CN103842728A - 用于涡轮发动机的环形燃烧室 - Google Patents

Abstract

该发明涉及一种环形燃烧室，其包括内旋转对称壁与外旋转对称壁，所述壁在上游通过由喷射系统穿过的环形燃烧室端壁连接在一起，每个喷射系统包括至少一个旋流器，以在燃料喷射器下游产生旋转气流，以及一设置在旋流器下游的截头圆锥形的碗，该碗形成有一排环形喷气孔（80，86），其中外旋转对称壁包括一排环形主稀释孔。该碗（78）的孔（80，86）的分布及尺寸确定方式使空气/燃料混合物层具有一局部加宽部分，该局部加宽部分与来自主稀释孔上游的相邻燃料层沿周边相交。

Description

用于涡轮发动机的环形燃烧室

技术领域

本发明涉及一种如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机的涡轮发动机的环形燃烧室。

背景技术

在已知方式当中，涡轮发动机的环形燃烧室接收来自高压压缩机的上游气流，并向下游输送热气流，以驱动高压及低压涡轮的转子。

环形燃烧室包含两个同轴壁，所述同轴壁形成回转表面，所述回转表面一个在另一个内延伸，并在它们的上游末端通过环形室端壁连接在一起。该室端壁具有在内外同轴壁之间安装燃料喷射系统的开口。

每个喷射系统均包括对燃料喷射器的头部以及位于燃料喷射器头部下游位置同一轴线上的至少一个旋流器提供支撑的装置，其中该旋流器从燃料喷射位置向下游输送旋转气流，以形成将在燃烧室燃烧的空气和燃料的混合物。

喷射系统的旋流器充斥着来自环形扩散器的空气，该环形扩散器安装于高压压缩机出口处，而高压压缩机则位于燃烧室的上游。

各旋流器向下游引至混合器碗内部，该混合器碗具有大体为截头圆锥形的下游壁，该下游壁向下游张开，并包含围绕所述碗的轴均匀分布的一排喷气孔。

该燃烧室的外同轴壁具有环形分布的一排主稀释孔以及通向燃烧室内部并位于主稀释孔下游的至少一个火花塞。

运行时，离开高压压缩机的空气流入各个喷射系统内部。空气/燃料混合物则从各个喷射系统中喷射出，以形成一片大体上呈截头圆锥形，并向下游张开的空气和燃料混合物。该片的孔径角为混合器碗的截头圆锥形壁的孔径角以及所述截头圆锥形壁中形成的喷气孔尺寸的函数。因此，混合器壁中孔的直径越大，则通过每个孔的气流量越大，而空气/燃料混合片张开的程度则越小。

主稀释孔用于稳定燃烧室末端的燃烧火焰。通过对空气/燃料混合物的稀释，它们可防止燃烧火焰分离开并穿越到高压涡轮机中，并由于在其上形成热点而损坏例如定子叶片这样的部件。

在实践中，喷射系统设置为对于各个喷射系统，从稀释孔上游开始，空气/燃料混合片与两个邻近喷射系统的燃料片沿周边交叉。这确保在稀释之前，喷射系统之间的空气/燃料混合物的周边连续性，从而起到保证火花塞所点燃的火焰能够围绕燃烧室周边蔓延开来的作用。

在某些配置中，特别是在所称的会聚燃烧室中，其内、外同轴壁为截面锥头朝下的截头圆锥形壁，或当喷射系统数量少时，邻近喷射系统的周边节距较大。其结果是，从邻近喷射系统喷射出的成片燃料不再向上与主稀释孔沿周边交叉，从而导致火焰在喷射器之间呈周边蔓延出现困难，进而降低了燃烧室的性能。

为减轻该缺点，不希望增加喷射器的数量，因为这可使涡轮发动机变得更重。增加燃料片的孔径角也不会令人满意，因为这样会导致向内外同轴壁投射大量的燃料，在内外同轴壁上形成高热点。

发明内容

此发明的一个具体目的是为以上问题提供简单、经济而又有效的解决方案，使之能够避免之前工艺的缺陷。

为此目的，该发明提供了一个由两同轴壁形成的回转表面所构成的环形燃烧室，该两同轴壁分别为内壁和外壁，所述同轴壁在它们的上游末端通过一环形室端壁连接在一起，所述环形室端壁具有安装喷射系统的开口，每个包含至少一个旋流器，用以从燃料喷射器向下游产生旋转气流，以及一个位于旋流器下游，并大体具有截头圆锥形壁的碗，与呈环形的一排喷气孔共同形成，用以产生出大体呈截头圆锥形的，空气和燃料混合物的旋转片，外壁具有呈环形布置的一排主稀释孔，该燃烧室的特征在于，所述碗的孔的分布及尺寸使得至少一些空气/燃料混合物的片具有放大部分与主稀释孔上游的相邻燃料片沿周边相交的至少一个局部放大部分。

