CN101046298B - 一种空气-燃油混合气喷射设备以及燃烧室和涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将空气-燃油混合气喷入涡轮机燃烧室的可改善供气的设备。更确切地说，本发明涉及一种新型滑套。

Description

一种空气-燃油混合气喷射设备以及燃烧室和涡轮机

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，同时涉及一种将空气-燃油混合气喷射到涡轮机燃烧室的设备。更确切地说，本发明涉及一种可以改善空气-燃油混合气空气供给的新型滑套。

背景技术

在本发明的下述说明中，词汇“上游”和“下游”将用来表示结构件彼此在轴向方向上的相对位置，以气体流动方向为参考点。同样，词汇“内部”或“径向内部”和“外部”或“径向外部”将用来表示结构件在径向方向上彼此的相对位置，以涡轮机转动轴线为参考点。

涡轮机包括一个或多个压气机，用来将增压空气输送给燃烧室，空气与燃油在燃烧室混合并点燃，从而产生热的燃烧气体。这些气体从燃烧室的下游流向一个或多个涡轮，涡轮将收到的这种能进行转换，目的是驱动压气机旋转，并提供如飞机动力所需的工。

一般来讲，如图1所示，航空学上使用的燃烧室1包括一个内壁2和一个外壁3，二者在其上游端通过一个燃烧室端壁4彼此相连接。燃烧室端壁4有若干个孔口，沿周缘分布，每个孔口都装有一个喷射装置10，用来将空气-燃油混合气喷射到燃烧室。

图2示出了根据已有技术使用的喷射装置10的剖面图。喷射装置10，其旋转对称轴用X表示，按从上游到下游位置，其包括一个通过环形盘30连接到径向旋流器40的滑套20。径向旋流器40包括一个文氏管50，径向旋流器通过其下游端连接到一个碗形体60，后者有一个分叉的锥形壁。碗形体60本身通过一个偏转器70连接到燃烧室端壁4上。滑套20包括(按从上游到下游位置)一个分叉锥形的上游壁21，该壁一直延伸到圆柱形壁24处，后者在下游的凸缘23处结束。

液体燃料在与来自压气机的空气混合后提供给燃烧室1。液体燃料通过喷油器5一直输送到燃烧室。喷油器5的下游端6，又称喷油头部，就位于滑套20内的喷射装置10内，其布置方式是，喷油头6的对称轴对应于滑套的对称轴。这样，滑套20的其中一个作用就是使喷油器导向定位，并提供喷油器和喷射装置10之间的密封。引导喷油器的功能由滑套20的上游壁21来完成。

空气和燃油在喷射装置10处的几个地方进行混合。最初的混合是在滑套20处进行。为此，通过钻孔，又称清除孔22，使增压空气与来自喷油器5的燃油接触。这样，就进行了燃油的喷射，随后在径向旋流器40和碗形体60处继续形成。因此，作为一个辅助功能，滑套20可以进行增压空气和燃油之间的初步混合。到达清除孔22的空气对燃油的正常喷射进行控制，同时也对喷油头6进行冷却。清除孔22位于滑套20的凸缘23上。

滑套20的第三个功能就是允许喷油器5和燃烧室1之间的相对运动，与此同时，又维持了喷油器5和喷油装置10之间的密封。这种运动与喷油器和燃烧室之间的制造公差和膨胀差相关。为此，滑套20和径向旋流器40之间的联接是通过一个盘状体30来实现的，后者可以使滑套在包括凸缘23在内的平面的所有方向上移动几个毫米。

流经清除孔22的空气量主要取决于孔的数量和直径。清除孔22的大小对流过这些孔的空气总流量和滑套20的空气动力气闸都会产生影响。空气动力气闸是按以下比率来定义的。

对于相同流速来讲，可以获得不同的空气动力气闸值，这样就影响了燃油喷射的形成。特别是，该参数对清除流量的渗透会产生影响，也会对来自清除部分的空气和来自旋流器的空气流之间的相互作用程度带来影响。其所起的作用就是决定油滴的大小和在喷射时的分布情况，以及燃油离开喷油器时圆锥的初始角。

