CN115325568A - 具有成角度横流喷射燃料注入的一体燃料喷嘴和混合器 - Google Patents
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Abstract
一种用于涡轮发动机的燃料系统。燃料系统包括燃料/空气混合器，燃料/空气混合器被构造为以受控燃料/空气比将空气与燃料混合，燃料/空气混合器具有限定室的本体。燃料系统还包括与燃料/空气混合器流体连通的燃料喷嘴。燃料喷嘴被构造为将燃料注入到燃料/空气混合器的室中。燃料喷嘴相对于燃料/空气混合器的本体位于前方，使得燃料的横流喷射相对于燃料/空气混合器的本体的足部成角度。
Description
技术领域
本公开大体涉及涡轮发动机中的燃烧器，并且具体地，涉及涡轮发动机的燃烧器中的燃料喷嘴和混合器。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括核心，并且燃气涡轮发动机的核心通常以串行流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。从压缩机区段向燃烧区段提供压缩空气流，其中压缩空气与燃料混合并被点燃，以产生燃烧气体。燃烧气体流过涡轮区段，驱动核心。
点火器设置在燃烧区段或燃烧器内，在燃烧区段内附接到壳体并且延伸到或通过例如至少部分地限定燃烧室的燃烧衬套。某些燃气涡轮发动机使用非传统高温材料，例如用于燃烧衬套的陶瓷基复合(CMC)材料。这种CMC材料通常能够更好地承受燃烧室内的极端温度。点火器可以使用安装组件可移动地附接到燃烧衬套。安装组件可以允许点火器相对于燃烧衬套移动。
燃料喷嘴用于将燃料输入(喷射)到发动机的燃烧器中，并且以确定的比率与空气混合从而形成由点火器点燃的燃料-空气混合物。燃料喷嘴和混合器的紧凑性、较低的泵压力、满足排放的自动点火余量以及重量/成本是将燃烧器技术(例如双环形预混旋流或TAPS)应用于发动机的主要挑战。
发明内容
本公开的方面是提供一种用于涡轮发动机的燃料系统。该燃料系统包括：燃料/空气混合器，燃料/空气混合器被构造为以受控燃料/空气比将空气与燃料混合，燃料/空气混合器具有限定室的本体；以及燃料喷嘴，燃料喷嘴与燃料/空气混合器流体连通，燃料喷嘴被构造为将燃料注入到燃料/空气混合器的室中。燃料喷嘴相对于燃料/空气混合器的本体位于前方，使得燃料的横流喷射相对于燃料/空气混合器的本体的足部成角度。
本公开的另一方面是提供一种涡轮发动机。该涡轮发动机包括：(A)压缩机区段，压缩机区段被构造为生成压缩空气；(B)涡轮区段，涡轮区段位于压缩机区段的下游；(C)燃烧区段，燃烧区段设置在压缩机区段和涡轮区段之间；以及(D)燃料系统，燃料系统与燃烧区段流体连通。燃料系统被构造为向燃烧区段提供燃料/空气混合物。燃料系统包括：(a)燃料/空气混合器，燃料/空气混合器被构造为以受控燃料/空气比将空气与燃料混合，燃料/空气混合器具有限定室的本体；以及(b)燃料喷嘴，燃料喷嘴与燃料/空气混合器流体连通，燃料喷嘴被构造为将燃料注入到燃料/空气混合器的室中。燃料喷嘴相对于燃料/空气混合器的本体位于前方，使得燃料的横流喷射相对于燃料/空气混合器的本体的足部成角度。
通过考虑以下详细描述、附图和权利要求，本公开的附加特征、优点和实施例被阐述或显而易见。此外，应当理解，本公开的上述概述和以下详细描述都是示例性的，并且旨在提供进一步的解释而不限制所要求保护的本公开的范围。
附图说明
如附图中所示，通过以下更具体的对各种示例性实施例的描述，前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中相似的附图标记通常表示相同、功能类似和/或结构类似的元件。
图1是根据本公开的实施例的涡轮发动机的示意横截面视图。
图2是根据本公开的实施例的图1的燃气涡轮发动机的燃烧区段的示意横截面视图。
图3是根据本公开的实施例的燃料系统300的立体图。
图4是传统燃料系统的剖切立体图。
图5是根据本公开的实施例的燃料系统的剖切立体图。
图6是根据本公开的实施例的燃料系统的剖切立体图，示出了套圈组件。
图7是根据本公开的另一个实施例的燃料系统的剖切立体图。
图8是根据本公开的实施例的燃料系统的燃料/空气混合器的内部截面的剖切立体图，示出了来自与燃料系统的燃料供应环流体连通的燃料喷嘴的多个开口(喷射井)的布置。
图9是根据本公开的实施例的燃料系统的纵向横截面视图。
具体实施方式
下面详细讨论本公开的各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和构造。
