燃燒室的壁的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及渦輪機組的燃燒室的領(lǐng)域，并且特別地涉及渦輪機組的燃燒室（4）的環(huán)形壁（11）。該壁（11）具有冷側(cè)和熱側(cè)以及提供有至少一個主孔（17），該主孔能夠使流到壁（11）的冷側(cè)上的第一空氣流穿入到壁（11）的熱側(cè)，以供應(yīng)在燃燒室（4）內(nèi)燃料的燃燒，以及多個冷卻孔（19），每個具有不大于1mm的直徑，以能夠使流到壁（11）的冷側(cè)上的第二空氣流穿入到壁（11）的熱側(cè)，以冷卻壁（11）的熱側(cè)。憑借經(jīng)過冷卻孔（19）穿入到壁（11）熱側(cè)的空氣流，所述多個冷卻孔（19）也能夠摻混由所述燃燒所產(chǎn)生的燃燒氣體（20）。
【專利說明】燃燒室的壁
[0001]發(fā)明的背景
[0002]本發(fā)明涉及渦輪機組的燃燒室領(lǐng)域，并且特別地涉及渦輪機組的燃燒室的環(huán)形壁，該壁具有冷側(cè)和熱側(cè)。
[0003]本上下文中使用術(shù)語“渦輪機組”，意指一種機械，其通過工作流體在渦輪機中膨脹，將所述工作流體的熱能轉(zhuǎn)化為機械能。在下面的描述中，相對于通過渦輪機組的工作流體的正常流動方向而限定術(shù)語“上游”和“下游”。
[0004]特別地，本發(fā)明涉及所謂的“內(nèi)燃”渦輪機組，其中渦輪機的工作流體包含至少一些燃燒的產(chǎn)物，該燃燒已經(jīng)將該熱能傳遞給工作流體。這種渦輪機組特別地包括燃?xì)鉁u輪機、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機。通常地，這種內(nèi)燃渦輪機組包括渦輪機上游的燃燒室，在該燃燒室中燃料與工作流體，通?？諝饣旌?，并且被燃燒。因此，燃燒室中，燃料中所包含的化學(xué)能被轉(zhuǎn)化熱能，因此加熱工作流體，并且在渦輪機中，工作流體的熱能隨后被轉(zhuǎn)換為機械能。通常，這種渦輪機組也包括燃燒室上游的由與至少一個渦輪機級共同的旋轉(zhuǎn)軸所驅(qū)動壓氣機，以在燃燒之前壓縮空氣。
[0005]在這種渦輪機組中，燃燒室通常具有至少一個環(huán)形壁，該環(huán)形壁帶有孔，以能夠使在壁的冷側(cè)上流動的空氣穿入到壁的熱側(cè)。這種壁在燃料噴射器正常地所位于的燃燒室的端壁和燃燒氣體出口之間，在工作流體的流動方向上延伸。燃燒室通常地位于氣體發(fā)生器殼體內(nèi)側(cè)，該殼體連通壓氣機，以接收其中已經(jīng)被壓縮的氣體。
[0006]在這種燃燒室中，通過孔的空氣的流動執(zhí)行幾種功能。在接近燃燒室端壁和由此接近噴射器的稱為“主”區(qū)的第一區(qū)域中，壁包括至少一個“主”孔，該主孔主要用于輸送與噴射器所噴射的燃料進行燃燒反應(yīng)的空氣。然而，通過位于更遠(yuǎn)下游的第二區(qū)，稱為“摻混區(qū)”中的孔進入到燃燒室中的空氣主要用于摻混燃燒氣體，以降低在燃燒室出口處其溫度，因此限制燃燒室下游的渦輪機上熱應(yīng)力。
[0007]然而，為了增加渦輪機組的熱動力循環(huán)效率，趨勢是越來越多地增加燃燒室中的溫度。這導(dǎo)致在燃燒室外殼的壁上也出現(xiàn)了相當(dāng)大的熱應(yīng)力。為了冷卻這些壁，它們可以具有正常地不大于I毫米(_)的小直徑的大量冷卻孔。通過這些冷卻孔進入到燃燒室中的空氣在每個壁的熱側(cè)形成相對冷的薄膜，因此保護壁的材料免受燃燒熱。
