燃氣渦輪機的燃燒系統中的分級燃料和空氣噴射的製作方法
2023-12-09 07:27:36 2
聯邦政府資助的研究申明
本發明在由能源部授予的合同號de-fc26-05nt42643下的政府支持下完成。美國政府具有對本發明的一些權利。
本申請大體上涉及燃燒或燃氣渦輪發動機內的燃燒系統。更具體地，但並非作為限制，本申請描述了與空氣和燃料在此類燃燒系統中的下遊或軸向分級噴射相關的新型系統、裝置和/或方法，以及與之相關的冷卻系統和構件。
背景技術：
如將會認識到的，在過去幾十年來，由於先進的技術已經實現增大發動機尺寸以及更高的操作溫度，因而燃燒或燃氣渦輪發動機(「燃氣渦輪機」)的效率已經極大地改善。已經允許此類成就的技術進步包括用於冷卻熱氣體路徑構件的新的熱傳遞技術，以及新的更耐久的材料。然而，在此時間範圍期間，頒布了限制某些汙染物的排放水平的規章性標準。具體地，nox，co和uhc(它們都對發動機的操作溫度和燃燒特性敏感)的排放水平已經變得被更嚴格地規定。在這些中，nox的排放水平對於在較高發動機點火溫度下的增加尤其敏感，並且因此，此汙染物對於點火溫度可以進一步升高多少變成了顯著的限制。由於更高的運行溫度通常導致更高效的發動機，因此這妨礙了效率的進一步提高。因此，與常規燃燒系統相關的性能限制變成了限制更高效的燃氣渦輪機的發展的因素。
其中已經提高了燃燒系統出口溫度，同時還依然保持可接受的排放水平以及冷卻要求的一種方式是通過軸向分級燃料和空氣噴射。這典型地要求增大經過燃燒器的空氣體積，並指引比該體積更多的空氣至相對於主噴射器軸向地在下遊隔開的噴射器，主噴射器位於燃燒器的前端。如將會理解的，此增大的空氣流的體積導致對於該單元的空氣動力學性能產生更顯著的影響。更具體地，最小化移動通過燃燒器的壓縮的空氣的壓降的燃燒器可實現性能益處和效率，其在通過燃燒器的流量水平上升時，變得更加顯著。另外，壓縮機空氣的顯著部分在冷卻熱氣體路徑構件(諸如渦輪轉子和定子葉片)，特別是在渦輪的初始級中的那些中消耗。
結果，先進燃燒系統設計的一個主要目標涉及開發能夠實現更高點火溫度和/或更高效的性能，同時最小化燃燒驅動排放和空氣動力學壓力損耗的構造和冷卻策略。如將會認識到的，此類技術進步將導致改善的發動機效率水平。
技術實現要素：
本申請因此描述了燃氣渦輪機，其包括：聯接到渦輪上的燃燒器，它們一起限定工作流體流徑，工作流體流徑沿縱向軸線從由燃燒器中的前噴射器限定的前端向後延伸，穿過燃燒器過渡到渦輪所處的界面，且然後穿過渦輪到達限定在其中的後端。燃燒器可包括內徑向壁和外徑向壁，內徑向壁限定工作流體流徑，外徑向壁圍繞內徑向壁形成使得流環道形成在它們之間。壓縮機排放腔可圍繞燃燒器形成，以用於接收由壓縮機輸送至此的燃燒器空氣供應。分級噴射系統可包括前噴射器，以及與前噴射器向後軸向地隔開的分級噴射器。分級噴射器可與流環道相交，以便獲得工作流體流徑內的噴射點。相對於噴射點的軸向位置，對噴射點的後側限定後環形區段，而對噴射點的前側限定前環形區段。燃料指引結構可在前噴射器和分級噴射器之間分配燃燒器燃料供應。空氣指引結構可在前噴射器和分級噴射器之間分配燃燒器空氣供應。空氣指引結構可包括穿過外徑向壁形成的軸向限定的入口區段，其將壓縮機排放腔流體地連接至流環道的對應的軸向限定的區段。入口區段可包括對應於後環形區段的後入口區段和對應於前環形區段的前入口區段。空氣指引結構可構造成：將穿過後入口區段進入的空氣沿向前的方向指引穿過後環形區段至分級噴射器；以及將穿過前入口區段進入的空氣沿向後的方向指引穿過前環形區段至分級噴射器。
實施方案1.一種燃氣渦輪機，其包括：
聯接至渦輪的燃燒器，它們一起限定工作流體流徑，所述工作流體流徑沿縱向軸線從由所述燃燒器中的前噴射器限定的前端向後延伸，穿過所述燃燒器過渡至所述渦輪所處的界面，且然後穿過所述渦輪到達在所述渦輪中限定的後端，其中所述燃燒器包括內徑向壁和外徑向壁，所述內徑向壁限定所述工作流體流徑，所述外徑向壁圍繞所述內徑向壁形成使得流環道形成在它們之間；
圍繞所述燃燒器形成的壓縮機排放腔，以用於接收由壓縮機輸送至此的燃燒器空氣供應；
分級噴射系統，其包括所述前噴射器，以及與所述前噴射器向後軸向地隔開的分級噴射器，其中所述分級噴射器與所述流環道相交，以便獲得所述工作流體流徑內的噴射點，且其中，相對於所述噴射點的軸向位置，對所述噴射點的後側限定後環形區段，而對所述噴射點的前側限定前環形區段；
用於在所述前噴射器和所述分級噴射器之間分配燃燒器燃料供應的燃料指引結構；以及
用於在所述前噴射器和所述分級噴射器之間分配所述燃燒器空氣供應的空氣指引結構；
其中，所述空氣指引結構包括穿過所述外徑向壁形成的軸向限定的入口區段，所述入口區段將所述壓縮機排放腔流體地連接至所述流環道的對應的軸向限定的區段，所述入口區段包括對應於所述後環形區段的後入口區段和對應於所述前環形區段的前入口區段；以及
其中，所述空氣指引結構構造成：
將穿過所述後入口區段進入的空氣沿向前的方向指引穿過所述後環形區段至所述分級噴射器；以及
將穿過所述前入口區段進入的空氣沿向後的方向指引穿過所述前環形區段至所述分級噴射器。
實施方案2.根據實施方案1所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述燃燒器包括基準平面，其包括：前基準平面，中間基準平面，後基準平面，以及噴射器基準平面，它們中的每一個都包括基本垂直於所述工作流體流徑的所述縱向軸線而對齊的基準平面，其中：
所述前基準平面與所述工作流體流徑的所述前端對齊；
所述後基準平面與所述燃燒器過渡至所述渦輪所處的所述界面對齊；
所述中間基準平面與所述前基準平面和所述後基準平面之間的所述工作流體流徑的軸向中點對齊；且
所述噴射器基準平面與所述分級噴射器的所述噴射點對齊；以及
其中：
所述後入口區段包括大致限定在所述噴射器基準平面和所述後基準平面之間的軸向範圍；以及
所述前入口區段包括大致限定在所述噴射器基準平面和所述前基準平面之間的軸向範圍。
實施方案3.根據實施方案2所述的燃氣渦輪機，其特徵在於：
所述後入口區段包括多個隔開的衝擊埠，每一個穿過所述外徑向壁形成，以用於使抵靠所述內徑向壁的外表面的衝擊空氣射流成列；以及
所述前入口區段包括多個隔開的衝擊埠，每一個穿過所述外徑向壁形成，以用於使抵靠所述內徑向壁的所述外表面的衝擊空氣射流成列。
實施方案4.根據實施方案3所述的燃氣渦輪機，其特徵在於：
所述後入口區段的所述多個衝擊埠在定位於所述後基準平面的正前方的最後衝擊埠和定位於所述噴射器基準平面的正後方的最前衝擊埠之間軸向地隔開；
所述前入口區段的所述多個衝擊埠在定位於所述噴射器基準平面的正前方的最後衝擊埠和定位於所述前基準平面的正後方的最前衝擊埠之間軸向地隔開；以及
其中所述後入口區段和所述前入口區段中的每一個的所述多個衝擊埠圍繞所述外徑向壁的基本上整個周邊而周向地隔開。
實施方案5.根據實施方案4所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述分級噴射器定位在所述前基準平面和所述中間基準平面之間。
實施方案6.根據實施方案4所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述分級噴射器大致定位在所述中間基準平面處。
實施方案7.根據實施方案4所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述分級噴射器定位在所述後基準平面處。
實施方案8.根據實施方案4所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述分級噴射器大致定位在所述中間基準平面和所述後基準平面之間的中間。
實施方案9.根據實施方案4所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，還包括圍繞所述噴射器基準平面周向地隔開的多個所述分級噴射器；以及
其中所述多個分級噴射器中的每一個具有與其成角地對齊的所述後入口區段和所述前入口區段中的對應的一個。
實施方案10.根據實施方案4所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述內徑向壁包括限定在其內的軸向堆疊的室，所述軸向堆疊的室包括容納所述前噴射器的前向室和限定燃燒區的後向室；以及
其中所述分級噴射器的噴嘴與所述流環道相交，以便獲得所述噴射點；以及
其中所述噴嘴包括在所述外徑向壁和所述內徑向壁之間延伸的管，所述管阻塞所述流環道的一部分。
實施方案11.根據實施方案10所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述分級噴射器包括穿過所述噴嘴的所述管而形成的空氣埠，所述空氣埠將所述流環道流體地連接至所述管的內部；以及
其中所述燃料指引結構包括：
從靠近所述燃燒器的頭端定位的燃料源軸向地延伸的燃料通路；以及
將所述燃料通路流體地連接至所述管的所述內部的穿過所述噴嘴的所述管而形成的燃料埠。
實施方案12.根據實施方案11所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述空氣埠包括多個空氣埠，包括：設置在所述管的後側面的第一空氣埠，其構造成用於收集來自所述後環形區段的空氣流；以及設置在所述管的前側面的第二空氣埠，其構造成用於收集來自所述前環形區段的空氣流；
其中所述燃料埠圍繞所述噴嘴的所述管的內周邊而周向地間隔開；以及
其中所述燃料通路穿過所述外徑向壁的內部軸向地延伸。
實施方案13.根據實施方案11所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述燃燒器空氣供應包括輸送給所述壓縮機排放腔的總的空氣供應；
其中所述空氣指引結構包括在所述後入口區段、所述前入口區段和頭端入口區段之間的相對孔口尺寸設置，以用於計量在所述前噴射器和所述分級噴射器之間的到所述燃燒器的供應空氣；以及
其中計量所述燃燒器空氣供應包括將到所述燃燒器的所述空氣供應的至少20%指引至所述分級噴射器。
實施方案14.根據實施方案11所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述燃燒器空氣供應包括輸送給所述壓縮機排放腔的總的空氣供應；
其中所述空氣指引結構包括在所述後入口區段、所述前入口區段和所述頭端入口區段之間的相對孔口尺寸設置，以用於計量在所述前噴射器和所述分級噴射器之間的到所述燃燒器的所述供應空氣；以及
其中計量所述燃燒器空氣供應包括將到所述燃燒器的所述空氣供應的至少40%指引至所述分級噴射器。
實施方案15.根據實施方案11所述的燃氣渦輪機，其特徵在於：
所述後環形區段包括熱傳遞結構，以用於增大在移動穿過其的空氣流和所述內徑向壁的外表面之間發生的熱傳遞率；以及
所述前環形區段包括所述熱傳遞結構，以用於增大在移動穿過其的空氣流和所述內徑向壁的所述外表面之間發生的熱傳遞率。
實施方案16.根據實施方案15所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述熱傳遞結構包括形成在所述內徑向壁的所述外表面上的擾流器。
實施方案17.根據實施方案15所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述熱傳遞結構包括形成在所述內徑向壁的所述外表面上的微通道；以及
其中所述微通道中的每一個包括軸向地對齊的淺通道，其包括通向所述流環道的入口埠和出口埠，以及定位在它們之間的封閉的區段。
實施方案18.根據實施方案11所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述空氣指引結構包括定位在所述前入口區段的前方的頭端入口區段；以及
其中所述空氣指引結構構造成將穿過所述頭端入口區段進入的空氣指引至所述前噴射器。
實施方案19.根據實施方案18所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述流環道包括前環形區段和後環形區段，所述前環形區段包括圍繞所述內徑向壁的所述前向室出現的所述流環道的軸向區段，且所述後環形區段包括圍繞所述內徑向壁的所述後向室出現的所述流環道的軸向區段。
