專利名稱：具有熱控制器的渦輪燃料噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開大體涉及用于渦輪發(fā)動機的燃料噴嘴的系統(tǒng)和布置，且更具體地，涉及渦 輪發(fā)動機中的改進的燃料噴射、燃料空氣混合和燃燒。
背景技術(shù)：
燃氣輪機發(fā)動機燃燒燃料空氣混合物來產(chǎn)生熱氣，熱氣轉(zhuǎn)而驅(qū)動渦輪使聯(lián)接到一 個或多個負載上的軸旋轉(zhuǎn)。如所理解的，燃料空氣混合物顯著地影響發(fā)動機性能、燃料消耗 和排放。特別地，液體燃料霧化或汽化不充分、液體或氣體燃料混合不均勻或兩者兼有可導(dǎo) 致動力輸出降低、特定燃料消耗增加以及排放增力卩。例如，排放可包括氮氧化物(NOx)、硫氧 化物(SOx)、一氧化碳和顆粒物質(zhì)(PM)。由于燃料價格上漲且排放法規(guī)變得更加嚴格，所以 最佳的燃料噴射和混合對于燃氣輪機發(fā)動機來說變得日益重要。另外，液體燃料可在各種 表面(例如在燃料噴射口附近)上導(dǎo)致焦化。因此，焦化可降低性能，且可能在表面上積聚 不合需要的量之后需要進行清潔。

發(fā)明內(nèi)容
下面對在范圍方面與原本要求保護的發(fā)明相當(dāng)?shù)哪承嵤├M行了概述。這些實 施例不意圖限制要求保護的發(fā)明的范圍，而是相反，這些實施例僅意圖提供對本發(fā)明的可 行形式的簡要概述。實際上，本發(fā)明可包括類似于或異于下面闡述的實施例的多種形式。在第一個實施例中，一種系統(tǒng)包括渦輪發(fā)動機，渦輪發(fā)動機包括渦輪、燃燒器、壓 縮機和設(shè)置在燃燒器中的燃料噴嘴，其中，燃料噴嘴包括構(gòu)造成以便控制燃料汽化、焦化或 它們的組合的熱控制器。在第二個實施例中，一種系統(tǒng)包括構(gòu)造成以便產(chǎn)生使渦輪燃料噴嘴中的燃料流出 的燃料膜的燃料預(yù)成膜器，以及構(gòu)造成以便控制與燃料預(yù)成膜器相關(guān)聯(lián)的燃料汽化和焦化 的熱源。在第三個實施例中，一種系統(tǒng)包括具有空氣路徑、燃料路徑和沿著空氣路徑的表 面的渦輪發(fā)動機燃料噴嘴。燃料路徑可導(dǎo)向該表面。渦輪發(fā)動機燃料噴嘴還可包括構(gòu)造成 以便加熱表面的加熱元件。


當(dāng)參看附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將得到更好的理解，在附圖中，相同符號在所有圖中始終表示相同部件，其中圖1是根據(jù)本技術(shù)的一個實施例的、具有聯(lián)接到燃燒器上的包括預(yù)成膜器和熱源 的燃料噴嘴的渦輪機系統(tǒng)的簡圖；圖2是根據(jù)本技術(shù)的一個實施例的、具有聯(lián)接到端蓋上的多個燃料噴嘴的如圖1 所示的燃燒器的剖面?zhèn)纫晥D；圖3是根據(jù)本技術(shù)的一個實施例的、如圖2所示的具有多個燃料預(yù)成膜器的燃料噴嘴的截面?zhèn)纫晥D；圖4是根據(jù)本技術(shù)的一個實施例的、在圖3所示的線4-4內(nèi)得到的預(yù)成膜器、流動調(diào)節(jié)器和熱控制器的截面?zhèn)纫晥D；圖5是根據(jù)本技術(shù)的一個實施例的、在圖3所示的線5-5內(nèi)得到的預(yù)成膜器、流動 調(diào)節(jié)器和熱控制器的截面?zhèn)纫晥D；圖6是如圖4所示的聯(lián)接到旋流器上的預(yù)成膜器和熱源的另一個實施例的截面?zhèn)?視圖；圖7是根據(jù)本技術(shù)的一個實施例的、沿著圖3所示的線7-7得到的包括多個燃料 預(yù)成膜器的燃料噴嘴的截面端視圖；以及圖8是如圖5所示的聯(lián)接到旋流器上的預(yù)成膜器和熱源的另一個實施例的截面?zhèn)?視圖。部件列表渦輪機系統(tǒng)10預(yù)成膜器11燃料噴嘴12熱源13燃料供應(yīng)14溫度控制器15燃燒器16箭頭I8渦輪20軸 22壓縮機24負載26空氣供應(yīng)28進氣口 30箭頭32排氣出口 34燃料噴嘴尖端36端蓋38方向40流動套管42襯套 44空心環(huán)形空間45過渡件46壓縮空氣通道48管49法蘭50管道51
壓縮空氣通道52管道53燃料通道54旋流噴嘴56導(dǎo)葉孔57下游方向58波紋管59下游預(yù)成膜器60下游方向61噴嘴端部65彎曲截面68孔 70流動調(diào)節(jié)器71燃料導(dǎo)管72下游方向73
下游預(yù)成膜器74縱向軸線75預(yù)成膜器部件76方向77箭頭78熱源79空氣流8O加熱元件84下游后緣86旋流噴嘴翼型件88燃料端口 90燃料流92箭頭94預(yù)成膜器表面96所示預(yù)成膜器118彎曲截面120加熱源122銷124空氣流126通路128經(jīng)加熱的空氣流130方向 132預(yù)成膜器內(nèi)表面134箭頭136
托架140傳導(dǎo)性加熱元件142預(yù)成膜器144下游預(yù)成膜器150熱源152腔體154預(yù)成膜器表面156空氣流1δ8端口160箭頭162箭頭164箭頭166腔體168下游后緣170
