用于空气动力学增强预混合器以减少排放的系统

摘要

本发明涉及用于空气动力学增强预混合器以减少排放的系统。更具体而言，一种用于空气动力学预混合器以减少排放的系统包括预混合器，该预混合器在形式上为大体圆柱形且由在第一环、第二环以及多个径向叶片之间的物理空间中的关系限定。发现第一环和第二环为沿它们的面向表面在所有点彼此大体等距的。径向叶片将第一环连接到第二环且由此形成预混合器。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2011年12月13日的美国临时申请序列号No. 61/569,904的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及用于空气动力学增强预混合器以减少排放的系统。

背景技术

实施例和备选方案提供了提高燃料效率同时减少排气排放的预混合器。实施例包括其中在燃料喷嘴(中心体)上方的边界层分布被控制以最小化排放的那些。在过去，一直难以增加流边界层处的流速同时还对构件适当地确定大小以在预混合器中实现最佳叶片形状，以及将燃烧器系统内的旋流器定位成更靠近在一起。这样，提供了实施例和备选方案，其实现通过利用混合器到混合器的接近度(proximity)减小而对燃料喷嘴(中心体)上方的边界层分布的准确控制、预混合器叶片倾斜以包括复合角的使用、降低的喷嘴/混合器倾斜灵敏度、以及混合器脚部轮廓。附加的边界层控制使用吹扫槽缝和在采用双径向混合器时的分流器来实现，吹扫槽缝置于预混合器脚部或喷嘴外径中的一者或两者上。

发明内容

根据本发明的一方面，公开了一种用于空气动力学增强预混合器以减少排放的系统，其包括预混合器，该预混合器在形式上为大体圆柱形且由在第一环、第二环以及一个或更多径向叶片之间的物理空间中的关系限定。其中，发现所述第一环和第二环为沿它们的面向表面在所有点彼此大体等距的，并且所述径向叶片将所述第一环连接到所述第二环且由此形成所述预混合器。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于空气动力学增强预混合器以减少排放的系统，其包括预混合器，该预混合器在形式上为大体圆柱形且由在第一环、第二环以及多个径向叶片之间的物理空间中的关系限定。其中，发现所述第一环和第二环为沿它们的面向表面在所有点彼此大体等距的，并且径向叶片将所述第一环连接到所述第二环且由此形成所述预混合器。

其中，所述第一环被认为大部分位于单个平面内且所述第二环在物理空间中偏移，使得所述第二环占据的平面大体平行于所述第一环的所述平面，并且所述第一环具有大体上分别在第一外点和第一内点处测量的第一环外径和第一环内径。

第一内肩部设置在所述径向叶片的内侧，并且第一外肩部设置在所述径向叶片的外侧，并且，所述第二环具有大体上分别在第二外点和第二内点处测量的第二环外径和第二环内径，并且第二内肩部在剖视图中位于一点处，在所述点，所述第二环的结构移动通过大体直角，从而形成为大体圆柱形的室。

还包括形成及设置在所述第二环上的一个或更多后唇吹扫流开口，所述室设置在主混合器中，大体上远离所述径向叶片所处的所述主混合器的区域，所述径向叶片具有在从0.010英寸至0.030英寸的范围内的入口半径。

并且，还包括形成于所述第一环内的一个或更多吹扫槽缝。

然而，所述第一环可被认为大部分位于单个平面内且所述第二环在物理空间中偏移，使得所述第二环占据的平面大体不平行于所述第一环的平面。

根据本发明的又一方面，公开了一种用于空气动力学增强预混合器以减少排放的系统，其包括预混合器，该预混合器在形式上为大体圆柱形且由在第一环、第二环以及多个径向叶片之间的物理空间中的关系限定。其中，发现所述第一环和第二环为沿它们的面向表面在所有点彼此大体等距的，并且所述径向叶片将所述第一环连接到所述第二环且由此形成所述预混合器。

其中，所述第一环被认为大部分位于单个平面内且所述第二环在物理空间中偏移，使得所述第二环占据的平面大体平行于所述第一环的平面，并且所述第一环具有大体上分别在第一外点和第一内点处测量的第一环外径和第一环内径。