實施方案20.根據實施方案19所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述頭端入口區段包括穿過所述前環形區段的所述外徑向壁的開口，所述開口將所述壓縮機排放腔連接至所述前環形區段；
其中所述前環形區段的所述內徑向壁包括用於將所述前環形區段流體地連接至所述前向室的第一內部區域的入口；以及
其中所述第一內部區域構造成將穿過所述入口進入的空氣引向所述述前向室的第二內部區域，所述前噴射器的噴嘴定位在所述第二內部區域中。
實施方案21.根據實施方案19所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述流環道包括軸向隔離物，其將所述前環形區段與所述後環形區段流體地密封；以及
其中所述軸向隔離物包括在所述外徑向壁和所述內徑向壁之間且圍繞所述流環道的周邊延伸的壁，以便相對所述後環形區段和所述前環形區段之間的流體連通密封所述流環道。
實施方案22.根據實施方案21所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述軸向隔離物構造成用於將所述前環形區段與所述後環形區段流體地密封，使得：
從所述頭端入口區段流入所述前環形區段的所述燃燒器空氣供應的全部空氣被指引至所述前噴射器；且
從所述前入口區段和所述後入口區段兩者流入所述後環形區段的所述燃燒器空氣供應的全部空氣被指引至所述分級噴射器。
實施方案23.根據實施方案2所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述燃燒器構造成以下中的一種：罐－環形燃燒器；以及環形燃燒器。
當結合附圖和所附權利要求書時，在查看了優選實施例的以下詳細描述之後，本申請的這些和其他特徵將變得明顯。
附圖說明
結合附圖，通過仔細研究本發明的示例性實施例的以下更詳細的描述，此發明的這些和其他特徵將被更完整地理解和領會，在附圖中：
圖1是其中可使用本發明的實施例的一種類型的示例性燃氣渦輪機的截面示意性表示；
圖2是常規燃燒器和其中可使用本發明的實施例的一種類型的包圍系統的截面示意性圖示；
圖3是圖2的燃燒器的頭端區域的放大截面示意性圖示；
圖4是常規燃燒器的截面示意性圖示，該常規燃燒器具有其中可使用本發明的實施例的一種類型的分級噴射系統；
圖5是常規燃燒器和其中可使用本發明的實施例的渦輪的上遊級的截面示意性圖示；
圖6是燃燒器的簡化截面表示，圖示了根據常規設計的構造以及穿過該構造的引發的空氣流；
圖7是燃燒器的簡化截面表示，圖示了根據本發明的一個示例性實施例的構造以及穿過該構造的引發的空氣流；
圖8是燃燒器的簡化截面表示，圖示了根據本發明的一個備選實施例的構造以及穿過該構造的引發的空氣流；
圖9是燃燒器的簡化截面表示，圖示了根據本發明的一個備選實施例的構造以及穿過該構造的引發的空氣流；
圖10是燃燒器的簡化截面表示，圖示了根據本發明的一個備選實施例的構造以及穿過該構造的引發的空氣流；
圖11是根據本發明的實施例的分級噴射器的一個示例性構造以及在流環道中的熱傳遞結構的增強視圖；
圖12是根據本發明的實施例的分級噴射器的一個備選構造以及在流環道中的熱傳遞結構的增強視圖；
圖13是根據本發明的實施例的分級噴射器的一個備選構造以及在流環道中的熱傳遞結構的增強視圖；
圖14是燃燒器的簡化截面表示，圖示了根據本發明的一個備選實施例的構造以及穿過該構造的引發的空氣流；
圖15是燃燒器的簡化截面表示，圖示了根據本發明的一個備選實施例的構造以及穿過該構造的引發的空氣流；
圖16是根據本發明的實施例的示出冷卻和分級噴射構造的穿過燃燒器和渦輪的工作流體流徑的截面視圖；
圖17是根據本發明的實施例的示出備選冷卻和分級噴射構造的穿過燃燒器和渦輪的工作流體流徑的截面視圖；
圖18是根據本發明的實施例的示出備選冷卻和分級噴射構造的穿過燃燒器和渦輪的工作流體流徑的截面視圖；
圖19是根據本發明的實施例的示出備選冷卻和分級噴射構造的穿過燃燒器和渦輪的工作流體流徑的截面視圖；
圖20是根據本發明的實施例的示出備選冷卻和分級噴射構造的穿過燃燒器和渦輪的工作流體流徑的截面視圖；
圖21是根據本發明的實施例的示出備選冷卻和分級噴射構造的穿過燃燒器和渦輪的工作流體流徑的截面視圖；以及
圖22是根據本發明的實施例的示出備選冷卻和分級噴射構造的穿過燃燒器和渦輪的工作流體流徑的截面視圖。
具體實施方式
本發明的各方面和優點在以下說明中闡述，或者可由該說明而顯而易見，或者可通過實踐本發明而獲悉。現在將詳細參考本發明的當前實施例，其一個或更多示例在附圖中圖示。詳細描述使用數字編號來指代圖中的特徵。圖和描述中相同或相似的編號被用來指本發明的實施例中相同或相似的部分。如將會理解的那樣，每個示例都作為本發明的解釋而非本發明的限制提供。實際上，對於本領域技術人員將會明顯的是在本發明中可做出各種改型和變型而不背離本發明的範圍或精神。例如，作為一個實施例的一部分圖示並描述的特徵可用在另一實施例上來產生又其他的實施例。因此，其意圖在於本發明覆蓋落入所附權利要求書及其等價物範圍內的此類改型和變型。應該理解的是本文所提的範圍和極限包括位於所規定的極限範圍內的全部子範圍，包括極限本身，除非另外指出。另外，某些術語已經被選擇來描述本發明及其構件子系統和部分。儘可能地，這些術語都基於對於本技術領域常見的專業術語而選擇。另外，將會理解的是這樣的術語常面臨不同的解釋。例如，在本文可能作為單個構件提及的，在其他的地方可能作為由多個構件組成而提及，或者，在本文可能作為包括多個構件而提及的，在其他的地方可能作為單個構件而被提及。因而，在理解本發明的範圍時，應不僅注意使用的特定術語，還應該注意相伴的描述和上下文，以及所提及並描述的構件的構造、功能和/或用途，包括該屬於涉及若干附圖的方式，以及當然，該術語在所附權利要求書中的精確使用。另外，當以下示例關於特定類型的燃氣渦輪機或渦輪發動機呈現時，如相關技術領域的普通技術人員將會理解的那樣，本發明的術語也可應用於其他類型的渦輪發動機。
貫穿此申請可使用若干描述性術語以便解釋渦輪發動機和/或包括在其中的若干子系統或構件的運行，並且其也可證明對在此部分的開始限定這些術語是有益的。因此，除非另外指出，否則這些術語以及它們的定義如下。術語「前向」和「後」或「後向」，在沒有進一步特殊性的情況下，指相對於燃氣渦輪機的定向的方向的方向。因此，「前向」指的是發動機的壓縮機端，而「後向」指的是朝向發動機的渦輪端的方向。因而這些術語的每一個都可以用來指沿著機械或其中的構件的縱向中心軸線的運動或相對位置。術語「下遊」和「上遊」用來指規定的導管內相對於穿過其移動的流的總體方向的位置。如將會理解的那樣，這些術語指相對於正常操作期間穿過指定的導管預期的流的方向的方向，其對於本領域技術人員是顯而易見的。因而，術語「下遊」指流體沿其流過指定導管的方向，而「上遊」指其相反的方向。因而，例如，穿過燃氣渦輪機的工作流體的主要的流，其在空氣移動穿過壓縮機時開始，並且然後變成燃燒器內的燃燒氣體並超出，可描述為在朝向上遊或壓縮機的前向端的上遊位置開始，並且終止於朝向渦輪的下遊或後向端的下遊位置。
關於描述普通類型燃燒器內的流的方向，如以下更詳細地討論的那樣，將會理解的是，壓縮機排放空氣典型地通過朝向燃燒器的後向端集中(相對於燃燒器的燃燒器縱向中心軸線以及限定前向/後向區別的前述壓縮機/渦輪定位)的衝擊埠進入燃燒器。一旦在燃燒器中，壓縮的空氣就由圍繞內部室朝向燃燒器的前向端形成的流環道(flowannulus)引導，空氣流在前向端處進入內部室且，反轉其流動方向，向燃燒器的後向端行進。在又另一個上下文中，穿過冷卻通道或通路的冷卻劑的流可以以相同的方式處理。
另外，給定的圍繞中心公共軸線的壓縮機和渦輪的構造，以及圍繞對於許多燃燒器類型典型的中心軸線的圓柱形構造，在本文可使用描述相對於此類軸線的位置的術語。在這方面，將會理解的是術語「徑向」指的是垂直於軸線的運動或位置。與此相關，可能要求描述距中心軸線的相對距離。在此情況下，例如，如果第一構件在比第二構件更靠近中心軸線的位置，則第一構件將會被描述成第二構件的「徑向向內」或者「內側」。一方面，如果第一構件在比第二構件距中心軸線更遠的位置，則第一構件在本文將會被描述成第二構件的「徑向向外」或者「外側」。另外，如將會理解的那樣，術語「軸向」指的是平行於軸線的運動或位置，而術語「周向」指的是圍繞軸線的運動或位置。如所提及的那樣，雖然這些術語可相對於延伸穿過發動機的壓縮機和渦輪區段的公共中心軸線應用，但是這些術語也可關於可能合適的發動機的其他構件或子系統而使用。最後，術語「轉子葉片」，在沒有其他特定性的情況下，指的是壓縮機或渦輪的旋轉葉片，其包括壓縮機轉子葉片和渦輪轉子葉片兩者。最後，術語「定子葉片」，在沒有其他特定性的情況下，指的是壓縮機或渦輪的靜止葉片，其包括壓縮機定子葉片和渦輪定子葉片兩者。術語「葉片」在本文將用來指任一類型的葉片。因此，在沒有進一步特定性的情況下，術語「葉片」包括全部類型的渦輪發動機葉片，包括壓縮機轉子葉片、壓縮機定子葉片、渦輪轉子葉片和渦輪定子葉片。
作為背景，現在參考附圖，圖1圖示了示例性燃氣渦輪機10，其中可使用本申請的實施例。本領域技術人員將會理解的是，本發明可不限於在該特定類型的渦輪發動機中使用，並且，除非另外指出，否則所提供的示例不意味著是如此限制性的。通常，燃氣渦輪機通過從加壓的熱氣體流提取能量操作，熱氣體由壓縮的空氣流中的燃料的燃燒產生。如圖所示，燃氣渦輪機10可包括軸流式壓縮機11，軸流式壓縮機11經由公共的軸或轉子機械地聯接到下遊渦輪區段或渦輪12，其中燃燒器13定位在它們之間。如圖所示，燃氣渦輪機10的公共的軸形成延伸穿過壓縮機11和渦輪12的中心軸線18。
壓縮機11可包括多個級，其每一個都可包括一排壓縮機轉子葉片14，繼之以一排壓縮機定子葉片15。因此，第一級可包括一排壓縮機轉子葉片14(其圍繞中心軸線18旋轉)，繼之以一排壓縮機定子葉片15(其在運行期間保持靜止)。渦輪12也可包括多個級。在圖示示例性渦輪12的情況下，第一級可包括一排噴嘴或渦輪定子葉片17(其在運行期間保持靜止)，繼之以一排渦輪輪葉或轉子葉片16(其在運行期間圍繞中心軸線18旋轉)。如將會理解的那樣，其中一排內的渦輪定子葉片17通常是彼此周向隔開並且關於旋轉軸線固定的。渦輪轉子葉片16可安裝在轉子輪或盤上用於圍繞中心軸線18旋轉。將會理解的是渦輪定子葉片17和渦輪轉子葉片16位於渦輪12的熱氣體路徑中，並且與移動穿過其的熱氣體相互作用。
在一個操作示例中，轉子葉片14在軸流式壓縮機11內的旋轉壓縮空氣流。在燃燒器13中，當壓縮的空氣流與燃料混合併被點燃時，釋放能量。得到的來自燃燒器13的熱燃燒氣體流(其可被稱為工作流體)然後被指引到渦輪轉子葉片16上，其中其流動引起轉子葉片16圍繞軸旋轉。以這種方式，工作流體的流的能量被轉換成旋轉葉片和旋轉軸的機械能，考慮到轉子葉片和軸之間經由轉子盤的連接。軸的機械能然後可被用來驅動壓縮機轉子葉片的旋轉，使得產生所需的壓縮的空氣的供應，以及也例如驅動用於電力生產的發電機，如在發電應用中將出現的情況那樣。
圖2提供了常規燃燒器13和包圍結構的簡化橫截面視圖，而圖3圖示了燃燒器13的前部的更詳細的橫截面視圖。如將會理解的那樣，燃燒器13可軸向地限定在頭端19和後框架20之間，頭端19定位在燃燒器13的前端處，而後框架20定位在燃燒器13的後端處，並且起作用來將燃燒器13連接到渦輪12上。前噴射器21可朝向燃燒器13的前端定位。如本文所用，前噴射器21指燃燒器13中的最前面的燃料和空氣噴射器，其典型地用作用來混合燃料和空氣用於在燃燒器13的燃燒區內燃燒的主要構件。前噴射器21可連接到燃料線22上並包括噴嘴23。前噴射器21的噴嘴23可包括任何類型的常規噴嘴，諸如微混合器噴嘴，具有渦流或漩渦噴嘴構造的噴嘴，或者滿足本文所討論的功能性的其他類型的噴嘴。更具體地，如以下更詳細地討論的那樣，噴嘴23構造成與如美國專利8,019,523中所描述的分級噴射系統相兼容，該專利通過引用而整體結合在此處。如圖示的那樣，頭端19可提供各種歧管、裝置和/或燃料線22，燃料穿過它們可被輸送到前噴射器21。如圖所示，前端19也可包括端蓋27，其如將會理解的那樣，形成限定在燃燒器13內的大內腔的前軸向邊界。
