具有由旋流器集成的徑向燃料噴口的燃料噴嘴的製作方法

2023-10-23 14:42:57

專利名稱：具有由旋流器集成的徑向燃料噴口的燃料噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種渦輪發動機的燃料噴嘴，更具體地涉及一種具有
由旋流器(渦旋式噴嘴，swirler)集成的徑向燃料噴口 (噴管，jet)的燃
背景技術：
包括柴油發動機、氣體燃料發動機和其它本領域已知的發動機在內的 內燃機會排放空氣汙染物的複雜混合物。空氣汙染物可由包括氮氧化物 (NOx)的氣體化合物組成。由於對環境的日益關注，排氣排放的標準已 經變得日益嚴格，並且從發動機排放到大氣中的NOx的量可根據發動機的 類型、發動機的尺寸和/或發動機的等級來規定。
發動機高效率的方法是，設計和製造能產生具有低火焰溫度的均勻分布的 火焰的渦輪發動機。在2003年12月2日授予Boardman的美國專利 No.6，655，145 ( '145專利)中描述了這樣的一種方法。'145專利描述了 一種具有帶中心體的燃料噴嘴的渦輪發動機。在中心體的徑向遠側設置有 套筒部(barrel portion )。在中心體和套筒部之間設置有至少一個旋流器 葉片以將進入的壓縮空氣的方向改變成徑向。 一液體燃料通道穿過旋流器 葉片，並且位於所述旋流器葉片表面上的液體燃料噴口與所述通道流體連 通以將燃料沿軸向噴射到渦輪發動機的燃燒室中。當壓縮空氣流經旋流器 時，空氣與噴出的液體燃料混合以產生基本均一的空氣/燃料混合物，該空 氣/燃料混合物在^L點燃時產生具有低火焰溫度的均勻分布的火焰。
儘管'145專利的燃料噴嘴可改進空氣/燃料的混合和火焰分布，但是這還不夠並且存在問題。具體來說，由於液體燃料沿軸向噴射，所以在液 體燃料被適當混合和夾帶在壓縮空氣內之前，被改變成沿徑向方向的空氣 會朝著套筒部將液體燃料向外傳送到套筒部上。結果，會有一些燃料聚集
在套筒部上，形成大的燃料液滴，並且在被點燃時產生富NOx排氣的高溫 孤立區。聚集在套筒上的燃料也可能變成焦炭並形成降低燃料噴嘴的功能 性的障礙物或阻塞物。此外，這種液體燃料的不適當的分布和燃燒會降低 渦輪發動機的工作效率。
(本文)所公開的燃料噴嘴旨在克服上述的一個或多個問題。

發明內容
在一個方面中，本發明涉及一種燃料噴嘴。該燃料噴嘴包括公共軸線、 繞該7>共軸線設置的體部和位於該體部的徑向外側的套筒部。該燃料噴嘴 還包括至少一個設置在所述體部和所述套筒部之間的旋流器葉片和設置在 所述至少 一個旋流器葉片內的液體燃料噴口 。所述至少 一個旋流器葉片構 造成將空氣的軸向流改變成徑向。所述液體燃料噴口構造成相對於所述公 共軸線沿徑向噴射液體燃料。
在另一個方面中，本發明涉及一種在渦輪發動機內混合燃料和空氣的 方法。該方法包括壓縮進氣、沿軸向朝著至少一個旋流器葉片引導經壓縮 的進氣以及將沿軸向引導的經壓縮的進氣的方向改變成徑向。該方法還包 括從所述至少一個旋流器葉片沿徑向噴射液體燃料。


圖l是所公開的示例性渦輪發動機的立體剖視圖2A是用於圖1的渦輪發動機的所公開的示例性燃料噴嘴的剖視圖2B是用於圖2A的燃料噴嘴的所公開的示例性旋流器的端碎見圖；以
及
圖2C是設置在圖2B的旋流器內的所公開的示例性液體燃料噴口的近 視圖。
具體實施例方式
圖1示出一示例性的渦輪發動機10。渦輪發動機10可聯接在構造成 完成預定任務的固定不動的或機動的作業機械上。例如，渦輪發動機10
