具有分级的沿轴向偏移的燃烧的燃烧器 |
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| 申请号 | CN201580017217.6 | 申请日 | 2015-01-14 | 公开(公告)号 | CN106461221B | 公开(公告)日 | 2019-06-28 |
| 申请人 | 伍德沃德有限公司; | 发明人 | F.P.李; | ||||
| 摘要 | 在一些方面中，一种燃气 涡轮 燃烧器 组件围绕纵轴线布置。燃气涡轮燃烧器包括第一 燃料 /空气混合器组件，混合器组件包括第一燃料喷射器和多个第一混合器元件，各个混合器元件限定具有第一平面中的出口的穿过其的空气流通路。第二燃料/空气混合器组件包括第二燃料喷射器和多个第二混合器元件，并且各个第二混合器元件限定具有从第一平面沿纵向偏移的第二平面中的出口的穿过其的空气流通路。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种围绕纵轴线布置的燃气涡轮燃烧器圆顶组件(200,300,400,500)，所述燃气涡轮燃烧器圆顶组件包括： |
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| 说明书全文 | 具有分级的沿轴向偏移的燃烧的燃烧器[0001] 相关申请的交叉引用 背景技术[0003] 燃气涡轮发动机是用于许多高功率应用的优选级别的内燃机。基本上，燃气涡轮发动机特征为联接于下游涡轮的上游旋转压缩机，以及其间的燃烧室。燃烧室可包括多个燃料/空气混合器组件以混合燃料和空气用于燃烧。燃料可在分级燃烧方案中供应至燃烧室，其中燃料喷射器或燃料/空气混合器分成组或级，典型地是两级到四级。各个级可通过按顺序开启级中的燃烧来单独地操作以提供横跨整个功率范围的发动机的最佳排放和可操作性。 [0005] 当发动机在较高功率背景下操作时，其中燃烧器的环境为较苛刻的，燃料喷射器或燃料/空气混合器的所有级开启，以便使燃料流横跨燃烧器圆顶均匀地扩散开，以便最小化损坏性热焰闪现和产生的高排放，它们可另外由燃料和火焰的不均匀分布(如果使一些级关闭)加剧。发明内容 [0006] 在第一大体方面中，一种燃气涡轮燃烧器圆顶组件围绕纵轴线布置，其中燃气涡轮燃烧器圆顶组件包括：第一燃料/空气混合器组件，第一燃料/空气混合器组件包括第一燃料喷射器和多个第一燃料/空气混合器元件，各个第一混合器元件限定具有第一平面中的出口的穿过其的空气流通路，以及第二燃料/空气混合器组件，第二燃料/空气混合器组件包括第二燃料喷射器和多个第二燃料/空气混合器元件，各个第二混合器元件限定具有从第一平面沿纵向偏移的第二平面中的出口的穿过其的空气流通路。 [0007] 根据方面1的方面2，其中第一燃料喷射器能够在供应燃料与不供应燃料之间改变，而与第二燃料喷射器是否供应燃料无关。 [0008] 根据方面1或方面2的方面3，包括多个第一燃料/空气混合器组件和嵌套在具有第一燃料/空气混合器组件的环中的多个第二燃料/空气混合器组件。 [0009] 根据方面3的方面4，其中第一燃料/空气混合器组件和第二燃料/空气混合器组件围绕环以交替顺序布置。 [0010] 根据方面3或方面4的方面5，其中第二燃料/空气混合器元件在操作状态下沿纵向方向产生火焰，并且其中第二平面从第一平面沿纵向偏移大致等于火焰的长度的距离。 [0011] 根据方面3至5中任一项的方面6，其中第二燃料/空气混合器元件在第一燃料/空气混合器元件后方。 [0012] 根据方面3至6中任一项的方面7，其中多个第一燃料/空气混合器元件围绕中心位置布置，并且其中第一燃料喷射器驻留在中心位置处。 [0013] 根据方面7的方面8，其中各个第一燃料/空气混合器元件的中心与中心位置等距。 [0014] 根据方面7或方面8的方面9，其中多个第一燃料/空气混合器元件围绕中心位置对称地布置。 [0015] 根据方面3至9中任一项的方面10，其中第一燃料/空气混合器具有不同于第二燃料/空气混合器的第二燃料/空气混合器元件的数量的第一燃料/空气混合器元件的数量。 [0016] 根据方面1至方面10中任一项的方面11，其中空气流通路包括文氏管。 [0017] 在第十二大体方面中，一种方法包括：在燃气涡轮燃烧器组件中的第一燃料/空气混合器组件的出口处供应空气而没有燃料，以及同时在燃气涡轮燃烧器组件中的第二相邻燃料/空气混合器组件的出口处焚烧燃料和空气混合物，第二混合器组件具有第二平面中的出口，该第二平面关于第一燃料/空气混合器组件的出口的第一平面凹入。 [0018] 根据方面12的方面13，包括同时在于第二燃料/空气混合器组件的出口处焚烧燃料和空气混合物时，在第一燃料/空气混合器组件的出口处焚烧燃料和空气混合物。 [0019] 根据方面12或方面13的方面14，包括多个第一燃料/空气混合器组件和嵌套在具有第一燃料/空气混合器组件的环中的多个第二燃料/空气混合器组件。 [0020] 根据方面14的方面15，其中第一燃料/空气混合器组件和第二燃料/空气混合器组件围绕环以交替顺序布置。 [0021] 根据方面14或方面15的方面16，其中第二燃料/空气混合器组件在第一燃料/空气混合器组件后方。 [0022] 在第十七大体方面中，一种装置包括：以环布置的多个燃气涡轮燃料/空气混合器组件，燃料/空气混合器组件的子集从燃料/空气混合器组件的其余部分凹入。 [0023] 根据方面17的方面18，其中燃料/空气混合器组件的其余部分包括燃料喷射器，其能够在向燃料/空气混合器供应燃料与不供应燃料之间改变，而与燃料/空气混合器组件的子集的燃料喷射器是否供应燃料无关。 [0024] 根据方面17或方面18的方面19，其中多个燃料/空气混合器组件均包括多个燃料/空气混合器元件。 [0026] 图1为示例性燃气涡轮发动机的半侧视截面视图。 [0027] 图2A为用于在燃气涡轮燃烧器中使用的包括燃料/空气混合器组件和燃料喷射器组件的示例性燃气涡轮燃烧器圆顶组件的正视透视图。 [0028] 图2B为图2A的示例性燃气涡轮燃烧器圆顶组件的后视图。 [0029] 图2C为图2A的燃料/空气混合器组件的截面视图。 [0030] 图3为示例性燃气涡轮燃烧器圆顶组件的正视透视图。 [0031] 图4为示例性燃气涡轮燃烧器圆顶组件的正视透视图。 [0032] 图5为示例性燃气涡轮燃烧器组件的透视半截面视图。 [0033] 图6为用于示例性燃料喷射器系统的流体连接的简图。 [0034] 各种图中的相似附图标记指示相似的元件。 具体实施方式[0035] 图1为示例性燃气涡轮发动机10的半侧视截面视图。燃气涡轮发动机10为涡轮喷气类型的燃气涡轮，其可例如用于对喷气飞行器供能。然而，本公开中描述的构思不如此限制，并且可并入在各种其它类型的燃气涡轮发动机(例如，涡扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴、工业/船舶发动机或其它)的设计中。 [0036] 如所示，燃气涡轮发动机10大体上便于气体的连续轴向流。即，气体大体上沿由图1中的箭头指示的轴向下游方向流过发动机10。燃气涡轮发动机10包括接收周围空气14并且将周围空气14引导至压缩机16的进气口12。周围空气14通过压缩机16的多个级吸入。离开压缩机16的高压空气18引入至燃烧器100。在某些情况中，燃烧器100为外接发动机的主轴20的环形燃烧器，或定位在轴的径向外侧的筒型燃烧器。 [0037] 燃烧器100包括组件，该组件具有燃烧罩102、多个燃料喷射器或燃料/空气混合器104，以及燃烧器圆顶和圆顶组件106，其包括燃料喷射器或燃料/空气混合器104。在燃烧器 100处，高压空气18与液烃燃料混合，并且点燃来产生加热的燃烧产物22。燃烧产物22穿过涡轮24的多个级。涡轮24从高压高温燃烧产物22抽取能量。由涡轮24从燃烧产物22抽取的能量驱动压缩机16，压缩机16由主轴20联接于涡轮24。离开涡轮24的排出气体26通过排气喷嘴28加速进入大气，以提供推力或推进功率。 [0038] 图2A、图2B和图2C分别为用于在燃气涡轮燃烧器，例如图1的燃烧器100中使用的示例性燃气涡轮燃烧器圆顶组件200的正视透视图、后视图和截面视图。示例性涡轮燃烧器圆顶组件200包括多个燃料/空气混合器组件210,212和燃料喷射器220,222，它们操作成产生可燃燃料/空气混合物。燃料/空气混合物组件210,212联接于板202。板202可为燃烧器的圆顶或整个圆顶板，如图1中所示的圆顶106的区段，并且其前面表面面对燃烧器。 [0039] 燃烧器圆顶组件200包括多个燃料/空气混合器组件210,212的环状的环形布置。燃料/空气混合器组件210,212可绕着燃烧器的纵轴线沿周向嵌套布置。尽管示出了燃料/空气混合器组件210,212的仅一个环，但可使用燃料/空气混合器组件210,212的多个环。另外，燃料/空气混合器组件210,212的布置可具有除了环状之外的构造。 [0040] 燃烧器组件200可包括多个不同类型的混合器组件。例如，图2A示出了第一类型的混合器组件212，其在板202的表面处联接于板202。示例性的第一类型的混合器组件212包括五个燃料/空气混合器元件208,214中的五个燃料喷射器末端216，但可使用各个混合器组件中的更多或更少的燃料喷射器末端216或燃料/空气混合器元件208,214。燃料/空气混合器元件208,214中的各个限定会聚-扩散文氏管，空气流过该会聚-扩散文氏管，并且在某些情况中引起空气的涡流。各个燃料/空气混合器元件208,214的出口在公共平面上。示出了第二类型的混合器组件210，其包括联接于九个燃料/空气混合器元件208,214的九个燃料喷射器末端216，但可使用各个混合器组件210中的更多或更少的燃料喷射器末端216或燃料/空气混合器元件208,214。第二类型的混合器组件210从板202关于第一类型的混合器组件212沿轴向凹入。换言之，第二类型的混合器组件210的燃料/空气混合器元件208,214的出口在公共平面上，该公共平面从第一混合器组件212的元件的平面凹入。尽管图2A示出了两种不同类型的燃料/空气混合器组件210,212，但在其它情况中，燃烧器组件200的燃料/空气混合器组件可具有完全相同的构造，或者可提供两种以上的类型。 [0041] 在示例性燃料/空气混合器组件210,212中，混合器元件214附连于彼此以及中心元件208，并且围绕中心混合器元件208对称地定位，与中心位置(在中心混合器元件208的中心处)等距。混合器元件208,214可以以其它构造(例如，对称地和/或其它)定位。 [0042] 第一类型和第二类型的混合器组件210,212可围绕燃烧器组件交替地定位(即，在第一类型的混合器210与第二类型的混合器212之间交替)。在其它实施中，混合器组件210,212可以以其它布置(包括不同的交替图案和非交替布置)定位。 [0043] 图2B为燃烧器圆顶组件200的后视图，并且示出了联接于独立燃料喷射器组件220a-k,222a-k的各个混合器组件210,212。燃料喷射器组件220a-k,222a-k将燃料供应至各个混合器组件210,212中的燃料喷射器末端214。第一类型的各个混合器组件212联接于燃料喷射器组件222a-k中的一个。各个凹入的混合器组件(即，第二类型的各个混合器组件)210联接于燃料喷射器组件220a-k。 [0044] 燃料喷射器组件220a-k流体地连接于一组燃料回路，并且燃料喷射器组件222a-k流体地连接于单独的独立组的燃料回路。燃料可独立于燃料喷射器组件220a-k供应至燃料喷射器组件222a-k。燃料喷射器组件220a-k,222a-k因此为分级系统，其可将燃料独立地供应至不同组的燃料喷射器和混合器组件。单独的燃料回路可针对不同操作模式选择性地供应或拒绝燃料以产生不同的燃烧状态。例如，对于低功率操作，燃料可仅供应至联接于凹入的混合器组件210的燃料喷射器组件220a-k，而没有燃料或仅部分燃料供应至联接于混合器组件212的燃料喷射器组件222a-k。对于高功率操作，燃料可供应至所有燃料喷射器组件220a-k和222a-k。 [0045] 图2C为沿图2A中所示的平面2C-2C的示例性凹入混合器组件210和燃料喷射器组件220a的截面视图。图2C还示出了联接于中心混合器元件208的中心燃料喷射器末端216的截面。凹入的混合器组件210类似于其它凹入的混合器组件210。燃料/空气混合器元件208,214的出口在同一平面上，并且从板202的前表面沿轴向凹入轴向凹入距离d。在一些实施中，轴向凹入距离d等于正常操作期间从凹入混合器组件发出的火焰锥的长度。然而，轴向凹入距离d的其它长度可使用，包括其中d大于火焰锥的长度、火焰锥的长度的75%，或另一距离。值得注意地，混合器组件212的燃料/空气混合器元件208,214的出口在与板202的前表面重合的平面上。 [0046] 如图2A,2B和2C中所示的凹入的混合器组件210便于低功率操作。在示例性低功率操作中，凹入的混合器组件210供应有燃料，并且其它混合器组件212并未供应有燃料。由于凹入的混合器组件210从板202凹入，故来自凹入的混合器组件210的火焰被保护而免受来自未使用的混合器组件212的空气流。来自凹入的混合器组件210的火焰局部地限于凹入区域，并且因此相比于在其并未凹入的情况下较不易受来自穿过和离开未使用的混合器组件212的空气的干扰、湍流或潜在骤冷。结果，凹入的混合器组件212可产生更好的火焰稳定性和燃烧效率。 [0047] 图3为另一示例性燃气涡轮燃烧器圆顶组件300的正视透视图。除燃料/空气混合器组件310,312的其布置外，示例性燃烧器圆顶组件300大致类似于图2A,图2B和图2C中所示的燃烧器圆顶组件200。圆顶组件300包括联接于多个燃料/空气混合器组件310,312的环形布置的板302。混合器组件包括以交替构造布置的非凹入的混合器组件312和凹入的混合器组件310。混合器组件310联接于燃料喷射器组件320a-k，并且混合器组件312联接于燃料喷射器组件322a-k，其在单独的独立组的燃料回路上。在该实例中，凹入的混合器组件310均包括联接于五个燃料/空气混合器元件的五个燃料喷射器末端，并且非凹入的混合器组件312均包括联接于九个燃料/空气混合器元件的九个燃料喷射器末端。 [0048] 如上文，在低功率操作期间，燃料供应至凹入的混合器组件310，并且部分地供应或不供应至非凹入的混合器组件312。然而，在该实例中，各个凹入混合器组件310具有比来自图2A-2C的燃烧器圆顶组件200中的凹入混合器组件210更少的燃料喷射器末端和燃料/空气混合器元件。其它实施可具有用于不同低功率和高功率操作的不同构造。 [0049] 图4为又一个示例性燃气涡轮燃烧器圆顶组件400的正视透视图。除不同地构造的燃料/空气混合器组件410,412之外，示例性圆顶组件400大致类似于图2A,图2B和图2C中所示的燃烧器组件200。燃烧器组件400包括圆顶板402，其联接于多个燃料/空气混合器组件410,412的环形布置。混合器组件包括以交替构造布置的非凹入的混合器组件412和凹入的混合器组件410。凹入的混合器组件410联接于燃料喷射器组件420a-k，并且非凹入的混合器组件412联接于燃料喷射器组件422a-k，其流体地连接于单独的独立组的燃料回路。在该实例中，各个混合器组件410,412中的中心燃料/空气混合器元件432构造为如在2013年11月11日提交的标题为"Multi-Swirler Fuel/Air Mixer with Centralized Fuel Injection"的美国专利申请14/076,902中的火焰保持器。 [0050] 图5为示例性燃气涡轮燃烧器组件500的透视截面。示例性燃烧器组件500包括两者都联接于壳体502的混合器组件506和凹入的混合器组件504。混合器组件506和凹入的混合器组件504均包括对称地分布并且围绕纵轴线同心地定位的燃料/空气混合器元件508的环形布置。凹入的混合器组件504的燃料/空气混合器元件508的出口在公共平面上。平面从混合器组件506的燃料/空气混合器元件508的出口的平面凹入。