本发明使得可在保持燃料片的相同孔径角的同时，修改一些碗状，以形成这些碗各自燃料片的燃料局部放大部分，这样的局部放大部分与主稀释孔上游的相邻喷射系统的空气/燃料混合物片沿周边相交。

这样，可以在通过主稀释孔吸入空气之前保证空气/燃料混合物的周边连续性，从而确保在不增加额外喷射器的情况下，燃烧火焰可沿周边良好地蔓延。

在该发明的第一实施例中，碗上的孔有规则地围绕碗的轴分布，一些碗中的一些孔的直径比所述碗其他孔的直径小，较小直径的孔在预定尺寸和角位置的角区部形成，以形成燃料片的一局部放大部分。

分布于一些碗的给定区部的较小直径的孔使得可降低通过这些孔的空气流速。因此，从这些孔中泻出的空气对来自于上游旋流器的空气/燃料混合物具有较小冲击，由此导致空气/燃料混合物喷射角的局部增大，并形成燃料片的局部放大部分。

根据本发明的另一特征，各上述碗的上述角区部的孔的直径比该碗其他孔的直径至少小40%。

在本发明的第二实施例中，至少一些碗在预定尺寸和角位置的角区部中没有用以形成燃料片的局部放大部分的孔。

经过一区部通过碗的截头圆锥形壁来消除孔使得可局部增加空气/燃料混合物片的喷射角度，从而形成与一相邻喷射系统的燃料片相交叉的所述片燃料的局部放大部分。

在本发明的另一实施例中，一些碗包含两个沿直径相对的具有小直径孔或不具有孔的角区部。

在该结构下，形成于各这些碗出口处的燃料片在碗轴的任一侧具有两个沿直径相对的放大部分所述放大部分与由位于任一侧的两个喷射系统所产生的燃料片相交。

燃烧室包括安装于外壁中的孔中的至少一个火花塞，位于紧靠着该火花塞的喷射系统的碗中的孔的分布及定尺寸的方式使得从该喷射系统发出的空气/燃料混合物的片具有放大部分与在火花塞的径向内末端和所述碗的外边缘的一点之间的火花塞的轴相交的另一局部放大部分。

燃料片的此额外放大部分使得可将燃料片局部发射得更靠近火花塞的内端部，从而进一步有利于空气/燃料混合物的点燃及火焰的蔓延。

最为靠近火花塞的碗可具有直径小于所述碗的其他孔直径的孔，所述小直径的孔所形成于的角区部，其尺寸及角位置是预定的，以形成与火花塞的轴相交的放大部分。

最为靠近火花塞的碗在预定尺寸和位置的角区部也可无孔，以形成与火花塞的轴相交的放大部分。

上述角区部延展约20°～50°。

本发明还提供了一个涡轮发动机，如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，包含上述燃烧室。

附图说明

通过阅读以下参照附图作为非限制性示例的说明，本发明的其他优点和特征将呈现出来，其中：

图1为已知类型环形燃烧室的轴向截面中的局部示意性半视图；

图2为图1中虚线所标区域的局部示意性放大部分图；

图3是根据图2的两喷射系统的侧视图，两者并排设置；

图4是来自图3的喷射系统的燃料片横截面图；

图5是本发明第一实施例中的混合器碗从下游看视图；

图6是包括根据图2的混合器碗的喷射系统和包括根据图5所示的本发明的混合器碗的喷射系统的侧视图；

图7为图6中喷射系统喷出的燃料的片的截面图；

图8为本发明第二实施例中的混合器碗从下游看的视图；

图9为本发明第三实施例中混合器碗从下游看的视图；

图10为包括本发明图9混合器碗的喷射系统的侧视图；

图11为图10中喷射系统所喷出的燃料片的截面图；

图12为本发明第四实施例中混合器碗从下游看的视图。

具体实施方式

首先参见图1，图1显示一涡轮发动机（如涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机）的环形燃烧室10，该燃烧室位于安装在高压压缩机（未显示）的出口处离心式扩散器12的出口处。燃烧室10之后是高压涡轮14，其中只有进气喷嘴16有显示。