[0008]在現(xiàn)有技術(shù)燃燒室的摻混區(qū)中，然而發(fā)現(xiàn)有用于摻混燃燒氣體的正常地大于Imm的大直徑的摻混孔以及用于冷卻燃燒室壁的不大于1_的小直徑的冷卻孔兩種，因為本領(lǐng)域技術(shù)人員的觀點是必須具有只能通過大直徑的孔所產(chǎn)生的空氣噴射流，以使得它們能夠深深地穿入到燃燒室中的流動中，以獲得下游摻混空氣和燃燒氣體之間更好的混合。然而，這導(dǎo)致了其它缺陷。特別地，這些摻混空氣噴射流可以導(dǎo)致燃燒室內(nèi)溫度的大量不均勻性。不幸地，考慮環(huán)境原因和燃燒室效率原因，確保燃燒室內(nèi)溫度盡可能地均勻地分布是重要的。其中的任何溫度峰都可以引起一氧化二氮形成，而在低溫區(qū)中燃料可以保持不被燃燒。
[0009]發(fā)明的目的和概述
[0010]本發(fā)明因此涉及用于渦輪機組的燃燒室的環(huán)形壁，該壁具有冷側(cè)和熱側(cè)，所述壁提供有至少一個主孔，該主孔能夠使流到壁的冷側(cè)上的第一空氣流穿入到壁的熱側(cè)，以供應(yīng)在燃燒室內(nèi)燃料的燃燒，以及多個冷卻孔，每個具有不大于1_的直徑，以能夠使流到壁的冷側(cè)上的第二空氣流穿入到壁的熱側(cè)，以冷卻壁的熱側(cè)。
[0011]本發(fā)明的目的是使燃燒室內(nèi)溫度分布更均勻，而增加渦輪機組的熱動力循環(huán)效率。為此，在用于本發(fā)明的渦輪機組的燃燒室的環(huán)形壁的至少一個實施方式中，通過使用經(jīng)過冷卻孔穿入到壁的熱側(cè)的空氣流，多個冷卻孔也適于摻混由所述燃燒所產(chǎn)生的燃燒氣體。與本領(lǐng)域技術(shù)人員的偏見相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將空氣供應(yīng)給這種小直徑的孔口，不僅足以冷卻燃燒室的壁，而且也能夠獲得燃燒氣體與通過這些小直徑的孔口所輸送的空氣的有效混合，因此獲得燃燒氣體的有效摻混。
[0012]特別地，在本發(fā)明的第二方面，在這種燃燒室中，所述冷卻孔可以具有不小于50%的總表面面積，用于使空氣通過壁，并且更特別地，至少97%的總表面面積，用于使空氣通過所述至少一個主孔下游的壁。因此，可以省略用于摻混燃燒氣體的大量大直徑的孔口，因此不僅幫助避免了燃燒室中流動的不均勻性，也使得制造燃燒室的摻混區(qū)更容易。
[0013]在第三方面中，為了改善燃燒氣體和通過冷卻孔所輸送的空氣之間的混合，多個所述冷卻孔中每個孔沿著在壁上投影的軸線被定向，該軸線相對于壁的中心軸線的方向具有不小于45°的角度Θ。特別地，所述角度Θ可以位于85°到95°的范圍。因此，通過冷卻孔噴射到燃燒室中的空氣遵循螺旋形路徑，因此延長了在燃燒室中其通過時間和增厚了鄰近壁的熱側(cè)的相對冷的空氣的薄膜，因此不僅有益于壁的冷卻，也有益于燃燒氣體與空氣以更厚的薄膜進行混合。
[0014]在第四方面，并且也為了改進燃燒氣體與通過冷卻孔所引入的空氣的混合，多個所述冷卻孔的每個孔沿著軸線被定向，該軸線相對于壁具有角度β，該角度β不大于45°，并且優(yōu)選地不大于30°。這確保了鄰近壁的熱側(cè)的相對冷的空氣的薄膜是穩(wěn)定的。
[0015]然而，在第五方面中，并且也是為了穩(wěn)定冷空氣的薄膜的目的，所述角度β不小于15°，并且優(yōu)選地不小于20°。
[0016]本發(fā)明也提供了渦輪機組的燃燒室，包括同軸的內(nèi)壁和外壁。內(nèi)壁和/或外壁可以是構(gòu)成本發(fā)明的實施方式的環(huán)形壁，因此包括多個冷卻孔，每個具有不大于Imm的直徑，以能夠使流到壁的冷側(cè)上的第二空氣流穿入到壁的熱側(cè)，以冷卻壁的熱側(cè)，并且通過使用經(jīng)由冷卻孔穿入到壁的熱側(cè)的空氣流也確保由所述燃燒所得到的燃燒氣體的摻混。然而，燃燒室可以具有除了該環(huán)形形狀以外的形狀。例如，可以由圍繞著渦輪機組的中心軸線所設(shè)置的具有不同中心軸線的多個這種環(huán)形壁形成它，以形成大量單獨的火焰筒。
