CN103080652B - 环形罩、环形燃烧室和涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种环形罩（42），具有一内面，所述内面设计为覆盖安装有离心压缩机的涡轮机（14）的环形燃烧室（12）的后端壁（33）；以及一外面，该外面与所述内面相对，其中所述罩包括设计为使由所述后端壁（33）支撑的燃料喷射器（38，40）可穿过的多个孔（54），以及多个凸起部（56），所述凸起部在所述外面上分别从所述孔（54）的径向内边缘（58）沿径向向内延伸为突出部，使得各所述凸起部（56）限定对应孔（54）的一延伸部（60），此延伸部沿径向向外敞开，以形成空气进气口。

Description

环形罩、环形燃烧室和涡轮机

技术领域

本发明涉及设计为容纳例如具体为飞机涡轮机的涡轮机中环形燃烧室的后端壁的罩。

本发明还涉及包括此种类型罩的燃烧室，以及包括此燃烧室的涡轮机。

本发明还具体涉及设计为安装到涡轮机的燃烧室上的罩，该涡轮机包括位于该燃烧室上游的离心型的压缩机。

背景技术

涡轮机环形燃烧室通常容纳于该涡轮机压缩机下游的一环形外壳中，并由两个大致为旋转对称圆柱形或锥形形状的同轴壁划界，其中这些壁通过配备有包括燃料喷射器头部的支撑装置以及空气入口孔的空气和燃料喷射装置的室后环形端壁大致在它们的上游端互连。

这些燃烧室的同轴壁通常还包括空气入口孔，当它们围绕燃烧室的上游区域安装时有时称作“初级孔”，当它们围绕此室的下游区域安装时称作“稀释孔”，以使空气可在该室中额外喷射。

该室背环形端壁通常通过一环形罩覆盖在上游侧，使得源自压缩机的一部分气流可穿过所述罩的孔，其中该部分设计为在燃烧室位于其中的环形外壳中通过绕过后者而被引导向下游流动，以显著地供应形成在该室的同轴壁中的空气入口孔，其中此气流的另一部分设计为穿过安装在所述后端壁中的空气和燃料喷射装置的空气入口孔而渗透到该燃烧室内，还使得喷射器头部可穿过它们。

该罩覆盖燃烧室的后端壁的目的通常是减小气流绕过燃烧室所受到的载荷损失。为此，所述罩的形状通常大致为C形旋转对称壁，当沿一轴向中间平面半剖看时，其凹度面对下游。

然而，在包括燃烧室下游的离心型压缩机的涡轮机中，源自其压缩机的气流进入上述外壳，穿过一在此外壳的径向外区域中敞开的环形扩散器/引导轮叶组件。其结果是，供给喷射装置的空气入口孔的气流和沿此室的径向内壁绕过燃烧室的气流受到径向朝内的偏转，使其增加了这些气流的载荷损失。

空气和燃料喷射装置内的载荷损失越大，这些装置的性能可越好。这使得希望减小这些装置上游的载荷损失。

另外，申请人观察到，在这些离心压缩机涡轮机中，设计为绕过燃烧室并沿该燃烧室的径向内壁向下游流动，明显地以供应该室的同轴壁的空气入口孔的气流分离的风险增加，接近所述罩，在包含燃烧室的外壳的径向内区域中从其向下游。

并且此气流的分离是不希望的，因为它们会导致燃烧室中的操作不稳定性。

发明内容

本发明的一个目的具体为针对这些问题，提供一种简单、经济和有效的方案，使得至少一些上述问题可以被避免。

为此，本发明提出一种环形罩，其具有一内面，所述内面设计为覆盖安装有离心压缩机的涡轮机的环形燃烧室的后端壁；以及一外面，该外面与上述内面相对，其中所述罩包括设计为使由燃烧室的后端壁支撑的燃料喷射器可穿过它的多个孔。

根据本发明，所述罩包括多个凸起部，所述凸起部从所述罩的外面分别从所述孔的径向内边缘沿径向朝内凸出，使得各所述凸起部限定对应孔的一延伸部，其中此延伸部沿径向向外敞开，以形成空气进气口。