由于空气动力气闸与清除孔22的直径成正比，同时也因为空气流量与其直径的平方成正比，所以说可以改变这两个参数以适应有关具体燃烧室的特点。

如果希望增加空气流经清除孔22的流量，那么，就必须增加孔的直径或孔的数量。目前，清除孔22直径的增加受到滑套20相对于径向旋流器40运动的限制。此外，增加清除孔22的数量也会影响空气动力气闸，而后者是人们总不希望出现的。

提供流量的另一种方式就是增加到达清除孔22的空气的压力。然而，为了向清除孔22供气，空气就必须在滑套的分叉壁21周围流动，这会引起压力下降和再循环，因此而导致压力损失，供气条件变差。

解决这个问题的一个已知的方法，如专利申请文件FR 2753779所述，就是在滑套的圆柱形壁24上制作清除孔22，以便使其轴与喷射装置的X轴相平行。这个解决方案的不足之处就是，滑套比较大，对于相同直径的孔来讲，其长度比较长。这就会出现空气能量的损失，因为空气要流经这些清除孔，同时也会引起再循环，这对空气流量是不利的。

发明专利内容

本发明提出了一种喷射设备，可以解决这些问题，喷射设备包括一个滑套，其布置方式是这样的，即，可以增加流过清除孔的空气流量，又不会受到滑套运动的限制，或者说不会对空气动力气闸产生影响。

本发明还可以使空气流量流过清除孔，不论滑套的几何尺寸如何，例如不论分叉上游壁的长度如何。

更确切地说，本发明涉及一种可将空气-燃油混合气喷射到涡轮机燃烧室的设备，喷射设备带有一个围绕X轴的旋转对称轴，其按照气体流动的方向从上游到下游布置，包括一个通过盘状体使Y旋转轴连接到径向旋流器上的滑套，一个与径向旋流器轴向相隔的航空动力形碗状体，所述滑套包括一个分叉锥形上游壁，该壁一直延伸到X轴的圆柱形壁，还包括一个下游凸缘，该凸缘在圆柱形壁的下游端径向延伸，该下游凸缘设有增压空气供气孔，又称清除孔，该设备的特点是，滑套的分叉上游壁上提供有至少一排环形分布的附加增压空气供气孔。

附加供气孔流通总截面最好大于或等于清除孔的流通总截面。

根据若干个实施方案，附加供气孔可以是圆柱形，带有一个环形或长方形的准线，或形状为四边形的。

附加供气孔的轴线可以平行于滑套的轴线或与分叉上游壁的壁成正交。

本发明最后还涉及一种装备上述燃烧室的涡轮机。

根据本发明的另一种实施方案，附加供气孔的位置在分叉上游壁的上游端，带有一个敞开的边，形成扇形凹口.

根据本发明的另一种形式，本发明涉及一种将空气-燃油混合气喷入涡轮机燃烧室的设备，该喷射设备带有一个围绕X轴的旋转对称轴，按照气体流动的方向从上游到下游布置，其包括一个通过盘状体将Y旋转轴连接到径向旋流器上的滑套，一个与径向旋流器轴向分布的航空动力形碗状体，所述滑套包括一个分叉锥形上游壁，该壁一直延伸到X轴的圆柱形壁，还包括一个下游凸缘，该下游凸缘设有增压空气供气孔，又称清除孔，该设备的特点是，清除孔的进气口和出气口直径不同，进气口直径大于出气口直径。

本发明最好还涉及一种不同实施方案的结合形式，特别是，滑套可以带有附加供气孔或扇形凹口和清除孔，其进气口(26)和出气口(27)直径不同，进气口(26)的直径大于出气口直径(27)。

