用于燃氣渦輪發動機的帶有多管燃料供給通路的噴嘴的制作方法
【專利說明】用于燃氣渦輪發動機的帶有多管燃料供給通路的噴嘴
[0001]相關申請的交叉引用
本申請要求2013年2月6日提交的，名稱為“多管燃料通路”的美國臨時專利申請號61/761,377的權益，其公開的全部內容通過引用結合在本文中。
技術領域
[0002]本發明涉及燃氣渦輪發動機，并且更具體地是，涉及一種用于燃氣渦輪發動機的在燃燒器中的引導噴嘴(pilot nozzle)。
【背景技術】
[0003]引導噴嘴用在燃氣渦輪發動機中點燃燃料/空氣混合物。具體地，引導噴嘴在位于所述引導噴嘴下游的燃燒區中點燃液體燃料和/或氣體燃料與空氣的混合物。包括主燃料噴嘴的附加的燃料噴嘴也提供成燃燒燃料/空氣混合物的另外的部分。燃料和空氣通常在旋流區(swirling zone)中混合在一起并且在燃燒區中點燃以產生高能的流體流動以產生熱的工作氣體，其被輸送到渦輪部分以提取用于氣體渦輪發動機的工作輸出。
[0004]在美國和其他國家中嚴格的排放要求已對燃氣渦輪發動機的燃燒器部分進行設計改進提出要求，包括提供超低氮氧化物NOx (ULN)燃燒器結構以具有低NOx排放，以及較低的C0、V0C和微粒排放而運轉。這樣的ULN設計可包括雙燃料ULN引導噴嘴，其在各種工作條件期間促進燃燒過程的控制以最小化排放。
【發明內容】
[0005]根據本發明的一方面，燃料噴嘴被提供在燃燒器中運行。所述燃料噴嘴包括中心體，所述中心體限定為具有外徑的大體圓柱形的形狀。噴嘴頭(nozzle tip)位于所述中心體的端部。多個燃料管沿所述中心體的所述外徑延伸，且每個燃料管具有接合在所述噴嘴頭上的出口端部，用于從所述噴嘴頭輸送燃料進入所述燃燒器的燃燒室中。
[0006]多個燃料管可周向圍繞所述中心體彼此等距離間隔開。
[0007]所述燃料管可以配置地螺旋，沿縱向延伸且周向圍繞所述中心體。
[0008]三個燃料管可以彼此等距離隔開地設置。
[0009]所述噴嘴頭可以是具有外側和內側的盤形結構，燃料通道可從內側延伸到外側，且每個燃料管可以包括連接到相應的燃料通道的出口端部。
[0010]外套筒可以圍繞所述燃料管且形成在所述外套筒和所述中心體之間的環形空間，空氣源可供給空氣到環形空間，且空氣通道可從在所述內側的所述空氣通道的內端部延伸穿過所述噴嘴頭到所述外側，所述空氣通道的內端部可通向所述環形空間，用于輸送空氣到所述噴嘴頭的所述外側。
[0011]支撐構件可在所述空氣源和所述噴嘴頭之間的縱向位置處從所述外套筒跨越到所述中心體。所述支撐構件接合所述燃料管而以距離所述外套筒和所述中心體的每個的預定間距來定位所述燃料管。所述支撐構件可以是環形圈構件，該環形圈構件包括多個通孔，用于空氣從所述空氣源通過到所述噴嘴頭。
[0012]所述中心體可以是在所述噴嘴頭處具有遠端的點火器，用于產生火花以點燃鄰近所述噴嘴頭的燃料/空氣混合物。
[0013]所述噴嘴頭可以是圓形構件，其限定了噴嘴頭直徑，且所述燃料管可位于虛圓之內，該虛圓圍繞所述燃料管外切且限定了不大于所述噴嘴頭直徑的直徑。
[0014]噴嘴基座可提供具有從燃料供給接收燃料的燃料通風室(fuel plenum)，且與所述噴嘴頭相對的每個所述燃料管端部可被連接成流體連通到所述燃料通風室。
