CN102472492A

CN102472492A - 带有改进的进气道的涡轮机燃烧室

Info

Publication number: CN102472492A
Application number: CN2010800349690A
Authority: CN
Inventors: 丹尼斯·吉恩·莫里斯·桑德里斯
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: FR2948988B1; CA2769342A1; FR2948988A1; EP2462383A1; EP2462383B1; US9175856B2; WO2011015543A1; RU2012107860A; CN102472492B; US20120137697A1; BR112012002447A2

Abstract

一种涡轮机燃烧室(10)，包括两个同轴壁，所述同轴壁有进气道，每个进气道都布置成这样的，即其正交投影(44p)在穿过所述进气道最近处喷油系统(20)的轴线(28)，垂直于穿过该轴线(28)轴平面(B-B)，并穿过燃烧室轴线的平面上，带有一个上游边缘(58)，从下游看去，该边缘呈凸形。

Description

带有改进的进气道的涡轮机燃烧室

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，诸如飞机涡轮机，而且，特别涉及涡轮机环形燃烧室。

背景技术

涡轮机包括至少一个位于燃烧室出口处的涡轮，以便从该燃烧室喷入的主燃气流中提取能量，并驱动位于燃烧室上游的压气机，向该燃烧室提供压缩空气。

涡轮机的燃烧室一般包括两个同轴环形壁，分别为径向内壁和径向外壁，环形壁围绕燃烧室轴线，沿涡轮机内主燃气流的流动方向，从上游向下游延伸，并通过燃烧室背部的环形端壁在上游端彼此相连，而环形端壁围绕上述轴线呈大体径向延伸。这种环形端壁上装有一排环形布置的喷油系统，这些系统有规律地分布在该轴线的周围，从而将空气和燃油引入燃烧室。

每个喷油系统一般包括支撑燃油喷头的装置，该装置上安装有喷射空气和在燃烧室内以细油滴形式雾化燃油的气动力装置。

运行时，这种类型的喷油系统一般会产生一层空气和燃油的混合物，围绕喷油系统中心轴线呈普通锥体形状。特别是，最大燃油浓度位于截头圆锥体部位，其顶端大致位于喷油系统的入口处，呈现的半锥角在大约30和40°之间。该层混合物的形状在发动机低速到全油门速度的正常运转速度时保持大体不变。

燃烧室一般分为上游内部区域，通常称之为主燃区，和下游内部区域，通常称之为掺混区。

燃烧室的主燃区用来按大体化学计量比燃烧空气-燃油混合物。为此，空气不仅是通过喷射系统而且通过第一类进气道---通常称之为主进气道---被喷入该区域，该进气道是通过燃烧室主燃区周围的环形壁而形成的。

掺混区设计成可对主燃区燃烧形成的燃气进行稀释和冷却，并赋予这些燃气流一个最佳热剖面，目的是让其流入位于燃烧室下游的涡轮中。为此，燃烧室的环形壁包括第二类进气道，通常称之为掺混进气道。

显然，燃烧室的特性取决于燃烧室主燃区内的燃烧质量。

而且，已知类型的燃烧室内，空气-燃油混合物通常在主燃区内的停留时间都很短，不足以实现完全燃烧。

此外，从燃烧室排出的燃气的温度剖面也很不均匀，与这些燃烧室相连的涡轮无法达到最佳工作状态。显然，这都是因为这些燃烧室主燃区内燃油浓度的不均匀性所致。

发明内容

显然，本发明的一个目的是提供一种针对这些问题的简单、经济和有效的解决方案。

为此，本发明提出了一种涡轮机的燃烧室，包括安装有喷油系统的环形端壁，这些喷油系统有规律地分布在燃烧室纵轴周围，每个喷油系统都有一个中央燃油排放轴线，其中，燃烧室还包括两个同轴环形壁，分别为内壁和外壁，彼此通过端壁连接，并包括多个进气道，这些进气道在至少一个环形壁上形成并向相对于燃烧室轴线的外部径向打开。根据本发明，多个进气道包括第一种类型的进气道，该类进气道的形状是这样的，即在相应投影平面上的每个进气道的正交投影穿过距所述进气道最近处的喷油系统的中央轴线，并垂直于共同穿过所述中央轴线和燃烧室纵轴的相应轴向平面，该正交投影带有一个上游边缘，从下游看去，该边缘呈凸状。