第一内肩部设置在所述径向叶片的内侧，并且第一外肩部设置在所述径向叶片的外侧，并且，所述第二环具有大体上分别在第二外点和第二内点处测量的第二环外径和第二环内径，并且第二内肩部在剖视图中位于一点处，在所述点，所述第二环的结构移动通过大体直角，从而形成为大体圆柱形的室。

还包括形成及设置在所述第二环上的一个或更多后唇吹扫流开口，所述室设置在主混合器中，大体上远离所述径向叶片所处的所述主混合器的区域，所述径向叶片具有在从0.010英寸至0.030英寸的范围内的入口半径。

此外，还包括形成于所述第一环内的一个或更多吹扫槽缝，并且提供一个或更多分流器，所述分流器大体设置在所述径向叶片内。

附图说明

通过参考结合附图的以下描述，可以最好地理解用于空气动力学增强预混合器以减少排放的系统，在附图中：

图1是包括燃烧器的燃气涡轮发动机的示意图；

图2是带有空气动力学增强预混合器的示例性实施例的燃气涡轮发动机燃烧器的剖视图；

图3是示出图2的燃料喷嘴和预混合器的所选细节的放大剖视图；

图4a是示出备选的燃料喷嘴和预混合器的所选细节的放大剖视图；

图4b是示出另一备选的燃料喷嘴和预混合器的所选细节的放大剖视图；

图5是空气动力学增强预混合器的透视图；

图6是图5的空气动力学增强预混合器的另一透视图；

图7是示出图5的空气动力学增强预混合器的所选细节的剖视图；

图8至图9、图10至图11、图12至图13a、图14至图15、图16至图17、图18至图19、图20至图21、图22至图23、图24至图25、图28至图29以及图30至图31提供了成对的视图，每一对的第一视图以透视图示出，每一对的第二视图以剖视图示出，每一对视图如此选择以示出空气动力学增强预混合器的备选实施例的所选细节；

图13b和图13c示出空气动力学增强预混合器的吹扫槽缝的所选细节；

图26a、图26b和图27提供了一组三个视图，第一视图以透视图示出，第二视图以另一透视图示出，并且第三视图以剖视图示出，该组视图选择为示出空气动力学增强预混合器的备选实施例的人字形分流器的所选细节。

具体实施方式

以一般引用的方式，已开发出飞行器燃气涡轮发动机分级燃烧系统以限制诸如氮氧化物(NO_x)、未燃烧的烃(HC)和一氧化碳(CO)的不期望的燃烧产物组分的产生，特别是在机场附近，在此，它们有助于增加城市光化学烟雾问题。燃气涡轮发动机还设计成燃料高效的且具有低操作成本。影响燃烧器设计的其它因素为燃气涡轮发动机使用者对高效、低成本操作的期望，这转化为对在维持或甚至增加发动机输出的同时减少燃料消耗的需求。因此，飞行器燃气涡轮发动机燃烧系统的重要设计标准包括提供高燃烧温度，以便在各种发动机操作条件下提供高的热效率。另外，重要的是最小化不期望的燃烧条件，该燃烧条件有助于颗粒的排放、不期望气体的排放以及为光化学烟雾形成前体的燃烧产物的排放。

已使用的一种混合器设计被称为双环预混旋流器(TAPS)，其在下列美国专利中公开：No. 6,354,072、No. 6,363,726、No. 6,367,262、No. 6,381,964、No. 6,389,815、No. 6,418,726、No. 6,453,660、No. 6,484,489和No. 6,865,889。将会理解，TAPS混合器组件包括在整个发动机操作循环期间供有燃料的引燃(pilot)混合器和仅在发动机操作循环的增加功率条件下供有燃料的主混合器。虽然在具有序列号No. 11/188,596、No. 11/188,598和No. 11/188,470的专利申请中公开了在高功率条件(即起飞和升空)期间对组件的主混合器的改进，但希望修改引燃混合器以在维持燃烧效率的同时提高发动机操作范围的其它部分(即，空转、进场和巡航)的操作能力。为此且为了提供增加的功能和灵活性，TAPS型混合器组件中的引燃混合器已得到发展并在公布于2010年7月27日的名称为“Pilot Mixer For Mixer Assembly Of A Gas Turbine Engine Combustor Having A Primary Fuel Injector And A Plurality Of Secondary Fuel Injection Ports”的美国专利No. 7,762,073中公开。该专利归本申请的受让人所有且以引用方式并入本文中。

