CN107532799B - 包括特定形状的气流导向装置的涡轮机燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明的主要方案在于一种用于涡轮机(10)的燃烧室(1)，燃烧室包括室端部壁(16)以及绕燃烧室(1)的轴线(T)圆周分布的多个空气与燃料喷射系统(21)，燃烧室(1)包括与每个喷射系统(21)相关联的、用于对气流(29)进行导向的导向装置(2)，用于对气流进行导向的导向装置包括被安装在喷射系统(21)上并沿上游方向伸出的至少一个壁(3)，所述至少一个壁(3)围绕轴线(T)充当对空气的周向流动进行阻挡的障碍物，其特征在于，用于对气流(29)进行导向的导向装置(2)的所述至少一个壁(3)具有大体限定出球状体的四分之一的形状，该至少一个壁的内部体积(V)形成用于对供给燃烧室(1)的气流(29)进行导向的导向罩。

Description

包括特定形状的气流导向装置的涡轮机燃烧室
技术领域
本发明涉及配备涡轮机的燃烧发动机的技术领域，并且更具体地涉及用于这种燃烧室的空气供给构件的领域。
本发明适用于任何类型的陆用或航空涡轮机，并且尤其是诸如为涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机的飞行器涡轮机。
更确切地，本发明涉及一种涡轮机燃烧室，该涡轮机燃烧室包括具有球状体的四分之一的特定形状的气流导向装置，本发明还涉及一种包括这种燃烧室的涡轮机。
背景技术
涡轮机一般包括安装在压缩机下游处的环形燃烧室。
燃烧室在上游由环形底部界定，该燃烧室配备有围绕涡轮机的轴线均匀分布并且意在用于将燃料或空气的混合物喷射到燃烧室中的喷射系统。
这些喷射系统包括：外围穿孔，来自压缩机的空气能穿过外围穿孔而进入喷射系统；以及用于使燃料喷射器头部对齐并对燃料喷射器头部进行导向的构件。另外，这些喷射系统被设计成对燃烧室的性能进行优化，从而减少其燃料消耗量以及从该燃烧室排出的污染物的排放量。
此外，压缩机的出口出现在其中容纳有燃烧室的封闭件中。压缩机可以是轴流式类型的并且包括与燃烧室喷射系统大致对齐的出口，或者压缩机可以是离心式类型的并且在出口处包括环形扩散器，该环形扩散器出现在燃烧室封闭件的径向外部区域中。
通常，围绕喷射系统的相应的轴线被供给到系统的空气越均匀，喷射系统的性能会更高。
然而，压缩机的出口沿轴向远离喷射系统，来自压缩机的气流通常围绕每个喷射系统被不均匀分布地到达喷射系统处。
这种问题尤其在离心式压缩机的情况下较为敏感，该离心式压缩机的出气口未与燃烧室喷射系统对齐。
这是因为在配备有离心式压缩机的涡轮机的情况下，扩散器关于燃烧室的轴线被偏心地布置，使得与由轴流式压缩机供给燃烧室的情况相比，将来自扩散器的空气供给到室底部变得更加难以控制。
尤其地，扩散器的偏心布置随后导致对喷射系统供给相当不均匀，从而使得燃烧管中的燃烧区域严重地不匀称。仍更确切地，涡旋处的并且尤其是喷射系统的导向区域(pilot zone)中的涡旋缺乏空气供给导致燃烧室中燃料滴液被较差地分布，因此提高了燃烧管中燃烧的高度不均匀性。
这种现象尤其在用于涡轮机的减速功能的目的时出现，来自涡轮机的整个燃料流在喷射系统的导向区域处被喷射，而且这种现象还存在于全速状态类型的涡轮机的运行条件下。而且，如果这种现象存在于燃烧室中并且其中从压缩机分配的约20％的气流从燃烧室穿过喷射系统时，该现象在多点式燃烧室上更为显著，并且其中约70％的气流从多点式燃烧室穿过喷射系统。
因此，这种现象还会引起污染排放指数下降以及在燃烧室中出现热点的缺点，燃烧室中出现热点会导致燃烧室的壁或室导流板的局部温度升高。
