CN109563995B - 用于涡轮发动机的燃烧器中的燃料-空气混合器组件 - Google Patents

用于涡轮发动机的燃烧器中的燃料-空气混合器组件 Download PDF

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Abstract

一种燃料‑空气混合器组件(52)，其包括混合器部分和联接至混合器部分的扩口杯部分(60)。扩口杯部分包括侧壁(68)，侧壁包括限定在其中的入口开口和排放开口(72)。侧壁定向成使得排放开口相对于燃料‑空气混合器组件的中心线(74)而非轴对称地定形。

Description

用于涡轮发动机的燃烧器中的燃料-空气混合器组件
关于联邦政府资助的研发的声明
本发明是在由空军部授予的合同号FA8650-09-D-2922下的政府支持下作出的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本公开大体上涉及涡轮发动机，且更具体地涉及一种燃料-空气混合器组件，其具有用于降低燃烧动态性(dynamics)的非轴对称特性。
背景技术
燃气涡轮的燃烧区段大体上包括多个燃烧器，其围绕外部壳体(诸如压缩机排放壳体)而布置成环形阵列。加压空气从压缩机流向压缩机排放壳体，且然后被导引至各燃烧器。来自燃料喷嘴的燃料在各燃烧器中与加压空气混合，以在燃烧器的主燃烧区内形成可燃烧的混合物。点燃可燃烧的混合物，以产生具有高压力和高速度的热燃烧气体。在至少一些已知的燃烧器中，当点燃可燃烧的混合物时，形成高燃烧动态性。高燃烧动态性对燃烧器的可运行性和使用寿命产生不利的影响。此外，高燃烧动态性可造成对燃烧器的构件的损坏，从而导致使用中断且增加维修成本。
发明内容
在一方面，提供了一种用于燃烧器中的燃料-空气混合器组件。燃料-空气混合器组件包括混合器部分和联接至混合器部分的扩口杯部分。扩口杯部分包括侧壁，侧壁包括限定在其中的入口开口和排放开口。侧壁定向成使得排放开口相对于燃料-空气混合器组件的中心线而非轴对称地定形。
在另一方面，提供了一种用于涡轮发动机中的燃烧器。燃烧器包括燃料喷嘴组件和燃料-空气混合器组件，燃料-空气混合器组件包括构造成从燃料喷嘴组件接收燃料的混合器部分。燃料-空气混合器组件还包括联接至混合器部分的扩口杯部分。扩口杯部分包括侧壁，侧壁包括限定在其中的入口开口和排放开口。侧壁定向成使得排放开口相对于燃料-空气混合器组件的中心线而非轴对称地定形。
在又一方面，提供了一种涡轮发动机。涡轮发动机包括燃烧器，燃烧器包括燃料喷嘴组件和联接至燃料喷嘴组件的燃料-空气混合器组件。燃料-空气混合器组件包括构造成从燃料喷嘴组件接收燃料的混合器部分，以及联接至混合器部分的扩口杯部分。扩口杯部分包括侧壁，侧壁包括限定在其中的入口开口和排放开口。侧壁定向成使得排放开口相对于燃料-空气混合器组件的中心线而非轴对称地定形。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细的描述时，将更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点，在附图中，遍及附图，同样的字符表示同样的部件，在附图中：
图1为示例性涡轮发动机的示意图；
图2为可与图1中显示的涡轮发动机一起使用的示例性燃烧器的部分的横截面视图；
图3为可用于图2中显示的燃烧器中的示例性燃料-空气混合器组件的横截面视图；
图4为图3中显示的燃料-空气混合器组件的轴向视图；
图5为可用于图2中显示的燃烧器中的备选的燃料-空气混合器组件的横截面视图；
图6为图5中显示的燃料-空气混合器组件的轴向视图；以及
图7为可用于图3和图5中显示的燃料-空气混合器组件中的示例性旋流导叶组件的轴向视图。
除非另外指示，否则本文提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例的广泛种类的系统中。如此，附图不意在包括本领域中的普通技术人员已知的实践本文公开的实施例所需的所有常规的特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将提到许多用语，它们应限定为具有以下含义。
单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数个引用对象，除非上下文另外清楚地规定。
