CN1701203A - 环形涡轮发动机燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环形涡轮发动机燃烧室(1)，设计为在轴向半剖面中，在基本上为位于外轴向壁(2)和内轴向壁(4)之间的半剖面的中线(32)的线与此半剖面中的室基座(8)的外部(28)中的孔(26)的主方向(34)之间形成的锐角(A)的值随着这些孔(26)与基本上为中线(32)的线之间的距离而减小，并且在基本上为中线(32)的线与在此半剖面中的室基座(8)的内部(30)中的孔(26)的主方向(36)之间形成的锐角(B)的值随着这些孔(26)与基本上为中线(32)的线之间的距离而减小。

Description

环形涡轮发动机燃烧室
技术领域
本发明主要涉及环形涡轮发动机燃烧室领域，尤其涉及用于保护这些高温下的燃烧室的装置。
背景技术
环形涡轮发动机通常包括外轴向壁和内轴向壁，这些壁同轴安装并通过室基座连接在一起。
室基座也为环形，在该室基座上，燃烧室安装有以一定角度隔开的喷口，这些喷口之中的每一个设计用来固定喷油器以在燃烧室内部进行燃烧反应。还应当注意到，随着燃烧室主区(位于被称为混合区(dilution zone)的次区之前)中燃烧的发生，这些喷油器可用于引入至少部分空气以用于燃烧。
在这点上应当注意，除了在燃烧室主区内完成燃烧反应需要的空气外，还需要用于混合的空气，其一般通过设于内轴向壁和外轴向壁上的混合口引入，同时还需要冷却空气用于保护燃烧室的所有组成部件。
现有的结构中，室基座上安装有挡板以保护其不受热辐射。每个挡板(也被称为盖或隔热板)因而具有一个或多个设计用于接收喷油器的喷口，还具有一系列允许空气进入燃烧室内部的孔。
然而，添加这种挡板造成了几个严重缺点。缺点之一是必须引入供应大量空气以冷却这些挡板。这种情况中，流经所设的孔的供应的冷却空气接着以同样大量的“子挡板流(sub deflector flow)”的形式排出，其在壁上产生了滞留效果，其本身通过CO-和CH-类物质的产生显示出来。因此，燃烧室内的这种物质导致燃烧效率的急剧降低。
另一方面，也说明挡板的存在直接导致燃烧室冷、热部分之间急剧变化的热梯度，还导致燃烧室总积聚物严重有害地增加。
为解决这些问题，提出了另一种类型的燃烧室，其中去除了挡板。从而在室基座上以与孔相同的方式直接制成喷口，其目的是这样可以允许供应的空气经过，该空气适于冷却室基座本身，其优点是该供应的冷却空气少于使用挡板情况下所需的冷却空气。
然而，利用这种结构，制成的这些孔看来似乎不是导致干扰主区内的燃烧反应，就是导致室基座与外、内轴向壁接合处出现热骤变(thermal discontinuity)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种环形涡轮发动机燃烧室，通过这种装置的改进，其至少能部分克服现有使用结构的上述缺点。
更特别地，本发明的目的是提供一种环形涡轮发动机燃烧室，其中用于冷却室基座的装置不但不会对室内的燃烧反应产生严重干扰，也不会使在室基座和内外轴向壁之间的结合处产生热骤变。
为实现此目的，根据本发明的环形涡轮发动机燃烧室包括：外轴向壁、内轴向壁和连接轴向壁的室基座，室基座设有一系列喷口和一系列孔，喷口能够至少用来将燃料喷射到燃烧室内部，孔用于使供应的冷却空气通过，该供应的冷却空气适于冷却室基座。如本发明中所述的，室基座配置有外部和内部，外部上设有孔以将一部分供应的冷却空气引向外轴向壁，内部上设有孔以将另一部分供应的冷却空气引向内轴向壁。该室还设计为使得在两个直接连续的喷口之间任意位置截取的任意轴向半剖面中，在基本上为位于外轴向壁和内轴向壁之间的半剖面的中线的线与此半剖面中的外部中的孔的主方向之间形成的锐角的值随这些孔与基本上为中线的线之间的距离而减小，并且在基本上为中线的线与在此半剖面中的内部中的孔的主方向之间形成的锐角的值随这些孔与基本上为中线的线之间的距离而减小。