燃烧室10具有同轴内、外截头圆锥形壁18及20，所述壁形成一个套在另一个内的回转表面，并具备锥头朝下的截面。这样的燃烧室被称为会聚性的。内外环形壁18和20在它们的上游末端连接至一环形室端壁22，并且它们通过内、外环形法兰24和26向下游固定。外环形法兰26沿径向向外撑靠一外壳28，并沿轴向撑靠一径向法兰30，该径向法兰用于将高压涡轮机的喷嘴16固定至外壳28上。该燃烧室的内环形法兰24沿径向及轴向撑靠一将喷嘴16固定到内环形壁34上的内环形部件32。

室端壁22具有用于安装将空气和燃料混合物喷射到燃烧室中的系统的孔，燃料喷射来自离心式扩散器12的空气以及燃料由喷射器36所传递。

喷射器36的径向外端固定于外壳28上，它们沿围绕燃烧室的旋转轴38的周边等间隔地分布。各喷射器36在其径向内端具有一燃料喷射头部40，该喷射头部与室端壁22中相应开口的轴线对正。

喷射到燃烧室10中的空气和燃料的混合物通过至少一个火花塞42点燃，该火花塞沿径向延伸至燃烧室10的外侧。火花塞42的内端延伸通过燃烧室的外壁20的一孔，且其径向外端通过适当的方式固定至外壳28上并连接至位于外壳28外侧的电源供应装置（未示出）上。

燃烧室的外环形壁20具有一环形排的主孔44，用于稀释空气/燃料混合物，所述孔位于火花塞42的上游。

如图2清晰所示，每一喷射系统均具有上游和下游旋流器46和48，所述旋流器在同一轴上对齐，并向上游连接到喷射器头部的对中和引导装置，向下游连接到，两者连接到沿轴向安装于室端壁22的开口中的混合器碗50。

各个旋流器46，48包含多个叶片，所述叶片围绕旋流轴径向延伸，并围绕此轴等间隔地分布，以从喷射头部向下游传输旋转气流。

旋流器46和48通过径向壁52彼此分隔开来，并在其径向内端连接至向下游轴向延伸至下游旋流器内，并将上游旋流器46和下游旋流器48中的气流分隔开来的文丘里管54。第一个环形空气流形成于文丘里管54内部，第二个环形空气流形成于文丘里管54外部。

混合器碗50具有大体呈截头圆锥形的壁56，该壁向游张开，且在其上游末端连接至向上延伸，并沿轴向与一环形偏转器60一起安装在室端壁22中的开口中的圆柱形边缘58。碗的截头圆锥形壁的上游末端通过一中间环形部件62固定至下游旋流器上。

所述碗的截头圆锥形壁56具有一环形排的空气喷射孔64，这些孔有规则地围绕碗的轴70分布。通过这些孔的空气与流进流出文丘里管54的气流与喷射器喷进的燃料混合，以形成大体呈截头圆锥形66的空气和燃料混合物的向下游张开的旋转片。碗的每个空气喷射孔64的轴68相对于碗的轴70倾斜，向下游朝所述轴会聚。

第二排环形孔72形成于圆柱形边缘58的上游末端与截头圆锥形壁56之间的接合处。这些第二孔72起到为偏转器60的下游面通风的作用，它们限制了室端壁22的温升。

在操作中，喷射系统的上游旋流器46和下游旋流器48对气流和喷射的燃料施加旋转，而碗50的截头圆锥形壁56中的空气喷射系统64则对空气/燃料混合物施加剪切。这样，碗50中的喷气孔64的直径愈大，则空气通过这些孔的速度就越大，从而减少了空气/燃料混合物的截头圆锥形片的孔径角74。

为了确保喷射系统之间燃烧火焰沿周边蔓延，对喷射系统的结构及数量进行确定，以使相邻的喷射系统的燃料片与来自主稀释孔44上游的周向相交，以形成空气/燃料混合物的周边连续薄雾。

图3显示两个相邻的喷射系统S1和S2，虚线显示由各喷射系统S1和S2所喷射的燃料的截头圆锥形的片。图4显示包含主稀释孔的横向平面76中喷射系统S1和S2各自另一对燃料的片N1和N2。

可以看出，当喷射系统数量减少，两相邻喷射系统S1和S2之间的周边节距增加时，节距对于燃料片N1和N2来讲过大，无法与主稀释孔上游沿周边相交，这使得难于确保燃烧火焰沿周边蔓延。

为减轻该缺点，不希望增加燃料片的孔径角，因为这将导致更多量的燃料朝内环形壁18与外环形壁20喷射，从而导致燃烧室的内环形壁18与外环形壁20上形成热点。也不希望增加喷射系统的数量，因为这将导致涡轮发动机更重，增加其燃料消耗。