还必须注意的是，现有技术中已描述的解决方案试图弥补供给到涡轮机燃烧室的、来自扩散器的空气的不均匀性，该扩散器被连接到离心式压缩机的出口。因此，本申请人的专利申请FR 2 943 403A1描述了生产一种用于涡轮机燃烧室的改善的空气供给构件，包括被安装在室底部上的空气收集器。另外，专利申请US 2014/0345286A1还教导了生产一种用于供给涡轮机燃烧室的气流导向件，该气流导向件被固定到喷射系统。然而，在这些现有技术的解决方案中，空气收集器以及气流导向件的设计在对来自压缩机的空气进行捕获以及运输以供给燃烧室喷射系统的功效方面是不够优化的，并且这些空气尤其是来自被连接到离心式压缩机的出口的偏心式扩散器。另外，这些解决方案在需要时促进喷射系统的安装/移除方面也是不够合适的。尤其地，所提出的装置的轴向和/或径向尺寸不令人满意并且通常不能使主涡旋的喷射器被容易地接合或拆解，不能使喷射器在任何扩散器和燃烧室的整流罩之间进行旋转，或者不能使喷射器在外部壳体处进行排放而没有结构上的改动。
此外，例如出于轴向空间需求的原因，一些燃烧室喷射系统尤其是多点式喷射系统可包括直接接触到来自压缩机的气流的、特定于它们的功能的元件。它具体可以是存在于多点式喷射系统上的一种燃料溢流管，该燃料溢流管能够回收被用于冷却多点式腔的燃料。因此，在这种情况下，这些特定元件可能容易受到来自压缩机的气流中存在的碎片的损坏，并且例如在离心类型的压缩机的情况下由扩散器喷射出。
发明内容
因此，存在用于提出改善的解决方案的需求，以使得能够减少或甚至防止来自涡轮机的燃烧发动机的喷射系统的尤其是离心类型的压缩机的空气供给的不均匀性。还存在一种需求以使得能够保护这些喷射系统中存在的、并且对它们的功能有用的任何特定元件免受包含在供给涡轮机的燃烧室的气流中的任何碎片的损坏。
因此，本发明的目的在于至少部分地解决上述的需求和与现有技术的实施例有关的缺点。
因此，根据本发明的一个方面，本发明的方案在于一种涡轮机的燃烧室，该燃烧室包括被布置在所述燃烧室的上游端部处的室端部壁，以及多个空气与燃料喷射系统，该多个空气与燃料喷射系统绕燃烧室的轴线圆周地分布并被安装在室端部壁中，燃烧室包括与每个喷射系统相关联的、用于对气流进行导向的导向装置，导向装置包括被安装在喷射系统上并沿上游方向伸出的至少一个壁，所述至少一个壁围绕燃烧室的轴线充当对空气的周向流动进行阻挡的障碍物，其特征在于，用于对气流进行导向的导向装置的所述至少一个壁具有大体限定出球状体的四分之一的形状，该至少一个壁的内部体积形成用于对供给燃烧室的气流进行导向的导向罩。
“球状体”意思是指回转椭球，也就是接近于球体的形状。具体地，它可以是扁球体，也就是被压扁的球体的形式，或者是真球体。
由于本发明，使得来自用于涡轮机的燃烧室的喷射系统的压缩机的空气能够被均匀地供给。因此，例如，在被安置在离心式压缩机的下游处的多点式燃烧室的情况下，它能够在燃烧管中获得匀称的流动，从而允许燃烧室中的燃料被更好地分配，导致更均匀地燃烧(减少了热点并关于污染而言得到改善)。另外，这种匀称性可潜在地使火焰被更好地稳定，并且因此就燃烧室的运行而言能够获得改善的性能。而且，所提出的解决方案在适用的情况下使得能够形成对喷射系统的特定元件的保护，这些特定元件例如为燃料溢流管，以使它们免受供给燃烧室的气流中存在的任何碎片的损坏，这些碎片例如是被吸入的碎片或发动机碎片，供给燃烧室的气流例如是在离心式压缩机的情况下通过扩散器被喷射的气流。
根据本发明的燃烧室还可包括被独立地采用或以所有技术上可能的组合采用的下述特征中的一个或多个。
有利地，对气流进行导向的装置的所述至少一个壁可包括分别位于彼此大体垂直的第一切割平面和第二切割平面中的第一边缘和第二边缘，导向装置借助于所述至少一个壁的第二边缘被安装在喷射系统上。
此外，喷射系统的轴线可位于第一切割平面中，于是第一边缘在其中间处被喷射系统的轴线穿过并形成上游边缘，该上游边缘界定出气流导向装置的进气口。
而且，气流导向装置的所述至少一个壁可包括至少一个排出孔，该至少一个排出孔尤其位于与气流导向装置的进气口相对的位置处。
这种排出孔具体可以呈在气流导向装置的所述至少一个壁中穿过的孔的形式。有利地，尤其是用于位于燃烧室的高点处的喷射系统的这种排出孔可有利于任何水的排出，这些水例如可以是除了别的之外在摄入水和/或冰雹的情况下在形成气流导向罩(scoop)的内部空间中循环的水。
