CN107735619B

CN107735619B - 涡轮发动机的弯曲的燃烧腔室

Info

Publication number: CN107735619B
Application number: CN201680040094.2A
Authority: CN
Inventors: 纪尧姆·奥雷利安·哥德尔; 阿兰·雷内·凯尔; 罗曼·尼古拉斯·吕内尔; 哈里斯·姆塞范迪克
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2036-07-07
Also published as: FR3038699B1; EP3320269B1; EP3320269A1; US11125435B2; US20180209649A1; PL3320269T3; WO2017006063A1; CN107735619A; FR3038699A1

Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机燃烧腔室，包括：外部环形壳体；连接到外部壳体的火焰管(20)，所述火焰管(20)包括内部环形壁(20b)和外部环形壁(20a)，内部环形壁和外部环形壁限定火焰管的第一径向入口部分和火焰管的第二轴向出口部分，火焰管还包括位于火焰管(20)的入口处的腔室底座(30)；和燃料喷射系统(40')，燃料喷射系统被构造成通过火焰管的入口将燃料喷射到火焰管中。喷射系统包括与第一部分平行的喷射器轴线(AA')和构造成使空气朝向喷射系统(40')中的螺旋部移动的空气收集管(40'd)。螺旋部围绕与喷射器轴线平行的植入轴线布置。空气收集管包括围绕喷射器轴线的圆形部分。形成收集管的空气入口的开口从圆形部分延伸。开口被构造成使进入的空气流围绕植入轴线旋转，以便空气流供应到螺旋部。

Description

涡轮发动机的弯曲的燃烧腔室

技术领域

本发明涉及用于涡轮发动机的燃烧腔室的领域，并且更具体地涉及涡轮发动机的燃烧腔室中的火焰管的结构和附接。

背景技术

在已知的方式中并且参照图1，在高压压气机(未示出)的下游，涡轮发动机包括燃烧腔室，该燃烧腔室由同心的、内部旋转对称的壳体1b和外部旋转对称的壳体1a来界定。

燃烧腔室包括火焰管2，火焰管被设置在由内部壳体1b和外部壳体1a限定的空间中。

火焰管2由称为内部套管的内部壁2b和称为外部套管的外部壁2a以及用作用于喷射器4的支撑部的腔室底座板3界定。

此外，燃烧腔室还包括设置在腔室底座前方的整流罩5，以部分地覆盖喷射器4，从而保护喷射器免受可能的冲击(这可能由鸟或冰块摄入马达而产生)和减小空气动力学能量损失以改善发动机的燃油消耗。并且，燃烧腔室包括通向喷射器4的空气扩散器6，该空气扩散器使得喷射器4能够得到冷却。

火焰管2的底座板3、内部壁2b和外部壁2a与整流罩5通过螺栓(未示出)组装。

图1的燃烧腔室被称为直接轴向环形的，因为其沿着发动机轴线的优选方向延伸而没有火焰管的圆筒形罩的翻转。特别是在高功率下，这种架构是现代涡轮发动机的参照点。在低功率领域，这种架构与轴向上非常紧凑的反向腔室架构共存。然而，它具有的主要缺点是高面容比，高面容比使得火焰管的壁的冷却变得困难并且妨碍了它们的寿命。

另一方面，直接轴向腔室类型的问题在于火焰管所需的轴向空间相当大。

另一个问题在于：整流罩、内部壁2b和外部壁2a以及底座板的附接遭受到涡轮发动机的振动以及腔室模块的子部件的热膨胀，这可能会削弱其运行能力，使得要提供通常复杂的振动和热补偿系统。

发明内容

本发明打算克服这些缺点中的至少一个缺点。

为此，本发明根据第一方面提出了一种涡轮发动机的燃烧腔室，该燃烧腔室包括：外部环形壳体；连接到外部壳体的火焰管，所述火焰管包括内部环形壁和外部环形壁，该内部环形壁和该外部环形壁在一方面限定在火焰管的入口处的第一径向部分并且在另一方面限定在火焰管的出口处的第二轴向部分，火焰管进一步包括位于火焰管的入口处的腔室底座；燃料喷射系统，该燃料喷射系统被构造成通过火焰管的入口将燃料喷射到火焰管中，喷射系统包括喷射器轴线和空气收集管(collecteur)，该喷射器轴线与第一部分相平行，该空气收集管被构造成将空气带向喷射系统的螺旋部，该螺旋部围绕与喷射器轴线相平行的植入轴线设置，该空气收集管包括围绕喷射器轴线的圆形部分，形成收集管的空气入口的开口从该圆形部分延伸，该开口被构造成使进入的空气流围绕植入轴线进行旋转，以便该空气流供给该螺旋部。

