用於渦輪機燃燒室的具有改善空氣燃油混合物的噴氣裝置的噴射系統的製作方法

2023-07-27 07:43:56 3

專利名稱：用於渦輪機燃燒室的具有改善空氣燃油混合物的噴氣裝置的噴射系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及關於渦輪機燃燒室的技術領域，尤其是飛機渦輪機，具體來講，涉及向這些燃燒室噴射空氣和燃料的噴射系統。具體來講，本發明涉及具有雙燃料噴射迴路的噴射系統，該噴射系統具有中央噴嘴和外圍環形噴嘴，中央噴嘴通常叫做引燃噴嘴，用來輸送為低速優化的固定速率燃料流，而外圍環形噴嘴有時叫做主噴嘴，用來輸送為高速優化的間歇速率燃料流，在這種情況下，例如，這種類型的外圍噴嘴通常叫做多點噴嘴。已經開發出的這些噴射系統使得燃燒室可以在其中只有少部分的燃料的空氣和燃料的混合狀態下工作，，通常為了更好地適應在燃燒室的不同工作速度下噴射空氣和燃料，以減少燃料消耗以及諸如二氧化氮和煙塵之類的汙染物排放。
背景技術：
如圖I所示，渦輪機中的環形燃燒室10通常包括兩個環形壁，即，內環形壁12和外環形壁14，這兩個環形壁限定出燃燒室，並在上遊連接至燃燒室的迴環形端壁16，在下遊分別連接至燃燒室的外殼體和內殼20，內殼20連接至擴散器，該擴散器位於燃燒室上遊並用於以已知的方式將來自渦輪機壓縮機(圖I中未示出)的壓縮空氣擴散至燃燒室。迴環形端壁16通常包括多個孔，這些孔繞燃燒室的軸均勻分布，這些孔中安裝有多個均用來在燃燒室中產生火焰的噴射系統24。燃燒室10通常分為上遊區域IOa和下遊區域10b，上遊區域IOa叫做主區域，用於在燃燒室的迴環形端壁16中的噴射系統24中產生的火焰的燃燒，下遊區域IOb叫做混合區域，用來冷卻和稀釋冷卻氣流中的燃燒氣體，冷卻氣流來自形成在界定了燃燒室的環形壁12和14中的孔。圖I所示的燃燒室10的噴射系統24是包括中央噴嘴和外圍環形噴嘴的類型的噴射系統，中央噴嘴還叫做引燃噴嘴，外圍環形噴嘴還叫做主噴嘴，其中，在圖I所示的情況下，外圍環形噴嘴是多點類型的。如圖2所示，圖2是圖I所示的噴嘴系統24的放大視圖，中央燃料噴嘴26由沿系統的中心軸28呈現的噴嘴形成，該中心軸本質上形成了組成噴射系統24的旋轉部件的對稱軸線。中央噴嘴26通常與兩個空氣入口通道29和30結合，其中一個空氣入口通道是中央噴嘴26進入的內部通道29，使得該噴嘴噴射的燃料能夠立即與進入該通道的空氣混合，外部環形通道30出現在噴射系統的下遊，以便隨後用空氣充滿氣油混合物。上述空氣入口通道29和30由傾斜的鰭狀物32和34通過，以便使經過這些通道的空氣繞噴嘴系統24的中心軸旋轉，以改善氣油混合物在噴嘴系統中的同質化。上述空氣入口通道29和30通常被稱為旋轉器，通常在外部由環形壁36或38界定，環形壁36或38具有收斂-發散的內部輪廓，有時被稱為文氏管，並被用來通過文丘裡效應將中央噴嘴26噴射的燃料的一部分引向下遊，並以已知方式將該燃料噴射在形成於所述壁的下遊端部的唇部區域37或39。在圖2所示的示例中，空氣入口通道29和30以及限定這兩個空氣入口通道的環形壁36和38實質上沿噴射系統的軸線28延伸。中央燃料噴嘴26通常由管道40供油，管道40部分容納在燃燒室的外殼體18所製成的臂42中(圖I)。