如圖所示，限定在燃燒器13內的內腔可再分成若干較小的空間或室。這些室可包括空氣流或空氣指引結構(諸如壁、埠等)，其構造成沿期望的流路徑指引壓縮的空氣和燃料/空氣混合物的流。如以下將更詳細地討論的那樣，燃燒器13的內腔可包括內徑向壁24和圍繞內徑向壁24形成的外徑向壁25。如圖所示，內徑向壁24和外徑向壁25可構造成使得在其間限定流環道26。如進一步圖示的那樣，在限定在內徑向壁24內的區域的前向端，可限定前向室28，且在前向室28的後向，可限定後向室29。如將會理解的那樣，前向室28由內徑向壁24的區段限定，該區段是稱作蓋組件30的構件的一部分。如將會理解的那樣，後向室29可限定一區域，在該區域內在前噴射器21內聚集的燃料和空氣混合物被點燃並燃燒，並且因而該區域也可被稱作燃燒區29。將會理解的是，假定為此布置，前向室和後向室28，29可被描述成在它們的構造中軸向地堆疊。如將會理解的那樣，除非另外特別地限制，否則本發明的燃燒器13可布置成環形燃燒器或者罐－環形燃燒器。
如圖所示，蓋組件30可從其與端蓋27形成的連接向後延伸，並且大體上被外徑向壁25的軸向區段包圍，該軸向區段在本文中可被稱作燃燒器殼體31。如將會理解的那樣，燃燒器殼體31可正好形成在蓋組件30的外表面外側並且對其成隔開關係。以這種方式，蓋組件30和燃燒器殼體31可在它們之間形成流環道26的軸向區段。如以下更多討論的那樣，流環道26的此區段可稱作蓋組件區段。如將會理解的那樣，蓋組件30還可容納並且結構上支撐前噴射器21的噴嘴23，前噴射器21可定位在蓋組件30的後端處或附近。假定為此構造，蓋組件30可被描述為被分段成兩個較小的、軸向堆疊的區域，其中它們的第一區域是如圖3中箭頭所示的前向區域，其構造成接收來自流環道26的壓縮的空氣流。蓋組件30內的第二區域是在其中限定了噴嘴23的後向區域。
出現於前噴射器21正下遊的後向室或燃燒區39可周向地由內徑向壁24的軸向區段限定，該軸向區段取決於燃燒器的類型可被稱作襯套32。從襯套32開始，後向室29可向後延伸穿過內徑向壁24的下遊區段，該下遊區段可被稱作過渡件34。如將會理解的那樣，內徑向壁24的此軸向區段向燃燒器13與渦輪12形成的連接指引熱燃燒氣體的流。儘管其他的構造是可能的，但在過渡件34內後向室29(即燃燒區29)的橫截區域可被構造成從襯套32的典型地圓形形狀平滑地過渡至過渡件34出口的更加環狀的形狀，其對於以期望的方式將熱氣體流指引到渦輪葉片上是必需的。如將會理解的那樣，襯套32和過渡件34可構造成分離地形成的構件，它們經由一些常規方式(諸如機械附接)而連結。但是，根據其他設計，襯套32和過渡件34可形成為整體構件或單一體。因此，除非另外指出，否則對內徑向壁24的引用應被理解為包括任一備選方式。
如所提及的那樣，外徑向壁25可包圍內徑向壁24，使得在其間形成流環道26。根據示例性構造，在內徑向壁24的襯套32區段周圍定位的是可稱作襯套套管33的外徑向壁25的區段。儘管其他的構造也是可能的，但是襯套32和套管33形狀可為圓柱形的並且同心地布置。如圖所示，形成在蓋組件30和燃燒器殼體31之間的流環道26的區段可連接到限定在襯套32和襯套套管33之間的流環道26上，並且以這種方式，流環道26向後延伸(即，朝向到渦輪12的連接)。如圖所示，以類似的方式，在內徑向壁24的過渡件34區段周圍定位的是可稱作過渡套管35的外徑向壁25的區段。如圖所示，過渡套管35構造成包圍過渡件34，使得流環道26進一步向後延伸。如將會理解的那樣，由襯套32/襯套套管33以及過渡件34/過渡套管35限定的流環道26的區段包圍燃燒區29組裝。因而，流環道的這些區段可一起稱作燃燒區區段。
根據提供的示例，將會理解的是流環道26在前端和後端之間軸向地延伸，前端限定在頭端19的端蓋27處，後端在後框架20附近。更具體地，將會理解的是內徑向壁24和外徑向壁25(如可由蓋組件30/燃燒器殼體31，襯套32/襯套套管33，以及過渡件34/過渡套管35對的每一對限定)可被構造成使得流環道26在燃燒器13的大部分軸向長度上延伸。如將會理解的那樣，像襯套32和過渡件34一樣，襯套套管33和過渡套管35可包括分離地形成的構件，它們經由一些常規方式(諸如機械附接)而連結。但是，根據其他設計，襯套套管33和過渡套管35可作為整體構件或單一體一起形成。因此，除非另外指出，否則對外徑向壁25的引用應被理解為包括任一備選方式。
襯套套管33和/或過渡套管35可包括多個衝擊埠41，衝擊埠41允許燃燒器13外的壓縮的空氣進入流環道26。將會理解的是，如圖2中所示，壓縮機排放殼體43可限定燃燒器13周圍的壓縮機排放腔44。根據常規設計，壓縮機排放腔44可構造成從壓縮機11接收壓縮的空氣供應，使得壓縮的空氣穿過衝擊埠41進入流環道26。如將會理解的那樣，衝擊埠41可構造成衝擊進入燃燒器13的空氣流，使得產生快速移動的空氣射流。這些空氣射流可相對內徑向壁24的外表面成列(train)——如剛才所描述的，內徑向壁24可包括襯套32和過渡件34，或者整體的單一體——以便在運行其間對流冷卻內徑向壁24。根據常規設計，一旦在流環道26中，壓縮的空氣則典型地被引向燃燒器13的前端，在那裡經由形成在蓋組件30中的一個或更多蓋入口45，空氣流進入蓋組件30的前向區。一旦處在蓋組件30中，則壓縮的空氣然後可被引向前噴射器21的噴嘴23，如所提及的那樣，在那裡壓縮的空氣與燃料混合以用於在燃燒區內燃燒。
圖4圖示了具有分級噴射系統50的燃燒器13的視圖，其使得能夠向後或向下遊將燃料和/或空氣噴入燃燒區29。將會理解的是這樣的燃料和空氣噴射系統通常被稱作補充噴射系統、延遲-貧噴射系統、軸向分級噴射系統等。如本文所用，這些類型的燃料和空氣噴射器、噴射系統和/或與之相關的構件的不同方面將被大體上無限制地(除了本文所提供的)稱作「分級噴射系統」。還將被理解的是圖4的分級噴射系統50與示例性常規設計一致並且僅出於那些目的而提供。
如將會理解的那樣，已經為了多種原因開發出用於燃氣渦輪機的燃燒器的分級噴射系統，包括為了降低排放。雖然對於燃氣渦輪機的排放水平取決於許多標準，但重要的一條與燃燒區內反應物的溫度相關，其已經顯示出對某些排放水平影響更大，諸如nox。將會理解的是燃燒區中反應物的溫度與燃燒器的出口溫度成比例地相關，其對應於在此類布雷頓循環類型發動機中更高的壓力比和改善的效率水平。因為已經發現nox的排放水平與反應物溫度有著強烈而直接的關係，所以現代的燃氣渦輪機已經能夠僅通過例如先進的燃料噴嘴設計和預混合之類的技術進步而保持可接受的nox排放水平，同時保持升高的點火溫度。在這些進步之後，已經採用下遊或分級噴射來使得能夠進一步升高點火溫度，因為發現在較高溫度下反應物在燃燒區內較短的駐留時間降低了nox水平。
在運行中，如將會理解的那樣，此類分級噴射系統典型地在典型地是在燃燒器前端處的主噴射點的下遊引入燃燒器總空氣和燃料供應的一部分。將會理解的是噴射器的此類下遊定位減少了燃燒反應物在燃燒器內保持在火焰區域的較高溫度下的時間。這就是說，縮短了反應物在離開火焰區之前行進的距離減少了那些反應物駐留在燃燒器內最高溫度內的時間，這繼而減少了nox的形成並且降低了對於發動機的整體nox排放水平。這例如已經允許將燃料/空氣混合或預混合技術與下遊噴射的減少的反應物駐留時間相聯接的先進燃燒器設計，以實現燃燒器點火溫度更進一步的增加，並且重要的是，更高效的發動機，同時也保持可接受的nox排放水平。如將會理解的那樣，還有限制可進行下遊噴射的方式和程度的其他考慮。例如，下遊噴射會促使co和uhc的排放水平升高。就是說，如果燃料以太大的數量在燃燒區中下遊太遠的位置噴射，這可能導致燃料的不完全燃燒或co的不充分燃盡。因此，雖然關於延遲噴射的基本原理以及其如何使用來影響某些排放可能是通常已知的，但設計的障礙依然是此策略如何可以最佳利用以便使得能夠實現更高效的發動機。然而，隨著這些障礙被克服，並且隨著將更大百分比的燃料和空氣轉向下遊或者軸向分級噴射器的更大機會的實現，用來將整體質量流指引穿過燃燒器的更多高效的方式可允許與降低跨越燃燒器的總體壓降以及改善冷卻空氣的效率和使用相關的性能優勢。
在一個示例性構造中，如圖4中所示，分級噴射系統50可包括前噴射器21以及一個或更多分級噴射器51。如本文所用，分級噴射器51是從前噴射器21向後軸向地分開的噴射器。根據一個示例性布置，每個分級噴射器51都可包括連接到噴嘴53上的燃料通路52。在噴嘴53內，產生燃料/空氣混合物用來噴射到燃燒區的下遊部分中。如圖所示，燃料通路52可包含在燃燒器13的外徑向壁25內，但是用於燃料輸送的其他裝置和方法也是可能的。燃料通路52可沿總體向後的方向在出現在頭端19附近的到燃料源的連接和與分級噴射器51的噴嘴53的連接之間延伸。儘管其他的構造對於此類系統50的分級噴射器51也是可能的，但是在提供的示例中，可將多個分級噴射器51定位在燃燒區29的周邊周圍。如圖所示，分級噴射器51的軸向定位可接近襯套32/襯套套管33組件的後端。每個分級噴射器51均可包括噴嘴53。根據提供的示例，噴嘴53可構造成跨越流環道26或與之相交而延伸的管。此管可構造成指引穿過其的流以用於噴入燃燒區29。更具體地，噴嘴53的管的外側端可向形成的壓縮機排放腔和/或埠開口，壓縮機排放腔和/或埠與流環道26流體地連通，並且因此噴嘴53的管可接收加壓的空氣流。如以下更多討論的那樣，噴嘴53還可包括穿過管結構的側面形成的燃料埠，其可將燃料噴入移動穿過其的加壓的空氣。以這種方式，每個分級噴射器51都可起作用來將空氣和燃料供應聚集並混合，且然後將得到的混合物噴入燃燒區。
如圖4的示例中進一步所示，分級噴射系統50可包括圍繞燃燒器13的後向室29周向地隔開的若干分級噴射器51。這些噴射器51可整體結合到襯套32/襯套套管32組件中(或者，更一般地，內徑向壁24/外徑向壁25組件)。分級噴射器51可陣列成使得燃料/空氣混合物在圍繞燃燒區多個周向隔開的點處被噴射。如圖所示，分級噴射器51可定位在相同或共同的軸向位置處。就是說，多個分級噴射器51可圍繞沿燃燒器13的縱向或中心軸線57近似相同的軸向位置定位。對於此構造，分級噴射器51可被描述為定位在公共平面上，或者如本文將會指出的那樣，如圖4中所示的噴射基準平面58。如將會理解的那樣，可將分級噴射器51對齊，使得噴射基準平面58大致與中心軸線57垂直。在所示的示例性構造中，噴射基準平面58定位在襯套32/襯套套管33組件的後端處。
根據本發明的另一方面，如以下將更詳細地討論的那樣，提出了分級噴射器51的特定放置。通常，分級噴射器51可相對於前噴射器21向後軸向地隔開，以便沿工作流體流徑具有離散的軸向位置。分級噴射器51的此放置可沿流徑的中心軸線57在軸向範圍內限定。根據期望的性能特性可選擇此類放置。另外，如本文將會提供的那樣，分級噴射器51的軸向定位可包括沿著燃燒器13的後向室29的位置以及在渦輪12的前向級內限定的位置。
現在參考圖5，提供了燃燒器13和渦輪12的前向級的橫截面視圖，並且，參考其內部描繪的區域，此圖示將被用於限定定位術語，由此可描述分級噴射器51和其他相關的構件。首先，為了限定燃燒器13內的軸向定位，將會理解的是燃燒器13和渦輪12限定了工作流體流徑37，工作流體流徑37圍繞縱向中心軸線57從被燃燒器13中的前噴射器21限定的上遊端穿過渦輪12中的下遊端延伸。因此，分級噴射器51和其他構件的定位可根據沿著工作流體流徑37的此中心軸線57的位置限定。
如所示出的那樣，在圖5中限定了某些垂直基準平面，以便提供在工作流體流徑37內與軸向定位相關的清楚性。如圖所示，這些平面的第一個是靠近燃燒器13的頭端19限定的前基準平面67。具體地，前基準平面設置在燃燒區29的前端處，即，在限定於內壁24內的前向室28和後向室29之間的邊界處。描述前基準平面67的定位的另一種方式是其大致位於前噴射器21的噴嘴23的下遊端處，或者備選地，在工作流體流徑37的前端處。第二基準平面是中間基準平面68。該中間基準平面68定位在燃燒器13的後向室29的大致軸向中點處，即，大概前噴射器的噴嘴23和燃燒器13的下遊端(其可為後框架20)之間的半路處。在燃燒器13包括之前所述的襯套32/過渡件34組件的情況下，將會理解的是燃燒器中間平面68可出現在這些組件連接的位置附近。這些基準平面的最後一個是後基準平面69，其如圖所示可限定在燃燒器13的後端處。如將會理解的那樣，後基準平面69標出了燃燒器13的遠側、下遊端，並且因此，如在所提供的示例中那樣，可在後框架20處限定。另外，根據這些基準平面67，68，69，可指定燃燒器13和渦輪12的流徑內的具體區域，其也在圖5中被指示。因此，如所示出的那樣，上遊燃燒區70顯示為出現在前基準平面67和中間基準平面68之間。其次，下遊燃燒區域71被顯示為出現在中間基準平面68和後基準平面69之間。最後，渦輪燃燒區72是指示為穿過渦輪12內的第一級葉片16，17從末端基準平面69出現的區域。如將會看到的那樣，這些區域70，71，72的每一個在圖5上都被獨特的交叉陰影圖案彼此繪出。
