CN112005051B - 用于涡轮发动机环形燃烧室的喷射系统 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮发动机环形燃烧室的喷射系统(19)，该喷射系统包括：用于支撑喷射器头部并使所述喷射器头部居中的装置(19a)，这些装置包括截头圆锥形表面(30)，该截头圆锥形表面在其直径最小的下游端部处连接到圆柱形表面(32)的上游端部；布置在所述装置下游的空气和燃料的混合碗状件(44)；以及至少部分地围绕所述装置延伸的至少一个轴向旋流诱导器(34，36)，所述旋流诱导器或每个旋流诱导器包括叶片(40，42)，该叶片在叶片之间限定出用于使空气流通过的基本上轴向的通道，其特征在于，所述通道在通道的位于所述截头圆锥形表面上的上游端部处打开。

Description

用于涡轮发动机环形燃烧室的喷射系统

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮发动机的环形燃烧室的尤其是空气和燃料的混合物的喷射系统。

背景技术

专利申请FR-A1-2 918 716、FR-A1-2 925 146、FR-A1-2 941 288、FR-A1-2 975467、EP-A2-1 600 693、EP-A1-1 840 467、EP-A1-1 873 455、EP-A1-3 141 818、JP-A 2011528098、US-A-3 703 259和EP-A2-0 286 569描述了用于涡轮发动机的喷射系统。

涡轮发动机包括气体发生器，该气体发生器尤其是包括布置在燃烧室的上游的一个或多个压缩机，例如低压压缩机和高压压缩机。

在本专利申请中，按照惯例，术语“上游”和“下游”相对于涡轮发动机中的气体流通方向来定义。类似地，在本专利申请中，按照惯例，术语“内”和“外”相对于涡轮发动机的纵向轴线径向地定义，该纵向轴线尤其是压缩机的转子的旋转轴线。

传统上，燃烧室是环形的，并安置在由外环形壳体和内环形壳体径向地界定出的环形包封体中。燃烧室由在上游通过腔室底部连接的同轴的内环形壁和外环形壁界定出，该腔室底部也是环形的并且基本上是横向的。

燃烧室尤其是例如从位于燃烧室上游的高压压缩机经由尤其是环形扩散器被供给压缩空气，并且经由围绕室的旋转轴线成角度地分布的喷射系统被供给燃料。

传统的喷射系统包括用于支撑喷射器头部并使喷射器头部居中的装置以及主旋流诱导器和次级旋流诱导器，该主旋流诱导器和次级旋流诱导器将每个空气流输送到喷射器的下游，以产生待喷射到燃烧室中然后在燃烧室中燃烧的空气和燃料的混合物。在旋流诱导器的下游安装截头圆锥形的混合碗状件，以喷洒进入燃烧室的空气/燃料混合物。

喷射系统的旋流诱导器各自包括多个叶片，在这多个叶片之间界定出倾斜的空气通道，以使空气围绕旋流诱导器的轴线进行旋转运动，从而形成用于使火焰稳定的再流通区域和用于促进室内的燃料层的雾化的剪切区域。

对于上述类型的喷射系统，已知有两种类型的旋流诱导器，即径向旋流诱导器和轴向旋流诱导器。在这里，术语“径向”和“轴向”相对于喷射系统的轴线而不是涡轮发动机的轴线来定义。径向旋流诱导器在轴向上以一个在另一个后面的方式布置并具有径向延伸的通道。轴向旋流诱导器在径向上彼此围绕地布置并且具有轴向延伸的通道。

用于支撑喷射器头部并使喷射器头部居中的上述装置包括截头圆锥形表面，该截头圆锥形表面向上游张开，并通过其下游端部连接到圆柱形表面的上游端部，该截头圆锥形表面的下游端部因此是直径最小的端部。喷射器头部能够与截头圆锥形表面滑动地配合来使喷射器居中，然后喷射器头部能够与圆柱形表面滑动地配合。然后喷射器头部插入支撑和定心装置中。

