CN1007172B - 向燃烧室，尤其是涡轮机燃烧室供给烃燃料和空气的喷射装置 - Google Patents

Abstract

用于燃烧室特别是涡轮机燃烧室的空气—烃燃料喷射装置，包括烃燃料喷嘴、带调节入口空气流量的隔板的外涡旋螺旋体、带有向烃燃料的雾化锥喷入空气的孔的薄壳、由薄壳构成的冲击冷却室、中间套环和外裙板。螺旋体装在有径向入口和轴向出口的通道里，组成螺旋体的叶片装在入口中，且叶片下游端位于中间套环的延伸部分。由叶片组成的隔板装在螺旋体上游通道的径向入口处，螺旋体的安装角约为隔板相对喷射装置半径的安装角的3-4倍。

Description

本发明涉及向燃烧室，尤其是涡轮机燃烧室供给烃燃料和空气的喷射装置。

对于现有的涡轮机，人们正在探讨提高其操作性能的同时如何来减少所造成的污染的途径。具体地说，当涡轮机高速运转时，对例如烟雾的排放以及器壁的耐热性加以制约;当涡轮机减速运转时，对所需的性能，和火焰的稳定性及保持合适的燃烧效率加以制约，那么，在这两者之间就可以发现一种不怎么理想的折衷的解决方案。

此外，人们在这种探讨中，还应考虑极为严格的污染排放标准、减少燃烧室体积以及使用多种烃燃料的必要性等，因此，在上述各种运转状态之间寻找折衷的解决方案是很难实现的。

自从采用具有两种标准模数的燃烧室以后，人们通过实现能够改变其几何体的喷射装置，找到一种比较好的解决方案。所述的具有两种标准模数的燃烧室，一个适于减速运转状态，另一个适于高速运转状态。该燃烧室体太笨重。所述的喷射装置，其隔板是可动的，可以或多或少地调节燃烧室中的空气输入量，使燃烧体积大大减小，从而大大减小燃烧室体积，而这时的操作却可以连续地保持最佳状态。

这种类型的燃烧室，一般使用具有中间碗体的流线型喷射装置。在实施例中，喷射装置安装在燃烧室底部。喷射装置中间装有称作碗体的中间部件，该部件包括沿气流方向张开的下游薄壳，在薄壳上有许多小口径的圆孔。空气以高速通过这些圆孔进入由喷射而形成的雾化烃燃料中。借助涡旋，这种碗体使喷射装置的作用更加完善，因为 这种涡旋改善了烃燃料的雾化状态，使其能更好地与空气混合。

为了改进这些具有中间碗体的流线型喷射装置，可在其外涡旋螺旋体以及碗体圆孔的空气入口处配置能改变它的出口流量的隔板，使碗体出口的空气与烃燃料的混合比能适应燃烧室的各种操作条件，也适应减速运转和高速运转的中间运转状态。

法国专利FR    2491139描述了这种螺旋体，其中，径向空气入口处的外螺旋体包括一个隔板，该隔板由圆柱形壳体构成，该圆柱形壳体环绕开有空气入口孔的圆形套环。无论是隔板还是空气入口处的套环，都不具有使雾化空气导向和偏向的叶片，空气的导向是以不完善的方式实现的，即通过其外表面延伸到隔板上的曲线唇口来实现的。

法国专利FR    2491140描述了一种用于燃烧室的不带有中间碗体的轴向的螺旋体，其中的隔板具有与螺旋体倾角不同的叶片倾角。由此，可以根据运转状态改变室中空气的进入角度。尽管如此，这种喷射装置还是存在许多缺点，即其外涡旋的螺旋体紧靠燃烧室的底部，因此，在供给的烃燃料锥形体中就形成了由螺旋体的叶片所造成的较大的尾涡，这种尾涡对空气与烃燃料的均匀混合不利，将上述外涡旋的螺旋体紧靠燃烧室的底部的安装方法丝毫不能减缓所述的尾涡现象。

本发明提出一种喷射装置，其中，外涡旋螺旋体的安装角与它的隔板的安装角不同，这样，就可根据不同的运转状态形成不同的空气喷射偏斜角或“旋涡角”。而且，本发明喷射装置可以克服前面述及的缺点，即在装有中间碗体的喷射装置中，于隔板的径向入口处，设置一个外螺旋体，就可以较好地对空气导向，该外螺旋体具有轴向 的空气出口，螺旋体和隔板置于通道入口的径向部分，使离开螺旋体的空气在碗体的颈口处被引入燃烧室之前加速，从而减缓由于外螺旋体的叶片所造成的尾涡现象。