提交于2009年4月16日的名称为“DUAL ORIFICE PILOT FUEL INJECTOR”的美国专利申请序列号No. 12/424,612 (公布号 20100263382)公开了具有第一和第二引燃燃料喷嘴的燃料喷嘴，其设计成提高次空转效率、降低周围排气温度(EGT)变化同时维持对燃料喷射器结焦的低易感性。该专利申请归本申请的受让人所有且以引用方式并入本文中。

图1提供为取向且示出燃气涡轮发动机10的所选构件，其包括旁路风扇15、低压压缩机300、高压压缩机400、燃烧器16、高压涡轮500和低压涡轮600。

参照图2，示出了包括燃烧区18的燃烧器16的示例性实施例，燃烧区18由环形径向外衬里20和内衬里22限定且限定在两者间，外衬里20和内衬里22分别包围发动机中心线52。外衬里20和内衬里22位于环形燃烧器壳体26的径向内侧，环形燃烧器壳体26围绕外衬里20和内衬里22周向延伸。燃烧器16还包括环形拱顶34，其安装在燃烧区18上游且附连到外衬里20和内衬里22。拱顶34限定燃烧区18的上游端36，并且多个混合器组件40(仅示出一个)围绕拱顶34周向间隔开。每个混合器组件40包括引燃混合器102和安装在拱顶34中的预混合器104。

燃烧器16接纳来自高压压缩机排出口69的加压压缩机排放空气402的环形流，其被称为CDP空气(压缩机排放压力空气)。压缩机排放空气402的第一部分23流入混合器组件40中，在此燃料也被喷入以与空气混合并形成燃料空气混合物65，燃料空气混合物65被提供至燃烧区18以用于燃烧。燃料空气混合物65的点燃由合适的点火器70实现，并且所得燃烧气体60在轴向方向上流向且流入环形的第一级涡轮喷嘴72。第一级涡轮喷嘴72由环形流动通道限定，该通道包括多个径向延伸的圆形地间隔开的喷嘴叶片74，喷嘴叶片74使气体旋转，使得它们有角度地流动并冲击第一涡轮(未示出)的第一级涡轮叶片(未示出)。

图2中的箭头示出了压缩机排放空气在燃烧器16内流动的方向。压缩机排放空气402的第二部分24围绕外衬里20流动，并且压缩机排放空气402的第三部分25围绕内衬里22流动。图2中进一步示出的燃料喷射器11包括喷嘴基座或凸缘30，其适于被固定和密封到燃烧器壳体26。燃料喷射器11的中空杆32与凸缘30一体化或固定到凸缘30(例如通过钎焊或焊接)，并且包括燃料喷嘴组件12。中空杆32支撑燃料喷嘴组件12和引燃混合器102。在杆32顶部处的阀外壳37包含在以上引用的美国专利申请No. 20100263382中更详细示出和讨论的阀。

参照图2且在图3中示出进一步细节，燃料喷嘴组件12包括主燃料喷嘴61和到引燃混合器102的环形引燃入口54，压缩机排放空气14的第一部分23流过引燃入口54。燃料喷嘴组件12还包括在环形引燃入口54中基本上居中的双孔引燃燃料喷射器顶端57。双孔引燃燃料喷射器顶端57包括同心的一级引燃燃料喷嘴58和次级引燃燃料喷嘴59。引燃混合器102包括中心轴线120，双孔引燃燃料喷射器顶端57、一级引燃燃料喷嘴58和次级引燃燃料喷嘴59、环形引燃入口54和主燃料喷嘴61以中心轴线120为中心且包围中心轴线120。

引燃外壳99包括中心体103，并且径向向内支撑引燃燃料喷射器顶端57且径向向外支撑主燃料喷嘴61。中心体103径向设置在引燃燃料喷射器顶端57和主燃料喷嘴61之间。中心体103围绕引燃混合器102并限定室105，室105与引燃混合器102流动连通且在其下游。相对于发动机中心线52，引燃混合器102在径向内径ID处径向支撑双孔引燃燃料喷射器顶端57，并且中心体103在径向外径OD处径向支撑主燃料喷嘴61。主燃料喷嘴61设置在混合器组件40的预混合器104(参见图1)内，并且双孔引燃燃料喷射器顶端57设置在引燃混合器102内。燃料被来自引燃混合器102的空气流雾化，该空气流在环形次级出口100附近的平面中处于其最大速度。

