向地延伸(見圖4)。如下面更詳細(xì)地論述的，第一混合區(qū)96還從與該一個或更多個導(dǎo)葉106流體地聯(lián)接的氧化劑出口 108(例如，徑向出口)接收額外的空氣24(例如，所回收的冷卻流體)。氧化劑出口108將額外空氣24的流沿徑向方向42引導(dǎo)至混合室96中，徑向方向42相對于分別穿過開口100、102的燃料22和空氣24的流交叉地(例如，垂直)定向。在某些實施例中，流入混合區(qū)96中的燃料22在空氣24的兩個射流(例如，所回收的冷卻流體和通路92中的空氣24)之間流動。即，燃料22被“夾”在所回收的冷卻流體(例如，空氣24)與來自通路92的空氣24之間。該流動型式可有助于混合燃料22和空氣24，以生成均質(zhì)的燃料-空氣混合物。
[0059]除了燃料噴射器90之外，燃料噴嘴組件20包括主要主體充氣室110(例如，環(huán)形室)，充氣室110包圍(例如圍繞軸向軸線76)中央主體26和/或一個或更多個主要主體導(dǎo)葉112(例如，I到50個導(dǎo)葉)。在某些實施例中，主要主體導(dǎo)葉112中的各個可為渦旋導(dǎo)葉，諸如軸向和/或徑向渦旋導(dǎo)葉，其構(gòu)造成使流動渦旋，以增強(qiáng)燃料和空氣的混合。主要主體充氣室110和該一個或更多個主要主體導(dǎo)葉112(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個)在混合室118的上游，該混合室118配置在燃料噴嘴組件20的第二混合區(qū)120中。該一個或更多個主要主體導(dǎo)葉112包括多個主要導(dǎo)葉開口 124(例如，每個導(dǎo)葉I到50個)，主要導(dǎo)葉開口 124使得空氣24能夠流入混合室118中。主要導(dǎo)葉開口 124可軸向地40布置在各導(dǎo)葉112的前緣126與后緣127之間，正好在后緣127處或接近后緣127，或任何其他合適的位置。主要主體70包括在主要主體外壁130上的主要主體開口 128(例如，徑向開口)，主要主體開口 128將空氣24的徑向流(例如，沿徑向軸線42)供應(yīng)至一個或更多個主要主體導(dǎo)葉112。來自主要主體充氣室110的燃料22的軸向40流與來自一個或更多個主要主體導(dǎo)葉112的空氣24混合。主要主體導(dǎo)葉112 (例如，渦旋導(dǎo)葉)有助于混合室118中燃料22和空氣24的混合。
[0060]燃料通路104和主要主體充氣室110中的燃料22可相同或不同。例如，在一個實施例中，燃料通路104中的燃料22可為一種類型的燃料，且主要主體充氣室110中的燃料22可為與燃料通路104中的第一類型的燃料22不同的第二類型的燃料22。例如，燃料可為不同的氣體燃料、不同的液體燃料、或不同的氣體和液體燃料的組合。在其他實施例中，燃料通路104和主要主體充氣室110二者中的燃料22的類型可相同。此外，燃料通路104和主要主體充氣室110中的燃料22可為相同或不同的成分。多個燃料噴射通路(例如，燃料通路104和主要主體充氣室110)使燃料噴嘴組件20能夠使用至少兩種不同的燃料。而且，燃料可為不同的氣體和/或液體燃料。
[0061]在某些實施例中，燃料噴嘴組件20可包括聯(lián)接至混合室118的額外的燃料通路和燃料噴射端口。該額外的燃料通路(例如，燃料導(dǎo)管)和端口(例如，燃料出口)可對混合室118提供額外的燃料22。在混合室118中，來自主要主體充氣室110的燃料22和來自一個或更多個主要主體導(dǎo)葉112的空氣24可與來自額外的燃料通路的額外燃料22混合。燃料端口(例如，大于或等于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、50個或更多個)可在不同的軸向、徑向和周向位置處圍繞軸向軸線76周向地44間隔，且燃料端口可相對于軸向軸線76以不同的角度定向(例如，平行、垂直，或以10、20、30、40、50、60、70、或80度銳角地成角度)。
