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CN100545434C - 将混合物喷射到涡轮机燃烧室的空气力学系统的喷射器 - Google Patents

将混合物喷射到涡轮机燃烧室的空气力学系统的喷射器 Download PDF

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CN100545434C CNB200510109797XA CN200510109797A CN100545434C CN 100545434 C CN100545434 C CN 100545434C CN B200510109797X A CNB200510109797X A CN B200510109797XA CN 200510109797 A CN200510109797 A CN 200510109797A CN 100545434 C CN100545434 C CN 100545434C
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Abstract

用于将空气/燃料混合物喷射到涡轮机燃烧室中的空气力学喷射系统的燃料喷射器(2)，喷射器包括：轴线XX’上的主管状结构(4)，它在下游端(4a)处开口，用于输送空气/燃料混合物；管状燃料通道(6)，它置于主结构(4)内，并且经由燃料雾化器塞(10)朝向主结构(4)开口从而将压力PC下的燃料导入主结构；至少一个空气供给通道(12)，它朝向主结构(4)开口从而在压力PA下导入其中的空气；还包括在大于PA并且大于或等于PC的压力PG下将气体喷射进入燃料通道(6)从而在导入主结构(4)时在燃料中产生泡腾的装置。

Description

将混合物喷射到涡轮机燃烧室的空气力学系统的喷射器
技术领域
本发明涉及用于将空气/燃料混合物喷射到涡轮机燃烧室中的系统这个总的领域。它涉及，尤其涉及空气力学型喷射系统的燃料喷射器，该喷射系统配设有用于使燃料在与空气混合之前进行雾化的装置。
背景技术
对于安装了涡轮机的飞机而言，用于设计并且优化涡轮机燃烧室的传统过程主要是寻求使燃烧室的操作性能(燃烧效率、稳定域、点火和再点火域、燃烧区域的寿命等等)能够实现预计任务的功能，同时将污染物(氧化氮、一氧化碳、未燃碳氢化合物等等)的排放减小到最低。为了实现这一点，特别是可以对用于将空气/燃料混合物喷射进燃烧室的喷射系统的性质和性能、腔室内稀释空气的分布以及室内部空气/燃料混合动力学进行控制。
涡轮机的燃烧室通常包括用于将空气/燃料混合物喷射进火焰管的喷射系统、冷却系统和稀释系统。燃烧主要发生在火焰管的第一部分(被称作“主要区域”)内，其中，借助于通过喷射系统出来的空气流引起的空气/燃料混合物的重复循环区域来稳定燃烧。在混合管的第二部分(被称作“稀释区域”)中，借助于稀释孔，发生的化学活性减弱并且气流被稀释。
在火焰管的主要区域内，涉及不同的物理现象：喷射以及雾化成细小的燃料液滴、液滴的蒸发、燃料蒸汽与空气的混合以及燃料通过空气中氧气的氧化而发生的化学反应。
这些物理现象由特征时间来控制。因此雾化时间表示空气需要分解成燃料层并且形成空气/燃料喷雾的时间。它主要取决于所用的喷射系统的性能以及技术和燃料层附近的空气动力。蒸发时间也取决于所用的喷射系统。它是由燃料层分解所得的液滴尺寸的函数；液滴越小，蒸发时间越短。混合时间对应于从液滴蒸发所得的燃料蒸汽需要与空气混合的时间。它主要取决于燃烧区域内部的湍流等级，因此取决于主要区域内的流动动力学。化学时间表示需要进行化学反应的时间。它取决于燃烧区域入口处的压力和温度以及使用的燃料的性质。
因此所用的喷射系统在设计燃烧室的过程中起到了基本的作用，特别是当优化作为燃料雾化和蒸发的特征的时间时。