出於示例性目的，圖5還提供了分級噴射器52的一個級在上述區域70，71，72的每個區域內的可能放置。如將會理解的那樣，為了清楚的目的，與圖4中示出的一個示例性分級噴射器相比，分級噴射器51已經被圖形上簡化了。應該理解的是分級噴射器51的這些級的每個級都可單獨使用，或者與其他級的一個或兩個合作使用。如圖所示，分級噴射器51的第一級顯示為圍繞位於上遊燃燒區70內的噴射基準平面58周向地隔開。分級噴射器51的第二級顯示為圍繞位於下遊燃燒區71內的第二噴射基準平面58周向地隔開。並且最後分級噴射器51的第三級顯示為圍繞位於渦輪燃燒區72內的第三噴射基準平面58周向地隔開。因此，分級噴射器51的一個或更多級可設置在前噴射器21的下遊。
在任何前述位置處的分級噴射器51均可常規地構造用於噴射空氣、燃料或空氣和燃料兩者，並且可在每個軸向位置處提供多個，使得產生圍繞噴射基準平面58的噴射器的陣列。雖然圖5中圖形上被簡化了，但是本發明的分級噴射器51除非另外指出，否則應被理解為包括任何類型的常規噴射器，如相關技術領域的普通技術人員將會理解的那樣，其對於本文所述的功能是適用的。例如，可用在以下描述的本發明的實施例中的分級噴射器51可包括圖4中提供的示例性類型。另外，分級噴射器可為在美國專利8,019,523和7,603,863中描述或引用的任何噴射器類型，這兩項專利通過它們的整體引用而結合在本文中。按照任何常規器件和裝置，本發明的分級噴射器51還可包括可結合在其中一排定子葉片17中的那些分級噴射器，諸如上述美國專利中描述的那些，以及在美國專利申請2014/0260269中描述的那些，該專利申請也通過其整體引用而結合在本文中。這些例如可包括美國專利申請2014/0260269中被描述為結合在後框架20中的燃料/空氣噴射器。
對於位於上遊燃燒區70或下遊燃燒區71內的分級噴射器51，每個都可結構上被內徑向壁24和/或外徑向壁25支撐，並且在一些情況下，可突出到燃燒區70，71中，或者像圖4的示例一樣，分級噴射器51可包括噴嘴53，噴嘴53具有相對於內徑向壁24平齊定位的端部。如將會理解的那樣，分級噴射器51可構造成沿大致橫向於穿過過渡區的主要流方向的方向噴射空氣和燃料。位於噴射基準平面58周圍的分級噴射器51在數量上可為若干個，並且圍繞燃燒區70，71以規則的間隔定位，用於噴射燃料/空氣的均衡分布，但是其他的構造也是可能的。作為一個示例，在噴射基準平面58處可採用3到10個之間分級噴射器51，但是也可使用更多或更少分級噴射器。如上文所述，分級噴射系統50可包括多級分級噴射器51，即，在多個軸向地隔開的噴射基準平面58處的多個分級噴射器51。在這種情況下，兩個分離的級之間的分級噴射器51可相對於彼此成直線放置或交錯放置，並且一個的布置可配置成與另一個相補充。
如將會理解的那樣，根據本發明的某些方面，燃料和空氣可以經由任何常規的方式可控制地供應給前噴射器21和每個分級噴射器51，包括以上通過引用結合的專利和專利申請以及美國專利申請2010/0170219中所提及並描述的那些方式的任何方式，該美國專利申請通過其整體引用而結合在本文中。如圖5中關於限定的區域70，71，72中每個級內的其中一個分級噴射器以及前噴射器21示意性地圖示的那樣，分級噴射系統50可包括控制裝置和相關的構件，以用於主動或被動地控制向每個噴射器輸送燃料和/或空氣。就是說，本發明的不同方面可包括用於分配或計量輸送給分級噴射器51和/或前噴射器21之間的燃燒器13的全部燃料和空氣供應的控制裝置、方法、系統和構造。可包括在分級噴射系統50中的前噴射器21和不同的分級噴射器51可以以若干方式進行控制並配置，使得實現期望的操作和優選的空氣和燃料分離。如圖5中示意性表示的那樣，這可包括經由可控制閥75主動地控制輸送給每個噴射器的空氣和燃料供應，但是也可使用起作用來計量相關流的任何機械致動的裝置。將會理解的是主動控制可通過將可控制閥75連接到計算機化控制系統上而實現，該計算機化控制系統中控制器電氣地與每個閥通訊並且從而根據控制算法操作閥設置。根據其他可能的實施例，到每個分級噴射器51以及前噴射器21的空氣和燃料供應可經由向每個噴射器供應燃料和空氣的燃料和空氣導管的相對孔口尺寸設置而被動地控制。
與分級噴射系統50相關的控制策略可包括計量不同分級噴射器51之間、分級噴射器53的不同級(如果存在)之間、不同分級噴射器51和前噴射器21之間的燃料和空氣供應，或者它們的全部。因此，例如，參考圖5的示例性構造和其中描繪的分級噴射器51的不同的級，根據一個可能的布置，位於第一噴射基準平面58周圍的分級噴射器51的第一級可構造成比位於第二噴射基準平面58周圍的第二級噴射器噴射更多燃料/空氣，第二級噴射器可構造成比位於第三噴射基準平面58周圍的第三級噴射器噴射更多燃料/空氣。如將會理解的那樣，這些構造可使用相對百分比更具體地描述。因此，例如，根據關於分級噴射器51的第一、第二和第三級之間燃料的計量的另一個可能布置，控制構造可限制在分級噴射器51的第二級噴射的燃料少於在分級噴射器51的第一級噴射的燃料的50%，且在分級噴射器51的第三級噴射的燃料少於在噴射器的第二級噴射的燃料的50%。更特別地，根據另一個示例性布置，例如，分級噴射器51的第一、第二和第三級可包括控制構造，該控制構造將在分級噴射器51的第二級噴射的燃料限制為在分級噴射器51的第一級噴射的燃料的10%到50%之間，且在分級噴射器51的第三級噴射的燃料限制為在分級噴射器51的第一級噴射的燃料的10%到50%之間。如所指出的那樣，這樣的控制策略也可包括前噴射器21，使得整體的燃料供應在全部可能的噴射點之間都被計量。在這種情況下，例如，示例性控制布置可規定前噴射器21以及分級噴射系統50的分級噴射器51的第一、第二和第三級被可控制地構造，使得在運行期間將總燃燒器燃料供應的以下百分比的燃料輸送給每一個：將40%和80%之間的輸送至前噴射器21；將20%和40%之間的輸送至分級噴射器51的第一級；將2%和10%之間的輸送至分級噴射器51的第二級；以及將2%和10%之間的輸送至分級噴射器51的第三級。如將會理解的那樣，可對於每一個類似地操作空氣的供應。
圖6包括燃燒器13和具有典型空氣流模式的分級噴射系統50的簡化圖示，該典型空氣流模式導致指定的布置。為了清楚，分級噴射系統50顯示為具有單級噴射器51。如將會理解的那樣，可在燃燒區周邊周圍提供其他此類分級噴射器51。例如，這些其他的分級噴射器51可布置在穿過示出的分級噴射器51限定的噴射基準平面58周圍。如所圖示的那樣，分級噴射器51可包括跨越流環道26延伸的噴嘴53。噴嘴53可經由外側埠54接收空氣流，外側埠54將噴嘴流體地連接到壓縮機排放腔44，如將會理解的那樣，壓縮機排放腔44可包圍燃燒器的外徑向壁25。備選地(或者另外)，分級噴射器51的噴嘴53可經由一個或更多側面埠或埠55接收空氣流，埠55構造成將噴嘴53流體地連接到流環道26上。噴嘴53還可包括燃料埠(如圖11-13中所示)，以用來將經由燃料通路52輸送給它的燃料噴射到移動穿過噴嘴53內部的空氣供應中。
根據一個示例性布置，分級噴射器51的噴嘴53包括圓柱形管，該圓柱形管承載在噴嘴53內跨越流環道26聚集到一起來用於噴射到燃燒區29中的燃料/空氣。以這種方式，噴嘴53提供用來跨越流環道26指引燃料/空氣混合的導管，在這裡燃料/空氣混合物然後可被噴入移動穿過燃燒區29的熱氣體的流中，燃燒區29由內徑向壁24限定。根據其他的構造，如圖12中所示，分級噴射器51可包括位於外側埠54周圍的蓋板或空氣屏蔽罩，以便控制或限制從壓縮機排放腔44的空氣的進入，同時還提供更封閉的體積，在該體積內燃料和空氣可聚集在一起並且在噴射之間適當地混合。將會理解的是此類空氣屏蔽罩可用來將分級噴射器51與包圍它的壓縮機排放腔44顯著地隔離。
如由圖6中包括的流箭頭所示，在運行期間，來自壓縮機排放腔44的空氣可經由穿過外徑向壁25形成的衝擊孔口41進入流環道26。此衝擊空氣流冷卻內徑向壁24並且然後沿向前的方向被指引至燃燒器13的頭端19，在此點處其可反轉方向並且被向前噴射器21導引。與分級噴射器21的使用相關的一個特定的問題是它們在通過流環道26的空氣流上的負衝擊。具體地，分級噴射器21典型地包括結構(諸如噴嘴23)，其必須與流環道26交叉，並且因而中斷或者特定地阻塞穿過其中的流。如將會理解的那樣，這導致壓力損耗並且導致在堵塞的下遊形成尾流。此尾流通過使進入蓋組件30的空氣流變得不均勻，可不利地影響進入蓋組件30的空氣流，這然後會導致前噴射器21的噴嘴23內不充分混合的燃料-空氣，其負面地影響燃燒和nox排放。由分級噴射器51形成的尾流也可影響分級噴射器51正下遊的內冷卻壁24的冷卻。具體地，該尾流可產生空氣流或渦流的「死區」，其負面地影響熱傳遞係數。另外，流環道26內的冷卻劑的交叉流不利地影響通過定位成更靠近頭端19的衝擊埠41抵達的新鮮冷卻劑的冷卻效率。具體地，在流環道26中形成的消耗的冷卻劑的橫向流(即，已經從內徑向壁24吸收了熱量的冷卻劑)起作用來溫暖即將進入的更新鮮的冷卻劑，這降低了其冷卻有效性。交叉流也使進入的冷卻劑偏向，使得其以較不陡峭的角度擊打內徑向壁24，這進一步減少了其效率。兩種流的混合——即，排放的冷卻劑的交叉流和垂直於其抵達的新鮮冷卻劑流——導致與動態混合以及動量傳遞相關的更進一步的系統損耗。
現在參考圖7到10，提供了示意性截面圖示(其類似於參考圖6討論的那一個)來圖示具有根據本發明的示例性實施例的示例性分級噴射系統50的燃燒器13。如將會理解的那樣，這些示例圖示了燃燒器構造以及所引發的空氣流模式，空氣流模式涉及按照本發明的不同方面的構造。為了清晰，在所提供的每個附圖裡都只示出了單個分級噴射器51。如將會理解的那樣，可在燃燒區29周邊周圍提供其他此類分級噴射器51。例如，這些其他的分級噴射器51可布置在穿過在每一個描繪的分級噴射器51限定的噴射基準平面58周圍。如將會理解的那樣，這些其他的噴射器51在存在時可以以相同的方式構造，使得每個都在流環道26的對應區域內引發相同的圖示流模式。以這種方式，可圍繞流環道26的整個周邊引發在每個圖中描繪的示例性流模式。另外，應該理解的是可將分級噴射器51配置成環形分級噴射器，其自身圍繞流環道26的周邊延伸。應該理解的是任何這些備選方式都可以以相同的方式應用於隨後在圖11到22中的示例性實施例。
應該指出的是，如本文中所用，「空氣流模式」是輸送給壓縮機排放腔44的空氣供應被引入其中並且穿過其中循環的方式。如將會理解的那樣，示例性空氣流模式描繪成它們這樣滿足某些性能標準和目標，其包括：1)將空氣輸送至前噴射器21和分級噴射器51，以期望地燃燒被輸送給每一個的燃料的供應；2)通過在其表面上或穿過其表面指引充足的空氣流來冷卻燃燒器構件，尤其是那些鄰近或者限定燃燒區的構件；和/或3)最小化跨燃燒器的壓降，以便增加發動機效率。如將會理解的那樣，本文圖示的空氣流模式可通過已知系統、方法和裝置實現，諸如通道、埠、隔離物、壁、表面特徵、流控制器、閥門、孔口、出口和/或其他類型的流指引結構的構造，以及此類特徵的相對尺寸及其定位。此類流指引結構可包括當前公開的全部那些特徵，以及如相關領域中普通技術人員將會理解的其他常規類型。如本文所使用的，術語「隔離物」意味著覆蓋了壁和密封結構兩者以及流體密封件。另外，除非另外指出，否則此類隔離物可完全或部分地密封通道。
如所提供的附圖中所示，根據本發明的分級噴射系統50可包括前噴射器21，以及與前噴射器21向後軸向地隔開的分級噴射器51。如關於圖6中所討論的，分級噴射器51可與流環道26相交，以便在前噴射器21下遊在由內徑向壁24限定的燃燒區29內獲得噴射點。出於描述的目的，相對於分級噴射器51的噴射點的軸向位置，可對噴射點的後向側限定後環形區段，可對噴射點的前向側限定前環形區段(forwardannulussection)。如早已經描述的，分級噴射系統50可包括燃料指引結構，諸如燃料線22，燃料通路52，以及相關的構件，它們一起可被構造成在前噴射器21和分級噴射器51之間分配燃燒器燃料供應。如本文所使用的，燃燒器燃料供應可被限定為運行期間被輸送給燃燒器13的總的燃料供應。如以下將更詳細討論的，分級噴射系統50還可包括空氣指引結構，其可包括本文已經描述的那些結構中的任一個，以及任何其他常規裝置和構件。空氣指引結構可構造成在前噴射器21和分級噴射系統50的分級噴射器51之間分配燃燒器空氣供應。如本文所使用的，燃燒器空氣供應可被限定為運行期間被輸送給燃燒器13的總的空氣供應。