本发明通过在喷射系统的碗中分布孔及确定其尺寸而提供一种解决此问题及上述问题的方案，其方式沿周向局部增大燃料片放大部分，以使从主稀释孔上游，它们与相邻喷射系统所产生的燃料片相交。

如图5所示的本发明的第一个实施例中，从下游看，混合器碗78具有多个孔80，这些孔等间隔地围绕碗的轴82分布。碗78具有一角区部84，其上孔86的直径小于该碗78中其他孔80的直径。

当空气/燃料混合物穿透到碗78的内部时，通过区部84中的孔86的气流流速小于通过碗78其他孔80的气流流速。其结果是，此区部84附近通过的空气和燃料的颗粒通过一路径离开碗78，该路径比通过邻近碗78其他孔80的颗粒的路径张得更开。这导致所喷射燃料的片被局部放大部分。

如上所述，由于上游和下游旋流器所施加的旋转，离开各个喷射系统的空气/燃料混合物的片是旋转着的。这样，空气/燃料片中的各空气和燃料颗粒沿着一大体上是螺旋形和截头圆锥形的路径行进。所述局部放大部分的形状对应于这些螺旋截头圆锥形路径。

从下游看碗，当上游及下游旋流器产生一逆时针旋转着的气流时，其可被理解为碗78的区部84应沿与空气/燃料混合物旋转方向相反的方向，即顺时针方向，相对于包含碗78的轴82，并垂直于包含碗78的轴82以及燃烧室的轴的径向平面89的平面87，以一角度α而成角度地偏移。在图5中，平面87和89由线代表，它们垂直于所述片的平面。角度α是从包含较小直径孔86的碗78的区部的中间测量的。该角度α决定着将与相邻喷射系统产生的燃料片沿周边相交的燃料片的放大部分的位置（箭头A）相邻。

图6显示两个相邻的喷射系统，其中一个S1与参照图3所描述的现有技术中的的喷射系统相同，另一个S3则对应于参照图5所描述的喷射系统。虚线显示由各喷射系统S1和S3所产生的燃料片N1和N2的截头圆锥形形状。喷射系统S3所产生的燃料片N3的放大部分物88与位于主喷气口上游的喷射系统S1所产生的燃料片N1沿周向相交。图7是在包含着主稀释孔的横向平面76中，喷射系统S1和S3各自所产生的燃料片N1和N3的剖视图。在此图中，可以看到喷射系统S3产生的空气/燃料混合物的片N3的局部放大部分88沿周边相交于喷射系统S1所产生的片N1.

碗78的区部84的角范围决定围绕着碗78的轴82的放大部分的角范围。

如图8所示，在本发明的第二个实施例中，具有较小直径孔的碗的区部被不具有喷气孔的区部90所取代。该无孔的区部90同样相对于平面87偏移角度α。该碗92使得可获得具有与具有较小直径孔86的区部84的碗78所获得的燃料片形状大致相同的燃料片。

在如图5和图8中所示的实施例的实际执行中，具有小直径孔的碗78的区部84与无孔碗92的区部90沿角度延伸过约50°，角度α约为120°。

在如图9所示的本发明的另一实施例中，混合器碗94具有两个沿直径相对的无喷气孔的角区部96和98。箭头B和箭头C显示空气与燃料颗粒经过碗94的第一区部96及第二区部98所遵循的通路。

图10显示具有包括上述沿直径相对的区部的碗94的喷射系统S4。碗94的第一区部96及第二区部98用于形成燃料片N4的第一放大部分100及第二放大部分102（如图10及图11）。这些第一及第二放大部分100，102沿直径相互相对，它们用于沿周边交叉在碗94任一侧的喷射系统所产生的燃料片。

在图9碗的实际执行中，每个区部98，96沿角度延伸过约20°到30°，并沿与空气/燃料混合物的旋转方向相对的方向，即顺时针方向，相对于包含碗94的轴97，且垂直于包含碗94的轴97及燃烧室轴的径向平面99的平面95，以大约100°夹角成角度地偏移。在图9中，平面95和99用线表示，它们垂直于该片的平面。

在图9碗的一变体实例中，两个沿直径相对的角区部可具有更小直径的孔。其中的一个区部还可无孔，而另一区部具有较小直径的孔。

在图12中所示的本发明的另一实施例中，位于最接近火花塞42处的混合器碗104具有两个无孔的角区部106和108，其中一个区部106用于形成第一放大部分，以与相邻燃料片沿周边相交，而另一放大部分108用于形成第二放大部分，以与火花塞内端与碗104外周边的一点之间的火花塞42的轴110相交。

