專利名稱：用于氣體渦輪燃料噴射器的端部供應液體燃料通道的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及一種用于氣體渦輪發(fā)動機的燃料噴射器，并且更特別是涉及一種具有端部供應液體燃料通道的氣體渦輪燃料噴射器。
背景技術：
氣體渦輪發(fā)動機通過從燃料在壓縮空氣流中燃燒產生的熱氣體流汲取能量來產生動力。通常，渦輪發(fā)動機具有聯(lián)接到下游渦輪的上游空氣壓縮機，燃燒室(“燃燒器”)位于上游空氣壓縮機和下游渦輪之間。能量在壓縮空氣和燃料的混合物在燃燒器內燃燒時釋放。得到的熱氣體在渦輪的葉片上引導，使得渦輪旋轉，并產生機械動力。在典型的渦輪發(fā)動機中，一個或多個燃料噴射器將一些類型的液體或氣態(tài)碳氫燃料(例如柴油燃料或天然氣)引導到燃燒器中以便燃燒。這種燃料與壓縮空氣(來自空氣壓縮機)在燃料噴射器內混合，并且流到燃燒器以便燃燒。溫度可以超過800 T (426.70C )的壓縮空氣可圍繞燃料噴射器的多個部分，并產生用于燃料噴射器的熱環(huán)境氛圍。燃料在燃燒器內的燃燒可導致超過2000 T (1093.3°C )的溫度。燃料噴射器附近的這種高溫在渦輪發(fā)動機的操作過程中增加了燃料噴射器的溫度。在燃料噴射器中，燃料管線用來將燃料引導到燃料噴射器，并且燃料通道將燃料引導經(jīng)過噴嘴，該噴嘴將燃料輸送到燃燒器。燃料噴射器在操作過程中的高溫會導致液體燃料在這些管線和通道中形成焦炭。隨著時間推移，沉積在管線和通道內的這種焦炭會導致流動限制，不利地影響氣體渦輪發(fā)動機的操作。Hernandez等人的美國專利申請公開文獻US 2007/0157616 Al(, 616公開文獻)描述一種用于噴氣發(fā)動機的燃料噴射器。'616公開文獻的燃料噴射器包括將獨立的燃料流引導經(jīng)過燃料噴射器的主燃料回路和輔燃料回路。輔燃料回路包括定位在空氣渦流器內并流體聯(lián)接到多個孔口的環(huán)形分配腔室。主回路包括定位在輔回路的分配腔室附近的獨立的分配腔室。在，616公開文獻的燃料噴射器中，一個燃料回路的分配腔室內的燃料用來冷卻另一燃料回路的分配腔室內的燃料。'616公開文獻的燃料噴射器可適用于包括彼此鄰近定位的多個燃料回路的應用。但是，在這種布置由于空間或其他限制而不可行的應用中，'616公開文獻的燃料噴射器會是不適當?shù)?。例如，在單個空氣渦流器內彼此鄰近地定位多個分配腔室會在空間受到限制時引入設計復雜性。

發(fā)明內容
在一個方面，公開一種用于氣體渦輪發(fā)動機的燃料噴射器。燃料噴射器包括沿著縱向軸線延伸并能夠流體聯(lián)接到所述渦輪發(fā)動機的燃燒器的噴射器殼體。燃料噴射器還包括用于燃料空氣混合物到所述燃燒器并在所述噴射器殼體內縱向延伸的流路以及用于液體燃料并環(huán)繞所述流路的通道。所述通道可以包括能夠將液體燃料從所述通道輸送到所述流路的多個燃料輻條 。所述通道可以從供應端延伸到與所述供應端重疊的終端。所述供應端可以是液體燃料進入所述通道的區(qū)域，并且所述終端可以是所述通道終止的區(qū)域。