这样的空气进气口使得通过明显减小由空气穿过此孔而引起的载荷损失，空气可穿过将被改进的所述罩的对应孔而供应。

另外，所述罩的凸起部使得沿径向流向内部，并随后沿将被改进的罩流 向下游的气流的引导得到改进，特别是使此气流分离的风险减小。

为此，上述凸起部优选延伸到所述罩的径向内端部。

在本发明的优选实施例中，所述罩的各凸起部均具有包括所述罩的中心轴和对应孔的喷射轴的径向对称面。

当喷射器安装在所述孔中时，所述孔的喷射轴自然与喷射器的喷射轴相同。

根据此第一实施例的罩当用于其中源自压缩机的气流无旋转部件的涡轮机中时是尤其有利的。

在本发明的第二实施例中，上述各孔的延伸部具有一突出部，该突出部相对于所述孔的喷射轴沿周向偏移。

在此再一次地，所述孔的喷射轴与安装在所述孔中的喷射器的喷射轴相同。

根据此第二实施例的罩当其用于其中源自压缩机的气流沿从各孔的延伸部的突出部朝向对应于喷射器的喷射轴的方向具有一旋转部件的涡轮机中时是尤其有利的。这使得由关于源自压缩机的气流的这些延伸部所产生的进气口效果得到改善。

另外，在本发明的此第二实施例中，各孔的径向内边缘可平行于切线方向，或再一次相对于切线方向倾斜。

在此后一种情况下，所述孔的径向内边缘的相对于切线方向的倾斜有利地使得此边缘与气流到达方向形成锐角，其中此角优选为直角。这使得由所述延伸部所产生的进气口效果最大。

作为一种变化，所述孔的径向内边缘相对于切线方向的倾斜可使得此边缘相对于气流到达方向形成钝角。

本发明还涉及一种设计为安装到涡轮机中离心压缩机下游的环形燃烧室，该环形燃烧室包括两个通过上游室背部环形端壁互连的同轴壁，以及上述类型的环形罩，该环形罩具有在室背部端壁的上游侧覆盖该室背部端壁的内面。

以已知方式，所述罩有利地包括两个端边缘，分别为径向内端边缘和径向外端边缘，所述径向内端边缘和径向外端边缘分别连接到所述燃烧室的同轴壁和/或此燃烧室的后壁的端部。

本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括上述类型的环形燃烧室，以及安装在该燃烧室上游的离心压缩机。

当所述涡轮机的压缩机设置为传递气流以供应不具有旋转部件的燃烧室时，该燃烧室的罩优选按照上述第一实施例。

相反，当涡轮机的压缩机设置为传递气流以供应具有旋转部件的燃烧室时，该燃烧室的罩优选按照上述第二实施例。

附图说明

在阅读参照附图的作为非限定性例子的以下说明后，本发明将被更好地理解，其优点和特点将更清楚，其中：

图1为根据本发明的第一优选实施例的涡轮机的轴向端面的局部示意性透视图；

图2为图1中涡轮机的燃烧室的轴向端面的局部示意性透视图；

图3为图1中涡轮机的作为在包括燃料喷射器轴的平面中的轴向端面的局部示意性透视图；

图4为图1中涡轮机的作为在两个连续燃料喷射器之间等距离的平面中的轴向端面的局部示意性示图；

图5为表示在图1中涡轮机的压缩机的出口与所述燃烧室容纳其中的所述外壳的出口之间，取决于在所述燃烧室的后端壁处的罩中形成的凸起部的轴向深度与此燃烧室的后端壁的平均半径之间的比率的源自图1中涡轮机的压缩机的出口的气流载荷损失的曲线图；

图6为表示在图1中涡轮机的压缩机的出口与所述燃烧室的燃料喷射装置的入口之间，取决于在所述燃烧室的后端壁处的该罩中形成的凸起部的轴向深度与此燃烧室的后端壁的平均半径之间的比率的源自图1中涡轮机的 压缩机的出口的气流载荷损失的曲线图；

图7为根据本发明第二优选实施例的涡轮机的局部示意性透视图，显示此涡轮机的燃烧室的后端壁处的罩；

图8为根据本发明第三优选实施例的涡轮机的局部示意性透视图，单独显示此涡轮机的燃烧室的后端壁处的罩；

图9为根据本发明第四优选实施例的涡轮机的局部示意性透视图，单独显示此涡轮机的燃烧室的后端壁处的罩。

在所有这些附图中，相同的附图标记可表示相同或相似的元件。

具体实施方式

图1-4显示一环形外壳10，在该环形外壳中一环形燃烧室12容纳在根据本发明第一优选实施例的涡轮机14中。

该涡轮机14包括所述环形外壳10上游的离心型压缩机，仅环形外壳10的下游环形壁16可见于图1、3和4中。所述压缩机在其出口处连接到向环形外壳10的径向外区域敞开的扩散器/引导叶片组件18上。