具體實施例方式下面將對本發(fā)明的一個或多個具體實施例進行描述。為了致力于提供對這些實施 例的簡明描述，可能不會在說明書中對實際實現(xiàn)的所有特征進行描述。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)例如在 任何工程或設(shè)計項目中開發(fā)任何這種實際實現(xiàn)時，必須作出許多對實現(xiàn)而言專有的決定來 實現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，例如符合與系統(tǒng)有關(guān)及與商業(yè)有關(guān)的約束，開發(fā)人員的具體目標(biāo) 可根據(jù)不同的實現(xiàn)彼此有所改變。此外，應(yīng)當(dāng)理解，這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗時的，但 盡管如此，對具有本公開的益處的普通技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作將是設(shè)計、生產(chǎn)和制造 的例行任務(wù)。當(dāng)介紹本發(fā)明的各實施例的元件時，冠詞“一個”、“一種”、“該”和“所述”意圖表 示存在一個或多個該元件。用語“包括”、“包含”和“具有”意圖為包括性的，且表示除了列 出的元件之外，可存在另外的元件。如在下面詳細論述的，燃料噴嘴的各實施例可包括一個或多個液體燃料預(yù)成膜器 以及熱控制器，以提高渦輪發(fā)動機的性能。預(yù)成膜器可定義為構(gòu)造成以便產(chǎn)生液體燃料薄 膜的機構(gòu)，該液體燃料薄膜轉(zhuǎn)而流出而進入空氣流徑中。例如，預(yù)成膜器可包括沿著或逆著 空氣流徑定向的表面，液體燃料供應(yīng)可將液體燃料沖擊或引導(dǎo)到該表面上，液體燃料可在 該表面上變薄，且然后變薄了的液體燃料可從該表面的邊緣流出。如所理解的，變薄和流出 可改進液體燃料汽化和霧化。改進的汽化和霧化可導(dǎo)致空氣和燃料之間的較好混合，這會導(dǎo)致渦輪發(fā)動機內(nèi)改進的燃燒。另外，熱控制器可改進汽化，同時還減少或消除液體燃料的 焦化。如下文所論述的，在某些實施例中，預(yù)成膜器可包含或聯(lián)接到主動熱控制裝置或 源(例如加熱元件)上，以進一步增強霧化和汽化。熱源可包括電阻加熱器、電感加熱器、 輻射加熱器或任何適當(dāng)?shù)募訜嵩?。例如，熱源可包括具有一個或多個加熱元件的電加熱 器。作為另一個實例，熱源可從渦輪發(fā)動機中的其它區(qū)域獲得熱，例如來自壓縮機、燃燒器 或渦輪的對流熱傳遞。如在下面論述的，可使用熱源來對預(yù)成膜器附近的區(qū)域或預(yù)成膜器的表面執(zhí)行溫度和熱控制，以調(diào)節(jié)和改進燃料汽化過程。另外，熱源可構(gòu)造成以便保持適當(dāng) 的溫度，以顯著地或完全防止焦化，去除焦化或?qū)崿F(xiàn)兩者。例如，熱源可在預(yù)成膜器附近保 持大約500、600、700、800、900或1000度華氏溫度(F)以上的溫度。在某些實施例中，熱源 可在預(yù)成膜器附近保持約500至1200度華氏溫度(F)之間、700至1000度華氏溫度(F)之 間或800至900度華氏溫度(F)之間的溫度。例如，可基于控制燃料汽化或焦化或兩者的 期望來選擇溫度范圍或目標(biāo)溫度。因此，取決于目標(biāo)，溫度范圍或目標(biāo)溫度可更大或更小。如下文所論述的，在某些實施例中，預(yù)成膜器可聯(lián)接到燃料噴嘴中的彎曲的流動 調(diào)節(jié)器上，而且預(yù)成膜器也可成彎曲形的且與流動調(diào)節(jié)器同心。例如，流動調(diào)節(jié)器可位于燃 料噴嘴的上游端部分處。在一個實施例中，預(yù)成膜器可位于較下游處，在此處預(yù)成膜器聯(lián)接 到燃料噴嘴內(nèi)部的旋流器上?；蛘?，預(yù)成膜器可包括可位于燃料噴嘴內(nèi)的環(huán)室的周邊周圍 的多個部件。另外，預(yù)成膜器的部件可沿著噴嘴環(huán)室沿軸向交錯，以確保較大的熱控制，從 而增強燃料噴嘴內(nèi)的汽化和霧化。 預(yù)成膜器和主動熱控制源的各種實施例中的各個使得能夠通過液體燃料的增強 的霧化和/或汽化來改進空氣一燃料混合。另外，通過控制預(yù)成膜器附近的區(qū)域和/或預(yù) 成膜器表面的熱，所公開的實施例可改進燃料噴嘴中的燃料霧化和汽化兩者，從而進一步 改進渦輪機效率且減少排放。另外，熱控制器也可通過提供大于約500、600、700、800、900 或1000度(F)的溫度來幫助避免或去除預(yù)成膜器焦化，從而進一步提高渦輪機性能?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，且首先參看圖1，示出了渦輪機系統(tǒng)10的一個實施例的簡圖。該圖 包括預(yù)成膜器11、燃料噴嘴12、熱源13、燃料供應(yīng)14、溫度控制器15和燃燒器16。燃料供 應(yīng)14通過通入燃燒器16中的燃料噴嘴12將液體燃料和/或諸如天然氣的氣體燃料輸送 到渦輪機系統(tǒng)10。