在另一方面，公開一種操作氣體渦輪發(fā)動機的方法。該方法包括將壓縮空氣引導經(jīng)過燃料噴射器的縱向延伸的流路，并將液體燃料引導經(jīng)過環(huán)繞所述流路從供應端延伸到與所述供應端重疊的終端的通道。所述供應端可以是液體燃料進入所述通道的區(qū)域，并且所述終端可以是所述通道終止的區(qū)域。該方法還包括在所述氣體渦輪發(fā)動機的燃燒器內燃燒液體燃料和空氣的混合物，并使用流過所述通道的液體燃料冷卻所述通道的壁，使得所述終端的下游部分處的壁的溫度低于所述終端的上游部分處的壁的溫度。在又一方面，公開一種氣體渦輪發(fā)動機。氣體渦輪發(fā)動機包括壓縮機和定位在壓縮機的下游的燃燒器。氣體渦輪機發(fā)動機還包括流體聯(lián)接壓縮機和燃燒器的燃料噴射器。燃料噴射器可被構造成將燃料空氣混合物經(jīng)過縱向延伸通過其中的流路引導到燃燒器中。燃料噴射器可包括用于液體燃料且環(huán)繞流路的通道。該通道可從供應端延伸到與供應端重疊并定位在供應端的徑向內側的終端。供應端可以是液體燃料進入通道的區(qū)域，并且終端可以是通道終止的區(qū)域。


圖1是示例性公開的氣體渦輪發(fā)動機系統(tǒng)的圖示；圖2是圖1的渦輪發(fā)動機中使用的示例性燃料噴射器的圖示；圖3是圖2的燃料噴射器沿著縱向平面的橫截面圖；圖4是圖2的燃料噴射器沿著橫向平面的橫截面圖；以及

圖5是圍繞圖2的燃料噴射器的液體燃料通道的溫度曲線。
具體實施例方式圖1示出了示例性氣體渦輪發(fā)動機(GTE) 100。GTE 100可尤其包括沿著發(fā)動機軸線98配置的壓縮機系統(tǒng)10、燃燒器系統(tǒng)20、渦輪系統(tǒng)70以及排氣系統(tǒng)90。壓縮機系統(tǒng)10將空氣壓縮到壓縮機排放壓力和溫度(分別為大致200 ^和800下(426.7°C))，并將壓縮空氣輸送到燃燒器系統(tǒng)20的封罩72。壓縮空氣接著從封罩72引導到定位其中的一個或多個燃料噴射器30內。壓縮空氣可在燃料噴射器30內與燃料混合，并且混合物被引導到燃燒器50。燃料空氣混合物在燃燒器50內點燃和燃燒，以便在高壓和至少2000 0F (1093.3°C )的溫度下產生燃燒氣體。這些燃燒氣體接著被引導到渦輪系統(tǒng)70。渦輪系統(tǒng)70從這些燃燒氣體汲取能量，并經(jīng)由排氣系統(tǒng)90將排氣引導到大氣。圖1所示和以上描述的GTE 100的布置只是示例性的，并且本發(fā)明的燃料噴射器30可以用于GTE 100的任何構造和布置。圖2是可以聯(lián)接到GTE 100的燃燒器50的燃料噴射器30的實施方式的圖示。燃料噴射器30從流體聯(lián)接到燃燒器50的第一端44延伸到定位在封罩72內的第二端46。存儲在封罩72內的壓縮空氣經(jīng)由第二端46上的開口(圖2未示出)進入燃料噴射器30。液體燃料還經(jīng)由液體燃料管線38 (和導引燃料供應管線34)在第二端46處引導到燃料噴射器30。這種燃料與流過燃料噴射器30的壓縮空氣混合，并且燃料空氣混合物經(jīng)由第一端44進入燃燒器50。燃料噴射器30的一些實施方式(例如圖2所示的燃料噴射器30的實施方式)可以是雙燃料噴射器，其被構造成選擇性地輸送氣態(tài)燃料或液體燃料到燃燒器50。在這種雙燃料噴射器中，輸送到燃料噴射器30的燃料可以夾持在氣態(tài)和液體燃料之間，以適用于GTE 100的操作條件。例如，在具有富含天然氣供應的操作地點，燃料噴射器30可以在啟動過程中輸送液體燃料到燃燒器50，并隨后轉換成輸送天然氣燃料，以利用當?shù)乜捎玫娜剂瞎Ｔ陔p燃料噴射器中，除了輸送液體燃料的燃料管線之外，一些燃料管線還輸送氣態(tài)燃料到燃料噴射器。