[0062]混合室118由第一中央主體導(dǎo)管134的一部分(例如壁)和噴嘴護(hù)罩壁136的至少一部分(例如環(huán)形壁)限定。第一中央主體導(dǎo)管134大體上圍繞軸向軸線76周向地44延伸(例如，環(huán)形壁134)。在某些實施例中，導(dǎo)管134可沿上游方向朝上游端部部分138遠(yuǎn)離軸線76徑向向外42逐漸地發(fā)散(例如，直線地、非直線地、彎曲)。在某些實施例中，導(dǎo)管134可沿下游方向朝第一噴嘴開口 58遠(yuǎn)離軸線76徑向向外42逐漸地發(fā)散。噴嘴護(hù)罩壁136大體上圍繞軸向軸線76和導(dǎo)管134的至少一部分周向地44延伸(例如，環(huán)形壁136)?；旌鲜?18在下游端部部分27處的開口58的上游。在某些實施例中，開口58可包括多個周向地44間隔的瓣140，瓣140將在混合室118中生成的燃料-空氣混合物在流入燃燒區(qū)46之前分離(例如，周向地44分害J)到分立的流動路徑中(例如，見圖10)。例如，瓣140限定瓣通路142，瓣路徑142將燃料-空氣混合物引導(dǎo)到燃燒區(qū)46中。在例示的實施例中，混合室118的徑向尺寸146(例如，在導(dǎo)管134的一部分與噴嘴護(hù)罩壁136之間)向下游方向從導(dǎo)葉112的后緣127到壁136中的突起142(例如，限定具有減小的截面流動面積的區(qū)域的環(huán)形突起)減小。該減小的截面流動面積可有助于在導(dǎo)葉112下游的燃料22和空氣24的混合。例如，燃料-空氣流可經(jīng)歷截面流動面積的收斂和相關(guān)的壓力下降，以及流動速率增大，從而增強(qiáng)流過第二混合區(qū)120的流的燃料-空氣混合。而且，突起142下游的增大的徑向尺寸146(例如，突起142與第一噴嘴開口 58之間的發(fā)散的截面流動面積)還可增多燃料-空氣混合物在室118中的滯留時間，從而增強(qiáng)第二混合區(qū)120中的燃料22和空氣24的混合。在某些實施例中，室118包括在第一噴嘴開口 58與后緣27或突起142之間的瓣，瓣將燃料和空氣混合物在流到燃燒區(qū)46中之前分離到分立的流動路徑中。將燃料-空氣混合物分離到分立的流動路徑中可通過生成與由燃料和空氣混合物的非分割流生成的主火焰相比具有短的長度的多個主火焰來減小主火焰的長度。因此，由燃料和空氣混合物的燃燒生成的排放物對于高火焰溫度(例如，高于1500°C)而言減少，并且/或者可使用具有小的反應(yīng)區(qū)域的小燃燒器。
[0063]如上所述，燃料和空氣混合物在燃燒區(qū)46中的燃燒可導(dǎo)致超過1000V的溫度。為了緩解燃料噴嘴組件20的由高溫導(dǎo)致的退化，利用冷卻流體148來冷卻燃料噴嘴組件20的下游端部部分27。在沒有所公開的實施例的情況下，在對燃料噴嘴組件的下游端部進(jìn)行冷卻之后，冷卻流體(例如，空氣24)可被排放到燃燒區(qū)和/或中央引燃器80的與第一中央引燃器開口60鄰近的區(qū)中。將冷卻流體排放到燃燒區(qū)46中和/或第一中央引燃器開口60的附近可影響燃燒區(qū)46中的燃料/空氣比和火焰穩(wěn)定性。而且，排放的冷卻流體可導(dǎo)致跨過下游端部部分27的壓力和溫度的波動，從而導(dǎo)致燃料-空氣混合物的到燃燒區(qū)46中的不一致的流動和不均勻的燃燒。來自直接排放到燃燒區(qū)46中的冷卻流體的燃料/空氣比、壓力、和溫度方面的波動可使主火焰不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致排放物(例如NOx和CO)的增多和系統(tǒng)10效率的降低。因此，所公開的實施例回收且使用冷卻流體來生成燃料-空氣混合物(例如，在燃燒區(qū)96中)。此外，將冷卻流體供應(yīng)至混合區(qū)96可預(yù)熱燃料22，從而提高系統(tǒng)10的燃燒效率。