另外，气流导向装置可被安装在喷射系统的空气与燃料喷射器上。尤其地，气流导向装置可被钎焊在空气与燃料喷射器上。
此外，气流导向装置优选地可以是金属，尤其是选自尤其基于镍以及铬与铁的合金的金属合金或超合金。尤其地，气流导向装置可由铬镍铁(Inconel)型合金制成，该合金即NiCr22Mo9Nb。
此外，气流导向装置的轴向和/径向空间需求(优选地，轴向和径向空间需求)可大体类似于喷射系统的空气与燃料喷射器的轴向和/径向空间需求。
而且，根据本发明的另一方面，本发明的另一方案在于一种涡轮机，其特征在于该涡轮机包括如前所述的燃烧室。
尤其地，涡轮机包括离心式压缩机，离心式压缩机的出口被连接到径向扩散器，径向扩散器自身被连接到引流器，引流器出现在封闭件的径向外部区域中，封闭件中容置有燃烧室。
根据本发明的燃烧室和涡轮机可包括说明书中陈述的任何特征，所述特征可以被独立地采用或者与以与其他特征进行的所有技术上可行的组合被采用。
附图说明
通过阅读本发明的非限制性示例性实施例的以下详细说明以及通过对附图的局部示意图进行研究，本发明将被更好地理解，在附图中：
图1以轴向截面的方式局部地示出了包括根据本发明的示例性实施例的燃烧室的涡轮机的示例；
图2以透视的方式局部地示出了图1中的涡轮机的示例；
图3以透视的方式示出了图2的细节，该细节示出了根据本发明的燃烧室的气流导向装置；以及
图4以透视的方式局部地示出了配备有气流导向装置的喷射器关于图2中的燃烧室的室底部的拆卸。
在所有的这些附图中，相同的附图标记可指示相同或相似的元件。
此外，附图中示出的不同部分不一定按相同比例绘制，以便使附图更加易读。
具体实施方式
在本文中，应当注意的是，术语上游和下游应当被认为是关于用于涡轮机10的气体的常规流动的主方向F(从上游到下游)考虑的。而且，涡轮机10的燃烧室1的轴线T是指涡轮机10的燃烧室1的径向对称轴线。涡轮机10的燃烧室1的轴向方向对应于涡轮机10的燃烧室1的旋转轴线T。涡轮机10的燃烧室1的径向方向是与涡轮机10的燃烧室1的轴线T垂直的方向。此外，除非做出相反的说明，形容词和副词轴向、径向、轴向地以及径向地是参照前述的轴向方向和径向方向来使用的。另外，除非做出相反的说明，术语内部和外部是参照径向方向被使用的，以使元件的内部部分相比同一元件的外部部分更加接近涡轮机10的燃烧室1的轴线T。
参照图1和图2，这些附图示意性并局部地示出了根据本发明的包括多点式燃烧室1的涡轮机10的示例性实施例。
更确切地，图1以轴向截面的方式通过该燃烧室1的直接环境而示出了涡轮机10的燃烧室1，并且图2以透视的方式示出了图1的涡轮机10。
以已知的方式，燃烧室1被容纳在封闭件11中，该封闭件被布置在涡轮机10的离心类型的压缩机的下游处，该压缩机的出口被连接到径向扩散器12，该径向扩散器自身被连接到引流器13的出口处，引流器出现在封闭件11的径向外部区域中，使得该引流器13被偏心布置。
燃烧室1由两个同轴的大体圆柱形的、分别为外壁和内壁的壁14和15以及环形室端部壁16界定出，该环形室端部壁在燃烧室1的上游端部处大体径向地延伸并且通过其径向端部被连接到两个壁14和15。
燃烧室1的内壁14和外壁15分别通过两个内套环17和外套环18在下游处被固定到大体圆柱形的、被连接到扩散器12的内壁19以及外壳部20以便界定出封闭件11。
而且，围绕燃烧室1的轴线T均匀分布的多点式喷射系统21被安装在室端部壁16中。每个喷射系统21具体包括燃料喷射器23的头部22，以及围绕喷射系统21的轴线S布置的空气入口孔24。
喷射系统21被构造成能够允许喷射器头部22的径向和轴向移动，以便考虑到这种性质的任何差动膨胀，从而引起喷射器23和燃烧室1之间的相对移动。
此外，如在图1中可看到的，每个喷射系统21包括燃料溢流管25，因此这使得能够回收用于冷却燃烧室1的多点式腔的燃料。
在运行中，来自离心式压缩机的气流26通过引流器13被带至封闭件11中。
到达封闭件11的径向外部区域的气流26在该封闭件11中被整体被分成三部分。
气流的第一部分27沿燃烧室1的外壁15流到下游处，并且部分地穿过形成于其外壁15中的孔(未示出)而进入燃烧室1。
