帶有改進的進氣道的渦輪機燃燒室的製作方法

2023-07-30 10:16:46

專利名稱：帶有改進的進氣道的渦輪機燃燒室的製作方法
技術領域：
本發明涉及渦輪機領域，諸如飛機渦輪機，而且，特別涉及渦輪機環形燃燒室。
背景技術：
渦輪機包括至少一個位於燃燒室出口處的渦輪，以便從該燃燒室噴入的主燃氣流中提取能量，並驅動位於燃燒室上遊的壓氣機，向該燃燒室提供壓縮空氣。渦輪機的燃燒室一般包括兩個同軸環形壁，分別為徑向內壁和徑向外壁，環形壁圍繞燃燒室軸線，沿渦輪機內主燃氣流的流動方向，從上遊向下遊延伸，並通過燃燒室背部的環形端壁在上遊端彼此相連，而環形端壁圍繞上述軸線呈大體徑向延伸。這種環形端壁上裝有一排環形布置的噴油系統，這些系統有規律地分布在該軸線的周圍，從而將空氣和燃油引入燃燒室。每個噴油系統一般包括支撐燃油噴頭的裝置，該裝置上安裝有噴射空氣和在燃燒室內以細油滴形式霧化燃油的氣動力裝置。運行時，這種類型的噴油系統一般會產生一層空氣和燃油的混合物，圍繞噴油系統中心軸線呈普通錐體形狀。特別是，最大燃油濃度位於截頭圓錐體部位，其頂端大致位於噴油系統的入口處，呈現的半錐角在大約30和40°之間。該層混合物的形狀在發動機低速到全油門速度的正常運轉速度時保持大體不變。燃燒室一般分為上遊內部區域，通常稱之為主燃區，和下遊內部區域，通常稱之為摻混區。燃燒室的主燃區用來按大體化學計量比燃燒空氣-燃油混合物。為此，空氣不僅是通過噴射系統而且通過第一類進氣道一通常稱之為主進氣道一被噴入該區域，該進氣道是通過燃燒室主燃區周圍的環形壁而形成的。摻混區設計成可對主燃區燃燒形成的燃氣進行稀釋和冷卻，並賦予這些燃氣流一個最佳熱剖面，目的是讓其流入位於燃燒室下遊的渦輪中。為此，燃燒室的環形壁包括第二類進氣道，通常稱之為摻混進氣道。顯然，燃燒室的特性取決於燃燒室主燃區內的燃燒質量。而且，已知類型的燃燒室內，空氣-燃油混合物通常在主燃區內的停留時間都很短，不足以實現完全燃燒。此外，從燃燒室排出的燃氣的溫度剖面也很不均勻，與這些燃燒室相連的渦輪無法達到最佳工作狀態。顯然，這都是因為這些燃燒室主燃區內燃油濃度的不均勻性所致。

發明內容
顯然，本發明的一個目的是提供一種針對這些問題的簡單、經濟和有效的解決方案。為此，本發明提出了一種渦輪機的燃燒室，包括安裝有噴油系統的環形端壁，這些噴油系統有規律地分布在燃燒室縱軸周圍，每個噴油系統都有一個中央燃油排放軸線，其中，燃燒室還包括兩個同軸環形壁，分別為內壁和外壁，彼此通過端壁連接，並包括多個進氣道，這些進氣道在至少一個環形壁上形成並向相對於燃燒室軸線的外部徑向打開。根據本發明，多個進氣道包括第一種類型的進氣道，該類進氣道的形狀是這樣的，即在相應投影平面上的每個進氣道的正交投影穿過距所述進氣道最近處的噴油系統的中央軸線，並垂直於共同穿過所述中央軸線和燃燒室縱軸的相應軸向平面，該正交投影帶有一個上遊邊緣， 從下遊看去，該邊緣呈凸狀。從上遊看去，第一種類型進氣道的形狀可以使所噴入空氣流的上遊前部因這些進氣道而呈現一種大體凹入形狀，這使得在燃燒室內從上遊向下遊流動的燃氣產生一種反射屏障效應。這有助於這些燃氣的再循環，改進燃燒室內發生的燃燒反應，並因此而提高燃燒室的性能，並可使燃燒室排放的燃氣溫度更均勻。此外，還可以減少燃燒室同軸壁的進氣道的數量和/或整體面積。