例如，在圖2的燃料噴射器30中，氣體燃料管線36(和導引燃料供應管線34)可將氣態(tài)燃料引導到燃料噴射器30。為了減小大氣污染物(例如NOx)的排放并同時保持燃燒器50內的穩(wěn)定火焰，燃料噴射器30將單獨燃料空氣混合物流引導到燃燒器50。這些單獨的流包括主燃料流和導引燃料流。主燃料流是燃料貧乏的燃料空氣混合物流，導引燃料流是富含燃料的燃料空氣混合物流。形成主燃料流的貧燃料空氣混合物在燃燒器50內燃燒以產生低溫火焰。雖然以低溫火焰操作的GTE 100的NOx排放可以相對低，在一些情況下低溫火焰會不穩(wěn)定。由富含燃料的燃料空氣混合物構成的導引燃料流在較高溫度下燃燒，并用來以略微增加NOx排放為代價來穩(wěn)定燃燒過程。為了減小NOx排放并同時保持燃燒過程的穩(wěn)定性，GTE 100的控制系統(tǒng)(未示出)在檢測到不穩(wěn)定燃燒事件時啟動和控制導引燃料空氣混合的流動。導引燃料空氣混合物經(jīng)由中央地定位在燃料噴射器30內的導引組件40被引導到燃燒器50。導引燃料供應管線34將液體和氣態(tài)燃料供應到導引組件40。燃料噴射器30還包括圍繞導引組件40的殼體43周向布置的管狀預混筒48，以便限定圍繞導引組件40的環(huán)形導管42。主燃料空氣混合物經(jīng)由該環(huán)形導管42引導到燃燒器50。液體燃料(以及雙燃料噴射器情況下的氣態(tài)燃料)和壓縮空氣被引導到導引組件40和環(huán)形導管42，以便分別形成導引燃料空氣混合物和主燃料空氣混合物。這些燃料空氣混合物形成經(jīng)由燃料噴射器30的第一端44引導到燃燒器50內的單獨燃料空氣流。圖3是沿著圖2的平面3-3的燃料噴射器30的橫截面圖示。導引組件40包括一起協(xié)作以便將導引燃料空氣混合物輸送到燃燒器50的多個部件。由于燃料噴射器和導引組件的操作是本領域已知的，出于簡明目的，省略了導引組件40的細節(jié)。在第二端46的近偵牝環(huán)形導管42包括被構造成使得從封罩72進入環(huán)形導管42的壓縮空氣形成渦流的空氣渦流器52。來自液體燃料管線38 (見圖2) 的燃料被引導到圍繞空氣渦流器52周向布置的液體燃料通道56。多個輻條54a-54e(只有一個輻條54a可在圖3中看到，輻條54a_54e在圖4中示出)將液體燃料通道56內的液體燃料輸送到流過空氣渦流器52的壓縮空氣。這種燃料與形成渦流的空氣流混合，以形成經(jīng)由環(huán)形導管42進入燃燒器50的主燃料流。雖然圖3示出了輻條54a聯(lián)接到空氣渦流器52，這不是必須的，并且在一些實施方式中，輻條54a-54e可以定位在空氣渦流器52的上游或下游。在雙燃料噴射器中，空氣渦流器52還包括被構造成將氣態(tài)燃料噴射到形成渦流的空氣流內的多個氣體孔口 58。根據(jù)燃料噴射器所依賴進行操作的燃料的類型，液體燃料或氣態(tài)燃料之一被輸送到流過空氣渦流器52的壓縮空氣。這種燃料(液體或氣態(tài))將與壓縮空氣混合以形成主燃料流。圖4是沿著圖2的平面4-4的燃料噴射器30的橫截面圖示。為了簡明，在圖4的圖示中，導引組件已經(jīng)從燃料噴射器移除。來自液體燃料管線38的液體燃料在入口 38a處弓丨導到液體燃料通道56內。液體燃料通道56圍繞燃料噴射器30卷繞，以便從入口 38a延伸到末端38b。液體燃料通道56的鄰近入口 38a的部分稱為供應端56a，并且鄰近末端38b的部分稱為液體燃料通道56的終端56b。液體燃料通道定位成使得末端38b延伸經(jīng)過入口 38a。