專利名稱：燃燒器噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器。更具體地，本發(fā)明涉及將燃料噴射入燃燒
器內(nèi)的噴嘴系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)在許多應(yīng)用場(chǎng)合起著至關(guān)重要的作用，如用于飛行器推進(jìn)、船舶推進(jìn)、發(fā) 電以及諸如泵和壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)處理中。 一般地，燃?xì)廨啓C(jī)包括壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪機(jī)。操 作中，空氣供給到系統(tǒng)中，在此它通過(guò)壓縮機(jī)壓縮，而且，空氣的一部分進(jìn)一步與燃料混合。 接著，壓縮空氣和燃料混合物燃燒，從而引起膨脹以便驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。 為了降低排放，燃燒器設(shè)計(jì)成在點(diǎn)火前預(yù)先將燃料和空氣混合。預(yù)混的燃料和空 氣在比化學(xué)計(jì)量燃燒低的溫度下燃燒，化學(xué)計(jì)量燃燒發(fā)生在傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒期間。結(jié)果，預(yù) 混燃燒帶來(lái)較低的NOx排放。 —般的燃燒器包括圍繞一個(gè)中心二次噴嘴的多個(gè)一次燃料噴嘴。傳統(tǒng)的二次噴嘴
在同一個(gè)長(zhǎng)管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)可同時(shí)包括用于擴(kuò)散燃料和預(yù)混燃料的通道。這種噴嘴通常在單個(gè)
管狀殼內(nèi)包含復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通道。用于產(chǎn)生擴(kuò)散火焰的通道沿噴嘴的長(zhǎng)度延伸。預(yù)混的燃料
在擴(kuò)散頂端上游分配，以便在到達(dá)火焰區(qū)域之前使燃料與流經(jīng)燃燒器的壓縮空氣混合，火
焰區(qū)域位于噴嘴下游。結(jié)果，預(yù)混的燃料的通道一般比擴(kuò)散燃料的通道短。 另外，預(yù)混的燃料可與空氣在擴(kuò)散頂端的上游混合，更重要的是，從二次噴嘴結(jié)構(gòu)
徑向向外混合。在這種二次噴嘴中，預(yù)混的燃料僅沿部分噴嘴長(zhǎng)度運(yùn)送，直到它從噴嘴主體
徑向向外送到預(yù)混噴射器頂端。在噴射器頂端，預(yù)混的燃料分配到空氣流動(dòng)路徑內(nèi)。當(dāng)燃
料和空氣繼續(xù)沿二次噴嘴長(zhǎng)度的其余部分向下游移動(dòng)時(shí)，它們?cè)趪娮祉敹说南掠位旌希?br> 得能夠在火焰區(qū)內(nèi)更有效地燃燒。 然而壓縮空氣是熱的，而燃料通常較冷。流經(jīng)該二次噴嘴內(nèi)不同通道的流體的溫 差可導(dǎo)致構(gòu)成噴嘴的材料進(jìn)行不同程度的熱膨脹?？梢灶A(yù)期簡(jiǎn)化二次噴嘴的結(jié)構(gòu)以降低由 于內(nèi)部復(fù)雜性、極端工況條件和熱膨脹差別導(dǎo)致的噴嘴結(jié)構(gòu)上的高應(yīng)力將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的是設(shè)置在燃?xì)廨啓C(jī)用燃燒器內(nèi)的二次噴嘴。