雖然渦輪機系統(tǒng)10可以單獨燃燒氣體燃料或者結(jié)合液體燃料來燃燒氣 體燃料，但是以下論述集中在液體燃料上。如圖所描繪，燃料噴嘴12包括預(yù)成膜器11和可 聯(lián)接到溫度控制器15上的熱源13。預(yù)成膜器11可通過以下方式來改進液體燃料汽化和霧 化使液體燃料流沖擊到表面上，從而打散液體燃料，使表面上的燃料變薄并且使液體燃料 滴從表面的邊緣流出。諸如加熱線圈的熱源13可與預(yù)成膜器11 一起使用，以控制預(yù)成膜 器11附近的條件，以增強汽化及減少焦化。例如，可使用諸如存儲器上具有可執(zhí)行代碼的 處理器的溫度控制器15來控制位于預(yù)成膜器11上或附近的熱源13的溫度，以提供最佳的 燃料汽化、燃料霧化、燃料空氣混合等等。在與加壓空氣混合之后，由箭頭18顯示，在燃燒器16中進行點火，而且所產(chǎn)生的 排氣會使渦輪20內(nèi)的葉片旋轉(zhuǎn)。葉片和軸22之間的聯(lián)接將使軸22旋轉(zhuǎn)，軸22還聯(lián)接到 整個渦輪機系統(tǒng)10中的幾個構(gòu)件上，如圖所示。例如，所示出的軸22傳動地聯(lián)接到壓縮機 24和負載26上。如所理解的，負載26可為用來通過渦輪機系統(tǒng)10的旋轉(zhuǎn)輸出產(chǎn)生動力的 任何適當(dāng)?shù)难b置，例如發(fā)電設(shè)備或運載工具?？諝夤?yīng)28可通過導(dǎo)管將空氣輸送到進氣口 30，然后進氣口 30將空氣輸送到壓 縮機24中。壓縮機24包括傳動地聯(lián)接到軸22上的多個葉片，從而壓縮來自進氣口 30的 空氣，且將空氣輸送到燃料噴嘴12和燃燒器16，如由箭頭32所示。然后燃料噴嘴12可混 合加壓空氣和燃料(由標(biāo)號18顯示)，以產(chǎn)生對于燃燒(例如使燃料燃燒更完全以便不浪 費燃料或?qū)е逻^度排放的燃燒)而言最佳的混合比率。在排氣穿過渦輪20之后，排氣在排 氣出口 34處離開系統(tǒng)。如在下面詳細論述的，渦輪機系統(tǒng)10的一個實施例在燃料噴嘴12內(nèi)包括某些結(jié)構(gòu)和構(gòu)件(例如預(yù)成膜器11和熱源13)，以改進空氣和燃料混合，同時防止噴 嘴12內(nèi)的焦化積聚。
圖2顯示了具有帶有預(yù)成膜器11和熱源13的多個燃料噴嘴12的燃燒器16的一 個實施例的剖面?zhèn)纫晥D。如圖所描繪，各個燃料噴嘴12包括構(gòu)造成以便沿下游方向引導(dǎo)燃 料和空氣的燃料噴嘴尖端36。在一個實施例中，燃燒器16可特有可安裝到端蓋38上的五 個或更多個燃料噴嘴12，端蓋38位于燃燒器16的基座或首端處。端蓋38可包括將液體燃 料、氣體燃料、空氣、水、稀釋劑和其它流體輸送到各個燃料噴嘴12的導(dǎo)管或槽道。在加壓 空氣和液體燃料沿方向40被引導(dǎo)到燃燒器16時，各個燃料噴嘴12以及各個預(yù)成膜器11和 熱源13有利于該加壓空氣和液體燃料的混合。然后空氣燃料混合物在燃燒器16中燃燒， 從而產(chǎn)生熱的加壓排氣，該熱的加壓排氣驅(qū)動渦輪20內(nèi)的葉片旋轉(zhuǎn)。燃燒器16包括包圍 燃燒器16腔體中的燃燒區(qū)的流動套管42和襯套44。在某些實施例中，流動套管42和襯 套44彼此同軸或同心，以限定空心環(huán)形空間45，空心環(huán)形空間45可以使用于冷卻的空氣能 夠通過且進入燃燒區(qū)中(例如通過襯套44中的開孔和/或通過燃料噴嘴12)。襯套44還 可設(shè)計成以便控制空氣燃料混合物和熱的排氣沿方向40向下游流向過渡件46的流量和速 度。例如，空氣燃料混合物可沿方向40離開各個燃料噴嘴12，其中混合物在其進入燃燒器 襯套44時被點燃，從而使得加壓排氣通過通入渦輪20中的過渡件46向下游40輸送。如 所理解的，預(yù)成膜器11和熱源13在燃料噴嘴12內(nèi)的布置使得能夠?qū)σ后w燃料的汽化和霧 化進行改進的控制，同時還減小或防止焦化。因此，如下面所論述的，預(yù)成膜器11和熱源13 使得能夠改進燃燒器16內(nèi)的空氣/燃料混合過程。如在下面詳細描述的，可引導(dǎo)燃料流，以在多個實施例和位置中的任何一個中沖 擊到預(yù)成膜器11上，且然后燃料流通過與一個或多個空氣流束交匯而被霧化。在某些實施 例中，液體燃料可以以薄膜的形式均勻地散布在預(yù)成膜器11表面上。轉(zhuǎn)而，液體燃料薄膜 可汽化，并且從表面的邊緣流出。如所理解的，散布成薄膜會使液體燃料的表面積增加，從 而提高汽化。變薄還會使邊緣處的液體燃料厚度減小，從而導(dǎo)致較小的燃料滴從邊緣流出。 因此，變薄和流出會產(chǎn)生改進的液體燃料霧化。在一個實施例中，液體燃料可被引導(dǎo)到來自 旋流噴嘴的旋動空氣流中，旋流噴嘴使燃料加速，且以連續(xù)的薄片形式均勻地分布在預(yù)成 膜器表面上。然后空氣流束可使薄的燃料片迅速汽化和霧化(例如通過流出)，且形成適于 在燃燒器16中的下游燃燒的燃料空氣混合物。圖3中顯示了燃料噴嘴12的一個實施例的截面?zhèn)纫晥D。燃料噴嘴12包括位于噴 嘴12內(nèi)的上游位置上(即相對于流動方向40)的預(yù)成膜器11的一個實施例。