CN117222847A - 用于涡轮喷气发动机加力燃烧室的包括三个分支臂的火焰保持架装置 - Google Patents

用于涡轮喷气发动机加力燃烧室的包括三个分支臂的火焰保持架装置 Download PDF

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CN117222847A CN202280029640.8A CN202280029640A CN117222847A CN 117222847 A CN117222847 A CN 117222847A CN 202280029640 A CN202280029640 A CN 202280029640A CN 117222847 A CN117222847 A CN 117222847A
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克莱门特·吉恩·亨利·贝切特
埃曼努埃尔·吉恩·安德烈·格雷斯林
皮埃尔·安德烈·加布里埃尔·马尔博伊斯
克里斯托弗·皮尤瑟格斯
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Abstract

用于涡轮喷气发动机加力燃烧室的火焰保持架装置(36)，包括一环形排的火焰保持架臂(38)，每个火焰保持架臂具有内部分支(38A)和两个外部分支(38B，38C)，所述内部分支具有自由端部(50)和另一端部(52)，外部分支从另一端部(52)延伸且沿着从自由端部(50)到另一端部(52)延伸的方向彼此分开，使得内部分支(38A)径向向外过渡到两个外部分支(38B，38C)，所述两个外部分支沿着两个相反的周向方向(C1，C2)径向向外彼此分开，从而在连续的火焰保持架臂(38)之间形成相互接近区域，相互接近区域用于使火焰从臂到臂传播。

Description

用于涡轮喷气发动机加力燃烧室的包括三个分支臂的火焰保 持架装置
技术领域
本发明涉及用于推进飞行器并包括加力燃烧室通道的涡轮喷气发动机的领域。更具体地，本发明涉及一种用于加力燃烧的火焰保持架装置、包括这种装置的后部涡轮喷气发动机部分以及包括这种后部部分的涡轮喷气发动机。
背景技术
已知类型的涡轮喷气发动机，特别是用于超音速飞行的涡轮喷气发动机，在其后部部分，也称为后部主体中，包括加力燃烧室通道，也称为“再加热通道”，其中来自涡轮的气体流在喷射喷嘴中膨胀之前可以通过涡轮内剩余的氧气进行新的燃烧。
臂形式的燃料喷射装置通常布置在燃烧通道的入口处，以沿火焰保持架装置的方向向下游蒸发燃料，该火焰保持架装置旨在稳定加力燃烧室通道中的火焰。
这种火焰保持架装置通常包括：径向延伸的一环形排的火焰保持架臂，这些火焰保持架臂用于促进火焰沿着每个臂的径向传播；以及火焰保持架环，该火焰保持架环将臂成对连接以促进火焰从臂到臂的周向传播。
设计这样的火焰保持架装置涉及在该装置最好地保持和稳定火焰的能力与限制由该装置阻塞加力燃烧室通道引起的压降之间做出折衷。
这种火焰保持架装置特别有助于限定涡轮喷气发动机的排气喷嘴的入口处，即加力燃烧室通道的出口处的气流的温度分布。然而，为了使涡轮喷气发动机的性能最大化，希望该温度分布尽可能均匀。
在这种情况下，需要一种改进的火焰保持架装置。
发明内容
为此，本发明提出了一种用于涡轮喷气发动机加力燃烧的火焰保持架装置，包括围绕该装置的轴线分布的一环形排的火焰保持架臂，并且每个火焰保持架臂包括：内部分支，所述内部分支具有自由端部和与自由端部相对的另一端部；以及两个外部分支，所述两个外部分支从内部分支的另一端部延伸，且沿着从内部分支的自由端部到另一端部延伸的方向彼此分开，使得对于每个火焰保持架臂，内部分支径向向外过渡到两个外部分支，这两个外部分支在两个相反的周向方向上径向向外彼此分开，使得火焰保持架臂的外部分支在连续的火焰保持架臂之间构成相互接近区域，该相互接近区域使得加力燃烧室火焰能够从臂到臂传播。
