阅读说明：本技术 燃烧器涡旋器 (Burner swirler ) 是由 K.桑帕思 S.辛赫 G.甘迪科塔 P.伍肯蒂 P.奈克 S.C.维斯 于 2020-02-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种燃烧器涡旋器。燃气涡轮发动机涡旋器包括管状主体,其具有前向面、后端和喉部。多个初级涡旋叶片位于后端与前向面之间。多个次级涡旋叶片位于初级涡旋叶片与后端之间。多个初级涡旋叶片和多个次级涡旋叶片构造成使得喉部流体连接至位于管状主体外部的增压室。管状箍套定位成使得其在主体的前向面处连结主体。初级涡旋叶片中的各个径向向内延伸至叶片唇部。次级涡旋叶片径向向内延伸用于使空气从那里成涡旋。该主体还包括管状文丘里管,其从初级涡旋器叶片与次级涡旋器叶片之间向后延伸用于径向分离从那里成涡旋的空气。其中,初级涡旋叶片构造成使空气沿着通路且穿过轴向向后定向的出口成涡旋。(The present invention relates to a burner swirler. A gas turbine engine swirler includes a tubular body having a forward face, an aft end, and a throat. A plurality of primary swirl vanes are located between the aft end and the forward face. A plurality of secondary swirl vanes are located between the primary swirl vanes and the aft end. The plurality of primary swirl vanes and the plurality of secondary swirl vanes are configured such that the throat is fluidly connected to a plenum located outside the tubular body. The tubular cuff is positioned such that it joins the body at a forward face of the body. Each of the primary swirl vanes extends radially inwardly to a vane lip. The secondary swirl vanes extend radially inwardly for swirling air therefrom. The body also includes a tubular venturi extending rearwardly from between the primary and secondary swirler vanes for radially separating air swirled therefrom. Wherein the primary swirl vanes are configured to swirl air along the passageway and through the axially rearwardly directed outlet.)

燃烧器涡旋器

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及其中的燃烧器。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压并且在燃烧器中与燃料混合用于产生热燃烧气体，热燃烧气体向下游流过从其提取能量的涡轮级。例如，在典型的涡轮风扇燃气涡轮发动机飞行器发动机应用中，高压涡轮给压缩机提供动力并且低压涡轮通过给上游风扇提供动力产生有用功。

燃烧器性能对于燃气涡轮发动机的整体性能至关重要。压缩空气在燃烧器中与燃料混合用于产生燃料和空气混合物，其被点燃用于产生燃烧气体。

对于典型的环状燃烧器，以离散的涡旋器和协作的燃料喷射器的形式的成排的化油器被用于在燃烧之前混合燃料和空气，其中燃烧气体通过燃烧器被向下游循环用于排放至涡轮。

在第二已知设计中，成排的初级径向涡旋叶片代替初级喷射并且与次级径向涡旋叶片联合运转，即rad-rad设计，用于典型地使空气围绕所喷射的燃料反向旋转成涡旋。

rad-rad设计在性能上被认为是优越的，因为其通过消除在jet-rad设计中由离散的初级喷射引起的分离的空气流的区而消除自动点火的原因。然而，rad-rad设计需要来自燃料喷射器的大量清洗空气以在燃料和空气混合物中产生轴向动量用于在燃烧器拱顶内建立期望的再循环区。

由于燃烧器中的再循环区是整个燃烧器性能的关键因素，涡旋器的特殊设计影响燃烧器性能。

精调再循环气泡的形状可显著增强涡旋器关于混合、烟雾和动力学等方面的性能。

发明内容

本文中公开的技术有助于实现文丘里管内再循环气泡的预期形状和位置。新设计有助于实现对混合的控制、实现减少的烟雾和减少的焦化，而不使CRZ不稳定。

因此，本文中提供了一种燃气涡轮发动机涡旋器，其包括管状主体，管状主体具有前向面(forward face)、后端和喉部。多个初级涡旋叶片位于后端与前向面之间。多个次级涡旋叶片位于初级涡旋叶片与后端之间。该多个初级涡旋叶片和该多个次级涡旋叶片构造成使得喉部流体连接至位于管状主体外部的增压室(plenum)。管状箍套(ferrule)定位成使得其在主体的前向面处连结主体。初级涡旋叶片中的各个径向向内延伸至叶片唇部。次级涡旋叶片径向向内延伸用于使空气从那里成涡旋。该主体还包括管状文丘里管，其从初级涡旋叶片和次级涡旋叶片之间向后延伸用于径向分离从那里成涡旋的空气。其中，初级涡旋叶片构造成使空气沿着通路并且通过轴向向后定向的出口成涡旋，使得空气具有向后动量。

