CN1042599A - 气体冷却火焰稳定器组件 - Google Patents

Abstract

现有喷气发动机的改进方法是增高工作温度，这也增加了加力燃烧室型发动机的回火倾向。后者有火焰稳定器内外环形件间的燃料先导供给管。在先导管下游，隔板将点燃的油气混合气引入到加力燃烧室腔。加力燃烧室的火焰在火焰稳定器的下游，但温度增高时可能向上游的火焰稳定器移动。有装置防止这倾向，用排气来冷却稳定器金属，并降低下游空气温度，从而减小回火的可能。一实施例中用燃料及含氧耗尽的涡轮排气再减小回火倾向。

Description

本申请案为同时提交并转让给被转让人的待批准申请案第号（文档号13LN-1719）有关。本发明与一种冷却火焰稳定器组合件有关。

本发明与燃气涡轮机，即喷气发动机有关，具体地说与中心发动机下游有加力燃烧室的发动机有关，该加力装置在排气流中添加燃料以增加推力。

一个内外函喷气发动机有一个低压压缩机（LPC），在发动机进气口上加压;一个中心发动机产生推力并驱动低压压缩机;另外还有一个加力燃烧室，在里面向中心发动机的排气中添加燃料，燃料点火后提供推力的增力。内外函发动机名称的所以取得，是因为有一个环形外壳，基本同心围绕中心发动机安装，形成其间的一个环形外函道。低压压缩机的排气向外函道及中心发动机分送。

一般讲，发动机技术已趋成熟，由于现有发动机已导致到大功率的型号，发动机高功率输出的一个设计方法是提高涡轮的进气温度，相应也提高加力燃烧室的进气温度。从而冲刷加力燃烧室设备的燃气混合的回火余量也按比例降低。回火指的是焰锋在其设计位置的上游，在逆主燃气流方向上，向着火焰稳定器和燃料喷射源的方向移动。回火余量指的是排气实际温度和可能造成回火的排气温度的差量。

假使涡轮排气温度有相当大的增高，于是加力燃烧室的焰锋，便将在加力燃烧室的燃烧腔中，向上游的火焰稳定器方向移动。于是，由于辐射/对流热负荷，火焰稳定器温度会升高，这会缩短火焰稳定器的设计寿命。

因此，本发明的一个目的，是提供一种改进的火焰稳定器。

本发明的另一目的，是提出一种冷却火焰稳定室的装置。

本发明又一目的，是提出一种提高加力燃烧室回火余量的装置。

本发明为一个改进的火焰稳定器，有冷却后向表面的装置。公开了将中心发动机排气或对外函道空气进行引导，以便对后表面冷却的结构。

相信有足以代表本发明新颖的特点，罗列于文后权利要求书内。至于发明本身，则根据其一最佳实施例，并就发明的其他目的和优点，在下文中结合附图的细节说明中，予以详尽叙述，附图如下：

图1    为本发明一个实施方案中的内外函喷气发动机的概略剖视图，有一个加力燃烧室，其中有火焰稳定器组合件。

图2    为沿图1中2-2线火焰稳定器组合件的朝向上游的端视图。

图3    为本发明一实施方案火焰稳定器组合件一部分的放大简图。

图4    为图3中沿4-4线若干隔板的俯视图。

图5    表示图1火焰稳定器组合件的一部分，一个剖面示其中一个隔板。

图6    表示本发明又一方案中火焰稳定器组合件的一部分，一个剖面所示为其中一隔板。

图7    为与图3相似的火焰稳定器组合件一部分的简图，示出本发明的另一实施例。

图1表示一个实例的燃气涡轮机11，其型式可以为一种内外函喷气发动机。发动机11有一个低压压缩机（LPC）13，放在发动机11的进气端。低压压缩机13在气流方向上的后面，跟随一个中心发动机15，其中有一个高压压缩机，一个燃烧室和高低压涡轮（未示出）。中心发动机15由一个环形内壳17围绕。一个环形外函道19，由内壳17及环形外壳21围绕其一部分，外壳21基本与内壳同心而互有间距。虚线流向箭头22表示低压压缩机13排气的通过中心发动机15的部分，实线箭头24表示低压压缩机13排气的由外函道19引导的另一部分。