因此，火焰保持架臂的构造使得它们能够确保火焰的径向传播和周向传播。
火焰保持架装置因此提供了对已知装置的有利替代方案，该已知装置由彼此相距一距离且通过火焰保持架环连接的臂组成。与这样的已知装置相比，根据本发明的火焰保持架装置在横向平面中具有更好的分布，这减少了阻塞，同时在保持和稳定火焰方面保持与已知装置相同的性能，或者在保持适度阻塞的同时增加了这些性能。
特别地，外部分支径向向外延伸的事实使得能够在横向平面中扩散火焰的传播，而利用已知装置的火焰保持架环获得的传播倾向于集中在给定的周向线附近。
在本发明的优选实施例中，对于火焰保持架臂中的至少一个，并且优选地对于每个火焰保持架臂，两个外部臂布置在内部臂的中平面的两侧上。
在本发明的优选实施例中，对于火焰保持架臂中的至少一个，并且优选地对于每个火焰保持架臂，两个外部分支与内部分支的中平面形成相等的角度。
在本发明的优选实施例中，对于火焰保持架臂中的至少一个，并且优选地对于每个火焰保持架臂，内部分支沿着相对于装置的轴线的径向方向延伸。
在本发明的优选实施例中，每个火焰保持架臂的两个外部分支是第一分支和第二分支，第一分支和第二分支被构造为使得，对于每个火焰保持架臂，第一分支的端面面向沿着围绕装置的轴线的给定旋转方向在所讨论的火焰保持架臂前面的火焰保持架臂的第二分支的侧面。
在本发明的优选实施例中，每个火焰保持架臂的两个外部分支是第一分支和第二分支，第一分支和第二分支被构造为使得，对于每个火焰保持架臂，第一分支的侧面面向沿着围绕装置的轴线的给定旋转方向在所讨论的火焰保持架臂前面的火焰保持架臂的第二分支的侧面。
在本发明的优选实施例中，火焰保持架臂中的至少一些火焰保持架臂包括空气导管，该空气导管被布置成使空气从至少一个空气入口径向向内流通到至少一个空气出口。
在本发明的优选实施例中，火焰保持架臂中的至少一些火焰保持架臂包括燃料管，该燃料管被布置成使燃料从至少一个燃料入口径向向内流通到至少一个燃料出口。
本发明还涉及一种后部涡轮喷气发动机部分，包括加力燃烧室通道、围绕所述通道的加力燃烧室通道壳体和至少一个上述类型的火焰保持架装置，每个火焰保持架臂的外部分支中的至少一个具有径向外端部，该径向外端部连接到加力燃烧室通道壳体或连接到同心地布置在加力燃烧室通道壳体内部的流动分离护罩或连接到从加力燃烧室通道壳体径向向内延伸的支撑臂。
最后，本发明涉及一种用于飞行器的涡轮喷气发动机，该涡轮喷气发动机包括上述类型的后部部分。
附图说明
通过阅读通过非限制性示例并参考附图进行的以下描述，将最好地理解本发明，并且本发明的其他细节、优点和特征将显现出来，其中：
-图1是包括加力燃烧室通道的涡轮喷气发动机的轴向截面的示意性半视图；
-图2是涡轮喷气发动机后部部分的轴向截面的示意性半视图，该后部部分包括已知类型的火焰保持架装置；
-图3是图2的涡轮喷气发动机后部部分的已知火焰保持架装置的来自下游的示意性前视图；
-图4是根据本发明的优选实施例的火焰保持架装置的来自下游的示意性前视图；
-图5是图4的装置的火焰保持架臂的来自下游的示意性透视图；
-图6是根据本发明的一个变型的火焰保持架臂的来自下游的示意性透视图。
在所有这些附图中，相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。
具体实施方式
图1示出了例如双轴和旁通类型的涡轮喷气发动机10，用于例如推进适于超音速飞行的飞行器，因此特别用于安装在这种飞行器的机身中。本发明当然可应用于其他类型的涡轮喷气发动机。
