專利名稱：燃燒器的燃油噴嘴裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種驅(qū)動飛機用的燃氣輪機，具體說就是有關(guān)該機的燃燒器燃油噴嘴的配置。
為了不斷提高飛機性能，飛機燃氣輪機行業(yè)付出了極大的努力，試圖提高發(fā)動機的推重比。提高燃燒室溫度可以產(chǎn)生大推力，縮短燃燒器長度可以減輕重量。有一種具有高溫升而又不破壞火焰穩(wěn)定性的推進裝置，采用的是雙環(huán)形燃燒室。例如1980年3月25日授予R.E.Stenger的美國專利US4，194，358號。然而，當雙環(huán)形燃燒室燃燒溫度提高時，又產(chǎn)生了拱頂高度和燃燒器表面積增加的問題，它會增加發(fā)動機的重量。
在雙環(huán)形和常規(guī)單環(huán)形燃燒室中，限制燃燒器單位容積熱量釋放率的主要因素是燃料與空氣的混合率。位于燃燒室拱頂?shù)娜加蛧娚淦?空氣渦旋噴嘴是一種非常有效的混合裝置，但在臨近渦旋噴嘴的地方存在著混合相對不充分的區(qū)域，因此釋放的熱量低。由于燃燒器內(nèi)部不均勻的劇烈燃燒，所以需要在燃氣進入渦輪處之前設(shè)置一個長一些的燃燒室，以確保燃燒完全。
渦旋的旋向可以改善單環(huán)或雙環(huán)形燃燒室中劇烈燃燒的均勻性，但是由于會影響燃燒器的壽命，通常不用這種方法。如果使相鄰渦旋噴嘴具有交替變化的旋向，(如第一噴嘴是右旋的，第二個左旋，第三個又右旋，等等，)那么每個渦旋噴嘴周圍的燃料空氣混合氣的流動方向總與相鄰渦旋噴嘴流動方向相同。這樣，兩個渦旋噴嘴相互增強，提高它們之間的混合率及燃燒率。然而，由于需要避免高溫損壞燃燒室的襯套，因此所有渦旋噴嘴以一定半徑排列在燃燒器上，或是渦旋噴嘴插入壁內(nèi)分為兩排的雙環(huán)形燃燒器，它們所有的渦旋噴嘴通常具有相同的渦旋旋向。由于渦旋旋向相同，渦旋噴嘴周圍的燃氣流向便與相鄰噴嘴邊緣的旋向相反，從而防止由任何一個噴嘴噴出的熾熱燃氣沖擊燃燒器壁。一般渦旋旋向的側(cè)邊效應是由渦旋噴嘴的弱燃燒區(qū)造成的。
本發(fā)明的目的是為燃氣渦輪發(fā)動機提供一種改進的燃燒器。
本發(fā)明的特征在于，燃燒器拱頂上的燃油噴射器是排列成三角形的，以提高燃燒的劇烈程度，從而在提高發(fā)動機燃燒室溫度和綜合推重比的同時，能夠使燃燒器的尺寸減小、重量減輕。
本發(fā)明的另一個特征是關(guān)于所述燃油噴射器噴出的空氣渦旋旋向的。這種旋向可使一個燃油噴射器中噴出的渦旋增強相鄰的渦旋噴嘴噴出的渦旋，而不直接增強其本身的渦旋，避免熾熱的燃氣沖擊燃燒室襯套壁。
下文的描述以及附圖，更加清楚地表示了本發(fā)明的上述和其它一些特征及優(yōu)點等。


圖1a是現(xiàn)有技術(shù)中典型的燃燒器拱頂及燃油噴射器的位置簡圖。
圖1b是圖1a中燃燒器的簡圖，顯示了強燃燒區(qū)和弱燃燒區(qū)。
圖1c是圖1a的放大視圖，顯示了兩個相鄰的燃油噴嘴。
圖2a是本發(fā)明燃燒器的拱頂及燃油噴射器三角形配置的簡圖。
圖2b是圖2a中燃燒器的簡圖，顯示了強燃燒區(qū)和弱燃燒區(qū)。
圖2c是圖2a的放大視圖，顯示了若干個燃油噴嘴。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的燃油噴射器特性因數(shù)曲線的比較圖。
