一種採用螺線氣流的渦輪機燃燒室的製作方法

2023-05-31 01:11:36 2

專利名稱：一種採用螺線氣流的渦輪機燃燒室的製作方法
技術領域：
本發明涉及航空或陸地渦輪發動機燃燒室。
背景技術：
一般來講，航空或陸上渦輪發動機是由一個裝置構成，該裝置具體包括如下部 分 一個用來對流過渦輪機的空氣進行壓縮的環形壓縮段； 一個位於壓縮段出口端 的環形燃燒段，在此處，來自壓縮段的空氣與燃油混合併燃燒；以及一個位於燃燒 段出口端的環形渦輪段，該段帶有一個由來自燃燒段的氣體帶動旋轉的轉子。
燃燒段呈多級活動輪盤形式，每個活動輪盤裝有位於環形通道內的葉片，渦輪 機的空氣流經該環形通道，後者的截面從上遊向下遊逐漸縮小。燃燒段由燃燒室組 成，其同樣呈環形通道形式，壓縮空氣在此與燃油混合而燃燒。渦輪段由多級活動 輪盤組成，每個活動輪盤上裝有葉片，這些葉片位於燃燒氣體流過的環形通道內。
空氣一般按照如下順序流過上皿置來自壓縮段末級的壓縮空氣具有自然回
轉運動，其傾斜角相對於渦輪機的縱軸大約35°到45° ，該傾斜角的大小取決於 渦輪機的,。所述壓縮空氣在SA燃燒段時，整流葉片會將其、沿渦輪機的縱軸整 流z變直(g卩，壓縮空氣相對於渦輪機縱軸的傾斜角縮小到O。)。燃燒室內的空氣而
後與燃油混合，形成良好燃燒，燃燒後產生的氣體一臉沿渦輪機的縱軸繼續流動， 進而到達渦輪段。在渦輪段，燃燒氣體經由噴嘴再次改變方向，從而形成了迴轉運 動，其傾斜角相對於渦輪機的縱軸大於70。。這種傾斜角是形成迎角所必不可少的， 因為需要所述迎角來提供機械力，以便帶動渦輪段第一級活動輪盤旋轉。
流過渦輪機的空氣的這種傾斜角分配存在許多缺陷。自然離開壓縮段末級的空 氣具有一個傾斜角度，這個角度在34°到45°範圍內，其在iSA到燃燒段時不斷 地被整流(角度回到0° )，然後，在其itA至鵬輪段時再次改變方向，形成大於 70°的傾斜角度。空氣在流經渦輪機時，傾斜角的這種不斷改變要求壓縮段的整流 葉片和渦輪段的噴嘴產生強大的氣動力，而這種氣動力對渦輪機整體效能是特別有 損害的。

發明內容
本發明通過提出一種渦輪機燃燒室來解決上述問題，輸送妾術述燃燒室的空氣 可相對於渦輪機縱軸旋轉運動。
本發明這一目的可以通過一種燃燒室來實現，所述燃燒室包括
一個圍繞縱軸的內環形壁；
一個以縱軸為中心並圍繞內環形壁的外環形壁，可與內環形壁相互配合，形 成一個作為燃燒區域的環形空間；
一個橫向環形壁，可橫向連接內外環形壁的上遊縱向端部；
多個燃油噴射系統； 所述燃燒室的特徵在於
內環形壁包括了多個內臺階，均勻分布在縱軸的周圍，每個內臺階在內環形壁 的兩個縱向端部之間縱向延伸並向內環形壁的外部徑向伸出，兩個相鄰內臺階之間 的周圍空間形成了一個內腔室；
夕卜環形壁包括了多個外臺階，均勻分布在縱軸周圍，每個外臺階在外環形壁的 兩個縱向端部之間縱向延伸並向外環開遞的內部徑向伸出，兩個相鄰外臺階之間的 周圍空間形成了一個外腔室；
至少部分內腔室和外腔室沿實際圓周共同方向接受來自燃燒室外部的空氣，同 時其沿實際徑向方向接受燃油輸入。
向燃燒區域輸送的空氣是通過內外腔室在實際圓周方向上提供的。為此，本發 明所提出的燃燒室能夠接受可圍繞渦輪機縱軸旋轉運動的空氣。渦輪機壓縮段出口 處空氣固有傾斜角從而可以通過燃燒室得以保持。這樣，高壓渦輪噴嘴的氣動力設 計可以簡化，將氣流引向渦輪機軸線所需的氣動力也會因此而大大降低。氣動力的 這種極大下降有助於渦輪機效能的增加。此外，由於壓縮段整流葉片和渦輪段噴嘴 都可以簡化，從而減輕了重量，降低了製造成本。