在本说明书中，轴向方向X是涡轮喷气发动机的纵向轴线11的方向。除非另有规定，否则径向方向R在每个点处都是与纵向轴线11正交并穿过纵向轴线11的方向，而周向方向C(有时称为方位角或正交径向方向)在每个点上都是与径向方向R和纵向轴线11正交的方向。限定词“上游”和“下游”是参照涡轮喷气发动机10中气体流动的大致方向D来定义的。
举例来说，这种涡轮喷气发动机10从上游到下游包括空气入口12、低压压缩机14、高压压缩机16、燃烧室18、高压涡轮20、低压涡轮22、加力燃烧室通道24和可变几何形状喷嘴26，例如收敛-扩散型喷嘴。这些涡轮喷气发动机构件都以其纵向轴线11为中心。
加力燃烧室通道壳体28围绕所述通道。
此外，通常被称为“汇流部”的流分离护罩30从低压涡轮22的后壳体TRF向下游延伸，在壳体28内部，与壳体同心，以便在外侧界定加力燃烧室通道24的入口，并与壳体28一起界定环形通道32，该环形通道32形成次级管道SF的下游端部。
最后，扩散锥33与低压涡轮22的后壳体TRF的毂部成一直线地向下游延伸，从而在内侧界定加力燃烧室通道24的入口。
众所周知，高压压缩机16、燃烧室18以及高压涡轮20和低压涡轮22限定了主管道PF。主管道PF由涡轮发动机的次级管道SF环绕，次级管道从上游到下游从低压压缩机14的出口到流分离护罩30的下游端部延伸，并且因此包括上述环形通道32。
因此，在运行中，通过空气入口12进入并被低压压缩机14压缩的空气F1接下来分成在主管道PF中流通的主流F2和在次级管道SF中流通的次级流F3。然后，主流F2在高压压缩机16中被进一步压缩，然后与燃料混合并在燃烧室18中点燃，之后在高压涡轮20中膨胀，然后在低压涡轮22中膨胀。
构成从涡轮排出的主流F2和次级流F3的燃烧气体从流分离护罩30的下游端部在加力燃烧室通道24中混合，并且因此构成排放气体流F4，该排放气体流F4在加力燃烧室通道24内继续流通，然后通过由喷嘴26界定的出口从涡轮喷气发动机10逸出。
在具有加力燃烧的运行速度下，例如为了以超音速推进飞行器，燃料被喷射到加力燃烧通道24中的气流中，并且由此形成的混合物在该通道中被点燃，以便产生额外的推力。
为此，一般形式为臂的燃料喷射装置34布置在加力燃烧室通道24的入口处，以沿着火焰保持架装置36的方向向下游蒸发燃料，该火焰保持架装置旨在促进火焰的稳定。
图2以更大的比例示出了这种已知构造的涡轮喷气发动机的后部部分。该图特别示出了火焰保持架装置36，该火焰保持架装置在图3的前视图中也可见，并且包括：相对于该装置的轴线40径向延伸的一环形排的火焰保持架臂38，该轴线40与涡轮喷气发动机的纵向轴线11重合；以及以轴线11为中心并成对地连接火焰保持架臂38的火焰保持架环42。
火焰保持架臂38，例如有九个，旨在促进火焰沿着每个臂的径向传播，而火焰保持架环42旨在促进火焰从臂到臂的周向传播。
火焰保持架臂38各自连接到加力燃烧室通道壳体28，这些臂从加力燃烧室通道壳体28径向向内延伸。
在图2所示的示例中，火焰保持架环42布置在环形通道32的下游端部，环形通道32的下游端部形成次级管道SF的下游端部。在其他已知的构造中，火焰保持架环42布置在流分离护罩30内部，与主管道PF成一直线。
火焰保持架臂38通常包括用于使来自次级管道SF的相对冷的空气在其中流通的装置，以对火焰保持架臂提供热保护。对于每个臂，这种装置通常包括一个或多个在次级管道SF中在上游出现的空气入口(图中不可见)、在加力燃烧室通道24中在下游出现的空气出口44(图3)以及将空气入口连接到空气出口的内部管道。例如，这些臂各自包括热保护装置39(图2和图3)，该热保护装置能够引导来自次级管道的冷空气，并界定空气出口44(图3)。在一些情况下，例如在所示的示例中，火焰保持架臂38还包括燃料喷射装置41(图2)，对于每个臂，燃料喷射装置包括一个或多个燃料出口41A(图3)。空气和燃料出口可以是相同的，空气和燃料的混合能够在火焰保持架臂38内实现。