为贫燃燃烧器(如TAPS)应用、涡轮发动机(如小型喷气发动机)提供了具有成角度横流喷射(JIC)燃料注入的一体燃料喷嘴混合器装置(燃料注入和混合装置)。除了燃料注入和混合装置之外，还提供了安装在偏转器上的套圈组件(带有净化孔)，以允许注入装置(燃料喷嘴)和偏转器之间的轴向/径向相对移动。相对于用于TAPS发动机的传统燃料喷嘴混合器装置，燃料供应环向前移动并容纳在“混合器”本体中，这将允许减小燃料喷嘴中心体直径以实现紧凑性。混合器可以是典型的径向或轴径向混合器(轴向的槽或轮叶)，而燃料喷嘴可以是典型的燃烧器(TAPS)设计。
此外，提供单件燃料喷嘴和混合器以及成角度注入具有许多益处。通过在注入器向前移动的情况下提供成角度JIC主注入，这允许具有较低中心体半径的阶梯形燃料喷嘴设计。此外，通过将燃料喷嘴与燃料/空气混合器一体形成，单件注入装置可减轻重量并减少维修部件。提供钎焊到偏转器的套圈组件还允许偏转器和注入装置之间的径向和轴向相对移动。这些特征能够实现小型发动机的燃料喷嘴和燃料/空气混合器的紧凑性和小型化。减小燃料喷嘴中心体直径目前对封装燃料供应回路和导向轮叶提出了挑战。成角度(更轴向)注入也降低了对高燃料注入压力的要求，因此能够实现较低燃料泵压力要求和几何倾斜/对准和自动点火的较小敏感性。此外，一体设计能够消除自动点火余量对燃料喷嘴和混合器的倾斜和浸入的敏感性。
除了解决燃料喷嘴紧凑性和额外自动点火余量方面的关键挑战外，该设计还提供以下技术/商业益处：(1)由于更多的轴向注入，因此泵压力要求更低，(2)由于成角度注入向前移动，因此混合器长度更短，从而零件更紧凑/更轻，(3)由于消除了混合器防旋转(AR)凸片、基板、混合器保持器以及更短的混合器，因此重量和尺寸较小，(4)混合器成为线更换单元，可在损坏的情况下更换机翼，以及(5)减少零件数量。
向前移动燃料供应环，并使注入成角度，释放燃料喷嘴中心体下方的空间。这允许通过阶梯式设计减小中心体直径。一旦中心体直径减小，混合器外直径(OD)也可以减小，从而使燃料喷嘴和混合器组件更紧凑。成角度注入意味着燃料注入将具有轴向分量，因此不需要高射流动量比或J比(如当前的径向注入设计)来渗透到横流中。这将降低泵输送压力要求，并因此提供使用更便宜或更耐用的泵的能力。将燃料喷嘴和燃料/空气混合器制成单件也可以消除两者之间的任何相对移动，从而没有相对倾斜或浸没变化。
现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标记已用于指代本公开的相似或类似部分。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，而“下游”是指流体向其流动的方向。
现在参考附图，其中相同的数字在所有附图中表示相同的元件，图1是根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机的示意横截面视图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是涡轮风扇发动机10，本文称为“涡轮风扇发动机10”。涡轮风扇发动机10可以是高旁通涡轮风扇发动机。如图1所示，涡轮风扇发动机10限定轴向方向A(平行于提供用于参考的纵向中心线12延伸)和径向方向R，径向方向R大致垂直于轴向方向A。涡轮风扇发动机10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。术语“下游”在本文中参考空气流动方向58使用。
所示的核心涡轮发动机16通常包括外壳18，外壳18是基本上管状的并且限定环形入口20。外壳18以串行流动关系包围：压缩机区段，其包括增压器或低压压缩机22(LP压缩机)和高压压缩机24(HP压缩机)；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压涡轮28(HP涡轮)和低压涡轮30(LP涡轮)；以及喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或线轴34将高压涡轮28驱动地连接到高压压缩机24。低压(LP)轴或线轴36将低压涡轮30驱动地连接到低压压缩机22。压缩机区段、燃烧区段26、涡轮区段和喷射排气喷嘴区段32一起限定核心空气流动路径37。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括具有可变桨距的风扇38，风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如图所示，风扇叶片40大致沿径向方向R从盘42向外延伸。借助于风扇叶片40可操作地联接到致动构件44，每个风扇叶片40可相对于盘42绕俯仰轴线P旋转，致动构件44被构造为共同地一致改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和致动构件44可一起通过跨动力齿轮箱46的LP轴或线轴36绕纵向中心线12(纵向轴线)旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将风扇38相对于LP轴或线轴36的旋转速度调节或控制到更有效的旋转风扇速度。