另外，壓縮 空氣可通過端蓋38和法蘭50從壓縮機24輸送到管49內(nèi)的壓縮空氣通道48。法蘭50可 通過適當(dāng)?shù)穆?lián)接機構(gòu)(例如焊縫或螺栓)聯(lián)接到端蓋38上。外管道51可描述為環(huán)形流動 調(diào)節(jié)器，或者可包括環(huán)形流動調(diào)節(jié)器，環(huán)形流動調(diào)節(jié)器在加壓空氣在壓縮空氣通道52內(nèi)向 下游流動時調(diào)節(jié)該加壓空氣。如圖所示，壓縮空氣通道52是同心管道51和53之間的環(huán) 形通道。燃料噴嘴12還包括燃料通道54，燃料通道54是同心管道49和53之間的環(huán)形通 道。因此，通道48、52和54布置成彼此同軸，并且因此它們的形狀各自是環(huán)形的。通道內(nèi) 的腔體可為環(huán)形管內(nèi)的空心區(qū)域，該環(huán)形管可構(gòu)造成以便允許有流體流和空氣一燃料混合 物。通道48、52和54由內(nèi)管49、外管道51和中間管道53限定。來自燃料通道54的燃料 通過導(dǎo)葉孔57被引導(dǎo)到旋流噴嘴56。
另外，加壓空氣沿下游方向58流過波紋管59，波紋管59將空氣弓I導(dǎo)到燃料噴嘴尖 端36中。空氣可從空氣通道52輸送通過旋流噴嘴56，在旋流噴嘴56處，空氣可與燃料混 合。下游預(yù)成膜器60可位于旋流噴嘴56附近，以改進空氣燃料混合。如所描繪的，下游預(yù) 成膜器60可位于通道52的環(huán)室內(nèi)，且聯(lián)接到旋流噴嘴56 (即旋渦誘生結(jié)構(gòu))上，其中，在 下游預(yù)成膜器60附近混合且沿下游方向61流出燃料噴嘴12之前，燃料和空氣可在穿過各 種環(huán)室通道48、52和54之后混合。在一個實施例中，預(yù)成膜器60聯(lián)接到旋流器或旋流噴 嘴56上，與旋流器或旋流噴嘴56同軸或同心，或者大體緊鄰旋流器或旋流噴嘴56。當(dāng)空氣 離開燃料噴嘴尖端36時，由旋流噴嘴56和下游預(yù)成膜器60引起的旋動空氣/燃料混合物 與空氣一起流動。特別地，下游預(yù)成膜器60以及主動熱控制器(包括熱源13)在燃料和空 氣沿下游方向61朝向燃燒器16流動時增強燃料和空氣的流動和混合。如可理解的，所描 繪的下游預(yù)成膜器60是可與主動熱控制機構(gòu)一起使用以改進和控制空氣一燃料混合的預(yù) 成膜器的許多實施例中的一個。例如，在一個實施例中，在上游位置上的預(yù)成膜器11和/或下游預(yù)成膜器60可位 于燃料噴嘴12內(nèi)。特別地，在一個實施例中，噴嘴12可包含包括一個或幾個部件的一個預(yù) 成膜器11，而不包括任何額外的預(yù)成膜器。例如，燃料噴嘴12可包含僅僅一個預(yù)成膜器組 件，例如下游預(yù)成膜器60，以增強空氣和燃料混合，且控制燃料噴嘴12內(nèi)的空氣和燃料的 溫度。溫度控制器和預(yù)成膜器幾何結(jié)構(gòu)提供了改進的燃料霧化和燃料一空氣混合條件，這 會在混合物向下游流過通往燃燒器16中的噴嘴端部65時提高渦輪機效率。另外，由熱源 13提供的溫度控制可通過保持至少約500、600、700、800、900或1000度(F)或更高的溫度 來減少噴嘴12內(nèi)的焦化。如所描述的，預(yù)成膜器11位于噴嘴12的上游部分中(例如相對于流動方向40)， 且包括 具有彎曲截面68的結(jié)構(gòu)。預(yù)成膜器11的彎曲截面68是環(huán)形結(jié)構(gòu)，該環(huán)形結(jié)構(gòu)定向 成以便增強燃料噴嘴12的上游部分的環(huán)形腔體中的空氣燃料混合?？諝饪赏ㄟ^在各處位 于流動調(diào)節(jié)器71 (例如穿孔的環(huán)室)上的多個孔70流到噴嘴12中，流動調(diào)節(jié)器71位于燃 料噴嘴12的上游部分中。如本文所描述，用語上游可為法蘭50附近或朝向法蘭50的方向 或位置，而下游可為朝向燃燒器16的方向40。上游流動調(diào)節(jié)器71也可描述為環(huán)室，其中預(yù) 成膜器11的截面形狀68可與流動調(diào)節(jié)器71同心。因此，空氣可流過空氣孔70，且與被引 導(dǎo)朝向預(yù)成膜器11的來自燃料導(dǎo)管72的燃料混合。預(yù)成膜器11的彎曲形狀使燃料能夠在 沖擊預(yù)成膜器11的表面之后更容易霧化和/或汽化，從而改進燃料噴嘴12的性能。如在 下面描述的，預(yù)成膜器11可包括主動熱控制機構(gòu)，以使得能夠管理預(yù)成膜器附近的溫度和 邊界條件，例如在液體燃料于燃料噴嘴12內(nèi)流動時該液體燃料的粘度和摩擦系數(shù)。主動熱 控制機構(gòu)可包括任何適當(dāng)?shù)臉?gòu)件，例如加熱線圈、用于流動的熱/冷流體(例如壓縮空氣、 燃燒氣體等)的導(dǎo)管、用以加熱流動的空氣的構(gòu)件，或者它們的任何組合。如本文所論述， 預(yù)成膜器是構(gòu)造成以便打散流體以改進霧化和混合過程的一個或多個結(jié)構(gòu)。