参考图2，火焰保持架环42沿下游方向具有大致呈C或V形的凹形截面，从而限定了在上游侧彼此连接的两个分支42A、42B，并且在下游侧具有自由端部，在运行中，自由端部促进气流再流通区域的出现，以有助于火焰的稳定。火焰保持架环42通常还包括用于使来自次级管道SF的冷空气在其内流通的装置，并且在一些情况下，例如在所示的示例中，包括燃料喷射装置43。火焰保持架环42通常包括布置在分支42A、42B之间的热保护屏45，以引导来自次级管道的冷空气，从而保护下游侧的环42免受周围的热气体和火焰的热辐射的影响。
文献FR 2909438公开了这种火焰保持架装置的示例。
利用这种火焰保持架装置，本发明人特别确定，火焰保持架环代表了阻塞物(该阻塞物的位置不是最佳的)，并且臂之间的平均间隔不利于火焰的自我维持。
为了解决这个问题，参照图4，根据本发明的火焰保持架装置36包括火焰保持架臂38，每个火焰保持架臂均包括：内部分支38A，内部分支具有自由端部50和与自由端部50相对的另一端部52；以及两个外部分支38B和38C，两个外部分支从内部分支38A的另一端部52延伸，沿从内部分支的自由端部50朝向另一端部52的方向彼此分开。在这种火焰保持架装置36中，这种方向针对每个火焰保持架臂38对应于径向方向R。
因此，必须理解的是，当在横截面中或从前面观察该装置时，臂38各自具有大致Y形状。
火焰保持架臂38围绕装置的轴线40分布，使得对于每个火焰保持架臂，内部分支38A径向向外过渡到两个外部分支38B和38C，并且使得这两个外部分支38B和38C沿两个相反的周向方向C1和C2径向向外彼此分开。
火焰保持架臂38的构造使得它们能够提供火焰的径向传播和周向传播。外部分支38B和38C的构造实际上使得这些外部分支能够在连续的臂38之间构成相互接近区域，该相互接近区域使得火焰能够从臂到臂传播。为此，外部分支38B和38C的径向外端部构成连续臂之间的最大接近区域。
由火焰保持架臂38组成的装置36因此提供了对由径向臂和火焰保持架环组成的已知装置的有利替代。与后者相比，根据本发明的火焰保持架装置36在横向平面中具有更好的分布，这允许减少阻塞，同时在火焰保持和稳定方面保持与已知装置相同的性能，或者在保持恒定阻塞的同时增加这些性能。
特别地，外部分支38B和38C径向向外延伸的事实允许在横向方向上扩散火焰的传播，而利用已知装置的火焰保持架环获得的传播倾向于集中在给定周向线附近。
一般而言，如图5和图6更清楚所示的，两个外部分支38B和38C有利地布置在内部分支38A的中平面MP的两侧，并且例如与所述中平面MP形成相等的角度θ1、θ2。此外，内部分支38A有利地沿径向方向R延伸。
然而，如上所定义的根据本发明的臂38的一般形式并不排除：角度θ1、θ2不同，或者内部分支38A在相对于径向方向R倾斜的方向上延伸，或者外部分支38B或38C中的一个与内部分支38A成直线延伸。
如将在下文中更清楚地显示的，每个火焰保持架臂的外部分支38B、38C中的至少一个具有径向外端部380C，径向外端部连接到从加力燃烧室通道壳体28径向向内延伸的相应支撑臂。所述径向外端部380C和相应的支撑臂54之间的连接例如通过设置在流分离护罩30中的相应的孔口来实现。
在一个变型中，所述径向外端部380C可以连接到流分离护罩30或者直接连接到加力燃烧室通道壳体28，例如在火焰保持架装置36布置在这种流分离护罩30的下游的情况下。