空氣指引結構可包括沿著外徑向壁25並穿過外徑向壁25形成的軸向限定的入口區段。如圖示的那樣，這些入口區段可包括穿過外徑向壁25形成的一個或更多埠或開口。這些埠和開口可將周圍的壓縮機排放腔44流體地連接到流環道26的對應的區段。如將會理解的那樣，可穿過對應於後環形區段的外徑向壁25限定後入口區段，並且可穿過對應於前環形區段的外徑向壁25限定前入口區段。如由空氣流箭頭指示的那樣，可將空氣指引結構構造成以便指引穿過後入口區段進入的空氣沿向前的方向穿過後環形區段。以這種方式，如圖7到10中所示，穿過從分級噴射器51向後定位的埠進入流環道26的空氣可沿向前的方向流動，以用於由分級噴射器51攝入。如進一步圖示的那樣，可將空氣指引結構構造成以便指引穿過前入口區段進入的空氣沿向後的方向穿過前環形區段。以這種方式，穿過從分級噴射器51向前定位的埠進入流環道26的空氣可沿向後的方向流動，以便由分級噴射器51攝入。
如關於圖6限定的那樣，通過燃燒器13的工作流體流徑37可包括若干基準平面。這些平面包括前基準平面67，中間基準平面68以及後基準平面69。這些平面的每一個代表與工作流體流徑37相交的平面，並且基本垂直於工作流體流徑37的中心軸線57對齊。前基準平面67可定位成以便與燃燒區29的前端對齊。中間基準平面68可定位成以便與燃燒區29的軸向中點對齊。並且，後基準平面69可定位成以便與燃燒區的後端對齊。另外，噴射基準平面58是在分級噴射器51的位置處與工作流體流徑37相交的平面。噴射基準平面58也可基本垂直於工作流體流徑37的中心軸線57，並且定位成以便與分級噴射器51的噴射點對齊。噴射基準平面58可包括定位在其上的若干個分級噴射器51，在這種情況下其為公共噴射器基準平面58。根據某些優選的實施例，前入口區段和後入口區段可關於基準平面58，67，68，69限定。如圖7中所示，按照示例性實施例，後入口區段可包括大約限定在噴射基準平面58和後基準平面69之間的軸向範圍，而前入口區段可包括大約限定在噴射基準平面58和前基準平面67之間的軸向範圍。如圖8到10中所示，其他的構造也是可能的。
如圖7到10中所提供的，後入口區段和前入口區段的每一個都可包括多個隔開的衝擊埠41。後入口區段和前入口區段也可包括用於在特定位置允許更大體積的空氣進入流環道26的更大的埠或開口42。在衝擊埠41的情況下，每個埠都可穿過外徑向壁25形成，並且構造成抵靠內徑向壁24的外表面使空氣的衝擊射流成列。以這種方式，可通過由分級噴射器51攝入的空氣供應充分地冷卻內徑向壁24的大區段。根據某些優選的實施例，例如，後入口區段的多個衝擊埠41可在位於後基準平面69的正前方的最後衝擊埠和位於噴射基準平面58的正後方的最前衝擊埠之間軸向地隔開。例如，前入口區段的多個衝擊埠41可在位於噴射基準平面58的正前方的最後衝擊埠和位於前基準平面67的正後方的最前衝擊埠之間軸向地隔開。其他的構造也是可能的。另外，後入口區段和前入口區段的每一個的多個衝擊埠41在數量上可包括許多，諸如大於一百。這些衝擊埠41可周向地以及軸向地隔開，並且可圍繞外徑向壁25的整個周邊延伸。如同樣圖示的那樣，可穿過外徑向壁25限定更大的埠或開口42。這些可用來在指定的位置允許更大的空氣流進入流環道26。在這種情況下，如將會理解的那樣，這些更大的流可以在距分級噴射器51顯著的距離處被帶入流環道26，並且被允許在該較大的流向分級噴射器51行進時對流地冷卻內徑向壁24的外表面，以最終由此攝入。包括衝擊埠41和較大開口42兩者的實施例也是可能的。
在本發明的此類分級噴射系統50中，分級噴射器51可沿外徑向壁25/內徑向壁24組件的長度在不同的軸向位置處設置。就是說，分級噴射器51相對於前噴射器21向後的間隔可以變化。根據一個寬的範圍，分級噴射器51可在前基準平面67和後基準平面69之間的任何位置處定位。根據優選實施例，諸如圖7和8的示例，分級噴射器51可定位在中間基準平面68處或附近，即，大概在前基準平面67和後基準平面69之間的中間。根據其他的優選實施例，如圖7，8，和9中所示，分級噴射器51可定位在前基準平面67和中間基準平面68之間。根據這些特定實施例內的變化，分級噴射器51可定位成更靠近前基準平面67或中間基準平面68。如圖9中圖示的那樣，根據那些特定布置中的一個，分級噴射器51定位在前基準平面67的正後方。根據那些布置的另一個，分級噴射器51可大約定位在前基準平面67和中間基準平面68之間的中間。如圖10中所圖示的，分級噴射器51也可定位在中間基準平面68和後基準平面69之間。此定位也可包括變型，諸如其中分級噴射器51更靠近中間基準平面68的示例以及其中分級噴射器51更靠近後基準平面69或在後基準平面69處的其他示例。根據圖10的特定實施例，分級噴射器51也可大約定位在中間基準平面68和後基準平面69之間的中間。
不管定位如何，如將會理解的那樣，從入口區段到分級噴射器51的空氣流的相對方向在圖7到10的每個示例中都保持一致。另外，關於這些實施例的每一個，分級噴射系統50都可包括多個此類分級噴射器51。在這種情況下，如已經解釋的那樣，分級噴射器51可周向地隔開，使得噴射基準平面58對於每一個都是公共的。因此，這些附加的分級噴射器51每一個都可從與之對應的後入口區段和前入口區段接收流。分級噴射器51也可構造成環形噴射器。
如圖7到10的每一個圖進一步圖示的，燃燒器13的空氣指引結構可更具體地描述為包括對應於前噴射器21的頭端入口區段。如圖所示，頭端入口區段可定位在前入口區段的前面。在這種情況下，頭端入口區段可包括穿過外徑向壁25形成的較大埠或開口42的其中一個，其可構造成允許來自壓縮機排放腔44的充分的空氣進入，用來供應前噴射器21。如圖所示，此空氣可進入流環道26，且然後沿向前方向向前噴射器21指引。就是說，頭端入口區段可配置成將通過其進入的空氣引向前噴射器21，以用於與同樣被供應給它的燃料燃燒。
出於描述的目的，如已經提及的那樣，內徑向壁24可描述為包括軸向堆疊的室，其中前向室28容納前噴射器21，而後向室29限定燃燒區。此外，分級噴射器51可包括在外徑向壁25和內徑向壁24之間延伸的結構，並且從而阻塞流環道26的一部分。具體地，例如可為管狀噴嘴53的此結構可稱為阻塞流環道26的周向限定的節段。根據本發明的實施例，噴嘴53可包括與流環道26流體地連通的埠55。例如可為穿過噴嘴53的管側向形成的這些埠55可構造成接收通過流環道26被引向分級噴射器51的空氣流。關於圖7和10的實施例，第一埠55可設置在噴嘴53的後向面上，並且構造成接收經由後環形區段流向分級噴射器的空氣。另外，第二埠55可設置在噴嘴53的前向面上，並且配置成接收經由前環形區段流向分級噴射器的空氣。如同樣提及的那樣，並且如圖11到13中所示，燃料指引結構可包括形成在噴嘴53內的一個或更多燃料埠56。燃料埠56可連接到形成在內徑向壁24外側的燃料通路52上。根據優選實施例，燃料埠56可在噴嘴53的外側端和內側端之間側向地定位。燃料指引結構還可包括實施例，其中燃料通路52軸向地延伸穿過外徑向壁25的內部，如圖11到13中所示。
出於描述的目的，如已提及的那樣，流環道26可被描述為包括蓋組件區段和燃燒區區段。具體地，流環道26的蓋組件區段包括在內徑向壁24的前向室28周圍出現的軸向區段(即，蓋組件)，而流環道26的燃燒區區段包括出現在內徑向壁24的後向室29周圍的軸向區段(即，燃燒區)。根據某些優選的實施例，頭端入口區段的開口42穿過對應於流環道26的蓋組件區段的外徑向壁25形成。開口42可包括與衝擊埠41相比在流區域中大得多的埠，衝擊埠41穿過對應於流環道26的燃燒區區段的外徑向壁25形成。如圖7到10中所示，開口42可構造成將壓縮機排放腔44流體地連接到流環道26的蓋組件區段。如已經討論的那樣，與蓋組件30相關聯的內徑向壁24可包括蓋入口45，蓋入口45用於將流環道26的蓋組件區段流體地連接到蓋組件30的內部區域，其可配置成將通過蓋入口45進入的空氣引向前噴射器21的噴嘴23。如將會理解的那樣，在這種情況下，燃料指引結構可包括將前噴射器21的噴嘴23連接到燃料源上的燃料線22。
如將會理解的那樣，圖7到10的實施例的空氣指引結構可包括埠和開口之間的相對孔口或流區域尺寸設置，開口對應於後入口區段、前入口區段和頭端入口區段。根據優選的實施例，相對孔口尺寸設置配置成用於計量前噴射器21和分級噴射器51之間的燃燒器空氣供應。根據某些實施例，燃燒器空氣供應的此計量包括將供應的至少30%引向分級噴射器51。根據其他優選實施例，燃燒器空氣供應的至少50%被引向分級噴射器51。
現在參考圖11到13，根據備選實施例，後環形區段和/或前環形區段可包括熱傳遞結構，以用於增大在移動穿過環道的空氣流和內徑向壁24的外表面之間的熱傳遞率。熱傳遞結構可包括促進湍流並且從而通過打破在冷卻劑移動穿過通道時在其中形成的熱學層而增大熱傳遞的任何類型的結構。以這種方式，新鮮的冷卻劑，即，還沒有從內徑向壁24吸收熱量的空氣流，可被帶至與壁形成接觸，使得更大的溫度差增大熱傳遞率。熱傳遞結構也可包括增大內徑向壁24的表面面積，並從而增大壁和移動穿過環道26的空氣流之間能量交換的速率的構造。注意圖11到13還圖示了根據優選實施例的若干類型的分級噴射器。如圖11中所示，第一類型的分級噴射器51包括噴嘴53，其中噴射埠61定位成基本與內徑向壁24的熱側平齊。如圖12中所示，第二類型的分級噴射器51包括位於流環道外的燃料和空氣混合室62，即，在外徑向壁25外側。混合室62可由倒圓的屏蔽壁63形成，屏蔽壁63從外徑向壁25的外表面凸出。如將會理解的那樣，混合室62可給分級噴射器51提供較大的內部，以用於燃料和空氣在噴射到工作流體流徑中之前改善的混合。第三類型的分級噴射器51包括突出的噴嘴53，該突出的噴嘴53從內徑向壁24的內表面延伸，以便穿入工作流體流徑37。此類型的噴嘴53常被稱作浸入噴射器，因為它包括噴射埠，並且例如可被用來使噴射的燃料/空氣混合物更均勻地分散在工作流體流徑37內。
如圖11中所示，根據一個優選的實施例，熱傳遞結構包括形成在內徑向壁24的外表面上的多個擾流器81。如將會理解的那樣，擾流器81可構造成從內徑向壁突入流環道26的突起。如圖所示，在一個優選實施例中，此類擾流器81可呈周向延伸的脊狀物的形式。根據其他實施例，擾流器81可構造成離散的隆起、凹陷等。擾流器81在流環道26中可定位在分級噴射器51的任一側，即，在後環形區段或前環形區段或兩者內。根據另一實施例，如圖12中所示，熱傳遞結構可包括垂直於穿過流環道26的流的總體方向形成的一系列凹槽82。凹槽82可形成在內徑向壁24的外表面上，並且可被包括在分級噴射器51的任一側上。其他的構造也是可能的。
圖13圖示了按照本發明的備選實施例的另一種類型的熱傳遞結構。如圖所示，可穿過內徑向壁24的外表面形成微通道83。微通道83可包括淺的凹槽。根據一個實施例，凹槽如圖所示可以是封閉的。備選地，凹槽可對流通道26保持開口。如圖所示，例如每個微通道83都可構造成軸向對齊的淺通道，其包括通向流環道26的入口埠和出口埠，具有在兩者之間延伸的封閉的區段。微通道83還可包括在2015年11月18日提交的待決美國專利申請(序列號14/944341，檔案號282958)中公開或引用的那些微通道，該美國專利申請通過其整體引用而結合在本文中。如將會理解的那樣，在運行期間，通過衝擊埠41衝擊在外徑向壁上的空氣流可被強制進入微通道83的入口埠，使得產生穿過其中的空氣流。由於內徑向壁24的更大的表面面積被暴露，且微通道83允許冷卻劑滲入內徑向壁24的外表面，從而此空氣流引起改善的熱傳遞率。以這種方式，冷卻效果不僅僅限於內徑向壁24的表面。如將會理解的那樣，此策略的優點包括減少了以其他方式將會形成的急劇的溫度梯度。根據某些實施例，通過形成在內徑向壁24內的微通道83的集合，流環道26本身可形成並整體包含在內徑向壁24內。如本文所用，術語「流環道」應被理解為包括這樣的意思。
