CN109252961B - 连续爆震式燃气涡轮发动机及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种燃气涡轮发动机，包括主燃烧器、副燃烧器、高压(HP)涡轮和混合管。HP涡轮在主燃烧器下游，且经由第一排气管流体地连接到主燃烧器的后端。混合管设置在HP涡轮和副燃烧器的下游。混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。涡轮流出管将从主燃烧器放出且通过HP涡轮膨胀后的主排气流引导至混合管中。第二排气管将从副燃烧器放出的副排气流引导至混合管中。本申请还提供一种用于组装燃气涡轮发动机的方法。

Description

连续爆震式燃气涡轮发动机及其组装方法
技术领域
本申请涉及燃气涡轮发动机。
背景技术
常规燃气涡轮发动机依靠爆燃燃烧来焚烧燃料和空气混合物，且在燃烧室内产生在相对较慢的速率和恒定的压力下行进的燃烧气体产物。为了提高燃气涡轮发动机的热效率，正在研究对发动机架构的改进，其中燃烧以连续(例如，旋转)或脉冲模式作为爆震发生。在爆震燃烧中，点燃的燃料和空气的混合物产生压力波，其转变成在超声速度下移动的爆震波(例如，冲击波)。与由热驱动的爆燃燃烧反应相反，爆震燃烧反应由爆震波驱动。爆震燃烧比爆燃燃烧传播快得多，且具有比爆燃更高的反应热效率。燃烧产物可用于产生功，例如对涡轮供能或产生推力。
但是，爆震燃烧式燃气涡轮发动机并非没有缺点。例如，脉冲爆震构造依靠在很高频率下周期性地激活阀系统，这对于可靠控制是不现实的。
发明内容
在本申请的一个或多个实施例中，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括主燃烧器、高压(HP)涡轮、副燃烧器和混合管。主燃烧器包括在主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室。高压(HP)涡轮在主燃烧器下游，且经由第一排气管流体地连接到主燃烧器的后端。第一排气管定位成将从主燃烧器发出的主排气流引导至HP涡轮。副燃烧器包括在副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室。混合管设置在HP涡轮和副燃烧器的下游。混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。涡轮流出管将主排气流从HP涡轮引导至混合管中，且第二排气管将从副燃烧器发出的副排气流引导至混合管中。
在本申请内容的一个或多个实施例中，提供了一种组装燃气涡轮发动机的方法。该方法包括将压缩机设在主燃烧器上游，主燃烧器具有在主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室。压缩机经由主空气管流体地连接到主燃烧器的前端，主空气管定位成将第一压缩空气流从压缩机引导至主燃烧器。该方法包括将高压(HP)涡轮设在主燃烧器下游，且经由第一排气管流体地连接到主燃烧器的后端。该方法还包括将副燃烧器设在压缩机下游。副燃烧器具有在副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧器室。副燃烧器的前端经由放气管流体地连接到压缩机，放气管定位成将第二压缩空气流从压缩机引导至副燃烧器。该方法还包括将混合管设在HP涡轮和副燃烧器两者下游。混合管包括经由涡轮流出管流体地连接到HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。
在本申请内容的一个或多个实施例中，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括主燃烧器、副燃烧器、压缩机、高压(HP)涡轮和混合管。每个主燃烧器和副燃烧器包括在相应的主燃烧器和副燃烧器的前端与后端之间的相应的环形燃烧室。压缩机设置在主燃烧器和副燃烧器上游。压缩机在入口端与出口端之间延伸，且包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片和定子导叶。低压区段设置在高压区段上游，在入口端与高压区段之间。压缩机经由主空气管流体地连接到主燃烧器的前端，主空气管构造成将第一压缩空气流引导至主燃烧器。压缩机经由放气管流体地连接到副燃烧器的前端，放气管构造成将不同的第二压缩空气流引导至副燃烧器。HP涡轮在主燃烧器下游，且经由第一排气管流体地连接到主燃烧器的后端。混合管设置在HP涡轮和副燃烧器的下游。混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。涡轮流出管将主排气流引导至混合管中，且第二排气管将从副燃烧器发出的副排气流引导至混合管中。
技术方案1.一种燃气涡轮发动机，包括：主燃烧器，所述主燃烧器包括在所述主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室；在所述主燃烧器的下游且经由第一排气管流体地连接到所述主燃烧器的后端的高压(HP)涡轮，所述第一排气管定位成将从所述主燃烧器放出的主排气流引导至HP涡轮；副燃烧器，所述副燃烧器包括在所述副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室；以及混合管，所述混合管设置在所述HP涡轮和所述副燃烧器的下游，所述混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到所述HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到所述副燃烧器的后端的第二入口，以及出口，其中所述涡轮流出管将所述主排气流从所述HP涡轮引导至所述混合管中，以及所述第二排气管将从所述副燃烧器放出的副排气流引导至所述混合管中。