本发明还涉及一种装有根据本发明提出的喷射设备的燃烧室和涡轮机。

根据一些最佳实施方案的说明，并结合附图，可以更好的了解本发明，而且本发明的其它特点也会更加清楚，本发明并不仅限于所给示例。

附图说明

图1为根据已有技术的燃烧室剖面示意图；

图2为根据已有技术的喷射装置剖面示意图

图3为涡轮机组，更确切地说，是航空喷气发动机的剖面示意图

图4为根据本发明所述滑套的剖面示意图

图5为根据本发明所述滑套的第二个实施方案的剖面示意图

图6为根据本发明所述滑套的第三个实施方案的剖面示意图

图7为根据本发明所述滑套的第四个实施方案的剖面示意图

图8为根据本发明所述滑套的第五个实施方案的剖面示意图

图9为根据本发明所述滑套的第六个实施方案的剖面示意图

图10为根据本发明所述滑套的第一个实施方案另一种形式的剖面示意图

图11为根据本发明所述滑套的第二个实施方案另一种形式的剖面示意图

图12为根据本发明所述滑套的两个实施方案不同形式的结合的剖面示意图

在整个附图说明中，如果部件和部件介绍在图与图之间相同时，则采用相同的参考号。

如前所述，图1和图2以剖面的形式介绍了根据已有技术的燃烧室和喷射装置。

具体实施方式

图3以剖面形式给出了涡轮机100的总体视图，如航空喷气发动机，其包括一个低压压气机200，一个高压压气机300，一个燃烧室1，一个低压涡轮500和一个高压涡轮600。燃烧气体顺下游方向流入燃烧室1，而后输送到涡轮500和600，这两个涡轮分别经由两个轴900和1000分别驱动位于燃烧室端壁4上游的压气机200和300。高压压气机300向喷射装置以及两个环形空间提供空气，两个环形空间分别位于燃烧室1的径向内侧和外侧。进入燃烧室1的空气开始使燃油汽化并燃烧。在燃烧室2的壁的外部流动的空气开始对其壁进行冷却并通过稀释孔(图中未示)进入燃烧室，从而对送到涡轮的燃烧气体进行冷却。

图4以剖面形式介绍了根据本发明所述喷射装置10滑套20的典型实施方案。滑套20由分叉的锥形上游壁21一直延伸到下游的圆柱形壁24组成，其Y轴与喷射装置的对称轴平行。圆柱形壁24在径向向外延伸的凸缘23处结束。凸缘23带有清除孔22，这些孔最好位于最靠近圆柱形壁24的位置，这样在滑套20和喷射装置10之间出现任何相对位移时，就不会被径向旋流器40遮挡，即使部分遮挡也不会出现。在滑套20的分叉上游壁21上设有附加通气口25，用来向清除孔提供增压空气。在这里所述的示例中，分叉上游壁21只有一排环形分布的附加供气孔25，但是也可以制作几排通气孔。这些附加通气孔25的Z轴可以与分叉上游壁21成正交，如图4所示。也可以与Y轴平行，如图5所示，或者与分叉上游壁21形成任何角度。

于是，必须流过滑套20分叉上游壁21周围的增压空气就不再提供给清除孔22了，但是这些孔却可以直接从附加供气孔25获得空气。这样，由于空气在上游壁21周围流动时出现的压力降就可以得到消除。为了使这种形式的清除孔22的供气有效，附加供气孔25处的空气流通总截面需要大于或等于清除孔内空气流通总截面。附加供气孔25的空气流通总截面相当于一个孔的流通横截面面积乘以孔数。清除孔22的流通横截面也是如此。在这种情况下，在向清除孔22提供空气时，压力较高，这样，对于与已有技术相同的几何尺寸和相同数量的清除孔，就可以允许较高空气流量流过。

与此同时，如果所希望的流量与已有技术中使用的一样，附加供气孔25的使用就可以允许使用直径小于已有技术中的清除孔25，从而实现了凸缘23内径相应缩小，因此而减小了径向旋流器40尺寸，使喷射装置更趋紧凑。