此外，內外腔室一僅在渦輪機空轉自時需要供油一的使用可以穩定渦輪機所 有工作轉速時的燃燒火焰。
在一個方便的實施方式中，部分內外臺階分另抱括了實際徑向的壁，每個徑向 壁上設有多個噴氣孔口 ，向燃燒室外部和向鄰近的內腔室或外腔室打開。
根據本發明的另一個有利實施方式，每個內臺階和外臺階都分別包括了另一個 壁，該壁成橫截面形狀，該截面實際上呈曲線形狀。
還是在另一個有利實施方式中，燃油噴射系統包括弓l燃噴油器，與全油門噴油 器沿圓周交替布置。在這種情況下，全油門噴油器相對於弓燃噴油器在下遊形戱由 向偏置。來自弓l燃噴油器的火焰在燃燒室內需要停留的時間比來自全油門噴油器火 焰停留的時間長。
還是在另一個有利實施方式中，燃油噴射系統不包括相關的空氣系統(這些系 統通常用來使空氣旋轉，以便產生再循環，從而穩定燃燒火焰)。 本發明還提供了一種帶有上述燃燒室的渦輪機。
下面結合附圖進行介紹，本發明的其它特性和優點就會顯現出來，附圖所示實
施例並不表示本發明僅限於該實施例。


圖1為裝有根據本發明實施例的燃燒室的航空渦輪機局部縱向剖面圖； 圖2為圖1所示燃燒室的透視圖3為圖2所示燃燒室的正視圖； 二
圖4為圖3的剖面圖，沿IV-IV線剖開。
具體實施例方式
圖1為渦輪機的部分示意圖，所示為X-X縱軸。渦輪禾幾沿該縱軸具體包括一 個壓縮段100; —個按流過渦輪機的空氣流動方向布置在壓縮段100出口處的燃燒
段200;以及一個位於燃燒段200出口處的渦輪段300。噴入渦輪機的空氣從而連續 流過壓縮段IOO，然後是燃燒段200，最後進入渦輪段300。
壓縮段100呈多級活動輪盤102形式，每個活動輪盤上都裝有葉片104 (圖1 僅示出了壓縮段的最後一級)。這些級的葉片104都布置在環形通道106內，空氣沿 渦輪機流過該通道，通道截面從上遊向下遊逐漸減小。這樣，當噴入渦輪機的空氣 通過壓縮段時，便不斷地被壓縮。
同樣，燃燒段200也呈環形通道形式，來自壓縮段100的壓縮空氣經過該通道 後與燃油混合併燃燒。為此，燃燒段包括一個燃燒室202，空氣/燃油混合物在此燃 燒(該燃燒室將在下面詳細介紹)。
燃燒段200還帶有一個渦輪機殼體，由以渦輪機縱軸X-X為中心的外環204和 同軸固定在外環內的內環206構成。這兩個內外環204和206之間形成的環形空間 208接收來自渦輪機壓縮段100的壓縮空氣。
渦輪機渦輪段300呈多級活動輪盤302的形式，每個活動輪盤上裝有葉片304 (圖1隻示出了渦輪段的第一級)。這些級上的葉片304都置放在環形通道306內， 來自燃燒段200的氣體流過該環形通道306。
在渦輪段300的第一級302的入口處，來自燃燒段的氣體需要給出一個相對於 渦輪機縱軸X-X的傾斜角，該角度應足以帶動渦輪段的各個級轉動。
為此，在燃燒室202的緊下遊處和渦輪段300第一級302的緊上遊處安裝了一 個噴嘴308。噴嘴308由若干個靜止徑向葉片310組成，相對於渦輪機縱軸X-X傾 斜，可以使得燃燒段200來的氣體帶有一個傾斜角，該角度是帶動渦輪段各個級轉 動所必需的。
在傳統的渦輪IU:，連續通過壓縮段100、燃燒段200和渦輪段300的空氣分