特別地，預(yù)成 膜器的實施例通過促進液體薄膜來實現(xiàn)這一點，液體薄膜隨后會破裂，同時從薄的下游邊 緣流出。空氣和燃料混合物可沿下游方向73朝向下游預(yù)成膜器74流動。在所描繪的實施 例中，預(yù)成膜器74是包括彎曲截面且可位于燃料噴嘴12內(nèi)的環(huán)室的周邊的僅僅一部分上 的部件。例如，預(yù)成膜器74可包括在燃料噴嘴12的縱向軸線75周圍沿周向成間隔開的關(guān)系的幾個部件。例如，在具有三個預(yù)成膜器74部件的組件中，各個預(yù)成膜器部件可跨越流 動調(diào)節(jié)器51內(nèi)的環(huán)室區(qū)域的周邊約60度的周向距離。在另一個實施例中，預(yù)成膜器74的 幾個部件可沿著軸線75在燃料噴嘴12內(nèi)交錯，從而使得能夠在幾個軸向位置上進行溫度 管理以及空氣和燃料混合管理。例如，預(yù)成膜器可包括預(yù)成膜器部件76，預(yù)成膜器部件76 可沿著軸線75在預(yù)成膜器部件74的下游沿軸向方向交錯。另外，各個預(yù)成膜器部件74和 76可跨越約60度的周向距離。在一個實施例中，一個或多個額外的預(yù)成膜器部件可設(shè)置在 不同的軸向位置處，其各自在腔體52內(nèi)跨越約60度。在某些實施例中，燃料噴嘴12可沿著軸線75在特定的軸向位置處包括1、2、3、4、 5、6、7、8、9、10或更多個預(yù)成膜器部件，其中預(yù)成膜器部件可為單個環(huán)形結(jié)構(gòu)或圍繞軸線 75彼此隔開的離散部件。類似地，燃料噴嘴12可沿著軸線7 5在1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 或更多個不同的軸向位置處包括一個或多個預(yù)成膜器部件。在某些實施例中，預(yù)成膜器部 件可在燃料噴嘴12的腔體內(nèi)的多個軸向位置上交錯(例如相對于軸線75彼此成角度地偏 置)，以使得能夠?qū)娮?2內(nèi)的燃料混合和溫度進行較好的控制。例如，從一個軸向位置到 另一個軸向位置的預(yù)成膜器可以以大約5、10、15、20、25、30、35、40或45度的角度交錯(例 如圍繞軸線75)。預(yù)成膜器和溫度控制器使得能夠在燃料空氣混合物向下游流到燃料室16 中時提高燃料霧化、汽化和燃料一空氣混合條件，同時還減少或防止與液體燃料相關(guān)聯(lián)的 焦化。圖4是在圖3所示的線4-4內(nèi)得到的燃料噴嘴12的上游部分的截面?zhèn)纫晥D。燃 料噴嘴12包括上游流動調(diào)節(jié)器71和預(yù)成膜器11。預(yù)成膜器11包括彎曲截面68(例如C 形環(huán)狀表面)，彎曲截面68使得能夠在燃料沿方向77從燃料出口 72發(fā)射時改進燃料的霧 化和汽化。例如，箭頭78顯示了在沖擊彎曲截面68的表面之后燃料流的方向。另外，預(yù)成 膜器11和熱控制機構(gòu)可控制被汽化的液體燃料的量，其中，可優(yōu)化被汽化的燃料的量，以 便改進混合過程。沖擊燃料流78可打散成小滴，從而改進霧化和汽化，由此改進混合過程。 預(yù)成膜器11還可沿著彎曲截面68散布液體燃料的薄層，彎曲截面68轉(zhuǎn)而使液滴從邊緣流 出。燃料在彎曲截面68上變薄可提高液體燃料汽化，因為表面積增加了，同時變薄還可減 小從彎曲截面68的邊緣流出的液滴大小。在另外的實施例中，預(yù)成膜器11的截面可為平 的、翼型形狀的、成角的、階梯式或增強霧化的任何適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)。另外，預(yù)成膜器11包括熱源79，可使用熱源79來管理預(yù)成膜器11的表面上或周 圍的溫度。熱源79可包括電加熱元件，例如電阻加熱元件，來自另外的源的對流熱傳遞，或 任何適當(dāng)?shù)臒嵩?。例如，熱?9可包括電感加熱線圈。由熱源79提供的主動熱控制使得能 夠管理液體燃料的粘度，且使得能夠管理預(yù)成膜器11附近的區(qū)域(空氣和燃料在該區(qū)域處 混合)的溫度。熱源79還通過保持防止在燃料噴嘴12內(nèi)形成焦炭沉積物的適當(dāng)?shù)臏囟龋?例如至少大于約500、600、700、800、900或1000度(F)，來抑制、減少、去除或大體防止焦化。 另外，減少焦炭沉積物所需的溫度可取決于燃料成分、系統(tǒng)構(gòu)件和其它因素。因此，在一些 實施例中，熱源可保持至少大于約700、750、800、850、900、950或1000度華氏溫度的預(yù)成膜 器區(qū)域溫度，以抑制焦化。另外，在焦炭沉積物形成的情況下，熱源79可被加熱到適當(dāng)?shù)臏?度，例如至少大于約900、950、1000、1050或1100度(F)，以燒去噴嘴12內(nèi)的焦炭沉積物和 積聚物。由熱源79提供的主動熱控制使得能夠控制預(yù)成膜器11的表面和/或預(yù)成膜器11周圍的區(qū)域。另外，可通過持續(xù)地對熱源79供以功率來保持溫度，或者可通過對熱源79循 環(huán)地供以功率來周期性地加熱溫度。如圖1所描繪，這種控制操作可由溫度控制器15執(zhí)行。 