换言之，本发明所述的燃烧室为使得靠近室基座的外部和内部之间的结合处的孔，即基本上位于燃烧室的中心环形冠(annularcrown)的对面的孔，向轴向壁倾斜的程度比位于靠近同样这些轴向壁的孔，即基本上位于此燃烧室端部的那些环形冠的对面的孔倾斜的程度可以更大。
如果位于靠近室基座的外部和内部之间的结合处的孔能很大地向轴向壁倾斜，并因此使来自这些孔的冷却空气可以很容易地直接沿室基座的内表面流动，基本上径向地流向内外轴向壁，这将是有好处的。同样地，这种可能的高倾斜度表明冷却空气仅稍微地引向燃烧室主区的中心，因此不会对燃烧反应造成任何显著的干扰。
另外，位于靠近轴向壁处的孔可以仅轻微地向这些轴向壁倾斜，从而从这些孔涌入的冷却空气可很容易地直接沿同样这些轴向壁的内表面流动。还表明，在室基座上冷却空气可以沿与燃烧室基本上成轴向的方向，即基本上平行于轴向壁的方向释放到燃烧室内部的位置上，主区处于足以使引入的冷却空气不会导致对燃烧反应有任何显著干扰的距离上。
另外，如果这些孔在靠近内外轴向壁时为渐次倾斜，那么这也是有益。这将对室基座的整个内表面及对位于室基座附近的轴向壁的整个高温内表面产生基本上均匀的冷却气流。
本发明所述的燃烧室优选地适于不对主区内的燃烧反应产生显著干扰。这对燃烧室的稳定性和点火来说很重要。此外，此燃烧室的特别设计意味着同时还在室基座和内外轴向壁之间的结合处获得了符合要求的热连续性(thermal continuity)。
优选地，对于无论以什么方式在外部中的两个直接连续的孔，在这些孔的主方向与基本上为中线的线之间形成的两任意锐角将有不同的值，并且对于无论以什么方式在内部中的两个直接连续的孔，在这些孔的主方向与基本上为中线的线之间形成的两个锐角将有不同的值。
这种特别构造意味着可以实现室基座中的孔的倾斜度很平缓(逐渐)地变化。当然，也可以预见到有不同的解决方案，其中在半剖面中多个直接连续的不管什么方式的任意的数个孔在半剖面的平面中具有相同的倾斜度，这并未脱离本发明的内容。
室基座优选地配置有带孔的主扇区和带孔的次扇区，主扇区基本上位于两个直接连续的喷口之间，而次扇区位于每个喷口的沿基本上与燃烧室成径向的方向的两侧。
利用这种配置可以进一步加强引向燃烧室内外轴向壁的供应的冷却空气的均匀性。特别地，由于主扇区中的孔数量要稍多一些，通过将次扇区中的孔的尺寸设置得比主扇区中的孔的尺寸更大，可以实现这种均匀性。
本发明的其他优点和特点将在以下非限定性详尽描述中给出。
附图说明
以下结合附图进行说明，图中：
图1所示为根据本发明的优选方式的结构的涡轮发动机环形燃烧室的局部轴向剖面视图；
图2所示为沿图1中的II-II线的局部剖面视图；
图3所示为沿图2中的III-III线的剖面图；以及
图4沿图2中的IV-IV线的剖面图。
具体实施方式
参照图1和图2，所示为根据本发明的优选实施例的涡轮发动机的环形燃烧室1。
燃烧室1包括外轴向壁2和内轴向壁4，这两个壁2和4沿燃烧室1的纵向主轴线6同轴布置，该轴线6也相当于涡轮发动机的纵向主轴线。
轴向壁2和4通过室基座8连接在一起，例如，可通过焊接到每一轴向壁2和4的起始部分来安装。
室基座8优选地采用环形冠的样式，其基本是平坦的，并具有与室1的纵向主轴线6相同的轴线。当然，室基座8也可以是任何其他合适的形状，诸如沿相同轴的锥形，而这都不会脱离本发明的内容。
一系列喷口10，优选地是圆筒形并具有圆形截面，以一定角度和基本规则的方式设于室基座8上。每个喷口10设计为可以安装一个喷油器12以在燃烧室1中发生燃烧反应。特别地，这些喷油器12也可以设计为随着在位于燃烧室1的第一部分中的主区14中发生燃烧，它们可用于引入至少部分用于燃烧的空气。此外，还需要说明的是，用于燃烧的空气还可通过位于外轴向壁2和内轴向壁4周围的主口16引入到燃烧室1内部。如图1所示，主口16布置于一系列混合口18前面。这些混合口也位于外轴向壁2和内轴向壁4周围，它们的主要作用是向位于主区14后面的混合区20供应空气。