可表現為產生電力輸出的發電機組的主動力源或執行流體泵送操作的泵送
機構的主動力源。或者，渦輪發動機10可表現為運土機械、乘用車輛、船 只或本領域已知的任何其它機動機械的原動力。渦輪發動機10可包括壓縮 機部段12、燃燒室部段14、渦輪機部段16和排氣部段18。
壓縮機部段12可包括可旋轉以壓縮進氣的部件。具體地，壓縮機部段 12可包括一系列繞中軸24固定連接的可旋轉的壓縮機葉片22。當中軸24 旋轉時，壓縮機葉片22可將空氣吸入渦輪發動機10中並對空氣加壓。然 後該加壓空氣可糹皮導向燃燒室部段14而與液體和/或氣體燃料混合。可設 想壓縮機部段12還可包括與中軸24分離並且在渦輪發動機10工作期間保 持靜止不動的壓縮機葉片(未示出)。
燃燒室部段14可使燃料與來自壓縮機部段12的壓縮空氣混合併燃燒 該混合物以產生機械功輸出。具體地，燃燒室部段14可包括多個繞中軸 24成環狀地布置的燃料噴嘴26和與燃料噴嘴26相聯接的環形燃燒室28。 各個燃料噴嘴26可將液體燃料和氣體燃料中的一種或兩種都噴射到來自 壓縮機部段12的壓縮空氣流中以在燃燒室28內點燃。當燃料/空氣混合物 燃燒時，受熱的分子會膨脹並以高速運動到渦輪機部段16中。
如圖2A的剖面所示，每個燃料噴嘴26可包括協同工作以將氣體燃料 和液體燃料噴射入燃燒室28中的部件。具體地，燃料噴嘴26可包括具有 用於接收來自壓縮機部段12的壓縮空氣的入口和用於與燃燒室28連通的 出口的套筒殼體34、中心體36、導向燃料噴射器38和旋流器40。中心體 36可設置在套筒殼體34的徑向內側並沿公共軸線42對準。導向燃料噴射 器38可設置在中心體36內並且構造成將加壓燃料的導向流經中心體36 的末端44噴入燃燒室28中以利於渦輪發動機10的發動機起動、怠速運轉、 冷態工作和/或稀燃運轉。旋流器40可成環狀地布置在套筒殼體34和中心體36之間。
如圖2B和2C所示，旋流器40可設置成將來自壓縮機部段12的壓縮 空氣的軸向流改變成徑向。具體地，旋流器40可表現為具有多個位於壓縮 空氣的軸向流路內的相連接的葉片46的環形件45。當壓縮空氣接觸葉片 46時，其可4皮轉變成徑向向內的方向。在一個示例中，各葉片46可從套 筒殼體34沿徑向向內地朝向從公共軸線42偏移的一點延伸。也就是說， 各葉片46可具有相對於公共軸線42從半徑偏斜(cant off )的切向分量(部 件，component )以使在燃料噴嘴26下遊沿公共軸線42產生空位(voiding) 或流動分離的可能性最小。此外，各葉片46可相對於源自公共軸線42的 正交徑向線(例如，與z^共軸線42正交的徑向線)傾斜並且沿其徑向軸線 扭曲以沿徑向向內地施加力。
葉片46可有利於燃料噴射和在套筒殼體34內混合。具體地，葉片46 中的一些或全部均可包括液體燃料噴口 48和多個氣體燃料噴口 50。儘管 在圖2B的實施例中示出旋流器40的葉片46交替地包括液體燃料噴口 48, 但是可設想任何數量或構型的葉片46包括液體燃料噴口 48。
如在圖2C中最好地示出，液體燃料噴口 48可構造成從葉片46沿徑 向向內地噴射液體燃料。具體地，液體燃料噴口 48可表現為設置在葉片 46的外殼內並且從套筒殼體34朝向環形件45延伸的管狀構件。在一個示 例中，在葉片46的內表面和液體燃料噴口 48的外表面之間可存在氣隙47 以為包含在此處的液體燃料提供熱絕緣。但是可設想，在必要時也可省略 氣隙47。還可設想液體燃料噴口 48可選地表現為一體地形成在葉片46內 的通道。在渦輪發動機10工作期間，液體燃料噴口 48可接收液體燃料， 例如，來自位於套筒殼體34 (參見圖2A)外部的公共歧管(未示出)的2 號柴油，並且沿箭頭49的方向沿徑向向內地朝環形件45噴射液體燃料。