現在參考圖14，提供了一個備選實施例，其中流環道26內的密封結構或者軸向隔離物85防止或者限制空氣經過分級噴射器51的移動。如圖所示，這可用來引起穿過燃燒器的不同類型的流循環以及新的冷卻策略。如將會解釋的那樣，這產生了從流環道26的後環形區段到分級噴射器51的空氣流，同時流環道26的前環形區段內的流被引向前噴射器21。如本文所用，軸向隔離物包括壁和其他密封結構以及流體密封件。另外，除非另外指出，否則此類軸向隔離物可完全或部分地密封通道。
如對於本文討論的其他示例那樣，圖14的實施例包括分級噴射系統50，該分級噴射系統50具有前噴射器21和從該前噴射器21向後軸向地隔開的分級噴射器51，分級噴射器51具有燃燒區29內的噴射點。因而，噴射點從前噴射器21向後且在下遊。相對於此噴射點，可將後環形區段限定至噴射點的後側，且可將前環形區段限定在其前側。同樣，如之前關於其他實施例所描述的，圖14的示例的空氣指引結構可包括沿著外徑向壁25形成的軸向限定的入口區段。如圖所示，這些入口區段可包括穿過外徑向壁25形成的一個或更多埠或開口，其將周圍的壓縮機排放腔44流體地連接到流環道26的對應區段。因此，可穿過對應於後環形區段的外徑向壁25限定後入口區段，並且可穿過對應於前環形區段的外徑向壁25限定前入口區段。入口區段每個都可包括多個衝擊埠41和/或開口42。
如圖14的箭頭所示，此實施例的空氣指引結構這樣構造，以指引進入後環形區段的空氣沿向前的方向穿過後入口區段並流向分級噴射器51。以這種方式，穿過從分級噴射器51向後定位的埠進入流環道26的空氣被引向分級噴射器以在其內部攝入。但是，不同於圖7到13的實施例，與圖14相關的空氣指引結構這樣構造，以引導穿過前入口區段(即，分級噴射器的前面及其噴射點)進入的空氣沿向前的方向穿過前環形區段。以這種方式，如圖所示，穿過從分級噴射器51向前定位的埠進入流環道26的空氣被引向前噴射器21以在其內部攝入。如將會理解的那樣——並且為了防止不必要的重複——分級噴射器51的定位可包括以上關於其他實施例已經討論的那些位置的任何位置。還將理解的是本文討論的任何其他備選方式和特徵——諸如噴射器或熱傳遞結構的類型——可以以類似的方式應用於圖14中所示的實施例，尤其是當所附權利要求的範圍允許時。
因此，圖14的實施例包括一種構造，其中在相對於分級噴射器51的後向位置進入流環道26的空氣被引向分級噴射器51以在其中使用，而在相對於分級噴射器51在前面進入流環道26的空氣被引向前噴射器21。如圖所示，這可以通過軸向隔離物85實現，軸向隔離物85可構造成壁、密封件等。如圖示實施例中所示，軸向隔離物85可形成為在外側端連接到外徑向壁25上且在內側端連接到內徑向壁24上的壁。隔離物85可圍繞流環道26的周邊延伸。如將會理解的那樣，隔離物85可這樣定位在流環道26內，以便妨礙、限制或者完全阻止後環形區段內的空氣流流過分級噴射器51的接近軸向位置。這就是說，軸向隔離物85可指引或引導流環道26的該區段內的全部空氣流進入分級噴射器51。分級噴射器51的噴嘴23可包括空氣流從流環道26流出的埠55。
根據另一個實施例，如圖15中所示，空氣指引結構可包括圍繞外徑向壁25並在其外側形成的第三徑向壁86，以便在它們之間產生外側流環道86。如圖所示，可布置一條之字形冷卻劑流徑88，其最終將源自壓縮機排放腔44的空氣流輸送至分級噴射器51。如所指示的那樣，之字形冷卻劑流徑88可包括形成在流環道26的區段內的上遊區段91，繼之以形成在外流環道87內的下遊區段92。以這種方式，之字形冷卻劑流徑88可將向前移動穿過流環道26的流重新指引成移動穿過外流環道87的後向流。
之字形冷卻劑流徑88可包括穿過外徑向壁25形成的前埠93和後埠94。如圖所示，前埠93可將上遊區段91流體地連接到之字形冷卻劑流徑88的下遊區段92。後埠94可將之字形冷卻劑流徑88的下遊區段92流體地連接到分級噴射器51的噴嘴53上。如進一步所示的，第三徑向壁86可形成為實心連續的結構，其封閉前埠93和後埠94兩者，並且將穿過外流環道87的流與周圍的壓縮機排放腔44中的流流體地隔離。
如將會理解的那樣，根據優選的實施例，軸向隔離物85可形成在流環道26內，以產生進入之字形冷卻劑流徑88的期望的流。軸向隔離物85可形成之字形冷卻劑流徑88的上遊區段91的前端點。如將會理解的那樣，軸向隔離物85可與分級噴射器51在前地隔開。分級噴射器51可與穿過之字形冷卻劑流徑88的上遊區段的流環道相交。軸向隔離物85可構造成部分或完整的隔離物，並且可包括在外徑向壁25和內徑向壁24之間並圍繞流環道26的周邊延伸的壁或其他流體密封件，以便阻止流環道26內的軸向流。
相對軸向隔離物85的位置，流環道26可描述成分成後環形區段和前環形區段，後環形區段限定至軸向隔離物85的後側，而前環形區段限定至軸向隔離物85的前側。空氣指引結構可包括穿過外徑向壁25形成的軸向限定的入口區段，該入口區段將壓縮機排放腔44流體地連接到流環道26的對應的軸向限定的區段上。根據優選的實施例，這些入口區段可包括對應於後環形區段的後入口區段，以及對應於前環形區段的前入口區段。根據其他優選的實施例，軸向隔離物85可構造成將前環形區段與後環形區段流體地密封，使得：基本上流入前環形區段的燃燒器空氣供應的全部空氣被引向前噴射器21；以及基本上流入後環形區段的燃燒器空氣供應的全部空氣被指引穿過之字形冷卻劑流徑以用於輸送到分級噴射器51。
如所示出的那樣，依據之字形冷卻劑流徑88的示例性實施例，穿過流環道26的相對於軸向隔離物85的位置向後進入的空氣流可被沿向前的方向指引。此空氣流可被允許經過分級噴射器51的位置並繼續到達前埠93。換言之，空氣流從後環形區段向前環形區段經過周向間隙行進，周向間隙可存在於分級噴射器51之間。此流然後可繼續流向壓縮機13的前端，直至抵達一點，在該點處之字形冷卻劑流徑88構造成使流反向大約180°。具體地，如圖所示，可使空氣流經由之字形冷卻劑流徑88「對摺」，使得其被引向分級噴射器51，以用於最終經由後埠94輸送至該處。
根據示例性實施例，之字形冷卻劑流徑88可構造成使得穿過流環道26的空氣流被引入在外徑向壁25周圍形成的外流環道87。具體地，第三徑向壁86可形成在外徑向壁25外側並從其偏移，使得在它們之間形成第二流環道，即外流環道87。外流環道87內的空氣流可被引向後埠94，在那裡其可由分級噴射器51攝入。如本文所述，在分級噴射器51內，空氣流可與燃料混合併且被噴入工作流體流徑37。如將會理解的那樣，分級噴射器51的類型和放置可與本文關於其他實施例已經描述的備選方式一致。
如將會理解的那樣，圖7到15的示例性實施例提供了新穎的構造以及所引發的空氣流模式，其中燃燒器的主體的顯著部分主要地由空氣流冷卻，該空氣流最終預定用於穿過分級噴射器而不是經由在燃燒器頭端的前噴射器噴射。假定被引向軸向分級噴射器的燃燒器空氣的持續升高的水平，本文描述的構造提供了更高的系統效率，諸如壓力損耗的降低以及冷卻空氣的更高效的使用。早期的噴射系統採用將總的空氣的相對小比例引向分級噴射器——即，大約5%到20%——的軸向分級，而更新的系統現在將多得多比例的空氣引向分級噴射器。結果，使用預定由分級噴射器噴射的空氣來冷卻限定燃燒區域的單一體或內徑向壁的顯著部分或全部變得可能，這可以使系統的整體空氣動力學成為流線型。隨著對於穿過燃燒器的更大質量空氣的要求持續攀升，如本文所描述的此類系統的優點已經被發現是顯著的。如將會理解的那樣，在常規系統中，用於限定內徑向壁的燃燒區的冷卻構造串聯地連結，且與之相關聯的大部分空氣流被引向燃燒器頭端和定位在其中的前噴射器。這導致由順序連接的構件損耗構成的總的系統壓力損耗，其導致分級噴射器接收跨越它的總系統壓力損耗。當燃燒器主體的冷卻從該系列構件壓力損耗(如本文所提出的那樣)顯著地去除時，總體系統壓力損耗可被顯著地降低，因為更多的構件壓力損耗現在並行地操作了。取決於操作者的傾向，本文公開的構造可使得能夠重新分配系統壓力損耗。這就是說，在前噴射器內可消耗更多的壓力損耗，以改善燃料和空氣在其內部的混合。
本發明的不同方面另外可用於減少與環道內的衝擊冷卻相關的問題。在常規的系統中，如將會理解的那樣，最終被供給到前噴射器中的大部分空氣在流環道的後端處或附近進入流環道。此空氣然後被要求流過流環道的長度，或者至少其顯著部分，這導致與例如通過沿單一體的長度定位的衝擊埠剛剛進入流環道的新鮮冷卻劑的流碰撞。這導致增大了系統整體壓力損耗的空氣動力學的混合和動量損耗。另外，在流環道內形成的使用過的冷卻劑的交叉流降低了剛剛到達的更新鮮的冷卻劑的效力。這是因為衝擊埠的衝擊空氣流在直接抵靠待冷卻的表面而成列(即，以大約90°的陡峭角度)時是最有效的。交叉流經由使衝擊冷卻劑的射流在交叉流移動的方向上偏移而與衝擊冷卻劑的射流產生幹擾，使得它們以較淺的角度撞擊內徑向壁的外表面。依據本申請的設計，這些問題可通過降低大多數冷卻劑在到達噴射點前在流環道中行進的程度而最小化或者基本上消除。另外，依據某些優選的實施例，對於冷卻劑流經被噴嘴或與分級噴射器相關的其他構件部分阻塞的流環道的區段的必要性可最小化或者基本上消除。這意味著進入流環道的後向部分的冷卻劑不再必須移動通過流環道的這些區段，這些區段由於分級噴射器的相交的構件已經被縮窄。這不僅具有消除與這些縮窄的區段相關的壓力損耗的好處，但也帶起了源自在相交結構下遊形成的尾流的那些問題。這些問題包括那些與由尾流引起的對表面冷卻的中斷相關的問題，以及與前噴射器中的流中斷和不均勻下遊空氣流相關的問題。如將會理解的那樣，本發明的實施例允許將增大體積的空氣輸送至分級噴射器，同時限制分級噴射器要求的必須流經流環道內的障礙物的空氣的體積。
現在總體參考圖16到22，示出了本發明的另外的實施例，其中一部分燃燒器空氣供應在被引向分級噴射器51用於噴射到工作流體中之前，首先作為冷卻劑循環穿過渦輪12內的定子葉片17。如將會理解的那樣，當前實施例的系統和構件可包括與以上描述的那些的若干相似之處。例如，工作流體流徑37可穿過燃氣渦輪機10的燃燒器13和渦輪12區段限定。與圖5中所示的構造類似，工作流體流徑37可沿縱向中心軸線57從由燃燒器13中的前噴射器21限定的前端向後延伸，穿過燃燒器13在該處過渡至渦輪12的界面，且然後穿過渦輪12到達在其中限定的後端。(注意「界面」術語旨在包括這樣的構造，其中在發動機的燃燒器13和渦輪12區段之間形成無縫過渡，即，其中燃燒器13和渦輪12跨越整體的單一體連接。)另外，壓縮機排放腔44可圍繞工作流體流徑37形成，以用於接收由壓縮機11輸送到那裡的燃燒器空氣供應。燃氣渦輪機可包括分級噴射系統50，其包括前噴射器21和與其軸向向後隔開的分級噴射器51。如以下更詳細地討論的那樣，該系統還可包括：用於在前噴射器21和分級噴射器51之間分配燃燒器燃料供應的燃料指引結構；以及用於在前噴射器21和分級噴射器51之間分配燃燒器空氣供應的空氣指引結構。
進一步參考圖16到22，空氣指引結構可包括一個或更多冷卻劑流徑101，其每個都提供一個指向性的、連續的流體通路，來自壓縮機排放腔44的冷卻劑穿過該流體通路被發送以最終輸送至分級噴射器51。具體地，冷卻劑流徑101可包括將冷卻劑指引穿過定子葉片17的內部的區段。然後，在經過定子葉片17後，冷卻劑流徑101可將冷卻劑指引至分級噴射器51，在這裡冷卻劑與燃料混合併被噴入工作流體流徑37。根據優選的實施例，冷卻劑流徑101通常可包括入口區段103，冷卻迴路104以及出口區段105。如以下將更詳細討論的那樣，入口區段103可包括上遊埠，其流體地聯接到壓縮機排放腔44上，以及下遊埠，其可穿過定子葉片17中的一個的內側壁或外側壁形成。出口區段105可包括下遊埠，其流體地聯接到分級噴射器51上，以及上遊埠，其也穿過定子葉片17中的一個的內側壁或外側壁形成。冷卻迴路104可為延伸穿過定子葉片17中的一個的內部的冷卻通道。冷卻迴路104可包括上遊端，其連接到入口區段103的下遊埠上，以及下遊端，其連接到出口區段105的上遊埠上。
如所討論的那樣，渦輪12可包括若干級葉片，其每個級都可包括一排定子葉片17，繼之以一排轉子葉片。一排定子葉片17可包括圍繞渦輪轉子盤周向地隔開的多個定子葉片17。如圖所示，每個定子葉片17都可包括跨越工作流體流徑37延伸的翼型件113。翼型件113是定子葉片17的一部分，其構造成與穿過渦輪12的工作流體的流相互作用。定子葉片17可包括在翼型件113側翼並將其固定到渦輪13內的固定結構上的側壁。具體地，翼型件113可連接到內側壁和外側壁上，內側壁在安裝後，可使得限定工作流體流徑37的內邊界，外側壁在安裝後，可使得限定工作流體流徑37的外邊界。如將會理解的那樣，翼型件113、內側壁以及外側壁可為定子葉片17的一體形成的構件。出於描述的目的，定子葉片17的軸向寬度限定為翼型件113的前緣114和後緣115之間的軸向距離。另外，如本文中所用，最前一排定子葉片17代表定位成最靠近渦輪12的前端的那排定子葉片17，即，最靠近燃燒器13和渦輪12之間的界面。