在這種構型中，液體燃料通道56的終端56b與供應端56a重疊。重疊Θ的大小會取決于應用。在一些實施方式中，重疊Θ可以是零，而在其他實施方式中，重疊Θ可以大于零。在一些實施方式中，重疊Θ的大小可以在大約30°和40°之間，而在其他實施方式中，重疊的大小可以在大約35°和38°之間。在重疊Θ大于零時，供應端56a可以與終端56b徑向隔開(如圖4所示)。雖然，通常，供應端56a和終端56b之間的徑向間隙&可以具有任何數(shù)值，在一些實施方式中，該徑向間隙ra可以在大約0.01英寸(0.25mm)和大約0.5英寸(12.7mm)之間變化，而在其他實施方式中，該徑向間隙ra可以在大約0.05英寸(1.27mm)和大約0.25英寸(6.35mm)之間。在一些實施方式中，供應端56a可以大致平行于終端56b，并且徑向間隙ra可以是固定數(shù)值。在其他實施方式中，如在圖4的實施方式中，供應端56a可包括大致直的區(qū)段，而終端56b可以是彎曲的。在這種實施方式中，徑向間隙ra可以是可變化的。雖然在圖4中，供應端56a表示成包括類似于彎曲肘部定位的兩個直區(qū)段，這只是示例性的。通常，供應端56a可具有任何形狀，并且可以相對于終端56b以任何方式定向。除了徑向間隔開之外，在一些實施方式中，終端56b也可與供應端56a縱向隔開(將供應端56a的縱向位置與圖3中的液體燃料通道56的縱向位置相比)。在一些實施方式中，液體燃料通道56可圍繞燃料噴射器30卷繞多次，并且每圈可以與另一圈徑向和縱向偏移，使得液體燃料通道56形成圍繞空氣渦流器42的螺旋路徑。輻條54a_54e將液體燃料通道56流體聯(lián)接到環(huán)形導管42。這些輻條54a_54e經(jīng)過空氣渦流器52的葉片延伸到環(huán)形空間42內，并適用于將來自液體燃料通道56的液體燃料噴灑到流過空氣渦流器52的壓縮空氣內。在圖4的實施方式中，這些輻條54a-54e圍繞燃料噴射器30對稱定位。雖然在圖4的實施方式中示出了五個輻條(54a-54e)，通常任何數(shù)量的輻條可 以在燃料噴射器的不同實施方式中以任何方式(對稱或其他方式)配置。由于每個輻條將一定量的燃料從液體燃料通道56排放到燃料噴射器30內，在液體燃料通道56內朝著下一個輻條流動的燃料的質量流速減小。例如，在輻條54b排放燃料之后，在液體燃料通道56內朝著輻條54c流動的燃料的質量流速減小。并且，在輻條54c排放燃料之后，在液體燃料通道內朝著輻條54d流動的燃料的質量流速進一步減小。在液體燃料通道56的橫截面面積隨著其圍繞燃料噴射器30卷繞而保持大致恒定的實施方式中(圖4的實施方式所示)，質量流速減小轉換成液體燃料通道56內流動的燃料速度減小。因此，液體燃料通道56內的燃料的質量流速(以及速度)隨著燃料從液體燃料通道56的供應端56a流到終端56b而逐漸降低。因此，液體燃料通道56的終端56b處的液體燃料的質量流速和速度最低。如上所述，在GTE 100的操作過程中，燃料噴射器30附近的溫度很高。為了確保這種高溫不造成液體燃料形成焦炭，希望的是將液體燃料通道的壁保持在希望的溫度(例如大約400 °F (204.4°C ))以下。隨著液體燃料流過液體燃料通道56，流動的燃料在其附近冷卻液體燃料通道56的壁。在一些情況下，液體燃料通道56的終端56b處的減小速度和質量流速的液體燃料不能提供將此區(qū)域的通道壁保持在希望溫度以下的足夠冷卻。但是，將液體燃料通道56定向成使得終端56b與供應端56a重疊(此處燃料流速對于提供充分冷卻來說足夠高)以允許終端的壁通過流過液體燃料通道56的供應端56a的燃料冷卻。液體燃料通道56的終端56b以此方式與供應端56a的重疊允許來自終端56b的壁的熱量通過傳導到供應端56a的壁來轉移，并接著通過流過其中的相對高速的液體燃料的對流來移除。所提供的重疊大小會取決于終端56b的希望被冷卻的長度以及GTE100的其他操作細節(jié)(例如，流過液體燃料通道的燃料特性等)。