在轴向旋流诱导器喷射系统的当前技术中，轴向旋流诱导器围绕圆柱形表面布置在截头圆锥形表面的下游。截头圆锥形表面具有的外直径大于主(或径向内)旋流诱导器的直径，使得该截头圆锥形表面并因此支撑和定心装置“遮挡”主/内旋流诱导器并阻碍其空气供应，以及在较小程度上“遮挡”次级/外旋流诱导器并阻碍其空气供应。因此，供应轴向旋流诱导器的流线被支撑和定心装置转向。

本发明的目的是针对该问题提供一种简单、有效和经济的解决方案。

发明内容

为此目的，本发明提供一种用于涡轮发动机的环形燃烧室的喷射系统，该喷射系统包括：

-用于支撑喷射器头部并使喷射器头部居中的装置，这些装置包括截头圆锥形表面，该截头圆锥形表面在截头圆锥形表面的直径最小的下游端部处连接到圆柱形表面的上游端部，

-用于使空气和燃料混合的碗状件，该碗状件布置在所述装置的下游，以及

-至少部分地围绕所述装置延伸的至少一个轴向旋流诱导器，所述轴向旋流诱导器包括叶片，所述叶片在所述叶片之间界定出用于使空气流通过的轴向的通道，

其特征在于，所述通道在通道的位于所述截头圆锥形表面上的上游端部处打开。

通过消除上述缺点，本发明使得可以保留用于支撑喷射器头部并使喷射器头部居中的装置以及轴向旋流诱导器的功能和优点。为此目的，一个或多个轴向旋流诱导器的通道在位于截头圆锥形表面上的上游处打开。因此，旋流诱导器不再受到用于支撑喷射器头部并使喷射器头部居中的装置的阻碍，因为轴向旋流诱导器可以被供给围绕喷射器并沿着喷射器轴向流动的空气。

根据本发明的喷射系统可以包括相对于彼此被单独地采用或彼此结合地采用的以下特征中的一个或多个：

-该喷射系统包括两个同轴的轴向旋流诱导器，该轴向旋流诱导器的通道在通道的位于所述截头圆锥形表面上的上游端部处打开，

-所述叶片延伸到所述截头圆锥形表面并部分地限定出所述截头圆锥形表面，

-所述截头圆锥形表面包括用于向所述通道供应空气的至少一个环形排的孔口；

-所述叶片相对于所述截头圆锥形表面轴向地凹入；在这里，术语“轴向”相对于喷射系统的轴线来定义，

-所述截头圆锥形表面包括用于向所述通道供应空气的至少一个环形开口，

-所述叶片被中断，并且每个叶片包括至少两个叶片部分，至少两个叶片部分从上游到下游轴向地布置，即以一个在另一个后面的方式布置，

-所述轴向旋流诱导器被限定在一个围绕另一个延伸的两个圆柱形壁之间，两个圆柱形壁分别是外壁和内壁，外壁包括用于向该轴向旋流诱导器供应空气的呈环形排的通孔，

-所述截头圆锥形表面被凹口中断，该凹口被构造成接纳喷射器。

本发明还涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括配备有如前所述的喷射系统的环形燃烧室。

附图说明

当阅读以下作为非限制性示例并参照附图所作出的描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更加清楚地显现，在附图中：