因此，提供了一种包括涡旋器的燃气涡轮发动机。涡旋器包括管状主体，其具有前向面、后端和位于前向面与后端之间的文丘里喉部。多个次级涡旋叶片位于前向面与后端之间使得该多个次级涡旋叶片径向向内延伸用于使空气从那里成涡旋。管状箍套在前向面处连结主体。多个初级涡旋叶片位于前向面与次级涡旋叶片之间，其中，各叶片轴向弯曲。初级叶片具有共同的环状初级入口，其径向面向外用于使空气径向向内成涡旋。该主体还包括管状文丘里管，其从所述初级叶片和次级叶片之间向后延伸用于径向分离从那里成涡旋的空气。初级涡旋叶片构造成使空气沿着径向定向的通路成涡旋，并且该通路弯曲以限定轴向向后定向的初级涡旋叶片出口。

因此，提供了一种用于操作包括涡旋器的燃气涡轮发动机的方法。涡旋器包括管状主体，其具有前向面、后端和位于前向面与后端之间的文丘里喉部。多个次级涡旋叶片位于前向面与后端之间，使得该多个次级涡旋叶片径向向内延伸用于使空气从那里成涡旋。管状箍套在前向面处连结主体。多个初级涡旋叶片位于前向面与次级涡旋叶片之间，其中，各叶片轴向弯曲。初级叶片具有共同的环状初级入口，其径向面向外用于使空气径向向内成涡旋。该主体还包括管状文丘里管，其从所述初级叶片和次级叶片之间向后延伸用于径向分离从那里成涡旋的空气。初级涡旋叶片构造成使空气沿着径向定向的通路成涡旋，并且该通路弯曲以限定轴向向后定向的初级涡旋叶片出口。该方法包括从初级涡旋器排出空气使得空气具有轴向向后的步骤。

在技术方案1中：一种燃气涡轮发动机涡旋器，其包括：

管状主体，其具有前向面、后端和喉部；

多个初级涡旋叶片，其位于后端与前向面之间；

多个次级涡旋叶片，其位于初级涡旋叶片与后端之间；

多个初级涡旋叶片和多个次级涡旋叶片构造成使得喉部流体连接至位于管状主体外部的增压室；

管状箍套，其在主体的前向面处邻接主体；

初级涡旋叶片中的各个径向向内延伸至叶片唇部；

次级涡旋叶片径向向内延伸用于使空气从那里成涡旋；

主体还包括从初级涡旋叶片与次级涡旋叶片之间向后延伸的管状文丘里管用于径向分离从那里成涡旋的空气；并且

其中，初级涡旋叶片构造成使空气沿着通路且穿过轴向向后定向的出口成涡旋，使得空气具有向后动量。

在技术方案2中：根据技术方案1的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，各叶片轴向弯曲。

在技术方案3中：根据技术方案2的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，叶片唇部与出口间隔开。

在技术方案4中：根据技术方案3的燃气涡轮发动机涡旋器，其包括位于初级涡旋器前方的第三级涡旋器。

在技术方案5中：根据技术方案2的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，初级涡旋器的各叶片在出口处终止。

在技术方案6中：根据技术方案5的燃气涡轮发动机涡旋器，其包括位于初级涡旋器前方的第三级涡旋器。

在技术方案7中：根据技术方案1的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，管状箍套具有流体连接至增压室的前向表面和流体连接至喉部的后向表面，并且多个通道被限定成穿过箍套从在前向表面处的第一端至在后向表面处的第二端，使得增压室通过多个通道流体连接至喉部。