此外，特别地，引入燃烧室1的另一部分空气形式为供应的冷却空气D，其主要作用是用来冷却室基座8的内表面。在这方面，虽然用于冷却室基座8的空气也用来冷却外轴向壁2和内轴向壁4的内表面22和24的起始部分，但一般要提供额外供应的冷却空气(未示出)来冷却所有的高温内表面22和24。
更特别地，参照图2，可以看出室基座8是多孔的，即，其具有一系列孔26，优选地为圆柱形和圆形截面，这些孔用于使供应的冷却空气D进入燃烧室1的内部。
如此图中所示，室基座8分为连接到外轴向壁2的外部28和连接到内轴向壁4的内部30。当然，这些环形部28和30通常由单件构成，且它们的虚拟分界由圆心位于纵向主轴线6上的圆C所构成，其半径R相应于室基座8的外半径和内半径之间的平均半径。
位于外部28上的孔26从而以这样的方式设置于室基座8中，它们将供应的冷却空气D中的一部分D1引向外轴向壁2以冷却整个外部28，还冷却外轴向壁2的起始部分。同样地，位于内部30上的孔26被制成使得它们将供应的冷却空气D中的另一部分D2引向内轴向壁4以冷却整个内部30，还冷却内轴向壁4的起始部分。
接下来参照图3，可以看出在轴向剖面中，外部28中的孔26为使得在基本上为半剖面的中线32的线与半剖面中的孔26的主方向34之间形成的锐角A的值随着这些孔26与基本为中心线32的所述线之间的距离(增加)而减小。
换言之，在燃烧室1的在任两个直接接连的喷口10之间无论怎样截取的每个轴向半剖面中，与外轴向壁2相关的孔26的倾斜度，以开始时提及的直线作为参照，随着这些孔26远离基本上为中线32的线而减小。
这意味着基本上为中线32的线自然是指位于与半剖面中认为的外轴向壁2起始部分和内轴向壁4起始部分近似等距离处的虚拟线。还应当注意到，在这种情况下线32除了构成所示半剖面的对称轴线外，其还是室基座8的外部28和内部30的虚拟分界线。
在所描述的优选构造方式中表明，穿过圆C的该基本上为中线32的线，在室基座8本身基本垂直于轴向壁2和4的限度内，还基本垂直于该室基座。
另一方面，图3中所示的轴向半剖面中还表明，孔26的主方向34分别对应于其主轴线，在该方向上这些孔26全都被剖切平面沿直径横向剖切。然而，在其他所有存在一个或多个孔26可能未被沿直径剖切的轴向半剖面中，每个主方向34可被看作是与表示有关的孔26的两个线段基本平行的线。
这样，位于基本上为中线32的线附近的孔26可因而倾斜较大，举例来说，使得锐角A角度达大约60°。从这些孔26涌出的冷却空气因而能很容易地直接沿室基座8的外部28的内表面21、以基本上径向的方式向上流动到外轴向壁2，而不会干扰主区14中的燃烧反应。
此外，位于靠近外轴向壁2处的孔26可仅稍微地向该壁2倾斜，举例来说，使得锐角A角度达到大约5°。从这些孔26涌出的冷却空气因而能很容易地直接沿外轴向壁2的高温内表面22流动，而不会在室基座8和该轴向壁2的结合处滞留。
通过确定锐角A的值，该角随着接近外轴向壁2而逐渐减小，从而有可能得到冷却气流D的非常均匀的部分D1，其在各种构造的燃烧室1上都不会造成热骤变。
在室基座8的内部30上与在内轴向壁4上一样，都是以相同的方式且是为了得到相同效果，在轴向半剖面中，内部30中的孔26是这样的：在基本上为中线32的线与该半剖面中的孔26的主方向36之间形成的锐角B的值随着这些孔26与基本上为中线32的线之间的距离(增加)而减小。
室基座8的外部28的情况近似，在一方面为内部30中的孔26的主方向36与另一方面为基本上为中线32的线之间形成的锐角B的值，随着靠近内轴向壁4而可以从大约60°向大约5°逐渐变化。