盘42由可旋转的前毂48覆盖，前毂48在空气动力学上成形为促进气流通过多个风扇叶片40。此外，风扇区段14包括环形风扇壳体或机舱50，其周向围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。机舱50可被构造为由多个周向间隔的出口导向轮叶52相对于核心涡轮发动机16被支撑。此外，机舱50的下游区段54可以在核心涡轮发动机16的外部分上方延伸，以便在其间限定旁通气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的操作期间，一定量的空气流在空气流动方向58上通过机舱50和/或风扇区段14的相关入口60进入涡轮风扇发动机10。当一定量空气穿过风扇叶片40时，如箭头指示的第一部分空气62被引导或导向进入旁通气流通道56，并且如箭头指示的第二部分空气64被引导或导向进入核心空气流动路径37，或更具体地，进入低压压缩机22中。由箭头指示的第一部分空气62与由箭头指示的第二部分空气64之间的比通常称为旁通比。然后，当由箭头指示的第二部分空气64被导向通过高压压缩机24并进入燃烧区段26时，第二部分空气64的压力增加，在燃烧区段26中第二部分空气64与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被导向通过高压涡轮28，其中来自燃烧气体66的一部分热能和/或动能经由联接到外壳18的HP涡轮定子轮叶68和联接到HP轴或线轴34的HP涡轮转子叶片70的顺序级提取，因此使HP轴或线轴34旋转，从而支持高压压缩机24的操作。燃烧气体66然后被导向通过低压涡轮30，其中经由联接到外壳18的低压涡轮定子轮叶72和联接到LP轴或线轴36的低压涡轮转子叶片74的顺序级从燃烧气体66提取第二部分热能和动能，因此使LP轴或线轴36旋转，从而支持低压压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被导向通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时，随着第一部分空气62在第一部分空气从涡轮风扇发动机10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导向通过旁通气流通道56，第一部分空气62的压力显著增加，也提供推进推力。高压涡轮28、低压涡轮30和喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定热气路径78，用于引导燃烧气体66通过核心涡轮发动机16。
然而，应当理解，图1中描绘的涡轮风扇发动机10仅作为示例，并且在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可以具有任何其他合适的构造。还应当理解，在其他示例性实施例中，本公开的方面可以结合到任何其他合适的燃气涡轮发动机中。例如，在其他示例性实施例中，本公开的方面可以结合到例如涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮核心发动机、涡轮喷气发动机等中。
图2是根据本公开的实施例的图1的涡轮风扇发动机10的燃烧区段26的示意横截面视图。燃烧区段26通常包括燃烧器80，燃烧器80生成排放到涡轮区段中，或更具体地，排放到高压涡轮28中的燃烧气体。燃烧器80包括外衬82、内衬84和圆顶86。外衬82、内衬84和圆顶86一起限定燃烧室88。此外，扩散器90定位在燃烧室88的上游。扩散器90具有外扩散器壁90A和内扩散器壁90B。内扩散器壁90B更靠近纵向中心线12。扩散器90接收来自压缩机区段的空气流并将压缩空气流提供给燃烧器80。在实施例中，扩散器90将压缩空气流提供给燃料/空气混合器92的单个周向排。在实施例中，燃烧器80的圆顶86被构造为单个环形圆顶，并且燃料/空气混合器92的周向排设置在形成于圆顶86(空气供给圆顶或燃烧器圆顶)中的开口内。然而，在其他实施例中，也可以使用多个环形圆顶。
在实施例中，扩散器90可用于将来自压缩机(未示出)的高速、高度压缩的空气减慢到对于燃烧器最佳的速度。此外，扩散器90还可以被构造为通过避免像边界层分离这样的流动效应来尽可能地限制流动变形。与大多数其他燃气涡轮发动机部件一样，扩散器90通常被设计成尽可能轻以减少整个发动机的重量。