“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文中遍及说明书和权利要求书而使用的近似语言可适用于修饰可容许变化的任何定量表示，而不造成其涉及的基本功能的改变。因此，由诸如“大约”、“大致”和“基本上”的一个或多个用语修饰的值将不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里且遍及说明书和权利要求书，范围限制可组合和/或互换。这样的范围被标识，且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指示。
如本文使用的那样，用语“轴向的”和“沿轴向”指代基本上平行于涡轮发动机或燃烧器的中心线而延伸的方向和取向。此外，用语“径向的”和“沿径向”指代基本上垂直于涡轮发动机或燃料-空气混合器组件的中心线而延伸的方向和取向。此外，如本文使用的那样，用语“周向的”和“沿周向”指代围绕涡轮发动机或燃料-空气混合器组件的中心线而弧形地延伸的方向和取向。
本公开的实施例涉及一种燃料-空气混合器组件，其具有用于降低燃烧动态性的非轴对称特性。更具体地，燃料-空气混合器组件包括组件的混合器部分、扩口杯部分或套圈部分中的一个或多个设计特征，这些设计特征单独地或以组合的方式实施，以通过干扰组件内的对称性来降低燃烧动态性。例如，混合器部分内的旋流导叶、扩口杯部分的入口和出口以及套圈部分内的吹扫孔的取向、形状和/或设计中的至少一个相对于燃烧器的中心线而非轴对称地形成，以有助于干扰从燃料-空气混合器组件排放的燃料和空气的漩涡流。如此，以简化的且高效的方式降低了燃烧动态性。
图1为示例性涡轮发动机10的示意图，涡轮发动机10包括风扇组件12、低压或增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18。风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18以流连通的方式联接。涡轮发动机10还包括高压涡轮组件20，其以流连通的方式与燃烧器组件18和低压涡轮组件22联接。风扇组件12包括从转子盘26沿径向向外延伸的成阵列的风扇叶片24。低压涡轮组件22通过第一驱动轴28而联接到风扇组件12和增压压缩机组件14，且高压涡轮组件20通过第二驱动轴30而联接到高压压缩机组件16。涡轮发动机10具有进气口32和排气口34。涡轮发动机10进一步包括中心线36，风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16以及涡轮组件20和22围绕中心线36旋转。
在运行中，通过进气口32进入涡轮发动机10的空气通过风扇组件12而被向增压压缩机组件14导引。压缩空气从增压压缩机组件14向高压压缩机组件16排放。高度压缩的空气从高压压缩机组件16而被向燃烧器组件18导引、与燃料混合，且混合物在燃烧器组件18内燃烧。由燃烧器组件18生成的高温燃烧气体被向涡轮组件20和22导引。燃烧气体随后经由排气口34而从涡轮发动机10排放。
图2为可与涡轮发动机10一起使用的示例性燃烧器38的部分的横截面视图。燃烧器38限定燃烧室40，高度压缩的空气在燃烧室40中与燃料混合且燃烧。燃烧器38包括外衬套42和内衬套44。外衬套42限定燃烧室40的外边界，且内衬套44限定燃烧室40的内边界。环形圆顶46安装在外衬套42的上游，且内衬套44限定燃烧室40的上游端。一个或多个燃料喷射系统48定位在环形圆顶46上。在示例性实施例中，各燃料喷射系统48包括燃料喷嘴组件50和联接至燃料喷嘴组件50的燃料-空气混合器组件52。燃料-空气混合器组件52从燃料喷嘴组件50接收燃料，经由扩散器54而从高压压缩机组件16(显示在图1中)接收空气，且将燃料-空气混合物56排放到燃烧室40中。
图3为可用于燃烧器38(显示在图2中)中的燃料-空气混合器组件52的横截面视图，且图4为燃料-空气混合器组件52的轴向视图。在示例性实施例中，燃料-空气混合器组件52包括混合器部分58和联接至混合器部分58的扩口杯部分60。如下文将更详细地描述的那样，混合器部分58包括第一径向流通路62和第二径向流通路64，它们各具有定位在其中的旋流导叶组件66。扩口杯部分60包括侧壁68，其具有限定在其中的入口开口70和排放开口72。侧壁68定向成使得排放开口72相对于燃料-空气混合器组件52的中心线74而非轴对称地定形。如上文描述的那样，在燃烧器38的运行期间，燃料-空气混合物56(显示在图2中)从燃料-空气混合器组件52排放。更具体地，燃料-空气混合物56大体上围绕中心线74而沿周向形成旋流，然后从燃料-空气混合器组件52排放。如此，使排放开口72相对于中心线74而非轴对称地定形有助于在燃料-空气混合物56从燃料-空气混合器组件52排放之前干扰燃料-空气混合物56的对称流场。
