CN103765108A - 燃烧室的壁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机组的燃烧室的领域，并且特别地涉及涡轮机组的燃烧室（4）的环形壁（11）。该壁（11）具有冷侧和热侧以及提供有至少一个主孔（17），该主孔能够使流到壁（11）的冷侧上的第一空气流穿入到壁（11）的热侧，以供应在燃烧室（4）内燃料的燃烧，以及多个冷却孔（19），每个具有不大于1mm的直径，以能够使流到壁（11）的冷侧上的第二空气流穿入到壁（11）的热侧，以冷却壁（11）的热侧。凭借经过冷却孔（19）穿入到壁（11）热侧的空气流，所述多个冷却孔（19）也能够掺混由所述燃烧所产生的燃烧气体（20）。

Description

燃烧室的壁

发明的背景

本发明涉及涡轮机组的燃烧室领域，并且特别地涉及涡轮机组的燃烧室的环形壁，该壁具有冷侧和热侧。

本上下文中使用术语“涡轮机组”，意指一种机械，其通过工作流体在涡轮机中膨胀，将所述工作流体的热能转化为机械能。在下面的描述中，相对于通过涡轮机组的工作流体的正常流动方向而限定术语“上游”和“下游”。

特别地，本发明涉及所谓的“内燃”涡轮机组，其中涡轮机的工作流体包含至少一些燃烧的产物，该燃烧已经将该热能传递给工作流体。这种涡轮机组特别地包括燃气涡轮机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。通常地，这种内燃涡轮机组包括涡轮机上游的燃烧室，在该燃烧室中燃料与工作流体，通常空气混合，并且被燃烧。因此，燃烧室中，燃料中所包含的化学能被转化热能，因此加热工作流体，并且在涡轮机中，工作流体的热能随后被转换为机械能。通常，这种涡轮机组也包括燃烧室上游的由与至少一个涡轮机级共同的旋转轴所驱动压气机，以在燃烧之前压缩空气。

在这种涡轮机组中，燃烧室通常具有至少一个环形壁，该环形壁带有孔，以能够使在壁的冷侧上流动的空气穿入到壁的热侧。这种壁在燃料喷射器正常地所位于的燃烧室的端壁和燃烧气体出口之间，在工作流体的流动方向上延伸。燃烧室通常地位于气体发生器壳体内侧，该壳体连通压气机，以接收其中已经被压缩的气体。

在这种燃烧室中，通过孔的空气的流动执行几种功能。在接近燃烧室端壁和由此接近喷射器的称为“主”区的第一区域中，壁包括至少一个“主”孔，该主孔主要用于输送与喷射器所喷射的燃料进行燃烧反应的空气。然而，通过位于更远下游的第二区，称为“掺混区”中的孔进入到燃烧室中的空气主要用于掺混燃烧气体，以降低在燃烧室出口处其温度，因此限制燃烧室下游的涡轮机上热应力。

然而，为了增加涡轮机组的热动力循环效率，趋势是越来越多地增加燃烧室中的温度。这导致在燃烧室外壳的壁上也出现了相当大的热应力。为了冷却这些壁，它们可以具有正常地不大于1毫米（mm）的小直径的大量冷却孔。通过这些冷却孔进入到燃烧室中的空气在每个壁的热侧形成相对冷的薄膜，因此保护壁的材料免受燃烧热。

在现有技术燃烧室的掺混区中，然而发现有用于掺混燃烧气体的正常地大于1mm的大直径的掺混孔以及用于冷却燃烧室壁的不大于1mm的小直径的冷却孔两种，因为本领域技术人员的观点是必须具有只能通过大直径的孔所产生的空气喷射流，以使得它们能够深深地穿入到燃烧室中的流动中，以获得下游掺混空气和燃烧气体之间更好的混合。然而，这导致了其它缺陷。特别地，这些掺混空气喷射流可以导致燃烧室内温度的大量不均匀性。不幸地，考虑环境原因和燃烧室效率原因，确保燃烧室内温度尽可能地均匀地分布是重要的。其中的任何温度峰都可以引起一氧化二氮形成，而在低温区中燃料可以保持不被燃烧。

发明的目的和概述

本发明因此涉及用于涡轮机组的燃烧室的环形壁，该壁具有冷侧和热侧，所述壁提供有至少一个主孔，该主孔能够使流到壁的冷侧上的第一空气流穿入到壁的热侧，以供应在燃烧室内燃料的燃烧，以及多个冷却孔，每个具有不大于1mm的直径，以能够使流到壁的冷侧上的第二空气流穿入到壁的热侧，以冷却壁的热侧。

