CN103608625B - 将燃料喷入燃气涡轮发动机燃烧室的方法和实施这个方法的喷射系统 - Google Patents

将燃料喷入燃气涡轮发动机燃烧室的方法和实施这个方法的喷射系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过提出沿相对于空气/燃料混合器系统轴线而成偏心的特定轴线喷射燃料来降低（或甚至消除）燃烧不稳定性，使得燃料流动不再完全轴向对称。更确切地说，根据本发明的燃气涡轮发动机燃烧室的空气/燃料混合器系统包括至少一个压缩空气进气旋流器(2)和燃料喷射器(3)，该旋流器(2)具有中央对称轴线(X'X)，燃料喷射器(3)装有带对称轴线(C'C)的喷射头(31)。每个喷射器(3)通过导向装置(23,22)安装在相应旋流器(2)内，以便喷射头(31)对称轴线(C'C)相对于旋流器(2)中央对称轴线(X'X)而偏心。

Description

将燃料喷入燃气涡轮发动机燃烧室的方法和实施这个方法的喷射系统
技术领域
本发明涉及向燃气涡轮发动机（涡轮轴发动机，涡轮喷气发动机辅助动力装置(APU)）燃烧室喷射燃料的方法，为的是消除（或者至少限制）燃烧不稳定性。本发明还涉及适合执行该方法的一种喷射系统。
背景技术
在燃气涡轮发动机（诸如涡轮轴发动机）燃烧室中，安装在壳体上的喷料器，提供的燃料在空气/燃料混合器（通常称之为旋流器）内与空气混合，旋流器分布在燃烧室的基部上。空气来自燃气涡轮的压缩机的最后一级，其中部分空气经由该旋流器而被引入燃烧室。燃料经由在集管端部形成的孔眼而引入喷料器中。空气和燃料在旋流器内混合，然后在燃烧室内燃烧，从而产生燃气。这些燃气的热能通过涡轮转换为机械功和/或经由喷管而转换成推力，从而可以确保飞机的推进或提供机械动力给陆用或海洋设施。
在设计涡轮轴发动机，特别是其燃烧室时，相当大的风险（这在发动机首次转动前是无法排除的）是在发动机运行范围内燃烧室内存在的燃烧不稳定性。当燃烧室内燃烧波动与位于其中的物理现象（固有的声振动方式、机械振动、燃料供应不稳定性等）产生共振时，就会产生不稳定性。然后，这些不稳定性产生称之为异步的振动，因为它们与发动机转速并不直接相关。当固有声方式和与燃烧相关的热释放波动之间出现共振时，这种情况称之为热声耦合，会引起燃烧不稳定。
更广泛的是，燃烧不稳定性会引起振动，该振动会潜在地损坏燃烧室结构，或者，甚至会损坏发动机结构，影响到发动机的合格认证。
当燃烧不稳定性的存在显而易见时，传统的解决办法是，根据影响程度，重新设计燃烧室和/或喷射系统。这种解决方案成本很高，会引起新设备的显著推迟，因此影响合格性认证。
专利文件US4831700披露了解决涡轮燃烧不稳定的装置，该装置包括安装在喷射器肩部的环形阀。为此，形成内部空气室。该阀带有凸出头部，从而控制来自喷料器肩部形成的孔口的燃料流向燃料出口附近。这种结构复杂，而且基于该阀门孔口的变化情况，这可消除燃料流的中断或脉动现象。然而，如果这种装置可降低与燃料流动不均匀性相关的燃烧不稳定性，但不可能解决这种燃烧不稳定性问题。
专利文件EP1413830也披露了一种基于带有锥形端部的空气分配器的布局形式，所述分配器位于燃料喷射器和空气旋流器之间。空气分配器将气流分成两个同心流，为的是在燃烧室内产生一个双向循环区。处于上述相同原因，这个解决方案不能消除燃烧不稳定性。
发明内容
本发明涉及通过提出沿特定轴线喷射燃料来降低（或甚至消除）燃烧不稳定性，所述特定轴线在旋流器内引起燃料流不再是完全循环对称的。
更确切地说，本发明涉及通过空气/燃料混合器系统将燃料喷入燃气涡轮发动机燃烧室内的方法，所述混合器系统带有循环对称几何轴线。严格地来讲，按照这种方法，燃料的喷射会在混合器系统内沿平行于该系统中央轴线的轴线进行，即与中央轴线分开的轴线。那么，一般认为，喷射轴线相对于混合器轴线而偏心。在这些情况下，在不进行燃料轴向对称喷射时，燃烧火焰不再共振，从而消除燃烧不稳定性或降至可接受水平。
根据具体实施例：
-布置在壳体内的燃烧室相对于壳体有角度地偏置，与壳体成一体的喷射器喷射燃料，混合器系统结合到燃烧室上；和/或
-喷射在混合器系统内成偏心：特别是，当混合器系统在燃烧室上带有一个或多个自由度时实施这种方式。
同样，本发明涉及到一种装有壳体的涡轮燃烧室的空气/燃料混合器系统，以保护燃烧室，这个系统适合实施上述方法。该系统包括至少一个压缩空气进气旋流器，和装有喷射头的燃料喷射器；旋流器带有对称中央轴线，燃料喷射器带有其自身的对称轴线。每个喷射器借助于导向装置（具体为，安装在与旋流器成一体的保持环内的凸缘箍圈）安装在对应的旋流器内，以便喷射头的对称轴线相对于旋流器中央对称轴线而成偏心。
根据具体实施例：
-使得旋流器与燃烧室成为一体和使得喷射器与壳体成为一体的装置，以及将燃烧室偏心固定到壳体上的装置能够有角度地相对于壳体而偏置燃烧室，以便喷射器相对于相应的旋流器而轴向偏置。
-每个喷射器具有对称的主轴线和带有中央燃料循环通道的喷射头，所述循环通道相对于旋流器的主轴线而轴线偏心。
-有利的是，喷射头为截头圆锥形，可以相对于喷射器主体偏心安装，喷射头通道轴线为喷射头的对称轴线。
附图说明
参照附图，通过阅读如下详细实施例，本发明的其它特性和优点会更清楚，附图分别如下：