参照图4a和图4b，提供了具有为喷嘴槽缝62的空气流通路的实施例和备选方案，喷嘴槽缝62设置在喷嘴61的结构内，从而允许在燃料喷射器11的所选结构之间的流体连通。所选结构包括但不限于中空杆32。

把我们的关注转到预混合器104且参照图3以及图5至图9，预混合器104在形式上通常为圆柱形，并且由第一环200、第二环220和多个径向叶片210之间的物理空间中的关系限定。更详细而言，实施例包括其中发现第一环200和第二环220为沿它们的面向表面在所有点彼此大体等距的那些。如果第一环200被认为大部分位于单个平面内，那么第二环220在物理空间中偏移，使得其所占据的平面大体平行于第一环200的平面。通过继续参照附图，然后可看到，径向叶片210将第一环200连接到第二环220且由此形成预混合器104。

提供了不需要环200、220的大体等距且平行的平面性质的备选方案。对于这样的实施例，环200、220设想为不设置在大体平行的平面中。

附加的实施例和备选方案提供了预混合器104，其具有根据需要选择性地形成或提供的多种附加的结构、腔、孔等，以便在燃烧中提供提高的燃料效率以及减少的排放。在图8至图31中已选择示出了若干备选方案；然而，图示实施例意图被视为范围更广泛的各种实施例和备选方案的范例。

再次参照图3和图7，备选方案包括其中第一环200具有通常分别在第一外部点202和第一内部点204处测量的第一环外径和第一环内径的那些。具体参照图3，第一环200的一部分示出为第一内环平台205。在一些实施例中发现第一内肩部206和第一外肩部或“脚部”208。第二环220具有通常分别在第二外部点222和第二内部点224处测量的第二环外径和第二环内径。第二内肩部226在剖视图中位于一点处，在该点，第二环220的结构移动通过大体直角，从而形成在备选实施例中为大体圆柱形的室228。一个或更多后唇吹扫流开口227根据需要形成及设置在环220上。室228设置在主混合器104中，大体上远离叶片210所处的主混合器104的区域。

回想(参见图2)压缩机排放空气14的第一部分23流入混合器组件40中，成为在发动机的压缩机段(未示出)中的上游被压缩并引导至燃烧器系统中的流体。这样的空气14从混合器组件40外侧到达，沿肩部226向内传递并被引导通过混合器40，并且向前通过室228离开而成为燃料空气混合物65的一部分。

通过选择性地改变在预混合器104的各种元件之间的以上这样限定的相应直径和距离的值，并且如图7至图31所示，提供了呈现所选和所期望的物理结构到流动路径中以优化通过预混合器104的流的实施例。例如，图5至图9中例示的预混合器104大体上提供了比现有设计更长的室228，从而提供更高的整体轴向速度。

图8示出一实施例的透视图且图9示出同一实施例的剖视图。后续成对的图(图10至图11、图12至图13等等，至图对30和31)提供了那些视图，每一对用于不同的说明性实施例和备选的预混合器104。图组26a-26c使用三个视图来说明包括分流器240的备选方案的细节。对于还包括波形242的后续图，为分流器240的细节而返回参照图26a至图26c。

参照图10至图19，例示的预混合器向图5至图9中例示的那些预混合器104的结构提供了吹扫槽缝230的添加。这些槽缝230帮助激活中心体103上的边界层(参见图4)。

参照图13a且还示出在图17中，备选的预混合器104包括如下提供的倾角700：

可以看到，如果与第一外点202的位置相比第一内点204轴向向内移位到主混合器104中，那么也会发现肩部206被并入如此形成的实施例中。如果肩部206与第一外点202大体上共同定位，那么沿第一环200的内表面呈现大体倾斜的轮廓。