本发明的目的是使燃烧室内温度分布更均匀，而增加涡轮机组的热动力循环效率。为此，在用于本发明的涡轮机组的燃烧室的环形壁的至少一个实施方式中，通过使用经过冷却孔穿入到壁的热侧的空气流，多个冷却孔也适于掺混由所述燃烧所产生的燃烧气体。与本领域技术人员的偏见相反，已经发现将空气供应给这种小直径的孔口，不仅足以冷却燃烧室的壁，而且也能够获得燃烧气体与通过这些小直径的孔口所输送的空气的有效混合，因此获得燃烧气体的有效掺混。

特别地，在本发明的第二方面，在这种燃烧室中，所述冷却孔可以具有不小于50%的总表面面积，用于使空气通过壁，并且更特别地，至少97%的总表面面积，用于使空气通过所述至少一个主孔下游的壁。因此，可以省略用于掺混燃烧气体的大量大直径的孔口，因此不仅帮助避免了燃烧室中流动的不均匀性，也使得制造燃烧室的掺混区更容易。

在第三方面中，为了改善燃烧气体和通过冷却孔所输送的空气之间的混合，多个所述冷却孔中每个孔沿着在壁上投影的轴线被定向，该轴线相对于壁的中心轴线的方向具有不小于45°的角度θ。特别地，所述角度θ可以位于85°到95°的范围。因此，通过冷却孔喷射到燃烧室中的空气遵循螺旋形路径，因此延长了在燃烧室中其通过时间和增厚了邻近壁的热侧的相对冷的空气的薄膜，因此不仅有益于壁的冷却，也有益于燃烧气体与空气以更厚的薄膜进行混合。

在第四方面，并且也为了改进燃烧气体与通过冷却孔所引入的空气的混合，多个所述冷却孔的每个孔沿着轴线被定向，该轴线相对于壁具有角度β，该角度β不大于45°，并且优选地不大于30°。这确保了邻近壁的热侧的相对冷的空气的薄膜是稳定的。

然而，在第五方面中，并且也是为了稳定冷空气的薄膜的目的，所述角度β不小于15°，并且优选地不小于20°。

本发明也提供了涡轮机组的燃烧室，包括同轴的内壁和外壁。内壁和/或外壁可以是构成本发明的实施方式的环形壁，因此包括多个冷却孔，每个具有不大于1mm的直径，以能够使流到壁的冷侧上的第二空气流穿入到壁的热侧，以冷却壁的热侧，并且通过使用经由冷却孔穿入到壁的热侧的空气流也确保由所述燃烧所得到的燃烧气体的掺混。然而，燃烧室可以具有除了该环形形状以外的形状。例如，可以由围绕着涡轮机组的中心轴线所设置的具有不同中心轴线的多个这种环形壁形成它，以形成大量单独的火焰筒。

本发明也涉及特别地用于航空学应用中的涡轮机组，诸如燃气涡轮机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机，发动机包括带有至少一个环形壁的燃烧室，该环形壁包括多个冷却孔，每个冷却孔具有不大于1mm的直径，以能够使流到壁的冷侧的第二空气流穿入到壁的热侧，以冷却壁的热侧，并且也通过使用经由冷却孔穿入到壁的热侧的空气流也确保由所述燃烧所得到的燃烧气体的掺混。

本发明也提供了在涡轮机组的燃烧室中掺混燃烧气体的方法，所述燃烧室具有至少一个环形壁，该环形壁带有冷侧和热侧，并且提供有至少一个主孔，以能够使流到壁的冷侧上的第一空气流穿入到壁的热侧，以供应在燃烧室内燃料的燃烧，和提供有多个冷却孔，每个冷却孔具有不大于1mm的直径，以能够使流到壁的冷侧上的第二空气流穿入到壁的热侧，以冷却壁的热侧，该方法的特征在于：穿入到壁的热侧的空气流也用于掺混燃烧气体。

附图的简要描述

通过阅读下面通过非限制性实施例所给出的实施方式的详细描述，可以更好地理解本发明，并且可以更好地呈现它的优点。说明书参考了附图，其中：

图1是涡轮机组的示意性纵向截面。

图2是现有技术燃烧室的示意性纵向截面。

图3是本发明第一实施方式中燃烧室的示意性纵向截面。

图4A是图3圆柱形投影形式的燃烧室的壁的详细视图。和

图4B是沿着线IVB-IVB的截面中同样壁的详细视图。

发明的详细描述

在图1中，通过解释示意性地示出了涡轮机组，并且更特别地涡轮轴发动机1。在工作流体的流动方向上，该发动机1包括：离心式压气机3；环形燃烧室4；第一轴向涡轮机5；和第二轴向涡轮机6。此外，发动机1也具有第一旋转轴7以及与第一旋转轴7同轴的第二旋转轴8。