在用燃燒器簡圖描述本發(fā)明時，首先應當明確燃燒器的構(gòu)造、燃油噴射器和支撐結(jié)構(gòu)均采用公知技術(shù)。這里能夠找到的典型裝置是由普拉特·惠特尼聯(lián)合技術(shù)公司生產(chǎn)的飛機發(fā)動機PW4000、PW2000和F100系列。(該公司還是本專利申請的受讓人)。
在此只需限定燃燒器是環(huán)形的，具有一個外環(huán)襯套和一個內(nèi)環(huán)襯套，它們之間構(gòu)成一個具有燃燒區(qū)和稀釋區(qū)的燃燒室。襯套應與適當?shù)聂~鱗板或者浮板式的襯套結(jié)構(gòu)相配，該襯套由高速飛機使用的耐高溫材料制成。在典型的實施例中，環(huán)形燃燒器帶有一個在內(nèi)部與內(nèi)外襯套前端相接的拱頂，以封閉燃燒室的前端，并且安裝一組燃油噴射器，向燃燒區(qū)噴入燃油和空氣。吸入發(fā)動機的空氣的壓力及溫度在進入燃燒器之前已被壓縮機提高了，部分空氣通過圍繞在燃油噴嘴上的空氣渦旋噴嘴噴入燃燒區(qū)，該噴嘴可以是壓力霧化型或是空氣霧化型，還有一部分空氣則從所在燃油噴射器下方燃燒器襯套上燃燒器氣孔供入，再有一部分空氣則作為冷卻氣沿著燃燒室壁送入，冷卻襯套。
為了更好地評價本發(fā)明，參照圖1a、1b和1c來說明現(xiàn)有技術(shù)中安置在燃燒器拱頂?shù)娜加蛧娚淦鞯呐渲梅绞?。如前所述，人們常用的是在環(huán)繞燃燒器拱頂以一定的半徑設(shè)置一圈燃油噴射器，每個均占有相等的空間。各燃油噴射器具有相同的空氣渦旋方向也是現(xiàn)有技術(shù)中的典型方式，也就是說所有的空氣渦旋噴嘴使噴入燃燒器中的空氣成為順時針旋向，或者逆時針旋向。
如圖1a所示，10表示的是燃燒器的拱頂，其上安置著占有相等空間的燃油噴射器，由圓環(huán)12表示。很明顯，燃油噴射器包括一個向燃燒區(qū)噴入燃油的孔和一個向燃燒區(qū)噴空氣的空氣渦旋噴嘴。渦旋噴嘴這一名稱已經(jīng)表明了它是先將尚未噴入燃燒區(qū)的空氣變成渦旋狀，而渦旋的旋向則通過渦旋噴射器的設(shè)置來控制。本例中箭頭A表示順時針的渦旋方向，且所有渦旋的旋向相同。如有可能使相鄰的空氣渦旋噴嘴旋向交替變化，那么熾熱的燃氣流便會正對著襯套壁，影響襯套的壽命，也就是說相鄰渦旋噴射器相反的旋向帶來的渦旋相互增強是以犧牲燃燒器的壽命為代價的。因此，交替變化的渦旋旋向并不適合于目前傳統(tǒng)的單環(huán)或雙環(huán)形燃燒器。
如圖1b，燃燒室陰影區(qū)B所示的主要區(qū)域14處的劇烈燃燒并未充滿燃燒器的整個空間，因此該燃燒器比其它情況下所需的要大。
按照圖2a、2b和2c描繪的本發(fā)明，燃油噴射器12a安置在拱頂10a上，構(gòu)成三角形排列，在圖中由虛線標出的區(qū)域G表示。再有，從圖2a中還可以看到，位于不同半徑上的相鄰的燃油噴射器渦旋方向是交替變化的，內(nèi)圈渦旋噴嘴12a為順時針旋向，而外圈渦旋噴嘴12a為逆時針旋向，以使燃油噴射器的渦旋相互增強，而又不會使燃氣流正對著襯套。