[0017]本發(fā)明也涉及特別地用于航空學(xué)應(yīng)用中的渦輪機組，諸如燃?xì)鉁u輪機、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機或渦輪軸發(fā)動機，發(fā)動機包括帶有至少一個環(huán)形壁的燃燒室，該環(huán)形壁包括多個冷卻孔，每個冷卻孔具有不大于Imm的直徑，以能夠使流到壁的冷側(cè)的第二空氣流穿入到壁的熱側(cè)，以冷卻壁的熱側(cè)，并且也通過使用經(jīng)由冷卻孔穿入到壁的熱側(cè)的空氣流也確保由所述燃燒所得到的燃燒氣體的摻混。
[0018]本發(fā)明也提供了在渦輪機組的燃燒室中摻混燃燒氣體的方法，所述燃燒室具有至少一個環(huán)形壁，該環(huán)形壁帶有冷側(cè)和熱側(cè)，并且提供有至少一個主孔，以能夠使流到壁的冷側(cè)上的第一空氣流穿入到壁的熱側(cè)，以供應(yīng)在燃燒室內(nèi)燃料的燃燒，和提供有多個冷卻孔，每個冷卻孔具有不大于1_的直徑，以能夠使流到壁的冷側(cè)上的第二空氣流穿入到壁的熱偵牝以冷卻壁的熱側(cè)，該方法的特征在于:穿入到壁的熱側(cè)的空氣流也用于摻混燃燒氣體。[0019]附圖的簡要描述
[0020]通過閱讀下面通過非限制性實施例所給出的實施方式的詳細(xì)描述，可以更好地理解本發(fā)明，并且可以更好地呈現(xiàn)它的優(yōu)點。說明書參考了附圖，其中:
[0021]圖1是渦輪機組的示意性縱向截面。
[0022]圖2是現(xiàn)有技術(shù)燃燒室的示意性縱向截面。
[0023]圖3是本發(fā)明第一實施方式中燃燒室的示意性縱向截面。
[0024]圖4A是圖3圓柱形投影形式的燃燒室的壁的詳細(xì)視圖。和
[0025]圖4B是沿著線IVB-1VB的截面中同樣壁的詳細(xì)視圖。
[0026]發(fā)明的詳細(xì)描述
[0027]在圖1中，通過解釋示意性地示出了渦輪機組，并且更特別地渦輪軸發(fā)動機I。在工作流體的流動方向上，該發(fā)動機I包括:離心式壓氣機3 ;環(huán)形燃燒室4 ;第一軸向渦輪機5 ;和第二軸向渦輪機6。此外，發(fā)動機I也具有第一旋轉(zhuǎn)軸7以及與第一旋轉(zhuǎn)軸7同軸的第二旋轉(zhuǎn)軸8。
[0028]第二旋轉(zhuǎn)軸8連接離心式壓氣機3和第一軸向渦輪機5，這樣在燃燒室4下游第一軸向渦輪機5中工作流體的膨脹用于驅(qū)動燃燒室4上游的壓氣機3。第一旋轉(zhuǎn)軸7連接第二軸向渦輪機6和位于發(fā)動機下游和/或上游的動力輸出端9，這樣第一軸向渦輪機5下游的第二軸向渦輪機6中工作流體的隨后膨脹用于驅(qū)動動力輸出端9。
[0029]因此，離心式壓氣機3中工作流體的壓縮，接著燃燒室4中工作流體的加熱，接著在第二軸向渦輪機6中它的膨脹，能夠使通過燃燒室4中燃燒所獲得的一部分熱能轉(zhuǎn)化為取自動力輸出端9的機械能。在所示的發(fā)動機中，驅(qū)動流體是空氣，同時燃料添加到燃燒室4中和在燃燒室4中燃燒，該燃料例如可以是碳?xì)浠衔铩?br> [0030]圖2中示出了現(xiàn)有技術(shù)的燃燒室204。該燃燒室204包括內(nèi)壁211和外壁212，這些壁是環(huán)形的和同軸的，從這兩個壁211和212連接在一起的端壁213延伸直到燃燒氣體出口。燃燒室204可以被分成燃料噴射器215所位于的主區(qū)204a和主區(qū)204a下游的摻混區(qū)204b。在所示實施例中，燃燒室204是具有彎曲部216的類型，以限制其軸向范圍。這種類型的燃燒室在具有離心式壓氣機的渦輪機組中，特別地，當(dāng)它們是如圖1中所示的渦輪軸發(fā)動機時特別普遍。
