具有用于第二燃烧室级的双出口燃料预混合喷嘴的燃气涡轮发动机制造技术

一种燃气涡轮发动机的燃烧室的第二燃料级（14）。所述燃烧室具有处于所述第二燃料级的上游的主燃烧区，所述主燃烧区点燃工作气体。所述第二燃料级包括具有双出口（20、22）的喷嘴（18），以将空气燃料混合物喷射到所述燃烧室中，所述双出口（20、22）定向成具有周向部分。所述喷嘴有效地利用所述工作气体来夹带所述空气燃料混合物，使得所述工作气体在所述第二燃料级的下游的位置处的峰值温度小于在所述空气燃料混合物利用单出口喷嘴喷射到所述燃烧室中的情况下的工作气体的峰值温度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】关于联邦资助的开发的声明本专利技术的开发部分地受到美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42644支持。因此，美国政府在本专利技术中可具有特定权利。
本专利技术涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及一种位于燃气涡轮发动机的燃烧室的第二燃料级（secondaryfuelstage）处的喷嘴。
技术介绍
在燃气涡轮发动机中，燃料被从燃料源输送至燃烧部段，在那里，燃料与空气混合并且被点燃，以产生限定工作气体的热的燃烧产物。工作气体被导引至涡轮部段，在那里，它们引起涡轮转子的旋转。已经发现的是，通过在主燃烧区的下游提供待点燃的燃料的一部分，能够减少来自燃烧部段中的燃烧燃料的NOx气体的产生。图1图示了燃气涡轮发动机110中包括的环管式燃烧系统的常规的燃烧室112。加压空气与来自主燃料喷射器166和辅助燃料喷射器168的燃料混合，并且在主燃烧区143中点燃，从而产生包括热的工作气体144的燃烧产物。燃烧室112还包括位于二次燃烧区170处的第二燃料级114，所述二次燃烧区170位于主燃烧区143的下游。第二燃料级114包括喷嘴118，所述喷嘴118定位成将空气/燃料混合物喷射到二次燃烧区170中。图2图示了用在燃烧室112的二次燃烧区170处的常规的喷嘴118，所述喷嘴118具有喷射空气燃料混合物的单一出口。附图说明根据附图在下面的描述中解释本专利技术，附图示出了：图1为用于燃气涡轮发动机中的常规的燃烧室的侧向剖视图；图2为用于图1的燃烧室的第二燃料级中的喷嘴的透视图；图3为图1的燃烧室的第二燃料级的下游位置处的温度分布；图4为用于燃气涡轮发动机中的燃烧室的侧向剖视图；图5为用于图4的燃烧室的第二燃料级中的喷嘴的透视图；图6为图4的燃烧室的第二燃料级的下游位置处的温度分布；图7为图4的燃烧室的示意图；以及图8为图1和图4的燃烧室的第二燃料级的下游的平均温度和峰值温度的示图。具体实施方式本专利技术的专利技术人已认识到用于燃烧室112的第二燃料级114处的常规的喷嘴118的若干限制。例如，专利技术人认识到，常规的喷嘴118特征为单一的出口，而在二次燃烧区170内没有周向部分（circumferentialcomponent），从而导致喷射的空气/燃料混合物在相邻的喷嘴118之间的有限的周向混合。专利技术人还认识到，对于具有喷射浓空气燃料混合物的较小的开口（图2）的低空气分流喷嘴（airsplitnozzle）设计118'而言，该喷嘴之间的有限的周向混合甚至更加显著。图3图示了二次燃烧区170的下游的位置处的温度分布155，包括最大温度的峰值温度区域156。专利技术人认识到，峰值温度区域156位于喷嘴118之间，这是喷嘴118之间的有限的周向混合的结果。专利技术人还认识到，峰值温度区域156是明显较大的。如本领域技术人员所理解的，较大的峰值温度区域156导致燃烧室112内的最大燃烧温度增加，这又引起较高水平的NOx产生。基于这些认识，本专利技术的专利技术人开发了一种用于燃烧室的第二燃料级的双出口喷嘴，其中，双出口具有周向部分，以增强喷射的空气/燃料混合物在相邻喷嘴之间的周向混合。通过改善喷射的空气/燃料混合物在相邻喷嘴之间的周向混合，燃烧室中的最大燃烧温度降低，这有利地导致较低水平的NOx产生。此外，不同于常规的喷嘴设计，改进的双出口喷嘴设计增强了周向混合并且降低了NOx产生，而无论喷嘴设计是适于低的空气分流还是高的空气分流（即，浓的空气燃料混合物或稀的空气燃料混合物）。图4图示了燃气涡轮发动机10的燃烧室12，所述燃烧室12包括用于将燃料输送至燃烧室12的第二燃料级14。第二燃料级14沿燃烧室12的纵向轴线30以距离17与基板15分开。如图4中进一步图示的，多个喷嘴18被布置在第二燃料级14处，以将空气燃料混合物喷射到燃烧室12中。例如，在一个示例性实施例中，距离17在燃烧室12的直径的0.5-3.5倍的范围中。然而，第二燃料级14可以任何距离与燃烧室12的基板15分开，只要在第二燃料级14处从喷嘴18喷射的空气燃料混合物有效地降低燃烧室12内的NOx产生水平。图5图示了具有单入口21和双出口20、22的喷嘴18。图5还图示了：喷嘴18限定了具有截面宽度42的开口40，选择所述截面宽度42以改变空气分流，并且因此，改变通过喷嘴18喷射的空气燃料混合物的空燃比。如图2的常规的喷嘴118、118'的设计一样，开口40的宽度42可以增加，以实现较高的空气分流（即，较稀的空燃比），并且可以减小，以实现较低的空气分流（即，较浓的空燃比）。图6图示了多个喷嘴18被周向布置在第二燃料级14处，布置在正交于燃烧室12的纵向轴线30的平面中，其中，每个喷嘴18包括定向成具有周向部分（即，在图6的平面中）的双出口20、22。尽管图6图示了十二个喷嘴18在第二燃料级14处周向隔开，但本专利技术的实施例不限于十二个喷嘴，并且包括位于第二燃料级14处的任何数量的周向隔开的喷嘴。