配方式如下。來自壓縮段100末級102的壓縮空氣很自然地具有回瓶動，其傾斜 角相對於渦輪機的縱軸X-X大約35°到45° 。燃燒段200的整流葉片210將該傾 斜角恢復到O。。最後，在渦輪段300的入口處，來自燃燒段的氣體就通過噴嘴308 的靜止葉片310而重新導向，從而向氣體賦予一個迴轉運動，其相對於縱軸X-X的 傾斜角大於70。。
本發明提供了一個燃燒室202的新穎結構，所接受的空氣可圍繞渦輪機X-X縱 軸旋轉運動。採用這樣的結構，可以保存來自壓縮段末級壓縮空氣的固有傾斜角， 無需將空氣整流成與X-X縱軸相平行。同樣，渦輪段300噴嘴308的靜止葉片310 也不必再給出如此大的傾斜角，從而形成了為提供機械力而需要的迎角，該機械力 可驅動渦輪段第一級的活動輪盤302轉動。
為此，本發明提出的燃燒室202帶有一個內環形壁212,該壁以渦輪機的縱軸 X-X為中心，還提供有一個外環形壁214，後者同樣以縱軸X-X為中心，並圍繞在內 環形壁周圍，以便與其配合形成環形空間216，作為燃燒區域，以及一個橫向環形 壁218 (稱之為燃燒室端壁)，後者將內環形壁和外環形壁的縱端相互連接。
燃燒室的內環形壁212帶有若干個內臺階220，均勻分布在縱軸X-X的周圍。 每個內臺階220在內環形壁的兩個縱端(上遊和下遊)之間縱向延伸，並向內環形 壁的外部徑向延伸。
換言之，內環形壁212內表面的輪廓上帶有若干個臺階220，向該環形壁的外 部突出。此外，術語"內腔室"222用5tt示在兩個相鄰內臺階220之間形成的周 圍空間。
同樣，燃燒室的外環形壁214包括若干個外臺階224，均勻分布在縱軸X-X的 周圍。每個外臺階224在外環開邀的兩個縱端之間縱向延伸，並向外環形壁的內部 徑向延伸。
與內環形壁的方式相似，外環形壁214的外表面的輪廓上帶有若干個臺階224， 向該環形壁的內部突出。此外，術語"外腔室"226用來表示在兩個相鄰外臺階224 之間形成的周圍空間。
還是根據本發明，至少部分內腔室222和至少部分外腔室226沿實際徑向方向 接受燃油。
為此，本發明提出的燃燒室202還帶有多個燃油噴射系統228，圍繞渦輪機的 縱軸X-X分布在內外環形壁212和214上，並按實際上徑向的方向向燃燒區域216 打開。
更確切的說，如圖2和圖3所示，燃油噴射系統228向至少部分內腔室222和 至少部分外腔室226徑向打開。
這樣，在圖2到圖4的實施例中，燃油噴射系統228向所有外腔室226和僅向 每隔一個的內腔室222打開。顯然，其它的布置形式也是可以的所有的內腔室和
所有的夕卜腔室都輸入燃油；僅每隔一個外腔室和所有內腔室都輸入燃油，等等。確 定如何選擇腔室輸入布置形式的原則依賴於飛行航程中每個點燃燒室性能優化情 況。
噴油系統228還可包括弓燃噴油器228a，沿圓周方向與全油門噴油器228b交 錯布置。
這樣，在圖2到圖4的實施例中，向外腔室226輸送燃油的噴油系統228實際 上包括了交替布置的弓燃噴油器228a和全油門噴油器，向內腔室222輸送燃油的噴 油系統228實際上包括全油門噴油器和弓燃噴油器。
傳統上，引燃噴油器228a用於點火，同時在渦輪機空車運轉期間用於各個級， 而全油門噴油器228b則在起飛、爬升和巡航時j頓。 一般來講，引燃噴油器鏈續 供油，而起飛時，噴油器則僅只在大於某個預定,時才會得到供油。