[0064]如上所述，中央主體26接收用于在燃燒區(qū)46中生成火焰的燃料22和空氣24的一部分。中央主體26將空氣24的軸向40流分離成兩個分開的射流。例如，空氣24的第一部分(例如，穿過燃料噴嘴組件20 (例如，中央主體26和主要主體70)的空氣24的總流量的大約0.1%和大約1%之間)可被穿過通路92供應(yīng)至混合區(qū)96，且空氣24的第二部分(例如穿過燃料噴嘴組件20的空氣24的總流量的大約2%和大約10%之間)可用于冷卻燃料噴嘴組件20的下游端部部分27，且將額外的空氣24供應(yīng)至混合區(qū)96以生成燃料-空氣混合物。因此，中央主體26包括末梢冷卻通路150(例如，外通路)，末梢冷卻通路150與軸向軸線76和中央引燃器80徑向地42偏移，且由導(dǎo)管134的至少一部分、從導(dǎo)管134軸向地40延伸的第二中央主體導(dǎo)管152(例如，環(huán)形壁)、和第三中央主體導(dǎo)管154(例如環(huán)形壁)限定。末梢冷卻通路150可包括圍繞軸向軸線76周向地44間隔的多個分立的通路和/或圍繞軸向軸線76周向地44延伸的公共環(huán)形通路。在某些實施例中，末梢冷卻通路92可與中央引燃器80同軸或同心(例如，沿軸向軸線76)。末梢冷卻通路150(例如，在導(dǎo)管134、152和154之間)周向地44圍繞中央引燃器80的在下游端部部分27處的至少一部分(例如，導(dǎo)管78)。
[0065]在例示的實施例中，導(dǎo)管134大體上圍繞導(dǎo)管154的第一部分和中央軸線76周向地44延伸。導(dǎo)管152大體上圍繞導(dǎo)管154的第二部分(例如，在導(dǎo)管154的上游端部處)和軸線76周向地44延伸。導(dǎo)管154大體上圍繞軸線76和導(dǎo)管78(例如，環(huán)形壁78)周向地44延伸。中央主體26還包括冷卻劑回收通路160(例如，內(nèi)環(huán)形通路)。通路160由導(dǎo)管154和導(dǎo)管78限定。因此，通路160在導(dǎo)管154的相反側(cè)上布置在通路150附近。如下面更詳細(xì)地論述的，冷卻劑回收通路160將冷卻流體(例如，燃料22、氧化劑24、或它們的組合)經(jīng)由出口 108引導(dǎo)至混合區(qū)96。
[0066]通路150沿下游方向朝下游端部部分27延伸，且通路160沿上游方向從下游端部部分27延伸到混合區(qū)96。通路150、160大體上圍繞軸向軸線76和中央引燃器80(例如，環(huán)形通路150、160)周向地44延伸，且通路150大體上圍繞通路160周向地44延伸。中央引燃器80的徑向尺寸170由箭頭170示出，通路150的徑向尺寸172由箭頭172示出(例如，在導(dǎo)管134/152、154之間)、且通路160的徑向尺寸174由箭頭174示出(例如在導(dǎo)管78、154之間)。
[0067]在某些實施例中，中央引燃器80和/或通路150、160可為截頭圓錐體的。因此，與中央引燃器80和通路150、160相關(guān)的徑向尺寸170、172、和/或174可為在軸向方向上可變和/或不變的。例如，如在圖5和6中例示的，與中央引燃器80相關(guān)的導(dǎo)管78大體上沿下游方向從混合區(qū)96朝下游端部部分27遠(yuǎn)離軸向軸線76徑向向外42發(fā)散(例如，直線地、非直線地、彎曲)，且因此徑向尺寸170沿下游方向逐漸增大(例如，直線地、非直線地、或彎曲)。導(dǎo)管78可為圓柱形、圓錐形、凹入、和/或凸出形狀的任何組合。例如，圖5和6例示了中央引燃器80的徑向尺寸170的非直線(例如彎曲的)增大。如圖5中例示的，導(dǎo)管78可為凹入的，使得中央引燃器80具有球狀形狀。然而，導(dǎo)管78和中央引燃器80可為圓柱形、圓錐形、凹入、和/或凸出形狀的任何組合。例如，在其他實施例中，導(dǎo)管78可為凸出的，且中央引燃器80可具有槽形形狀，如在圖6中例示的。在一些實施例中，徑向尺寸170可在沿下游方向增大之前減小和/或保持不變以一些軸向距離。如應(yīng)注意到的，在某些實施例中，導(dǎo)管78可不遠(yuǎn)離軸線76徑向向外發(fā)散。相反，導(dǎo)管78可與軸線76同軸，使得徑向尺寸170在混合區(qū)96與引燃器開口 60之間不變。