沿气流方向在中心发动机的下游，有一个加力燃烧室25。本发明的一个实施例中，火焰稳定器放在加力燃烧室25的进口中。燃料通过若干燃料供给管25（仅示其一），引入加力燃烧室25。燃料和一部分外函道气流24混合，至少由一个点火器点火，给发动机11提供加力的推力。将外函道19的部分空气26，通过飞机发动机技术中熟知的环形混合器装置41，送入中心发动机15。加力燃烧室25还有一个内燃烧室衬套45，和一个可变载面积的排气喷管49。前面的一般叙述，是为使读者了解本发明运转的一般环境条件，而不应认为对本发明的说明本身有任何限制。

图2表示火焰稳定器组合件31的朝向上游的端视图。火焰稳定器组合件31有一个径向外火焰稳定器51，和一个径向内火焰稳定器55。外火焰稳定器51形式为若干陡立体（非流线体），内火焰稳定器55形式为一个V形环状稳定槽环。内火焰稳定器55用若干在周向上有间隔的支撑环57，支撑在外火焰稳定器51上。图中虽未具体表示，但支撑内火焰稳定器55的外火焰稳定器51，本身又用支撑环按飞机发动机制造者熟悉的方法，支撑在外壳21上。外火焰稳定器51至少用一个交叉火焰稳定槽61（crossfire    gutter）和内火焰稳定器55接通，在图示的实施例中使用了两个交叉火焰稳定槽61，使在外火焰稳定器51的下游表面上一开始出现的火焰，朝内火焰稳定器55并径向向内扩散。

图3为外火焰稳定器51及相邻结构的概略剖视图，未示出上面安装的内焰稳定器55或交叉火焰稳定槽61。此外，为了简化附图，简单示出一个燃料喷咀架65，从燃料管35上伸出，图示伸入到外火焰稳定器51，向里面喷射燃料。再看图1，燃料供管35实际和若干径向内伸的喷咀架连接，其中包括主燃料喷咀架和先导燃料喷咀架。主燃料喷咀架从外火焰稳定器51的径向内向外侧的地点，向轴向下游喷射燃料，在一个实施例中，可有多至24根管，而其中有一半数目的先导燃料喷咀架。外火焰稳定器51的其他标有图号的部件和邻近的结构，在上文已叙述。

并且，外火焰稳定器51有一个径向外环形件71和一个径向内环形件73，围绕其间的一个上游端进口70，和下游端的出口72。这两环形件可用若干倒棱的紧固件或销101，在外火焰稳定器51的进口端70处连接，如图7。此外，有若干空心翼片形隔板79，在内外环件71，73之间伸展。黑箭头74表示中心发动机的第一部分，即涡轮燃烧排气，排气围绕隔板79流动，下面将结合关于图4的内容进行叙述。

外火焰稳定器51的内环形件73，有朝向上游的进气口83在上面紧固。在最佳实施例中，有若干这种进气口83紧固在内环件73的径向内表面上，有孔85形成，穿透内环件73，至少与隔板79的某些内部接通。流向箭头76为空白箭头，表示排入隔板79内的涡轮第二部分排气的流向。在一最佳实施例中，可有一个进气口83，将排气体通过贯通内环件73的一个相应的孔85，引入到相应的一个隔板79。

这里必须注意到，从每一隔板79中通过的排气，是燃料及氧气已燃烧完了的涡轮废气，就是其燃料及氧气已完全或大部烧尽。下文将叙述另一个实施例，排气可交替为外函道气，在任一情况下，不在隔板79的排气中加燃料。而是通过喷咀架65，在围绕隔板79流动的排气中加入燃料。在图3及4中，用白箭头表示燃料耗尽的气体，加燃料后的排气用黑箭头表示。

参见图4，为沿图3中4-4线的俯视图，表示若干周向有间距的隔板79及喷咀架65，在这实施例中，一个喷咀架65和两个相邻的隔板79相关。隔板79各有一个前缘部80，和一个后缘部82。隔板79的形状及尺寸，根据外火焰稳器51中燃料及气体的混合状况的要求，使燃气的混合正确，并且火焰在外火焰稳定器51的后缘部82的下游侧，即后表面84处发生，而不在点火器39的位置上发生。隔板79还在燃料及涡轮排气上起总的旋涡或旋转作用，或称为燃气混合气，以增强其混合。图4还示出在隔板79前缘部80下方，在内环形件73上形成的通孔85，使排气可引入隔板79内。

图3，4及5应结合本发明观察。与已提及过的元件属于相同的元件应该用相同符号。并且提请读者注意：白箭头76表示所含燃料已耗尽的气体，而黑箭头表示含碳气体，也就是已有燃料与之混合的气体74。