技术方案2.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述副燃烧器是构造成经由前端将燃料流和压缩空气流接收到其所述环形燃烧室中的旋转爆震波(RDW)燃烧器，其中所述副燃烧器的环形燃烧室构造成允许爆震波沿圆周移动穿过其间，以引爆所述燃料流和所述压缩空气流。
技术方案3.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述混合管的出口流体地连接到低压(LP)涡轮的入口。
技术方案4.根据技术方案3所述的燃气涡轮发动机，其中所述HP涡轮包括连接到第一轴的一组转子叶片，以及所述LP涡轮包括连接到不同的第二轴的一组转子叶片。
技术方案5.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，还包括设置在所述主燃烧器和所述副燃烧器上游的压缩机，所述压缩机经由构造成将第一压缩空气流引导至所述主燃烧器的主空气管流体地连接到所述主燃烧器的前端，所述压缩机经由构造成将不同的第二压缩空气流引导至所述副燃烧器的放气管流体地连接到所述副燃烧器的前端。
技术方案6.根据技术方案5所述的燃气涡轮发动机，其中引导至所述主燃烧器的所述第一压缩空气流具有大于引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流的压力。
技术方案7.根据技术方案5所述的燃气涡轮发动机，其中所述压缩机包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片，所述低压区段设置在所述高压区段的上游，所述放气管在所述低压区段与所述高压区段之间的中间位置处流体地连接到所述压缩机，使得经由所述放气管引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流绕过所述压缩机的高压区段。
技术方案8.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述混合装置设置在所述混合管内，以在所述混合管内使来自所述HP涡轮的主排气流与来自所述副燃烧器的副排气流混合。
技术方案9.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述混合管具有前端和相对的后端，所述出口位于所述后端处，其中所述混合管的横截面积在所述后端处大于所述前端处。
技术方案10.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述混合管具有允许所述主排气流和所述副排气流中的未燃烧燃料经由爆燃燃烧在所述混合管内燃烧的尺寸和大小。
技术方案11.一种方法，包括：将压缩机设在主燃烧器的上游，所述主燃烧器具有在所述主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室，所述压缩机经由主空气管流体地连接到所述主燃烧器的前端，所述主空气管定位成将第一压缩空气流从所述压缩机引导至所述主燃烧器；将高压(HP)涡轮设在所述主燃烧器的下游，且经由第一排气管流体地连接到所述主燃烧器的后端；将副燃烧器设在所述压缩机的下游，所述副燃烧器具有在所述副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室，所述副燃烧器的前端经由放气管流体地连接到所述压缩机，所述放气管定位成将第二压缩空气流从所述压缩机引导至所述副燃烧器；以及将混合管设在所述HP涡轮和所述副燃烧器两者的下游，所述混合管包括经由涡轮流出管流体地连接到所述HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到所述副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。
技术方案12.根据技术方案11所述的方法，其中所述混合管具有前端和相对的后端，所述出口位于后端处，所述方法还包括形成所述混合管，使得所述混合管的横截面积在所述后端处大于所述前端处。
技术方案13.根据技术方案11所述的方法，还包括将低压(LP)涡轮设在所述混合管的下游，所述(LP)涡轮流体地连接到所述混合管的出口。
技术方案14.根据技术方案13所述的方法，其中所述HP涡轮包括连接到第一轴上的一组转子叶片，以及所述LP涡轮包括连接到不同的第二轴上的一组转子叶片，所述压缩机包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片，其中所述方法还包括将所述第一轴连接到所述压缩机的高压区段，以及将所述第二轴连接到所述压缩机的低压区段。
技术方案15.根据技术方案11所述的方法，还包括将混合装置设在所述混合管内，以用于使经由所述第一入口接收在所述混合管的主排气流与经由所述第二入口接收在所述混合管中的副排气流混合。
技术方案16.根据技术方案11所述的方法，其中所述压缩机在入口端与出口端之间延伸，并且包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片，所述低压区段设置在所述高压区段的上游，在所述入口端与所述高压区段之间，其中所述方法包括将所述放气管流体地连接到所述低压区段与所述高压区段之间的所述压缩机的中间位置，使得经由所述放气管引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流绕过所述压缩机的高压区段。