有利地，本发明通过单独采用下述特征或者以其技术上可行的组合中的任一项组合采用下述特征而被完成。

开口包括与圆形部分相切地延伸的直线部分和从圆形部分延伸的发散部分。

圆形部分围绕喷射器轴线具有恒定的半径。

圆形部分围绕喷射器轴线具有递增的半径。

开口具有下述总体形状：圆形、矩形、异形。

火焰管通过与腔室底座相连接的所述喷射器系统而连接到外部壳体。

喷射器具有主方向，该主方向与第一部分延伸所沿的纵向轴线Y同轴。

火焰管的所述第一部分通过在火焰管的入口与出口之间形成弯曲而朝向第二部分延伸。

本发明还涉及一种包括根据本发明的燃烧腔室的涡轮发动机。

本发明能够更有效地从扩散器带来空气。换句话说，本发明能够减小扩散器与收集管的入口之间的水头损失。

事实上，在传统架构的情况下并且根据现有技术，压气机出口处的流部分地供应喷射器(在压气机出口总流量的10％到30％之间)。剩余的百分比不仅通过不同的穿孔(主孔、稀释孔和多个穿孔)沿着火焰管被再引入，并且还用于冷却涡轮模块的一组部件。扩散器(压气机出口)能够使流减速，该流然后在供给喷射系统和内部涵道/外部涵道之前破裂，这是为了减少在涵道处的水头损失。压气机出口和喷射系统之间的这种唯一的过渡不是最佳的，因为它是能量损失的来源：首先流在压气机出口处减速，经过数个通道(穿过整流罩并绕过喷射系统)，然后在喷射系统的入口处重新加速。

因此，本发明通过在扩散器出口和喷射系统的入口之间设置收集管来解决这组问题，收集管的作用是捕获一部分空气流并实现空气动力学连续性。该装置能够优化压气机出口/喷射系统连接、沿喷射系统的方向引导流并减少流穿过开口或绕过部件。

另外，收集管的特定形式允许空气流在其进入喷射系统中之前被定向，以改善对喷射系统的供给。

实际上，在传统架构的情况下并且根据现有技术，喷射系统由数个螺旋部组成，螺旋部的作用是在喷射系统的出口处产生旋转的流。这些螺旋部具有节距角(相对于喷射器轴线在10°到80°之间)。

在其主轴线相对于在扩散器的出口处的平均流动方向倾斜的传统喷射系统的情况下，对螺旋部的供给不是最佳的。可以对流在方向上作出显著变化以供应形成唯一的过渡的螺旋部，这对于燃烧腔室模块的性能是有害的。

因此，解决这一组问题的本发明包括使用收集管的两个侧壁中的一个来在流进入喷射系统中之前使流定向，除了由于使流进行旋转所期望的方向之外不对流施加任何其他的在方向上的显著变化。该技术方案能够产生围绕一轴线(螺旋部围绕该轴线设置)的总的旋转运动，这对于供给螺旋部是有利的。

附图说明

本发明的其它特征、目的和优点通过下文中的描述揭示，该描述是纯说明性和非限制性的并且必须参照附图阅读，除了已经讨论的图1之外，在附图中：

-图2示出了燃烧腔室的剖视图；

-图3示出了燃烧腔室的透视图；

-图4示出了根据第一实施例的燃烧腔室的连接的详细视图；

-图5示出了根据第二实施例的燃烧腔室的详细视图；

-图6和图7示出了根据第二实施例的燃烧腔室的第一类型的收集管；

-图8和图9示出了根据第二实施例的燃烧腔室的第二类型的收集管。

在所有的图中，相似的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图2和图3示出了根据一个实施例的燃烧腔室的视图。

