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制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)：
包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和其它本領(lǐng)域已知的發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的 內(nèi)燃機(jī)會(huì)排放空氣污染物的復(fù)雜混合物?？諝馕廴疚锟捎砂ǖ趸?(NOx)的氣體化合物組成。由于對(duì)環(huán)境的日益關(guān)注，排氣排放的標(biāo)準(zhǔn)已 經(jīng)變得日益嚴(yán)格，并且從發(fā)動(dòng)機(jī)排放到大氣中的NOx的量可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的 類型、發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和/或發(fā)動(dòng)機(jī)的等級(jí)來規(guī)定。
發(fā)動(dòng)機(jī)高效率的方法是，設(shè)計(jì)和制造能產(chǎn)生具有低火焰溫度的均勻分布的 火焰的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。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(fā)動(dòng)機(jī)。在中心體的徑向遠(yuǎn)側(cè)設(shè)置有 套筒部(barrel portion )。在中心體和套筒部之間設(shè)置有至少一個(gè)旋流器 葉片以將進(jìn)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，并且位于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(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中。當(dāng)壓縮空氣流經(jīng)旋流器 時(shí)，空氣與噴出的液體燃料混合以產(chǎn)生基本均一的空氣/燃料混合物，該空 氣/燃料混合物在^L點(diǎn)燃時(shí)產(chǎn)生具有低火焰溫度的均勻分布的火焰。
盡管'145專利的燃料噴嘴可改進(jìn)空氣/燃料的混合和火焰分布，但是這還不夠并且存在問題。具體來說，由于液體燃料沿軸向噴射，所以在液 體燃料被適當(dāng)混合和夾帶在壓縮空氣內(nèi)之前，被改變成沿徑向方向的空氣 會(huì)朝著套筒部將液體燃料向外傳送到套筒部上。結(jié)果，會(huì)有一些燃料聚集
在套筒部上，形成大的燃料液滴，并且在被點(diǎn)燃時(shí)產(chǎn)生富NOx排氣的高溫 孤立區(qū)。聚集在套筒上的燃料也可能變成焦炭并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(dāng)?shù)姆植己腿紵龝?huì)降低 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。
(本文)所公開的燃料噴嘴旨在克服上述的一個(gè)或多個(gè)問題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面中，本發(fā)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(shè)置的體部和位于該體部的徑向外側(cè)的套筒部。該燃料噴嘴 還包括至少一個(gè)設(shè)置在所述體部和所述套筒部之間的旋流器葉片和設(shè)置在 所述至少 一個(gè)旋流器葉片內(nèi)的液體燃料噴口 。所述至少 一個(gè)旋流器葉片構(gòu) 造成將空氣的軸向流改變成徑向。所述液體燃料噴口構(gòu)造成相對(duì)于所述公 共軸線沿徑向噴射液體燃料。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)混合燃料和空氣的 方法。該方法包括壓縮進(jìn)氣、沿軸向朝著至少一個(gè)旋流器葉片引導(dǎo)經(jīng)壓縮 的進(jìn)氣以及將沿軸向引導(dǎo)的經(jīng)壓縮的進(jìn)氣的方向改變成徑向。該方法還包 括從所述至少一個(gè)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(fā)動(dòng)機(jī)的立體剖視圖2A是用于圖1的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的所公開的示例性燃料噴嘴的剖視圖2B是用于圖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(shè)置在圖2B的旋流器內(nèi)的所公開的示例性液體燃料噴口的近 視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出一示例性的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可聯(lián)接在構(gòu)造成 完成預(yù)定任務(wù)的固定不動(dòng)的或機(jī)動(dòng)的作業(yè)機(jī)械上。例如，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10