技术方案17.一种燃气涡轮发动机，包括：主燃烧器和副燃烧器，所述主燃烧器和所述副燃烧器中的每个包括在相应的所述主燃烧器与所述副燃烧器的前端与后端之间延伸的相应的环形燃烧室；设置在所述主燃烧器和所述副燃烧器上游的压缩机，所述压缩机在入口端与出口端之间延伸，且包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片和定子导叶，所述低压区段设置在所述高压区段的上游，在所述入口端与所述高压区段之间，所述压缩机经由构造成将第一压缩空气流引导至所述主燃烧器的主空气管流体地连接到所述主燃烧器的前端，所述压缩机经由构造成将不同的第二压缩空气流引导至所述副燃烧器的放气管来流体地连接到所述副燃烧器的前端；在所述主燃烧器下游且经由第一排气管流体地连接到所述主燃烧器的后端的高压(HP)涡轮；以及混合管，所述混合管设置在所述HP涡轮和所述副燃烧器的下游，所述混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到所述HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到所述副燃烧器的后端的第二入口，以及出口，其中所述涡轮流出管将所述主排气流引导至所述混合管中，以及所述第二排气管将从所述副燃烧器放出的副排气流引导至所述混合管中。
技术方案18.根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，其中所述放气管在所述低压区段与所述高压区段之间的中间位置处流体地连接到所述压缩机，使得经由所述放气管引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流绕过所述压缩机的高压区段。
技术方案19.根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，其中从所述压缩机引导至所述主燃烧器的所述第一压缩空气流具有大于从所述压缩机引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流的压力。
技术方案20.根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，其中所述副燃烧器是旋转爆震波(RDW)燃烧器，以及所述副燃烧器的环形燃烧室构造成允许爆震波沿圆周移动穿过其间，以在所述环形燃烧室内用燃料流引爆所述第二压缩空气流。
附图说明
参考附图，通过阅读对非限制性实施例的以下描述，将更好地理解本发明的主题，下文中，在附图中：
图1是根据一个实施例的连续爆震式燃气涡轮发动机的框图；
图2是根据一个实施例的燃气涡轮发动机的副燃烧器的透视图；以及
图3是根据一个实施例的用于组装燃气涡轮发动机的方法的流程图。
具体实施方式
本说明书所述的本发明的主题的实施例提供了用于提供动力来用于推进和/或对机械做功的连续爆震式燃气涡轮发动机。本说明书所述的连续爆震式燃气涡轮发动机包括并联成级的主燃烧器和副燃烧器。每个主燃烧器和副燃烧器接收离散的燃料流和离散的压缩空气流。此外，主燃烧器和副燃烧器直接从燃气涡轮发动机的压缩机接收相关联的压缩空气流，这样压缩空气流不会包括污染的空气。每个燃烧器包括环形燃烧室，燃料在环形燃烧室中与压缩空气混合，且点燃来产生升高的能量水平(例如，升高的温度和压力)下的燃烧产物。副燃烧器是连续或旋转爆震波(RDW，rotating detonation wave)燃烧器，使得燃烧室中的燃料和空气的混合物由沿圆周围绕环形燃烧室传播的相应的爆震波连续地引爆。主燃烧器也可以是RDW燃烧器，但不限于是RDW燃烧器。例如，主燃烧器可备选地构造成允许环形燃烧室内的爆燃燃烧反应来替代爆震燃烧反应。
已经由燃气涡轮发动机的高压涡轮的膨胀的来自主燃烧器的排气流被引导到混合管中。来自副燃烧器的排气流也被引导到混合管中，且两股排气流在混合管内混合。在一个实施例中，混合管不接收新鲜燃料流。由于从一个或两个燃烧器接收到的未燃烧燃料，故爆燃燃烧反应可发生在混合管内。例如，主燃烧器和副燃烧器可分别具有相应的燃料喷射器，其将相关联的燃料流提供到相应的燃烧器中，但混合管没有相应的燃料喷射器。由于在不需要附加燃料的情况下提取了热形式的附加能量，故相比于省略混合管，混合管增大了燃气涡轮发动机的功率与燃料比(即，每单位总体燃料消耗量的生成推进推力或做功而产生的功率量)。例如，混合管增加停留时间，允许排气流中的未燃烧的反应成分发生反应。
本申请的至少一个技术效果包括相比于能够产生相当的推力量的常规燃气涡轮发动机，减小了燃气涡轮发动机的重量和尺寸。
图1是根据一个实施例的连续爆震式燃气涡轮发动机100的框图。燃气涡轮发动机100包括在发动机100的前部104与发动机100的后部106之间串联和并联布置的多个部件。在燃气涡轮发动机100的操作期间，流体沿下游方向108从前部104朝后部106流动。尽管图1中未示出，但至少一些部件由至少部分地包围部件的燃气涡轮发动机100的壳或机舱保持在固定位置。
在所示实施例中，燃气涡轮发动机100包括以并联关系分级的主燃烧器110和副燃烧器111。主燃烧器110具有前端160和相对的后端162。副燃烧器111具有前端164和相对的后端166。尽管图1中未示出，但主燃烧器110和副燃烧器111可分别限定在相应的燃烧器110,111的前端160,164与后端162,166之间延伸的环形燃烧室。
燃气涡轮发动机100包括在主燃烧器110和副燃烧器111上游的压缩机118。压缩机118在入口端124与出口端125之间延伸。压缩机118经由入口端124从环境接收到来的环境空气。压缩机118压缩到来的空气，以将加压或压缩的空气提供至主燃烧器110和副燃烧器111。例如，压缩机118经由主空气管120流体地连接到主燃烧器110的前端160。压缩机118经由放气管122与副燃烧器111的前端164分离地流体连接。如本说明书使用的术语“管”可表示任何流体通路，且可由相同或不同的物体、软管或管道、穿过实心结构的孔等的相邻壁限定。