气流的第二部分28沿燃烧室1的内壁14流到下游处，并且部分地穿过形成于其内壁14中的孔(未示出)而进入燃烧室1。
最后，气流的第三部分29供给燃烧室1的喷射系统21。
根据本发明，燃烧室1配备有多个用于对气流29进行导向的装置2，这些装置中的一个在图1和图2中可见。
优选地，对气流29进行导向的装置2由金属制成，尤其由金属合金或超合金制成，例如由铬镍铁(Inconel)型合金制成，该合金即NiCr22Mo9Nb。
在该示例性实施例中，对气流29进行导向的装置2被生产为单件，并且因此包括尤其是通过钎焊而被安装在喷射系统21的喷射器23上的壁3。该壁3在上游方向中伸出，并且围绕燃烧室1的轴线T对空气的周向流动形成障碍物。
图3以透视的方式示出了图2的细节，该细节更确切地示出了涡轮机10的燃烧室1的对气流29进行导向的装置2。
如在图1至图3中可看到的，对气流29进行导向的装置2的壁3具有特殊的形式，使得能够沿多点式喷射系统21的导向区域的方向对气流29进行导向。更确切地，对气流29进行导向的装置2的壁3具有大体限定出球体并且尤其是具有接近于球体形状的扁球体形状的四分之一的形式，该壁的内部体积V形成用于对气流29进行导向的罩以用于供给燃烧室1。
再次更确切地，如具体在图2中可看到的，对气流29进行导向的装置2的壁3包括第一边缘4和第二边缘5，该第一边缘和第二边缘分别处于大体上相互垂直的第一切割平面P1和第二切割平面P2中。
然后，导向装置2借助于壁3的第二边缘5尤其通过钎焊而被安装在喷射系统21的喷射器23上。
另外，喷射系统21的轴线S处于第一切割平面P1中，然后使得第一边缘4在其中间处与喷射系统21的轴线S相交并且形成上游边缘，该上游边缘界定出对气流29进行导向的装置2的进气口，以用于使来自引流器13的空气进入。
以这种方式，对气流29进行导向的装置2使得能够大大减小多点式喷射系统21的导向区域的供给的不均匀性。尤其地，对气流29进行导向的装置2的壁3的形式随后被优化，以便实现多点式喷射系统21的导向区域的空气供给的大体的均匀性。
此外，导向装置2还能够对喷射系统21的燃料溢流管25构成有效的保护，以使其能被适当地保护以免受可由引流器13喷出的任何碎片的损坏。
而且，如具体在图3中可看到的，对气流29进行导向的装置2的壁3包括，与对气流29进行导向的装置2的进气口相对的、呈穿孔形式的排出孔6，该排出孔有助于使例如可在形成气流导向罩的内部体积V中循环的任何水在摄入水和/或冰雹的情况下进行排出。
此外，图4以透视的方式局部地示出了喷射器23的关于燃烧室1的室端部壁16从配备有对气流29进行导向的装置2的喷射系统21进行的拆卸。
如在该图4中可以看到的，对气流29进行导向的装置2的轴向和径向空间需求与喷射系统21的喷射器23的轴向和径向空间需求相似。以这种方式，对气流29进行导向的装置2具有可被移除以及不会防止喷射器23被移除的特殊特征。
根据现有技术的未配备有如上所述的导向装置2的燃烧室1与根据本发明的配备有这种用于对气流29进行导向的装置2的燃烧室1之间的比较性能测试使得能够揭露由本发明产生的优点，即：燃烧室1中的温度场的均匀化，一氧化碳(CO)产生区域的减小，以及尤其是流动的重新匀称化使得能够在燃烧室1以及回流区域的延伸部中获得更加均匀的速度场，从而使得火焰被更好地稳定。
因此，概括地说并且如前所说明的，根据本发明的燃烧室1的对气流29进行导向的装置2能够将供给喷射系统21的气流29引导成围绕这些系统中的每个，从而使得这些系统的空气供给更加均匀。因此，燃烧室1的总体性能得到改善，并且尤其提高了燃烧室的效率并通过燃烧室1减少了污染系统的排放。
自然地，本发明并不限于刚被描述的示例性实施例。本领域技术人员可对本发明进行各种修改。

Claims (15)