另外，外圍或多點燃料噴嘴43由一環形列的燃料噴射孔44形成，這些燃料噴射孔(例如)安裝在限定出外部環形通道(圖2)的壁38的錐形上遊部分46中。外圍噴嘴43的燃料噴射孔44鄰接環形分布腔48，由部分容納在臂42中的導管50提供燃料，這些燃料噴射孔44位於外圍環形通道52中，外圍環形通道52具有允許氣流進入的環形空間53，所述氣流用於在所述通道52中與所述外圍噴嘴43輸送的燃料混合。 允許氣流進入的上述環形空間53被傾斜的鰭狀物54穿過，傾斜的鰭狀物54用來使經過它們的氣流繞噴嘴系統24的中心軸線旋轉。外圍環形通道52在內部由環形壁38限定，在外部由在下遊端張開的碗狀物56限定，碗狀物56的支撐裝置使得噴射系統24可以裝配在燃燒室的後端壁26上。在圖I和圖2所示的示例中，允許空氣進入的環形空間53具有錐形形狀，並在內部由環形壁38的錐形部分46所限定，以具有朝向沿徑向向外的開口。在工作中，燃料通過外圍噴嘴43的燃料噴射孔44進入外圍環形通道52，然後，該燃料遇到在通道52中流動的氣流，這改善了這種燃料的霧化，即，這種燃料以細小滴流的形式噴射。通常，在具有兩個燃料噴射迴路的噴射系統中，例如上文所述的噴射系統24中，中央噴嘴或引燃噴嘴26以在燃燒室的所有工作速度上基本上恆定的並為低速優化的流速輸送燃料，而外圍噴嘴或主噴嘴43在高速時輸送為這種類型的高速優化的高速燃料流，在低速時不輸送燃料。不過，裝備有上文所述類型的噴射系統的燃燒室具有相對較高水平的汙染物排放量，例如一氧化碳和碳氫化合物，這種情況在中速時特別明顯，尤其是在公知為進場速度的速度下，此時，產生的推力大約等於最大推力的30%。汙染物排放水平取決於燃料在這些燃燒室中的燃燒質量，從而，尤其取決於從外圍噴嘴出來的燃料在噴射系統中的霧化質量，以及這些燃料滴流的蒸發。然而，特別是由於外圍噴嘴在這些速度下噴射燃料的壓力較小，燃料霧化和蒸發在中速時效率不高。出於同樣的原因，如圖3所示，外圍噴嘴噴出的一部分燃料在從這些噴嘴中出來時以液體層的形式滴落，或者特別是在多點類型的噴嘴中以液體滴流60的形式滴落。通常，為了進一步減少對環境有害的物質的排放水平，例如二氧化氮、一氧化碳和碳氫化合物，希望在所有工作速度下改善從具有雙噴射迴路的噴射系統中的外圍噴嘴中出來的燃料的霧化和蒸發。

發明內容
本發明的一個目的特別是為這些問題中的至少一些提供一種簡單有效而又成本低廉的解決方案，以避免上述的缺陷。為了實現這個目的，本發明提出了一種用於渦輪機的環形燃燒室的後端壁的空氣和燃料噴射系統，所述噴射系統包括至少兩個同軸的燃料噴射裝置，所述燃料噴射裝置具有中央噴嘴以及外圍環形噴嘴，所述中央噴嘴位於設計為允許用來在所述噴射系統中與來自所述中央噴嘴的燃料進行混合的空氣進入的中央通道中，所述外圍環形噴嘴包括至少一個形成在環形壁中並位於外圍環形通道中的燃料噴射孔，所述外圍環形通道與所述中央通道隔離被所述環形壁隔離，所述外圍環形噴嘴具有允許氣流通過的環形空間，所述氣流用來在該外圍通道中與外圍噴嘴輸送的燃料進行混合。根據本發明，噴射系統還包括多個空氣噴射孔，在以所述氣流的流動方向為參照的情況下，所述空氣噴射孔在所述至少一個燃料噴射孔的下遊穿過所述環形壁，以從中央通道額外噴射空氣進入所述外圍通道。 