接下來，每個進氣道都與該進氣道最近處的噴油系統相聯，或者，如果二者之間距離相等時，每個進氣道與距兩個噴油系統最近的兩個噴油系統相聯。在本發明的最佳實施例中，第一種類型每個進氣道正交投影的上遊邊緣為半橢圓形狀。特別是，這種上遊邊緣的形狀為半圓形。作為另一種方式，這種上遊邊緣為折線的形狀。第一種類型的進氣道優選形狀為，每個進氣道的正交投影還帶有一種下遊邊緣， 從下遊看去，該邊緣呈現凸狀。這樣，進氣道的面積減少了，因此，進氣道噴入的空氣流量會濃縮，不會明顯降低這種氣流所造成的反射屏障效應，從而更有效地利用了經由這些進氣道而噴入的空氣。在本發明最佳實施例中，上述下遊邊緣呈半橢圓形狀。與上遊邊緣一樣，具體來講，這種邊緣的形狀為半圓形。作為另一種方式，這種上遊邊緣也可以為折線形狀。在本發明的最佳實施例中，第一種類型的每個進氣道投影的上遊和下遊邊緣都是同心的。有利的是，第一種類型的進氣道可以包括圍繞燃燒室上遊區而形成的主進氣道， 通常稱之為主燃區。如上所述，通過產生反射屏障效應，這些主進氣道有利於在燃燒室主燃區內空氣-燃油混合物的循環，為此，這種混合物的燃燒反應得到大大改善。優選兩個這種主進氣道與每個噴油系統相連接，而且，優選地，相對於相應軸向平面對稱布置。按照本發明的最佳實施例，且根據所述領域的已知方式，每個噴油系統都布置成可排放燃油和空氣的混合層，該層的最大燃油濃度大體位於截頭圓錐的正圓錐體區，且該錐體區以噴油系統的中央軸線為中心，而頂部則位於該噴油系統的入口處。與每個噴油系統相連的空氣-燃油混合層的形狀可以採用眾所周知的技術一諸如相位都卜勒方法的粒子分析，通常稱之為PDPA (相位都卜勒粒子分析)-一通過實驗測定。在根據本發明的燃燒室的設計階段，空氣一燃油混合層的給定燃燒室幾何形狀還可以採用數字模擬方法測定，這種方法對於所屬領域的技術人員也是非常熟知的。
第一種類型的每個主進氣道在相應投影平面上的正交投影優選通過相應直線截取，所述直線是上述截頭圓錐體與該投影平面相交而成。採用這種方式，每個這樣的進氣道所噴入的空氣流會截取相應層的最大燃油濃度區域，與此同時，又大體切向地流向該層的所述區域，這樣，該氣流所產生的反射屏障效應就會更有效。第一種類型的每個主進氣道在相應投影平面的正交投影帶有一種對稱軸線，該對稱軸線與由截頭圓錐體與投影平面相交而形成的相應直線一起構成-5°到5°之間的角度。為此，每個進氣道噴入空氣所形成的屏障就與空氣-燃油層的局部流動方向大體垂直對準，而所述空氣-燃油層源自相應噴油系統，另外，通過這種裝置，該屏障有利於空氣-燃油混合體大體上在所述局部流動方向相對方向上再循環。在本發明的最佳實施例中，第一種類型的每個主進氣道在相應投影平面上正交投影的對稱軸線大體上與相應的直線相一致，該直線是因為所述截頭圓錐體與該投影平面相交所致。這些進氣道的這種定位可使其所噴入的空氣流儘可能地流向相應層的最大燃油濃度區域，這樣可以最大限度地提高這種空氣流所產生的反射屏障效應的效果。根據本發明的最佳實施例，燃燒室的主進氣道都屬於第一種類型的進氣道。作為另一種方式，這些主進氣道可以包括一組第一種類型進氣道和傳統類型進氣道。此外，有利的是，多個進氣道包括圍繞燃燒室下遊區域所形成的摻混進氣道，通常稱之為摻混區，以及至少一些為第二種類型進氣道，這種類型的進氣道在沿垂直於燃燒室縱向軸線方向上呈伸長形。