燃烧腔室包括连接有火焰管20的外部壳体10a。

火焰管20包括环形内部壁20b和环形外部壁20a。

环形内部壁和环形外部壁一方面围绕燃烧腔室的径向轴线Y限定第一径向部分201，并且该第一径向部分相对于涡轮发动机的纵向旋转轴线XX径向地延伸。

另一方面，环形内部壁和环形外部壁围绕垂直于径向轴线Y且平行于涡轮发动机的纵向旋转轴线XX的纵向轴线X限定第二轴向部分202。

如在图2和图3中可以看到的，第一部分201通过在火焰管的入口和出口之间形成弯曲而朝向第二部分202延伸。

这样的弯曲允许与气流(图2中的虚线箭头)下游的高压级进行有效的空气动力学连接。

另外，这种弯曲的形状使得对火焰管20的空间的轴向使用得到减少。

这具有以下优点。

-减小了发动机的质量：

o火焰管的形状允许减小外部壳体的长度，这通常与燃烧腔室下游的高压涡轮有相通之处；

o减小设备-导管-舱室和所有“在射流之外(hors-veine)”的组成件的长度；

o腔室的结构特别是因为火焰管通过喷射器连接到外部壳体的事实而被简化，这允许省去外壳和相关的螺栓。这些部件通常使用在直接轴向型腔室上；

-改善了位于燃烧腔室下方的高压转子的动态状态：

o该部件实际上是涡轮发动机的一个复杂的元件，并且必须满足许多尺寸标准。对于尺寸小且高性能要求(在燃料消耗和排放方面)的涡轮发动机而言，力图设置高的旋转速度：但困难在于确保可接受的刚度和轴动力学。因此，赋予火焰管的弯曲形状允许减小高压轴长度(由燃烧腔室上游的高压压气机和燃烧腔室下游的高压涡轮组成)；

-改进了高压涡轮的界面：

o实际上，火焰管的出口与DHP平台的设计是共线的：这能够限制流动涌流的路线的数量，该路线的数量会影响壁(特别是在内部套管上)并且可能干扰寿命至关重要的这些部件的冷却；

-火花塞可以被定位在如下的不同的位置处：腔室底座处和/或腔室拐角处和/或外部壁上。

燃烧腔室还包括位于火焰管20的入口处的具有板形状的腔室底座30。

第一类型的喷射系统40附接到该腔室底座30，火焰管20通过该喷射系统连接到涡轮发动机的外部壳体10a。

另外，燃烧腔室有能够包括呈板形式的隔热罩50，该隔热罩被附接到位于火焰管20中的腔室底座30。该隔热罩50位于火焰管20的入口处，并保护喷射系统40免受可能在火焰管20中发生的高于2200K的高温。

主孔202a、202b在火焰管的入口处的第一部分201处的内部环形壁和外部环形壁中被钻出。

另外，稀释孔203a、203b在火焰管20的弯曲部分处的内部环形壁和外部环形壁中被钻出(参见图3)。孔的数量、孔的直径和相应的位置可以根据相关的应用而变化。

此外，扩散器60能够将空气带入喷射系统40以使喷射系统冷却。

如在图4中可以看出的，根据第一实施例的喷射系统40包括包围喷射导管40b的喷射器主体40a，燃料穿过该喷射导管如此被输送到火焰管20中。喷射器主体40a通过螺栓70和附连板80(参见图3)附接到外部壳体10a。

内部环形壁和外部环形壁通过喷射器主体40a附接到外部壳体10a，如此能够简化碗状腔室底座连接并因此避免使用间隙补偿系统。

连接圆盘40c之上设有圆筒40d，喷射器的主体40a被插入在该圆筒中，该连接圆盘连接至腔室底座30，该腔室底座中已设置有具有连接圆盘尺寸的凹部30a。

喷射器主体40a与喷射导管40b相连接，并且喷射系统40的主体40a以如下方式被插入在连接圆盘40c之上的圆筒40d中：喷射器主体40a(因而喷射导管40b)相对于圆筒40d可移动。这能够补偿火焰管20所遭受的移动。因此，不需要复杂的补偿系统。

喷射器主体40a包括空气入口40e，来自扩散器60的空气通过该空气入口被引入。该空气能够向喷射系统40供应空气。空气入口40e具有但不限于在喷射器的主体40a中形成的椭圆形凹口的形状。因此，将会理解的是，可以设想其他形状。

替代地，如在图5中可看到的，根据第二实施例的燃烧腔室与第一实施例的不同之处在于第二类型的喷射系统40'的结构。

在该第二实施例中涉及的火焰管20与之前描述的火焰管相同。此外，喷射系统40'被附接到腔室底座30，火焰管20通过喷射系统40'连接到涡轮发动机的外部壳体10a。

该第二实施例中的喷射系统40'包括在圆形连接结构40'c之上的喷射器主体40'a，该圆形连接结构包括至少一个连接圆盘。连接结构40'c被插入腔室底座30中，该腔室底座中已经设置有具有圆形连接结构尺寸的凹部。收集管40'd被固定到喷射器主体40'a。

和第一实施例中的一样，内部环形壁和外部环形壁通过喷射器主体40'a附接到外部壳体10a，因此能够简化碗状腔室底座连接，从而避免使用间隙补偿系统。

喷射器主体40'a包围喷射导管40'b(沿喷射器轴线AA')，燃料穿过该喷射导管如此被带入火焰管20中。喷射器轴线AA'与径向轴线Y重合，从而平行于火焰管20的第一径向部分201。

为了借助施加到导管40'b的螺旋部来改善喷射系统的空气供应的效率，空气收集管40'd被置于喷射导管40'b之上。螺旋部通过围绕与喷射器轴线AA'相平行的植入轴线而定位的叶片形成。螺旋部定位所围绕的植入轴线和喷射器轴线AA'可以是重合的。