燃烧器组件500还包括中心混合器514，其具有与混合器组件506相同的平面上的出口。 [0051] 混合器组件506联接于燃料喷射器组件512，凹入的混合器组件504联接于单独的燃料喷射器组件510，并且中心混合器514联接于另一个单独的独立燃料喷射器组件516。燃料喷射器组件510,512和516可均独立地供应有燃料，以便提供不同的操作模式，如低功率操作或高功率操作。如在图2-4中，在低功率操作期间，凹入的混合器组件504和中心混合器514供应有燃料，而非凹入的混合器组件506可不具有至喷射器的燃料或具有部分燃料。凹入的混合器组件可以以先前针对图2A所述的方式提供改进的低功率操作。 [0052] 图6示出了用于燃烧器，如燃烧器组件200,300,400或500的示例性流体连接简图。流体连接简图包括燃料供应源602。燃料供应源602分别由导管612a-c流体地连接于第一组燃料喷射器620a-c。阀610a-c可开启或闭合导管612a-c，以供应或拒绝至第一组燃料喷射器620的燃料。同样地，燃料供应源602通过阀组614a-c和导管组616a-c流体地连接于第二、单独且独立组的燃料喷射器622。各个阀组可包含一个或更多个阀，并且各个导管组可包含一个或更多个导管。阀组610a-c和614a-c可独立地操作，以使仅一组燃料喷射器可供应有燃料，或者两组喷射器可供应有燃料。以该方式，燃烧可分级或者具有多个模式操作。 [0053] 值得注意地，本文中的构思结合用于燃气涡轮发动机的燃烧器和组件论述。然而，它们并未如此受限。例如，相同构思可应用于其它形式的发动机，以及使用燃烧器和/或燃烧室的其它设备。 [0054] 尽管本说明书包含许多细节，但这些不应当看作是对可要求权利的范围的限制，而是特定实例特有的特征的描述。在单独实施的背景下在本说明书中描述的某些特征还可组合。相反，在单个实施的背景下描述的各种特征还可单独地或以任何适合的子组合在多个实施例中实施。 [0055] 从以上论述得出的是，本文中的构思包含具有第一燃料/空气混合器组件的燃气涡轮燃烧器圆顶组件，该第一燃料/空气混合器组件包括第一燃料喷射器和多个第一燃料/空气混合器元件。各个第一燃料/空气混合器元件限定穿过其的空气流通路，并且具有第一平面中的出口。燃气涡轮燃烧器圆顶组件包括第二燃料/空气混合器组件。第二燃料/空气混合器组件包括第二燃料喷射器和多个第二燃料/空气混合器元件。各个第二混合器元件限定穿过其的空气流通路，并且具有第二平面中的出口。第二平面从第一平面沿纵向偏移。 [0056] 构思还包含在燃气涡轮燃烧器组件中的第一燃料/空气混合器组件的出口处供应空气而没有燃料。同时，燃料和空气混合物在燃气涡轮燃烧器组件中的第二相邻燃料/空气混合器组件的出口处焚烧。第二混合器组件具有第二平面中的出口，该第二平面关于第一燃料/空气混合器组件的出口的第一平面凹入。 [0057] 构思还包含具有以环布置的多个燃气涡轮燃料/空气混合器组件的装置。燃料/空气混合器组件的子集从燃料/空气混合器组件的其余部分凹入。 [0058] 以上方面包括以下特征中的一些、没有一个或所有。第一燃料喷射器可能够在供应燃料与不供应燃料之间改变，而与第二燃料喷射器是否供应燃料无关。多个第二燃料/空气混合器组件可嵌套到具有多个第一燃料/空气混合器组件的环中。第一燃料/空气混合器组件和第二燃料/空气混合器组件围绕环以交替顺序布置。第二燃料/空气混合器元件在操作状态下沿纵向方向产生火焰。第二平面从第一平面沿纵向偏移大致等于火焰的长度的距离。第二燃料/空气混合器元件在第一燃料/空气混合器元件后方。多个第一燃料/空气混合器元件围绕中心位置布置，并且第一燃料喷射器驻留在中心位置处。各个第一燃料/空气混合器元件的中心与中心位置等距。燃气涡轮燃烧器组件包括多个第一燃料/空气混合器元件。第一燃料/空气混合器可具有不同于第二燃料/空气混合器组件的第二燃料/空气混合器元件的数量的第一燃料/空气混合器元件的数量。空气流通路可为文氏管。 |
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