从上游看去，第一种类型进气道的形状可以使所喷入空气流的上游前部因这些进气道而呈现一种大体凹入形状，这使得在燃烧室内从上游向下游流动的燃气产生一种反射屏障效应。

这有助于这些燃气的再循环，改进燃烧室内发生的燃烧反应，并因此而提高燃烧室的性能，并可使燃烧室排放的燃气温度更均匀。

此外，还可以减少燃烧室同轴壁的进气道的数量和/或整体面积。

接下来，每个进气道都与该进气道最近处的喷油系统相联，或者，如果二者之间距离相等时，每个进气道与距两个喷油系统最近的两个喷油系统相联。

在本发明的最佳实施例中，第一种类型每个进气道正交投影的上游边缘为半椭圆形状。特别是，这种上游边缘的形状为半圆形。

作为另一种方式，这种上游边缘为折线的形状。

第一种类型的进气道优选形状为，每个进气道的正交投影还带有一种下游边缘，从下游看去，该边缘呈现凸状。

这样，进气道的面积减少了，因此，进气道喷入的空气流量会浓缩，不会明显降低这种气流所造成的反射屏障效应，从而更有效地利用了经由这些进气道而喷入的空气。

在本发明最佳实施例中，上述下游边缘呈半椭圆形状。与上游边缘一样，具体来讲，这种边缘的形状为半圆形。

作为另一种方式，这种上游边缘也可以为折线形状。

在本发明的最佳实施例中，第一种类型的每个进气道投影的上游和下游边缘都是同心的。

有利的是，第一种类型的进气道可以包括围绕燃烧室上游区而形成的主进气道，通常称之为主燃区。

如上所述，通过产生反射屏障效应，这些主进气道有利于在燃烧室主燃区内空气-燃油混合物的循环，为此，这种混合物的燃烧反应得到大大改善。

优选两个这种主进气道与每个喷油系统相连接，而且，优选地，相对于相应轴向平面对称布置。

按照本发明的最佳实施例，且根据所述领域的已知方式，每个喷油系统都布置成可排放燃油和空气的混合层，该层的最大燃油浓度大体位于截头圆锥的正圆锥体区，且该锥体区以喷油系统的中央轴线为中心，而顶部则位于该喷油系统的入口处。

与每个喷油系统相连的空气-燃油混合层的形状可以采用众所周知的技术---诸如相位多普勒方法的粒子分析，通常称之为PDPA(相位多普勒粒子分析)---通过实验测定。在根据本发明的燃烧室的设计阶段，空气—燃油混合层的给定燃烧室几何形状还可以采用数字模拟方法测定，这种方法对于所属领域的技术人员也是非常熟知的。

第一种类型的每个主进气道在相应投影平面上的正交投影优选通过相应直线截取，所述直线是上述截头圆锥体与该投影平面相交而成。

采用这种方式，每个这样的进气道所喷入的空气流会截取相应层的最大燃油浓度区域，与此同时，又大体切向地流向该层的所述区域，这样，该气流所产生的反射屏障效应就会更有效。

第一种类型的每个主进气道在相应投影平面的正交投影带有一种对称轴线，该对称轴线与由截头圆锥体与投影平面相交而形成的相应直线一起构成-5°到5°之间的角度。

为此，每个进气道喷入空气所形成的屏障就与空气-燃油层的局部流动方向大体垂直对准，而所述空气-燃油层源自相应喷油系统，另外，通过这种装置，该屏障有利于空气-燃油混合体大体上在所述局部流动方向相对方向上再循环。

在本发明的最佳实施例中，第一种类型的每个主进气道在相应投影平面上正交投影的对称轴线大体上与相应的直线相一致，该直线是因为所述截头圆锥体与该投影平面相交所致。

这些进气道的这种定位可使其所喷入的空气流尽可能地流向相应层的最大燃油浓度区域，这样可以最大限度地提高这种空气流所产生的反射屏障效应的效果。

根据本发明的最佳实施例，燃烧室的主进气道都属于第一种类型的进气道。

作为另一种方式，这些主进气道可以包括一组第一种类型进气道和传统类型进气道。

此外，有利的是，多个进气道包括围绕燃烧室下游区域所形成的掺混进气道，通常称之为掺混区，以及至少一些为第二种类型进气道，这种类型的进气道在沿垂直于燃烧室纵向轴线方向上呈伸长形。

因为经由这些进气道而喷入该区域空气，第二种掺混进气道的伸长形状改善了燃气在掺混区内的冷却效率和均匀性。

就这些燃气而言，第二种类型的掺混进气道还可以形成一种屏障效果，也许针对一部分所述燃气，因为这部分燃气绕过了燃烧室主燃区内任何主进气道所喷射的空气，从而放缓了这些燃气的流动。