-图1是涡轮发动机的纵向半截面的详细视图，其尤其是示出了涡轮发动机的环形燃烧室，该涡轮发动机配备有径向旋流诱导器喷射系统；

-图2是涡轮发动机的环形燃烧室的轴向旋流诱导器喷射系统的详细视图；

-图3是图2的喷射系统的简化视图；

-图4和图5分别是本发明的第一实施例的示意性透视图和轴向截面图；

-图6和图7分别是本发明的第二实施例的示意性透视图和轴向截面图；

-图8和图9分别是本发明的第三实施例的示意性透视图和轴向截面图；

-图10是本发明的第四实施例的示意性透视图；

-图11是本发明的第五实施例的示意性透视图；以及

-图12是本发明的第六实施例的示意性透视图。

具体实施方式

在图1上示出了飞行器涡轮发动机的气体发生器的、具有旋转轴线C的环形燃烧室1。

环形燃烧室1安置在例如为低压压缩机和高压压缩机的一个或多个压缩机的下游以及安置在例如为低压涡轮和高压涡轮的一个或多个涡轮的上游。

环形燃烧室1的旋转轴线C与涡轮发动机的纵向轴线重合，该纵向轴线尤其是涡轮和压缩机的转子的旋转轴线。

根据附图所示尤其是图1所示的实施例，环形燃烧室1尤其是安置在高压离心压缩机4的下游。

更确切地，环形燃烧室1安置在由外环形壳体6和内环形壳体7径向地界定出的环形包封体5中。由压缩机4产生的压缩空气流8经由环形扩散器9通向环形包封体5。

环形燃烧室1由同轴的内环形壁11和外环形壁12界定出，内环形壁11和外环形壁12在上游通过燃烧器1的基本上横向的底部13连接。

更确切地，根据图中所示的实施例，环形燃烧室1在环形包封体5中基本上径向居中，以便一方面限定出由内环形壁11和内环形壳体7径向地界定出的内环形空气通道14，并且另一方面限定出由外环形壁12和外环形壳体6径向地界定出的外环形空气通道15。

通过围绕轴线C均匀地成角度地分布的多个空气和燃料喷射设备16向环形燃烧室1供应空气和燃料的混合物。具体地，每个喷射设备16包括喷射器17和喷射系统19。

喷射器17是成角度地布置的，并且其一个端部附接到外环形壳体6，而相对的端部形成头部，该头部接合在喷射系统19中并在喷射系统19中居中。

喷射系统19固定到底部13上，更确切地，安装在底部13的孔口13a中，以使得空气和燃料的混合物能够喷洒到环形燃烧室1中。

喷射系统19从上游到下游包括用于支撑喷射器头部并使所述喷射器头部居中的装置19a、用于喷射空气的装置19b、以及用于将空气-燃料混合物扩散到环形燃烧室中的装置19c。

因此，通过喷射系统19向环形燃烧室1供应压缩空气，该压缩空气与由喷射器17供应的燃料混合。

还通过尤其是所谓的“主”孔20(例如在内环形壁11和外环形壁12上呈周向排)并通过位于主孔20下游的“稀释”孔21(例如在内环形壁11和外环形壁12上呈周向排)向环形燃烧室1供应压缩空气。通过内环形空气通道14和外环形空气通道15向主孔20和稀释孔21供应空气。

空气/燃料混合物的燃烧通过附接到外环形壁12的一个或多个点火设备22来引发。根据所示的示例，点火设备22在纵向上位于主孔20的一定高度处。

为了使环形燃烧室1的内环形壁11和外环形壁12冷却，环形燃烧室1包括多个冷却孔，这些冷却孔通常是倾斜的、以周向排的形式分布，从而实现通常被称为“多穿孔”的冷却。

图1表示喷射系统19的第一类型或第一技术，其中空气喷射装置19b具有径向旋流诱导器(相对于喷射系统的轴线而言)。

图2和图3表示喷射系统19的第二类型或第二技术，其中空气喷射装置19b具有轴向旋流诱导器(相对于喷射系统的轴线而言)。

经典地，用于支撑喷射器头部并使喷射器头部居中的装置19a包括截头圆锥形表面30，该截头圆锥形表面30在其直径最小的下游端部处连接到圆柱形表面32的上游端部。轴向旋流诱导器(分别是内轴向旋流诱导器34和外轴向旋流诱导器36)围绕该表面32在表面30的下游延伸。截头圆锥形表面30的内直径等于表面32的内直径，并且小于轴向旋流诱导器的内直径和外直径。如图所示，截头圆锥形表面30的外直径大于内轴向旋流诱导器34的外直径，甚至大于外轴向旋流诱导器36的内直径。