存在两种主要的类别的喷射系统：“空气力学”系统，其中燃料雾化是燃料和空气之间存在较大压力差的结果；以及“空气动力”系统，其中燃料由于两种空气层之间的剪切力而产生雾化。本发明涉及尤其涉及空气力学型系统。
在现有技术中已知的空气力学喷射系统存在许多缺陷。特别地，压力限制不允许燃料液滴的尺寸充分地减小。另外，由这种喷射系统产生的空气/燃料喷雾并不是在发动机的所有操作速度下都稳定。
发明内容
因此本发明的主要目的是通过提出用于空气力学喷射系统的喷射器来减轻这种缺陷，其中，这种喷射系统允许燃料雾化和蒸发的时间特性在涡轮机的所有操作速度下都减小。
为此，本发明提供了用于将空气/燃料混合物喷射进涡轮机燃烧室的空气力学喷射系统的燃料喷射器，该喷射器包括：具有轴线XX’的主管状结构，它在下游端处开口，用于输送空气/燃料混合物；管状燃料通道，它置于主结构内与之配合形成环形通道，并且在下游端处经由燃料雾化器塞朝向主结构开口从而将压力PC下的燃料导入主结构；以及至少一个空气供给通道，它连接至涡轮机的压缩机段，并且通过在压力PA下将空气导入所述通道的这种方式朝向环形通道开口；特征在于，它还包括管状气体通道，该通道置于燃料通道内并且具有多个孔，该孔朝向所述燃料通道开口，并且在大于PA并且大于或等于PC的压力PG下喷射其中的气体从而在导入主结构时在燃料中产生泡腾，气体通道的孔置于至少一个公共的横向平面中，并且气体通道的孔经过燃料雾化器塞朝向燃料通道开口。
它还包括将气体喷射进燃料通道的装置，其中，气体处于大于PA并且大于或等于PC的压力PG下，以便在导入主结构中时在燃料中产生泡腾(effervescence)。
通过在大于或等于燃料压力的压力下将气体喷射进燃料通道，会在将气体导入气体会在其中发生分散的主结构中之前在压力PC下产生液体/气体的混合。当这种混合物从压力PC膨胀至主结构内部的内压力时，气相的突发膨胀会使燃料层分解：这被称作泡腾。因此，喷射系统出口处的燃料雾化和蒸发的时间特性可以相当大地减小。
在涡轮机的低速操作时，时间的缩短使燃烧效率提高并且增大了燃烧区域的能力从而避免了熄灭，并且在涡轮机的全节流操作速度下，它们可以用于限制氮氧化物和煤烟型污染排放物的形成。
更特别地，喷射器包括置于燃料通道内并且具有多个朝向燃料通道开口的孔的管状气体通道。
有利的是，气体通道的孔朝向燃料通道大体上垂直地开口并且它们置于至少一个公共横向平面中。
燃料雾化器塞可以包括中心在轴线XX’上的大体上为圆柱形的部分，该圆柱形部具有小于燃料通道的内径的外径，并且可以配设多个沿径向朝外延伸的成形翅片，所述翅片具有和燃料通道内表面接触的外表面。
优选燃料雾化器塞的成形翅片可以有规则地在圆柱形部的整个圆周上分布。它们可以有角度地扭转，优选沿着相同的方向大约为45°。
在本发明的实施例中，气体通道的孔经过燃料雾化器塞朝向燃料通道开口。
更特别地，气体通道的孔在燃料雾化器塞的邻近翅片对之间开口并且朝向气体通道沿切向开口。
在本发明的另一个实施例中，气体通道的孔在燃料雾化器塞的上游朝向燃料通道开口。
根据本发明的有利特性，提供了用于控制喷射进燃料通道中的气体流速的装置。
本发明还提供了装配有如上所述的燃料喷射器的空气力学喷射系统，它包括根据本发明的中心在喷射系统的轴线YY’上的燃料喷射器和用于在燃料喷射器下游喷射空气的装置。
本发明还提供了包括装配有如上所述的燃料喷射器的燃烧室的涡轮机。
附图说明
阅读参照附图进行的如下说明，可以理解本发明的其它特征和优点，附图中显示了非限制性实施例。图中：
图1是构成本发明的实施例的喷射器的纵向剖视图；
图2是图1的喷射器的燃料雾化器塞的透视图；
图3是沿图1的III-III剖开的剖视图；
图4是在本发明的另一个实施例中的喷射器的轴向剖视图；
图5是装配有本发明喷射器的空气/燃料喷射系统的轴向剖视图；并且
