1.技术领域
公开的实施方式总体上涉及用于燃烧涡轮发动机——比如燃气涡轮发动机——的方法和装置，并且更特别地涉及具有构造成用于减缓射流火焰中可能产生的燃烧动力(combustion dynamics)的燃料喷出孔布置的方法和装置。
2.相关技术的描述
某些燃气涡轮发动机可能使用形成多个射流火焰的燃烧器，这些燃烧器包括相对较长的预混合导管，以实现空气和燃料的适当预混合并且满足排放目标。这些火焰可能产生自激热声振荡，自激热声振荡可能形成燃烧过程的不期望的副作用。例如，这种热声振荡可能造成燃烧器部件上的过度的机械应力和热应力。
附图说明
图1是如可以在燃烧涡轮发动机中使用的实施本发明的方面的燃烧器装置的一个非限制性示例的立体图。
图2是包括燃料喷出孔的燃料喷管的一个非限制性实施方式的示意性侧视图，这些燃料喷出孔布置成形成有效抑制所得火焰中的热声学振荡的振荡干涉图案(例如，相消波形干涉)。
图3和图5分别是可以有助于使可以用来实现本发明的方面的燃料喷出孔的另外的非限制性布置概念化的示意图。
图4是包括可以由图3的燃料喷出孔的布置产生的空气和燃料的混合物的穴的概念性表示，并且图6是包括由图5的燃料喷出孔的布置产生的空气和燃料的混合物的穴的概念性表示。
图7是可以用来实现本发明的方面的燃料喷出孔的又一非限制性布置的示意图。
图8和图9分别示出了有助于将在所公开的实施构造成用于减缓射流火焰中可能产生的燃烧动力的燃料喷出孔布置的燃料喷射器中获得的实验数据的非限制性示例(图9)与在没有这种布置的燃料喷射器中获得的对应的实验数据(图8)相比较的相应的波形曲线图。
具体实施方式
本发明的发明人已经认识到在燃烧涡轮发动机、比如燃气涡轮发动机中可能使用的某些现有技术的燃烧器的背景下可能出现的某些问题。例如，形成多个射流火焰的燃烧器可能包括相对较长的预混合管道，这种相对较长的预混合管道可能由于预混合管道的长度与燃烧器系统的声波长度有关而影响燃烧动力。这种燃烧器的一个非限制性示例可以是射流火焰燃烧器，该射流火焰燃烧器在射流火焰中可能产生自激热声振荡，该自激热声振荡可能是由燃料和空气的质量流的相应波动——该燃料和空气的质量流的相应波动可能进而导致在当量比方面具有明显差异的燃料/空气混合物的穴(例如，富穴/贫穴)——而引起的。这些火焰振荡可能不利地影响射流火焰中的燃烧动力，并且可能进一步限制针对实现较低水平的NOx排放来对燃烧器系统进行调节的能力。
鉴于这样的认识，本发明人提出了一种改进的燃料喷射器，该燃料喷射器包括成阵列的燃料喷出位置，所述成阵列的燃料喷出位置策略性地布置成形成下述振荡干涉图案(例如，相消波干涉)：这种振荡干涉图案有效减小可能在预混合管道中形成的燃料/空气混合物的穴中当量比的差异的幅度，并且因而产生离开管道的更均匀的空气/燃料混合物和因而相对更稳定的火焰。也就是说，火焰具有下降的自激振荡水平。所提出的燃料喷射器被认为有效地扩大原本会在预混合管道中的燃料/空气混合物的穴中产生的当量比扰动的对流时间，并且因而所提出的燃料喷射器有效地从系统声学方面对燃烧器进行失谐调节，这进而有利于更宽的操作范围(operating envelope)，该更宽的操作范围提供了针对实现较低水平的NOx排放而对燃烧器系统进行调节的能力。
在下面的详细描述中，阐述了各种具体的细节以便提供对这些实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员应当理解的是，本发明的实施方式可以被实践成没有这些具体的细节，本发明不限于所描绘的实施方式，并且本发明可以以各种替代的实施方式实践。在其他实例中，没有对本领域技术人员原本已很好地理解的方法、过程和部件进行详细描述以避免不必要的且繁琐的说明。