此外，或作为另一种方式，掺混进气道可以包括上述第一种类型的进气道，和/或传统类型的进气道。

本发明还涉及包括了上述类型燃烧室的涡轮机。

阅读以非限定性示例给出的如下说明，并参看附图，可以更好地理解本发明，且本发明的其它细节、优点和特性会显现出来。

附图说明

图1为根据本发明的涡轮机燃烧室轴向半剖视图；

图2为图1所示燃烧室局部示意图，所示为图1A-A平面正交投影；

图3为图1所示燃烧室局部横向剖面示意图，沿图2C-C平面剖开。

具体实施方式

图1示出了涡轮机---诸如飞机涡轮喷气发动机---的一部分，具体示出了这类涡轮机环形燃烧室10的一部分。

众所周知，燃烧室10安装在涡轮机压气机的下游，向该燃烧室提供压缩空气，同时也位于该涡轮机涡轮的上游，在燃烧室燃气推力作用下转动上述压缩机，图1未示出所述压气机和所述涡轮。

燃烧室10包括两个同轴环形壁，分别为径向内壁12和径向外壁14，围绕燃烧室纵轴16延伸。

这些环形壁12和14在下游均固定到燃烧室机匣(图1未示)上，且按已知方式通过环形端壁18在上游端彼此相连。

环形端壁18包括一排环形布置的进气道，有规律地分布在燃烧室纵轴16周围，进气道内安装有与一排环形布置的喷油器22相连的喷油系统20。

每个喷油系统20包括两个旋流导流器24和26，围绕喷油系统轴线28同轴延伸，在上游，导流器连接到相应喷油器22喷头32的定中心和导向装置30上，而在下游，导流器则连接到装配在端壁18相应进气道内的旋流器杯34上。

每个喷油系统20在其旋流导流器24和26的区域内设有喷油器喷头定中心和导向的装置30，以及旋流器杯34，用来向燃烧室喷入一部分38的来自涡轮机压气机气流40的进气道36。

参照图2的说明，可以更清楚地看到，每个喷油系统20设计成可向燃烧室喷入一层普通锥形的空气和细燃油滴的混合物，特别是，燃油最大浓度区域大体位于以喷油系统轴线28为中心的截头圆锥体内，其顶端则大致位于该喷油系统入口区，而半锥角β---例如---等于大约35°，且典型情况下在30到40°范围之间。

此外，燃烧室环形壁12和14在其上游端连接到环形整流罩42(图1)上，该整流罩---例如---为一体式，包括了与喷油系统20相对准的进气道，用于喷油器22和气流38的通过。该整流罩的主要功能是保护端壁18和疏通气流38。作为另一种形式，且按已知方式，这种整流罩42可以由两个独立部分构成，这两个部分分别是径向内壁和径向外壁。

每个环形壁12和14还包括两排环形布置的进气道44和46，向相对于燃烧室轴线16的外部径向打开，并用来向所述燃烧室喷入一部分48气流40。运行时，这部分48气流40在下游首先流入燃烧室环形壁12和14之间形成的环形旁路空间49，而后进入该燃烧室相应机匣内(图1中未示)，从而抵达进气道44和46。

在这几排进气道中，第一排进气道围绕燃烧室上游区域50形成，通常称之为主燃区，运行时，在这个区域内，会出现空气-燃油混合物的燃烧反应。这第一排进气道44为此通常称之为主进气道。

第二排进气道在下游围绕燃烧室区域52形成，通常称之为掺混区，在该区域内，燃烧气体被掺混并冷却。这第二排进气道46为此通常称之为掺混进气道。

作为图1所示A-A平面的正交投影，图2示出了外环形壁14的进气道，以及由喷油系统20和截头圆锥体55所产生的一层燃油最大浓度区域54，该区域54大体上处在所述截头圆锥体上，所示投影穿过喷油系统20的轴线28，并垂直于图1的平面，即垂直于穿过上述喷油系统轴线28的轴向平面，同时穿过该燃烧室的轴线16，而燃烧室的平面在图2中以线B-B表示，在该图中，分别以参考号44p和46p表示主进气道和掺混进气道的投影。应该指出的是，图1的A-A平面与该图所示喷油系统20相关。

图3所示为外壁14两个掺混进气道46平面A-A的正交投影。

此外，图3更清楚地示出了，图2和图3中可以看到的两根直线56均表示燃烧室外环形壁14与平面P相交的平面A-A的投影，平面P穿过该燃烧室的轴线16，并按一定角度位于喷油系统20轴线28和轴线128之间的中间位置，而轴线128则是该喷油系统20在端壁18上的两个直接相连喷油系统其中一个的轴线。

平面A-A上的进气道44和46，其投影分别是44p和46p，位于两个轴线56之间，因此与喷油系统20相关联，而后者则构成了与这些进气道(图2)最近的喷油系统。

共有两个与喷油系统20相联的主进气道44，这些都是第一种类型的进气道，即从下游看去，在形状上呈凸状，这种类型进气道在平面A-A上的正交投影44p带有上游边缘58和下游边缘60。