如現在所呈現的，繼續參考圖16到22，可圍繞穿過燃燒器13和渦輪12兩者的區段的工作流體流徑37形成流環道26。在燃燒器13內，流環道26可以以如上已經討論的方式構造。如圖所示，由於圖中提供的橫截面視圖的特性，因而形成在渦輪12內的流環道26的部分可顯得相似地構造。但是，如將會理解的那樣，由於燃燒器13和渦輪12中工作流體流徑37的不同的構造，渦輪12內的流環道26可具有在燃燒器11內的區段中找不到的某些特性。這些特性將在下面限定。
雖然作為一個初始問題，但應該理解的是通常引用「流環道」可指形成在燃燒器13的工作流體流徑37周圍的流環道或者渦輪12的工作流體流徑37周圍的流環道或者兩者。當做這樣的通常引用時，流環道26將被描述為限定在流徑壁108和環道壁109之間，如貫穿若干附圖所示。因此，穿過燃燒器13和/或渦輪12的工作流體流徑37可通常指由流徑壁108限定，而流環道26可通常描述為被限定在流徑壁108和環道壁109之間。另外，如本文中所用，流徑壁108可被描述為具有相反的熱側和冷側，其中熱側為面向工作流體流徑37(並且熱的燃燒氣體包含在其中)的側面，而冷側為面向流環道26(且相對較冷的空氣流包含在其中)的一側。因此，總體上，環道壁109可被描述為包圍流徑壁108的冷側並從其偏移，使得流環道26形成在其間。
轉回燃燒器13和渦輪12內工作流體流徑37和流環道26之間的不同，以下術語將用來辨別按照普通渦輪發動機構造對於每一個特定的特徵。如將會理解的那樣，此普通構造包括多個圓柱形的燃燒器13，其每一個都連接到穿過渦輪12形成的環形地成形的工作流體流徑37的環形節段上。在燃燒器13內，這意味著概述性的術語「流徑壁」和「環道壁」可理解為代表之前在本文中被分別稱作「內徑向壁」和「外徑向壁」的特徵。然而，在渦輪12內，這些概述性的術語——即，「流徑壁」和「環道壁」——可能被進一步細化，使得可標識環形地成形的流徑特別固有的區域。因此，出於描述的目的，渦輪12內的「流徑壁108」可描述為具有內流徑壁108a和外流徑壁108b，如若干附圖中所標識的那樣。因此，如將會理解的那樣，內流徑壁108a限定工作流體流徑37的內邊界，而外流徑壁108b限定工作流體流徑37的外邊界。類似地，穿過渦輪12的流環道26可包括圍繞內流徑壁108a和外流徑壁108b兩者的冷側形成的流環道。因此，如圖16到22中所示，渦輪12內的流環道26可更特別地描述為包括內流環道26a和外流環道26b。為了形成內流環道26a和外流環道26b，渦輪12內的環道壁109可更特別地被描述成具有內環道壁109a和外環道壁109b。給定這些符號表示，如將會理解的那樣，內環道壁109a可從內流徑壁108a的冷側偏移，使得內流環道26a限定在其間。並且，對於工作流體流徑37的另一側，外環道壁109b從外流徑壁108b的冷側偏移，使得外流環道26b限定在其間。
另外，應該理解的是存在許多可能的構造，通過這些構造流環道26可形成在渦輪12內，以便實現本文所述的功能性。除非另外限制，否則此類備選布置應被認為包括在所附權利要求書的範圍內。就是說，本文所使用的非限制性語言應被理解為覆蓋任何此類構造，壓縮的空氣通過此類構造可源自壓縮機排放腔44並且然後沿著渦輪12的工作流體流徑37的外部輸送到特定的位置，以用於滿足本文所述的功能。如還將理解的那樣，定子葉片17可包括內側壁和外側壁，它們附接到工作流體流徑37內的翼型件113上並將翼型件113固定。內側壁和外側壁可構造成分別限定工作流體流徑37的內邊界和外邊界的軸向區段。由於這個，內側壁和外側壁可被認為分別是內流徑壁108a和外流徑壁108b的構件。
另外，根據備選實施例，燃燒器13也可被構造成環形燃燒器。在這種情況下，燃燒器13可包括連接到渦輪12的環形地成形的流徑上的連續的環形地成形的流徑。將會理解的是，燃燒器13之後將可以以如圖6和7中對於渦輪12所示的相同的方式包括內側流徑壁108a和外側流徑壁108b。應該理解的是，雖然本文提供的某些示例討論了罐－環狀構造，提供的圖示以及所附權利要求書包括了可能的燃燒器構造(即，環形或罐－環形)中的任一個，除非另外指出。
本討論的實施例通常可包括與以上所述的那些中的任一個一致的分級噴射系統50。就是說圖16到22的分級噴射系統50可包括關於前述附圖已經討論的那些實施例的任何實施例。因此，例如，分級噴射系統50可包括前噴射器21和從前噴射器21軸向地向後隔開的一個或更多分級噴射器51。另外，分級噴射器51可構造成與流環道26相交，以便獲得工作流體流徑37內的噴射點。出於描述的目的，相對於噴射點的軸向位置，可對噴射點的前側限定前環形區段，而對噴射點的後側限定後環形區段。分級噴射器51可包括軸向隔離物85，軸向隔離物85可構造成軸向地分隔流環道26。根據某些實施例，如之前所述，軸向隔離物85可定位在流環道26中，以便與分級噴射器51軸向地一致或者靠近分級噴射器51。軸向隔離物111可構造成使前環形區段與後環形區段流體地密封。此密封布置可形成為使得進入前環形區段的全部或基本上全部燃燒器空氣供應被引向前噴射器21，而進入後環形區段的全部或基本上全部燃燒器空氣供應被引向分級噴射器51。如以下更詳細地討論的那樣，分級噴射器51可定位在燃燒器13或渦輪12內。
現在特別注意圖16和18，提供的本發明的實施例包括冷卻迴路104，冷卻迴路104具有在定子葉片17的翼型件113內的環形構造。如圖所示，這些示例性實施例中的空氣指引結構包括冷卻劑流徑101，冷卻劑流徑101具有入口區段103，冷卻迴路104，以及出口區段105，該空氣指引結構可根據圖16和17中提供的備選布置構造。
根據一種備選形式，如圖16中所示，冷卻迴路104從與內流環道26a的連接處延伸並且返回到該連接處。如將會理解的那樣，在這些連接之間，冷卻迴路104可形成定子葉片17的翼型件113內的冷卻通道。更具體地，如圖所示，入口區段103可包括：流體地聯接到壓縮機排放腔44上的上遊埠；以及穿過翼型件113的內側壁或者更通常地，穿過內流徑壁108a形成的下遊埠。如進一步圖示的，出口區段105可包括：流體地聯接到分級噴射器51上的下遊埠；以及穿過翼型件113的內側壁或者更通常地，穿過內流徑壁108a形成的上遊埠。冷卻迴路104可構造成沿著依照冷卻要求選擇的期望路徑延伸穿過翼型件113的內部，同時將入口區段103流體地連接到出口區段105上。因此，冷卻迴路104可包括上遊端，其連接到入口區段103的下遊埠上，以及下遊端，其連接到出口區段105的上遊埠上。根據優選的實施例，冷卻迴路104具有蜿蜒的構造，以便增強翼型件113內的冷卻效率。
根據另一備選形式，如圖17中所示，冷卻迴路104從與外流環道26b的連接處延伸並且返回到該連接處。如將會理解的那樣，在這些連接之間，冷卻迴路104可形成定子葉片17的翼型件113內的冷卻通道。更具體地，如圖所示，入口區段103可包括：流體地聯接到壓縮機排放腔44上的上遊埠；以及穿過翼型件113的外側壁或者更通常地，穿過外流徑壁108b形成的下遊埠。如進一步圖示的，出口區段105可包括：流體地聯接到分級噴射器51上的下遊埠；以及穿過翼型件113的外側壁或者更通常地，穿過外流徑壁108b形成的上遊埠。冷卻迴路104可構造成沿著依照冷卻要求選擇的期望路徑延伸穿過翼型件113的內部，同時將入口區段103流體地連接到出口區段105上。因此，冷卻迴路104可包括上遊端，其連接到入口區段103的下遊埠上，以及下遊端，其連接到出口區段105的上遊埠上。冷卻迴路104可包括蜿蜒的構造，以便增強翼型件113內的冷卻效率。
如圖所示，圖16和17的實施例可包括位於流環道26內的軸向隔離物111。如將會理解的那樣，冷卻劑流徑101的入口區段103和出口區段105可包括流環道26的鄰近軸向區段，它們定位在軸向隔離物111的兩側。根據優選的實施例，軸向隔離物111可構造成將鄰近的軸向區段中的每一個與彼此流體地密封。假定此構造，則冷卻劑流徑101的入口區段103可描述成位於軸向隔離物111的後側，而冷卻劑流徑101的出口區段105可描述成位於軸向隔離物111的前側。儘管其他的構造也是可能的，但軸向隔離物111可定位在限定於定子葉片17的前緣114和後緣115之間的軸向範圍內。
如圖16和17中進一步圖示的那樣，冷卻劑流徑101的入口區段103的上遊埠可包括穿過環道壁109的對應區段形成的開口，以用於允許一部分燃燒器空氣供應進入入口區段103。這些開口可構造成穿過環道壁109形成的衝擊埠41。因此，根據優選的實施例，冷卻劑流徑101的入口區段103的上遊埠可包括穿過環道壁109形成的多個衝擊埠41。如以下更多討論的那樣，開口或衝擊埠41可用於計量到分級噴射器51的空氣流以及冷卻系統的構件。如以下提供的那樣，也可包括表面埠和連接器通道。另外，如所指示的那樣，此類衝擊埠41不包括在冷卻劑流徑101的出口區段105中。最終，如將會理解的那樣，圖16和17的示例的分級噴射系統可包括本文討論的任何備選實施例和構件，包括那些與分級噴射器51的數量、類型、構造、位置等相關的備選實施例和構件，以及燃料的類型和空氣指引結構。
在圖18中，定子葉片17的側壁117在圖示中被更特別地著重指出，以便描述一個備選實施例，其中冷卻迴路104主要穿過定子葉片17的側壁117形成。根據此備選方式，如圖所示，冷卻迴路104從與外流環道26b的連接處延伸並返回該連接處，同時在兩者之間形成定子葉片17的側壁117內的冷卻迴路104。如將會理解的那樣，冷卻迴路104顯示為在外側壁117中，但是同樣也可形成在內側壁117中。如同圖16和17的實施例一樣，入口區段103可包括：流體地聯接到壓縮機排放腔44上的上遊埠，以及形成在翼型件113的側壁117中的下遊埠。出口區段105可包括：流體地聯接到分級噴射器51上的下遊埠，以及形成在翼型件113的側壁117中的上遊埠。冷卻迴路104可構造成沿著依照其中的冷卻要求選擇的期望路徑延伸穿過側壁117的內部，同時將入口區段103流體地連接到出口區段105上。因此，冷卻迴路104可包括上遊端，其連接到入口區段103的下遊埠上，以及下遊端，其連接到出口區段105的上遊埠上。雖然並未示出，但冷卻迴路104可包括蜿蜒的構造，以便增強翼型件113內的冷卻效率。如圖所示，圖18的實施例可包括定位在流環道26內的軸向隔離物111，以便將期望的冷卻劑流指引穿過冷卻迴路104。
現在特別注意圖19和20，提供的本發明的實施例包括冷卻迴路104，冷卻迴路104徑向地跨越定子葉片17的翼型件113延伸。如圖所示，這些實施例中的空氣指引結構也可包括冷卻劑流徑101，冷卻劑流徑101具有入口區段103，冷卻迴路104，以及出口區段105，該空氣指引結構可根據圖18和19中提供的備選布置來構造。
根據一個備選形式，如圖19中所示，冷卻迴路104從與內流環道26a的上遊連接處向與外流環道26b的下遊連接處延伸。如將會理解的那樣，在這些連接之間，冷卻迴路104可形成定子葉片17的翼型件113內的冷卻通道。更具體地，如圖所示，入口區段103可包括：流體地聯接到壓縮機排放腔44上的上遊埠；以及穿過翼型件113的內側壁或者更通常地，穿過內流徑壁108a形成的下遊埠。如進一步圖示的，出口區段105可包括：流體地聯接到分級噴射器51上的下遊埠；以及穿過翼型件113的外側壁或者更通常地，穿過外流徑壁108b形成的上遊埠。冷卻迴路104可構造成沿著依照冷卻要求選擇的期望路徑延伸穿過翼型件113的內部，同時將入口區段103流體地連接到出口區段105上。因此，冷卻迴路104可包括上遊端，其連接到入口區段103的下遊埠上，以及下遊端，其連接到出口區段105的上遊埠上。冷卻迴路104可包括蜿蜒的構造，以便增強翼型件113內的冷卻效率。