溫度控制器15可包括配置成以便控制燃料噴嘴12內(nèi)的預(yù)成膜器11上和周圍的溫度的處 理器、電路、存儲器和軟件。另外，不考慮它們的形狀、位置或構(gòu)造，主動熱控制器和熱源79 可用于預(yù)成膜器的任何所公開的實施例。如所描繪的，空氣流80通過空氣孔70進入上游 流動調(diào)節(jié)器71，從而使得汽化的和/或霧化的液體燃料和空氣流80之間能夠進行混合。由 主動熱管理和預(yù)成膜器11提供的改進的混合和汽化使得能夠在混合物沿下游方向73朝向 燃燒器16行進時改進該混合物的性能和流動性。圖5是在圖3所示的線5-5內(nèi)得到的下游預(yù)成膜器60的下游實施例的截面?zhèn)纫?圖。在所描繪的實施例中，下游預(yù)成膜器60包括加熱元件84，加熱元件84是構(gòu)造成以便使 得能夠改進對在預(yù)成膜器60上和/或附近的空氣與燃料混合過程的溫度管理的熱源 。如 以上關(guān)于加熱元件79所論述的，加熱元件84可包括線圈和其它加熱和控制構(gòu)件。另外，預(yù) 成膜器60提供具有下游后緣86的幾何結(jié)構(gòu)，下游后緣86使得液體燃料能夠霧化和汽化， 從而為空氣/燃料混合提供改進的環(huán)境。例如，液體燃料薄膜可從下游后緣86流出，從而 歸因于燃料變薄和空氣流而產(chǎn)生小滴。預(yù)成膜器60的幾何結(jié)構(gòu)可描述為翼型形狀的輪廓。 在某些實施例中，預(yù)成膜器60具有環(huán)形的幾何結(jié)構(gòu)，其具有圍繞軸線360度的翼型形狀的 輪廓。換句話說，我們可具有一系列離散的翼型件或具有翼型形狀的連續(xù)的環(huán)形結(jié)構(gòu)。另外，下游空氣流73可通過空氣孔57進入旋流噴嘴56，其中，在燃料離開燃料端 口 90時，旋流噴嘴翼型件88使得空氣/燃料混合物能夠旋動。例如，燃料流92可沿下游方 向行進穿過燃料端口 90，且可如箭頭94所示的那樣沖擊預(yù)成膜器60的預(yù)成膜器表面96。 液體燃料的霧化包括將液體轉(zhuǎn)變成噴霧或煙霧(例如液滴分配)，這會在燃料流94沖擊表 面96以及燃料從邊緣86流出時發(fā)生。霧化對于高效燃燒來說是重要的，且可產(chǎn)生燃料的 更高的燃燒效率和減少的排放。汽化包括液體燃料到氣體的相變過程。霧化或汽化均可由 預(yù)成膜器和主動熱控制裝置的所公開的實施例改進。對霧化或汽化的改進可導(dǎo)致空氣和燃 料的改進的混合，從而提高燃燒性能。例如，由加熱元件84提供的主動熱控制使得能夠管 理預(yù)成膜器表面96的溫度，從而改進沖擊燃料流94的霧化和汽化，以改進燃料和空氣的混 合。因此，改進的混合可導(dǎo)致渦輪機燃燒器內(nèi)改進的燃燒。另外，由加熱元件84提供的溫 度管理會減小或消除燃料噴嘴12內(nèi)且特別是下游預(yù)成膜器60上的焦化。圖6是在圖3所示的線4-4內(nèi)得到的預(yù)成膜器118而非預(yù)成膜器11的另一個實 施例的截面?zhèn)纫晥D。特別地，所示出的預(yù)成膜器118包括具有用于加熱源122的凹口或腔 體的彎曲截面120。在所描繪的實施例中，彎曲截面120可描述為與上游流動調(diào)節(jié)器71的 彎曲截面同心。換句話說，彎曲截面120可具有C形截面，其圍繞軸線75延伸360度，以在 環(huán)形流動調(diào)節(jié)器71內(nèi)限定完整的環(huán)室。另外，加熱源122可放置在預(yù)成膜器118的彎曲截 面120的凹口內(nèi)。在某些實施例中，加熱源122可為圓形或環(huán)形加熱元件或線圈，其中加熱 元件或線圈形式的環(huán)形加熱源122可放置在彎曲的預(yù)成膜器截面120的環(huán)形凹口內(nèi)。使用加熱源122來在預(yù)成膜器118附近執(zhí)行主動熱控制，且加熱源122可通過任 何適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)(例如銷124或焊縫)聯(lián)接到上游流動調(diào)節(jié)器71上。如上所述，加熱源122 可聯(lián)接到控制機構(gòu)上，例如具有用以控制預(yù)成膜器118附近的區(qū)域的溫度的指令的處理器 和存儲器。如所描繪的，熱源122定位成以便控制進入流動調(diào)節(jié)器71和/或彎曲截面120中的空氣流126的溫度。空氣流126通過孔70被引導(dǎo)到流動調(diào)節(jié)器71中。當(dāng)空氣流126在加熱源122周 圍經(jīng)過時，空氣流126行進穿過彎曲截面120中的通路128。經(jīng)加熱的空氣流130可沖擊預(yù) 成膜器118內(nèi)部的燃料煙霧，并且與該燃料煙霧交匯。燃料可沿方向132從法蘭50流動通 過燃料端口 72，進入流動調(diào)節(jié)器71內(nèi)的腔室中。燃料流132可沖擊預(yù)成膜器內(nèi)表面134， 從而使得燃料流被重新導(dǎo)向，如由箭頭136所示。因此，分解成小滴的霧化液體燃料可與經(jīng) 加熱的空氣流130混合，以提供空氣和燃料的增強的混合。另外，液體燃料可散布在彎曲截面120的表面134上，且然后從表面134的邊緣流 出，以產(chǎn)生液體燃料滴。