主空气管120将第一压缩空气流186从压缩机118直接地引导至主燃烧器110。放气管122将不同的第二压缩空气流188从压缩机118直接地引导至副燃烧器111。在一个实施例中，供应至主燃烧器110的第一压缩空气流186具有大于供应至副燃烧器111的第二压缩空气流188的压力。例如，压缩机118包括高压区段190和低压区段192。低压区段192在高压区段190上游，在入口端124与高压区段190之间。到来的空气在流过高压区段190之前流过低压区段192。在一个实施例中，放气管122在低压区段192与高压区段190之间的中间位置194处流体地连接到压缩机118。因此，在穿过低压区段192之后，第二压缩空气流188经由放气管122流出压缩机118，而不穿过高压区段190。第二压缩空气流188绕过压缩机118的高压区段190。主空气管120流体地连接到压缩机118的出口端125，所以第一压缩空气流186在流过低压区段192和高压区段190两者之后流出压缩机118。第一压缩空气流186具有大于第二压缩空气流188的压力，因为第一压缩空气流186由压缩机118的高压区段190压缩，不同于绕过高压区段190的第二压缩空气流188。尽管图1上的示图未示出，但压缩机118包括分布在低压区段192与高压区段190之间的多级转子叶片和定子导叶。
主燃烧器110经由前端160将第一燃料流168接收到环形燃烧室中。同样，副燃烧器111经由前端164将第二燃料流170接收到其环形燃烧室中。第一燃料流168与第三燃料流170分离，但两股流168,170可由相同类型的燃料构成。在一个实施例中，副燃烧器111是RDW燃烧器，且其环形燃烧室构造成允许爆震波沿圆周移动穿过其间，以用第二压缩空气流188引爆第二燃料流170。主燃烧器110也可以是RDW燃烧器，或备选地，可以是爆燃燃烧器，使得第一燃料流168经由爆燃燃烧反应在主燃烧器110的环形燃烧室中与第一压缩空气流186一起焚烧。
主燃烧器110的后端162经由第一排气管172流体地连接到高压(HP)涡轮114。HP涡轮114接收经由第一排气管172从主燃烧器110放出的排气流115(本说明书称为主排气流)。主排气流115包括来自发生在主燃烧器110内的燃烧反应(例如，爆震或爆燃)的反应产物。主排气流115具有源自放热燃烧反应的升高的温度和压力。尽管图1的示图中未示出，但HP涡轮114包括一组或多组转子叶片，且还可包括沿轴向在相邻的成组转子叶片之间的定子导叶。成组的转子叶片联接到第一轴(未示出)。叶片固定到第一轴，使得转子叶片的旋转引起第一轴围绕轴线旋转。第一排气管172定位成将主排气流115引导至HP涡轮114。主排气流115接合HP涡轮114的转子叶片，引起HP涡轮114(和联接到其上的第一轴)旋转。HP涡轮114的旋转可用于执行工作。在一个实施例中，第一轴联接到压缩机118的高压区段190。因此，HP涡轮114的旋转用于经由第一轴沿高压区段190驱动叶片的旋转。此外或备选地，HP涡轮114的旋转可用于旋转传动轴来推进车辆，对发电机供能来生成电能，等。
燃气涡轮发动机100还包括HP涡轮114下游的混合管112。混合管112具有前端196和相对的后端198。前端196在后端198上游。混合管112包括第一入口174、第二入口176和出口178。出口178位于管112的后端198处。第一入口174和第二入口176分别位于前端196处(或近侧)。例如，相比于后端198，第一入口174和第二入口176分别位于更接近前端196。第一入口174经由涡轮流出管180流体地连接到HP涡轮114。来自主燃烧器110的主排气流115在通过HP涡轮114膨胀之后进入涡轮流出管180。主排气流115经由第一入口174进入混合管112。
混合管112也在副燃烧器111下游。混合管112的第二入口176经由第二排气管182流体地连接到副燃烧器111。混合管112接收从副燃烧器111经由第二排气管182发出的排气流117(本说明书称为副排气流)。副排气流117包括来自发生在副燃烧器111内的爆震燃烧反应的反应产物。副排气流117具有源自放热爆震燃烧反应的升高的温度和压力。在一个实施例中，第二排气管182直接在副燃烧器111的后端166与第二入口176之间延伸。第二排气管182与HP涡轮114间隔开。因此，不同于主排气流115，副排气流117绕过HP涡轮114。副排气流117在流出副燃烧器111时直接传送至混合管112。
主排气流115在混合管112内与副排气流117混合。如果存在，则主排气流115和/或副排气流117内的未燃烧燃料可经由混合管112内的爆燃燃烧反应与排气流115,117中的氧燃烧。混合管112可具有允许未燃烧燃料在其中燃烧的尺寸和大小。在一个实施例中，不同于主燃烧器110和副燃烧器111(分别接收燃料流168,170)，混合管112不接收新鲜燃料供应。在一个实施例中，混合管112的横截面积在前端196与后端198之间沿混合管112的长度不是一致的。例如，在所示实施例中，后端198处的混合管112的横截面积大于前端196处的混合管112的横截面积。
燃气涡轮发动机100可选包括设置在混合管112内的混合装置137。混合装置137构造成支持从HP涡轮接收到的主排气流与从副燃烧器接收到的副排气流的混合。例如，混合装置137可为喷射器装置如射流喷射器，其使用副排气流的动能来作为驱动流体，以吸入和卷吸主排气流，主排气流由于通过HP涡轮膨胀之后而具有较低压力。备选地，混合装置137可以不是喷射器装置，如，菊花形混合器、转子、一系列混合导叶，等。
在一个实施例中，燃气涡轮发动机100还包括设置在混合管112下游的低压(LP)涡轮116。LP涡轮116经由排放管184流体地连接到混合管112的出口178。LP涡轮116接收经由排放管184从混合管112放出的混合排气流119。混合排气流119是主排气流115和副排气流117两者的组合。尽管图1的示图中未示出，但LP涡轮116包括一组或多组转子叶片，且还可包括沿轴向在相邻的成组转子叶片之间的定子导叶。成组的转子叶片联接到第二轴(未示出)，第二轴不同于联接到HP涡轮114的第一轴。LP涡轮116的叶片固定到第二轴，使得转子叶片的旋转引起第二轴围绕轴线旋转。排放管184定位成将混合的排气流119引导至LP涡轮116。