工業(yè)實用性所公開的氣體渦輪燃料噴射器可適用于其中希望將燃料噴射器的所選區(qū)域的溫度保持在希望溫度以下的任何渦輪發(fā)動機。在被構造成以液體燃料操作的燃料噴射器的實施方式中，液體燃料通道經(jīng)由供應端供應，并且液體燃料通道被設計成使得終端與供應端重疊。在這種布置中，終端處的通道壁通過流過供應端的液體燃料冷卻?，F(xiàn)在將描述具有包括端部供應液體通道的燃料噴射器的氣體渦輪發(fā)動機的操作。在GTE 100的操作過程中，燃料噴射器30暴露于高溫。為了減小這些高溫造成液體燃料形成焦炭的機會，希望將燃料噴射器30的液體燃料通道56的壁保持在安全操作溫度以下，例如400 °F (204.4°C )以下。流過液體燃料通道的液體燃料通過對流移除熱量，并有助于將這些壁保持在400 T (204.4°C )以下。但是，由于流過通道的燃料的質量流速和速度在其終端處很低，通過終端處的流動燃料提供的冷卻不能充分地將終端處的壁保持在400 T (204.4°C )以下。將燃料通道設計成使得終端與供應端重疊允許終端的壁通過流過供應端的燃料冷卻。為了確定這種液體燃料通道布置對于通道壁的溫度的影響，進行氣體渦輪發(fā)動機的操作的數(shù)字模擬。圖5是具有圖4所示的液體燃料通道56的示例性燃料噴射器30的壁所獲得的溫度曲線的圖示。隨著燃料從供應端56a進入液體燃料通道56，流動的燃料冷卻通道的壁。這從液體燃料通道56的開始部分內的壁溫度減小而明顯看到。隨著燃料繼續(xù)圍繞通道流動，其質量流速和速度隨著燃料通過每個孔口排放而降低。這種降低的質量流速和速度減小了通過流動燃料移除的熱量大小。這從圖5的中間部分的壁溫度增加而明顯看到。隨著燃料進入終端56b，雖然燃料在此區(qū)域內的質量流速和速度很低，壁溫度也降低。壁溫度的這種降低來自于流過重疊供應端的燃料提供的附加冷卻。在沒有這種附加冷卻時，終端56b處的液體燃料通道56的壁溫度會繼續(xù)增加。經(jīng)由供應端為液體燃料通道提供供應，并圍繞燃料噴射器卷繞通道，使得終端與供應端重疊，這允許通道壁的溫度保持在400 0F (204.40C )的希望溫度以下。本領域普通技術人員將明白可以對于具有端部供應的液體通道的本發(fā)明氣體渦輪燃料噴射器進行多種改型和變型。本領域普通技術人員從說明書的考慮和具有端部供應的液體通道的本發(fā)明氣體渦輪燃料噴射器的實踐中將明白其他的實施方式。說明書和例子旨在認為只是示例性的，·真實的范圍通過以下權利要求及其等同物來指明。
權利要求