-图1为根据本发明的混合器系统的第一示例剖面图，所示混合器系统带有喷射器，喷射器带有平行轴且相对于相关旋流器的轴线而偏置；
-图2是由壳体保护的燃烧室的示意图，所示燃烧室带有在壳体上的偏心固定装置，该装置能够与壳体有角度地偏置燃烧室，为的是获得根据图1的轴线偏置；以及
-图3a和图3b是另一个示例的偏心燃料喷射器的剖面图和透视图，分别在旋流器内和该系统的外部。
具体实施方式
术语“上游”和“下游或相等术语表示，喷射器内的燃料按轴线C'C流动时的部件部分。
参照图1的剖面图，根据本发明的混合器2的示例，通常称之为旋流器，带有空气进气单元21和带有保持环22。该环可以容纳带有用于燃料喷射器3的凸缘23a的导向箍圈23。旋流器2通过火焰筒5与燃烧室4成为一体。喷射器3固定到围绕燃烧室4的壳体6上。
进气单元21在环形部分2a内形成，根据旋流器2和混合器系统1的轴线X’X，该环形部分2a同轴地安装在第二环形部分2b上。第一部分2a在旋流器2内形成文氏管壁20a，第二部分2b形成另一个文氏管壁20b。第一文氏管壁20a以这样一种方式进入第二文氏管壁20b，即建立文氏管间的空间E1，来自进气单元21的气流F1在该空间内循环。该气流在出口处形成空气锥C1，包围着由内部文氏管空间E2形成的空气/燃料混合器锥体C2，内部文氏管的空间E2则由第一文氏管壁20a限定。
在这个空间E2中，来自进气单元21的内部气流F2与喷射器3提供的燃料混合。更确切地说，空气旋流器在内部文氏管E2内形成空气层，空气层在燃烧室4进口处重叠。在每层中，空气粒子以流体和均匀方式与喷射器3喷入的燃料粒子混合，产生很好实施的空气/燃料混合物。
有利的是，内部气流F1和F2带有独立的沿相同方向或相反方向在旋流（或不在旋流）的气流，从而获得燃料和/或尽可能最有效的空气/燃料混合物的喷射，以适应燃烧室的性能要求。
在所示示例中，燃料喷射器3具有带截头圆锥形喷射头31的圆柱形主体30。带有与喷射器对称轴合并的轴线C'C的供料导管32穿过圆柱形主体30和喷射头31。在这个实施例中，喷射头31在喷射器主体30导管32延伸段内形成喷射成型通道36。
喷射器在旋流器2内的安装可通过导向箍圈23来实现，箍圈的凸缘23a插入到保持环22和第一环形部分2a下游壁P2之间形成的径向槽24内。例如，保持环22通过钎焊而结合到壁P2上，从而形成径向槽24的基部4a。
凸缘23a被定位成在槽24内不轴向对称，这样，当热态使用时，槽24a和24b的非占用部分的深度不同，于是，喷射器3本身相对于旋流器2非轴向对称定位。燃料流就不再完全轴向对称，因为如果喷射器3和旋流器2的轴线C'C和X'X保持平行时，它们不再重合。因此，如图所示，它们的间距ΔC大约1mm。该间距取决于发动机的尺寸。
在这种情况下，在不进行燃料的轴向对称喷射时，燃烧火焰不再共振；燃烧不稳定性被消除或降至可接受水平。
如果旋流器与燃烧室基部为一体，该非轴向对称的安装方式可以通过在壳体6上相对于标称对准基准位置而偏心偏置燃烧室4固定件来实现。在图2透视图所示意的安装示例中，偏心夹10用来在壳体6上固定燃烧室4。这些偏心夹10可以有角度地偏置燃烧室，偏置ΔA程度大约为一度的十分之几，确切值取决于发动机相对于标称基准位置的尺寸。
这种位移引起与燃烧室4为一体的旋流器2和与壳体6为一体的喷射器3的相等偏置。由此可以看出，喷射器3的燃料流轴C'C相对于根据图1的旋流器2的轴X’X而呈现间距ΔC。
在图3a和图3b所示另一个示例中，喷射器3在旋流器2内的非轴向对称安装（图1）可以再次通过相对于喷射器3主体30而偏心定位喷射头31来实现。
在旋流器与燃烧室不是直接为一体时，这个解决方案非常适宜。特别是，为确保旋流器和喷射器之间的自由度，导向箍圈23在旋流器2和燃烧室4之间的分界面处偏置时，燃料喷射器3的轴线C'C和旋流器2的轴线X'X的相对位置由与旋流器2为一体的导向箍圈23的轴线的位置确定。
参照图3a，该图示出了另一个实施例，所示喷射头31相对于主体30和安装螺母35而偏心定位。那么，看来，穿过喷射头31的燃料流动通道36的轴线C'C平行于喷射器主体30导管32的轴线，并相对于该轴线而偏置，该轴线与旋流器2的轴线X'X重合。
于是，通过喷射头31相对于喷射器主体30的位置可获得轴向位移，与此同时，导向凸缘23a在径向槽24内处居中。
图3b的透视图示出了喷射头31在主体30上头部安装螺母35上接合的非对称的实施。主体30的端接在圆形凸缘37上，螺母35通过内螺纹而安装在该圆形凸缘上。图3b同样示出了喷射头31通道36的轴线T'T和导管32的轴线C'C的位移ΔC情况。
本发明并不仅限于所介绍的和示出的实施例。例如，可以使用各种不同形式的旋流器，例如带有对转的几个进气环的旋流器，或者带有金字塔形头部的或带有凹陷型面的喷射器。当然，本发明适用于单文氏管旋流器，也就是说，旋流器并不装有与气流F1相关的第二文氏管20b。
同样，可以将导向箍圈非轴向对称定位和偏心喷射头结合，例如，通过将图2和3a/3b实施例相结合。此外，根据另一个实施例，可以通过钎焊偏心固定环22，以便在使用时箍圈23位于环的中心，从而相对于旋流器轴线而不轴向对称。此外，旋流器可以不固定在燃烧室的壁上，而是，例如，固定在壳体上。此外，在旋流器内喷射器的导向装置可以按照任何已知装置（例如，可调轴承，套管，隔圈等）来形成。