图5表示火焰稳定器组件31的局部剖视图，为说明气流路线，并示出其结构与隔板79相关的细节，还将隔板79的前缘部80向读者方向转了90度。火焰稳定器组合件31的视图，为其后表面，即下游表面84。图5表示外火焰稳定器51的一个最佳实施例，其隔板79的后表面84上形成薄膜冷却放气窗95。放气窗95排出燃料已耗尽的气体，如白箭头76所示。隔板79后表面84的薄膜冷却，降低后表面84的金属温度。还必须理解的是，当所含燃料已耗尽的经薄膜冷却的气体76从放气窗95排出时，增碳的，也就是燃料富集的气体86，被从隔板79之间排出，因而根据流向箭头图所示，明显可见薄膜冷却气体76紧靠每一隔板79的后表面84，而富燃料气体86作为一个流束或流层排出，和隔板79的后表面84相比，超出薄膜冷却气体76。因此，薄膜冷却的气体76处于隔板79中，也就是隔板后表面84，和在隔板之间流过的燃气混合气86之间。还应理解到：含碳混合气86已由点火器39点火，于是造成后表面84下游的焰锋，其温度高于从放气窗95排出的相对较低温的气体76。

此外，尤其在有逆燃开始发生时，当增碳气体86开始燃烧，温度比所设计的金属温度高很多，这时冲刷后表面84的薄膜冷却气体76，比气体86的温度低数千度，于是在实际的持续或零星的回火情况下，形成有效的冷却薄膜。

除进行后表面84的薄膜冷却外，气体76还形成屏蔽薄膜，防止焰锋接触后表面84。用已燃尽的气体76也有优点，因它已变为不易燃烧，这样就可形成更有效的薄膜冷却屏蔽。

参看图6，表示本发明又一方案，其隔板79的后表面84由对流冷却，隔板79中导引壁97，大致与隔板79后表面84平行，形成后表面84附近的流路98。在这实施例中，未增碳气体或燃尽气体76的气流，从隔板79后表面84的内表面上通过，气体76从隔板79的后缘，通过排气口99排出。虽然此两实施例对隔板79后表面84的冷却都有效，还应指出当送入隔板79内部的冷却气体76，是涡轮排气76时，气体76不但其中燃料已耗尽，而且含氧也已耗尽。本发明的一个目的，是用无氧无燃料气体76冲刷隔板79的后表面84，还可能减少外火焰稳定器51后表面84上偶然产生的火焰。

最后，图7表示本发明另一实施例的概略形式。图7与图3相似，仅因清楚起见，将喷咀架65拆卸。上文已提及的圆形紧固件或销101，将内外火焰稳定器环形件73，71的两上游端连接。

在这实施例中，一部分旁路空气24取自外函道19，通过管105及外环形件71的开口107，引入隔板79内。开口107的功能与最佳实施例的开口85相同，有若干进气口111在内衬17上紧固，形成外函道19的内周缘。这实施例的优点是外函道中空气24的温度低于涡轮排气74很多。

虽然上面已对据信为本发明的最佳实施例作了叙述，但对本领域的普通技术人员可能考虑到其他修改。所有的修改一定要包括在下文的权利要求内，且这些修改都包含在本发明的精神和保护范围之内。

Claims (22)

1、一种燃气涡轮机中有下列各项：

一个空气压缩器；

一个在该压缩器下游伸展的外壳；

一个中心发动机有一个涡轮与该压缩器连接，该中心发动机放在壳体内，与外壳形成一个外函道，将该压缩器排出的第一部分空气引导围绕该中心发动机，并从该压缩器接受的第二部分空气，和燃料混合，燃烧并产生燃气驱动该涡轮及该压缩机，该燃气可从该中心发动机的后端排出；

一个加力燃烧器放在该中心发动机的下游，其中有下列各项：

一个燃烧室里衬，

一个火焰稳定器组合件放在该里衬的上游，而在该中心发动机的下游，该组合件有一个火焰稳定器，

冷却该火焰稳定器的装置。

2、如权利要求1中所述之燃气涡轮发动机，其特征为该火焰稳定器冷却装置，把空气从该外函道内引入，起到冷却该火焰稳定器的作用。

3、如权利要求1中所述之燃气涡轮发动机，其特征为该火焰稳定器冷却装置，把该中心发动机排出的燃气引导，起到冷却该火焰稳定器的作用。

4、如权利要求3中所述之燃气涡轮发动机，其特征为该火焰稳定器组合件还有引入该火焰稳定器上游燃料的装置，该火焰稳定器冷却装置有冷却该火焰稳定器的向后的表面的作用。

5、如权利要求4中所述之燃气涡轮发动机，其特征为该火焰稳定器有在径向间隔的内外环形件，在上游端形成它们之间的进口，在下游端形成它们之间的出口，该出口有一个火焰稳定器件，它有向后的表面，可用冷却装置进行冷却，该进口和该中心发动机联通，为了接受其中第一部分燃气。