[0031]燃燒室204的壁211和212具有三個不同類型的孔，所有三種類型的孔都用于使來自于燃燒室204外側(cè)的壁211、212的冷側(cè)的空氣流流到燃燒室204內(nèi)側(cè)的壁211、212的熱側(cè)。第一種類型的孔也稱為“主”孔217，位于主區(qū)204a中和用于通過空氣，該空氣用于供應(yīng)給噴射器215所噴射的燃料的燃燒。這些主孔217的下游，壁211、212也具有通過空氣的稱為“摻混”孔218的第二種類型的孔，該空氣用于摻混燃燒氣體220，該燃燒氣體220由噴射器215所噴射的燃料與經(jīng)由主孔217進入的空氣進行反應(yīng)而燃燒產(chǎn)生的。壁211、212也具有稱為“冷卻”孔219的第三種類型的孔，允許空氣通過，該空氣用于冷卻壁211、212中每個壁的熱側(cè)。三種類型的孔特別地不同在于它們不同的尺寸。因此，主孔217以及上述所有摻混孔218的直徑顯著地大于冷卻孔219的直徑。而冷卻孔大量地分布在壁211、212的表面上,它們中每個的直徑都不大于Imm,摻混孔218具有約5mm和更大的直徑。因此，當(dāng)發(fā)動機運行時，通過冷卻孔219穿入到壁211、212的熱側(cè)的空氣形成了相對冷的空氣的薄膜221，該薄膜221保持鄰近壁211、212以保護它們免受燃燒氣體220的加熱，穿過摻混孔218的空氣形成噴射流222，該噴射流222深深地穿入到燃燒室204中，以變得與摻混區(qū)204b中的燃燒氣體220混合。
[0032]圖3中示出了本發(fā)明實施方式中的燃燒室4。該燃燒室4也具有環(huán)形的和同軸的內(nèi)壁11和外壁12，這兩個壁從壁11和12連接在一起的端壁13延伸直到燃燒氣體出口。燃燒室4同樣地可以被分成燃料噴射器15所位于的主區(qū)4a和主區(qū)4a下游的摻混區(qū)4b。在所示的實施方式中，內(nèi)壁和外壁間隔最大的徑向距離h，并且沿著燃燒室的中心軸線X的方向上主區(qū)的深度等于所述距離h。在所示的實施例中，燃燒室4同樣地是具有彎曲部16的類型，以限制其軸向范圍。
[0033]然而，不同于現(xiàn)有技術(shù)的燃燒室204，該燃燒室4只有兩種類型的孔，用于使來自于燃燒室4外側(cè)的壁11、12的冷側(cè)的空氣流流到燃燒室4內(nèi)側(cè)的壁11、12的熱側(cè):它具有主孔17和冷卻孔19。因此，所述主孔17的下游，并且特別地在摻混區(qū)4b中的主孔17的下游，壁11、12特別地呈現(xiàn)沒有用于通過空氣的孔的直徑大于1mm。盡管壁11、12可以具有某些其它的孔口，諸如，例如用于燃燒室4的內(nèi)窺鏡檢查的孔，但是冷卻孔19代表了摻混區(qū)4b中用于使空氣通過壁11、12的至少50%的總表面面積和至少97%。
[0034]在該燃燒室4中，不存在更大直徑的特定的摻混孔，因此，實際上燃燒氣體20專門地被經(jīng)由冷卻孔19穿入到燃燒室4中的空氣所摻混，具有與燃燒氣體20有效地混合的鄰近壁11、12的空氣的薄膜21。為了方便該混合，在所示實施方式中，定向冷卻孔19，以推動經(jīng)由這些冷卻孔19穿入到燃燒室4中的空氣在螺旋形的軌跡上。因此，如圖4A和圖4B中所示，在該實施方式中，每個冷卻孔19沿著軸線被定向，該軸線具有相對于壁11、12的角度β，該角度β位于20°到30°的范圍，并且該角度β在壁上具有投影，具有相對于中心軸線X的方向約90°的角度Θ。所示的燃燒室4由此達(dá)到均勻地和以有效的方式摻混燃燒氣體20，而省略了大直徑的特定摻混孔，因此避免了與其有關(guān)的缺陷。
[0035]盡管參考了特定的實施方式描述了本發(fā)明，但是可以對該實施例進行各種修改和改變，而不超出權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的總的范圍，這是清楚的。例如，可以設(shè)想其它的角度Θ和β，并且特別地在Θ≥45°和15°≤β≤45°的范圍。此外，所提到的各個實施方式的單獨特征可以組合以產(chǎn)生另外的實施方式。因此，以示例性意義，而不是限制性意義上考慮說明書和附圖。
【權(quán)利要求】
