CN1497216A - 混合式旋流器 - Google Patents

Abstract

一种旋流器(30)具有一个带有一排二级径向涡旋叶片(46)的管体(40)。管状的套圈(52)在上述二级叶片处与上述管体相接，并包含一排一级涡旋叶片(54)，该一级叶片(54)设置成沿轴向相对于二级叶片(46)倾斜，并具有一个公共的沿径向朝外的环形入口(56)以使气流借轴向动量产生径向向内的涡动而进入管体(40)。

Description

混合式旋流器

发明背景

本发明总的涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及其中的燃烧室。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，压气机将空气压缩，并在燃烧室内与燃料混合而燃烧产生流向下游并通过各级提取能量的涡轮的热燃气流。高压涡轮带动压气机，低压涡轮则通过带动例如在一典型的航空用涡轮风扇式燃气涡轮发动机内的上游风扇而做有用功。

燃烧室的性能对于燃气涡轮发动机的总体性能是十分重要的。压缩空气在燃烧室与燃油混合，成为燃油与空气的混合物，然后点火燃烧产生燃气。

在典型的环形燃烧室中，使用一排独立的旋流器形式的汽化器和相配的燃油喷嘴。在燃烧前将燃油与空气混合，产生的燃气通过燃烧室向下游流去，并排放到涡轮。

燃烧室的性能主要取决于上述的汽化器的性能，它包含许多竞争性的设计任务。燃烧必须适度地充分以减少排出物，但不能过分地稀薄到熄火点，燃烧气体必需在燃烧室内稳定地再循环流动而不会回吸或逆燃至旋流器内。

由于燃油是在沿周围隔开分布的独立部位通入燃烧室内，所以燃油与空气的混合物和所产生的燃气的变化既可能沿圆周方向发生也可能在内、外燃烧室衬套之间发生。为了提高燃烧室的性能和稳定性，必须使上述的变化减至最小。

而且，要求旋流器本身要设计合理且操作正确以便按能满足燃烧室性能的方式使压缩空气与喷入的燃油相混合。

空气旋流器的三种基本型式是众所周知的。在一种结构中，一排主涡旋气流的倾斜的第一级孔排出喷管又跟着一排第二级径向涡旋叶片，这就是“喷管-径向”式结构，燃油在第一级空气喷管的中心喷出，该第一级喷管首先使燃油周围的压缩空气发生涡动，第二级径向叶片则使附加的空气通常发生与该主涡旋气流反转的涡动。

在第二种公知的结构中，一排一级径向涡旋叶片取代了所述一级喷管而与上述的二级径向涡旋叶片配合工作。这就是“径向-径向”式结构，通常用于使喷入的燃油周围的空气发生反转涡动。

在一种双环形燃烧室中出现另一种型式的旋流器结构，它有一级轴向涡旋叶片，与二级径向涡旋叶片相配合，这就是“轴向-径向”式结构。在这种结构中，一级叶片在具有通过旋流器的轴向动量的动态压力下直接接纳压缩空气。但是，在每个旋流器的圆周周围和双环形燃烧室的圆周周围的压缩空气的动态压力的变化会引起各个旋流器性能和产生的燃烧室性能的变化。

上述的“喷管-径向”式可能在高压比发动机中引起不受控制的燃油自行点燃，因而不是优选结构。但是，涡旋空气的一级喷嘴有助于在燃烧室整流罩内形成稳定的燃气再循环区，并且只需用很少的通过燃油喷嘴的纯空气。

上述的“径向-径向”式结构被认为是性能较好的，因为它由于消除了在“喷管-径向”式结构中那种由独立的一级喷嘴产生的分隔气流区而消除了发生自行点燃的因素。但是，“径向-径向”式结构要求从燃油喷嘴供入大量的纯空气用以在燃油与空气的混合物中产生轴向动量才能在燃烧室整流罩内形成所需的再循环区。