燃料喷嘴(图2中未示出)取决于燃烧器80在各种发动机操作状态下的期望性能而向燃料/空气混合器92提供燃料。燃料喷嘴和燃料/空气混合器92将在以下段落中进一步详细描述。在图2所示的实施例中，外罩94(例如，环形罩)和内罩96(例如，环形罩)位于燃烧室88的上游，以便将空气流引导到燃料/空气混合器92中。外罩94和内罩96还可将来自扩散器90的空气流的一部分引导至限定在外衬82和外壳100之间的外通道98，以及限定在内衬84和内壳104之间的内通道102。此外，内支撑锥体106进一步示出为使用多个螺栓110和螺母112连接到喷嘴支撑件108。然而，其他燃烧区段可以包括任何其他合适的结构构造。
在一些实施例中，外衬82和内衬84可以由陶瓷基复合材料(CMC)形成，其是具有高温能力的非金属材料。用于此类衬套的示例性复合材料包括碳化硅、硅、二氧化硅或氧化铝基材料，以及其组合。通常，陶瓷纤维嵌入基体，例如氧化稳定的增强纤维，包括单丝(如蓝宝石和碳化硅)，以及粗纱和纱线，包括碳化硅、硅酸铝、短切晶须和纤维，以及可选的陶瓷颗粒(例如Si、Al、Zr、Y的氧化物及其组合)和无机填料(例如叶蜡石、硅灰石、云母、滑石、蓝晶石和蒙脱石)。CMC材料在1000°F至1200°F的温度范围内可具有约1.3×10-6in/in/°F至约3.5×10-6in/in/°F范围内的热膨胀系数。
相比之下，燃烧器80或燃烧区段26的其他部件(例如外壳100、内壳104和燃烧区段26的其他支撑构件)可由金属(例如镍基超合金(其在大约1000°F至1200°F的温度范围内可具有约8.3至8.6×10-6in/in/°F的热膨胀系数)或钴基超合金(其可具有约9.2至9.4×10- 6in/in/°F的热膨胀系数))形成。外衬82和内衬84可以支持燃烧室88中存在的极端温度环境。
燃烧器80还设置有点火器114。设置点火器114以点燃供应到燃烧器80的燃烧室88的燃料/空气混合物。点火器114以基本固定的方式附接到燃烧器80的外壳100。此外，点火器114大致沿轴向方向A2延伸，限定靠近燃烧室88的燃烧器构件中的开口定位的远端116。远端116靠近燃烧器80的外衬82内通向燃烧室88的开口118定位。
外衬82和内衬84具有设置在其中的多个孔(未示出)。孔沿外衬82和内衬84的表面分布以允许空气进入燃烧室88。或者，外衬82和内衬84可以由多孔材料制成。外衬82和内衬84包含燃烧处理并将各种空气流(中间、稀释和冷却)引入燃烧室88。
在实施例中，燃烧器80的圆顶86连同外衬82和内衬84一起限定旋流器130。当空气进入燃烧室88时，空气流过旋流器130。圆顶86和旋流器130的作用是在空气流中产生湍流以使空气与燃料快速混合。旋流器建立迫使一些燃烧产物再循环的局部低压区，如图2所示，从而产生高湍流。圆顶86和旋流器130被设计成不会生成比充分混合燃料和空气所需的更多的湍流。
图3是根据本公开的实施例的燃料系统300的立体图。燃料系统300包括燃料供应杆302和与燃料/空气混合器306流体连通的燃料供应环304。燃料系统300的燃料供应杆302是燃料导管，其被构造为将燃料(图3中未示出)输送到燃料供应环304，燃料供应环304继而经由燃料喷嘴将燃料分配到燃料/空气混合器306，其中燃料以受控比与空气混合。燃料系统300还具有引燃燃料喷嘴308。引燃燃料喷嘴308被构造为向燃料/空气混合器306持续输送少量燃料，以在通过燃料喷嘴注入燃料时提供引燃火焰来点燃燃料/空气混合物。
图4是传统燃料系统400的剖切立体图。传统燃料系统400包括燃料喷嘴402(FN)和燃料/空气混合器404。如图4所示，燃料喷嘴402和燃料/空气混合器404是两个单独的部件。燃料喷嘴402和燃料/空气混合器404可以具有沿纵向轴线A-A并且相对于纵向轴线A-A倾斜的相对轴向运动。燃料/空气混合器设置有防旋转凸片以防止旋转。传统燃料系统400还包括偏转器406。燃料/空气混合器404使用钎焊到偏转器406的保持器轴向约束到偏转器406。在传统燃料系统400中，燃料径向向外喷射，如箭头408所示，通过燃料喷嘴402进入燃料/空气混合器404中，在燃料/空气混合器404中燃料与空气混合。