混合的排气流119接合LP涡轮116的转子叶片，引起LP涡轮116(和联接到其上的第二轴)旋转。类似于HP涡轮114，LP涡轮116的旋转可用于执行工作。在一个实施例中，第二轴联接到压缩机118的低压区段192。因此，LP涡轮116的旋转经由第二轴驱动低压区段192的旋转。此外或备选地，LP涡轮116的旋转可用于旋转传动轴来推进车辆，对发电机供能来生成电能，等。
通过LP涡轮116膨胀之后，混合的排气流119从燃气涡轮发动机100的后端106排放。尽管图1中未示出，但后端106可包括锥形喷嘴，其在混合的排气流119流过喷嘴时提供推力。在备选实施例中，燃气涡轮发动机100不包括LP涡轮116，且从出口178发出的混合的排气流119直接地传送穿过锥形喷嘴来生成推进推力。
由于燃气涡轮发动机100在图1中示为框图，所以应理解，图1中所示的部件的尺寸、形状和相关位置仅支持以上描述，且不旨在限制超过以上描述的燃气涡轮发动机100的部件的尺寸、形状和/或位置。例如，管120,122,172和182示为具有图1中的相同的一致宽度(但不同长度)，但管120,122,172,182可具有不一致且不同的宽度。例如，在一个实施例中，副燃烧器111的后端166可位于比所示图示更邻近混合管112，使得第二排气管182在长度上很短(例如，小于5cm)。还应理解，在各种实施例中，燃气涡轮发动机100可包括图1中未示出的附加部件。
图2是根据一个实施例的燃气涡轮发动机100的副燃烧器111的透视图。副燃烧器111包括环形外壁126和环形内壁128，它们两者在前端164与后端166之间伸长。外壁126和内壁128沿燃烧器轴线130同轴地定向。内壁128沿径向与外壁126间隔开(例如，内壁128在外壁126的径向内部)，以限定沿轴线130在前端164与后端166之间延伸的环形燃烧室132。燃烧室132在所示实施例中是圆柱形，但可在备选实施例中具有截头圆锥形或另一个形状。
图2中的副燃烧器111包括前端164处的环形开口134和后端166处的环形开口136。备选地，副燃烧器111可包括替代环形开口的前端164和/或后端166处的一个或多个孔或槽口。在燃烧器111的操作期间，新鲜的燃料与空气的混合物140(代表沿向后流动方向142移动的第二燃料流170和第二压缩空气流188)经由环形开口134进入环形燃烧室132。爆震波144在环形燃烧室132内沿圆周(沿切向方向146)行进。爆震波144点燃燃料与空气的混合物140，在波144的尾流中导致高压区域148和膨胀区域150。爆震波144的方向146垂直于流动方向142。由于爆震波144沿圆周(替代沿轴向)移动，故环形燃烧室132可具有相对紧凑的尺寸。例如，轴向长度可小于50cm，如，小于20cm。环形燃烧室132可具有小于5cm(如，小于2cm)的径向间隙厚度(内壁128与外壁126之间)。一旦点燃爆震燃烧反应，则反应是自持的。
在图2中，来自爆震反应的反应产物152设置在新鲜混合物140和爆震波144的后方。反应产物152沿向后流动方向142移动，且从环形燃烧室132经由开口136放出来作为副排气流117。
尽管图2中的燃烧器描述为副燃烧器111，但描述还可在主燃烧器110也是RDW燃烧器的一个或多个实施例中应用于主燃烧器110。
图3是用于组装燃气涡轮发动机的方法300的流程图。燃气涡轮发动机可为图1中所示的燃气涡轮发动机100。在302处，压缩机设在主燃烧器上游。压缩机和主燃烧器可载入壳或机舱中。压缩机的上游位置相对于穿过燃气涡轮发动机的流体的流动方向，使得流体(例如，空气)在进入主燃烧器之前流过压缩机。主燃烧器具有在主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室。压缩机在入口端与出口端之间延伸，且包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片。低压区段设置在高压区段上游，在入口端与高压区段之间。压缩机经由主空气管流体地连接到主燃烧器的前端，主空气管定位成将第一压缩空气流从压缩机引导至主燃烧器。在一个实施例中，主空气管流体地连接到压缩机的出口端。因此，第一压缩空气流在进入主燃烧器之前流过低压区段和高压区段两者。
在步骤304处，高压(HP)涡轮设在主燃烧器下游，使得主燃烧器沿轴向在压缩机与HP涡轮之间。HP涡轮经由第一排气管流体地连接到主燃烧器的后端。HP涡轮包括联接到第一轴的一组转子叶片。
在步骤306处，副燃烧器设在压缩机下游。副燃烧器具有在副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室。副燃烧器是旋转爆震波(RDW)燃烧器。
在步骤308处，副燃烧器的前端经由放气管流体地连接到压缩机，放气管定位成将第二压缩空气流从压缩机引导至副燃烧器。在一个实施例中，放气管流体地连接到低压区段与高压区段之间的压缩机的中间位置。因此，给送至副燃烧器的第二压缩空气流流过压缩机的低压区段，但绕过压缩机的高压区段。
在步骤310处，混合管设在HP涡轮和副燃烧器两者下游。混合管包括第一入口、第二入口和出口。第一入口经由涡轮流出管流体地连接到HP涡轮。第二入口经由第二排气管流体地连接到副燃烧器的后端。混合管具有前端和相对的后端。出口位于后端处。第一入口和第二入口分别在前端处或附近。混合管可形成为使得混合管的横截面积在后端处大于前端处。可选地，混合装置安装在混合管内，以支持经由第一入口和第二入口接收在混合管中的排气流的混合。混合装置可为喷射器装置、菊花形混合器、转子、一系列静止混合导叶，等。
在步骤312处，低压(LP)涡轮设在混合管下游。(LP)涡轮流体地连接到混合管的出口。LP涡轮构造成接收从混合管的出口发出的混合的排气流。LP涡轮包括联接到第二轴的一组转子叶片，第二轴不同于联接到HP涡轮的第一轴。