再次，由于表面積增加，在表面134上變薄可提高液體燃料汽化，同 時還由于燃料薄膜厚度減小而減小了從邊緣流出的液滴的大小。在公開的實施例中，加熱 源122直接或間接地通過經(jīng)加熱的空氣流130來加熱表面134，以進一步提高液體燃料汽化 且減少或消除焦化。因此，混合過程由加熱源122和預(yù)成膜器118改進和控制?？諝夂腿剂匣旌衔锟?沿下游方向73流到噴嘴12的端部，以便噴射到燃燒器16中。因而，改進的燃料和空氣混 合可提高渦輪機10的燃燒效率，從而降低排放且提高動力輸出。圖7是在圖3所示的線7-7內(nèi)得到的燃料噴嘴12的一個實施例的中心部分的截 面端視圖。如所描繪的，噴嘴12包括流動調(diào)節(jié)管51、中間管道53以及管51和53之間的腔 體52。腔體52包括由幾個部件或單獨的預(yù)成膜器組成的預(yù)成膜器組件。單獨的預(yù)成膜器 通過支架或托架140聯(lián)接到流動調(diào)節(jié)器51的內(nèi)部部分上，支架或托架140可包含用于為預(yù) 成膜器74、76和144提供加熱源的傳導(dǎo)性加熱元件142。預(yù)成膜器74、76和144圍繞腔體 52沿周向隔開，其中各個預(yù)成膜器跨越腔體52的周邊約100度。預(yù)成膜器部件74、76和 144可為相同的形狀和結(jié)構(gòu)，其中預(yù)成膜器部件的截面是彎曲的，如圖3所示。在其它實施 例中，預(yù)成膜器部件74、76和144的截面可為基本平的，或者可包括其它截面幾何結(jié)構(gòu)，例 如圖6中所示的(截面幾何結(jié)構(gòu))。另外，預(yù)成膜器部件74、76和144可沿軸向交錯，如圖 3所示，或者可全部定位在基本相同的軸向位置處。預(yù)成膜器74、76和144還可包括各種各樣的用于熱控制的方法，例如從本地?zé)嵩?或遠程熱源進行對流熱傳遞、傳導(dǎo)熱傳遞，或輻射熱傳遞。預(yù)成膜器74、76和144的幾何結(jié) 構(gòu)以及加熱源142可在燃料和空氣流沿下游方向73朝向噴嘴端部65流動時為空氣和燃料 混合提供改進的條件。因此，改進的空氣和燃料混合可提高性能，減少排放，并且減少燃料 噴嘴12內(nèi)的焦化積聚。在空氣和燃料在流到燃燒器16中之前混合時，可通過將溫度保持 在大約500、600、700、800、900或1000度(F)以上來防止焦化。此外，包括傳導(dǎo)性加熱元件 142的加熱源可以使得能夠?qū)㈩A(yù)成膜器74、76和144加熱到900、950、1000、1050或1100度 (F)的溫度以上，以去除可能出現(xiàn)在燃料噴嘴12內(nèi)的任何焦化積聚物。圖8是在圖3所示的線5-5內(nèi)得到的、具有下游預(yù)成膜器150的一個實例的燃料噴嘴12的下游部分的另一個實施例的截面?zhèn)纫晥D。燃料噴嘴12的部分包括下游預(yù)成膜器 150，下游預(yù)成膜器150位于包含旋流噴嘴56和導(dǎo)葉孔57的燃料噴嘴的部分中。下游預(yù)成 膜器150可包括位于預(yù)成膜器150內(nèi)的腔體154中的熱源152，例如加熱線圈。預(yù)成膜器 150可具有形狀大體類似于翼型件的截面，其具有預(yù)成膜器表面156?？諝饬?58可通過 端口 160流到腔體154中。因而，空氣流158可在通過端口 160離開腔體154之前由加熱元件152加熱。如由箭頭162所描繪，燃料可通過燃料端口 90流到腔體168中，如由箭頭 164所示。來自端口 90和160的空氣和燃料流分別可彼此交匯或沖擊，以產(chǎn)生空氣和燃料 混合物。此外，如由箭頭166所示，燃料流164可沖擊預(yù)成膜器表面156。對表面156的沖 擊可產(chǎn)生液體燃料滴，從而改進燃料的霧化，且在混合物沿下游方向61流動之前改進混合 過程。另外，燃料流164在表面156上將燃料散布成薄膜，從而改進液體燃料汽化以及從 表面156的下游后緣170流出的液滴。例如，燃料散布在較大的表面積上以提高汽化，同時 減小燃料厚度，以減小從邊緣170流出的液滴的大小。另外，熱源152提高了液體燃料汽化 速率，同時還減少或消除了與液體燃料相關(guān)聯(lián)的焦化。因此，熱源152和下游預(yù)成膜器150 提供對空氣一燃料混合過程的改進的管理，以提供提高的燃燒效率，并且減少或消除燃料 噴嘴12內(nèi)的焦化。特別地，由所描繪的預(yù)成膜器幾何結(jié)構(gòu)提供的溫度管理和改進的霧化以 及空氣和燃料的流動布置提供了改進的燃料一空氣混合。本發(fā)明的技術(shù)效果包括由于預(yù)成膜器幾何結(jié)構(gòu)同由噴嘴實施例提供的熱控制一 起導(dǎo)致的減少的排放和改進的渦輪機效率。預(yù)成膜器和熱控制器可以使得能夠改進霧化和 汽化，從而增強空氣一燃料混合。另外，熱控制器還可減少噴嘴內(nèi)的焦化。例如，通過在預(yù) 成膜器附近保持大約500、600、700、800、900或1000度(F)以上的溫度，顯著降低了焦化累 積。此外，熱控制機構(gòu)可使預(yù)成膜器區(qū)域溫度升高到900、950、1000、1050或1100度(F)以 上，以便燒掉可能出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中的任何焦化物。