后一种技术的主要缺点与如下事实有关，所述事实即：截头圆锥形表面30在轴向旋流诱导器的上游延伸并阻碍其空气供应，这在图3中用叉号示意性地表示。这对喷射系统并因此对环形燃烧室整体的整体性能具有负面影响。

图4和图5示出了本发明的第一实施例，其中，以上已经描述的元件由相同的附图标记表示。

喷射系统19的用于支撑喷射器头部并使喷射器头部居中的装置19a包括截头圆锥形表面30和同轴的圆柱形表面32，该圆柱形表面从截头圆锥形表面的直径最小的端部向下游延伸。

内轴向旋流诱导器34和外轴向旋流诱导器36围绕彼此且围绕圆柱形表面32同轴地延伸。

内轴向旋流诱导器34由通过叶片40彼此连接的两个同轴的环形壁38a、38b界定出。内壁38a基本上是圆柱形的，而外壁38b包括围绕壁38a延伸的圆柱形上游部分和截头圆锥形部分，该截头圆锥形部分在壁38a的下游延伸并从上游到下游朝向内部定向。

外轴向旋流诱导器36由壁38b和另一同轴的环形壁38c界定出，壁38b、38c通过叶片42彼此连接。外壁38c包括围绕壁38b延伸的圆柱形上游部分以及连接到扩散器装置19c的碗状件44的下游部分。

在所示的示例中，碗状件44是截头圆锥形的并向下游张开。碗状件44连接到外部环形套环46和圆柱形壁48，以将喷射系统19安装在燃烧器底部13的上述孔口13a中。壁38c的下游部分和/或碗状件44与壁48一起限定出用于使空气流通的环形腔体50，该空气旨在穿过碗状件或壁中的口52，特别是以便撞击旨在位于环形燃烧室内部的外部环形套环46并因此使该外部环形套环46冷却。

轴向旋流诱导器的叶片40、42在叶片40、42之间限定出轴向地延伸的通道。叶片40、42以及通道的下游端部位于垂直于喷射系统轴线的横向平面P1中。

叶片40、42以及通道的上游端部位于截头圆锥形表面30上。叶片40、42以及通道的上游端部在表面30上位于横向平面P2和P3中。换句话说，轴向旋流诱导器的通道在通道的位于截头圆锥形表面上的上游端部处打开。

图4示出了截头圆锥形表面30部分地由壁38a、38b和38c的上游端部以及叶片40、42的上游端部形成的事实。因此，壁38a、38b和38c中的每个壁具有的上游端部带斜面并且从上游到下游朝向喷射系统轴线的内部倾斜。每个叶片40、42的上游端部带斜面并且从上游到下游朝向喷射系统轴线的内部倾斜。带斜面的端部具有相同的锥角。

表面32包括两个环形排的孔口，以用于向轴向旋流诱导器通道供应空气。

图6和图7的替代性实施例与先前实施例的不同之处主要在于叶片40、42的长度。

叶片40、42以及通道的下游端部位于垂直于喷射系统轴线的横向平面P1中。通道的上游端部位于截头圆锥形表面30上，但是叶片的上游端部相对于表面30向后设置。叶片40、42的上游端部位于相对于表面30向后设置的横向平面P2和P3中。在所示的示例中，P2在P3的上游，但是相反的情况也是可能的。

截头圆锥形表面30包括两个环形开口，以用于向轴向旋流诱导器通道供应空气。

图8和图9的替代性实施例与第一实施例的不同之处主要在于叶片40、42。在这里，这些叶片被中断，并且每个叶片包括以一个在另一个后面的方式轴向地布置的至少两个叶片部分40a、40b、42a、42b。叶片40、42以及通道的下游端部位于横向平面P1中，并且叶片40、42以及通道的上游端部位于横向平面P2和P3中，横向平面P2和P3位于表面30上。