该收集管被布置成接近扩散器60，但不与扩散器相连接(在连接的情况下，振动会损坏该结构)。另外，由于膨胀速度不同，收集管与扩散器物理分离。

如图6和图7中所示的，空气收集管40'd可以处于喷射系统的轴线AA'上并且包括包围喷射导管40'b的具有恒定半径的圆形部分41。

该圆形部分41具有与喷射器主体40'a相同的尺寸。开口42从该圆形部分41延伸，来自扩散器60的空气通过该开口被引入。开口42具有与圆形部分41相切的直线部分43和从圆形部分41开始发散的发散部分44(或从空气入口开始会聚的部分)。当然，收集管可以具有其他形状。该圆形部分41的圆形形状能够有利于空气流围绕螺旋部的、与图6和图7中所示的示例性实施例中的喷射器轴线AA'重合的植入轴线旋转。

替代地，如图8和图9中所示的，空气收集管40'd可以相对于喷射器的轴线AA'偏移。在这些图中，空气收集管偏移到喷射器的轴线AA'的左侧，但是当然可以偏移到喷射器的轴线AA'的右侧。

为此，收集管包括围绕喷射导管具有递增的半径(围绕喷射导管具有非恒定半径)的圆形部分41'。有利地，圆形部分41'首先在第一部分的上方沿着恒定的半径延伸，然后以递增的半径延伸(涡壳型形状)。并且，开口42从该圆形部分41'延伸，该开口具有与圆形部分相切的直线部分43和从圆形部分开始发散的发散部分44。

开口42可以具有数种形状：矩形、圆形或异形。

因此，来自扩散器的空气通过开口42进入喷射系统，这因为开口的形状而允许对空气流施加总的旋转运动，以便能够供给螺旋部40'e。

另外，根据赋予开口42的形状和尺寸，该开口在水或冰雹摄入的情况下可以避免进入发动机的水进入收集管，然后喷射到特别是在主燃烧区中的火焰管。为此，开口42的外半径可以被合理地适配，以免捕获优先位于离心轮和轴向扩散器的外半径上的水(液体或蒸汽)。

Claims

1.一种涡轮发动机的燃烧腔室，包括：

-外部环形壳体(10a)；

-连接到所述外部环形壳体(10a)的火焰管(20)，所述火焰管(20)包括内部环形壁(20b)和外部环形壁(20a)，所述内部环形壁和所述外部环形壁在一方面限定在所述火焰管的入口处的第一径向部分(201)并且在另一方面限定在所述火焰管的出口处的第二轴向部分(202)，所述火焰管进一步包括位于所述火焰管(20)的入口处的腔室底座(30)；

-燃料喷射系统(40')，所述燃料喷射系统被构造成通过所述火焰管的入口将燃料喷射到所述火焰管中，所述燃料喷射系统包括喷射器轴线(AA')和空气收集管(40'd)，所述喷射器轴线与所述第一径向部分(201)相平行，所述空气收集管被构造成将空气带向所述燃料喷射系统(40')的螺旋部(40'e)，所述螺旋部(40'e)围绕与所述喷射器轴线(AA')相平行的植入轴线设置，所述空气收集管包括围绕所述喷射器轴线的圆形部分(41)，形成所述空气收集管的空气入口的开口(42)从所述圆形部分延伸，所述开口(42)被构造成使进入的空气流围绕所述植入轴线进行旋转，以便所述空气流供给所述螺旋部。

2.根据权利要求1所述的燃烧腔室，其中，所述开口(42)包括与所述圆形部分(41)相切地延伸的直线部分(43)和从所述圆形部分(41)延伸的发散部分(44)。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧腔室，其中，所述圆形部分(41)围绕所述喷射器轴线(AA')具有恒定的半径。

4.根据权利要求1或2所述的燃烧腔室，其中，所述圆形部分(41)围绕所述喷射器轴线(AA')具有递增的半径。

5.根据权利要求1或2所述的燃烧腔室，其中，所述开口(42)具有如下总体形状：圆形、矩形或异形。

6.根据权利要求1或2所述的燃烧腔室，其中，所述火焰管通过与所述腔室底座(30)相连接的所述燃料喷射系统(40')而连接到外部环形壳体(10a)。

7.根据权利要求1或2所述的燃烧腔室，其中，所述燃料喷射系统具有主方向，所述主方向与所述第一径向部分(201)延伸所沿的纵向轴线Y同轴。

8.根据权利要求1或2所述的燃烧腔室，其中，所述火焰管(20)的第一径向部分(201)通过在所述火焰管(20)的入口与出口之间形成弯曲而朝向所述第二轴向部分(202)延伸。

9.一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括根据权利要求1至8中任一项所述的燃烧腔室。