燃烧室12由两个大致锥形的同轴壁所限定，分别为内壁20和外壁22。

燃烧室的内壁20通过内环形框架26与外壳10的内环形壁24相连，而燃烧室的外壁22通过外环形框架30与外壳10的外环形壁28相连。上述环形框架26和30具有可使空气穿过的孔32（图3）。

所述燃烧室的内壁20和外壁22也在它们的上游端部通过大致沿径向延伸，并具有多个空气和燃料喷射装置34的室背部环形端壁33（图1和2）而相互连接，每个所述空气和燃料喷射装置34按已知方式包括用于支撑燃料喷射器40的头部38的工具36，以及空气入口孔41（图3）。

所述室背部环形端壁33在上游侧被具有大致C形轴向半截面的环形罩42覆盖，该环形罩42的凹部面对下游（图1-4）。

罩42因而具有覆盖所述室背部环形端壁33的内面42i和与内面42i相对的外面42e（图4）。

另外，罩42包括大致平行于所述室背部环形端壁33延伸的中间环形部分44，和两个端角部分，分别为内部分46和外部分48，所述内部分46和外部分48在它们的下游端弯曲，并设计为例如通过螺栓（图1和2）将罩42连接到燃烧室的内壁20和外壁22上，并连接到所述室背部环形端壁33的端部50和52上，所述端部朝向上游侧弯曲（图4）。

罩42的中间环形部分44具有设计为使燃料喷射器40的头部38可穿过，并使设计为供应喷射装置34的空气入口孔41的空气68可穿过（图3）的多个孔54，这将在下面更清楚地描述。

而且，罩42包括大致形成在其中间环形部分44上的多个凸起部56。

更准确说，每个凸起部56从对应孔54的径向内边缘58沿径向朝内延伸，直到罩42的内端环形部分46。

以此方式，各凸起部56限定对应孔54的一上游延伸部60，该延伸部60沿径向向外敞开（图2和3）。另外，各凸起部56于是形成一空气进气口，该空气进气口使得其改进喷射装置34的空气供应。

在图1-4所描述的第一实施例中，每个凸起部56均具有包括未示于图中的所述罩42的中心轴，以及对应于喷射装置34的喷射器38的喷射轴64的对称径向平面（图3）。图3中的平面因而为在图3中可见的凸起部56的对称面。每个凸起部56因而相对于对应喷射装置34对中。

在运转中，压缩机传送气流66（图3和4），所述气流66在所述环形外壳10中分为中央流68和两个旁流，所述中央流68经罩42的孔54供应喷射装置34，所述两个旁流分别为内流70和外流72，所述内流70和外流72围绕燃烧室12分别追随燃烧室12的内壁20和外壁22，如果可行的化，其一部分供应形成在这些壁20和22中的空气入口孔（在图中未示出），其剩余部分通过内框架26和外框架30的空气通道孔32从环形外壳10排出。

在图1-4中所描述的第一实施例中，源自压缩机的气流66可看得出无旋转部件，使得上述凸起部56的结构非常有利。

凸起部56可使绕过燃烧室12沿径向向内的气流70分离的风险减小， 因此可使燃烧室12的操作不稳定的风险减小。

气流70分离风险的减小导致由此气流引起的在扩散器/引导叶片组件18的出口与位于环形外壳10的下游端部处的空气通道孔32之间的载荷损失的减小，如图5中的曲线所示。

此曲线，通过数字模拟获得，表示源自涡轮机14的压缩机的出口，在此出口与位于外壳10的下游端处的径向内空气通道孔32之间的按照凸起部56的轴向深度与燃烧室12的背部33的平均半径之间的无量纲比的气流70的载荷损失。

更准确说，该曲线是基于在已知类型的，无凸起部，安装到其背部平均半径为252.75mm的燃烧室上环形罩基础上的第一计算（点74），对其所计算的载荷损失为1.42%，基于图1-4中表示的类型的具有轴向深度为7mm的凸起部的罩42的第二计算（点76），对其所计算的载荷损失减小到1.36%，基于与前一个类似的具有轴向深度为10mm的凸起部的罩的第三计算（点78）导致1.38%的载荷损失，其中这三个计算用于涡轮机14的相同的操作条件。