图6是装配有本发明的喷射器的另一种空气/燃料喷射系统的轴向剖视图。
具体实施方式
参照图1和4，本发明的燃料喷射器2、2’大体上为绕着轴线XX’的主管状结构4，该结构在下游端4a处开口，用于输送空气/燃料混合物。管状结构4的下游端4a可以大体上为锥形。
管状燃料通道6置于主结构4内与之配合形成环形通道8。中心在轴线XX’上的管状通道6在主结构4内的下游端经由燃料雾化器塞10、10’处开口，主结构的下游端也可以大体上为锥形。
燃料雾化器塞10、10’用于将压力PC例如大约为4巴至80巴的压力下的燃料在下游端4a处导入主结构4中。它的主要功能是使燃料以多个燃料喷射束(或管)的形式散开。
燃料喷射器2、2’还包括至少一个空气供给通道12，该通道12连接至涡轮机的压缩机段(未显示)，并且朝向环形通道8开口从而导入其中的压力PA例如为0.5巴至50巴的数量级的压力下的空气。
因此，在图1和4所示的实施例中，燃料喷射器2、2’呈现了多个空气供给通道12，该空气供给通道12绕着轴线XX’有规则地分布，并且在主结构4的上游端4b附近朝向环形通道8开口。
空气涡流装置14可以置于主结构4的上游端4a和下游端4b之间的环形通道8内。这种空气涡流装置14用于对在环形通道8中流动的气体施加旋转(或“涡流”)作用。
然后，环形通道8中可选择地通过空气涡流装置14形成涡流的气流会使燃料喷射分散，其中，燃料喷射通过主结构4的下游端4a附近的燃料雾化器10、10’生成。在燃料雾化10、10’和环形通道8内部的气流的共同作用下，从喷射器的出口处生成空气/燃料喷雾。
根据本发明，燃料喷射器2、2’还包括用于将气体喷射进入燃料通道6中的装置从而在导入主结构4时在燃料内部产生气泡，该气体处于大于压力PA并且大于或等于压力PC的压力PG下。
更特别地，管状气体通道16置于燃料通道6内并且具有朝向燃料通道6开口的多个孔18。同样，气体通道16的中心在轴线XX’上并且与燃料通道6配合从而形成用于燃料流动的环形通道20。
在大于压力PA并且大于或等于压力PC的压力PG下导入燃料通道6的气体是用于在其导入主结构4之前在压力PC下生成液体/气体混合物。燃料泡腾的特征是燃料雾化，其中燃料雾化是导入主结构4中时气体突然膨胀产生的结果。因此缩短了燃料雾化和蒸发的时间特性。
更特别地，当满足如下的条件时就会发生燃料的泡腾：气体必须在至少大体上等于燃料压力PC(或在略微大于压力PC)的压力PG下，液体/气体的混合必须在大体上受约束的空间中发生从而使混合物处于压力PC下(具体地说，必须在孔18和燃料通道6之间的汇合区域内部产生，其中，孔18朝向燃料通道6开口)。
气体优选是对空气/燃料混合物的后续燃烧没有直接影响的惰性气体。例如，气体可以从涡轮机的压缩机段抽取并且进一步压缩以便达到大于供给空气供给通道12的空气压力PA的压力PG。
根据本发明的有利的特性，气体通道16的孔18大体上垂直地向燃料通道6开口。这种特定的配置用于促使燃料内泡腾的出现。
或者，孔18相对于轴线XX’向下游倾斜，例如为60°。
根据本发明的另一种有利的特性，气体通道16的孔18置于(图4的两个横向平面中的)至少一个公共的横向平面中。
如图2所示，燃料雾化器塞10可以包括中心在轴线XX’上的大体上为圆柱形的部分22，该圆柱形部22具有小于燃料通道的内径的外径，并且可以配设多个沿径向朝外延伸的成形翅片24。
成形翅片24一起呈现出与燃料通道6的内表面接触的外表面(图1、3和4)。因此，凹槽26在邻近的翅片对24之间形成，从而使通道6内部的燃料能够以多个燃料喷射束(或管)的形式朝向主结构4流动。
燃料雾化器塞10的翅片24可以有规则地在圆柱形部22的整个圆周上分布。它们也可以沿着共同的方向扭转，即它们可以呈现沿着相同方向扭转的角度。因此它们一起形成螺纹。