由于燃烧室中的再循环区对于燃烧室的总体性能具有至关重要的作用，而旋流器的具体结构又影响着燃烧室的性能，故常要求采用折衷办法，这样就有了相应的优点和缺点。

因此希望为燃气涡轮发动机燃烧室提供一种改进的旋流器以提高燃烧室的性能，同时又减小纯空气的需用量，并减小制造的复杂性，降低旋流器的成本。

发明概述

一种旋流器具有一个带有一排二级径向涡旋叶片的管体，一个管状套圈在上述二级叶片处与上述管体相连接，并具有一排一级涡旋叶片，该一级叶片沿轴向相对于二级叶片倾斜地设置，一个共用的环形入口沿径向朝外，用于使具有轴向动量的气流发生径向向内的涡动而进入管体。

附图简述

在下面结合附图的详细说明中，根据优选的和示例性实施例以及其更多的目的和优点来更具体地说明本发明，附图中，

图1是一种涡轮风扇式燃气涡轮发动机的一种示例性环形燃烧室之一部分的轴向局部剖视图，它具有一排按本发明的优选实施例的用于接纳来自上游的压气机的压缩空气的混合式旋流器；

图2是通过图1所示的一个旋流器的轴向局部放大剖视图，示出一个安装在内的燃油喷嘴，该喷嘴喷出燃油与来自按优选实施例设置的一级和二级涡旋叶片的空气相混合；和

图3是单独示出图2的示例性旋流器的等角图，图中删除了一部分是为了示出一级涡旋叶片的典型形状。

优选实施例详述

图1示出一种典型示例性的涡轮风扇式燃气涡轮发动机的一部分，该发动机具有一个同轴地围绕纵向轴线或者说中心轴线12适宜地安装在机壳内的环形燃烧室10，该燃烧室10具有其进气端跟环形燃烧室整流罩18适宜地相连接的径向外衬套14和径向内衬套16。

示例性燃烧室是一种单一结构的环形燃烧室，它具有从整流罩与内、外衬套连接处沿轴向向前延伸以在整流罩的进气侧形成一个环形的进气增压区24的径向外罩20和内罩22。

上述发动机具有一个合适的压气机26(例如普通的轴向式多级压气机)，适用于压缩通过它流向下游的空气28。压缩空气28从压气机通过其后端的合适的扩散器沿轴向向下游流去并通过环形入口进入内、外罩20、22之间形成的进气增压区24。上述的燃烧室和压气机可以具有任何普通的结构。

按照本发明，图1所示的燃烧室10具有一排沿圆周隔开分布的通过燃烧室整流罩18上的相应的孔适宜地安装的混合式的涡旋式旋流器30，每个旋流器30与一个相应的燃油喷嘴32相结合成在一个汽化器，每个喷嘴32将燃油34喷入旋流器30内，在此与压缩空气28相混合而形成一种燃油与空气的混合物，该混合物被适宜地点燃后产生向下游汇集地流过内、外衬套之间的热的燃气36。

上述燃气从燃烧室的出口端排出到可提取能量而带动压气机的高压涡轮(未示出)，在高压涡轮的下游侧设置一个低压涡轮，可合适地产生输出功率来例如带动航空用涡轮风扇式燃气涡轮发动的进气风扇。

图2较详细地示出一种示例性混合式旋流器30，该旋流器30相对于其本身的中心轴线38是轴向对称的。每个旋流器30具有一个管体40，该管体的后端42与燃烧室整流罩18适宜地固定连接，在其相对端上有一个轴向前端面44，上述管体40还具有一排沿径向向内延伸的二级径向涡旋叶片46，用于使压缩空气28的相应部分发生径向向内的涡动。

上述管体40一般还具有一个从其与上述二级叶片46的进气侧的接合处向后延伸的文杜里管48，该文杜里管48的出口靠近管体本身的出口。上述管体40一般还具有一个从其后端延伸至燃烧室整流罩内以形成一种燃气焰前屏障的环形隔板50，在该隔板50周围有与之相配合的防溅板，上述二者都由流过其进气表面的一部分压缩空气加以冷却。

上述的具有二级叶片46和文杜里管48的管体40可具有任何普通的结构，通常做成整体的铸件。上述的二级叶片是沿径向倾斜的或者说相对于旋流器的中心轴线38沿圆周向内倾斜的，以便使流过叶片之间的空气产生涡动。

