[发明专利]燃气涡轮燃烧器中的导向喷嘴

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，其燃烧与空气混合的烃燃料以产生高温气流，该高温气流驱动涡轮叶片以使附连到叶片的轴旋转。更特别地，但不通过限制的方式，本发明涉及包括导向喷嘴的燃烧器燃料喷嘴，该导向喷嘴预混合燃料和空气以得到更低的氮氧化物。

背景技术

燃气涡轮发动机广泛地用于产生动力以用于许多应用。常规燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮。在典型的燃气涡轮发动机中，压缩机提供压缩空气到燃烧器。进入燃烧器的空气与燃料混合且燃烧。燃烧的热气体从燃烧器排出且流入涡轮的叶片以使连接到叶片的涡轮轴旋转。旋转轴的一些机械能驱动压缩机和/或其他机械系统。

由于政府法规不赞成将氮氧化物释放到大气中，燃气涡轮发动机的作为操作的副产物的形成力图维持在可允许水平以下。满足这种法规的一个途径是从扩散火焰燃烧器转到采用贫燃料和空气混合物的燃烧器，其使用完全预混合操作模式来减少例如氮氧化物(通常表示为NOx)和一氧化氮(CO)的排放。这些燃烧器在本领域中不同地称为干式低NOx(DLN)燃烧系统、干式低排放物(DLE)燃烧系统或贫预混合(LPM)燃烧系统。

燃料－空气混合影响燃气涡轮发动机的燃烧的热气体中产生的氮氧化物的水平和发动机的性能两者。燃气涡轮发动机可采用一个或更多个燃料喷嘴来吸入空气和燃料，以促进燃烧器中的燃料-空气混合。燃料喷嘴可位于燃烧器的头端，且可构造成吸入待与燃料输入混合的空气流。典型地，每个燃料喷嘴可通过位于燃料喷嘴的内部的中心体在内部支撑，且导向件可安装在中心体的下游端处。例如在美国专利第6438961号中所述，所谓的旋流喷嘴(swozzle)可安装到中心体的外部且位于导向件的上游，该专利通过此引用以其全部内容并入本文中以用于各种目的。旋流喷嘴具有弯曲静叶，其从中心体越过环形流动通路径向地延伸，且燃料从弯曲静叶引入环形流动通路中以夹带到通过旋流喷嘴的静叶涡旋的空气流中。

描述燃气涡轮发动机中的燃烧过程的各种参数与氮氧化物的产生相关。例如，燃烧反应区中的较高燃气温度是产生较大量的氮氧化物的原因。降低这些温度的一个方法是通过预混合燃料-空气混合物以及减少燃烧的燃料与空气的比率。当燃烧的燃料与空气的比率降低时，氮氧化物的量也降低。然而，存在对燃气涡轮发动机的性能的折衷。因为当燃烧的燃料与空气的比率降低时，燃料喷嘴的火焰熄灭的倾向增大，且因此造成燃气涡轮发动机的操作不稳定。已使用扩散火焰型导向件以用于燃烧器中更好的火焰稳定，但是这样做增加NOx。因此，依然存在对于改进的导向喷嘴组件的需要，该改进的导向喷嘴组件提供火焰稳定的益处，而且还使通常与导向喷嘴相关联的NOx排放尽可能少。

发明内容

本申请因此描述了一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴，其包括：伸长的中心体；伸长的外围壁，其形成在中心体周围以便限定其间的主要流环带；主要燃料供应和主要空气供应，其与主要流环带的上游端流体连通；以及导向喷嘴。形成在中心体中的导向喷嘴可具有轴向地伸长的空气管和混合管，其在分别穿过导向喷嘴的上游面和下游面限定的入口和出口之间延伸。辅助空气供应可构造成以便与空气管和混合管中的每一个的入口流体连通。燃料端口可定位在混合管中的每一个的入口和出口之间，以用于将混合管中的每一个连接至辅助燃料供应。在空气管中的每一个的入口和出口之间的不中断的侧壁密封结构可将穿过其的空气流与辅助燃料供应隔离。多个管可构造为斜向管，其是相对燃料喷嘴的中心轴线成角度的，以便在来自其的共同排出物中引起下游涡流。

实施方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括：

轴向地伸长的中心体；

轴向地伸长的外围壁，其形成在所述中心体周围以便限定其间的主要流环带，其中所述外围壁限定所述燃料喷嘴的中心轴线；

与所述主要流环带的上游端流体连通的主要燃料供应和主要空气供应；以及

包括所述中心体的下游区段的导向喷嘴，所述导向喷嘴包括：

管，其限定在中心体壁内，所述管包括空气管和混合管，其中所述管中的每一个在穿过所述导向喷嘴的上游面限定的入口与穿过所述导向喷嘴的下游面形成的出口之间轴向地伸长；

辅助空气供应，其构造成以便与所述空气管和所述混合管中的每一个的所述入口流体地连通；

燃料端口，其定位在所述混合管中的每一个的所述入口和所述出口之间，以用于将所述混合管中的每一个连接至辅助燃料供应；以及