所述第一与第二放大部分大体位于燃料片上，彼此成90°夹角。箭头D和箭头E显示经过碗104的第一及第二区部附近的空气与燃料颗粒所遵循的通路。

碗104的第一个角区部106沿角度延伸过约50°，传递更靠近火花塞42内端燃料的第二角区部108沿角度延伸过约40°。

如参见图10所描述的那样，出于沿周边蔓延燃烧火焰的目的，最为靠近火花塞的喷射系统还可具有两个沿直径相对的区部，以及无孔或具有较小直径孔的用以向火花塞传输燃料的第三区部。

在以上描述中，旋流器的旋转方向通过实例给出，可以理解为该操作类似于顺时针旋转的空气/燃料混合物。在这种情况下，仅无孔或具较小直径孔的碗的区部的角定位将需要被修正。

在实践中，具有较小直径孔或无孔的区部的定位及角范围通过三维模拟来决定。这样的模拟考虑到诸如旋流器叶片的形状及倾斜角以及旋流器转向、从高压压缩机来的气流流速、从喷射器来的燃料的流速等诸多参数。

本发明的混合器碗使得可获得在空气通过主稀释孔进入之前，两喷射器之间空气/燃料混合物的周边连续性，从而当喷射系统数量较少和/或当那些系统之间的圆周节距较大时，确保燃烧火焰的良好周边蔓延。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的环形燃烧室（10），该室包含两个同轴壁，所述同轴壁形成回转表面，分别为内壁（18）与外壁（20），所述壁在它们的上游端通过具有用于安装喷射系统的开口的环形室端壁（22）连接在一起，每个喷射系统均包含用于产生来自燃料喷射器（36）下游的旋转气流的至少一个旋流器（46，48），以及碗（78，92，94，104），该碗具有大体为截头圆锥形的壁，所述截头圆锥形的壁位于旋流器下游，并形成有一环形排的喷气孔（80，86），用于产生空气与燃料混合物的大体为截头圆锥形且旋转着的片，所述外壁具有一环形排的主稀释孔（44），该燃烧室的特征在于，所述碗（78，92，94，104）的孔（80，86）的分布与尺寸确定方式使得空气/燃料混合物的至少一些片（N3，N4）具有至少一个局部放大部分（88，100，102），所述局部放大部分与所述主稀释孔（44）上游的相邻燃料片沿周边相交。

2.如权利要求1所述的室，其特征在于，至少一些碗（78）的孔（80，86）围绕碗（78）的轴（82）等间隔地分布，每个所述碗的一些孔（86）的直径小于所述碗其他孔（80）的直径，直径较小的孔（86）形成于一角区部（84）上，所述角区部（84）的尺寸与角位置是预定的，以形成燃料的片（N3）的局部放大部分（88）。

3.如权利要求2所述的室，其特征在于，所述各碗的上述角区部的孔（86）的直径比碗的其他孔的直径小至少40%。

4.如权利要求1或2所述的室，其特征在于，至少一些碗（92，104）在一角区部无孔，该无孔角区部的尺寸与角位置被预定，以形成燃料的片的局部放大部分。

5.如权利要求2-4中任何一项所述的室，其特征在于，一些碗包含两个沿直径相对的角区部（96，98），所述角区部（96，98）具有直径较小的孔和/或无孔。

6.如上述权利要求中任何一项所述的室，其特征在于，其包括安装于所述外壁（20）的孔中的至少一个火花塞（42），位于紧靠所述火花塞的喷射系统的碗（104）中的孔的分布及尺寸确定方式使得从该喷射系统发出的空气/燃料混合物的片具有另一局部放大部分，该另一局部放大部分与所述火花塞（42）的径向内端和所述碗（104）的外边缘的一点之间的火花塞的轴相交。

7.如权利要求6所述的室，其特征在于，所述最靠近火花塞的碗具有直径小于所述碗其他孔直径的孔，所述直径较小的孔形成于一角区部，该角区部的尺寸与角位置是预定的，以形成与所述火花塞的轴相交的放大部分。

8.如权利要求6所述的室，其特征在于，所述最靠近火花塞的碗（104）在一角区部无孔，该角区部的尺寸与位置是预定的，以形成与所述火花塞（42）的轴（110）相交的放大部分。

9.如权利要求2至5、7和8中任何一项所述的室，其特征在于，上述角区部（84，90，96，98，106，108）延展经过约20°～约50°。

10.一种涡轮发动机，例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，包括如上述任一权利要求所述的燃烧室。

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