每个旋流器30还具有一个管状的套圈52，在该套圈的中央孔内宽松地设置燃油喷嘴32，其平坦的后面沿径向延伸，与管体的平坦前面44呈滑动配合式连接，并由一个环形的护圈按普通方式将其适宜地定位。这样，上述管状套圈52便可在由机壳支承的燃油喷嘴与支承旋流器的燃烧室之间的差动热膨胀与压缩的作用下相对于发动机的中心轴线沿径向向内和向外滑动。

在图2所示的优选实施中，管状套圈52与管体40在二级叶片46处相连接，并具有相对应的一排一级涡旋叶片54，该叶片沿轴向相对于上述圈套与管体之间的轴向平面接合处呈倾斜锐角A而倾斜地设置，以便形成具有本发明的改进结构和性能的混合式旋流器。

图2所示的一级叶片54具有一个由上述套圈52的相应侧板之间的外圆周形成的公共的环形入口56，在上述的侧板之间安装单个的一级叶片54，最好做成公共的或者说整体的铸件。一级叶片入口56最主要是相对于旋流器的中心轴线径向朝外的，以便当空气呈涡旋状进入管体40时使具有轴向的以及带角度的动量的相应部分的压缩空气28产生径向向内的涡动。

图2所示的混合式旋流器30与前面所述的“喷嘴-径向”式、“径向-径向”式和“轴向-径向”式结构不同，而是按有利于改进性能而不存在所述缺点的特征新组合而形成的混合式结构。上述的二级叶片46可以是像先前设计中的那种普通结构，但是，上述的混合式一级涡旋叶片5 4做成既不像普通的径向一级涡旋叶片，又不像普通的一级喷嘴孔，也不像普通的一级轴向式叶片。

相反地，一级叶片54是相对于径向的二级叶片46呈轴向倾斜的，被称为一种具有径向或沿圆周倾斜的径向涡旋叶片，附加的轴向倾斜可影响所通过气流的轴向分量。可是，一级叶片54也不做成像缺乏径向涡动能力的普通的轴向式涡旋叶片。

上述的混合式旋流器30的重要优点在于应用了可在主气流中产生带角度的动量的一级叶片54，以稳定从该旋流器流出的气流，并消除气流间隙。上述一级叶片54还做成可消除在“喷管-径向”式结构中存在的由于喷管的尾流中残存燃油而引起的自行点火。

在一级叶片之间引入气流的轴向分量，便在涡动的主气流内产生占优势的轴向动量而使燃烧室整流罩内的再循环区变得稳定，并且不需要或减少从燃油喷嘴喷出纯空气。由于不需要或减少了纯空气，故可改善旋流器的气动性能，并减少制造的复杂性，降低旋流器的成本。

图2所示的一级涡旋叶片54还具有一个公共的径向朝内的一级环形出口58，该出口最好沿轴向设置成主要是位于轴向面前的或者说进气的一级叶片入口56的后面或者说下游处。这样，一级叶片54作为径向式涡旋叶片使进入管体40的压缩空气产生径向向内的涡动是有效的。但是，在普通的径向式叶片中未发现附加的轴向动量的合适分量。

同理，二级涡旋叶片46具有一个围绕其周边的公共的环形二级叶片入口60和一个径向朝内的公共的环形二级叶片出口62。二级叶片入口60是完全径向朝外的，而二级叶片出口62则完全径向朝内，二级叶片46最好仅沿径向朝内设置，而没有轴向倾斜，以起到径向式涡旋叶片的作用。

在图2所示的优选实施例中，一级叶片54从管体的前面44呈一个偏斜锐角A(最好是小于45°)向前倾斜，在一个实施例中，上述偏斜角A优选为大约35°，这样，一级叶片54保持其形状像径向式涡旋叶片，而小的轴向倾斜可在涡动的主气流中引入足够的轴向动量以提高旋流器的性能而无需引入相应的轴向纯气流。

一级叶片入口56最好是主要部分从旋流器的中心轴线径向朝外，而少部分沿轴向朝前。相应地，一级叶片出口58的主要部分在旋流器中沿径向朝内，而小部分沿轴向朝后。

如图2和3所示，每个一级叶片54具有轴向相对的在圈套52的圆锥形侧板之间横向地延伸的前缘和后缘64、66。该叶片前缘和后缘大致相互平行，并在圈套52中沿轴向倾斜，例如，一级叶片54的前缘和后缘的倾斜度为偏斜角A的余角，例如对于35°的倾斜角A的余角为55°。