图10的替代性实施例与第一实施例的不同之处主要在于壁38b、38c，在这里，壁38b、38c各自包括用于供应空气的呈环形排的通孔54、56。壁38b的孔54使得空气能够供应到内轴向旋流诱导器34，并且壁38c的孔56使得空气能够供应到外轴向旋流诱导器36以及内轴向旋流诱导器34，这是因为穿过孔54的空气必须首先穿过孔56。

图11的替代性实施例与图6和图7的第二实施例的不同之处主要在于如下事实，所述事实即：壁38c连接到定心锥体58的直径最小的端部，该定心锥体58向上游张开。锥体58的锥角与壁38a、38b和38c的带斜面的端部的锥角相同，并与这些端部连续地延伸，使得用于支撑喷射器头部并使喷射器头部居中的装置的截头圆锥形表面30也形成该锥体并延伸到该锥体中。

图12的替代性实施例与图11的先前实施例的不同之处主要在于如下事实，所述事实即：锥体58包括凹口60，该凹口60被构造成接纳喷射器17，尤其是其支撑头部的肘臂。

在上述所有实施例中，空气能够沿着喷射器头部轴向地渗透到轴向旋流诱导器中，而不会绕过壁。通过轴向旋流诱导器的叶片使该空气旋转，并将空气的旋流输送到喷射头部的下游，以使空气与喷射到环形燃烧室中的燃料混合，尤其是由于碗状件44而使得混合物以锥形形式喷洒。在图10的替代性实施例中，孔54、56允许增加流量以将空气供应到轴向旋流诱导器。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的环形燃烧室(1)的喷射系统(19)，所述喷射系统包括：

-用于支撑喷射器头部并使所述喷射器头部居中的装置(19a)，这些装置包括截头圆锥形表面(30)，所述截头圆锥形表面在所述截头圆锥形表面的直径最小的下游端部处连接到圆柱形表面(32)的上游端部，

-用于使空气和燃料混合的碗状件(44)，所述碗状件布置在所述装置的下游，以及

-至少部分地围绕所述装置延伸的至少一个轴向旋流诱导器，所述轴向旋流诱导器包括叶片(40，42)，所述叶片在所述叶片之间界定出用于使空气流通过的轴向的通道，

其特征在于，所述通道在所述通道的位于截头圆锥形表面上的上游端部处打开。

2.根据权利要求1所述的喷射系统(19)，其中，所述喷射系统包括两个同轴的轴向旋流诱导器，所述轴向旋流诱导器的通道在所述通道的位于所述截头圆锥形表面(30)上的上游端部处打开。

3.根据权利要求1或2所述的喷射系统(19)，其中，所述叶片(40，42)延伸到所述截头圆锥形表面(30)并部分地限定出该截头圆锥形表面。

4.根据权利要求1或2所述的喷射系统(19)，其中，所述截头圆锥形表面(30)包括用于向所述通道供应空气的至少一个环形排的孔口。

5.根据权利要求1或2所述的喷射系统(19)，其中，所述叶片(40，42)相对于所述截头圆锥形表面(30)轴向地凹入。

6.根据权利要求5所述的喷射系统(19)，其中，所述截头圆锥形表面(30)包括用于向所述通道供应空气的至少一个环形开口。

7.根据权利要求1或2所述的喷射系统(19)，其中，所述叶片(40，42)被中断，并且每个叶片包括从上游到下游轴向地布置的至少两个叶片部分(40a，40b，42a，42b)。

8.根据权利要求1或2所述的喷射系统(19)，其中，所述轴向旋流诱导器被限定在一个围绕另一个延伸的两个圆柱形壁(38a，38b，38c)之间，所述两个圆柱形壁分别是外壁和内壁，所述外壁(38b，38c)包括用于向该轴向旋流诱导器供应空气的呈环形排的通孔(54，56)。

9.根据权利要求1或2所述的喷射系统(19)，其中，所述截头圆锥形表面(30)被凹口(60)中断，所述凹口被构造成接纳喷射器(17)。

10.一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括环形燃烧室(1)，所述环形燃烧室配备有至少一个根据权利要求1至9中的一项所述的喷射系统(19)。

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