[0068]導(dǎo)管134/152、154可符合或者可不符合中央引燃器80的形狀。例如，在某些實施例中，與通路150、160相關(guān)的徑向尺寸172、174中的至少一者可沿下游方向與徑向尺寸170反向地變化(例如，減小或增大)。因此，壁134/152、154中的至少一者可沿上游方向朝上游端部部分138遠(yuǎn)離軸線76徑向向外42逐漸地發(fā)散(例如，直線地、非直線地、彎曲)。如圖3中例示的，壁154沿上游方向從軸線76徑向向外逐漸地發(fā)散，使得通路160具有朝上游端部部分138逐漸增大的徑向尺寸174(即，沿與增大的徑向尺寸170相反的方向)。通路150的徑向尺寸172可沿與徑向尺寸174相同或反向的方向增大。例如，如在圖3中例示的，限定通路150的壁134、152的至少一部分可沿下游方向(例如，朝下游端部部分27)遠(yuǎn)離軸線76沿徑向方向42逐漸發(fā)散。因此，通路150的徑向尺寸172沿下游方向朝下游端部部分27與通路160的徑向尺寸174反向地增大。在某些實施例中，導(dǎo)管134、152沿上游方向遠(yuǎn)離中央軸線76徑向向外42逐漸發(fā)散。因此，通路160的徑向尺寸172朝上游端部部分138沿與徑向尺寸170相同的方向逐漸增大。
[0069]在其他實施例中，壁134/152、154的至少一部分符合中央引燃器80的形狀。作為示例，圖5和6例示了沿下游方向從軸線76徑向向外42發(fā)散的導(dǎo)管78、154二者。因此，與通路160相關(guān)的徑向尺寸174沿與徑向尺寸170相同的方向(例如，朝下游端部部分27)增大。在某些實施例中，與通路150、160相關(guān)的徑向尺寸172、174在相應(yīng)的導(dǎo)管134/152、154之間可為不變的。在其他實施例中，通路80、150、160可具有可變的徑向尺寸170、172、174(例如，沿下游方向逐漸增大和/或減小)。
[0070]如上所述，通路150、160使冷卻流體148(例如，沿下游方向的加壓空氣24)沿下游方向朝下游端部部分27且沿上游方向朝混合區(qū)96流動。以下論述將作為空氣24來參照冷卻流體148。然而，在某些實施例中，冷卻流體148還可包括燃料22、蒸汽、不活潑氣體、或任何其他合適的流體、以及它們的組合。通路150可使冷卻流體148沿軸線方向40朝下游端部部分27流動。如上所述，中央主體26將空氣24的軸向流40分割成末梢冷卻射流(例如，穿過通路150)和中央引燃器蒸汽(例如，穿過通路92)。例如，穿過燃料噴嘴組件20(例如，中央主體26和主要主體70)的空氣24的總流量的大約2%和大約10%之間可流過通路150，且總?cè)剂蠂娮炜諝?4的大約0.1%和大約1%之間可流過通路92。冷卻流體148沿下游方向朝下游端部部分27流過末梢冷卻通路150(例如，在導(dǎo)管134/152和154之間)，如由箭頭148例示的，且冷卻燃料噴嘴組件20的下游端部部分27(例如，通過膜冷卻、沖擊冷卻、或任何其他合適的冷卻技術(shù))。例如，在例示的實施例中，冷卻流體148在下游端部部分27附近流過穿孔冷卻板186(例如，沖擊和/或膜冷卻板)中的一個或更多個軸向沖擊開口 182(例如，I到100個)，且沖擊在燃料噴嘴組件20的冷卻室188 (例如，徑向通路)的內(nèi)表面190 (例如，軸向端部板)上，從而冷卻內(nèi)表面190。如下面更詳細(xì)地論述的，冷卻室188流體地聯(lián)接通路150和160，以在冷卻內(nèi)表面190之后沿上游方向?qū)⒗鋮s流體148引導(dǎo)到混合區(qū)96。