1.用于涡轮机(10)的燃烧室(1)，所述燃烧室包括被布置在所述燃烧室(1)的上游端部处的室端部壁(16)，以及多个空气与燃料喷射系统(21)，所述多个空气与燃料喷射系统绕所述燃烧室(1)的轴线(T)圆周地分布并被安装在所述室端部壁(16)中，所述燃烧室(1)包括与每个空气与燃料喷射系统(21)相关联的、用于对气流(29)进行导向的导向装置(2)，所述用于对气流进行导向的导向装置(2)包括被安装在所述空气与燃料喷射系统(21)上并沿上游方向伸出的至少一个壁(3)，所述至少一个壁(3)围绕所述燃烧室(1)的轴线(T)充当对空气的周向流动进行阻挡的障碍物，
其特征在于，所述用于对气流(29)进行导向的导向装置(2)的所述至少一个壁(3)具有限定出球状体的四分之一的形状，所述至少一个壁的内部体积(V)形成用于对供给所述燃烧室(1)的气流(29)进行导向的导向罩。
2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，对气流(29)进行导向的导向装置(2)的所述至少一个壁(3)包括分别位于彼此垂直的第一切割平面(P1)和第二切割平面(P2)中的第一边缘(4)和第二边缘(5)，所述导向装置(2)借助于所述至少一个壁(3)的第二边缘(5)被安装在所述空气与燃料喷射系统(21)上。
3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述空气与燃料喷射系统(21)的轴线(S)位于所述第一切割平面(P1)中，于是所述第一边缘(4)在其中间处被所述空气与燃料喷射系统(21)的轴线(S)穿过并形成上游边缘，所述上游边缘界定出所述对气流(29)进行导向的导向装置(2)的进气口。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述对气流(29)进行导向的导向装置(2)的所述至少一个壁(3)能够包括至少一个排出孔(6)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述对气流(29)进行导向的导向装置(2)被安装在所述空气与燃料喷射系统(21)的空气与燃料喷射器(23)上。
6.根据权利要求5所述的燃烧室，其特征在于，所述对气流(29)进行导向的导向装置(2)被钎焊到所述空气与燃料喷射器(23)上。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述对气流(29)进行导向的导向装置(2)是金属的。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述对气流(29)进行导向的导向装置(2)的轴向和/或径向空间需求类似于所述空气与燃料喷射系统(21)的空气与燃料喷射器(23)的轴向和/或径向空间需求。
9.根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述至少一个排出孔(6)位于与用于对气流(29)进行导向的导向装置(2)的进气口相对的位置处。
10.根据权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述金属选自金属合金。
11.根据权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述金属选自超合金。
12.根据权利要求10所述的燃烧室，其特征在于，所述金属合金是基于镍以及铬与铁的合金。
13.根据权利要求11所述的燃烧室，其特征在于，所述超合金是基于镍以及铬与铁的合金。
14.涡轮机(10)，其特征在于，所述涡轮机包括根据权利要求1至13中任一项所述的燃烧室(1)。
15.根据权利要求14所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括离心式压缩机，所述离心式压缩机的出口被连接到径向扩散器(12)，所述径向扩散器自身被连接到引流器(13)，所述引流器出现在封闭件(11)的径向外部区域中，所述封闭件中容置有所述燃烧室(1)。
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