CN103339443B - 用于涡轮发动机燃烧室的喷射系统 - Google Patents

Abstract

用于涡轮发动机环形燃烧室的燃料喷射装置，包括向喷射器输料的引燃回路和向环形室（22）的前面（28）中所形成的喷射孔口（42）输料的多点回路，环形环（74）安装在环形室（22）中和包括开口进入上述喷射孔口（42）中的燃料流经孔口（78），环形环（74）中所形成的每个燃料流经孔口（78）包括减少截面的区域（76），后者至少在上游或下游方向延伸有增加截面的孔口部分。

Description

用于涡轮发动机燃烧室的喷射系统

本发明涉及用于涡轮发动机，诸如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机的环形燃烧室的“多点”燃料喷射装置。

在已知方式中，涡轮发动机具有设置在高压压气机的出口和提供有大量燃料喷射装置的环形燃烧室，该燃料喷射装置有规则地周向地分布在燃烧室的进口。“多点”喷射装置具有文丘里管，该文丘里管带有安装于其中的引燃喷射器，该引燃喷射器居中于文丘里管的轴线和由引燃回路连续地供给燃料，该“多点”喷射装置还具有绕着第一文丘里管同轴的第二文丘里管。第二文丘里管在其上游端具有安装在其中的带有环形环的环形室，由燃料回路向该环形室供应燃料。环具有在面向下游的其前面中所形成的燃料喷射孔口。这些孔口在下游开口进入到环形室前壁中的孔口中，后者本身开口进入燃烧室中。

引燃回路供应被最优化而用于低速的连续的燃料流，并且多点环路供应被最优化而用于高速的间断的燃料流。

然而，多点回路的间断使用具有由高温作用所引起的主要缺点，该高温作用主要是由多点回路不工作时，燃烧室中火焰的辐射导致多点回路内停滞燃料的堵塞和焦化而引起。这些现象可以导致在多点回路的燃料喷射孔口中形成焦炭，因此阻碍或减少通过多点回路的燃料喷射，因此阻碍或降低燃烧室的工作。

为了减轻这种缺点，在以申请人名字的文献EP2026002中提出使用用于冷却多点回路和通过两个环形通道来减少其中焦炭形成的燃料引燃回路，这两个环形通道在环形室中径向地形成于环形环的外侧和内侧上，这两个通道具有连接引燃喷射器的它们的出口。在文献FR09/04906中，申请人也已经提出在室的前面和环形室的前壁之间设置热绝缘装置。在另一个文献FR09/04907中，申请人已经提出通过使来自于内或外环形通道的一部分燃料转向，并且使其流过环形环的前面和环形室的前壁之间，来冷却环的前面。

尽管这些技术减少了环中孔口附近燃料的焦化，但是这种减少从来不足以保证多点回路的良好工作。

保证环形室内环形环的安全和确保多点回路和引燃回路之间良好密封使得有必要提供环的前面和室的前壁之间的焊接或钎焊。因此，环的前面和室的前壁之间存在接触区域，因此引起来自于燃烧火焰的热通量向环中孔口的良好传导，由此当多点回路不工作时有形成焦炭的风险。

本发明的特别目的是针对该问题，提供简单、有效和便宜的方案。

为此，本发明提供了用于涡轮发动机环形燃烧室的燃料喷射装置，该装置包括连续地向开口进入第一文丘里管的喷射器输料的引燃回路，和间断地向同轴地绕着第一文丘里管的第二文丘里管的上游环形室的前面中所形成的喷射孔口输料的多点回路，环形环安装在环形室中和包括开口进入上述喷射孔口中的燃料流经的孔口，该装置特征在于环形环中所形成的每个燃料流经的孔口具有小截面区域，该小截面区域在至少下游或上游延伸有一部分增加截面。

不同于现有技术，其中孔口是恒定圆形截面的洞，环形环中所有燃料流经的孔口都具有各自的小截面区域，其面积决定对于给定压力的喷射器的燃料流速。增加截面的孔口部分用于增加流经燃料的每个孔口中可用体积，因此限制多点环路中焦炭的形成。用本发明的喷射装置，可保持多点回路的燃料流速与现有技术的燃料流速相同，同时限制由于多点回路不工作时燃料焦化所引起的缺陷。