附加供气孔横截面越大，清除孔22的形状不规则和粗糙等公差就会越大，而这样就可以降低加工制造成本。

虽然附加供气孔25是在滑套分叉上游壁21上制作的，因为这些孔口空气流通总截面得以保持，向清除孔22的供气就可以再也不依赖滑套的几何尺寸，特别是分叉上游壁。

附加供气孔25的数量可以等于或不同于清除孔22的数量，重要的是空气流通总截面。

此外，附加供气孔25可以是圆形，如图4和图5所示，也可以是长方形的，平行六面形或梯形，如图6到图9所示。如果是长方形时，供气孔25的长边可以沿分叉上游壁21的圆周方向定位，如图6所示。也可以与滑套20的Y轴平行，如图7所示，或在这两个位置之间的任何角度，如图8所示。

根据本发明的另一个实施方案，如图10所示，附加供气孔25可以在分叉壁21的上游端，按照这样的一种方式制作，即它们带有敞开的一边，从而形成扇形凹口28。扇形凹口28的优点是制作更简便，因为在滑套20采用铸造方法制作时，扇形凹口28可以直接在铸造时成形，无需特别的机加工。

根据本发明的另一种形式，为了增加空气流经清除孔22的数量而需要提高压力以改变清除孔22的几何形状来实现。图11示出了滑套20的剖面示意图，在这个滑套中，清除孔22为锥形，其进气口直径26要大于其出气口直径27。这样，因为空气流量在清除孔22长度中始终保持恒定，所以空气加速，在给定时间范围内流过清除孔22的流量就高。

当然，如果将增加附加供气孔25后产生的效应和使用锥形清除孔22后出现的效应予以结合，也可以使本发明的各种不同实施形式得到综合。图12给出了这种结合后的一种示例。

通过示例可以看出，建立了三维数字模拟，对于装有直径为1.4mm的14个清除孔的滑套，布置了如图4所示的20个环形附加供气孔，直径为1.8mm，流过清除孔22的空气流量可增加15％。

Claims (11)

1.一种将空气-燃油混合气喷入涡轮机燃烧室的设备，该设备具有围绕一轴线的旋转对称性，沿气体流动方向从上游到下游布置，其包括：一个具有旋转轴的滑套，该滑套通过盘状体沿滑套的旋转轴连接到径向旋流器上，一个在径向旋流器轴向分布的空气动力形碗状体，所述滑套包括一个延伸到沿该设备的旋转对称轴延伸的圆柱形壁的分叉锥形上游壁，以及一个在所述圆柱形壁的下游端径向延伸的下游凸缘，所述下游凸缘上设有也称为清除孔的增压空气供气孔，其特征在于：所述滑套的分叉锥形上游壁上带有至少一排环形分布的附加的增压空气供气孔。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述附加的增压空气供气孔的总流通截面大于或等于所述清除孔的总流通截面。

3.根据权利要求1和2中任何一项所述的设备，其特征在于：所述附加的增压空气供气孔的截面形状为圆形。

4.根据权利要求1和2中任何一项所述的设备，其特征在于：所述附加的增压空气供气孔的截面形状为长方形。

5.根据权利要求1和2中任何一项所述的设备，其特征在于：所述附加的增压空气供气孔的截面形状为四边形。

6.根据权利要求1和2中任何一项所述的设备，其特征在于：所述附加的增压空气供气孔的轴线平行于所述滑套的旋转轴。

7.根据权利要求1和2中任何一项所述的设备，其特征在于：所述附加的增压空气供气孔的轴线与所述分叉锥形上游壁正交。

8.根据权利要求1和2中任何一项所述的设备，其特征在于：所述附加的增压空气供气孔定位于所述分叉锥形上游壁的上游端，并具有一敞开边，形成扇形凹口。

9.根据权利要求1和2中任何一项所述的设备，其特征在于：所述清除孔具有不同的进气口和出气口直径，进气口的直径大于出气口的直径。

10.一种燃烧室，包括一个内壁，一个外壁和一个燃烧室端壁，并配备有至少一个如上述权利要求中任何一项所述的设备。

11.一种涡轮机，其配备有如权利要求10所述的燃烧室。

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