Claims (7)

1.通过空气和燃料混合器系统(1)将燃料喷入燃气涡轮发动机燃烧室(4)的方法，该空气和燃料混合器系统(1)带有中央几何对称轴线(X'X)，燃料的喷射在混合器系统内根据平行于该系统(1)对称轴线(X'X)且与该轴线(X'X)分开的轴线(C'C)进行，其特征在于，布置在壳体(6)内的燃烧室(4)相对于壳体(6)而有角度地偏置(ΔA)，燃料的喷射通过与壳体(6)成一体的喷射器(3)和与燃烧室(4)为一体的混合器系统(1)来进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，喷射在混合器系统(1)内为偏心(ΔC)。
3.装有保护燃烧室的壳体的燃气涡轮发动机燃烧室的空气和燃料混合器系统，能够实施根据权利要求1所述的方法，包括至少一个压缩空气进气旋流器(2)，和装有喷射头(31)的燃料喷射器(3)；该旋流器(2)带有中央对称轴线(X'X)，该喷射头(31)带有分开的对称轴线(T'T)，其中，每个喷射器(3)通过导向装置(23,22)安装在相应的旋流器(2)内，以便喷射头(31)的对称轴线(T'T)相对于旋流器(2)中央对称轴线(X'X)而偏心，其特征在于，燃烧室(4)在壳体(6)上的偏心固定装置(10)能够相对于壳体(6)有角度地偏置(ΔA)燃烧室(4)，以便喷射器(3)相对于对应旋流器(2)而轴向偏置(ΔC)。
4.根据权利要求3所述的混合器系统，其特征在于，导向装置包括箍圈(23)，该箍圈带有安装在与旋流器(2)为一体的保持环(22)内的凸缘(23a)。
5.根据权利要求3所述的混合器系统，其特征在于，混合器系统包括使旋流器(2)与燃烧室(4)成为一体的火焰筒(5)，其中，喷射器(3)与壳体(6)成为一体。
6.根据权利要求3所述的混合器系统，其特征在于，每个喷射器(3)带有主对称轴线和带有中央燃料循环通道(36)的喷射头(31)，所述通道(36)带有相对于系统(1)的对称轴线(X’X)而偏心的轴线(T'T)。
7.根据权利要求3至6任一项所述的混合器系统，其特征在于，喷射头(31)相对于喷射器(30)主体而偏心安装，喷射头的通道(36)的轴线(T'T)为喷射头(31)的对称轴线。
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