在剖视图(参见图13和图17)中，容易看出倾角700在沿第一环200的内表面勾画大体倾斜轮廓的线和从喷射器11的中心线径向向外画出的线之间测量。提供备选方案，其具有设置在第一外点202内侧某个位置处且因此更靠近第一内点204的肩部。参照剖视图，在空气14到达预混合器104中时，对空气14呈现倾斜。这样的倾角700帮助提高效率并减少与提供带有减小的角向变化(当在剖视图中从侧面观察时)的流型14相关联的空气动力学损失。这样的空气动力学包装导致增强的边界层控制、提高的接近度和减小的堆叠灵敏度。倾角700的方式提供了边界层的控制，优化了旋流器包装，通过减小偏心度而提供了稳健的混合，并且允许减小混合器腔228的大小。

参照图10至图23，实施例和备选方案提供了与预混合器104分开形成的第二环220，其中第二环220配合至对应的结构，相关联的两件式组件由此变为预混合器104。

图10至图27还示出了具有根据需要设置及形成于第一环200内的多个吹扫槽缝230的实施例和备选方案。

图26a至图31提供了预混合器104的实施例的范例，对其提供了大体设置在叶片210内的一个或更多分流器240。这样的实施例提供了流14的提高的空气动力学效率。此外，图26a至图31中例示的备选方案还包括波形242，其形成及设置在分流器240上，以便进一步提高流14的空气动力学效率。

参照图18至图23，例示的预混合器提供了较短的预混合器104，其带有同时较短的径向叶片210且具有较长的室228，在其中内峰值速度分布被最大化。

参照图26a至图31，例示的预混合器在备选预混合器104上提供了进一步的区别。

具体而言，参照图26a、图26b和图27，除了在其它附图中例示的备选方案的径向叶片210之外，锥形叶片212大体形成在第一环200上且从其径向向内悬垂。此外，一个或更多分流器240设置在较短的预混合器104的大体径向内侧，预混合器104带有同时较短的径向叶片210且具有较长的室228，在其中内峰值速度分布被最大化。

参照图28至图31，一个或更多分流器240在轴向上位于第一环200和第二环220之间，并且沿此前示出为其它备选方案的径向叶片210的物体的长度介入(参见例如图26a、图26b和图27)。这样，图28至图31中例示的实施例将径向叶片210替换成两个径向叶片：设置在第一环200和分流器240之间的前部径向叶片216以及设置在分流器240和第二环220之间的后部径向叶片214。示出这样的实施例以增强低排放操作同时还提高动态空气流的可能。提供其它实施例，其代替径向叶片210中的一个或更多，一个或更多锥形叶片212大体形成在第一环上且从第一环径向向内悬垂。

另外的实施例提供了波形242，其设置在分流器240上，从而进一步增强低排放操作同时还提高动态空气流的可能。一些波形242形成为人字形形状。相对于如在任何特定实施例中发现的叶片210、前部径向叶片216和后部径向叶片214，一些备选方案提供了沿表面路径的急剧轮廓变化，如在从附近但远离这些叶片210、214、216的结构观察过渡时所见的那样。例如，在一些实施例中，叶片210、214、216通过冲压或包括切削和弯曲的其它操作而形成。相对于意图为非限制性的该示例更详细而言，实施例包括示出具有大约90度过渡角的叶片的那些，该过渡角对应于非常接近零—大约为钝角—的过渡半径。备选方案包括其中叶片210、214、216特征为较不急剧过渡的那些，该过渡代之为成圆角的过渡。这样的叶片210、214、216的过渡半径为入口半径211。备选方案包括其中入口半径211在从0.010英寸到0.030英寸的范围内的那些。另外的备选方案的特征为相对于叶片210、214、216急剧且成圆角的过渡。

返回参照带有图3、图4a和图4b所示细节的喷嘴61，提供预混合器104的实施例和备选方案，其中使用包括吹扫槽缝230和/或喷嘴槽缝62的槽缝来实现附加的边界层控制，吹扫槽缝230和/或喷嘴槽缝62分别设置在预混合器104的脚部208中的一者或两者处或者沿喷嘴61的外径设置。参照图4b，备选方案包括其中空气流通路形成为多于一个喷嘴槽缝62的那些，喷嘴槽缝允许附加的空气在预混合器104的脚部208附近但从脚部208径向向内穿过喷嘴61。