該二次噴嘴包括法蘭和 從該法蘭延伸的長(zhǎng)形噴嘴主體。至少一個(gè)預(yù)混燃料噴射器從噴嘴主體徑向分隔開(kāi)，并大致 平行于噴嘴主體從法蘭軸向延伸。 該二次噴嘴包括燃料源、法蘭和從該法蘭軸向延伸的第一噴嘴管。至少一個(gè)第二 噴嘴管從第一噴嘴管向外徑向分隔開(kāi)，并且該第二噴嘴管的近端固定于法蘭。該第二噴嘴 管與燃料源流體連接。該第二噴嘴管具有與其近端軸向分隔開(kāi)的遠(yuǎn)端，并且該遠(yuǎn)端上具有 至少一個(gè)孔。 一個(gè)通道在第二噴嘴管的近端和遠(yuǎn)端之間延伸，并且所述通道與燃料源和所 述至少一個(gè)孔流體連接。


圖1是具有多個(gè)一次噴嘴和一個(gè)二次噴嘴的用于燃?xì)廨啓C(jī)的示例性燃燒器的截 面視圖。 圖2是示例性的一次噴嘴和二次噴嘴的透視圖。 圖3是圖1和2所示的多個(gè)一次噴嘴和一個(gè)二次噴嘴的前視圖。 圖4是圖1-3所示的二次噴嘴的透視圖。 圖5是圖1-4所示的二次噴嘴的局部透視圖。 圖6是圖1-5所示的二次噴嘴的截面視圖。 圖7是圖1-6所示的二次噴嘴的一部分的示意圖。 圖8是示例性的燃燒器的一次工況的示意圖。 圖9是示例性的燃燒器的稀_稀工況的示意圖。 圖10是示例性的燃燒器的第二階段燃燒工況的示意圖。 圖11是示例性的燃燒器的預(yù)混工況的示意圖。
具體實(shí)施例方式
這里詳細(xì)描述了用于燃?xì)廨啓C(jī)的示例性燃燒器。所示類型的燃燒器是多個(gè)燃燒器 中的一個(gè)，其在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)一般定位于壓縮機(jī)級(jí)之后。 現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，先看圖l，燃燒器用標(biāo)號(hào)10標(biāo)示，其圖示為雙級(jí)、雙模式燃燒器，該 燃燒器具有燃燒器導(dǎo)流套筒12、后壁組件14和燃燒器壁13。從燃燒器壁13徑向向內(nèi)設(shè)有 若干個(gè)一次燃料噴嘴16和一個(gè)二次燃料噴嘴18。噴嘴16、18用來(lái)將燃料噴射入燃燒器10。
用于燃燒(也用于冷卻)的進(jìn)氣由渦輪壓縮機(jī)(未圖示)加壓，然后經(jīng)過(guò)燃燒器 導(dǎo)流套筒12和轉(zhuǎn)換管(未圖示)導(dǎo)入燃燒器10內(nèi)。流入燃燒器10的空氣用于燃燒和使 燃燒器10冷卻?？諝庠谌紵鲗?dǎo)流套筒12和燃燒器壁13之間沿方向"A"流動(dòng)。通常，圖 示氣流被稱為逆流，因?yàn)榉较?A"相對(duì)于經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)和燃燒室的普通空氣流處于上游方向。
燃燒器10包括一次燃燒室42和位于一次燃燒室42下游的二次燃燒室44。文丘 里喉管區(qū)46位于一次燃燒室42和二次燃燒室44之間。如圖2和3所示，各一次噴嘴16 環(huán)繞著二次噴嘴18布置。在圖1中，中心體38在燃燒器10的中心由火焰筒40限定。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1-3，每個(gè)一次噴嘴16安裝在后壁組件14上。 一次噴嘴16從后壁14 突出，并向一次燃燒室42提供燃料。燃料經(jīng)過(guò)一次燃料源20配送到一次噴嘴16。用于在 一次燃燒室42內(nèi)燃燒點(diǎn)火的火花或火焰一般由火花塞或交叉火焰管(未圖示)提供。