尽管双出口20、22被描绘为沿相反的周向方向定向，但所述双出口也可沿相同的周向方向定向。此外，尽管喷嘴18优选地包括双出口20、22，但所述喷嘴不限于双出口，并且可具有单一的出口或多于两个出口，只要所述出口在正交于燃烧室12的纵向轴线30的平面中具有周向部分。此外，图6图示了每个喷嘴18的双出口20、22在正交于纵向轴线30的平面内以角度32分开。例如，在一个示例性实施例中，角度32在30-40度的范围中。然而，角度32不限于任何特定的角度范围，只要双出口20、22沿周向方向定向，并且从喷嘴18喷射的空气燃料混合物有效地降低燃烧室12内的NOx产生水平。图7图示了燃烧室12的示意图，所述燃烧室12包括：主燃烧区43（与图1的主燃烧区143相似）；以及位于主燃烧区43的下游的二次燃烧区70（与图1的二次燃烧区170相似），其中，喷嘴18被布置成将空气燃料混合物24喷射到来自主燃烧区43的工作气体44中。图7还图示了空气源34被耦接到喷嘴18，以将空气输送至喷嘴18，并且燃料源38被耦接到喷嘴18，以将燃料输送至喷嘴18。在一个示例性实施例中，空气源34可提供来自燃气涡轮发动机10的压缩机（未示出）的压缩空气的空气分流。例如，在另一示例性实施例中，燃料源38可以是次级燃料源，所述次级燃料源被耦接到燃烧室12的初级燃料源，所述初级燃料源将燃料输送至燃烧室12的主燃料喷射器和辅助燃料喷射器。喷嘴18被构造成在喷嘴18内混合空气和燃料，使得空气燃料混合物24从喷嘴18喷射，并且被喷射到燃烧室12的二次燃烧区70中。在一个替代性实施例中，喷嘴可以被设计为在美国专利公开号2011/0289928中公开的燃料喷射器38的改进，该美国专利转让给本申请的受让人并且通过引用整体地结合于本文中，其中，燃料喷射器38被修改为具有双出口，所述双出口以与喷嘴18的双出口20、22相同的方式具有周向部分。图6图示了在第二燃料级14的下游的位置48处沿图4的线6-6所取的剖面温度分布55。例如，在一个示例性实施例中，位置48被定位在第二燃料级14的下游的喷嘴18的双出口20、22的1-3个出口直径的范围中。然而，本专利技术的实施例不限于第二燃料级14的任何特定的下游位置48。温度分布55包括位置48处的工作气体（即，夹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气涡轮发动机，包括：燃烧室；第二燃料级，其用于将燃料输送至所述燃烧室；其中，所述第二燃料级包括具有双出口的喷嘴，以将空气燃料混合物喷射到所述燃烧室中，所述双出口定向成具有周向部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.28 US 14/2288831.一种燃气涡轮发动机，包括：燃烧室；第二燃料级，其用于将燃料输送至所述燃烧室；其中，所述第二燃料级包括具有双出口的喷嘴，以将空气燃料混合物喷射到所述燃烧室中，所述双出口定向成具有周向部分。2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述双出口沿相反的周向方向定向。3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述双出口被布置在正交于所述燃烧室的纵向轴线的平面中，并且其中，所述双出口在所述平面内以一定角度分开。4.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述角度在30-40度的范围中。5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，还包括：空气源，其耦接到所述喷嘴，以将空气输送至所述喷嘴；燃料源，其耦接到所述喷嘴，以将燃料输送至所述喷嘴；其中，所述喷嘴被构造成混合所述空气和所述燃料，使得所述空气燃料混合物从所述喷嘴喷射到所述燃烧室中。6.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述双出口被定向成利用所述燃烧室内的工作气体来夹带喷射的空气燃料混合物，使得所述工作气体在所述第二燃料级的下游的位置处的峰值温度小于预定的温度阈值。7.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述预定的温度阈值为在所述空气燃料混合物利用单出口喷嘴喷射到所述燃烧室中的情况下的工作气体的峰值温度。8.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述双出口被定向成利用所述燃烧室内的工作气体来夹带喷射的空气燃料混合物，使得所述工作气体在所述第二燃料级的下游的位置处的峰值温度区域具有凸的周界。9.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述双出口被定向成利用所述燃烧室内的工作气体来夹带喷射的空气燃料混合物，使得所述工作气体在所述第二燃料级的下游的位置处的温度分布具有小于峰值温度面积阈值的峰值温度面积。10.如权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述峰值温度面积阈值是在所述空气燃料混合物利用单出口喷嘴喷射到所述燃烧室中的情况下的工作气体的温度分布的峰值温度面积。11.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，...

【专利技术属性】
技术研发人员：WR拉斯特，SM马丁，JE波尔蒂洛比尔鲍，J哈德斯，TA福克斯，
申请(专利权)人：西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US