再次参照图2，可以看出室基座8配置有带孔26的主扇区38，这些主扇区38基本上位于两个直接连续的喷口10之间。如从该图中可以看到的，每个主扇区38(图中仅示出这些区之中的一个)中至少一些孔26被布置为限定成行，该行的形式为以喷口10的圆心为中心的曲线，这些孔26位于靠近喷口处。
另外，室基座8还配置有带孔26的次扇区40，这些次扇区40每一个都位于两个连续的主扇区38之间，位于喷口10的沿基本上燃烧室1径向的方向的两侧。
换言之，在沿基本上为燃烧室1径向的方向上，次扇区40位于相关喷口10的上方和下方。
在这点上，如图4所示，以与上述类似的方式，还可布置为使得所截取的轴向半剖面经过喷口10，外部28中的孔26是这样的：在基本上为半剖面中线42的线与该半剖面中的孔26的主方向44之间形成的锐角C的值随着这些孔26与所述基本上为中线42的线之间的距离(增加)而减小。
内部30中的孔26也为同样的方式这样设置，从而，在基本上为半剖面的中线42的所述线与半剖面中的孔26的主方向46之间形成的锐角D的值随着这些孔26与中心线42之间的距离(增加)而减小。
最后，应该说明，为了气流的D1和D2部分尽可能沿圆周均匀，优选地，次扇区40中的孔26尺寸比主扇区38中的孔26大，因为它们的数量较少。
当然，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，本领域技术人员可以对前述的仅作为非限制性实例而描述的该燃烧室1作出各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种环形涡轮发动机燃烧室(1)，其中所述室(1)包括外轴向壁(2)、内轴向壁(4)、以及连接所述轴向壁(2、4)的室基座(8)，所述室基座(8)具有一系列喷口(10)和一系列孔(26)，所述喷口(10)用于至少使燃料喷射入燃烧室(1)内部，所述孔(26)用于使供应的冷却空气(D)通过，所述供应的冷却空气适于冷却室基座(8)，其特征在于，所述室基座(8)一方面配置有外部(28)，其中制成有孔(26)以将供应的冷却空气(D)的部分(D1)引向外轴向壁(2)，另一方面配置有内部(30)，其中制成有孔(26)以将供应的冷却空气(D)的另一部分(D2)引向内轴向壁(4)；并且其特征还在于，燃烧室(1)设计为使得在无论以什么方式在两个直接连续的喷口(10)之间获取得的轴向半剖面中，在基本上为位于外轴向壁(2)与内轴向壁(4)之间的半剖面的中线(32)的线与在此半剖面中的所述外部(28)的孔(26)的主方向(34)之间形成的锐角(A)的值随着这些孔(26)与基本上为中心线(32)的所述线之间的距离而减小，且在基本上为中线(32)的所述线与所述半剖面中的内部(30)中的孔(26)的主方向(36)之间形成的锐角(B)的值随着这些孔(26)与基本上为中线(32)的所述线之间的距离而减小。
2.根据权利要求1所述的环形燃烧室(1)，其特征在于，对于无论以什么方式位于所述外部(28)中的两个直接连续的孔(26)，在这些孔(26)的主方向(34)与基本上为中线(32)的所述线之间形成的两个锐角(A)将具有不同的值，并且其特征还在于，对于无论以什么方式位于所述内部(30)中的两个直接连续的孔，在这些孔(26)的主方向(36)与基本上为中线(32)的所述线之间形成的两个锐角(B)将具有不同的值。
3.根据权利要求1或2所述的环形燃烧室(1)，其特征在于，所述室基座(8)配置有带孔(26)的主扇区(38)和带孔(26)的次扇区(40)，所述主扇区(38)基本上位于两个直接连续的喷口(10)之间，而所述次扇区(40)位于每个喷口(10)的基本上沿所述燃烧室(1)径向方向的两侧。
4.根据权利要求3所述的环形燃烧室(1)，其特征在于，所述次扇区(40)中的孔(26)的尺寸比所述主扇区(38)中的孔(26)的尺寸大。
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