空氣旋流器可以設(shè)置成與一次噴嘴16連接以便于燃燒空氣與燃料的混合，從而 提供易著火的空燃混合物。如上所述，燃燒空氣從壓縮機(jī)導(dǎo)出，并在燃燒器導(dǎo)流套筒12和 燃燒器壁13之間沿方向"A"流動(dòng)。在到達(dá)后壁組件14時(shí)，壓縮空氣在燃燒器壁13和后壁 14之間徑向向內(nèi)流入一次燃燒室42內(nèi)。另外，為了冷卻，燃燒器壁13在一次和二次燃燒室 42、44內(nèi)可設(shè)置槽或通氣縫(未圖示)。槽或通氣縫還可向燃燒器10內(nèi)提供稀釋空氣，以 便調(diào)節(jié)一次或二次燃燒室42、44內(nèi)的火焰溫度。 現(xiàn)在參見(jiàn)圖1-4， 二次噴嘴18從法蘭22經(jīng)過(guò)后壁14延伸進(jìn)入燃燒器10內(nèi)。二次 噴嘴18延伸到文丘里喉管區(qū)46上游的一點(diǎn)以將燃料引入二次燃燒室44內(nèi)。法蘭22可設(shè) 置用于在燃燒器10的后壁14上安裝二次噴嘴18的裝置(未圖示)。安裝裝置可以是機(jī)械聯(lián)接，例如螺栓，用于將法蘭22固定在后壁14上，并便于例如在維修或更換時(shí)拆除噴嘴 18。也可以考慮采用其它附接裝置。 —次噴嘴16的燃料由一次燃料源20提供，并經(jīng)過(guò)后壁14引導(dǎo)。二次轉(zhuǎn)換和預(yù)混 燃料源24、25經(jīng)過(guò)法蘭22供給到二次噴嘴18。盡管這里未圖示，二次噴嘴18還可以具有 擴(kuò)散回路或?qū)蚧芈?，以便將燃料噴射進(jìn)入燃燒器10內(nèi)。 二次噴嘴18包括噴嘴主體30和至少一個(gè)預(yù)混燃料噴射器32。如圖1所示，二次 噴嘴18位于中心體38內(nèi)，并由火焰筒40圍繞。如圖3最佳地示出，各預(yù)混燃料噴射器32 大致環(huán)繞著噴嘴主體30布置在法蘭22上。每個(gè)預(yù)混燃料噴射器32具有從頂部看去大致 為長(zhǎng)橢圓形或細(xì)長(zhǎng)形的橫截面形狀。如圖3最佳地示出，噴射器32的第一側(cè)或第一端34 布置為靠近噴嘴主體30。噴射器32的第二側(cè)或第二端36布置成從第一端34徑向向外。
圖中示出預(yù)混燃料噴射器32在一次噴嘴16和噴嘴主體30之間直接對(duì)齊，以便氣 流經(jīng)過(guò)中心體38并圍繞噴嘴主體30。在這種構(gòu)造中，預(yù)混燃料噴射器32的第二端36布置 為靠近一次噴嘴16。進(jìn)入燃燒器10的氣流"A"從燃燒器壁13外側(cè)徑向向內(nèi)流動(dòng)。 一部 分空氣向下游流入并穿過(guò)一次燃燒室42。另一部分空氣(例如流經(jīng)燃燒器的總空氣中的 5-20% )在經(jīng)過(guò)中心體向下游流動(dòng)之前，徑向向內(nèi)經(jīng)過(guò)一次噴嘴16和一次燃燒室42流入 中心體38內(nèi)。該第二部分氣流沿法蘭22和后壁14流動(dòng)的方向在圖3中用字母"B"表示。 盡管可以采用其它構(gòu)造，但是，當(dāng)在一次噴嘴16和二次噴嘴18之間從一次噴嘴16徑向向 內(nèi)對(duì)準(zhǔn)預(yù)混燃料噴射器32時(shí)，能夠使最大量的氣流進(jìn)入中心體38。類似地，盡管圖示的預(yù) 混燃料噴射器32具有細(xì)長(zhǎng)橫截面，還可以采用其它形狀，例如圓形、矩形、三角形等。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖5-7并繼續(xù)參見(jiàn)圖1-4，圖中示出二次噴嘴18包括噴嘴主體30和預(yù)混 燃料噴射器32。如上所述，二次噴嘴18位于中心體38內(nèi)，并由火焰筒40圍繞(圖1)。噴 嘴主體30沿中心體38的縱向軸線延伸。