本发明的目的是利用一种改进的空气-燃料喷射装置在涡轮喷气机的燃烧室内实现更均匀的燃烧并且避免燃烧室过热。此涡轮喷气机具有一个燃烧室、一个燃料喷嘴和一个中间碗体部件，该碗体部件构成一个将空气喷入燃烧室的空气入口，以便使来自燃料喷嘴的燃料雾化。

本发明的喷射装置至少包括一个烃燃料喷嘴;一个外涡旋螺旋体，用于雾化烃燃料和空气，该外涡旋螺旋体配置用于运转时调节入口空气流量的隔板;一个形状如碗体的部件，该部件包括下游薄壳，该下游薄壳沿气流方向张开，并在其上开有用于向雾化烃燃料所形成的锥体形内喷入空气的圆孔;一个由下游薄壳构成的冲击冷却室;一个中间套环以及一个具有空气入口孔的外裙板。

根据本发明，外涡旋螺旋体安装在具有径向入口和轴向出口的环状通道里，而构成螺旋体的倾斜叶片则安装在通道的径向入口，叶片的下游端边缘位于中间套环的延伸部分，形成通道轴向出口的圆柱形外壁。另外，螺旋体中调节入口空气流量的隔板装在该螺旋体上游的通道的径向入口处，隔板由第二个倾斜叶片组成，以使螺旋体的安装角的大小，相对于喷射装置的半径来说，大约是隔板安装角大小的3-4倍。

根据本发明的特点，隔板的叶片的径向高度大致上等于螺旋体的叶片的径向高度的3倍。根据本发明的另一个特点，隔板的叶片安装角度大约是20°～25°，而螺旋体的叶片安装角度大约是

根据附图进一步说明本发明的其它特点。

图1，是燃烧室的半个纵向剖面图，该燃烧室中装有本发明的喷射装置。

图2是图1中A部位上中间碗体的半个纵向剖面图。

图3是减速运转状态下根据图2中Ⅰ-Ⅰ部位的螺旋体和它的隔板的剖面图。

图4是高速运转状态下根据图2中Ⅰ-Ⅰ部位的螺旋体和它的隔板的剖面图。

图1中示出了涡轮机的环形燃烧室1的半个纵向剖面图，该燃烧室包括外壳2和限定压缩气流范围的内套筒3。来自压缩机（图中未示）的上游部分空气F₁横向导入喷射装置4，以形成含有烃燃料的混合物，这种混合物通过燃烧反应的第一区域5，然后，使其在稀释区域6中稀释，并在下游的第二区域7中冷却，最后，在被喷管向发动机下游的大气中喷射之前，将其输送至涡轮（图中未示出）。

图1中，用虚线示出喷嘴8，喷嘴通过中间碗体10与燃烧室底部9连接，其中，它所包括的外涡旋螺旋体实现了本发明的目的。因为众所周知，公知的喷射系统包括内涡旋螺旋体（图中未示出），其型式可以是径向的，也可以是轴向的，用于喷射来自喷嘴的烃燃料，以形成向下游扩展的截锥形射流。

装有内涡旋螺旋体的喷嘴8被构成中间碗体10的上游壁的盖罩11所环绕，盖罩11的下游部分包括截锥形部分11a，它通过圆柱形支承部分11b和径向器壁11c向上游方向延伸，径向器壁11c与中间套环12的径向器壁12c一起，形成一个在其径向入口处装有构成喷射系统的外涡旋螺旋体的倾斜叶片的通道。上述中间 套环12包括一个与径向器壁12c成圆形连接的圆柱形部分12b，还配有一个向下游缩口的截锥形部分12a。盖罩11与中间套环之间形成环形通道14，通道14的径向入口由上游器壁11c和12c加以限定，而其轴向出口是由11b、12b和11a、12a限定的。

由叶片所构成的径向螺旋体安装在最靠近通道14的径向入口的轴线附近，使其下游边缘13a位于其直径与通道14的圆柱形部分12b的直径相同的圆周上。在通道的径向入口处的上游部位配置圆环状隔板15，隔板15具有较大径向高度的第二叶片，以使螺旋体入口处的空气有较好的导向。为了获得准确的空气导向，隔板15的径向高度应等于螺旋体13的高度的3倍。通过图中未示出的操纵装置控制的操纵杆16使隔板15连续旋转，因此，在高速运转时（例如在飞机起飞时），螺旋体13的叶片就完全被隔板的叶片15的延伸部分所遮盖，而在减速运转时，螺旋体13上的固定叶片没有被完全遮盖，并横向地位于穿过隔板15的空气流所通过的孔道17的轴线位置上。