氣體燃料噴口 50可向燃燒室28提供質量流量不變的氣體燃料，例如， 天然氣、垃圾填埋氣、沼氣或任何其它合適的氣體燃料。具體地，氣體燃 料噴口 50可表現為沿著各葉片46的前緣設置的限流孔(restrictive orifice)。各氣體燃料噴口 50可與相關的葉片46內的中央燃料通道51連通以接收從外部源而來的氣體燃料。氣體燃料噴口 50處的限流(限制， restriction)可為燃料噴嘴26內的最大限流，從而可保證來自氣體燃料噴 口 50的氣體燃料的連續質量流量。該氣體燃料可從氣體燃料噴口 50迎著 壓縮空氣流沿軸向朝上遊噴射。燃燒室28 (參見圖1)可遮蔽燃燒過程。具體地，燃燒室28可與各燃 料噴嘴26流體連通並且可構造成接收燃料和壓縮空氣的基本均一的混合 物。燃料/空氣混合物可被點燃並在燃燒室28內充分燃燒。當燃料/空氣混 合物燃燒時，熱膨脹氣體可離開燃燒室28並進入渦輪機部段16。渦輪機部段16可包括可響應於來自燃燒室部段14的膨脹排氣流而旋 轉的部件。具體地，渦輪機部段16可包括一系列固定連接在中軸24上的 可旋轉的渦輪機轉子葉片30。當渦輪機轉子葉片30受到來自燃燒室部段 14的高能分子的轟擊時，膨脹分子可使中軸24旋轉，從而將燃燒能轉化 成有用的轉動能。然後可從渦輪發動機10中提取該轉動能並用於多種用 途。除了給各種外部裝置提供動力外，渦輪才幾轉子葉片30和中軸24的旋 轉還可驅動壓縮機葉片22旋轉。排氣部段18可將來自燃燒室部段14和渦輪機部段16的用過的排氣引 導到大氣中。如果需要，可設想排氣部段18可包括一個或多個構造成從排 氣中去除汙染物質的處理裝置和/或構造成降低與渦輪發動機10相關的噪 聲的衰減裝置。工業適用性所公開的燃料噴嘴可應用於任何需要低溫、分布良好的火焰的渦輪發 動機。所公開的燃料噴嘴可通過沿徑向向內地噴射液體燃料、伴隨著改變 了方向的壓縮空氣的徑向流一起來提供低溫、分布良好的火焰。下面將說 明燃料噴嘴26的操作。在渦輪發動機10的工作過程中，可將空氣吸入渦輪發動機10中並通 過壓縮機部段12 (參見圖1)壓縮。然後可將該壓縮空氣沿軸嚮導入燃燒 室部段14並迎面碰觸旋流器40的葉片46，在此處壓縮空氣流可螺旋狀地改變成沿徑向向內的方向。當壓縮空氣流轉變成沿徑向向內流動時，液體燃料可伴隨著壓縮空氣的流動從液體燃料噴口 48沿徑向向內地噴射，以在 燃燒之前混合。作為替換地或附加地，可對著壓縮空氣流沿軸向朝旋流器 40的上遊噴射氣體燃料以在燃燒之前混合。當燃料和空氣的基本均一的混 合物進入燃燒室28時，其可被點燃並充分燃燒。熱膨脹的排氣然後可被排 到渦輪機部段16中，在此處分子能可被轉化成渦輪機轉子葉片30和中軸 24的轉動能。渦輪^發動機10的燃料噴嘴26可具有多個優於現有技術的優點。具體 地，由於在噴射過程中液體燃料可包括沿徑向向內的動量，所以在液體燃 料氣化或被完全夾帶在壓縮空氣內之前，渦旋空氣的螺旋運動更難以將液 體燃料拋擲充分的距離而與套筒殼體34的內壁接觸。為此，較少的液體燃 料可沉積在套筒殼體34的內壁上，從而導致燃料噴嘴26的可靠的工作和 延長的部件壽命。此外，由於改變成徑向的壓縮空氣流朝著中心軸線42 向內運動而不是朝著套筒殼體34向外運動，所以在中心軸線42附近產生 空位或流動分離的可能性更小。本領域技術人員顯然清楚，能對所公開的燃料噴嘴做出各種修改和變 型。鑑於本說明書和對所公開的燃料噴嘴的實踐，其它實施例對本領域技 術人員而言是顯而易見的。本說明書和示例應被看作只是示例性的，真正 的範圍由所附權利要求及其等效物指明。