可表現(xiàn)為產(chǎn)生電力輸出的發(fā)電機(jī)組的主動(dòng)力源或執(zhí)行流體泵送操作的泵送
機(jī)構(gòu)的主動(dòng)力源?；蛘?，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可表現(xiàn)為運(yùn)土機(jī)械、乘用車輛、船 只或本領(lǐng)域已知的任何其它機(jī)動(dòng)機(jī)械的原動(dòng)力。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括壓縮 機(jī)部段12、燃燒室部段14、渦輪機(jī)部段16和排氣部段18。
壓縮機(jī)部段12可包括可旋轉(zhuǎn)以壓縮進(jìn)氣的部件。具體地，壓縮機(jī)部段 12可包括一系列繞中軸24固定連接的可旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)葉片22。當(dāng)中軸24 旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮機(jī)葉片22可將空氣吸入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10中并對(duì)空氣加壓。然 后該加壓空氣可纟皮導(dǎo)向燃燒室部段14而與液體和/或氣體燃料混合?？稍O(shè) 想壓縮機(jī)部段12還可包括與中軸24分離并且在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10工作期間保 持靜止不動(dòng)的壓縮機(jī)葉片(未示出)。
燃燒室部段14可使燃料與來自壓縮機(jī)部段12的壓縮空氣混合并燃燒 該混合物以產(chǎn)生機(jī)械功輸出。具體地，燃燒室部段14可包括多個(gè)繞中軸 24成環(huán)狀地布置的燃料噴嘴26和與燃料噴嘴26相聯(lián)接的環(huán)形燃燒室28。 各個(gè)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(jī)部段12的壓縮空氣流中以在燃燒室28內(nèi)點(diǎn)燃。當(dāng)燃料/空氣混合物 燃燒時(shí)，受熱的分子會(huì)膨脹并以高速運(yùn)動(dòng)到渦輪機(jī)部段16中。
如圖2A的剖面所示，每個(gè)燃料噴嘴26可包括協(xié)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 用于接收來自壓縮機(jī)部段12的壓縮空氣的入口和用于與燃燒室28連通的 出口的套筒殼體34、中心體36、導(dǎo)向燃料噴射器38和旋流器40。中心體 36可設(shè)置在套筒殼體34的徑向內(nèi)側(cè)并沿公共軸線42對(duì)準(zhǔn)。導(dǎo)向燃料噴射 器38可設(shè)置在中心體36內(nèi)并且構(gòu)造成將加壓燃料的導(dǎo)向流經(jīng)中心體36 的末端44噴入燃燒室28中以利于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)、 冷態(tài)工作和/或稀燃運(yùn)轉(zhuǎn)。旋流器40可成環(huán)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(shè)置成將來自壓縮機(jī)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(xiàn)為具有多個(gè)位于壓縮 空氣的軸向流路內(nèi)的相連接的葉片46的環(huán)形件45。當(dāng)壓縮空氣接觸葉片 46時(shí)，其可4皮轉(zhuǎn)變成徑向向內(nèi)的方向。在一個(gè)示例中，各葉片46可從套 筒殼體34沿徑向向內(nèi)地朝向從公共軸線42偏移的一點(diǎn)延伸。也就是說， 各葉片46可具有相對(duì)于公共軸線42從半徑偏斜(cant off )的切向分量(部 件，component )以使在燃料噴嘴26下游沿公共軸線42產(chǎn)生空位(voiding) 或流動(dòng)分離的可能性最小。此外，各葉片46可相對(duì)于源自公共軸線42的 正交徑向線(例如，與z^共軸線42正交的徑向線)傾斜并且沿其徑向軸線 扭曲以沿徑向向內(nèi)地施加力。
葉片46可有利于燃料噴射和在套筒殼體34內(nèi)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(gè)氣體燃料噴口 50。盡管 在圖2B的實(shí)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(shè)想任何數(shù)量或構(gòu)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(gòu)造成從葉片46沿徑 向向內(nèi)地噴射液體燃料。具體地，液體燃料噴口 48可表現(xiàn)為設(shè)置在葉片 46的外殼內(nèi)并且從套筒殼體34朝向環(huán)形件45延伸的管狀構(gòu)件。在一個(gè)示 例中，在葉片46的內(nèi)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(shè)想，在必要時(shí)也可省略 氣隙47。還可設(shè)想液體燃料噴口 48可選地表現(xiàn)為一體地形成在葉片46內(nèi) 的通道。