仍然参考图4和图5，图5示出了图4的装置36的臂38中的一个，每个火焰保持架臂的两个外部分支是第一分支38B和第二分支38C，第一分支和第二分支被构造成使得对于每个火焰保持臂(例如图4的臂38-2)，第一分支的端面382B面向沿围绕该装置的轴线40的给定旋转方向RD在所讨论的火焰保持架臂前面的火焰保持架臂(例如臂38-1)的第二分支的侧面384C延伸。更准确地说，第一分支的端面382B与前面的臂的第二分支的侧面384C接触地延伸，或者与前面的臂的侧面384C相距一短距离延伸，以便在这些面382B、384C之间提供允许臂在运行中热膨胀的间隙。
第一分支的端面382B因此相对于前面的臂的第二分支的侧面384C自由移动。
在这种情况下，只有第二分支38C参与将臂38固定到加力燃烧室通道壳体28(直接或间接)，或者在适用的情况下，固定到流分离护罩30。
因此，该组臂38是均衡的。
与图3中已知装置的臂38一样，根据本发明的装置的一些或全部火焰保持架臂38有利地包括用于使来自次级管道SF的冷空气在其中流通的装置。
参考图5，这些装置包括穿过第二分支38C的径向外端部380C出现的空气入口386C，以接收通过相应的支撑臂54从次级管道SF获取的空气。为此目的，相应的支撑臂例如包括在上游开口的一个或多个孔口和内部导管，该内部导管被布置成将来自一个或多个孔口的空气引导到径向内部出口，径向内部出口连接到相应的火焰保持架臂38的空气入口386C。
所述装置还包括：空气出口44，所述空气出口44沿着臂的分支38A至38C(或者，在变型中，沿着分支中的一个或两个)分布并且在加力燃烧室通道24中向下游出现；以及内部空气管道(在图中不可见)，所述内部空气管道沿着相关分支形成，以便将空气入口386C连接到空气出口44。在所示的示例中，内部管道因此在内部分支38A和第一分支38B中延伸。
此外，根据本发明的装置的火焰保持架臂38中的一些或全部有利地包括燃料喷射装置，燃料喷射装置包括内部燃料管(在图中不可见)，该内部燃料管终止于在加力燃烧室通道24中向下游出现的一个或多个燃料出口46。空气和燃料出口也可以在那里合并，空气和燃料的混合能够在火焰保持架臂38中实现。
设置有燃料喷射装置的臂38优选地还设置有如上所述的用于使冷空气流通的装置，如此这些装置对内部燃料管进行热保护，既避免周围的热气体流又避免火焰辐射。
图6示出了变型实施例，其中每个火焰保持架臂38的两个外部分支是第一分支38B和第二分支38C，第一分支和第二分支被构造成使得对于每个火焰保持架臂，第一分支38B的侧面384B面向沿给定旋转方向RD在所讨论的火焰保持臂前面的火焰保持架臂的第二分支38C的侧面384C延伸。更准确地说，第一分支的侧面384B与前面的臂的第二分支的侧面384C接触地延伸，或者与前面的臂的第二分支的侧面相距一短距离延伸。
在这种情况下，两个外部分支38B和38C可以各自参与将臂38直接地或间接地通过支撑臂(例如上述支撑臂54)固定到加力燃烧室通道壳体28，或者在适用的情况下，固定到流分离护罩30。
此外，空气入口386B和386C可以分别设置在径向外端部380B、380C中，以向空气出口44提供冷空气。
在所示的实施例中，臂38围绕装置的轴线40规则地分布。在一个变型中，根据涡轮喷气发动机后部部分的构造，在不脱离本发明的范围的情况下，臂38中的一个或多个臂可以具有与其它臂不同的形式和/或连续臂38之间的间距可以不完全相等。

Claims (9)