1.渦輪機組的燃燒室(4)的環(huán)形壁(11、12)，所述壁(11、12)具有冷側(cè)和熱側(cè)以及提供有至少一個主孔(17)，該主孔能夠使流到壁(11、12)的冷側(cè)上的第一空氣流穿入到壁(11、12)的熱側(cè)，以供應(yīng)在燃燒室(4)內(nèi)燃料的燃燒，以及多個冷卻孔(19)，每個具有不大于Imm的直徑，以能夠使流到壁(11、12)的冷側(cè)上的第二空氣流穿入到壁(11、12)的熱側(cè)，以冷卻壁(11、12)的熱側(cè)，該壁的特征在于:通過使用經(jīng)過冷卻孔(19)穿入到壁(11、12)熱側(cè)的空氣流，所述多個冷卻孔(19)也適于摻混由所述燃燒所產(chǎn)生的燃燒氣體(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪機組的燃燒室(4)的環(huán)形壁(11、12)，其中所述冷卻孔(19)具有不小于50%的總表面面積,用于使空氣通過壁(11、12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的渦輪機組的燃燒室(4)的環(huán)形壁(11、12)，其中所述冷卻孔(19)代表至少97%的總表面面積，用于使空氣通過所述至少一個主孔(17)下游的壁(11、12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求的渦輪機組的燃燒室(4)的環(huán)形壁(11、12)，其中多個所述冷卻孔(19)中的每個孔沿著在壁(11、12)上投影的軸線被定向，該軸線相對于壁(11、12)的中心軸線(X)的方向，具有不小于45°的角度Θ。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的渦輪機組的燃燒室(4)的環(huán)形壁(11、12)，其中所述角度Θ位于85°到95。的范圍。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的渦輪機組的燃燒室(4)的環(huán)形壁(11、12)，其中多個所述冷卻孔(19)中的每個孔沿著軸線被定向，該軸線相對于壁(11、12)具有角度β，該角度β不大于45°，并且優(yōu)選地不大于30°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的渦輪機組的燃燒室(4)的環(huán)形壁(11、12)，其中所述角度β不小于15°，并且優(yōu)選地不小于20°。
8.渦輪機組的燃燒室(4)，包括同軸的內(nèi)壁(11)和外壁(12)，所述內(nèi)壁(11)和/或所述外壁(12)是根據(jù)權(quán)利要求1至7的任一權(quán)利要求的環(huán)形壁。
9.渦輪機組(1)，其包括燃燒室(4)，該燃燒室具有根據(jù)權(quán)利要求1至7的任一權(quán)利要求的環(huán)形壁(11、12)。
10.一種在渦輪機組的燃燒室(4)中摻混燃燒氣體(20)的方法，所述燃燒室(4)具有至少一個環(huán)形壁(11、12)，該環(huán)形壁帶有冷側(cè)和熱側(cè)，并且提供有至少一個主孔(17)，以能夠使流到壁(11、12)的冷側(cè)上的第一空氣流穿入到壁(11、12)的熱側(cè)，以供應(yīng)在燃燒室(4)內(nèi)燃料的燃燒，和提供有多個冷卻孔(19)，每個冷卻孔具有不大于Imm的直徑，以能夠使流到壁(11、12)的冷側(cè)上的第二空氣流穿入到壁(11、12)的熱側(cè)，以冷卻壁(11、12)的熱側(cè)，該方法的特征在于:穿入到壁(11、12)的熱側(cè)的空氣流也用于摻混燃燒氣體(20)。
【文檔編號】F23R3/06GK103765108SQ201280040714
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月26日
【發(fā)明者】尼古拉斯·薩維瑞, 克勞德·培拉特, 蓋伊·格里徹, 帕特里克·伯特歐, 胡伯特·帕斯卡爾·維迪爾 申請人:渦輪梅坎公司