因為經由這些進氣道而噴入該區域空氣，第二種摻混進氣道的伸長形狀改善了燃氣在摻混區內的冷卻效率和均勻性。就這些燃氣而言，第二種類型的摻混進氣道還可以形成一種屏障效果，也許針對一部分所述燃氣，因為這部分燃氣繞過了燃燒室主燃區內任何主進氣道所噴射的空氣，從而放緩了這些燃氣的流動。此外，或作為另一種方式，摻混進氣道可以包括上述第一種類型的進氣道，和/或傳統類型的進氣道。本發明還涉及包括了上述類型燃燒室的渦輪機。閱讀以非限定性示例給出的如下說明，並參看附圖，可以更好地理解本發明，且本發明的其它細節、優點和特性會顯現出來。


圖1為根據本發明的渦輪機燃燒室軸向半剖視圖；圖2為圖1所示燃燒室局部示意圖，所示為圖IA-A平面正交投影；圖3為圖1所示燃燒室局部橫向剖面示意圖，沿圖2C-C平面剖開。
具體實施方式
圖1示出了渦輪機一諸如飛機渦輪噴氣發動機一的一部分，具體示出了這類渦輪機環形燃燒室10的一部分。眾所周知，燃燒室10安裝在渦輪機壓氣機的下遊，向該燃燒室提供壓縮空氣，同時也位於該渦輪機渦輪的上遊，在燃燒室燃氣推力作用下轉動上述壓縮機，圖1未示出所述壓氣機和所述渦輪。燃燒室10包括兩個同軸環形壁，分別為徑向內壁12和徑向外壁14，圍繞燃燒室縱軸16延伸。這些環形壁12和14在下遊均固定到燃燒室機匣(圖1未示)上，且按已知方式通過環形端壁18在上遊端彼此相連。環形端壁18包括一排環形布置的進氣道，有規律地分布在燃燒室縱軸16周圍，進氣道內安裝有與一排環形布置的噴油器22相連的噴油系統20。每個噴油系統20包括兩個旋流導流器M和26，圍繞噴油系統軸線28同軸延伸， 在上遊，導流器連接到相應噴油器22噴頭32的定中心和導向裝置30上，而在下遊，導流器則連接到裝配在端壁18相應進氣道內的旋流器杯34上。每個噴油系統20在其旋流導流器M和沈的區域內設有噴油器噴頭定中心和導向的裝置30，以及旋流器杯34，用來向燃燒室噴入一部分38的來自渦輪機壓氣機氣流40 的進氣道36。參照圖2的說明，可以更清楚地看到，每個噴油系統20設計成可向燃燒室噴入一層普通錐形的空氣和細燃油滴的混合物，特別是，燃油最大濃度區域大體位於以噴油系統軸線觀為中心的截頭圓錐體內，其頂端則大致位於該噴油系統入口區，而半錐角β —例如一等於大約35°，且典型情況下在30到40°範圍之間。此外，燃燒室環形壁12和14在其上遊端連接到環形整流罩42(圖1)上，該整流罩一例如一為一體式，包括了與噴油系統20相對準的進氣道，用於噴油器22和氣流38 的通過。該整流罩的主要功能是保護端壁18和疏通氣流38。作為另一種形式，且按已知方式，這種整流罩42可以由兩個獨立部分構成，這兩個部分分別是徑向內壁和徑向外壁。每個環形壁12和14還包括兩排環形布置的進氣道44和46，向相對於燃燒室軸線 16的外部徑向打開，並用來向所述燃燒室噴入一部分48氣流40。運行時，這部分48氣流 40在下遊首先流入燃燒室環形壁12和14之間形成的環形旁路空間49，而後進入該燃燒室相應機匣內(圖1中未示)，從而抵達進氣道44和46。在這幾排進氣道中，第一排進氣道圍繞燃燒室上遊區域50形成，通常稱之為主燃區，運行時，在這個區域內，會出現空氣-燃油混合物的燃燒反應。這第一排進氣道44為此通常稱之為主進氣道。