1.一种用于涡轮喷气发动机加力燃烧的火焰保持架装置(36)，包括围绕所述装置的轴线(40)分布的一环形排的火焰保持架臂(38)，并且每个火焰保持架臂包括：内部分支(38A)，所述内部分支具有自由端部(50)和与所述自由端部相对的另一端部(52)；以及两个外部分支(38B，38C)，所述两个外部分支从所述内部分支(38A)的另一端部(52)延伸，且沿着从所述内部分支(38A)的自由端部(50)到另一端部(52)延伸的方向彼此分开，使得对于每个所述火焰保持架臂，所述内部分支(38A)径向向外过渡到所述两个外部分支(38B，38C)，所述两个外部分支沿着两个相反的周向方向(C1，C2)彼此径向向外分开，使得所述火焰保持架臂(38)的外部分支在连续的火焰保持架臂(38)之间构成相互接近区域，通过所述相互接近区域，加力燃烧室火焰能够从臂到臂传播。
2.根据权利要求1所述的火焰保持架装置，其中，对于所述火焰保持架臂(38)中的至少一个，所述两个外部分支(38B，38C)布置在所述内部分支(38A)的中平面(MP)的两侧上。
3.根据权利要求2所述的火焰保持架装置，其中，对于所述火焰保持架臂(38)中的至少一个，所述两个外部分支(38B，38C)与所述内部分支(38A)的中平面(MP)形成相等的角度(θ1，θ2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，对于所述火焰保持架臂中的至少一个，所述内部分支(38A)沿相对于所述装置的轴线(40)的径向方向(R)延伸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，每个火焰保持架臂(38)的所述两个外部分支是第一分支(38B)和第二分支(38C)，所述第一分支和所述第二分支被构造为使得，对于每个所述火焰保持架臂，所述第一分支(38B)的端面(382B)面向沿着围绕所述装置的轴线(40)的给定旋转方向(RD)在所讨论的火焰保持架臂前面的火焰保持架臂的第二分支(38C)的侧面(384C)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，每个火焰保持架臂(38)的所述两个外部分支是第一分支(38B)和第二分支(38C)，所述第一分支和所述第二分支被构造为使得，对于每个所述火焰保持架臂，所述第一分支(38B)的侧面(384B)面向沿着围绕所述装置的轴线(40)的给定旋转方向(RD)在所讨论的火焰保持架臂前面的火焰保持架臂的第二分支(38C)的侧面(384C)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述火焰保持架臂(38)中的至少一些包括以下部件中的至少一个：
-空气导管，所述空气导管被布置成使空气从至少一个空气入口(386B，386C)径向向内流通到至少一个空气出口(44)；以及
-燃料管，所述燃料管被布置成使燃料从至少一个燃料入口径向向内流通到至少一个燃料出口(41A)。
8.后部涡轮喷气发动机部分，包括加力燃烧室通道(24)、围绕所述通道的加力燃烧室通道壳体(28)和至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的火焰保持架装置(36)，每个所述火焰保持架臂的外部分支(38C)中的至少一个具有径向外端部，该径向外端部连接到所述加力燃烧室通道壳体(28)或连接到同心地布置在所述加力燃烧室通道壳体(28)内的流分离护罩(30)或连接到从所述加力燃烧室通道壳体(28)径向向内延伸的支撑臂(54)。
9.一种用于飞行器的涡轮喷气发动机，包括根据权利要求8所述的后部部分。
CN202280029640.8A 2021-04-19 2022-04-15 用于涡轮喷气发动机加力燃烧室的包括三个分支臂的火焰保持架装置 Pending CN117222847A (zh)

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