在步骤314处，HP涡轮联接到压缩机的高压区段，且LP涡轮联接到压缩机的低压区段。例如，第一轴机械地连接在HP涡轮与压缩机的高压区段之间，且第二轴机械地连接在LP涡轮与压缩机的低压区段之间。因此，HP涡轮由从主燃烧器放出的主排气流旋转驱动压缩机的高压区段的旋转。此外，LP涡轮由从混合管放出的混合的排气流旋转驱动压缩机的低压区段的旋转。
在一个实施例中，提供了燃气涡轮发动机，其包括主燃烧器、高压(HP)涡轮、副燃烧器和混合管。主燃烧器包括在主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室。高压(HP)涡轮在主燃烧器下游，且经由第一排气管流体地连接到主燃烧器的后端。第一排气管定位成将从主燃烧器发出的主排气流引导至HP涡轮。副燃烧器包括在副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室。混合管设置在HP涡轮和副燃烧器的下游。混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。涡轮流出管将主排气流从HP涡轮引导至混合管中，且第二排气管将从副燃烧器发出的副排气流引导至混合管中。
可选地，副燃烧器是旋转爆震波(RDW)燃烧器，其构造成经由前端将燃料流和压缩空气流接收到其环形燃烧室中。副燃烧器的环形燃烧室构造成允许爆震波沿圆周移动穿过其间，以引爆燃料流和压缩空气流。
可选地，混合管的出口流体地连接到低压(LP)涡轮的入口。可选地，HP涡轮包括联接到第一轴的一组转子叶片，以及LP涡轮包括联接到不同的第二轴的一组转子叶片。
可选地，燃气涡轮发动机还包括设置在主燃烧器和副燃烧器上游的压缩机。压缩机经由主空气管流体地连接到主燃烧器的前端，主空气管构造成将第一压缩空气流引导至主燃烧器。压缩机经由放气管流体地连接到副燃烧器的前端，放气管构造成将不同的第二压缩空气流引导至副燃烧器。可选地，引导至主燃烧器的第一压缩空气流具有大于引导至副燃烧器的第二压缩空气流的压力。
可选地，压缩机包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片。低压区段设置在高压区段上游。放气管在低压区段与高压区段之间的中间位置处流体地连接到压缩机，使得经由放气管引导至副燃烧器的第二压缩空气流绕过压缩机的高压区段。
可选地，混合装置设置在混合管内，以在混合管内使来自HP涡轮的主排气流与来自副燃烧器的副排气流混合。
可选地，混合管具有前端和相对的后端。出口位于后端处。混合管的横截面积在后端处大于前端处。
可选地，混合管具有允许主排气流和副排气流中的未燃烧燃料经由爆燃燃烧在混合管内燃烧的尺寸和大小。
在一个实施例中，提供了一种组装燃气涡轮发动机的方法。该方法包括将压缩机设在主燃烧器上游，主燃烧器具有在主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室。压缩机经由主空气管流体地连接到主燃烧器的前端，主空气管定位成将第一压缩空气流从压缩机引导至主燃烧器。该方法包括将高压(HP)涡轮设在主燃烧器下游，且经由第一排气管流体地连接到主燃烧器的后端。该方法还包括将副燃烧器设在压缩机下游。副燃烧器具有在副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧器室。副燃烧器的前端经由放气管流体地连接到压缩机，放气管定位成将第二压缩空气流从压缩机引导至副燃烧器。该方法还包括将混合管设在HP涡轮和副燃烧器两者下游。混合管包括经由涡轮流出管流体地连接到HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。
可选地，混合管具有前端和相对的后端。出口位于后端处。该方法还包括形成混合管，使得混合管的横截面积在后端处大于前端处。
可选地，该方法还包括将低压(LP)涡轮设在混合管下游。(LP)涡轮流体地连接到混合管的出口。可选地，HP涡轮包括联接到第一轴的一组转子叶片，以及LP涡轮包括联接到不同的第二轴的一组转子叶片。压缩机包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片。该方法还包括将第一轴联接到压缩机的高压区段，以及将第二轴联接到压缩机的低压区段。
可选地，该方法还包括将混合装置设在混合管内，以用于使经由第一入口接收在混合管中的主排气流与经由第二入口接收在混合管中的副排气流混合。
可选地，压缩机在入口端与出口端之间延伸，且包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片。低压区段设置在高压区段上游，在入口端与高压区段之间。该方法包括将放气管流体地连接到低压区段与高压区段之间的压缩机的中间位置，使得经由放气管引导至副燃烧器的第二压缩空气流绕过压缩机的高压区段。
在一个实施例中，提供了燃气涡轮发动机，其包括主燃烧器、副燃烧器、压缩机、高压(HP)涡轮和混合管。主燃烧器和副燃烧器中的每个包括在相应的主燃烧器和副燃烧器的前端与后端之间的相应的环形燃烧室。压缩机设置在主燃烧器和副燃烧器上游。压缩机在入口端与出口端之间延伸，且包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片和定子导叶。低压区段设置在高压区段上游，在入口端与高压区段之间。压缩机经由主空气管流体地连接到主燃烧器的前端，主空气管构造成将第一压缩空气流引导至主燃烧器。压缩机经由放气管流体地连接到副燃烧器的前端，放气管构造成将不同的第二压缩空气流引导至副燃烧器。HP涡轮在主燃烧器下游，且经由第一排气管流体地连接到主燃烧器的后端。混合管设置在HP涡轮和副燃烧器的下游。混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。涡轮流出管将主排气流引导至混合管中，且第二排气管将从副燃烧器发出的副排气流引导至混合管中。
可选地，放气管在低压区段与高压区段之间的中间位置处流体地连接到压缩机，使得经由放气管引导至副燃烧器的第二压缩空气流绕过压缩机的高压区段。