第二排進氣道在下遊圍繞燃燒室區域52形成，通常稱之為摻混區，在該區域內， 燃燒氣體被摻混並冷卻。這第二排進氣道46為此通常稱之為摻混進氣道。作為圖1所示A-A平面的正交投影，圖2示出了外環形壁14的進氣道，以及由噴油系統20和截頭圓錐體55所產生的一層燃油最大濃度區域Μ，該區域M大體上處在所述截頭圓錐體上，所示投影穿過噴油系統20的軸線觀，並垂直於圖1的平面，即垂直於穿過上述噴油系統軸線觀的軸向平面，同時穿過該燃燒室的軸線16，而燃燒室的平面在圖2中以線B-B表示，在該圖中，分別以參考號44ρ和46ρ表示主進氣道和摻混進氣道的投影。應該指出的是，圖1的A-A平面與該圖所示噴油系統20相關。圖3所示為外壁14兩個摻混進氣道46平面A-A的正交投影。此外，圖3更清楚地示出了，圖2和圖3中可以看到的兩根直線56均表示燃燒室外環形壁14與平面P相交的平面A-A的投影，平面P穿過該燃燒室的軸線16，並按一定角度位於噴油系統20軸線觀和軸線1 之間的中間位置，而軸線1 則是該噴油系統20在端壁18上的兩個直接相連噴油系統其中一個的軸線。平面A-A上的進氣道44和46，其投影分別是44p和46p，位於兩個軸線56之間， 因此與噴油系統20相關聯，而後者則構成了與這些進氣道(圖2)最近的噴油系統。共有兩個與噴油系統20相聯的主進氣道44，這些都是第一種類型的進氣道，即從下遊看去，在形狀上呈凸狀，這種類型進氣道在平面A-A上的正交投影44p帶有上遊邊緣58 和下遊邊緣60。更具體地說，該上遊邊緣58和下遊邊緣60均呈現半圓形狀，同心布置，這樣，每個主進氣道44的投影44p帶有對稱軸線，與相應的直線62合併，這是因為截頭圓錐體55與投影平面A-A相交所致。與噴氣系統20相關聯的摻混進氣道46屬於第二種類型的進氣道，這種進氣道的形狀沿垂直於噴油系統20軸線觀方向64呈伸長形狀。這些摻混進氣道46包括進氣道66，其在平面A-A上的投影66p以噴油系統20軸線觀為中心，為此，形成了與該噴油系統20相關的主摻混進氣道，另外，還包括兩個輔助摻混進氣道68，其在平面A-A上的投影68p以軸線56為中心，因此，與端壁18的兩個相連噴油系統成等距離布置。主摻混進氣道66的對稱平面是平面B-B，而輔助摻混進氣道68則以軸向平面P作為其各自對稱平面，軸向平面P按一定角度布置於兩個連續噴油系統(圖3)各自軸線28 和128之間的中間位置。如上所述，因為輔助摻混進氣道68與端壁18的兩個連續噴油系統等距離布置，應該指出的是，這些進氣道中的每個都與兩個相應的噴油系統相關。按本發明的最佳實施例，內環形壁12進氣道的布置方式與外壁14的進氣道的布置方式相同。運轉時，由於其形狀的原因，主進氣道44允許產生一種反射屏障效應，這對在燃燒室主燃區50內沿下遊流動的空氣-燃油混合物來講特別有效，有利於這種混合物在上遊的循環，如圖2中箭頭70所示。摻混進氣道46可以對來自主燃區50的燃氣進行充分而又均勻地冷卻。如上所述，本發明可以使燃燒室性能得到普遍提高。
權利要求