噴嘴主體30具有大致長(zhǎng)筒形外套管部分52，其中 限定了空腔31。如圖所示，各轉(zhuǎn)換燃料通道64位于空腔31的靠外的部分。各轉(zhuǎn)換燃料通 道64從法蘭22向遠(yuǎn)處延伸，并布置在環(huán)形上的相間隔的位置上。還可采用公知的不用轉(zhuǎn) 換的變化形式。 轉(zhuǎn)換燃料通道64與由轉(zhuǎn)換燃料源24供燃料的轉(zhuǎn)換歧管51流體連接。轉(zhuǎn)換燃料 通道64包括長(zhǎng)管66和至少一個(gè)徑向通道68。該通道68從管66徑向地朝向外，并與噴嘴 主體30的壁內(nèi)的孔71對(duì)準(zhǔn)。通道68通過(guò)開(kāi)口 71將燃料噴射到套管52外側(cè)，以便與沿壁 52流動(dòng)的空氣混合。圖中示出第二開(kāi)口 70位于開(kāi)口 71的上游，第二開(kāi)口 70提供空氣進(jìn)入 空腔31部分的入口，該空腔31圍繞定位在噴嘴主體30內(nèi)的中心管。流經(jīng)開(kāi)口 70的部分 空氣導(dǎo)入空腔31內(nèi)，以便冷卻噴嘴主體30。空腔31內(nèi)的空氣從噴嘴末端54上的開(kāi)口 58 排放。中心管將燃料供給到噴嘴末端54，以便支持二次燃燒室44內(nèi)的火焰(見(jiàn)圖1和圖 9-11)。開(kāi)口70與通道68提供的燃料和噴射器32提供的附加燃料分離。值得注意的是，可 設(shè)置附加的開(kāi)口以便混合噴嘴主體30外側(cè)的燃料流，或?qū)饬饕雵娮斓目涨?1內(nèi)。而 且，如果需要，可不要燃料通道64。 噴嘴主體30的外套管部分52從法蘭22延伸到遠(yuǎn)端54。噴嘴主體30的遠(yuǎn)端54 具有至少一個(gè)孔58，以便讓壓縮空氣從圍繞中心管部分的通道31內(nèi)流出。
如上所述，燃料經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換燃料源24和預(yù)混燃料源25供給到二次噴嘴18。如圖6 最佳地示出，轉(zhuǎn)換燃料源24延伸進(jìn)入法蘭22內(nèi)，將燃料供給到轉(zhuǎn)換歧管51 ，該轉(zhuǎn)換歧管51
5與轉(zhuǎn)換燃料通道64流體連接。預(yù)混燃料源25延伸進(jìn)入法蘭22內(nèi)，并與預(yù)混歧管腔50流 體連通，該預(yù)混歧管腔50與預(yù)混燃料噴射器32流體連接。 預(yù)混燃料噴射器32從法蘭22向遠(yuǎn)處延伸，其長(zhǎng)度小于噴嘴主體30的長(zhǎng)度。預(yù)混 燃料噴射器32的遠(yuǎn)端60包括預(yù)混孔62，以便將燃料配送到噴嘴主體30外側(cè)的中心體38 區(qū)域內(nèi)。預(yù)混燃料與火焰筒40內(nèi)的空氣流混合。當(dāng)混合物到達(dá)二次燃燒室44時(shí)，混合物 被優(yōu)化成在二次燃燒室44內(nèi)有效燃燒(見(jiàn)圖1)。 在一般的二次噴嘴中，擴(kuò)散燃料和預(yù)混燃料經(jīng)過(guò)從法蘭延伸的單個(gè)結(jié)構(gòu)排出，與 其不同的是，這里使用直立的單獨(dú)的預(yù)混燃料噴射器32能允許噴嘴主體30簡(jiǎn)化。圖示噴 射器32使噴嘴主體30內(nèi)的內(nèi)部通道數(shù)量比一般的噴嘴少。這種簡(jiǎn)化降低了二次噴嘴18 上的應(yīng)力，該應(yīng)力可能由于燃料和壓縮空氣的溫度變化帶來(lái)的噴嘴結(jié)構(gòu)18、32內(nèi)的溫差引 起。另外，期望的設(shè)計(jì)容易維護(hù)并且允許一定程度的模塊化，在傳統(tǒng)的二次噴嘴中這是不可 能的。 除了圖示結(jié)構(gòu)，預(yù)混燃料噴射器32可具有與一組或多組預(yù)混孔62流體連接的分 配環(huán)。其它配送終端結(jié)構(gòu)也可以與所示特定類型的預(yù)混燃料噴射器32結(jié)合使用。