權利要求
1.一種燃料噴嘴(26)，包括公共軸線(42)；繞所述公共軸線設置的體部(36)；位於所述體部的徑向外側的套筒部(34)；至少一個設置在所述體部和所述套筒部之間的旋流器葉片(46)，所述至少一個旋流器葉片構造成將空氣的軸向流改變成徑向；和液體燃料噴口(48)，該液體燃料噴口設置在所述至少一個旋流器葉片內並且構造成相對於所述公共軸線沿徑向噴射液體燃料。
2. 根據權利要求l所述的燃料噴嘴，其特徵在於， 所述液體燃料噴口構造成伴隨著所述方向改變的空氣流沿徑向噴射液體燃料；以及所述旋流器葉片構造成將空氣流改變成沿徑向向內朝向所述公共軸線 的方向。
3. 根據權利要求l所述的燃料噴嘴，其特徵在於，所述液體燃料噴 口包括管狀構件(48)，該管狀構件設置在所述至少一個旋流器葉片內並 且通過空隙(47)與所述至少一個旋流器葉片的內壁分開。
4. 根據權利要求l所述的燃料噴嘴，其特徵在於，所述至少一個旋 流器葉片從所述套筒部沿徑向向內地朝向從所述公共軸線偏移的一點延 伸。
5. 根據權利要求l所述的燃料噴嘴，其特徵在於，還包括多個設置 在所述至少一個旋流器葉片內的氣體燃料噴口 (50)，其中所述多個氣體 燃料噴口中的每一個都包括設置在所述至少一個旋流器葉片的表面上的限 流孔。
6. —種在渦輪發動機(10)內混合燃料和空氣的方法，包括 壓縮進氣；沿軸向朝至少一個旋流器葉片(46)引導經壓縮的進氣；將所述沿軸向引導的經壓縮的進氣的方向改變成徑向；和 從所述至少一個旋流器葉片沿所述徑向噴射液體燃料。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述徑向是朝著相關 聯的燃料噴嘴(26)的公共軸線(42)指向內側的方向。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，還包括經相對於相關 聯的燃料噴嘴的7>共軸線的軸向成一角度的所述至少一個旋流器葉片沿徑 向向內地引導加壓燃料。
9. 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，還包括 從所述至少一個旋流器葉片噴射氣體燃料；和 限制氣體燃料的噴射。
10. —種渦輪發動機(IO)，包括 構造成對進氣加壓的壓縮機部段(12); 構造成接收所述壓縮空氣的燃燒室(28);和 構造成將燃料引導到所述燃燒室中的如權利要求1至5中任一項所述的燃料噴嘴(26)。
全文摘要
本發明公開了一種用於渦輪發動機(10)的燃料噴嘴(26)。該燃料噴嘴具有公共軸線(42)、繞所述公共軸線布置的體部(36)、位於所述體部的徑向外側的套筒部(34)。該燃料噴嘴還具有至少一個設置在所述體部和所述套筒部之間的旋流器葉片(40)和設置在所述至少一個旋流器葉片內的液體燃料噴口(48)。所述至少一個旋流器葉片構造成將空氣的軸向流改變成徑向。所述液體燃料噴口構造成相對於所述公共軸線沿徑向噴射液體燃料。
文檔編號F23R3/28GK101278152SQ200680036347
公開日2008年10月1日 申請日期2006年9月8日 優先權日2005年9月30日
發明者C·Z·特沃多施萊布, H·王, T·J·C·羅傑斯 申請人:索拉透平公司