根據另一個備選形式，如圖20中所示，冷卻迴路104從與外流環道26b的上遊連接處向與內流環道26a的下遊連接處延伸。如將會理解的那樣，在這些連接之間，冷卻迴路104可形成定子葉片17的翼型件113內的冷卻通道。更具體地，如圖所示，入口區段103可包括：流體地聯接到壓縮機排放腔44上的上遊埠；以及穿過翼型件113的外側壁或者更通常地，穿過外流徑壁108b形成的下遊埠。如進一步圖示的，出口區段105可包括：流體地聯接到分級噴射器51上的下遊埠；以及穿過翼型件113的內側壁或者更通常地，穿過內流徑壁108a形成的上遊埠。冷卻迴路104可構造成沿著依照冷卻要求選擇的期望路徑延伸穿過翼型件113的內部，同時將入口區段103流體地連接到出口區段105上。因此，冷卻迴路104可包括上遊端，其連接到入口區段103的下遊埠上，以及下遊端，其連接到出口區段105的上遊埠上。冷卻迴路104可包括蜿蜒的構造，以便增強翼型件113內的冷卻效率。
根據優選的實施例，如圖19和20中圖示的那樣，冷卻劑流徑101的入口區段103和出口區段105可定位成使得每個都軸向地重疊限定在定子葉片17的翼型件113的前緣114和後緣115之間的軸向範圍。根據其他優選備選形式，入口區段103和出口區段105可定位成以便彼此軸向地重疊。冷卻劑流徑101的入口區段103和出口區段105兩者都可構造成限定這樣的軸向範圍，該軸向範圍在其中完全地包括限定在翼型件113的前緣114和後緣115之間的軸向範圍。
如圖19和20中進一步圖示的那樣，冷卻劑流徑101的入口區段103的上遊埠可包括穿過環道壁109的對應區段形成的開口，以用於允許一部分燃燒器空氣供應進入入口區段103。這些開口可構造成穿過環道壁109形成的衝擊埠41。因此，根據優選的實施例，冷卻劑流徑101的入口區段103的上遊埠可包括穿過環道壁109形成的多個衝擊埠41。如以下更多討論的那樣，開口或衝擊埠41可用於計量到分級噴射器51的空氣流以及冷卻系統的構件。如以下提供的那樣，也可包括表面埠和連接器通道。另外，如所指示的那樣，此類衝擊埠41不包括在冷卻劑流徑101的出口區段105中。最終，如將會理解的那樣，圖18和19的示例的分級噴射系統可包括本文討論的任何備選實施例和構件，包括那些與分級噴射器51的數量、類型、構造、位置等相關的備選實施例和構件，以及燃料的類型和空氣指引結構。
現在特別注意圖21和22，示出了本發明的實施例，其中形成了多個冷卻劑流徑101，以便產生定子葉片17的翼型件113內的十字形構造。在這些示例中，如將會理解的那樣，空氣指引結構可包括冷卻劑流徑101中的至少兩個，其每個都具有入口區段103、冷卻迴路104和出口區段105。如以下更多描述的那樣，出於描述目的，冷卻流徑101可包括冷卻迴路104，冷卻迴路104構造成當每一個都在內環道和外環道之間沿相反的方向徑向延伸時在翼型件113內十字交叉。
根據優選的實施例，空氣指引結構可包括第一冷卻劑流徑101a和第二冷卻劑流徑101b。第一冷卻劑流徑101a可包括：入口區段103，其具有流體地聯接到壓縮機排放腔44上的上遊埠和穿過翼型件113的內側壁，或者更通常地，穿過內流徑壁108a形成的下遊埠；出口區段105，其包括流體地聯接到分級噴射器51上的下遊埠和穿過外側壁，或者更通常地，穿過外流徑壁108b形成的上遊埠；以及冷卻迴路104，其延伸穿過定子葉片17的翼型件113的內部，並且將入口區段103連接到出口區段105上。冷卻迴路104可構造成沿著依照冷卻要求選擇的期望路徑延伸穿過翼型件113的內部，同時將入口區段103流體地連接到出口區段105上。因此，冷卻迴路104可包括上遊端，其連接到入口區段103的下遊埠上，以及下遊端，其連接到出口區段105的上遊埠上。
如圖所示，第二冷卻劑流徑101b可構造成跨越翼型件113沿相反的方向承載冷卻劑。因此，第二冷卻劑流徑101b可包括：入口區段103，其具有流體地聯接到壓縮機排放腔44上的上遊埠和穿過翼型件113的外側壁，或者更通常地，穿過外流徑壁108b形成的下遊埠；出口區段105，其包括流體地聯接到分級噴射器51上的下遊埠和穿過內側壁，或者更通常地，穿過內流徑壁108a形成的上遊埠；以及冷卻迴路104，其延伸穿過定子葉片17的翼型件113的內部，並且將入口區段103連接到出口區段105上。冷卻迴路104可構造成沿著依照冷卻要求選擇的期望路徑延伸穿過翼型件113的內部，同時將入口區段103流體地連接到出口區段105上。因此，冷卻迴路104可包括上遊端，其連接到入口區段103的下遊埠上，以及下遊端，其連接到出口區段105的上遊埠上。
如圖所示，在第一和第二流環道26a，26b的每一個中均可包括軸向隔離物111。如將會理解的那樣，第一冷卻劑流徑101a的入口區段103以及第二冷卻劑流徑101b的出口區段105可構造成流環道26的相鄰軸向區段，它們定位成位於它們內的軸向隔離物111的兩側。根據優選的實施例，軸向隔離物111構造成將鄰近的軸向區段中的每一個與彼此流體地密封。類似地，第二冷卻劑流徑101b的入口區段103以及第一冷卻劑流徑101a的出口區段105可形成為流環道26的相鄰軸向區段，它們定位成位於它們內的軸向隔離物111的兩側。軸向隔離物111也可構造成將鄰近的軸向區段中的每一個與彼此流體地密封。假定此構造，則第一冷卻劑流徑101a和第二冷卻劑流徑101b的入口區段103可描述成位於軸向隔離物111的後側，而第一冷卻劑流徑101a和第二冷卻劑流徑101b的出口區段105可描述成位於軸向隔離物111的前側。儘管其他的構造也是可能的，但軸向隔離物111可定位在限定於定子葉片17的前緣114和後緣115之間的軸向範圍內。如將會理解的那樣，前述構造導致第一冷卻劑流徑101a的入口區段103的下遊埠和第二冷卻劑流徑101b的出口區段105的上遊埠各自都穿過內側壁(或者更通常地，內流徑壁108a)形成，而第二冷卻劑流徑101b的入口區段103的下遊埠和第一冷卻劑流徑101a的出口區段105的上遊埠各自都穿過外側壁(或者更通常地，內流徑壁108a)形成。
第一冷卻劑流徑101a和第二冷卻劑流徑101b的入口區段103的上遊埠可包括穿過環道壁109的對應區段形成的開口，以用於允許一部分燃燒器空氣供應進入入口區段103。如圖所示，這些開口可構造成穿過環道壁109形成的衝擊埠41。因此，根據優選的實施例，第一冷卻劑流徑101a和第二冷卻劑流徑101b的入口區段103的上遊埠可包括分別穿過內環道壁109a和外環道壁109b形成的多個衝擊埠41。如將會理解的那樣，這樣的衝擊埠41可構造成用於衝擊來自壓縮機排放腔44的空氣流，並且使得到的空氣射流抵靠內流徑壁108a和外流徑壁108b的冷側成列，從而在運行期間對它主動冷卻。如將會理解的那樣，上遊埠的開口可構造成用來計量被引向一個或更多分級噴射器51的燃燒器空氣供應的部分。此分配可相對於否則將被引向前噴射器21的燃燒器空氣供應的剩餘部分而做出。根據某些實施例，燃燒器空氣供應的計量包括將其至少20%引向分級噴射器51。根據其他的優選實施例，燃燒器空氣供應的至少40%被引向分級噴射器51。
根據一個備選實施例，如圖21中所示，一個或更多表面埠118可穿過定子葉片17的翼型件113的外表面形成。在這種情況下，可提供連接器通道119，其從冷卻迴路104分支並且將表面埠流體地聯接到連接器通道中的一個上。如將會理解的那樣，可以這樣做來對翼型件113提供表面冷卻(即，膜冷卻)，以及經由連接器通道119的對流冷卻，連接器通道119可構造成延伸穿過沒有被冷卻迴路104覆蓋的翼型件113的內部區域。
根據優選的實施例，衝擊埠41不包括在冷卻劑流徑101的出口區段105中。具體地，環道壁109可構造成將冷卻劑流徑101的出口區段105與在其外部的任何流(例如，壓縮機排放腔44內的壓縮的空氣的流)流體地屏蔽或隔離開。如將會理解的那樣，可以這樣做使得到出口區段105的空氣的供應首先被迫使穿過冷卻劑流徑101a，101b的入口區段103以及冷卻迴路104。因此，對應於第一冷卻劑流徑101a的出口區段105的外環道壁109b可包括分離結構(即，構造成實心壁)，分離結構將移動穿過它的流與壓縮機排放腔44中的流流體地隔離。同樣，對應於第二冷卻劑流徑101b的出口區段105的內環道壁109a可包括分離結構，分離結構將移動穿過它的流與壓縮機排放腔44中的流流體地隔離。
如圖22中所示，分級噴射系統50可包括多於一個分級噴射器51。這些分級噴射器可位於燃燒器13中，或者如圖所示，多個分級噴射器51可包括位於渦輪12中的第一和第二分級噴射器51。在後一種情況下，第一分級噴射器51穿過外流徑壁108b形成且經由第一冷卻劑流徑101a供應空氣，而第二分級噴射器穿過內流徑壁108a形成且經由第二冷卻劑流徑101b供應空氣。根據示例性實施例，分級噴射器51可包括噴嘴53，噴嘴53延伸穿過或跨越流環道26，即，在流環道壁109和流徑壁108之間。在這種情況下，第一冷卻劑流徑101a的出口區段105的下遊埠可包括第一分級噴射器51的噴嘴53中的開口，而第二冷卻劑流徑101b的出口區段105的下遊埠可包括第二分級噴射器51的噴嘴53中的開口。
再次總體參考圖16到22，分級噴射器51可包括適於本文所述的功能的任何類型的常規燃料/空氣噴射器。根據某些優選的實施例，分級噴射器51可為包括位於流環道26外部的混合室62的噴射器。圖12中示出了這種類型噴射器的一個示例。備選地，分級噴射器51可為浸入型噴射器，如圖13中所示。在此情況下，噴嘴53從流徑壁108突出到工作流體流徑37中。根據其他的實施例，分級噴射器51可包括噴嘴53，噴嘴53具有與流徑壁108的熱側平齊定位的噴射埠61。圖11中示出了這種類型噴射器的一個示例。更一般地，分級噴射器51可包括噴嘴53，噴嘴53包括多個燃料埠56。可包括燃料通路52，其將燃料埠56連接到靠近燃燒器13的前端定位的燃料源上。如已經討論的那樣，燃料通路52可軸向地延伸穿過流徑壁108的內部。如圖20中所示，燃料通路52也可形成在流徑壁108外側。
當前實施例的分級噴射器51可沿著工作流體流徑37內的一系列位置定位。這些位置可包括本文已經討論的任何位置，包括關於圖2到15討論的那些。根據某些優選的實施例，分級噴射器51可相對於定子葉片17軸向地向前隔開預定的距離。分級噴射器51相對於定子葉片17向前隔開的預定的距離可基於預期運行狀態期間與由分級噴射器51噴射的燃料在到達定子葉片17之前優選在工作流體流徑37中駐留的最小時間相關的駐留標準。當分級噴射器51位於渦輪12內時，其可穿過定子葉片17的內側壁和外側壁的一個或兩者而形成。如將會理解的那樣，在這種情況下，內側壁和外側壁可為與翼型件113一體形成的構件。為了獲得分級噴射器51相對於定子葉片17必要的向前的間隔，噴射器穿過其形成的側壁沿向前的方向可以是伸長的。根據某些實施例，定子葉片17的伸長的側壁可延伸至燃燒器13和渦輪12之間的界面。如圖20中所示，分級噴射器51也可整體結合到後框架20中。當分級噴射器51定位在燃燒器13內時，某些優選的實施例包括將分級噴射器51大約定位在中間基準平面和後基準平面的中間。
如將會理解的那樣，當前討論的實施例的一個有利的方面是冷卻最前一排定子葉片17所需的大部分空氣流不再繞過燃燒。典型地相當大的此空氣流通常穿過定子葉片17循環且然後被排入穿過工作流體流徑37的熱氣體的流，從而將其稀釋。這負面地影響了發動機的性能。如將會理解的那樣，如果此空氣流可以通過用作到分級噴射器51的輸入而被減少或者替代，則燃氣渦輪機10可保持輸出和效率，同時允許燃燒器13在更低的溫度下運行，這產生了較少的nox。另外，既然這也可以允許發動機通常在相同的負載水平下更冷地運行，在其建造中就可以使用較便宜的材料。另外，如將會理解的那樣，與圖16到22相關的系統也使得能夠在降低整體系統壓力損耗方面實現相同的好處，如以上關於圖7到15的實施例所討論的那樣。
本領域普通技術人員將會理解的是，以上關於若干示例性實施例所描述的許多變化的特徵和構造可進一步選擇性地應用，以形成本發明其他可能的實施例。出於簡短的目的，並且考慮了本領域普通技術人員的能力，並沒有詳細提供或者討論全部可能的迭代，儘管由所附若干權利要求所包含的全部實施例的組合和可能的實施例或者其他都意在為本申請的一部分。另外，由本發明的若干示例性實施例的以上描述，本領域技術人員將會認知到改善、變化和改型。在本領域技術內的此類改善、變化和改型也意在由所述權利要求所覆蓋。另外，應該顯而易見的是前述僅涉及所描述的本申請的實施例，且在此可做出眾多變化和改型而不背離如由首府權利要求書及其等價物所限定的本申請的精神和範圍。