可选地，从压缩机引导至主燃烧器的第一压缩空气流具有大于从压缩机引导至副燃烧器的第二压缩空气流的压力。
可选地，副燃烧器是旋转爆震波(RDW)燃烧器。副燃烧器的环形燃烧室构造成允许爆震波沿圆周移动穿过其间，以在环形燃烧室内用燃料流引爆第二压缩空气流。
如本说明书所使用，以单数形式叙述且跟在词语“一”或“一个”后的元件或步骤应理解为不排除复数个所述元件或步骤，除非明确陈述此类排除。此外，对当前描述的主题的“一个实施例”的提及并非旨在解释为排除同样合并有所述特征的附加实施例的存在。此外，除非明确地陈述为相反情况，否则“包括”或“具有”带有特定属性的一个元件或多个元件的实施例可以包括不带有该属性的其它此类元件。
应了解，以上描述希望为说明性而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可相互组合使用。例如，上述实施例(和/或其方面)可相互组合使用。另外，在不脱离本说明书所阐述主题的范围的情况下，可进行许多修改以使特定情形或材料适应所述主题的教示。虽然本说明书所描述的材料的尺寸和类型旨在限定所公开主题的参数，但其绝非是限制性的，而是示例性实施例。本领域的技术人员在查阅以上描述后将会明白许多其它实施例。因此，本说明书所描述的主题的范围应参考所附权利要求书以及此类权利要求书有权要求的等效物的完整范围来确定。在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作对应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的通俗英文等价词。此外，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，且并旨在对其对象强加数字要求。此外，以下权利要求书的限制并不按照装置加功能格式编写并且不旨在基于35U.S.C.§112(f)来解释，除非且直到这类权利要求限制明确使用短语“用于……的装置”随后没有进一步结构的功能陈述。
本书面描述使用实施例来公开本说明书所阐述的主题的若干实施例，包括最佳模式，并且还使本领域的普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制造和使用所述装置或系统以及执行所述方法。本说明书所描述的主题的可获专利范围由权利要求书来限定并且可包括本领域的普通技术人员想到的其它实施例。如果此类其它实施例具有与权利要求书的字面语言无异的结构要素，或如果此类其它实施例包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么此类其它实施例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：
主燃烧器，所述主燃烧器包括在所述主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室；
在所述主燃烧器的下游且经由第一排气管流体地连接到所述主燃烧器的后端的高压HP涡轮，所述第一排气管定位成将从所述主燃烧器放出的主排气流引导至所述HP涡轮；
副燃烧器，所述副燃烧器包括在所述副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室，其中所述副燃烧器是构造成接收燃料流和压缩空气流的旋转爆震波RDW燃烧器，其中所述副燃烧器的环形燃烧室构造成允许爆震波沿圆周移动穿过其间，以引爆所述燃料流和所述压缩空气流；以及
混合管，所述混合管设置在所述HP涡轮和所述副燃烧器的下游，所述混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到所述HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到所述副燃烧器的后端的第二入口，以及出口，其中所述涡轮流出管将所述主排气流从所述HP涡轮引导至所述混合管中，以及所述第二排气管将从所述副燃烧器放出的副排气流引导至所述混合管中。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述混合管的出口流体地连接到低压LP涡轮的入口。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中所述HP涡轮包括连接到第一轴的一组转子叶片，以及所述LP涡轮包括连接到不同的第二轴的一组转子叶片。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，还包括设置在所述主燃烧器和所述副燃烧器上游的压缩机，所述压缩机经由构造成将第一压缩空气流引导至所述主燃烧器的主空气管流体地连接到所述主燃烧器的前端，所述压缩机经由构造成将不同的第二压缩空气流引导至所述副燃烧器的放气管流体地连接到所述副燃烧器的前端。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中引导至所述主燃烧器的所述第一压缩空气流具有大于引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流的压力。
6.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中所述压缩机包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片，所述低压区段设置在所述高压区段的上游，所述放气管在所述低压区段与所述高压区段之间的中间位置处流体地连接到所述压缩机，使得经由所述放气管引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流绕过所述压缩机的高压区段。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述混合装置设置在所述混合管内，以在所述混合管内使来自所述HP涡轮的主排气流与来自所述副燃烧器的副排气流混合。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述混合管具有前端和相对的后端，所述出口位于所述后端处，其中所述混合管的横截面积在所述后端处大于所述前端处。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述混合管具有允许所述主排气流和所述副排气流中的未燃烧燃料经由爆燃燃烧在所述混合管内燃烧的尺寸和大小。