參見(jiàn)圖8，在一般的"一次"工況中，火焰72在二次燃燒室44上游的一次燃燒室 42內(nèi)首先形成。這種初始火焰的燃料僅通過(guò)一次噴嘴16提供。在圖9中，火焰72在二次 燃燒室44內(nèi)形成，而一次燃燒室42內(nèi)的火焰72還在繼續(xù)。為了在二次燃燒室44內(nèi)形成 火焰72，部分燃料經(jīng)過(guò)二次噴嘴18噴射，而大部分燃料經(jīng)過(guò)一次噴嘴16供送。舉例來(lái)說(shuō)， 總排放燃料的30%經(jīng)過(guò)二次噴嘴噴射，而70%的燃料經(jīng)過(guò)一次噴嘴16供送。該火焰結(jié)構(gòu) 被稱為"稀-稀"型工況。 在圖10中，整個(gè)燃料流經(jīng)過(guò)二次噴嘴18的噴嘴主體30引入，在二次燃燒室44內(nèi) 形成穩(wěn)定的火焰。通過(guò)切斷向一次噴嘴16的燃料流，熄滅一次燃燒室42內(nèi)的火焰。在該 "第二級(jí)"燃燒工況期間，之前經(jīng)過(guò)一次噴嘴16噴射的燃料經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換燃料通道64轉(zhuǎn)移到二 次噴嘴18。轉(zhuǎn)換和預(yù)混燃料在火焰72上游噴射。流經(jīng)二次噴嘴18的燃料和空氣在此階段 被認(rèn)為相對(duì)"濃"，因?yàn)?00%的燃料流經(jīng)二次噴嘴18而伴隨的只是要用于燃燒的空氣的一 部分。 現(xiàn)在參見(jiàn)圖ll，一旦穩(wěn)定的火焰在二次燃燒室44內(nèi)形成且一次燃燒室42內(nèi)的火 焰熄滅，可重新向一次噴嘴16供燃料流，并且減少供向二次噴嘴18的燃料流。因?yàn)橐淮稳?燒室42內(nèi)的火焰已經(jīng)熄滅，一次噴嘴16用作預(yù)混和器。在該"預(yù)混"工況模式下，由于文 丘里喉管區(qū)46，火焰在二次燃燒室44內(nèi)保持。舉例來(lái)說(shuō)，總排放燃料的83%可經(jīng)過(guò)一次噴 嘴16供送，而其余的17%的燃料經(jīng)過(guò)二次噴嘴18噴射。其它比例關(guān)系也是可能的。
對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，根據(jù)這里公開(kāi)的內(nèi)容所述實(shí)施例 可以有各種變化。這樣，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)為其它特定形式，而不會(huì)脫離本發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)， 因此，應(yīng)該參照所附的權(quán)利要求書(shū)而不是前述說(shuō)明書(shū)來(lái)確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種用于燃?xì)廨啓C(jī)的二次噴嘴，包括法蘭；從所述法蘭延伸的長(zhǎng)形噴嘴主體；以及至少一個(gè)從所述噴嘴主體徑向分隔開(kāi)的預(yù)混燃料噴射器，所述預(yù)混燃料噴射器大致平行于所述噴嘴主體從所述法蘭軸向延伸達(dá)到所述噴嘴主體的一部分長(zhǎng)度。