[0071]各沖擊開口 182具有比冷卻通路150(即，沖擊開口 182的上游)的徑向尺寸172小的直徑。以此方式，流過沖擊開口 182的冷卻流體148的速率增大，從而有助于冷卻流體148的沖擊和內(nèi)表面190的冷卻。大體上，冷卻流體148沿軸向方向40朝內(nèi)表面190流過沖擊開口182。然而，冷卻流體148的軸向流40可不到達(dá)內(nèi)表面190的某些區(qū)。例如，基于沖擊開口 182的位置，冷卻流體148可不在適合的速率下沖擊在內(nèi)表面190的邊緣192(例如，鄰近導(dǎo)管134的邊緣)上以有效地冷卻邊緣192附近的區(qū)域。因此，可能期望以相對于軸向軸線76的角度(例如，以10、20、30、40、50、60、70、或80度銳角地成角度)定向沖擊開口 182的一部分196。
[0072]圖7例示具有多個沖擊開口182、196(例如，大于或等于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、
15、20、50、或更多個)的穿孔冷卻板186的一部分的俯視圖，該多個沖擊開口 182、196圍繞軸向軸線76沿板186在不同的徑向和周向位置處周向地44間隔。為了有助于邊緣192的冷卻，沖擊開口 196可配置為遠(yuǎn)離壁154徑向距離198。沖擊開口 196沿朝導(dǎo)管134的方向定向(例如相對于軸線76向外銳角地成角度)。因此，沖擊開口 196可朝邊緣192引導(dǎo)冷卻流體148，從而在接近邊緣192的區(qū)域中以適合的速率到達(dá)內(nèi)表面190以用于有效的沖擊冷卻。在某些實施例中，沖擊開口 182、196的直徑200可相對于相鄰開口 192、196的直徑200沿徑向方向42遠(yuǎn)離軸向軸線76減小。例如，與導(dǎo)管154鄰近的沖擊開口 182可具有比與導(dǎo)管134鄰近的沖擊開口182、196的直徑200大的直徑200。在某些實施例中，與導(dǎo)管154鄰近的沖擊開口 182的直徑200可為與導(dǎo)管134鄰近的沖擊開口 182、196的直徑200的1.1至5倍、1.2至4倍、1.2至3倍、1.4至2倍。這可能部分地由于在燃料-空氣混合物在燃燒區(qū)96中的燃燒期間跨過內(nèi)壁190的溫度梯度。例如，內(nèi)壁190的溫度可由于主火焰的位置而遠(yuǎn)離中央軸線76徑向向外42增大。因此，因為沖擊冷卻效率與冷卻流體148的沖擊速率相關(guān)，故冷卻內(nèi)表面190的在導(dǎo)管134附近的區(qū)域(即，內(nèi)表面190的沿徑向方向42最遠(yuǎn)離軸線76的區(qū)域)的冷卻流體148的沖擊速率可比冷卻內(nèi)表面190的在導(dǎo)管154附近的區(qū)域(S卩，內(nèi)表面190的沿徑向方向42最接近軸線76的區(qū)域)的冷卻流體148的沖擊速率高。
[0073]圖8例示了中央主體26的在燃料噴嘴組件20的下游端部部分27處的一部分。如上所述，冷卻流體148穿過沖擊開口 182、196流入冷卻室188(例如徑向通路)中，且沖擊在內(nèi)表面190上，從而在燃料噴嘴組件20的下游端部部分27處冷卻中央主體26。在沖擊在內(nèi)表面190上之后，在冷卻室188內(nèi)流動的冷卻流體148(現(xiàn)在是加熱后流體206)改變流動方向。例如，加熱后流體206可沿徑向方向42朝軸線76流動且流到通路160(例如，導(dǎo)管78和154之間)中。而在通路160中，加熱后流體206沿上游軸向方向40在導(dǎo)管78和154之間流動。即，加熱后流體206沿與通路150中(例如，在導(dǎo)管134和154之間)的冷卻流體148的流動方向相反的方向流動。如圖3所例示的，通路160向上游朝第一混合區(qū)96引導(dǎo)加熱后流體206，在此，加熱后流體206在第一混合區(qū)96內(nèi)經(jīng)由穿過導(dǎo)管78(例如，中央引燃器80的環(huán)形壁)的一個或更多個徑向開口 108(例如，I到100個)離開通路160。開口 108在混合區(qū)96內(nèi)，且流體地聯(lián)接到導(dǎo)葉112(例如，在導(dǎo)葉112之間間隔)。因此，加熱后流體206可流入混合區(qū)96中且與來自通路92、94的燃料22和空氣24混合。多個徑向開口 108(例如，大于或等于1、2、3、4、5、6、7、8、9、