根据本发明的另一个特征，增加截面的部分向孔口的上游端或下游端逐渐地增加。

小截面区域可以形成在孔口的上游端或下游端。

在变化形式中，小截面区域形成在孔口的上游端和下游端之间，并且延伸有沿着上游增加和沿着下游增加的各自截面部分。

在本发明的特定的实施方式中，小截面区域形成于孔口的中间部分中。

增加截面的孔口部分可以具有适于获得增加截面的各种轮廓。特别地，它们可以具有直线或另外曲线的轮廓。

在本发明有利的实施方式中，引燃回路包括用于冷却环形环的回路，并且用于热保护环形环前面的装置插入环形环的前面和环形室的前面之间。

在该实施方式的第一变化形式中，热保护装置包括用于热绝缘在环形环的前面和环形室的前壁之间插入的环形环的前面的装置。

在第二变化形式中，热绝缘装置由在喷射孔口紧邻附近中环形环的前面上延伸的一部分冷却回路形成。

在两个前面构造的任何一个中，本发明利用由于冷却装置或热绝缘装置的添加而引起环的喷射孔口处温度降低，因此可以进一步限制喷射孔口中焦炭的形成。

本发明也提供了用于涡轮发动机的环形燃烧室，它包括如上所述的至少一个燃料喷射装置。本发明也提供了涡轮发动机，诸如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其包括这种燃烧室。

通过阅读参考附图和通过非限制性实施例所进行的下面说明，本发明的其它优点和特征将会呈现。其中：

图1是现有技术的多点燃料喷射装置的轴截面中部分示意图。

图2是图1中虚线方框中区域放大比例的示意图。

图3和4是本发明装置的两个实施方式的示意图.和

图5和6是本发明变化实施方式的示意图。

首先参考图1，其表示现有技术的喷射装置10，其包括两个燃料喷射系统，其中一个是连续工作的引燃系统，其中另一个是间断工作的多点系统。该装置用于安装在涡轮发动机环形燃烧室的端壁中的开口中，其通过上游高压压气机供应空气，并且由此燃烧气体驱动下游连接的涡轮机。

该装置具有第一文丘里管12和第二文丘里管14，这两个文丘里管同轴的，第一文丘里管12安装在第二文丘里管14内。引燃喷射器16安装在轴向地插入在第一文丘里管12内的第一旋流器级18内。第二旋流器级20形成在第一文丘里管12的上游和径向外端，并且位于第一文丘里管12和第二文丘里管14之间。

第二文丘里管14具有由两个圆柱形壁，径向内壁24和径向外壁26所限定环形室22，这些壁通过向下游会聚的截头圆锥形下游壁28连接在一起。环形环30也有两个圆柱形壁，径向内壁32和径向外壁44，这些壁通过向下游会聚和安装在环形室22内的截头圆锥形下游壁36连接在一起，以这种方式，环形室22和环形环30的下游壁28和36互相压靠。

环形环30和环形室22在它们上游端开口。环形室22的圆柱形壁24和26在上游延伸超过环形环30的圆柱形壁32和34的上游端。

环形环30的下游壁36具有圆柱形喷射孔口40，该孔口40有规律地周向分布和开口进入环形室22的下游壁28的相应同轴的圆柱形孔口42中。环形室22的孔口42的直径大于环形环30的孔口40的直径(图2)。

在环形环30和环形室22的内圆柱形壁24和32之间限定用于流经燃料的内环形通道44。以相似的方式，在环形环30和环形室22的外圆柱形壁26和34之间限定用于流经燃料的外环形通道46。

喷射装置具有用于给下游部分输送燃料的燃料输送本体48，其是环形的和包括以密封方式轴向地接合在环形室22的内和外圆柱形壁24和26之间的圆柱形管道50，其以密封方式在环形环30的内和外圆柱形壁32和34之间开口。管道50具有邻接靠于环形环30的内和外圆柱形壁32和34的上游端的径向肩部54。

燃料输送臂56连接本体48，并且具有两个同轴的管道，向本体48的管道50输料的内管道58，该管道50的下游端在环形环30内开口，以输料给孔口40和42，以及向通道(未示出)输料的外管道62，该通道分别开口进入内和外环形通道44和46.