本文中的上遊和下遊是沿著氣流在所述外圍環形通道中的流動方向定義的。在外圍噴嘴噴射的燃料的下遊，在允許進入外圍環形通道的氣流中額外噴射空氣，使得燃料的霧化質量得到實質改善，通過這種方式還改善了這種燃料的液滴的蒸發。空氣噴射孔可以直接從中央通道的氣流中吸入空氣，而且，由於在中央通道中流動的空氣在進入該中央通道時受到小於允許空氣進入外圍環形通道時空氣受到的負載損耗小的負載損耗的作用，空氣噴射孔可以特別有效地從中央通道吸入空氣。這種結構的其他優點是在直徑方向上特別簡單和緊湊。每一個空氣噴射孔均具有噴射軸，這些噴射軸大致垂直於在所述孔的區域中與上述環形壁相切的平面垂直，從而還在所述孔的出口處與氣流的局部流動方向相切。作為變型實施例，每個孔均具有噴射軸，該噴射軸在軸向平面和/或在關於所述孔的區域內與上述環形壁相切的平面垂直的方向穿過的平面內傾斜。外圍噴嘴可以具有單個環形燃料噴射孔，該噴射孔被設計為以環形層的形式輸送燃料。作為變型實施例，在本發明的一個優選實施例中，外圍噴嘴包括多個容納在上述環形壁中並出現在外圍環形通道中的燃料噴射孔。在這種情況下，每個所述空氣噴射孔優選地均出現在燃料滴流的預定路徑上，該燃料滴流在工作中可以從相應的燃料噴射孔中滴落在上述環形壁上。從每個燃料噴射孔中滴落的液體燃料所沿行的路逕取決於噴射系統的幾何形狀，具體來講取決於上述環形壁的幾何形狀，並取決於所述空氣沿該壁流動的幾何形狀，使得可以通過經驗方法或者通過數字仿真輕易地確定該路徑。在來自至少一部分所述燃料噴射孔的燃料滴流的各個路徑上噴射空氣使得可以改善燃料的分離以及燃料與空氣的混合。外圍噴嘴的燃料噴射孔的數量優選等於空氣噴射孔的數量，使得對於每個燃料噴射孔有一個空氣噴射孔。在已知的方式中，噴射系統優選包括傾斜的鰭狀物，該鰭狀物穿過所述氣流的環形進入空間，使該氣流旋轉，該鰭狀物的朝向決定了上述燃料滴流的路徑。實際上，鰭狀物的朝向決定了空氣氣流在外圍環形通道上的幾何形狀，尤其是沿上述環形壁的幾何形狀。
從而，該環形空間具有沿徑向朝向外部的開口，通過增大氣流在該環形進入空間中受到的負載損耗，該開口有助於噴射空氣進入外圍環形通道，在下文中會對這種情況進行詳細的說明。在本發明的優選實施例中，上述中央通道是外部環形通道，該外部環形通道繞將其與內部通道隔開的環形壁構建，所述噴嘴進入該外部環形通道，所述環形燃燒室以已知方式被傾斜的鰭狀物穿過，以使進入該通道的氣流旋轉。在本發明的優選實施例中，將外部環形通道與內部環形通道隔開的所述環形壁在其內表面上具有收斂-發散的輪廓，以通過來自中央噴嘴的燃料薄膜的文丘裡效應進行抽吸，所述環形壁在其下遊端具有環形唇部，用於在進入外部環形通道的氣流的作用下以已知方式噴射上述燃料薄膜。本發明還涉及用於渦輪機的環形燃燒室，該環形燃燒室包括至少一個上述類型的噴射系統。 本發明還涉及一種渦輪機，該渦輪機包括上述類型的環形燃燒室。