1.一種用于氣體渦輪發(fā)動機(100)的燃料噴射器(30)，包括: 噴射器殼體(48)，其沿著縱向軸線(88)延伸，并能夠流體聯(lián)接到所述渦輪發(fā)動機的燃燒器(50)； 流路(42)，其用于燃料空氣混合物到所述燃燒器，并在所述噴射器殼體內縱向延伸；以及 通道(56)，其用于液體燃料并環(huán)繞所述流路，所述通道包括能夠將液體燃料從所述通道輸送到所述流路的多個燃料輻條(54&、5仙、54(:、54(1、546)，所述通道從供應端(56a)延伸到與所述供應端重疊的終端(56b)，所述供應端是液體燃料進入所述通道的區(qū)域，所述終端是所述通道終止的區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴射器，其中，所述多個燃料輻條圍繞所述通道對稱定位，并且所述多個燃料輻條中的燃料輻條定位在所述通道的終端處。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴射器，還包括定位在所述通道的徑向內側的流路內的渦流器(52)。
4.根據(jù)權利要求3所述的燃料噴射器，其中，所述多個燃料輻條的每個燃料輻條經(jīng)過所述渦流器延伸到所述流路內。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴射器，其中，所述終端定位在所述通道的供應端的徑向內側并與所述供應端縱向偏移。
6.根據(jù)權利要求1所述 的燃料噴射器，其中，所述終端定位在所述供應端的徑向內側，并且所述供應端和終端的重疊在大約35°和38°之間。
7.一種操作氣體渦輪發(fā)動機(100)的方法: 將壓縮空氣引導經(jīng)過燃料噴射器(30)的縱向延伸的流路(42)； 將液體燃料引導經(jīng)過環(huán)繞所述流路并從供應端(56a)延伸到與所述供應端重疊的終端(56b)的通道(56)，所述供應端是液體燃料進入所述通道的區(qū)域，并且所述終端是所述通道終止的區(qū)域； 在所述氣體渦輪發(fā)動機的燃燒器(50)內燃燒液體燃料和空氣的混合物；以及 使用流過所述通道的液體燃料冷卻所述通道的壁，使得所述終端的下游部分處的壁的溫度低于所述終端的上游部分處的壁的溫度。
8.根據(jù)權利要求10所述的方法，還包括減小在所述通道內從所述供應端到所述終端流動的液體燃料的速度。
9.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，減小速度包括在圍繞所述流路的多個位置處將液體燃料從所述通道噴射到所述流路內。
10.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，冷卻所述通道的壁包括將來自通道在所述終端處的壁的熱量傳導到通道在所述供應端處的壁，并且通過流過所述供應端的液體燃料的對流來移除傳導的熱量。
全文摘要
用于氣體渦輪發(fā)動機(100)的燃料噴射器(30)包括沿著縱向軸線(88)延伸并被構造成流體聯(lián)接到渦輪發(fā)動機的燃燒器(50)的噴射器殼體(48)。燃料噴射器還包括用于燃料空氣混合物到燃燒器并在噴射器殼體內縱向延伸的流路(42)和用于液體燃料且環(huán)繞流路的通道(56)。通道可包括被構造成將液體燃料從通道輸送到流路的多個燃料輻條(54a、54b、54c、54d、54e)。通道可從供應端(56a)延伸到與供應端重疊的終端(56b)。供應端可以是液體燃料進入通道的區(qū)域，終端可以是通道終止的區(qū)域。
文檔編號F23R3/28GK103249931SQ201180058907
公開日2013年8月14日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權日2010年11月10日
發(fā)明者J·F·洛克耶, C·Z·特沃多施萊布, M·E·阿布魯 申請人:索拉透平公司