此外，各种操作可以被描述为以有助于理解本发明的实施方式的方式执行的多个单独的步骤。然而，除非另外指明，否则描述的顺序不应当被解释为意味着这些操作需要以它们呈现的顺序来执行，也不应当被解释为意味着它们甚至是依赖顺序的。此外，短语“在一个实施方式中”的重复使用不一定指的是同一实施方式，但是该重复使用也可能指的是同一实施方式。应当指出的是，所公开的实施方式不需要被解释为相互排斥的实施方式，这是因为这些公开的实施方式的方面可以由本领域技术人员根据给定应用的需要适当地组合。
除非另外指明，否则本申请中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等意在是同义的。最后，如本文所使用的，短语“构造成”或“布置成”包含下述概念：短语“构造成”或“布置成”之前的特征被有意地并特别地设计成或制成以特定的方式起作用或工作并且不应当被解释为表示该特征仅具有以该特定的方式起作用或工作的能力或适用性，除非这样指明。
图1是如可以在燃烧涡轮发动机、比如燃气涡轮发动机中使用的实施本发明的方面的燃烧器装置10的立体图。在一个非限制性实施方式中，装置10包括设置在预混合通道24(例如，预混合管)中的燃料喷管12。燃料喷管12包括用以将燃料(例如，天然气或其他合适的燃料)朝向喷管12的下游端部16输送的燃料回路14。如在图1中可以理解的，预混合通道24包括布置成接收待与燃料混合的空气流(由箭头26示意性地表示)的上游入口。应当理解的是，在实际的实施方式中，多个预混合管、例如预混合管24、24’、24”和相应的燃料喷管、例如燃料喷管12、12’、12”可以周向地布置成围绕燃烧器装置10的纵向轴线34设置的一个或更多个环。在一个非限制性实施方式中，环形的流体转向导管33可以布置成将空气流引导到预混合通道24、24’、24”中。
如在图2中可以理解的，在燃料喷管12的第一轴向位置处设置有至少一第一燃料喷出孔40。在实际的实施方式中，燃料喷出孔40可以是在第一轴向位置处设置成排(例如，R1)的一组燃料喷出孔的一部分。如在图2中可以进一步理解的，在燃料喷管的第二轴向位置处设置有至少一第二喷出孔42。在实际的实施方式中，燃料喷出孔42可以是在第二轴向位置处设置成排(例如，R2)的一组燃料喷出孔的一部分。
在一个非限制性实施方式中，第一轴向位置与第二轴向位置之间的间隔(例如，标记为ΔL)布置成在包含朝向预混合通道24的下游出口45流动的空气和燃料的混合物的穴44中实现振荡干涉图案(例如，相消波干涉)。如本领域技术人员应当理解的，当叠加的波之间的相移是π的奇数倍时，发生相消波干涉。在一个非限制性实施方式中，燃料喷出孔的排R1与R2之间的间隔可以选择成引入相移ΔΦ，其中ΔΦ＝π*n，其中n＝1、3、5、7等等诸如此类。如本领域技术人员应当理解的，该相移(在时域中)是局部速度分布和预混合通道与火焰之间的距离的函数。由于燃料喷出孔的排R1与R2之间的间隔而引入的相移可以被调整到期望的给定频率。应当理解的是，本发明的方面既不限于两排燃料喷出孔，也不限于基于π的奇数倍的相移，这是因为这些参数可以基于给定应用的需要而调节。
振荡干涉图案有效地提升空气和燃料的混合物的均匀性，并且抑制在点燃空气和燃料的混合物时形成的火焰46中的热声振荡。例如，代替如在某些现有技术的燃烧器中出现的由富燃料穴或贫燃料穴构成这些穴，这些穴现在由于燃料喷出孔的排R1和R2的相对的轴向定位所产生的相消干涉而可以如图2中概念性地表示的那样被有利地表征为有效地包括富燃料(FR)区域和贫燃料(FL)区域两者。
在一个非限制性实施方式中，燃料喷出孔的各个排R1、R2可以包括分别跨越燃料喷管的外周的至少相应部分的燃料喷出孔的周向延伸的排。在一个非限制性实施方式中，第一轴向位置处的燃料喷出孔的周向延伸的排可以包括构造成用于富燃料喷射的燃料喷出孔，并且第二轴向位置处的燃料喷出孔的周向延伸的排可以包括构造成用于贫燃料喷射的燃料喷出孔。替代性地，第一轴向位置处的燃料喷出孔的周向延伸的排可以包括构造成用于贫燃料喷射的燃料喷出孔，并且第二轴向位置处的燃料喷出孔的周向延伸的排可以包括构造成用于富燃料喷射的燃料喷出孔。