根據本發明的一1^寺別有利特性，燃油噴射系統228並沒有相關的空氣系統， 諸如空氣渦旋裝置，後者為了穩定燃燒火焰在燃燒區域內產生迴轉空氣流。
為此，燃燒室的弓燃噴油器和全油門噴油器設計非常簡單，而且工作也非常可 靠，因為它們只是發揮其最基本功能，艮卩，噴油功能。此外，弓燃噴油器228a的類 型也可以和全油門噴油器228b相同。
此外，不同於圖2到圖4所示實施例，全油門噴油器228b在下遊處與弓燃噴油 器228a軸向偏置。
還是根據本發明，至少部分內腔室222和至少部分外腔室226輸入的空氣來自 燃燒室202外部，所有腔室都是沿相同的實際圓周方向受氣。
為此，通過相應的內外臺階220和224的實際徑向壁232所形成的若干個噴氣 孔口 230向內腔室222和外腔室226輸送空氣。這些噴氣孔口 230向燃燒室202的 外部打開，同時也沿實際圓周方向向對應的內腔室或外腔室打開。
這樣，按圖2到圖4所示實施例，通過，噴氣孔口可以向所有內腔室222和 所有外腔室226輸送空氣(g卩，甚至那些不接 料的內腔室)。顯然，根據要求， 也可以使用其它的布置形式只有其中部分內腔室和其中部分外腔室接受空氣。
應該說明的是，空氣沿相同旋轉方向(圖2和圖3所示實施例中的順時針方向) 沿圓周方向噴入到燃燒區216內，向燃燒室的所有內腔室222和所有夕卜腔室226噴 射空氣。此外，用來沿圓周方向噴入這些腔室的空氣轉動方向與來自渦輪機壓縮段 的壓縮空氣的旋轉方向相同。
另外，應該注意的是，向燃燒區域206輸送空氣只是通過沿圓周方向向部分內 腔室和外腔室打開的噴氣孔口 230皿行(極小量的空氣也，過多孔口進入到燃 燒區域，所述多孔口是在燃燒室的內環形壁212、外環形壁214壁和橫向環形壁218 上形成的，目的是冷卻這些壁，這些孔口圖中未示)。
最後，就腔室的徑向尺寸(即相應臺階的高度)，還是其圓周尺寸來講，內腔室
和外腔室所接受的燃油都不一定是均勻的，目的是停留時間能根據所述腔室瞎況得 以調整。同樣，如圖4所示，臺階的高度在沿戶脫壁的整個長度上也不一定是〖亙定 的(即上遊端部和下遊端部)。此外，進入這些腔室的空氣流量也會根據所述腔室情 況而改變。
燃燒室的工作原理如下來自壓縮段100並圍繞縱軸X-X轉動的壓縮空氣^A 到燃燒段200。空氣在燃燒室流動，並在7轉卩燃燒室的壁禾吶外環後輸入到至少部 分內腔室222和至少部分外腔室226內。該空氣通過噴氣孔口 230噴入這些腔室內， 沿其進入燃燒室時的旋轉方向流動。在輸送有空氣的部分所述腔室內，空氣與由噴 油系統228噴入的燃油混合而燃燒。
下面介紹了本發明所述燃燒室的各種不同的實施例。
在圖2和圖3所示實施例中，燃燒室的每個內臺階220和每個外臺階224都包 括另一個壁232'(與提f將噴氣孔口的壁232相對)，該壁沿實際周向方向延伸， 並提供有一個橫截面，該截面實際上呈曲線形式(不同於實際上平面徑向壁232)。 該壁的彎曲率可以形成一^I4"面，形成對經由噴氣孔口 230噴入腔室空氣旋轉運動 的補充。顯然，也可以設想採用任何其它形狀的壁(平面的或曲線形的)。
一般來講，燃燒室的內腔室和外腔室的數量和幾何尺寸會根據要求而不同。同 樣瞎況也適用於所述腔室內的噴氣孔口的數量、尺寸和位置，另外，也可以是相對 於內外臺階的燃油噴射系統的圓周位置。