而且，通过执行进气口功能，凸起部56可减小由源自空气和燃料喷射装置34的空气入口孔41上游的涡轮机14的压缩机的出口的气流68所引起的载荷损失，如图6中的曲线所示。

此曲线表示通过基于上述三个计算的数字模拟所获得的，源自涡轮机14的压缩机的出口的，在此出口与空气和燃料装置34的空气入口孔41之间的，根据凸起部56的轴向深度与燃烧室12的背部33的平均半径之间的比的气流68的载荷损失。

上述三个计算的此载荷损失分别为0.50%、0.43%和0.41%。

供应燃料喷射装置34的气流68的载荷损失因此看上去以上述无量纲比以大致线性形式减小（图6），而绕过燃烧室沿径向朝内的气流70的载荷损失（图5）在中等深度的凸起部的情况下减小，但看上去在上述无量纲比超过2.8%时变得更坏，这可通过凸起部56的较大轴向深度导致此气流70 分离的事实而得到解释。

图7显示本发明的第二优选实施例，其中源自压缩机的气流66具有旋转部件。

在此第二实施例中，罩42的凸起部56是一致的，使得由这些凸起部56形成的每个孔54的延伸部60具有相对于对应空气和燃料喷射装置34的喷射器38的中央喷射轴64沿周向偏移的突出部80，其方向使得供应这些装置的气流68在遇到所述喷射轴64前遇到所述突出部80。每个凸起部56在其突出部80的两侧均包括相对较小程度的弯曲部分84，和相对较大程度的大致平部分86，其位置使得气流68在遇到较大程度部分86之前首先遇到较小程度部分84。

而且，各孔54的径向内边缘58平行于切线方向（图7）。

作为一种变化，各孔54的此径向内边缘58可相对于切线方向倾斜，如图8和9中所示。

在此情况下，孔54的径向内边缘58相对于切线方向的倾斜有利地使得此边缘58与气流68的到达方向90方向形成锐角。径向内边缘58的此倾斜有利地使该边缘58大致垂直于气流68的到达方向90而延伸，如图8中所示。这使得由延伸部60所产生的进气口效应最大化。

作为一种变化，孔54的径向内边缘58相对于切线方向的倾斜可使得此边缘58与气流68的到达方向90形成钝角92。

Claims (8)

1.一种环形罩(42)，具有一内面(42i)，所述内面设计为覆盖安装有离心压缩机的涡轮机(14)的环形燃烧室(12)的后端壁(33)；以及一外面(42e)，该外面与所述内面(42i)相对，其中所述环形罩包括设计为使由所述燃烧室(12)的后端壁(33)支撑的燃料喷射器(38，40)可穿过的多个孔(54)，其特征在于，所述环形罩包括多个凸起部(56)，所述凸起部在所述环形罩的外面(42e)分别从所述孔(54)的径向内边缘(58)沿径向向内延伸为凸出部，使得各所述凸起部(56)限定对应孔(54)的一延伸部(60)，此延伸部沿径向向外敞开，以形成空气进气口。

2.根据权利要求1所述的环形罩，其特征在于，所述凸起部(56)延伸到所述环形罩(42)的径向内端。

3.根据权利要求1或2所述的环形罩，其特征在于，各所述凸起部(56)均具有包括所述环形罩(42)的中心轴和对应孔(54)的喷射轴(64)的径向对称面。

4.根据权利要求1或2所述的环形罩，其特征在于，各所述孔(54)的所述延伸部(60)均具有相对于所述孔(54)的喷射轴(64)沿周向偏移的突出部。

5.一种环形燃烧室(12)，该环形燃烧室设计为安装到涡轮机(14)中离心压缩机的下游，并包括两个通过后端壁(33)互连的同轴壁(20，22)，其特征在于，该环形燃烧室包括根据前述权利要求中任何一项所述的环形罩(42)，所述环形罩(42)具有在后端壁(33)的上游侧覆盖该后端壁(33)的内面(42i)。

6.一种涡轮机(14)，其特征在于，该涡轮机包括根据权利要求5所述的环形燃烧室(12)，以及安装在所述燃烧室(12)上游的离心压缩机。

7.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，所述压缩机设置为传送供应不具有旋转部件的所述燃烧室(12)的气流(66)，所述燃烧室(12)的环形罩(42)是根据权利要求3的。

8.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，所述压缩机设置为传送供应具有旋转部件的所述燃烧室(12)的气流(66)，所述燃烧室(12)的环形罩(42)是根据权利要求4的。