从图3可以清楚地看出，每个一级叶片54最好大致是平直的，具有在其前缘64与后缘66之间沿纵向延伸的沿圆周相对的平坦侧面，一级叶片54沿圆周适宜地倾斜例如36°左右，以使文杜里管48内的主气流产生沿圆周的涡动。在替换的实施例中，一级涡旋叶片54做成弯曲的或者说带弧度的形状，以提高效率，但是，这就增加了结构的复杂性。

相应地，在优选实施例中的二级涡旋叶片也最好是具有平坦叶面的平直叶片，当然，也可以按普通实践做成带有弧形或者说弯曲的。平直的一级和二级涡旋叶片减小了制造的复杂性而降低成本，同时使旋流器仍可具有在燃烧室中使用所需的合格的气动性能。

如上所述，文杜里管48可具有普通的结构，但是，它按一个新的结合方案从一级与二级涡旋叶片在管体的前面44的接合处与通过管体的出口处之间延长了，以便沿径向分离来自一级和二级叶片的涡动气流。文杜里管48的内流动表面按普通的方式向流动面积最小的喉部收敛，然后向其出口端扩张，以便按合适的锥形角从旋流器排出燃油与空气的混合物而不存在来自文杜里管内表面或下游隔板50的气流空隙。

图1和2所示的混合式旋流器的重要特征是一级叶片54的主要取向为径向取向，这就可获得静压供气的好处。更具体地说，外罩20和内罩22分别具有一个位于沿轴向在成排的旋流器的一级叶片入口56前面的前凸缘68。该凸缘68以成排的一级叶片的入口的内、外部分挡住或者说遮掩轴向视线，从而将混合式旋流器局限在由内、外罩界定的气动增压区24内。

在一种优选的操作方法中，图1所示的从压气机沿轴向向下游排出的压缩空气由于其轴向速度所致而包含有颇大的动态压力分量，当由内、外罩限定的气动增压区24内压缩空气的轴向速度降低时，上述的分量可有效地转换成静压力。当压缩空气在凸缘68之间通入气动增压区时，其静压力增大，然后使旋流器一级叶片入口56在静压力下接收气流。

这样，进气的静压力可提高沿每个旋流器的一级叶片入口周围的进气均匀性，并可提高沿燃烧室整流罩周围分布的旋流器之间的进气均匀性。

然后从每个喷嘴32将燃油34喷入相应的旋流器30内，并与由旋流器通过相应的一级和二级涡旋叶片54、46在静压力下承接的涡旋空气相混合，在静压力下的涡动主气流首先在周围发生涡动，并与喷嘴32最初喷出的燃油相混合，然后，依序使在静压力下的附加空气通过二级叶片46在燃油与空气的中央混合物周围发生涡动，其最终的涡动混合物被排送到燃烧室内进行燃烧。

如图3所示，一级和二级涡旋叶片最好彼此相对地倾斜，以使主、副涡动气流在喷出的燃油周围发生反转。

另外，图2所示的燃油喷嘴32的特征在于它不带有或减少了与喷出的燃油相连接的纯空气通道。由于一级叶片54对于引入涡动主气流中的轴向动量的主要分量是有效的，故为此目的而通常应用的通过喷嘴的纯空气可以减少或免去，以提高燃烧室和发动机的总效率。

上面所述的混合式旋流器通过仅调节两种参数(即通过涡旋叶片54、46的主气流和副气流)便提高了使旋流器结构最佳化的能力，而无需采用纯空气则作为设计过程中的第三个变量。由于减小或消除了普通的纯空气射流的剪切作用，而且清除或减小了涡动主气流中来自上述纯空气射流的未涡动的部分气流，使本发明的混合式旋流器具有良好的气动性能。

另外，由于一级叶片主要做成像具有较小的沿轴向的倾斜角的径向式叶片以便引进足够量的轴向动量，故一级涡旋叶片的结构较为简单。所引进的轴向动量直接与主气流的大致为径向的速度或动量有关，而该一级叶片具有从径向叶片的较小轴向倾斜度产生较大轴向动量的最佳协合作用。