隔板的叶片相对于喷嘴的半径具有较小的安装角，该安装角α大约是20°～25°，而螺旋体13大致上具有较大的安装角β，大约是80°～85°。

在高速运转时，用于使烃燃料形成圆锥形的空气很少离心分离，而且，其贯穿在燃烧室内比较长的长度上，因此，上述空气适合于高速运转时的最佳燃烧条件。

相反，在减速运转时，穿过螺旋体的空气会碰到倾斜度很大的螺旋体13的叶片，并受到很强的离心分离，这就可以改变雾化烃燃料 的圆锥形形状，将其开口扩大，使它更靠近燃烧室底部，从而在减速运转时改进燃烧的稳定性。

在这种喷射系统上作的试验证明，当螺旋体13的安装角大约是80°～85°时，就能获得减速运转中的最佳稳定性能，而当隔板15相对于喷射装置的半径的安装角大约是20°～25°时，就能获得高速运转时最佳性能。

本发明的碗体包括冲击冷却室22，该冲击冷却室在碗体下游薄壳上，这种冷却室22是在套环12（12a，12b，12c）和碗体的螺帽20之间形成的。通过孔18向该室22供入空气，该孔18还可能具有安装角。通过与隔板15连接的圆支承面15a调节这些孔18，使其与螺旋体13同时开启或闭合。下游裙板的孔19可以使空气从冷却室22中排出，以有利于雾化烃燃料。孔18和19的孔数可以是相同的，也可以是不相同的，只需根据其孔径进行计算，就可以使隔板15a全打开时的入口流量和通过孔19的出口流量相同。

上述试验证明，与已知的喷射装置进行比较，本发明的碗体能够实现较好的空气导向性能，从而保证使全闭合条件下来自外螺旋体的空气更好旋转。另外，在空气被送入碗体颈部之前，螺旋体出口（由轴向通道14的专门结构所形成）的空气的加速，能减缓由外螺旋体的叶片所形成的尾涡。这样，在燃烧室内就能获得比较均匀的燃烧状态，防止出现已有技术中燃烧室内存在的局部过热区域。

这样的喷射装置既能增加燃烧室的使用寿命，也能减少维修拆卸次数，同时又能大大改善其高速运转和减速运转时的操作性能。

Claims (7)

1、一种用于燃烧室，特别是涡轮机燃烧室内的空气-烃燃料的喷射装置，它至少包括一个烃燃料的喷嘴，一个用于通过雾化烃燃料的空气的外涡旋螺旋体，其中装有一个可调节入口空气流量的隔板，一个沿气流方向张开的下游薄壳，在该薄壳上开有一排用于向雾化的烃燃料的圆锥形喷入空气的孔19，一个由下游薄壳形成的冲击冷却室22所组成的形状如碗体的部件，一个中间套环和一个具有空气入口孔的外裙板，其特征在于，外涡旋螺旋体13安装在具有径向入口和轴向出口的环形通道14中，组成该螺旋体的倾斜叶片13a安装在通道14的径向入口中，该叶片的下游端安装在构成通道14的轴向出口的圆柱形外壁的中间套环的延伸部分12b上，螺旋体中调节入口空气流量的隔板15装在螺旋体上游的通道的径向入口中，隔板15由第二个倾斜叶片所组成，以使螺旋体13的安装角大约是隔板15相对于喷射装置半径的安装角的3～4倍。

2、根据权利要求1的喷射装置，其特征在于，隔板15处于相应于高速运转状态的第一位置上，其中，隔板15的叶片完全遮盖螺旋体13的叶片，直至当隔板15处于减速运转状态的第二位置上时，隔板15的叶片没有完全遮盖外螺旋体13的叶片，可以连续运转。

3、根据权利要求1的喷射装置，其特征在于，隔板的15的径向高度是螺旋体13的径向高度的3倍。

4、根据权利要求2的喷射装置，其特征在于，隔板15的径向高度是螺旋体13的径向高度的3倍。

5、根据权利要求1～4中任意一项的喷射装置，其特征在于，隔板15相对于喷射装置半径的安装角大约是20°～25°，而螺旋体13的相应的安装角大约是80°～85°。

6、根据权利要求1至4中任意一项的喷射装置，其特征在于，隔板15包括一个围绕外裙板的圆形支承部件15a，在部件15a上开有孔18，孔18的孔数与外裙板上入口空气孔的孔数相同，以便连续地调节用于燃烧室内冲击冷却的空气流量。

7、根据权利要求5的喷射装置，其特征在于，隔板15包括一个围绕外裙板的圆形支承部件15a，在部件15a上开有孔18，孔18的孔数与外裙板上入口空气孔的孔数相同，以便连续地调节用于燃烧室内冲击冷却的空气流量。

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