图5是根据本公开的实施例的燃料系统500的剖切立体图。燃料系统500包括燃料喷嘴502(FN)和燃料/空气混合器504。在实施例中，燃料喷嘴502和燃料/空气混合器504可以是两个单独的部件，它们可以使用紧固件接合或链接在一起，或者焊接/钎焊在一起。例如，燃料喷嘴502和燃料/空气混合器504可以由不同的材料制成，并且在组装期间使用紧固件等接合在一起。在另一个实施例中，燃料喷嘴502和燃料/空气混合器504可以集成为一个部件或件。例如，在这种情况下，燃料喷嘴502和燃料/空气混合器504可以通过诸如增材/3D打印的方法由相同的材料形成。燃料系统500还包括燃料供应环506，燃料供应环506被构造为将燃料周向地输送到燃料喷嘴502中。燃料喷嘴502可包括燃料供应环506中的多个周向间隔开的开口502A，以允许燃料喷射到燃料/空气混合器504中，从而生成如箭头所示的燃料508的横流喷射。燃料/空气混合器504具有限定室504C的本体504B。燃料/空气混合器504还包括本体504B中的多个轮叶504A，空气渗透通过多个轮叶504A，以在燃料/空气混合器504的室504C内与如箭头所示的喷射燃料或燃料508的横流喷射混合。
如图5所示，燃料喷嘴502相对于燃料/空气混合器504位于前方。换言之，燃料喷嘴502上的注入器位于燃料/空气混合器504的前方。在实施例中，燃料供应环506向前移动并容纳在燃料/空气混合器504的本体504B中。此外，由箭头所示的燃料508的横流喷射相对于燃料/空气混合器504的本体504B的足部504D成角度。在实施例中，燃料供应环506和燃料喷嘴502与燃料/空气混合器504的本体504B的前部504E接触。燃料/空气混合器504的本体504B的前部504E相对于足部504D成角度，使得燃料以注入角度喷射通过前部504E处的端口或孔口504F，该注入角度相对于足部504D的方向上的纵向轴线A-A在10度和30度之间。在实施例中，燃料/空气混合器504的本体504B的足部504D通常位于纵向轴线A-A的方向内。然而，可以理解的是，角度范围也可以取决于喷嘴构造和期望的燃料空气比而变化。例如，角度范围可以在5度到45度之间。这种构造释放了中心体510中的空间。因此可以减小中心体510的直径，从而允许燃料系统500基本上紧凑或整体更小。当燃料喷嘴502(FN)和燃料/空气混合器504集成为一个部件时，可以进一步提高燃料系统500的紧凑性。通过提供与燃料/空气混合器504集成的燃料喷嘴502，燃料喷嘴502和燃料/空气混合器不需要彼此附接，从而减少或甚至消除将燃料喷嘴502附接至燃料/空气混合器504所需的部件。燃料系统500还包括燃料泵511(在图5中示意性地示出)，其被构造为经由图3所示的燃料供应杆302将燃料输送到燃料供应环506中。燃料泵511经由燃料供应环506与燃料喷嘴502流体连通。燃料508的横流喷射相对于燃料/空气混合器504的本体504B的足部504D的角度被构造为降低生成燃料508的横流喷射(JIC)所需的燃料泵511的压力。
图6是根据本公开的实施例的燃料系统500的剖切立体图，示出了套圈组件600。燃料系统还包括套圈组件600。套圈组件600用于将燃料/空气混合器504连接到燃烧器602。套圈组件600(带有吹扫孔)安装在偏转器603上，以允许注入装置(一体燃料喷嘴和混合器)和偏转器603之间的径向相对移动。套圈组件具有带有或不带有孔的浮板605。浮板605允许燃料喷嘴-混合器相对于偏转器603径向移动。燃料/空气混合器504可以设置有轮叶504A(例如，径向轮叶、轴向轮叶、径轴向或轴向槽)。
图7是根据本公开的另一个实施例的燃料系统700的剖切立体图。燃料系统700在许多方面类似于燃料系统500。因此，类似的特征在以下段落中不再进一步描述。然而，要注意的一个区别是燃料系统700具有燃料喷嘴702，燃料喷嘴702包括燃料喷嘴702中的多个(例如，一对)开口702A和702B，多个(例如，一对)开口702A和702B通向燃料/空气混合器706中的多个端口706A中的端口。在这种构造中，来自燃料供应环704的燃料由燃料喷嘴702作为预成膜锥形片从多个注入点注入到燃料/空气混合器706中，并产生与燃料/空气混合器706中的空气混合的压力旋流型注入。例如，这种构造能够增强燃料与空气的混合，从而在燃料/空气混合物被点燃时实现更好的燃烧处理。
在实施例中，燃料喷嘴包括多个开口702A、702B，并且燃料/空气混合器包括多个端口706A。燃料喷嘴702的多个开口702A、702B中的至少一对开口702A、702B中的每一个与燃料/空气混合器706中的多个端口706A中的对应单个端口连通。至少一对开口702A、702B中的每一个被构造为在环形燃料膜中生成压力旋流，以在燃料/空气混合器706中与空气混合。
图8是根据本公开的实施例的燃料系统800的燃料/空气混合器802的内部截面的剖切立体图，示出了来自与燃料系统800的燃料供应环808流体连通的燃料喷嘴806的多个开口804(喷射井)的布置。在实施例中，开口804与燃料供应环808和燃料/空气混合器802两者连通。在实施例中，燃料/空气混合器802和燃料供应环808具有环形形状，并且多个开口804(喷射井)沿着环形形状的圆周分布，以将燃料基本均匀地分布在燃料/空气混合器802内。