优选翅片24的扭转角度相对于轴线XX’大约为45°。这个扭转角度用于在燃料流动中产生涡流作用，更特别地，在从燃料雾化器10的出口出来的燃料喷射中产生涡流作用。
另外，当燃料喷射器2、2’包括置于环形通道8内部的空气涡流装置14时，翅片24的扭转角度与涡流14的为相同的方向很有利。
根据本发明的另一个有利的特性，喷射器系统2、2’还包括用于控制喷射进入燃料通道6中的气体的流速的装置28。因此这种装置28用于控制气体喷射的速率，以该速率进行喷射是为了在燃料中产生泡腾。例如，气流速率可以作为燃料的流速和压力PC的函数来进行控制。
下文描述了图1至3所示的燃料喷射器2的特定特征。
在该实施例中，气体通道16的孔18经过燃料雾化器塞10朝向燃料通道6开口。为此，气体通道16沿轴向延伸直至它所固定的雾化器塞10。雾化器塞10呈现中空空腔的形式，气体通道16朝向该中空空腔开口，并且空腔通向孔18。或者，气体通道16和雾化器塞可以做成单个零件。
更特别地，气体通道16的孔18在燃料雾化器塞10上的邻近翅片对24之间开口，即它们朝向其中形成燃料喷射的凹槽26中开口。因此，气体燃料之间的混合发生在孔18和凹槽26之间的汇合区域内，并且燃料内部产生的泡腾使燃料喷射分解成细小的液滴。
如图3所示，有利的是，孔18相切地朝向气体通道16开口，因此增强了通过雾化器塞10上的翅片24的扭转角度所产生的燃料涡流现象。
下文将描述图4中所示的燃料喷射器2’的特定特征。
在该实施例中，气体通道16的孔18在燃料雾化器塞10’的上游朝向燃料通道6开口。气体通道16沿轴向延伸直到雾化器塞10’并且固定到它上面(或者可以与它形成单个零件)。
孔18可以在两个横向平面中布置。因此，混合在孔18和气体通道16区域之间的汇合区域中发生，其中孔朝向气体通道16开口。液体和气体之间产生的混合在混合物经过雾化器塞10’以喷射的形式分散之前发生。
仍然在该实施例中，应该参见图4，其中，燃料雾化器塞10’呈现出大体上为锥形的正剖面。
如上所述的燃料喷射器2、2’适合于用来将空气/燃料混合物喷射到涡轮机燃烧室中的空气力学喷射系统。因此图5和6显示了这种空气力学喷射系统的两个变体。
图5所示的喷射系统100包括中心在它的轴线YY’上的本发明的燃料喷射器2、2’。它还包括内部空气涡流102和外部空气涡流装置104，该空气涡流装置102置于喷射器2、2’下游并且用于沿径向喷射空气，外部空气涡流装置104置于内部空气涡流装置102的下游并且同样用于沿径向喷射空气。空气涡流装置102和104用于使空气/燃料混合物流旋转，从而增大湍流以便增强燃料雾化效果和与空气的混合。
提供了具有收敛和扩张形状的内部喉管的文丘管106插在内外部空气涡流装置102和104之间。它用于标记从空气涡流装置102和104来的空气流之间的边界。
向下游扩口的碗状物108固定在外部空气涡流装置104的下游。通过它的开口角度，碗状物108用于在燃烧区域的主要区域上分布空气/燃料混合物。
图6所示的喷射系统200同样是空气力学型，所以下文仅仅描述了相对于图5的喷射系统100所不同的地方。特别地，这个喷射系统是稀薄的预混合预汽化(LPP)型。
喷射系统200包括中心在它的轴线ZZ’上的本发明中的燃料喷射器2、2’。它具有内部空气涡流202和外部空气涡流装置204，该空气涡流装置202置于喷射器2、2’下游并且用于沿径向喷射空气，外部空气涡流装置204置于内部空气涡流装置202的下游并且同样用于沿径向喷射空气。
第一文丘管206插入到空气喷射器202和204之间，第二文丘管208置于外部空气涡流装置204下游。预混合和/或预汽化管210也置于第二文丘管208下游。

Claims (14)

1.一种用于将空气/燃料混合物喷射到涡轮机燃烧室中的空气力学喷射系统的燃料喷射器(2、2’)，喷射器包括：