例如，参照图4，排放开口72由相对于彼此而垂直地定向的长轴线76和短轴线78限定。排放开口72非轴对称地定形，因为长轴线76比短轴线78更长。此外，燃料-空气混合器组件52在燃烧器38(显示在图2中)内定向成使得长轴线76相对于涡轮发动机10(显示在图1中)的圆周而沿切向定向。如此，增强了火焰传播，且减小了燃料-空气混合物56和热对外衬套和内衬套44(显示在图2中)的冲击。
再次参照图3，扩口杯部分60的侧壁68在长轴线76和短轴线78的相反的端部处相对于燃料-空气混合器组件52的中心线74而扩散地定向。如此，侧壁68在长轴线76和短轴线78的相反的端部处相对于中心线74而成使扩口杯部分60能够如本文描述的那样起作用的任何角。在示例性实施例中，侧壁68在长轴线76的相反的端部处相对于中心线74而以等于或小于大约60度的角
Figure DEST_PATH_IMAGE002
定向。此外，侧壁68在短轴线78的相反的端部处以小于角
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的角定向，使得在排放开口72处形成平面式开口。
在示例性实施例中，混合器部分58包括在入口开口70处联接至扩口杯部分60的排放端80。在运行中，燃料和空气在混合器部分58内混合，且通过限定在排放端80处的出口82而从混合器部分58排放。此外，空气沿径向进入混合器部分58，且通过限定在排放端80处的环形开口84而从混合器部分58排放。出口82由第一侧壁86限定，且环形开口84由第二侧壁88限定。在一个实施例中，第一侧壁86和第二侧壁88两者均相对于中心线74而轴对称地定形。同样地，扩口杯部分60的侧壁68在入口开口70处相对于中心线74而轴对称地定形。如此，扩口杯部分60可改装到混合器部分58的现有的圆柱形排放端80上。
燃料-空气混合器组件52还包括联接至混合器部分58的套圈部分90。套圈部分90包括限定在其中的燃料入口92和多个吹扫孔。多个吹扫孔将轴向空气流引导至混合器部分58中。此外，多个吹扫孔包括限定在套圈部分90中且相对于中心线74而沿周向布置的第一吹扫孔94和第二吹扫孔96。第一吹扫孔94的尺寸小于第二吹扫孔96。更具体地，基于第一吹扫孔94和第二吹扫孔96的尺寸，第一吹扫孔94和第二吹扫孔96相对于中心线74而非轴对称地布置。在示例性实施例中，成组的第一吹扫孔94和成组的第二吹扫孔96相对于中心线74而交错地布置。备选地，第一吹扫孔94和第二吹扫孔96相对于中心线74而独立地交错布置。
在示例性实施例中，扩口杯部分60包括限定在扩口杯部分60的圆柱形区段95与扩口区段97之间的过渡区段93。过渡区段93具有使燃料-空气混合器组件52能够如本文描述的那样起作用的任何形状。例如，过渡区段93可由尖锐的拐角限定，或具有小于或等于大约0.15英寸的半径。此外，扩口区段97具有平坦的表面或弯曲的表面。当弯曲时，扩口区段97从过渡区段93相对于中心线74而向外弯曲达小于或等于大约50度的角增量。
图5为可用于燃烧器38(显示在图2中)中的备选的燃料-空气混合器组件98的横截面视图，且图6为燃料-空气混合器组件98的轴向视图。在示例性实施例中，混合器部分58包括在入口开口102处联接至扩口杯部分60的排放端100。在运行中，燃料和空气在混合器部分58内混合，且通过限定在排放端100处的出口104而从混合器部分58排放。此外，空气沿径向进入混合器部分58，且通过限定在排放端100处的环形开口106而从混合器部分58排放。出口104由第一侧壁86限定，且环形开口106由第二侧壁88限定。在一个实施例中，第一侧壁86和第二侧壁88两者均相对于中心线74而非轴对称地定形。同样地，扩口杯部分60的侧壁68在入口开口102处相对于中心线74而非轴对称地定形，以有助于混合器部分58与扩口杯部分60之间的联接。使出口104和环形开口106非轴对称地定形进一步有助于在燃料-空气混合物56(显示在图2中)从燃料-空气混合器组件52排放之前干扰燃料-空气混合物56的对称流场。