图9是根据本公开的实施例的燃料系统900的纵向横截面视图。线L-L示出了传统燃料系统的中心体直径的位置。线L-L绘制在燃料系统900的纵向横截面视图的顶部上，以示出与燃料系统900的相对位置。线M-M示出了燃料系统900的中心体直径的位置。因此，燃料系统900的中心体直径减小了分隔线L-L到线M-M的距离。N-N线示出了传统燃料系统的燃料/空气混合器的唇部的位置。线P-P示出了燃料系统900的燃料/空气混合器902的唇部904的位置。如图9所示，燃料系统900的燃料/空气混合器902的唇部904相对于传统燃料系统降低。线R-R指示传统燃料系统(未示出)的燃料/空气混合器的混合器轮叶的外直径(OD)的位置。如图9所示，燃料/空气混合器902的混合器轮叶906的外直径(OD)的位置也减小了。中心体直径的减小和燃料/空气混合器902的唇部904以及燃料/空气混合器902的混合器轮叶906的外直径(OD)的减小提供了基本上紧凑的燃料系统900，而燃料系统900的燃料喷嘴直径保持与传统燃料系统相同。此外，燃料系统900中的主燃料供应环908向前移动以释放中心体下方的空间。
向前移动燃料供应环并使注入成角度释放燃料喷嘴中心体下方的空间。这允许通过阶梯式设计减小中心体直径。术语“向前”在本文中用于指示燃料供应环的位置是相对于混合器轮叶906描述的。在传统燃料系统中，燃料环几乎位于混合器轮叶下游的3/4处。相反，在实施例中，燃料环相对于混合器轮叶906更靠前，几乎在轮叶开始之前。一旦中心体直径减小，混合器外直径(OD)也可以减小，从而使燃料喷嘴和混合器组件更紧凑。成角度注入意味着燃料注入将具有轴向分量，因此不需要高J比(如当前的径向注入设计)来渗透到横流中。这将降低泵输送压力要求，并因此提供使用更便宜或更耐用的泵的能力。将燃料喷嘴和混合器制成单件将消除两者之间的任何相对移动，从而没有相对倾斜或浸没变化。
此外，提供单件燃料喷嘴和混合器以及成角度注入具有许多益处。通过在燃料注入器向前移动的情况下提供成角度JIC主注入，这可以提供具有较低中心体半径的阶梯形燃料喷嘴设计。此外，通过将燃料喷嘴与主混合器一体形成，例如，提供了单件注入装置以允许减轻重量并减少维修部件。提供钎焊到偏转器的套圈组件还允许偏转器和注入装置之间的径向和轴向相对移动。这些特征能够实现小型发动机的燃料喷嘴和混合器的紧凑性和小型化。减小燃料喷嘴中心体直径目前对封装燃料供应回路和导向轮叶提出了挑战。紧凑型燃烧器(TAPS)注入允许使用已经降低几何倾斜/对准和自动点火的敏感性的低燃料泵压力。此外，通过提供更多的轴向注入，提供了更低的燃料泵压力。此外，一体设计允许消除自动点火余量对倾斜和浸入的敏感性。
除了解决燃料喷嘴紧凑性和额外自动点火余量方面的关键挑战外，该设计还提供以下技术/商业益处：(1)由于更多的轴向注入，因此泵压力要求更低，(2)由于成角度注入向前移动，因此混合器长度更短，从而零件更紧凑/更轻，(3)由于消除了混合器防旋转(AR)凸片、基板、混合器保持器以及更短的混合器，因此重量和尺寸较小，(4)混合器成为线更换单元(LRU)，可在损坏的情况下更换机翼，以及(5)更少的零件。
从以上段落中必须理解，提供了一种用于涡轮发动机的燃料系统。根据权利要求1，所述燃料系统包括：燃料/空气混合器，所述燃料/空气混合器被构造为以受控燃料/空气比将空气与燃料混合，所述燃料/空气混合器具有限定室的本体；以及燃料喷嘴，所述燃料喷嘴与所述燃料/空气混合器流体连通，所述燃料喷嘴被构造为将燃料注入到所述燃料/空气混合器的所述室中，其中，所述燃料喷嘴相对于所述燃料/空气混合器的所述本体位于前方，使得所述燃料的横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的足部成角度。
根据权利要求1所述的燃料系统，其中，所述燃料的所述横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的所述足部的方向上的纵向轴线成5度和45度之间的角度。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料的所述横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的所述足部的方向上的纵向轴线的角度在10度和30度之间。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，进一步包括与所述燃料喷嘴连通的燃料泵，其中所述燃料的所述横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的所述足部的角度被构造为降低生成所述燃料的所述横流喷射所需的所述燃料泵的压力。