对于具有吹扫槽缝230的实施例且参照图13、图13b和图13c，备选方案提供吹扫槽缝，其形成为并入径向角度232(如图13中所示)和周向角度234中的任一者、两者或无一者的几何形状。关于周向角度234且参照图13b和图13c，平面236示出在图13b的预混合器104的透视图中。参照图13c中的平面236看到周向角度234。图13c的视点在平面236内，因此平面236在该视图中看起来是从6点钟到12点钟的竖直线。周向角度234从平面236取到沿吹扫槽缝230内的所选结构部分的面延伸的线，如图13c所示。备选方案包括其中径向角度在从约0度至约45度的范围内的那些。备选方案包括其中周向角度在从约0度至约60度的范围内的那些。实施例包括其中所有吹扫槽缝的数量与所有叶片的数量相同的那些。  

备选方案提供了吹扫槽缝230的所选设置或排列。例如，参照图15和图16，备选方案提供了，吹扫槽缝230在示出为介于第一内点204和第一内肩部206之间的区域内排放。参照图16和图17，其它实施例代之提供了，吹扫槽缝230不在由第一内点204和第一内肩部206限定的区域内排放，而是吹扫槽缝230径向进一步向内且因此沿第一内环平台205排放。

其它备选方案通过吹扫槽缝230的排列的其它选择而提供周向吹扫。实施例还通过吹扫槽缝230的排列的选择且还通过将第一环200的形状选择为包括第一外肩部208的形状和位置而提供可变的轴向吹扫。吹扫槽缝230提供了局部边界层控制。当与倾角700结合时，吹扫槽缝230还提供会聚且激活的边界层。当利用可变的轴向吹扫时，预混合器104受益于对预混合器104周向周围有时可见的泄漏变化的敏感性的降低。可变的轴向吹扫还允许在低功率下减少吹扫。

参照图18和图20，备选方案提供了，图18的吹扫槽缝230可选择性地增加尺寸(参见图20)，以充当一个或更多轴向叶片。这些轴向叶片还可充当图26a、图26b和图27中所示的锥形叶片的实施例。

备选方案(参见图26a、图26b和图27)提供了，一个分流器240在轴向上位于第一环200和第二环220之间，并且其中提供了一个锥形叶片和一个径向叶片；前部锥形叶片设置在第一环200和分流器240之间，后部径向叶片设置在分流器240和第二环220之间。

实施例和备选方案允许选择由室228限定的预混合器104的喉部的长度。通过将室228的长度除以叶片210的长度而确定这两个值的比。实施例通过选择期望值范围内的比值而提供提高的流和效率。备选方案包括其中室228长度与叶片210长度的比为从1:1至2:1的那些。例如且参照至少图20至图21中示出的实施例，备选方案(例如，参见图18至图19和图22至图23)包括其中叶片210形成为相对于室228紧凑从而导致比值处于1:1至2:1的范围的较高端的那些。这样的备选预混合器104示出NO_x的显著降低。实施例包括其中NO_x降低在从10%至20%的范围内的那些。

参照图3、图16和图17，实施例包括其中热增长和收缩作为被动方式被依赖的那些，以改变预混合器104相对于燃料喷射器11的相对位置，从而减小在高功率下泄漏间隙速度的不均匀性。更详细而言，第一环内平台205在平移运动中相对于燃料喷射器11喷嘴的所选结构轴向移动，从而打开或关闭燃料喷射器11和平台205之间的可用区域并因此提供被动吹扫空气控制。

接近度减小涉及用于将各自具有罩盖的多个燃料喷嘴以期望布置定位在燃烧系统内从而允许优化罩盖至罩盖距离的可能性。备选方案提供罩盖至罩盖距离为0.100英寸或更大。倾斜灵敏度涉及将脚部208相对于其它设计重新定位在径向下游的可能性。实施例和备选方案提供了允许10%的倾斜灵敏度减小，如由流14可见。如至少在图14中所示，具有大体在10度至45度之间的范围内的值的倾角700在流14中提供增加的速度、增加的雾化以及空气与燃料的混合，从而通过将低效率减少10%至20%的范围而提供可测量的提高，以及排放的减少。

虽然本文中已描述了可视为本发明的优选和示例性实施例的内容，但根据本文的教导，本发明的其它修改对于本领域技术人员而言应是显而易见的，并且因此希望将落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的修改保护在所附权利要求中。