10、15、20、50個或更多個)可沿導(dǎo)管78在不同的軸向和周向位置處圍繞軸向軸線76周向地44間隔，且徑向開口 108可相對于軸向軸線76以不同的角度定向(例如，垂直，或以10、20、30、40、50、60、70、或80度銳角地成角度)。加熱后流體206在導(dǎo)葉106之間流動且在第一混合區(qū)96中與離開燃料噴射器90的燃料22和空氣24混合。以此方式，加熱后流體206 (例如，加壓空氣24)可被回收，且用于在混合區(qū)96中生成燃料和空氣混合物，從而減輕大體上與將冷卻流體直接排放到燃燒區(qū)46中的燃料噴嘴組件相關(guān)的由燃料/空氣比的變化導(dǎo)致的火焰不穩(wěn)定和跨過下游端部部分27的壓力波動。此外，回收和使用流體148、206以在混合區(qū)96中生成燃料-空氣混合物可減少與不穩(wěn)定的火焰相關(guān)的排放。
[0074]在某些實施例中，導(dǎo)管154可包括沿導(dǎo)管154的一部分配置的開口。例如，圖9例示了沿導(dǎo)管154的長度的至少一部分軸向地40間隔開的開口 210。開口 210還可沿導(dǎo)管154在不同的軸向位置處圍繞軸向軸線76周向地44延伸，且可相對于徑向軸線42成角度地定向(例如，垂直、或以10、20、30、40、50、60、70、或80度銳角地成角度)。例如，在某些實施例中，開口212可遠(yuǎn)離徑向軸線42朝下游端部部分27定向。在其他實施例中，開口210可遠(yuǎn)離徑向軸線42朝上游端部部分138定向。開口 210可將冷卻流體148的至少一部分在穿孔板186的上游引導(dǎo)到通路160中。冷卻流體148可在通路160中與加熱后流體206混合，從而在與燃料22在混合區(qū)96中混合之前降低流體206的溫度。此外，類似于開口 182、196，開口 210可提供導(dǎo)管78的沖擊冷卻。
[0075]如上所述，燃料噴嘴組件20的某些實施例包括將冷卻流體在冷卻后引導(dǎo)至混合區(qū)的冷卻流體回收通路。所回收的冷卻流體用于生成經(jīng)由中央引燃器供應(yīng)至燃燒區(qū)的燃料-空氣混合物的一部分，從而有助于燃燒器14的反應(yīng)區(qū)域(例如，燃燒區(qū))中的火焰穩(wěn)定。燃料噴嘴組件20包括中央主體26，中央主體26具有流體地聯(lián)通至冷卻流體回收通路160的末梢冷卻通路150。冷卻通路150將冷卻流體148(例如，空氣24)經(jīng)由配置在穿孔板186上的沖擊開口 182、196引導(dǎo)至冷卻室188。沖擊開口 182、196增大冷卻流體148的流動速率，以有助于在下游端部部分27處在內(nèi)表面190上的沖擊冷卻。沖擊開口 196可相對于燃料噴嘴組件20的中心線軸線76成角度地定向，以有助于內(nèi)表面190的對于冷卻流體148的軸向流而言不可接近的某些區(qū)域上的沖擊冷卻。冷卻室188流體地聯(lián)接至通路150、160，且使得能夠回收加熱后冷卻流體(例如，加熱后流體206)。通路160將加熱后流體206引導(dǎo)至導(dǎo)葉106(例如，渦旋器)，導(dǎo)葉106有助于燃料22、加熱后流體206、和來自通路92、94的空氣24的混合。以此方式，可減輕大體上與直接排放到燃燒區(qū)中的冷卻流體相關(guān)的燃料/空氣比和跨過下游端部部分27的壓力和溫度的波動。因此，與不回收和使用冷卻流體來生成燃料-空氣混合物的燃料噴嘴組件相比，可提高系統(tǒng)10的火焰穩(wěn)定和燃燒效率，且可減少燃燒排放和操作/維護(hù)成本。