轴线XX’上的主管状结构(4)，它在下游端(4a)处开口，用于输送空气/燃料混合物；
管状燃料通道(6)，它置于主结构(4)内与之配合形成环形通道(8)，并且在下游端处经由燃料雾化器塞(10、10’)朝向主结构(4)开口，从而将压力PC下的燃料导入主结构；以及
至少一个空气供给通道(12)，它连接至涡轮机的压缩机级，并且通过在压力PA下将空气导入所述通道的这种方式朝向环形通道(8)开口；
喷射器的特征在于，它还包括管状气体通道(16)，该通道(16)置于燃料通道(6)内并且具有多个孔(18)，该孔朝向所述燃料通道(6)开口，并且在大于PA并且大于或等于PC的压力PG下喷射其中的气体从而在导入主结构(4)时在燃料中产生泡腾，气体通道(16)的孔(18)置于至少一个公共的横向平面中，并且气体通道(16)的孔(18)经过燃料雾化器塞(10)朝向燃料通道(6)开口。
2.如权利要求1所述的喷射器，其特征在于，气体通道(16)的孔(18)朝向燃料通道(6)垂直地开口。
3.如权利要求1或权利要求2所述的喷射器，其特征在于，燃料雾化器塞(10、10’)包括中心在轴线XX’上的圆柱形部(22)，该圆柱形部(22)具有小于燃料通道(6)的内径的外径，并且配设多个沿径向朝外延伸的成形翅片(24)，所述翅片(24)具有与燃料通道(6)的内表面接触的外表面。
4.如权利要求3所述的喷射器，其特征在于，燃料雾化器塞(10、10’)的成形翅片(24)在圆柱形部(22)上方有规则地分布。
5.如权利要求3或权利要求4所述的喷射器，其特征在于，燃料雾化器塞(10、10’)的成形翅片(24)呈现出朝共同的方向扭转的角度。
6.如权利要求5所述的喷射器，其特征在于，成形翅片(24)的扭转角度相对于轴线XX’大约为45°。
7.如权利要求3所述的喷射器，其特征在于，气体通道(16)的孔(18)在燃料雾化器塞(10)的邻近翅片对(24)之间开口。
8.如权利要求7所述的喷射器，其特征在于，气体通道(16)的孔(18)朝向气体通道(16)沿切向开口。
9.如权利要求1或2所述的喷射器，其特征在于，它还包括用于控制喷射进入燃料通道(6)中的气体流速的装置(28)。
10.一种用于将空气/燃料混合物喷射进入涡轮机燃烧室的空气力学喷射系统(100、200)，所述系统的特征在于，它包括根据权利要求1至11中任意一项所述的中心在喷射系统的轴线YY’上的燃料喷射器(2、2’)和用于在燃料喷射器下游喷射空气的装置。
11.如权利要求10所述的系统(100)，其特征在于，它包括内部空气涡流(102)和外部空气涡流装置(104)、第一文丘管(106)以及固定在外部空气涡流装置(104)下游的碗状物(108)，该空气涡流装置(102)置于喷射器(2、2’)下游并且用于沿径向喷射空气，第一文丘管(106)插在内外部空气涡流装置(102，104)之间，外部空气涡流装置(104)置于内部空气涡流装置(102)的下游并且同样用于沿径向喷射空气。
12.如权利要求10所述的系统(200)，其特征在于，它包括内部空气涡流(202)和外部空气涡流装置(204)，该空气涡流装置(202)置于喷射器(2、2’)下游并且用于沿径向喷射空气，外部空气涡流装置(204)置于内部空气涡流装置(202)的下游并且同样用于沿径向喷射空气，还包括插在内外部空气涡流装置(202，204)之间的第一文丘管(206)和置于外部空气涡流装置(204)下游的第二文丘管(208)以及置于第二文丘管(208)下游的预混合和/或预汽化管(210)。
13.包括如权利要求1至9中任意一项所述的燃料喷射器(2、2’)的涡轮机燃烧室。
14.包括装配有如权利要求1至9中任意一项所述的燃料喷射器(2、2’)的燃烧室的涡轮机。
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