混合式旋流器通常可以按照一种相应地简化的在相应铸件中铸出一级和二级叶片的铸造工艺铸造出来，其优点是成本较低，并有可能减轻重量。

虽然上面已经说明了认为是本发明的优选的和示例性实施例。但是，很显然，熟悉本技术的人们可以从上面所述的原理进行其他的改进。因此，要求将所有的属于本发明实际精神和范围内的上述改进都限定在所附的权利要求书中。

因此，要求由美国专利保护的就是在下列权利要求书中所限定和被区分的本发明。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机的旋流器，它具有：

一个具有前面和后端的管体，并包括一排沿径向向内延伸的用于使气流发生涡动的二级涡旋叶片；

一个与上述管体在其前面相邻接的管状套圈，并包括一排沿轴向相对于上述二级涡旋叶片倾斜设置的一级涡旋叶片；

上述的一级叶片具有一个径向朝外的公共的环形入口，用于使具有轴向动量的空气产生径向向内的涡动而进入上述管体；和

上述管体还具有一个从上述一级和二级叶片之间向后延伸的用于沿径向分离涡动气流的文杜里管。

2.根据权利要求1的旋流器，其特征在于，

上述的二级叶片具有一个沿径向朝外的公共的环形入口和一个环绕上述文杜里管的径向朝内的公共的环形出口；和

上述的一级叶片还具有一个位于上述的一级叶片入口之后面的向着上述文杜里管沿径向朝内的用于使通过的气流产生涡动的公共的环形出口。

3.根据权利要求2的旋流器，其特征在于，

上述的一级叶片入口部分地沿径向朝外，且部分地沿轴向朝前，而上述的一级叶片出口则部分地沿径向朝内，且部分地沿轴向朝后；和

上述的一级叶片各具有沿轴向相对且大致互相平行的并在上述套圈内沿轴向倾斜的前缘和后缘。

4.根据权利要求3的旋流器，其特征在于，上述的一级叶片在其前、后缘之间是大致平直的，而沿圆周是倾斜的，以便使上述文杜里管内的上述空气沿圆周产生涡动。

5.根据权利要求4的旋流器，其特征在于，上述的一级叶片相对于上述管体的前面倾斜角约小于45°。

6.根据权利要求4的旋流器，其特征在于与下列部件相组合：

一个与上述管体的后端固定连接的燃烧室整流罩；和

从上述整流罩向前延伸以形成上述气流的进气增压区的径向外罩和内罩，该内、外罩具有位于上述一级叶片入口的沿轴向前面的前凸缘，上述的一级叶片入口沿径向朝外，并分别地向内朝着上述的外罩和内罩。

7.根据权利要求6的装置，其特征在于，还具有一个位于上述套圈内的用于在上述一级叶片出口处排送燃油的燃油喷嘴。

8.一种应用权利要求7的装置的方法，包含如下步骤：

使压缩空气从上述内、外罩的前凸缘之间进入上述的用于提高其静压力的进气增压区内；

将燃油从上述燃油喷嘴喷入上述的旋流器内；和

使上述压缩空气在静压力下经上述旋流器的一级和二级入口排出，以便与上述旋流器内的上述喷出的燃油相继产生涡动。

9.一种燃气涡轮发动机的旋流器，它具有：

一个与整体铸造的管体滑动地连接的整体铸造套圈；

上述的套圈具有一个用于接纳燃油喷嘴的孔，和一排设置成与通过上述孔的中心轴线沿轴向倾斜的一级涡旋叶片，上述一级叶片具有一个沿径向朝外的用于使具有轴向动量的气流产生径向向内的涡动的公共的环形入口；和

上述的管体具有一个同轴线的文杜里管，和一排用于使气流在上述文杜里管周围产生沿径向向内涡动的二级涡旋叶片。

10.根据权利要求9的旋流器，其特征在于，

上述的一级入口部分地沿径向朝外，且部分地沿轴向朝前；

上述的一级叶片还具有一个部分地沿径向朝内和部分地沿轴向朝后的公共的环形出口；

上述每个一级叶片具有沿轴向相对的大致互相平行的并在上述套圈内沿轴向倾斜的前缘和后缘。

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