2. 如權(quán)利要求1所述的二次噴嘴，其中，所述噴嘴主體具有第一長(zhǎng)度，所述預(yù)混燃料噴 射器具有小于所述第一長(zhǎng)度的第二長(zhǎng)度。
3. 如權(quán)利要求1所述的二次噴嘴，其中，所述至少一個(gè)預(yù)混燃料噴射器包括圍繞所述 噴嘴主體呈環(huán)形排列布置的多個(gè)預(yù)混燃料噴射器。
4. 如權(quán)利要求3所述的二次噴嘴，其中，所述二次噴嘴布置在燃燒器內(nèi)，所述燃燒器具 有圍繞所述二次噴嘴呈環(huán)形排列布置的一次噴嘴，所述預(yù)混燃料噴射器布置在所述二次噴 嘴的所述噴嘴主體和所述一次噴嘴之間。
5. 如權(quán)利要求4所述的二次噴嘴，其中，所述預(yù)混燃料噴射器和所述一次噴嘴的數(shù)量 相同。
6. 如權(quán)利要求5所述的二次噴嘴，其中，每個(gè)所述預(yù)混燃料噴射器布置在所述二次噴 嘴的所述噴嘴主體和相鄰的一個(gè)所述一次噴嘴之間。
7. —種輪機(jī)燃燒器，包括 二次噴嘴，所述二次噴嘴具有 法蘭；與所述法蘭流體連通的燃料源；從所述法蘭延伸并通過(guò)所述法蘭與所述燃料源流體連通的第一噴嘴管；以及 至少一個(gè)噴射器管，其具有固定于所述法蘭上的近端和與所述近端分隔開(kāi)的遠(yuǎn)端，所 述噴射器管沿所述第一噴嘴管的部分長(zhǎng)度軸向延伸，所述噴射器管通過(guò)所述法蘭與所述燃 料源流體連接且所述連接與所述燃料源和所述第一噴嘴管之間的連接分開(kāi)。
8. 如權(quán)利要求7所述的輪機(jī)燃燒器，其中，所述二次噴嘴還包括至少一個(gè)第三管，所 述第三管從所述法蘭延伸并位于所述第一噴嘴管內(nèi)，所述至少一個(gè)第三管與燃料源流體連 接，以便有選擇地向所述輪機(jī)燃燒器提供燃料。
9. 如權(quán)利要求7所述的輪機(jī)燃燒器，其中，所述二次噴嘴被環(huán)狀排列的一次噴嘴圍繞。
10. 如權(quán)利要求9所述的輪機(jī)燃燒器，其中，所述一次噴嘴與多個(gè)所述噴射器管徑向?qū)?準(zhǔn)，使得每個(gè)所述噴射器管定位在一個(gè)所述一次噴嘴和位于中心的所述第一噴嘴管之間。
11. 如權(quán)利要求io所述的輪機(jī)燃燒器，其中，每個(gè)所述噴射器管具有大致長(zhǎng)形的橫截面。
12. 如權(quán)利要求11所述的輪機(jī)燃燒器，其中，所述噴射器管的長(zhǎng)形橫截面的第一端定 位成靠近所述第一噴嘴管，所述長(zhǎng)形橫截面的第二端定位成靠近一個(gè)所述一次噴嘴。
13. 如權(quán)利要求7所述的輪機(jī)燃燒器，其中，所述至少一個(gè)噴射器管包括圍繞所述第一 噴嘴管環(huán)狀排列布置的多個(gè)噴射器管。
全文摘要
一種用于燃?xì)廨啓C(jī)的二次噴嘴。該二次噴嘴包括法蘭和從該法蘭延伸的長(zhǎng)形噴嘴主體。至少一個(gè)預(yù)混燃料噴射器從噴嘴主體徑向分隔開(kāi)并大致平行于噴嘴主體從法蘭軸向延伸。至少一個(gè)第二噴嘴管與燃料源流體連接并從第一噴嘴管向外徑向分隔開(kāi)，并且該第二噴嘴管的近端固定于法蘭。該第二噴嘴管具有與所述近端分隔開(kāi)的遠(yuǎn)端，該遠(yuǎn)端上具有至少一個(gè)孔。一個(gè)通道在第二噴嘴管的近端和遠(yuǎn)端之間延伸，并且該通道與燃料源和所述孔流體連接。
文檔編號(hào)F23D14/00GK101793408SQ20091013394
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月4日
發(fā)明者約翰·巴塔廖利, 羅伯特·布朗德 申請(qǐng)人:燃?xì)鉁u輪機(jī)效率瑞典公司