例如，在如图3中示意性地表示的一个非限制性实施方式中，第一轴向位置处的燃料喷出孔40可以构造成用于富燃料喷射并且可以设置在燃料喷管的外周的第一区段(例如，标记为SFR的区段)上，并且第二轴向位置处的燃料喷出孔42可以构造成用于贫燃料喷射并且可以设置在燃料喷管的外周的第二区段(例如，标记为SFL的区段)上。在该非限制性实施方式中，第一区段SFR和第二区段SFL包括在周向上不重叠的区段。图4是包括由图3的燃料喷出孔布置所可能产生的空气和燃料的混合物的穴48的概念性表示。在该示例中，穴48由与区段SFR对应的富燃料(FR)区域和与区段SFL对应的贫燃料(FL)区域构成。
在如图5中示意性地表示的另一非限制性实施方式中，第一轴向位置处的燃料喷出孔40可以在燃料喷管的外周上设置在第一组周向位置处(例如，标记为FR以指示富燃料喷射)，并且第二轴向位置处的燃料喷出孔42在燃料喷管的外周上设置在第二组周向位置处(例如，标记为FL以指示贫燃料喷射)。在该非限制性实施方式中，如在图6——其中穴50包括成角度地交错布置的贫燃料喷射(FL)的组成部分和富燃料喷射(FR)的组成部分——中概念性地示出的那样，第一组周向位置FR与第二组周向位置FL交错布置以促进空气/燃料在各个穴内的混合。
如在图7中示意性地示出的，应当理解的是，第一轴向位置处的燃料喷出孔的周向延伸的排——例如，排R1——可以包括至少一些构造成用于富燃料喷射(FR)的燃料喷出孔和至少一些构造成用于贫燃料喷射(FL)的燃料喷出孔。类似地，第二轴向位置处的燃料喷出孔的周向延伸的排——例如，排R2——可以包括构至少一些造成用于富燃料喷射(FR)的燃料喷出孔和至少一些构造成用于贫燃料喷射的燃料喷出孔(FL)。
应当理解的是，本发明的方面不限于在给定燃料喷射器中针对燃料喷出孔的任何特定的图案，因为这种图案在燃料喷射器层面上可以被定制。此外，应当理解的是，设计者具有在燃烧器和/或燃烧器系统层面上定制针对燃料喷出孔的图案的灵活性。例如，假设给定的燃烧器使用十个燃料喷射器，则十个燃料喷射器中针对燃料喷出孔的各个图案不需要彼此相同，这是因为这些图案可以在燃烧器层面上被定制。在又一示例中，假设燃气涡轮机中给定的燃烧器系统使用七个燃烧器的布置，则在该燃烧器布置中的七个燃烧器中针对燃料喷出孔的图案不需要彼此相同，这是因为这些图案可以在燃烧器系统层面上被定制。应当进一步理解的是，本发明的方面不限于针对燃料喷出孔的任何特定的形状。非限制性示例可以是圆形形状、长形形状、椭圆形形状以及前述形状中的两者或更多者的组合。
图8和图9分别示出了有助于将在所公开的实施了用于减缓燃烧动力的燃料喷出孔布置的燃料喷射器中获得的实验数据的非限制性示例(图9)与在没有这种布置的燃料喷射器中获得的对应的数据(图8)进行比较的相应的曲线图。更具体地指出了与图9中的燃烧动力70的实际上可忽略的水平相比较的图8中的燃烧动力60的显著谱带。
在操作中，所公开的实施方式被认为提供了具有优异的空气-燃料混合能力的节约成本的且可靠的燃烧器装置，该优异的空气-燃料混合能力有助于使火焰的自激振荡的水平降低。此外，所公开的实施方式被认为提供了用于从系统声学的角度对燃烧器进行失谐调节的优良器件，这进而有助于更宽的操作范围，该更宽的操作范围提供了针对实现较低水平的NOx排放而对燃烧器系统进行调节的能力。
尽管本公开的实施方式已经以示例性的形式公开，但是对于本领域技术人员而言将显而易见的是，在不背离如所附权利要求中阐述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，本公开的实施方式中可以进行许多修改、添加和删除。