本書面描述使用實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 實踐本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可授予 專利的范圍由權(quán)利要求書限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果這種其它 實例具有不異于權(quán)利要求書的字面語言的結(jié)構(gòu)元素，或者如果這種其它實例包括與權(quán)利要 求書的字面語言無實質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則這種其它實例意圖處于權(quán)利要求書的范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種系統(tǒng)，包括渦輪(20)發(fā)動機(10)，包括渦輪(20)；燃燒器(16)；壓縮機(24)；以及設(shè)置在所述燃燒器(16)中的燃料噴嘴(12)，其中，所述燃料噴嘴(12)包括構(gòu)造成以便控制燃料汽化、焦化或者它們的組合的熱控制器(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱控制器(15)包括主動熱控制器 (15)，該主動熱控制器(15)構(gòu)造成以便主動地控制燃料中的溫度，以調(diào)節(jié)燃料汽化的速率 以及減少焦化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括與所述熱控制器(15)相關(guān) 聯(lián)的預(yù)成膜器(11，60，74，118，144，150)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱控制器(15)構(gòu)造成以便將所述預(yù) 成膜器(11，60，74，118，144，150)的溫度保持到華氏溫度約700度至1000度的范圍內(nèi)的目標(biāo)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料噴嘴(12)包括旋流器(56，88)， 且所述預(yù)成膜器(11)相對于通過所述燃料噴嘴(12)的流動方向在所述旋流器(56，88)的 上游。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱控制器(15)包括聯(lián)接到所述預(yù) 成膜器(11,60,74,118,144,150)上的加熱元件(13，79，84，122，142，152)，所述預(yù)成膜 器(11,60,74,118,144,150)包括彎曲的截面形狀，且所述預(yù)成膜器(11，60，74，118，144， 150)和所述加熱元件(13，79，84，122，142，152)設(shè)置在流動調(diào)節(jié)器(71)的穿孔的環(huán)室 (70)內(nèi)部。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)成膜器(60，150)聯(lián)接到所述燃料 噴嘴(12)內(nèi)部的旋流器(56，88)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱控制器(15)包括在所述預(yù)成膜器 (11,60,74,118，144，150)的翼型形狀輪廓內(nèi)部的加熱元件(13,79,84,122，142，152)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱控制器(15)包括通過所述預(yù)成膜 器(118,150)的一部分的經(jīng)加熱的空氣的通道(128，154)。
10.一種系統(tǒng)，包括構(gòu)造成以便產(chǎn)生使渦輪(20)燃料噴嘴(12)中的燃料流出的燃料膜的燃料預(yù)成膜器 (11,60,74,118,144,150)；以及構(gòu)造成以便控制與所述燃料預(yù)成膜器(11，60，74，118，144，150)相關(guān)聯(lián)的燃料汽化和 焦化的熱源(13，79，84，122，142，152)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有熱控制器的渦輪燃料噴嘴。在一個實施例中，一種系統(tǒng)包括具有空氣路徑、燃料路徑和沿著空氣路徑的表面的渦輪(20)發(fā)動機(10)燃料噴嘴(12)。燃料路徑可導(dǎo)向該表面。渦輪(20)發(fā)動機(10)燃料噴嘴(12)還可包括構(gòu)造成以便加熱表面的加熱元件(13，79，84，122，142，152)。
文檔編號F02C9/26GK101839178SQ20101015714
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者C·迪努 申請人:通用電氣公司