更具体地说，该上游边缘58和下游边缘60均呈现半圆形状，同心布置，这样，每个主进气道44的投影44p带有对称轴线，与相应的直线62合并，这是因为截头圆锥体55与投影平面A-A相交所致。

与喷气系统20相关联的掺混进气道46属于第二种类型的进气道，这种进气道的形状沿垂直于喷油系统20轴线28方向64呈伸长形状。

这些掺混进气道46包括进气道66，其在平面A-A上的投影66p以喷油系统20轴线28为中心，为此，形成了与该喷油系统20相关的主掺混进气道，另外，还包括两个辅助掺混进气道68，其在平面A-A上的投影68p以轴线56为中心，因此，与端壁18的两个相连喷油系统成等距离布置。

主掺混进气道66的对称平面是平面B-B，而辅助掺混进气道68则以轴向平面P作为其各自对称平面，轴向平面P按一定角度布置于两个连续喷油系统(图3)各自轴线28和128之间的中间位置。

如上所述，因为辅助掺混进气道68与端壁18的两个连续喷油系统等距离布置，应该指出的是，这些进气道中的每个都与两个相应的喷油系统相关。

按本发明的最佳实施例，内环形壁12进气道的布置方式与外壁14的进气道的布置方式相同。

运转时，由于其形状的原因，主进气道44允许产生一种反射屏障效应，这对在燃烧室主燃区50内沿下游流动的空气-燃油混合物来讲特别有效，有利于这种混合物在上游的循环，如图2中箭头70所示。

掺混进气道46可以对来自主燃区50的燃气进行充分而又均匀地冷却。

如上所述，本发明可以使燃烧室性能得到普遍提高。

Claims

1.一种涡轮机的燃烧室(10)，包括安装喷油系统(20)的环形端壁(18)，所述喷油系统有规律地分布在燃烧室纵轴(16)的周围，每个喷油系统带有中央燃油排放轴线(28，128)，其中，燃烧室(10)还包括两个同轴环形壁，分别是内壁(12)和外壁(14)，彼此通过所述端壁(18)相连并包括多个进气道(44，46)，这些进气道在所述环形壁(12，14)的至少其中一个上形成并相对于燃烧室轴线(16)向外径向打开，其特征在于，所述多个进气道包括第一种类型的进气道(44)，其形状是，在相应投影平面(A-A)上，每个这种进气道的正交投影(44p)，穿过距所述进气道最近处的喷油系统(20)的中央轴线(28)，并垂直于穿过所述中央轴线(28)和燃烧室纵轴(16)的相应轴向平面(B-B)，所述正交投影带有一个上游边缘(58)，从下游看去，该边缘呈凸形。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，第一种类型(44)的每个所述进气道正交投影(44p)的上游边缘(58)为半椭圆形状。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧室，其特征在于，第一种类型(44)的所述进气道的形状是这样的，即每个这种进气道的所述正交投影(44p)带有下游边缘(60)，从下游看去，所述边缘呈凸形。

4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，第一种类型(44)的每个所述进气道正交投影(44p)的所述下游边缘(60)为半椭圆形状。

5.根据权利要求1到4任一项所述的燃烧室，其特征在于，第一种类型的所述进气道包括围绕燃烧室上游区域(50)形成的主进气道(44)。

6.根据权利要求5所述的燃烧室，其特征在于，其中，每个所述喷油系统(20)布置成可排放一层混合的燃油和空气，该混合层带有最大燃油浓度区(54)，大体位于截头圆锥的正圆锥体区(55)，且该锥体区以所述喷油系统(20)的中央轴线(28)为中心，而顶部则位于该喷油系统(20)的入口处，第一种类型(44)的每个所述主进气道在所述相应投影平面(A-A)上的正交投影(44p)被相应的直线(62)所截取，所述直线是因为所述相应截头圆锥体(55)与所述投影平面(A-A)相交所致。

7.根据权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，第一种类型(44)的每个所述主进气道在所述相应投影平面(A-A)上的正交投影(44p)带有对称轴线，该对称轴线与因所述截头圆锥体(55)与所述投影平面(A-A)相交而构成的相应直线(62)一起构成了-5°到5°之间的角度。

8.根据权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，第一种类型(44)的每个所述主进气道在所述相应投影平面(A-A)上的正交投影(44p)的对称轴线与所述相应直线(62)大体一致，所述直线是所述截头圆锥体(55)与所述投影平面(A-A)相交所致。

9.根据权利要求1到8任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述多个进气道包括燃烧室下游区域(52)周围所形成的掺混进气道，其中至少一些是第二种类型(46)的进气道，这种进气道在垂直于燃烧室纵轴(16)的方向(64)上呈伸长形状。

10.一种涡轮机，其特征在于，其包括了按照前面任何权利要求所述的燃烧室(10)。