本体48具有燃料收集器腔室64，其与燃料输送臂56直径地相对和与环形环30的圆柱形壁32和34的上游端平齐，这样内和外环形通道44和46连通收集器腔室64。管道66一端连接引燃喷射器16，另一端它开口进入收集器腔室64中。

工作时，臂的内管道58向本体48的管道50输送燃料，然后燃料流进环形环30中，并且通过环30和室22的孔口40和42被喷射到下游燃烧室中。

臂56的外部管道62向本体48的通道输料，该通道开口进入内和外环形通道44和46，然后燃料流进到收集器腔室64中，以通过管道66输送给引燃喷射器16。

在要求最大动力的特定飞行阶段，诸如起飞期间，引燃回路连续地工作，同时多点回路间断地工作。

在涡轮发动机工作期间，来自于高压压气机的热气，其可以达到位于范围600℃到700℃的温度，流过第一文丘里管12内，经过第一径向旋流器18，并且空气也流进第一和第二文丘里管12和14之间的第二径向旋流器20内。

输送给引燃喷射器的燃料连续地流过的内和外环形通道44和46在环形环30的径向外侧和内侧形成冷却回路，因此避免了由于来自于燃烧的热辐射所引起的环30中燃料焦化，在多点回路不工作的这些飞行阶段期间会发生这种情况。

如上所述，环形室22的下游面28直接受到来自于燃烧的热辐射，并且这可以导致不使用多点回路的这些飞行阶段期间，环30和环形室22的喷射孔口40和42中燃料焦化。

为了限制环形环30的前面的温度增加，热绝缘装置设置在环30的前面36和环形室22的前壁28之间。

这些热绝缘装置包括在环形环30的前面28和环形室22的下游壁28之间所形成的环形腔室68。该腔室68在喷射孔口40之间延伸，以提供尽可能靠近其的热绝缘，因此降低燃料喷射孔口42中燃料焦化的风险，以确保多点回路的良好工作。

环形环30的前面36具有在环30周围有规律地分布的多个突出螺栓70，每个具有各自的喷射孔口42。这些螺栓70插入环形室22的下游壁28的上游面中凸部的腔室中。螺栓70接合在这些腔室内以邻接压靠环形室22的下游壁28，以确保环30正确地轴向定位于环形室22中。螺栓70基本上是圆柱形，并且它们钎焊在凸部的腔室内，以提供引燃回路和多点回路之间密封。

环30的外圆柱形壁34通过环形垫圈承靠环形室22的外圆柱形壁26上，以使环30在环形室22中居中。前面36具有向下游延伸与内圆柱形壁32成直线的环形边缘72。该环形边缘72的下游端在内环形通道44和前环形腔室68之间形成环形燃料通道。

外环形通道46与前腔室68通过环30的壁34上环形垫圈而隔离，如果期望，该垫圈可选地可以钎焊到环形室22的外圆柱形壁26，以进行密封连接。在工作时，腔室68内具有的燃料在热通量作用下焦化，因此形成保护环形环30的热绝缘。

如上所述，装置的类型用于限制环形环30的前面36的温度升高，以及随后限制多点回路不工作时焦炭的形成。然而，通过螺栓70在环30的前面36和环形壁22的前壁28之间进行连接提供了热桥，该热桥提供了来自于燃烧的热的良好传导，因此促使焦炭在环30的孔口40中形成。

本发明通过改变环形环74中所形成的燃料流经孔口的截面，这样每个孔口都具有延伸有一部分增加截面的小截面区域，提供了对该问题的解决方案。

在图3中所示的第一实施方式中，环形环74中每个孔口78的小截面76在孔口78的上游端，其中孔口78开口进入环形环74内。每个孔口78的内侧表面80是圆锥形，同时它的截面朝向孔口78的下游端增加。圆锥形具有直线轮廓，并且这样以至于每个孔口78的下游截面82的直径基本上等于环形室22的孔口42的直径。

这种构造具有简单实施的优点，因为可以通过将适合的工具插入穿过环形室22的孔口42进行将环形环74中孔口78机械加工成圆锥形。因此，这种机械加工可以在喷射器系统上进行，在喷射系统中，环形环74已经安装和固定在环形室22内。最后，接合沿着孔口的下游端增加的截面部分形成了向下游张开和促进燃料喷射到燃烧室内的一部分。

在图4中所示的本发明的第二实施方式中，环形环86中每个孔口84的小截面83在孔口84的下游端。每个孔口84的内侧表面88是圆锥形，其截面从孔口84的下游端到其上游端增加。这种类型的构造更难制造，并且要求使用更复杂的机械加工技术，诸如激光打孔或电侵蚀。沿着下游行增加的截面的孔口84需要在它安装于环形室22内之前在环形环86中制造。然而，与上述构造比较(图3)，这个构造具有减少环86中孔口84的内侧表面88暴露于来自于燃烧火焰辐射的优点。