[0015]根據本發明的另一方面，引導燃料噴嘴提供用于燃氣渦輪發動機的燃燒器。所述噴嘴包括形成中心體的點火器并限定具有外徑的大體圓柱形的形狀，所述中心體沿所述噴嘴的縱向中心延伸。盤形噴嘴頭具有多個周向間隔開的燃料通道和多個周向隔開的空氣通道，所述多個周向間隔開的燃料通道從所述噴嘴頭的內側延伸到所述噴嘴頭的外側，所述多個周向隔開的空氣通道從所述噴嘴頭的內側延伸到所述噴嘴頭的外側。所述中心體具有延伸穿過所述噴嘴頭的中心的遠端，用于產生火花以點燃鄰近所述噴嘴頭的燃料/空氣混合物。多個燃料管沿所述中心體的外徑延伸，每個所述燃料管具有接合在所述噴嘴頭的所述內側的出口端部，用于從所述噴嘴頭輸送燃料進入所述燃燒器的燃燒室之內。外套筒圍繞所述燃料管且限定了在所述外套筒和所述中心體之間的與所述噴嘴頭的所述空氣通道流體連通的環形空間。
[0016]所述噴嘴頭可以是限定噴嘴頭直徑的圓形構件，且所述燃料管可以定位在虛圓之內，該虛圓圍繞所述燃料管外切且限定了不大于所述噴嘴頭直徑的直徑。
[0017]噴嘴基座可提供具有從燃料供給接收燃料的燃料通風室，且與所述噴嘴頭相對的每個所述燃料管端部可被連接成流體連通到所述燃料通風室。
[0018]所述外套筒可包括圍繞所述燃料管的環形擴散通道和環形預混合通道，所述環形擴散通道和環形預混合通道從所述噴嘴基座向所述噴嘴頭輸送相應的氣流。
[0019]所述中心體可支撐在所述噴嘴基座上。
[0020]支撐構件在所述噴嘴基座和所述噴嘴頭之間的縱向位置處從所述外套筒可跨越到所述中心體，所述支撐構件接合所述燃料管而以距離所述外套筒和所述中心體的每個的預定的間距定位所述燃料管。所述支撐構件可以是環形圈構件，該環形圈構件包括多個通孔，用于空氣從鄰近所述噴嘴基座的位置通過到所述噴嘴頭。
[0021]空氣源可經由所述噴嘴基座供給空氣到所述環形空間。
[0022]所述燃料管可以螺旋地配置，沿縱向延伸且周向圍繞所述中心體。
【附圖說明】
[0023]雖然本說明書以具體指出并清楚地要求本發明權利的權利要求書來結束，可信地是，從以下描述結合附圖將更好地理解本發明，其中，相同的附圖標記表示相同的要素，且在附圖中:
圖1是根據本發明的各方面的穿過引導噴嘴的局部剖面圖；
圖2是引導噴嘴的噴嘴頭端部的透視圖；
圖3是沿著圖1中線3-3截取的剖視圖；
圖4是結合圖1的引導噴嘴的燃料輸送系統的示意圖；和圖5是具有布置在替代螺旋配置中的燃料管的引導噴嘴的透視圖。
【具體實施方式】
[0024]在下面優選實施例的詳細描述中，參考了形成其一部分的附圖，且其中，通過示出的方式，而不是通過限制的方式，本發明在特定優選實施例中可被實施。但應理解，其它實施例可以被使用且可做出改變而不偏離本發明的精神和范圍。
[0025]根據本發明的一方面，引導噴嘴提供用于在燃氣渦輪發動機中的燃燒系統，其中，燃料通路被設置以確保密封的流動路徑且該燃料通路被簡化以容納形成噴嘴的組件的熱運動，特別是，本發明的一方面包括提供多個燃料管以直接輸送燃料到形成在噴嘴的端部處的出口。同樣，本燃料噴嘴可容納固定點火器，而仍然提供形成為在相同包裝尺寸之內配合的先前的引導噴嘴的燃料和氣流。多個燃料管在環形空間中可以結合以用于輸送冷卻空氣，且包圍定位在噴嘴中心的點火器，以提供噴嘴部件的包裝，該包裝可配合在空間包覆物之內，該包覆物和先前引導噴嘴具有相同的尺寸，該引導噴嘴利用中心通道輸送燃油到噴嘴的出口端部。