在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10工作期間，液體燃料噴口 48可接收液體燃料， 例如，來自位于套筒殼體34 (參見圖2A)外部的公共歧管(未示出)的2 號(hào)柴油，并且沿箭頭49的方向沿徑向向內(nèi)地朝環(huán)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(zhì)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(xiàn)為沿著各葉片46的前緣設(shè)置的限流孔(restrictive orifice)。各氣體燃料噴口 50可與相關(guān)的葉片46內(nèi)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(nèi)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(xù)質(zhì)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游噴射。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流體連通并且可構(gòu)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(diǎn)燃并在燃燒室28內(nèi)充分燃燒。當(dāng)燃料/空氣混 合物燃燒時(shí)，熱膨脹氣體可離開燃燒室28并進(jìn)入渦輪機(jī)部段16。渦輪機(jī)部段16可包括可響應(yīng)于來自燃燒室部段14的膨脹排氣流而旋 轉(zhuǎn)的部件。具體地，渦輪機(jī)部段16可包括一系列固定連接在中軸24上的 可旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片30。當(dāng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片30受到來自燃燒室部段 14的高能分子的轟擊時(shí)，膨脹分子可使中軸24旋轉(zhuǎn)，從而將燃燒能轉(zhuǎn)化 成有用的轉(zhuǎn)動(dòng)能。然后可從渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10中提取該轉(zhuǎn)動(dòng)能并用于多種用 途。除了給各種外部裝置提供動(dòng)力外，渦輪才幾轉(zhuǎn)子葉片30和中軸24的旋 轉(zhuǎn)還可驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉片22旋轉(zhuǎn)。排氣部段18可將來自燃燒室部段14和渦輪機(jī)部段16的用過的排氣引 導(dǎo)到大氣中。如果需要，可設(shè)想排氣部段18可包括一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造成從排 氣中去除污染物質(zhì)的處理裝置和/或構(gòu)造成降低與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10相關(guān)的噪 聲的衰減裝置。工業(yè)適用性所公開的燃料噴嘴可應(yīng)用于任何需要低溫、分布良好的火焰的渦輪發(fā) 動(dòng)機(jī)。所公開的燃料噴嘴可通過沿徑向向內(nèi)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(fā)動(dòng)機(jī)10的工作過程中，可將空氣吸入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10中并通 過壓縮機(jī)部段12 (參見圖1)壓縮。然后可將該壓縮空氣沿軸向?qū)肴紵?室部段14并迎面碰觸旋流器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(nèi)的方向。當(dāng)壓縮空氣流轉(zhuǎn)變成沿徑向向內(nèi)流動(dòng)時(shí)，液體燃料可伴隨著壓縮空氣的流動(dòng)從液體燃料噴口 48沿徑向向內(nèi)地噴射，以在 燃燒之前混合。作為替換地或附加地，可對(duì)著壓縮空氣流沿軸向朝旋流器 40的上游噴射氣體燃料以在燃燒之前混合。當(dāng)燃料和空氣的基本均一的混 合物進(jìn)入燃燒室28時(shí)，其可被點(diǎn)燃并充分燃燒。熱膨脹的排氣然后可被排 到渦輪機(jī)部段16中，在此處分子能可被轉(zhuǎn)化成渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片30和中軸 24的轉(zhuǎn)動(dòng)能。渦輪^發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃料噴嘴26可具有多個(gè)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。具體 地，由于在噴射過程中液體燃料可包括沿徑向向內(nèi)的動(dòng)量，所以在液體燃 料氣化或被完全夾帶在壓縮空氣內(nèi)之前，渦旋空氣的螺旋運(yùn)動(dòng)更難以將液 體燃料拋擲充分的距離而與套筒殼體34的內(nèi)壁接觸。為此，較少的液體燃 料可沉積在套筒殼體34的內(nèi)壁上，從而導(dǎo)致燃料噴嘴26的可靠的工作和 延長的部件壽命。此外，由于改變成徑向的壓縮空氣流朝著中心軸線42 向內(nèi)運(yùn)動(dòng)而不是朝著套筒殼體34向外運(yùn)動(dòng)，所以在中心軸線42附近產(chǎn)生 空位或流動(dòng)分離的可能性更小。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然清楚，能對(duì)所公開的燃料噴嘴做出各種修改和變 型。鑒于本說明書和對(duì)所公開的燃料噴嘴的實(shí)踐，其它實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域技 術(shù)人員而言是顯而易見的。本說明書和示例應(yīng)被看作只是示例性的，真正 的范圍由所附權(quán)利要求及其等效物指明。