第二旋转轴8连接离心式压气机3和第一轴向涡轮机5，这样在燃烧室4下游第一轴向涡轮机5中工作流体的膨胀用于驱动燃烧室4上游的压气机3。第一旋转轴7连接第二轴向涡轮机6和位于发动机下游和/或上游的动力输出端9，这样第一轴向涡轮机5下游的第二轴向涡轮机6中工作流体的随后膨胀用于驱动动力输出端9。

因此，离心式压气机3中工作流体的压缩，接着燃烧室4中工作流体的加热，接着在第二轴向涡轮机6中它的膨胀，能够使通过燃烧室4中燃烧所获得的一部分热能转化为取自动力输出端9的机械能。在所示的发动机中，驱动流体是空气，同时燃料添加到燃烧室4中和在燃烧室4中燃烧，该燃料例如可以是碳氢化合物。

图2中示出了现有技术的燃烧室204。该燃烧室204包括内壁211和外壁212，这些壁是环形的和同轴的，从这两个壁211和212连接在一起的端壁213延伸直到燃烧气体出口。燃烧室204可以被分成燃料喷射器215所位于的主区204a和主区204a下游的掺混区204b。在所示实施例中，燃烧室204是具有弯曲部216的类型，以限制其轴向范围。这种类型的燃烧室在具有离心式压气机的涡轮机组中，特别地，当它们是如图1中所示的涡轮轴发动机时特别普遍。

燃烧室204的壁211和212具有三个不同类型的孔，所有三种类型的孔都用于使来自于燃烧室204外侧的壁211、212的冷侧的空气流流到燃烧室204内侧的壁211、212的热侧。第一种类型的孔也称为“主”孔217，位于主区204a中和用于通过空气，该空气用于供应给喷射器215所喷射的燃料的燃烧。这些主孔217的下游，壁211、212也具有通过空气的称为“掺混”孔218的第二种类型的孔，该空气用于掺混燃烧气体220，该燃烧气体220由喷射器215所喷射的燃料与经由主孔217进入的空气进行反应而燃烧产生的。壁211、212也具有称为“冷却”孔219的第三种类型的孔，允许空气通过，该空气用于冷却壁211、212中每个壁的热侧。三种类型的孔特别地不同在于它们不同的尺寸。因此，主孔217以及上述所有掺混孔218的直径显著地大于冷却孔219的直径。而冷却孔大量地分布在壁211、212的表面上，它们中每个的直径都不大于1mm，掺混孔218具有约5mm和更大的直径。因此，当发动机运行时，通过冷却孔219穿入到壁211、212的热侧的空气形成了相对冷的空气的薄膜221，该薄膜221保持邻近壁211、212以保护它们免受燃烧气体220的加热，穿过掺混孔218的空气形成喷射流222，该喷射流222深深地穿入到燃烧室204中，以变得与掺混区204b中的燃烧气体220混合。

图3中示出了本发明实施方式中的燃烧室4。该燃烧室4也具有环形的和同轴的内壁11和外壁12，这两个壁从壁11和12连接在一起的端壁13延伸直到燃烧气体出口。燃烧室4同样地可以被分成燃料喷射器15所位于的主区4a和主区4a下游的掺混区4b。在所示的实施方式中，内壁和外壁间隔最大的径向距离h，并且沿着燃烧室的中心轴线X的方向上主区的深度等于所述距离h。在所示的实施例中，燃烧室4同样地是具有弯曲部16的类型，以限制其轴向范围。

然而，不同于现有技术的燃烧室204，该燃烧室4只有两种类型的孔，用于使来自于燃烧室4外侧的壁11、12的冷侧的空气流流到燃烧室4内侧的壁11、12的热侧：它具有主孔17和冷却孔19。因此，所述主孔17的下游，并且特别地在掺混区4b中的主孔17的下游，壁11、12特别地呈现没有用于通过空气的孔的直径大于1mm。尽管壁11、12可以具有某些其它的孔口，诸如，例如用于燃烧室4的内窥镜检查的孔，但是冷却孔19代表了掺混区4b中用于使空气通过壁11、12的至少50%的总表面面积和至少97%。