[0026]圖1示出了根據本發明的各方面配置的引導噴嘴10。可從下面的描述中進一步理解的是，噴嘴10可以形成ULN燃燒系統的一部分，提供多個燃料流用于促進在一般標記為12的燃燒器的燃燒室中的燃燒。
[0027]如圖1和4所示，引導噴嘴10包括噴嘴基座14、在縱向方向上從噴嘴基座14延伸的外套筒16和位于遠離噴嘴基座14的外套筒16的端部處的盤形噴嘴頭18。根據本發明的一方面，點火器20形成沿噴嘴10的縱向中心22延伸的中心體19。點火器20限定了大體圓柱形的形狀(圖3)，其具有限定外徑的外表面24，并且點火器20具有支撐到噴嘴基座14的近端26并且包括貫穿噴嘴頭18中的中心孔30而延伸的遠端28。點火器20的遠端28可形成為點火器20的減小直徑的終端，用于在孔30處產生火花。點火器20諸如經由電壓源31 (圖4)可被供能以在點火器20和噴嘴10的鄰近部分(如噴嘴頭18)之間產生火花，用于點燃鄰近噴嘴頭18的燃燒室12中的燃料/空氣混合物。點火器20操作作為固定結構構件以形成徑向內支撐結構，用于支撐如下所述的燃料管。
[0028]參照圖1、2和4中，多個燃料管32沿著由點火器的外表面24限定的外徑延伸，并保持在離點火器20預定的小間隔處，正如下面進一步描述的。每個燃料管32具有與噴嘴基座14接合的入口端部34 (圖4)以及接合在噴嘴頭18的內側38上的出口端部36 (圖1)。噴嘴頭18包括從內側38延伸到在噴嘴頭18的外側44處的燃料排出口或出口 42的燃料通道40。燃料管32和相關聯的燃料通道40周向繞點火器20 (圖3)且繞噴嘴頭18 (圖2)彼此等距離間隔開，并提供用于輸送燃油而從噴嘴頭18輸送燃料進入燃燒器的燃燒室12。
[0029]在優選的實施例中，三個燃料管32和相關聯的燃料通道40被提供，然而可以理解的是，本發明可包括不同數目的多個燃料管32和通道40。因此，在本示例性實施例中，燃料管32和燃料通道40可相隔120度地定位。根據本發明的另一個方面，燃料管32與公共的燃料通風室46流體連通且可以從其各自接收經計量的量的燃料，該燃料通風室形成在噴嘴基座14中且繞其延伸。燃料通風室46可以從燃料供給50處接收燃油，且被配置為提供等量的燃料流到多個燃料管32的每個，以便確保相同的燃料流從燃料通道出口 42的每個噴射。
[0030]外套筒16圍繞燃料管32且限定了在外套筒16和點火器32之間的環形空間52。環形空間52與多個空氣通道54流體連通，該空氣通道從噴嘴頭18的內側38延伸到噴嘴頭18的外側44。空氣通道54繞噴嘴頭18周向隔開且優選地包括鄰近于每個燃料通道出口 42的至少一個空氣通道54。來自空氣通道54的空氣可以從空氣通道54的內端部53通過到空氣通道54的外部端部55以提供膜冷卻到噴嘴頭18的外表面44，以便減少外表面44過熱和結焦的可能性。可以理解的是，比本文所示出更多的空氣通道54可以被提供。此夕卜，空氣通道54可定位于在噴嘴頭18上不同的位置，使得額外提供冷卻空氣流到用于噴嘴頭 18 的隔熱罩(heat shield) 56。
[0031]空氣源58連接到噴嘴基座14以提供空氣到環形空間52。從在噴嘴基座14處的空氣源58提供的空氣可縱向