1.一種渦輪機的燃燒室(10)，包括安裝噴油系統00)的環形端壁(18)，所述噴油系統有規律地分布在燃燒室縱軸(16)的周圍，每個噴油系統帶有中央燃油排放軸線08，128)， 其中，燃燒室(10)還包括兩個同軸環形壁，分別是內壁(1 和外壁(14)，彼此通過所述端壁(18)相連並包括多個進氣道04，46)，這些進氣道在所述環形壁(12，14)的至少其中一個上形成並相對於燃燒室軸線(16)向外徑向打開，其特徵在於，所述多個進氣道包括第一種類型的進氣道(44)，其形狀是，在相應投影平面(A-A)上，每個這種進氣道的正交投影 G4p)，穿過距所述進氣道最近處的噴油系統OO)的中央軸線(觀)，並垂直於穿過所述中央軸線08)和燃燒室縱軸(16)的相應軸向平面(B-B)，所述正交投影帶有一個上遊邊緣 (58)，從下遊看去，該邊緣呈凸形。
2.根據權利要求1所述的燃燒室，其特徵在於，第一種類型G4)的每個所述進氣道正交投影的上遊邊緣(58)為半橢圓形狀。
3.根據權利要求1或2所述的燃燒室，其特徵在於，第一種類型04)的所述進氣道的形狀是這樣的，即每個這種進氣道的所述正交投影(44p)帶有下遊邊緣(60)，從下遊看去， 所述邊緣呈凸形。
4.根據權利要求3所述的燃燒室，其特徵在於，第一種類型04)的每個所述進氣道正交投影的所述下遊邊緣(60)為半橢圓形狀。
5.根據權利要求1到4任一項所述的燃燒室，其特徵在於，第一種類型的所述進氣道包括圍繞燃燒室上遊區域(50)形成的主進氣道04)。
6.根據權利要求5所述的燃燒室，其特徵在於，其中，每個所述噴油系統OO)布置成可排放一層混合的燃油和空氣，該混合層帶有最大燃油濃度區(54)，大體位於截頭圓錐的正圓錐體區(55)，且該錐體區以所述噴油系統OO)的中央軸線08)為中心，而頂部則位於該噴油系統OO)的入口處，第一種類型G4)的每個所述主進氣道在所述相應投影平面 (A-A)上的正交投影(44p)被相應的直線(6 所截取，所述直線是因為所述相應截頭圓錐體(5 與所述投影平面(A-A)相交所致。
7.根據權利要求6所述的燃燒室，其特徵在於，第一種類型04)的每個所述主進氣道在所述相應投影平面(A-A)上的正交投影(44p)帶有對稱軸線，該對稱軸線與因所述截頭圓錐體(55)與所述投影平面(A-A)相交而構成的相應直線(62) —起構成了 -5°到5°之間的角度。
8.根據權利要求7所述的燃燒室，其特徵在於，第一種類型04)的每個所述主進氣道在所述相應投影平面(A-A)上的正交投影的對稱軸線與所述相應直線(6 大體一致，所述直線是所述截頭圓錐體(5 與所述投影平面(A-A)相交所致。
9.根據權利要求1到8任一項所述的燃燒室，其特徵在於，所述多個進氣道包括燃燒室下遊區域(5 周圍所形成的摻混進氣道，其中至少一些是第二種類型G6)的進氣道，這種進氣道在垂直於燃燒室縱軸(16)的方向(64)上呈伸長形狀。
10.一種渦輪機，其特徵在於，其包括了按照前面任何權利要求所述的燃燒室(10)。
全文摘要
一種渦輪機燃燒室(10)，包括兩個同軸壁，所述同軸壁有進氣道，每個進氣道都布置成這樣的，即其正交投影(44p)在穿過所述進氣道最近處噴油系統(20)的軸線(28)，垂直於穿過該軸線(28)軸平面(B-B)，並穿過燃燒室軸線的平面上，帶有一個上遊邊緣(58)，從下遊看去，該邊緣呈凸形。
文檔編號F23R3/06GK102472492SQ201080034969
公開日2012年5月23日 申請日期2010年8月2日 優先權日2009年8月4日
發明者丹尼斯·吉恩·莫裡斯·桑德裡斯 申請人:斯奈克瑪