10.一种方法，包括：
将压缩机设在主燃烧器的上游，所述主燃烧器具有在所述主燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室，所述压缩机经由主空气管流体地连接到所述主燃烧器的前端，所述主空气管定位成将第一压缩空气流从所述压缩机引导至所述主燃烧器；
将高压HP涡轮设在所述主燃烧器的下游，且经由第一排气管流体地连接到所述主燃烧器的后端；
将副燃烧器设在所述压缩机的下游，所述副燃烧器具有在所述副燃烧器的前端与后端之间延伸的环形燃烧室，所述副燃烧器的前端经由放气管流体地连接到所述压缩机，所述放气管定位成将第二压缩空气流从所述压缩机引导至所述副燃烧器，其中所述副燃烧器是构造成接收燃料流和所述第二压缩空气流的旋转爆震波RDW燃烧器，其中所述副燃烧器的环形燃烧室构造成允许爆震波沿圆周移动穿过其间，以引爆所述燃料流和所述第二压缩空气流；以及
将混合管设在所述HP涡轮和所述副燃烧器两者的下游，所述混合管包括经由涡轮流出管流体地连接到所述HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到所述副燃烧器的后端的第二入口，以及出口。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述混合管具有前端和相对的后端，所述出口位于后端处，所述方法还包括形成所述混合管，使得所述混合管的横截面积在所述后端处大于所述前端处。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括将低压LP涡轮设在所述混合管的下游，所述LP涡轮流体地连接到所述混合管的出口。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述HP涡轮包括连接到第一轴的一组转子叶片，以及所述LP涡轮包括连接到不同的第二轴的一组转子叶片，所述压缩机包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片，其中所述方法还包括将所述第一轴连接到所述压缩机的高压区段，以及将所述第二轴连接到所述压缩机的低压区段。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括将混合装置设在所述混合管内，以用于使经由所述第一入口接收在所述混合管中的主排气流与经由所述第二入口接收在所述混合管中的副排气流混合。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述压缩机在入口端与出口端之间延伸，并且包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片，所述低压区段设置在所述高压区段的上游，在所述入口端与所述高压区段之间，其中所述方法包括将所述放气管流体地连接到所述低压区段与所述高压区段之间的所述压缩机的中间位置，使得经由所述放气管引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流绕过所述压缩机的高压区段。
16.一种燃气涡轮发动机，包括：
主燃烧器和副燃烧器，所述主燃烧器和所述副燃烧器中的每个包括在相应的所述主燃烧器与所述副燃烧器的前端与后端之间延伸的相应的环形燃烧室；
设置在所述主燃烧器和所述副燃烧器上游的压缩机，所述压缩机在入口端与出口端之间延伸，且包括分布在高压区段和低压区段中的多级转子叶片和定子导叶，所述低压区段设置在所述高压区段的上游，在所述入口端与所述高压区段之间，所述压缩机经由构造成将第一压缩空气流引导至所述主燃烧器的主空气管流体地连接到所述主燃烧器的前端，所述压缩机经由构造成将不同的第二压缩空气流引导至所述副燃烧器的放气管来流体地连接到所述副燃烧器的前端，其中所述副燃烧器是旋转爆震波RDW燃烧器，以及所述副燃烧器的环形燃烧室构造成允许爆震波沿圆周移动穿过其间，以在所述环形燃烧室内引爆所述第二压缩空气流与燃料流；
在所述主燃烧器下游且经由第一排气管流体地连接到所述主燃烧器的后端的高压HP涡轮；以及
混合管，所述混合管设置在所述HP涡轮和所述副燃烧器的下游，所述混合管具有经由涡轮流出管流体地连接到所述HP涡轮的第一入口、经由第二排气管流体地连接到所述副燃烧器的后端的第二入口，以及出口，其中所述涡轮流出管将从所述主燃烧器放出的主排气流引导至所述混合管中，以及所述第二排气管将从所述副燃烧器放出的副排气流引导至所述混合管中。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其中所述放气管在所述低压区段与所述高压区段之间的中间位置处流体地连接到所述压缩机，使得经由所述放气管引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流绕过所述压缩机的高压区段。
18.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其中从所述压缩机引导至所述主燃烧器的所述第一压缩空气流具有大于从所述压缩机引导至所述副燃烧器的所述第二压缩空气流的压力。
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