從圖2b所示中也可以看到，由于渦旋相互增加，燃料分布更加均勻，且燃料與空氣的混合變得更加強烈，先從靠近燃燒器拱頂位置處開始劇烈燃燒(圖中C1所示區(qū)域內(nèi))，該燃燒過程只在一個較小的空間D1內(nèi)進行。同樣重要的是，由于燃油噴射器的這種配置，使劇烈的燃燒占滿了大部分的環(huán)形空間(圖中陰影所示的區(qū)域E1)。因為高效的燃燒只需較小的燃燒距離，所以燃燒器的長度就可以減小，從而減少了發(fā)動機的長度和重量。由此可見，本發(fā)明燃燒器的拱頂直徑并不比圖1a、1b和1c中所示的現(xiàn)有燃燒器的拱頂直徑大。
從以上論述中還可清楚地看到，本發(fā)明在不大于現(xiàn)在燃燒器拱頂面積里安置了更多的燃油噴射器，這樣就加強了燃油噴射器的作用和燃氣流場中的混合比。如圖2c所示，弱燃燒區(qū)域F1與現(xiàn)有燃燒器相比所占的空間減小了。
如圖3，與現(xiàn)有的燃燒器相比，采用本發(fā)明燃油噴射器布置形式的燃燒器長度可以縮短。短燃燒器通常會使特性因數(shù)變劣，但本發(fā)明的燃燒器則不受此影響，即不會產(chǎn)生在縮短燃燒器長度情況下通常會對特性因數(shù)的不利影響。此外，由于燃燒器長度縮短了，還使本發(fā)明的(TRINAR型)燃燒器的特性因數(shù)低于傳統(tǒng)的燃燒器(即圖1a、1b和1c所示)。
本發(fā)明揭示了一種改進的燃燒方法，該方法在不導致特性因數(shù)變劣的情況下允許使用一個更短的燃燒室，即在較短的燃燒距離內(nèi)使燃油空氣混合氣產(chǎn)生劇烈燃燒由于采用了雙環(huán)形燃燒器，本發(fā)明能夠使用更多的燃油噴射器，而不增加拱頂高度或者襯套表面積。
雖然，本發(fā)明的說明中顯示并描述了有關(guān)實施例的具體細節(jié)，但需要明確的是在不違背本發(fā)明的權(quán)利要求的主旨及范圍的情況下，其具體構(gòu)造是可以變化的。
權(quán)利要求
1.一種燃氣輪機的環(huán)形燃燒器，具有一個軸向沿伸的外環(huán)形壁和一個與所述外環(huán)形壁同軸安置的內(nèi)環(huán)形壁，兩者之間限定了一個燃燒室，一個從內(nèi)部將所述內(nèi)壁和外壁的前端相接的拱頂，用以封閉所述燃燒室的前端，一組安置在所述拱頂上的帶有空氣渦旋裝置的燃油噴嘴，所述燃油噴嘴以一個大半徑和一個小一些的半徑安置成兩排，其中相鄰的三個燃油噴嘴中有兩個來自大半徑的一排，另一個來自小半徑的一半，或者兩個來自小半徑的一排，另一個來自大半徑的一排，通過三個噴嘴中心可以構(gòu)成一個三角形，從每個燃油噴嘴中噴出的燃油和空氣與相鄰噴嘴噴出的相互制約，從而在所述環(huán)形燃燒室的前端形成一個油/氣渦旋，穩(wěn)定燃燒。
2.一種如權(quán)利要求1所述的環(huán)形燃燒器，其特征是，由相鄰燃油噴嘴的空氣渦旋裝置噴出的渦旋空氣旋向相反。
全文摘要
一種燃氣輪機燃燒器的燃油噴嘴(12a)，分成兩圈同軸安裝在拱頂(10a)的圓周上，并排列成三角形，空氣渦旋的旋向增加燃燒強度，以便能夠在提高發(fā)動機溫度和推重比時減少燃燒器的體積和重量。
文檔編號F23R3/50GK1044325SQ9010076
公開日1990年8月1日 申請日期1990年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月12日
發(fā)明者詹姆·A·克拉克, 詹姆斯·H·沙多溫, 托馬斯·L·杜貝爾 申請人:聯(lián)合工藝公司