图7为可用于燃料-空气混合器组件52和98(显示在图3和图5中)的混合器部分58中的示例性旋流导叶组件66的轴向视图。在示例性实施例中，旋流导叶组件66包括相对于中心线74而沿周向布置在混合器部分58内的第一旋流导叶108和第二旋流导叶110。第一旋流导叶108沿不同于第二旋流导叶110的方向而将空气流引导至混合器部分58中。更具体地，第一旋流导叶108和第二旋流导叶110相对于燃料-空气混合器组件52的径向轴线112而成不同的角。例如，限定在径向轴线112与第一旋流导叶108之间的角α小于限定在径向轴线112与第二旋流导叶110之间的角β。在示例性实施例中，成组的第一旋流导叶108和成组的第二旋流导叶110相对于中心线74(显示在图3中)而交错地布置。备选地，第一旋流导叶108和第二旋流导叶110相对于中心线74而独立地交错布置。
本文描述的系统和方法的示例性技术效果包括下者中的至少一个：(a)改善涡轮发动机的燃烧器中的燃烧动态性；(b)形成具有非轴对称的设计特征的燃料-空气混合器组件；以及(c)提高涡轮发动机的使用寿命和可运行性。
上文详细地描述了涡轮发动机和相关构件的示例性实施例。系统不限于本文描述的具体实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可相对于本文描述的其它构件和/或步骤而独立地且单独地使用。例如，本文描述的构件的构造还可与其它过程组合来使用，且不限于仅与如本文描述的涡轮风扇组件和相关方法一起实践。相反，可结合期望降低燃烧动态性的许多应用来实施和使用示例性实施例。
尽管本公开的多种实施例的具体特征可在一些附图中显示而在其它附图中未显示，但这仅是为了方便。根据本公开的实施例的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本公开的实施例(包括最佳模式)，且还使本领域中的任何技术人员能够实践本公开的实施例(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法)。本文描述的实施例的可取得专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元件，那么这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于燃烧器中的燃料-空气混合器组件，所述燃料-空气混合器组件包括：
混合器部分；
联接至所述混合器部分的套圈部分，所述套圈部分包括燃料入口以及第一吹扫孔和第二吹扫孔，所述第一吹扫孔和所述第二吹扫孔围绕所述燃料入口相对于所述燃料-空气混合器组件的中心线而沿周向布置，以将轴向空气流引导至所述混合器部分中；以及
联接至所述混合器部分的扩口杯部分，所述扩口杯部分包括侧壁，所述侧壁包括限定在其中的入口开口和排放开口，其中所述侧壁定向成使得所述排放开口相对于所述燃料-空气混合器组件的中心线而非轴对称地定形。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述排放开口由相对于彼此而垂直地定向的长轴线和短轴线限定，所述长轴线比所述短轴线更长。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述侧壁在所述长轴线的相反的端部处相对于所述燃料-空气混合器组件的所述中心线而扩散地定向，所述侧壁相对于所述中心线而以等于或小于大约60度的角定向。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述混合器部分包括在所述入口开口处联接至所述扩口杯部分的排放端，所述入口开口和所述排放端两者均相对于所述燃料-空气混合器组件的所述中心线而轴对称地定形。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述混合器部分包括在所述入口开口处联接至所述扩口杯部分的排放端，所述入口开口和所述排放端两者均相对于所述燃料-空气混合器组件的所述中心线而非轴对称地定形。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述混合器部分包括相对于所述中心线而沿周向布置在所述混合器部分内的第一旋流导叶和第二旋流导叶，其中所述第一旋流导叶构造成沿不同于所述第二旋流导叶的方向而将空气流引导至所述混合器部分中。