通過閱讀下文參照附圖給出的非限定性實施例的說明，可以更好地理解本發明，本發明的其他細節、有優點以及特徵變得更加清楚，其中圖I是包括已知類型噴射系統的渦輪機環形燃燒室的示意性軸向剖面半視圖，在上文中已經對該圖進行了說明；圖2和圖3是示出了圖I的燃燒室的噴射系統軸向剖面示意性視圖的放大視圖，在上文中已經對這兩個圖進行了說明；圖4是根據本發明的第一優選實施例的渦輪機環形燃燒室的噴射系統的局部軸向剖面半視圖；圖5是圖4的噴射系統的局部示意透視圖的放大視圖，具體地示出了這種噴射系統的空氣噴射孔；圖6和圖7是類似於圖5的視圖，示出了根據本發明的優選實施例的噴射系統中的空氣噴射孔的其他可行組成方式。在這些附圖中，同一附圖標記表示相同或相似的部件。
具體實施例方式圖4表示根據本發明的優選實施例的噴射系統62，該噴射系統用來裝備渦輪機中的環形燃燒室。該噴射系統62的類型與上文所述的噴射系統24的類型相似，不同之處在於噴射系統62包括多個形成在環形壁38中的空氣噴射孔64，這些噴射孔繞噴射系統62的軸線28均勻分布。每個空氣噴射孔64鄰接與中央噴嘴26結合的外部環形通道30，並位於外圍噴嘴43的燃料噴射孔44的下遊的外圍環形通道52中，其中，所述下遊方向是參照氣流在外圍環形通道52中沿環形壁38流動的局部方向66確定的。如圖5所示，沿在工作中可能從相應的燃料噴射孔44中滴落的液體滴流的通路形成每個空氣噴射孔64。另外，每個空氣噴射孔64具有噴射軸70，該噴射軸大致與在該孔的區域內與環形壁38相切的平面垂直，從而垂直於氣流沿該壁的局部方向66。在工作中，在包括裝備有上述類型的噴射系統62的燃燒室的渦輪機中，假定外圍環形通道52的環形進入空間53的朝向沿徑向向外，來自擴散器22(圖I)的空氣進入外圍環形通道52的環形進入空間53的部分受到相對較高的負載損耗的作用，而該空氣進入與中央噴嘴26結合的外部環形通道30的部分受到相對較低的負載損耗的作用。從而，流入與中央噴嘴26結合的外部環形通道30中的空氣傾向於在空氣噴射孔64中流動，並進入外圍環形通道52。
以這種方式獲得的空氣的額外噴射傾向於分離從燃料噴射孔44中出來滴落在環形壁38上的液體燃料的任何滴流。如上所述，空氣的這種額外噴射還使得燃料在外圍環形通道中流動的氣流中的懸浮霧化得到改善，還使得這種燃料滴流的蒸發得到改善。作為變型實施例，每個空氣噴射孔64均具有噴射軸70，當這種傾斜使得可以改善空氣的額外噴射的效率時，該噴射軸相對於與在該孔的區域中與環形壁38相切的平面垂直的方向傾斜，即，相對於圖5中的軸70的方向傾斜，例如，該傾斜可以被定義在圖6中的橫向平面中，或者被定義在圖7的軸向平面中。
權利要求
1.一種用於渦輪機的環形燃燒室後端壁(16)的空氣和燃料噴射系統(62)，所述空氣和燃料噴射系統￠2)包括兩個同軸的噴射裝置(26，43)，包括位於中央通道(30)中的中央噴嘴(26)和外圍環形噴嘴(43)，所述中央通道設計為允許用於在所述噴射系統(62)中與來自所述中央噴嘴(26)的燃料進行混合的氣流進入，所述外圍環形噴嘴(43)包括至少一個燃料噴射孔(44)，所述燃料噴射孔形成在環形壁(38)中並位於所述外圍環形通道(52)中，所述外圍環形通道(52)與所述中央通道(30)由所述環形壁(38)隔開，並具有允許氣流進入的環形空間(53)，所述氣流用於在所述外圍環形通道(52)中與所述外圍噴嘴(43)輸送的燃料進行混合，其中，所述噴射系統￠2)的特徵在於，其還包括多個空氣噴射孔(64)，所述空氣噴射孔￠4)在相對於所述氣流的所述燃料噴射孔(44)的下遊處穿過所述環形壁(38)，用於從所述中央通道(30)額外噴射空氣進入所述外圍環形通道(52)，以改善所述外圍環形噴嘴(43)輸送的燃料的霧化。