在该燃烧室4中，不存在更大直径的特定的掺混孔，因此，实际上燃烧气体20专门地被经由冷却孔19穿入到燃烧室4中的空气所掺混，具有与燃烧气体20有效地混合的邻近壁11、12的空气的薄膜21。为了方便该混合，在所示实施方式中，定向冷却孔19，以推动经由这些冷却孔19穿入到燃烧室4中的空气在螺旋形的轨迹上。因此，如图4A和图4B中所示，在该实施方式中，每个冷却孔19沿着轴线被定向，该轴线具有相对于壁11、12的角度β，该角度β位于20°到30°的范围，并且该角度β在壁上具有投影，具有相对于中心轴线X的方向约90°的角度θ。所示的燃烧室4由此达到均匀地和以有效的方式掺混燃烧气体20，而省略了大直径的特定掺混孔，因此避免了与其有关的缺陷。

尽管参考了特定的实施方式描述了本发明，但是可以对该实施例进行各种修改和改变，而不超出权利要求所限定的本发明的总的范围，这是清楚的。例如，可以设想其它的角度θ和β，并且特别地在θ≥45°和15°≤β≤45°的范围。此外，所提到的各个实施方式的单独特征可以组合以产生另外的实施方式。因此，以示例性意义，而不是限制性意义上考虑说明书和附图。

Claims (10)

1.涡轮机组的燃烧室（4）的环形壁（11、12），所述壁（11、12）具有冷侧和热侧以及提供有至少一个主孔（17），该主孔能够使流到壁（11、12）的冷侧上的第一空气流穿入到壁（11、12）的热侧，以供应在燃烧室（4）内燃料的燃烧，以及多个冷却孔（19），每个具有不大于1mm的直径，以能够使流到壁（11、12）的冷侧上的第二空气流穿入到壁（11、12）的热侧，以冷却壁（11、12）的热侧，该壁的特征在于：通过使用经过冷却孔（19）穿入到壁（11、12）热侧的空气流，所述多个冷却孔（19）也适于掺混由所述燃烧所产生的燃烧气体（20）。

2.根据权利要求1的涡轮机组的燃烧室（4）的环形壁（11、12），其中所述冷却孔（19）具有不小于50%的总表面面积，用于使空气通过壁（11、12）。

3.根据权利要求1或权利要求2的涡轮机组的燃烧室（4）的环形壁（11、12），其中所述冷却孔（19）代表至少97%的总表面面积，用于使空气通过所述至少一个主孔（17）下游的壁（11、12）。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求的涡轮机组的燃烧室（4）的环形壁（11、12），其中多个所述冷却孔（19）中的每个孔沿着在壁（11、12）上投影的轴线被定向，该轴线相对于壁（11、12）的中心轴线（X）的方向，具有不小于45°的角度θ。

5.根据权利要求4的涡轮机组的燃烧室（4）的环形壁（11、12），其中所述角度θ位于85°到95°的范围。

6.根据任一前述权利要求的涡轮机组的燃烧室（4）的环形壁（11、12），其中多个所述冷却孔（19）中的每个孔沿着轴线被定向，该轴线相对于壁（11、12）具有角度β，该角度β不大于45°，并且优选地不大于30°。

7.根据权利要求6的涡轮机组的燃烧室（4）的环形壁（11、12），其中所述角度β不小于15°，并且优选地不小于20°。

8.涡轮机组的燃烧室（4），包括同轴的内壁（11）和外壁（12），所述内壁（11）和/或所述外壁（12）是根据权利要求1至7的任一权利要求的环形壁。

9.涡轮机组（1），其包括燃烧室（4），该燃烧室具有根据权利要求1至7的任一权利要求的环形壁（11、12）。

10.一种在涡轮机组的燃烧室（4）中掺混燃烧气体（20）的方法，所述燃烧室（4）具有至少一个环形壁（11、12），该环形壁带有冷侧和热侧，并且提供有至少一个主孔（17），以能够使流到壁（11、12）的冷侧上的第一空气流穿入到壁（11、12）的热侧，以供应在燃烧室（4）内燃料的燃烧，和提供有多个冷却孔（19），每个冷却孔具有不大于1mm的直径，以能够使流到壁（11、12）的冷侧上的第二空气流穿入到壁（11、12）的热侧，以冷却壁（11、12）的热侧，该方法的特征在于：穿入到壁（11、12）的热侧的空气流也用于掺混燃烧气体（20）。

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