7.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一吹扫孔的尺寸小于所述第二吹扫孔。
8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述扩口杯部分包括圆柱形区段、扩口区段以及限定在所述圆柱形区段与所述扩口区段之间的过渡区段。
9.一种用于涡轮发动机中的燃烧器，所述燃烧器包括：
燃料喷嘴组件；以及
燃料-空气混合器组件，其包括：
构造成从所述燃料喷嘴组件接收燃料的混合器部分；
联接至所述混合器部分的套圈部分，所述套圈部分包括燃料入口以及第一吹扫孔和第二吹扫孔，所述第一吹扫孔和所述第二吹扫孔围绕所述燃料入口相对于所述燃料-空气混合器组件的中心线而沿周向布置，以将轴向空气流引导至所述混合器部分中；以及
联接至所述混合器部分的扩口杯部分，所述扩口杯部分包括侧壁，所述侧壁包括限定在其中的入口开口和排放开口，其中所述侧壁定向成使得所述排放开口相对于所述燃料-空气混合器组件的中心线而非轴对称地定形。
10.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述排放开口由相对于彼此而垂直地定向的长轴线和短轴线限定，所述长轴线比所述短轴线更长。
11.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料-空气混合器组件在所述燃烧器内定向成使得所述长轴线相对于所述涡轮发动机的圆周而沿切向定向。
12.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述侧壁在所述长轴线的相反的端部处相对于所述燃料-空气混合器组件的所述中心线而扩散地定向，所述侧壁相对于所述中心线而以等于或小于大约60度的角定向。
13.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述混合器部分包括在所述入口开口处联接至所述扩口杯部分的排放端，所述入口开口和所述排放端两者均相对于所述燃料-空气混合器组件的所述中心线而轴对称地定形。
14.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述混合器部分包括在所述入口开口处联接至所述扩口杯部分的排放端，所述入口开口和所述排放端两者均相对于所述燃料-空气混合器组件的所述中心线而非轴对称地定形。
15.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述混合器部分包括相对于所述中心线而沿周向布置在所述混合器部分内的第一旋流导叶和第二旋流导叶，其中所述第一旋流导叶构造成沿不同于所述第二旋流导叶的方向而将空气流引导至所述混合器部分中。
16.一种涡轮发动机，其包括：
燃烧器，其包括燃料喷嘴组件和联接至所述燃料喷嘴组件的燃料-空气混合器组件，所述燃料-空气混合器组件包括：
构造成从所述燃料喷嘴组件接收燃料的混合器部分；
联接至所述混合器部分的套圈部分，所述套圈部分包括燃料入口以及第一吹扫孔和第二吹扫孔，所述第一吹扫孔和所述第二吹扫孔围绕所述燃料入口相对于所述燃料-空气混合器组件的中心线而沿周向布置，以将轴向空气流引导至所述混合器部分中；以及
联接至所述混合器部分的扩口杯部分，所述扩口杯部分包括侧壁，所述侧壁包括限定在其中的入口开口和排放开口，其中所述侧壁定向成使得所述排放开口相对于所述燃料-空气混合器组件的中心线而非轴对称地定形。
17.根据权利要求16所述的涡轮发动机，其特征在于，所述排放开口由相对于彼此而垂直地定向的长轴线和短轴线限定，所述长轴线比所述短轴线更长。
18.根据权利要求17所述的涡轮发动机，其特征在于，所述侧壁在所述长轴线的相反的端部处相对于所述燃料-空气混合器组件的所述中心线而扩散地定向，所述侧壁相对于所述中心线而以等于或小于大约60度的角定向。
19.根据权利要求16所述的涡轮发动机，其特征在于，所述混合器部分包括相对于所述中心线而沿周向布置在所述混合器部分内的第一旋流导叶和第二旋流导叶，其中所述第一旋流导叶构造成沿不同于所述第二旋流导叶的方向而将空气流引导至所述混合器部分中。
20.根据权利要求16所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一吹扫孔的尺寸不同于所述第二吹扫孔。
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