最後，如圖1到圖4所示，燃燒室的每個內環形壁212和外環形壁214可以在
其下遊端帶有一個環形凸緣，分別為參考號234或236，這些凸緣上提供有若干個 孔口 238，均勻分布在縱軸X-X的周圍，用來向渦輪段300輸送冷卻空氣。
權利要求
1. 一種渦輪發動機燃燒室(202)，其包括一個圍繞縱軸(X-X)的內環形壁(212)；一個以縱軸為中心並圍繞內環形壁的外環形壁(214)，可與內環形壁配合，形成一個作為燃燒區域的環形空間(216)；一個橫向環形壁(218)，橫向連接內環形壁和外環形壁的上遊縱向端部；多個燃油噴射系統(228)；其特徵在於內環形壁(212)包括若干個內臺階(220)，均勻分布在縱軸的周圍，每個內臺階在內環形壁的兩個縱向端部之間縱向延伸，並向內環形壁的外部徑向延伸，兩個相鄰內臺階之間的周圍空間形成了一個內腔室(222)；外環形壁(214)包括若干個外臺階(224)，均勻分布在縱軸周圍，每個外臺階在外環形壁的兩個縱向端部之間縱向延伸，並向外環形壁外部徑向延伸，兩個相鄰外臺階之間的周圍空間形成了外腔室(226)；至少部分內腔室和外腔室沿實際上圓周共同方向接受來自燃燒室外部的空氣，同時，所述腔室則按實際上徑向方向接受燃油輸入。
2. 根據權利要求1所述的一種渦輪發動機燃燒室，其f寺徵在於，部分內臺階和外臺 階(220和224)分別包括實際徑向壁(232)，每個徑向壁上帶有若干個向燃燒室外 部和向鄰近內腔室或外腔室打開的噴氣孔口 (230)。
3. 根據權禾腰求2所述的一種渦輪發動機燃燒室，其特徵在於，每個內臺階和外臺 階(220和224)都分別包括另一個壁(232')，該壁提供了一種橫截面，該截面實際 上呈曲線形。
4. 根據權利要求1到3中任何一項權利要求所述的一種渦輪發動機燃燒室，其特徵 在於，燃油噴射系統(228)包括弓燃噴射器(228a)，與全油門噴射器(228b)沿圓周 方向交替布置。
5. 根據權利要求4所述的一種渦輪發動機燃燒室，其特徵在於，全油門噴油器(228b) 在下遊相對於弓l燃噴射器(228a)軸向偏置。
6. 根據權利要求1到5中任何一項權利要求所述的一種渦輪發動機燃燒室，其特徵 在於，燃油噴射系統(228)並不包括相關的空氣系統。
7. —種渦輪機，其特徵在於，其帶有一個根據權利要求1到6中任何一項權禾i傻求 所述的燃燒室(202)。
全文摘要
本發明涉及一種採用螺線氣流的渦輪機燃燒室，所述渦輪機燃燒室(202)，其帶有一個內環形壁(212)、一個環繞在內環形壁周圍以便與其配合形成燃燒區域空間的外環形壁(214)、一個連接內外環形壁的橫向壁，和一個燃油噴射系統(228)。內環形壁帶有若干個內臺階(220)，每個內臺階向內環形壁的外部徑向延伸，兩個鄰近內臺階之間的周圍空間形成了內腔室(222)。外環形壁帶有若干個外臺階(224)，每個外臺階向外環形壁的內部徑向延伸，兩個鄰近內臺階之間的周圍空間形成了外腔室(226)。至少部分內腔室和外腔室沿圓周的共同方向接受來自燃燒室外部的空氣，同時沿徑向方向接受燃油輸入。
文檔編號F23R3/58GK101382297SQ20081013557
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月5日 優先權日2007年9月5日
發明者羅曼·尼古拉斯·盧納爾, 麥可·皮埃爾·卡澤蘭斯 申請人:斯奈克瑪