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料喷嘴和所述燃料/空气混合器集成为一个部件。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料喷嘴和所述燃料/空气混合器由相同的材料形成。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料喷嘴包括多个周向间隔开的开口，所述多个周向间隔开的开口被构造为将所述燃料的所述横流喷射注入到所述燃料/空气混合器的所述室中。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料喷嘴包括多个开口，并且所述燃料/空气混合器包括多个端口，所述燃料喷嘴的所述多个开口中的至少一对开口中的每一个与所述燃料/空气混合器中的所述多个端口中的对应单个端口连通，并且所述多个开口中的所述至少一对开口中的每一个被构造为在环形燃料膜中生成压力旋流，以与所述燃料/空气混合器中的空气混合。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料/空气混合器包括多个轮叶，所述多个轮叶被构造为将空气引入其中，以与通过所述燃料喷嘴引入的所述燃料混合。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，进一步包括：燃料供应环，所述燃料供应环与所述燃料喷嘴流体连通，以通过所述燃料喷嘴将燃料分配到所述燃料/空气混合器；以及燃料供应杆，所述燃料供应杆与所述燃料供应环流体连通，以将燃料输送到所述燃料供应环。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料/空气混合器的所述本体和所述燃料供应环具有环形形状，并且所述燃料喷嘴包括围绕所述燃料供应环的圆周分布的多个开口，以将燃料周向分布到所述燃料/空气混合器的所述本体的所述环形形状中。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料供应环相对于所述燃料/空气混合器的所述本体位于前方，使得来自所述燃料喷嘴的所述燃料的所述横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的所述足部成角度。
根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述燃料供应环的前部位置和所述燃料的所述横流喷射的角注入释放了所述燃料系统的中心体下方的空间，所述空间减小中心体直径并减小所述燃料/空气混合器的外直径。
从以上段落中必须进一步理解，还提供了一种涡轮发动机。根据另一项权利要求所述涡轮发动机包括：(A)压缩机区段，所述压缩机区段被构造为生成压缩空气；(B)涡轮区段，所述涡轮区段位于所述压缩机区段的下游；(C)燃烧区段，所述燃烧区段设置在所述压缩机区段和所述涡轮区段之间；以及(D)燃料系统，所述燃料系统与所述燃烧区段流体连通，所述燃料系统被构造为向所述燃烧区段提供燃料/空气混合物。所述燃料系统包括：(a)燃料/空气混合器，所述燃料/空气混合器被构造为以受控燃料/空气比将空气与燃料混合，所述燃料/空气混合器具有限定室的本体；以及(b)燃料喷嘴，所述燃料喷嘴与所述燃料/空气混合器流体连通，所述燃料喷嘴被构造为将燃料注入到所述燃料/空气混合器的所述室中，其中，所述燃料喷嘴相对于所述燃料/空气混合器的所述本体位于前方，使得所述燃料的横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的足部成角度。
根据前述权利要求所述的涡轮发动机，其中，所述燃料的所述横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的所述足部的方向上的纵向轴线成5度和45度之间的角度。
根据前述权利要求中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述燃料喷嘴和所述燃料/空气混合器集成为一个部件。
根据前述权利要求中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述燃料喷嘴包括多个周向间隔开的开口，所述多个周向间隔开的开口被构造为将燃料注入到所述燃料/空气混合器的所述室中。