在如图5和6中所示的两个其它实施方式中，小截面90、92形成在环形环中每个孔口94、96的上游端和下游端之间,并且它形成在孔口的中间部分中。在这些实施方式中，每个孔口94、96具有沿着下游增加的截面部分98、100，以及沿着上游增加的截面部分102,104。增加截面的每部分可以具有圆锥形98、102(图5)或它们的轮廓可以是曲线100、104(图6)。在曲线轮廓情况下，应该观察到曲线表面100、104是凸面。这些表面同样好地可以是凹面。

在本发明的其它变化形式中，如图3和4中所示的环中孔口的壁可以具有曲面的轮廓，该曲面是凹面或凸面。

在本发明实践的实施方式中，对于位于大约每秒1克(g/s)到2g/s范围的多点回路中燃料的质量流率，环形环中每个孔口的小截面具有位于大约5×10^-6平方米(m²)到10×10^-6m²范围的面积。

因此，修改孔口78、84、94、96的轮廓，使得它具有小截面和至少一部分增加的截面，这样可以减少环形环的孔中任何焦炭形成的影响，因为环形环的每个孔口78、84、94、96的体积大于现有技术中孔口的体积。这用于确保多点回路的良好工作。

在参考附图所进行的描述中，喷射装置包括用于热绝缘环形环74、86的前面106、108的装置。然而，本发明也可应用于不具有热绝缘装置，但是具有用于冷却环形环前面的装置的喷射装置。为此目的，由内和外通道44和46所形成的冷却回路在环的喷射孔口的附近中室的前面上延伸。在这种构造中，一部分冷却回路由环形环下游面中沟槽所形成，该下游面被压靠于环形室的前面。下游环路可以与内通道或与外通道流体流动连通，并且它可以是波浪形，以朝向环形环中喷射孔口的内侧和外侧径向地交替延伸，以尽可能靠近喷射孔口定位孔口。在以申请人名字的申请FR09/04907中详细地描述了用于冷却回路的这种构造。

尽管本发明与上述用于前面的冷却装置或与热绝缘装置联合使用时，它特别有利，但是它也可以用在不具有这种装置的装置中。

因此，环形环的前面可以以其整个面积与环形室的前面接触。如上所述，本发明的喷射装置也可以可选地包括通过引起引燃回路的燃料流到内或外环形通道中，用于冷却环形环的回路。

Claims (11)

1.用于涡轮发动机的环形燃烧室的燃料喷射装置，装置包括连续地向开口进入第一文丘里管(12)的喷射器(16)输料的引燃回路，和间断地向同轴地绕着第一文丘里管(12)的第二文丘里管(14)的上游环形室(22)的前壁(28)中所形成的喷射孔口(42)输料的多点回路，环形环(74、86)安装在环形室(22)中，并且环形环(74、86)包括开口进入上述喷射孔口(42)中的燃料流经的孔口(78、84)，该装置特征在于：环形环(74、86)中所形成的每个燃料流经的孔口(78、84)具有小截面区域(76、83、90、92)，该小截面区域在至少下游或上游延伸有增加截面的部分。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于：增加截面的部分向燃料流经的孔口(78、84)的上游或下游端逐步地增加。

3.根据权利要求1或权利要求2的装置，其特征在于：小截面区域(76、83)形成在燃料流经的孔口(78、84)的上游或下游端。

4.根据权利要求1或权利要求2的装置，其特征在于：小截面区域(90、92)形成在燃料流经的孔口(94、96)的上游和下游端之间，并且延伸有沿着上游和沿着下游增加的各自截面部分(98、100；102、104)。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于：小截面区域(90、92)形成在燃料流经的孔口(94、96)的中间部分中。

6.根据权利要求1的装置，其特征在于：燃料流经的孔口的增加截面的部分具有直线或曲线的轮廓。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：引燃回路包括用于冷却环形环的回路，并且其中用于热保护环形环(74、86)的前表面(106、108)的装置插入在环形环的前表面和环形室(22)的前壁(28)之间。

8.根据权利要求7的装置，其特征在于：热保护装置包括插入在环形环(74、86)的前表面(106、108)和环形室(22)的前壁(28)之间，用于热绝缘环形环(74、86)的前表面(106、108)的装置。

9.根据权利要求7的装置，其特征在于：热保护装置由在喷射孔口紧邻附近的环形环前表面上延伸的一部分冷却回路形成。

10.涡轮发动机的环形燃烧室，其特征在于：它包括至少一个根据权利要求1至9中任一权利要求所述的燃料喷射装置。

11.涡轮发动机，其特征在于：它包括根据权利要求10所述的燃烧室。