6、如权利要求5中所述之燃气涡轮发动机，其特征为该冷却装置在该火焰稳定器的内环形件上有一个孔，从该中心发动机接受其第二部分的该燃气，并有装置向该火焰稳定器元件引导该第二部分气体。

7、如权利要求5中所述之燃气涡轮发动机，其特征为该火焰稳定器元件有若干在圆周上有间距的空心件，在该内外环形件之间伸展，该冷却装置有若干在该内环形件上的孔，从该中心发动机接受第二部分该燃气，每一个该孔安置在相应的一个该空心件的下面，向里面供给燃烧气体用于冷却该空心件的后表面。

8、如权利要求7中所述之燃气涡轮发动机，其特征为每一该空心件有叶型形状，有上游的前缘部和下游的后缘部，该后缘部有出口孔，排出该空心件中的气体。

9、如权利要求8中所述之燃气涡轮发动机，其特征为该空心件的后缘有向后的表面，该出口孔有一个径向伸展的槽孔，形成该向后表面的薄膜冷却。

10、如权利要求9中所述之燃气涡轮发动机，其特征为该火焰稳定器内环件有朝向上游的进气口，安置在内环件的该孔的上面，将该燃气引到该孔。

11、喷气发动机的一种火焰稳定器组合件，有相对于通过发动机的气流的上游侧和下游侧;组合件中有下列各项：

一个外环形件和一个内环形件，其间放置若干径向的空心隔板，

将气体引入至少一部分隔板中用于冷却其下游侧。

12、如权利要求11中之所述火焰稳定器组合件，其特征为喷气发动机还有一个环形外函道，引导气体的装置中有下列各项：

至少一个设在环形外函道中的进气口;

至少一个穿过外环形件开口，将至少一个进气口和至少一个隔板的内部接通。

13、如权利要求11中所述之火焰稳定器组件，其特征为引导气体的装置中有下列各项：

至少一个进气口，置于该内环件的径向内表面上;

至少一个通过内环形件的开口，将至少一个进气口和至少一个隔板的内部接通。

14、如权利要求13中所述之火焰稳定器组合件，其特征为该进气口有一个开口端朝向上游。

15、如权利要求11中所述之火焰稳定器组合件，其特征为至少一个隔板的下游表面上，至少有一个放气窗，放气窗将冷却气体从隔板内送到下游表面。

16、如权利要求11中所述之火焰稳定器组合件，其特征为至少一个隔板有至少一个导引壁，和隔板的下游侧有间距，形成与隔板下游侧相邻的流路;

至少一个在隔板下游侧上的排气口，将冷却隔板下游侧后的气体，从隔板中排出。

17、一种喷气发动机的改进火焰稳定器组合件，具有低压压缩机，中心发动机和动力燃烧室;一个在中心发动机和围绕发动机的壳体之间的环形外函道，其特征为火焰稳定器组合件可在中心发动机排气流路中的加力燃烧室中调位，改进的火焰稳定器组合件还有下列各项：

同心环形内外件有若干径向空心隔板在其间伸展;

若干进气口位于内环件的内表面上，每一进气口至少和一个通过内环形件的开口接通;相应隔板和相应开口接通;

冷却隔板后壁的装置。

18、如权利要求17中之火焰稳定器组合件，而特征为至少在某些后壁上，至少有一个放气窗在后壁上形成，冷却隔板的后表面。

19、如权利要求17中所述之火焰稳定器组合件，其特征为该冷却装置有每一隔板中一个的导引壁，和后壁间隔，一个在隔板后缘上的排出口，藉助每一进气口进行收集，并输送到空心隔板内的冷却空气，在从隔板中排出前，用于冷却隔板的后壁。

20、如权利要求19中所述之火焰稳定器组合件，其特征为进气口可调位，接受涡轮的燃烧排气流。

21、如权利要求19中所述之火焰稳定器组合件，其特征为进气口可调位，接受涡轮外函道空气流。

22、如权利要求21中所述之火焰稳定器组合件，其特征为进气口可在外函道中调位，并且改进之处还在于有若干管子，各将一个进气口和一个相应的隔板，通过外环形件的开口而连接。

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