2.根據權利要求I所述的噴射系統，其特徵在於，所述外圍環形噴嘴(43)包括多個燃料噴射孔(44)，所述多個燃料噴射孔被提供在所述環形壁(38)中並位於所述外圍環形通道(52)中，其特徵還在於，每個所述空氣噴射孔(64)位於燃料滴流的預定路徑上，在操作過程中，這些滴流從所述多個燃料噴射孔(44)中的相應燃料噴射孔(44)滴落到所述環形壁(38)上。
3.根據權利要求2所述的噴射系統，其特徵在於，其還包括傾斜的鰭狀物(54)，所述鰭狀物穿過允許所述氣流進入的所述環形空間(53)，使氣流旋轉，氣流的旋轉朝向決定了所述燃料滴流出0)的路徑。
4.根據權利要求I至3中任何一項權利要求所述的噴射系統，其特徵在於，允許所述氣流進入的所述環形空間(53)在形狀上是錐形的，使得在以所述氣流流動方向為基準的方向上，所述環形空間(53)的平均橫截面的直徑從上遊向下遊減小。
5.根據權利要求I至4中任何一項權利要求所述的噴射系統，其特徵在於，所述中央通道是繞環形壁(36)安裝的外部環形通道(30)，所述環形壁(36)將所述外部環形通道與所述中央噴嘴(26)所位於的內部通道(29)隔開。
6.根據權利要求5所述的噴射系統，其特徵在於，所述外部環形通道(30)被傾斜的鰭狀物(34)穿過，所述鰭狀物用於使進入所述外部環形通道(30)的氣流旋轉。
7.根據權利要求5或6所述的噴射系統，其特徵在於，將所述外部環形通道(29)與所述內部通道(29)隔開的所述環形壁(36)在其內表面上具有收斂-發散的輪廓，用於通過來自中央噴嘴(26)的燃料薄膜的文丘裡效應進行抽吸，所述環形壁(36)在其下遊段下遊端具有環形唇部(37)，所述環形唇部(37)用於在進入所述外部環形通道(30)的氣流的作用下噴射上述燃料薄膜。
8.一種用於渦輪機的環形燃燒室，其特徵在於，所述環形燃燒室包括至少一個根據權利要求I至7中的任意一項權利要求所述的噴射系統(62)。
9.一種渦輪機，其特徵在於，所述渦輪機包括根據權利要求8所述的環形燃燒室。
全文摘要
本發明涉及一種用於渦輪機環形燃燒室後端壁的空氣和燃料噴射系統(62)，所述空氣和燃料噴射系統(62)包括中央噴嘴(26)以及外圍環形燃料噴嘴(43)，所述外圍環形燃料噴嘴(43)包括至少一個形成在環形壁(38)中並出現在外圍環形通道(52)中的燃料噴射孔(44)，所述外圍環形通道(52)與中央通道(30)由所述環形壁(38)隔開，並具有允許空氣進入的環形空間(53)，其中，所述噴射系統還包括多個空氣噴射孔(64)，所述空氣噴射孔(64)相對於所述氣流在所述燃料噴射孔(44)或所述多個燃料噴射孔(44)的下遊處形成於所述環形壁(38)中，用於額外噴射空氣進入所述外圍環形通道(52)。
文檔編號F23R3/34GK102782411SQ201180011414
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月24日 優先權日2010年2月26日
發明者託馬斯·奧利維耶·瑪麗·諾爾, 迪迪爾·伊波利特·赫爾南德斯, 馬修·弗朗索瓦·羅拉德 申請人:斯奈克瑪