根据前述权利要求中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述燃料喷嘴包括多个开口，并且所述燃料/空气混合器包括多个端口，所述燃料喷嘴的所述多个开口中的每一对开口与所述燃料/空气混合器中的所述多个端口中的对应单个端口连通，并且所述多个开口中的至少每一对开口被构造为在环形燃料膜中生成压力旋流，以与所述燃料/空气混合器中的空气混合。
根据前述权利要求中任一项所述的涡轮发动机，进一步包括：燃料供应环，所述燃料供应环与所述燃料喷嘴流体连通，以通过所述燃料喷嘴将燃料分配到所述燃料/空气混合器；以及燃料供应杆，所述燃料供应杆与所述燃料供应环流体连通，以将燃料输送到所述燃料供应环。
根据前述权利要求中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述燃料/空气混合器的所述本体和所述燃料供应环具有环形形状，并且所述燃料喷嘴包括围绕所述燃料供应环的圆周分布的多个开口，以将燃料周向分布到所述燃料/空气混合器的所述本体的所述环形形状中。
尽管前面的描述是针对本公开的优选实施例的，但是应当注意，其他变化和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合本公开的一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。
Claims (10)
1.一种用于涡轮发动机的燃料系统，其特征在于，所述燃料系统包括：
燃料/空气混合器，所述燃料/空气混合器被构造为以受控燃料/空气比将空气与燃料混合，所述燃料/空气混合器具有限定室的本体；以及
燃料喷嘴，所述燃料喷嘴与所述燃料/空气混合器流体连通，所述燃料喷嘴被构造为将燃料注入到所述燃料/空气混合器的所述室中，
其中，所述燃料喷嘴相对于所述燃料/空气混合器的所述本体位于前方，使得所述燃料的横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的足部成角度。
2.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，其中，所述燃料的所述横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的所述足部的方向上的纵向轴线成5度和45度之间的角度。
3.根据权利要求2所述的燃料系统，其特征在于，其中，所述燃料的所述横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的所述足部的方向上的纵向轴线的角度在10度和30度之间。
4.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，进一步包括与所述燃料喷嘴连通的燃料泵，其中所述燃料的所述横流喷射相对于所述燃料/空气混合器的所述本体的所述足部的角度被构造为降低生成所述燃料的所述横流喷射所需的所述燃料泵的压力。
5.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，其中，所述燃料喷嘴和所述燃料/空气混合器集成为一个部件。
6.根据权利要求5所述的燃料系统，其特征在于，其中，所述燃料喷嘴和所述燃料/空气混合器由相同的材料形成。
7.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，其中，所述燃料喷嘴包括多个周向间隔开的开口，所述多个周向间隔开的开口被构造为将所述燃料的所述横流喷射注入到所述燃料/空气混合器的所述室中。
8.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，其中，所述燃料喷嘴包括多个开口，并且所述燃料/空气混合器包括多个端口，所述燃料喷嘴的所述多个开口中的至少一对开口中的每一个与所述燃料/空气混合器中的所述多个端口中的对应单个端口连通，并且所述多个开口中的所述至少一对开口中的每一个被构造为在环形燃料膜中生成压力旋流，以与所述燃料/空气混合器中的空气混合。
9.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，其中，所述燃料/空气混合器包括多个轮叶，所述多个轮叶被构造为将空气引入其中，以与通过所述燃料喷嘴引入的所述燃料混合。
10.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，进一步包括：
燃料供应环，所述燃料供应环与所述燃料喷嘴流体连通，以通过所述燃料喷嘴将燃料分配到所述燃料/空气混合器；以及
燃料供应杆，所述燃料供应杆与所述燃料供应环流体连通，以将燃料输送到所述燃料供应环。
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