權(quán)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(shè)置的體部(36)；位于所述體部的徑向外側(cè)的套筒部(34)；至少一個(gè)設(shè)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(gè)旋流器葉片構(gòu)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(shè)置在所述至少一個(gè)旋流器葉片內(nèi)并且構(gòu)造成相對(duì)于所述公共軸線沿徑向噴射液體燃料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料噴嘴，其特征在于， 所述液體燃料噴口構(gòu)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(gòu)造成將空氣流改變成沿徑向向內(nèi)朝向所述公共軸線 的方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述液體燃料噴 口包括管狀構(gòu)件(48)，該管狀構(gòu)件設(shè)置在所述至少一個(gè)旋流器葉片內(nèi)并 且通過空隙(47)與所述至少一個(gè)旋流器葉片的內(nèi)壁分開。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述至少一個(gè)旋 流器葉片從所述套筒部沿徑向向內(nèi)地朝向從所述公共軸線偏移的一點(diǎn)延 伸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料噴嘴，其特征在于，還包括多個(gè)設(shè)置 在所述至少一個(gè)旋流器葉片內(nèi)的氣體燃料噴口 (50)，其中所述多個(gè)氣體 燃料噴口中的每一個(gè)都包括設(shè)置在所述至少一個(gè)旋流器葉片的表面上的限 流孔。
6. —種在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)內(nèi)混合燃料和空氣的方法，包括 壓縮進(jìn)氣；沿軸向朝至少一個(gè)旋流器葉片(46)引導(dǎo)經(jīng)壓縮的進(jìn)氣；將所述沿軸向引導(dǎo)的經(jīng)壓縮的進(jìn)氣的方向改變成徑向；和 從所述至少一個(gè)旋流器葉片沿所述徑向噴射液體燃料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述徑向是朝著相關(guān) 聯(lián)的燃料噴嘴(26)的公共軸線(42)指向內(nèi)側(cè)的方向。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括經(jīng)相對(duì)于相關(guān) 聯(lián)的燃料噴嘴的7>共軸線的軸向成一角度的所述至少一個(gè)旋流器葉片沿徑 向向內(nèi)地引導(dǎo)加壓燃料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括 從所述至少一個(gè)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(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，包括 構(gòu)造成對(duì)進(jìn)氣加壓的壓縮機(jī)部段(12); 構(gòu)造成接收所述壓縮空氣的燃燒室(28);和 構(gòu)造成將燃料引導(dǎo)到所述燃燒室中的如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的燃料噴嘴(26)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(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)、位于所述體部的徑向外側(cè)的套筒部(34)。該燃料噴嘴還具有至少一個(gè)設(shè)置在所述體部和所述套筒部之間的旋流器葉片(40)和設(shè)置在所述至少一個(gè)旋流器葉片內(nèi)的液體燃料噴口(48)。所述至少一個(gè)旋流器葉片構(gòu)造成將空氣的軸向流改變成徑向。所述液體燃料噴口構(gòu)造成相對(duì)于所述公共軸線沿徑向噴射液體燃料。
文檔編號(hào)F23R3/28GK101278152SQ200680036347
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2006年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者C·Z·特沃多施萊布, H·王, T·J·C·羅杰斯 申請(qǐng)人:索拉透平公司