[0076]本書面說明使用示例以公開本發(fā)明，包括最佳實施方式，并且還使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造并且使用任何設(shè)備或系統(tǒng)并且實行任何合并的方法。本發(fā)明的可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包含其他本領(lǐng)域人員想到的示例。如果它們具有不與權(quán)利要求的文字語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或如果它們包括與權(quán)利要求的文字語言無顯著差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這種其他示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，包括: 燃料噴嘴，包括: 第一主體，其包括從混合區(qū)延伸至所述第一主體的第一下游端部部分處的中央出口的中央通路、所述混合區(qū)中的燃料出口、所述混合區(qū)中的氧化劑出口、和外通路，所述外通路包括沿下游方向朝所述第一下游端部部分延伸的第一通路和沿上游方向從所述第一下游端部部分延伸到所述混合區(qū)中的第二通路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述混合區(qū)包括多個導(dǎo)葉。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述多個導(dǎo)葉包括多個渦旋導(dǎo)葉和/或向內(nèi)延伸到所述中央通路中的多個徑向通路中的至少一者。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述多個導(dǎo)葉在所述中央通路中圍繞中央轂配置。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述中央轂包括所述氧化劑出口和所述燃料出口中的至少一者。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述中央通路的寬度在所述混合區(qū)與所述中央出口之間變化。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述第一和第二通路是同心的環(huán)形通路。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述第一主體包括在所述第一和第二通路之間延伸的多個徑向通路，或者其中，所述第一主體包括圍繞所述中央通路配置的第一壁和圍繞所述第一壁配置的第二壁，所述第一和第二通路配置在所述第二壁的相反側(cè)上，且所述第二壁包括多個沖擊端口。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，其中，所述外通路包括配置在所述第一下游端部部分附近的冷卻室或徑向入口、軸向入口、或它們的組合。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)，包括具有多個沖擊端口的沖擊板，其中，所述冷卻室配置在所述沖擊板與所述第一下游端部部分之間。
【文檔編號】F23R3/38GK106066049SQ201610253365
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月22日 公開號201610253365.4, CN 106066049 A, CN 106066049A, CN 201610253365, CN-A-106066049, CN106066049 A, CN106066049A, CN201610253365, CN201610253365.4
【發(fā)明人】J.M.馬蒂尼, G.A.博德曼, B.S.M.阿布德埃爾-納比, G.A.薩拉扎-洛瓦
【申請人】通用電氣公司