在技术方案8中：根据技术方案7的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，箍套具有第一轴线并且多个通道各具有第二轴线并且第二轴线中的各个基本平行于第一轴线。

在技术方案9中：根据技术方案7的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，箍套具有第一轴线并且多个通道各具有第二轴线并且第二轴线中的各个不平行于第一轴线。

在技术方案10中：一种燃气涡轮发动机涡旋器，其包括：

管状主体，其具有前向面和后端；

多个次级涡旋叶片，其位于前向面与后端之间使得多个次级涡旋叶片径向向内延伸用于使空气从那里成涡旋；

管状箍套，其在主体的前向面处邻接主体；

多个初级涡旋叶片，其位于前向面与次级涡旋叶片之间，其中，各叶片轴向弯曲；

初级叶片具有径向面向外的共同的环状初级入口，用于使空气径向向内成涡旋；

主体还包括从初级叶片和次级叶片之间向后延伸的管状文丘里管用于径向分离从那里成涡旋的空气；并且

其中，初级涡旋叶片构造成使空气沿着径向定向的通路成涡旋，并且通路弯曲以限定轴向向后定向的初级涡旋叶片出口。

在技术方案11中：根据技术方案10的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，初级涡旋叶片在环状初级入口之间在与初级涡旋叶片出口间隔开的位置处终止。

在技术方案12中：根据技术方案11的燃气涡轮发动机涡旋器，其包括位于前向面与多个初级涡旋叶片之间的第三级涡旋器。

在技术方案13中：根据技术方案10的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，初级涡旋叶片在出口处终止。

在技术方案14中：根据技术方案13的燃气涡轮发动机涡旋器，其包括位于初级涡旋叶片与前向面之间的第三级涡旋器。

在技术方案15中：根据技术方案10的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，管状箍套具有流体连接至增压室的前向表面和流体连接至喉部的后向表面，并且多个通道限定成穿过箍套从在前向表面处的第一端至在后向表面处的第二端，使得增压室通过箍套流体连接至喉部。

在技术方案16中：根据技术方案12的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，管状箍套具有流体连接至增压室的前向表面和流体连接至喉部的后向表面，并且多个通道限定成穿过箍套从在前向表面处的第一端至在后向表面处的第二端，使得增压室通过箍套流体连接至喉部。

在技术方案17中：根据技术方案14的燃气涡轮发动机涡旋器，其中，管状箍套具有流体连接至增压室的前向表面和流体连接至喉部的后向表面，并且多个通道限定成穿过箍套从在前向表面处的第一端至在后向表面处的第二端，使得增压室通过箍套流体连接至喉部。

在技术方案18中：一种用于操作包括涡旋器的燃气涡轮发动机的方法，涡旋器包括：

管状主体，其具有前向面、后端和位于前向面与后端之间的文丘里喉部；

多个次级涡旋叶片，其位于前向面与后端之间使得多个次级涡旋叶片径向向内延伸用于使空气从那里成涡旋；

管状箍套，其在主体的前向面处邻接主体；

多个初级涡旋叶片，其位于前向面与次级涡旋叶片之间，其中，各叶片轴向弯曲；

初级叶片具有径向面向外的共同的环状初级入口，用于使空气径向向内成涡旋；

主体还包括从初级叶片与次级叶片之间向后延伸的管状文丘里管用于径向分离从那里成涡旋的空气；并且

其中，初级涡旋叶片构造成使空气沿着径向定向的通路成涡旋，并且通路弯曲以限定轴向向后定向的初级涡旋叶片出口；方法包括以下步骤：

将空气从初级涡旋器排出使得空气具有轴向向后的动量。

在技术方案19中：根据技术方案18的方法，其还包括以下步骤：

在防止CRZ的振荡的稳定的轴向位置处形成停滞点。

在技术方案20中：根据技术方案19的方法，其还包括以下步骤：

在稳定的轴向位置处形成停滞点，其防止CRZ的振荡。

附图说明

根据优选的和示例性的实施例，连同其进一步的目的和优点，在接下来的结合附图的详细说明中更具体地来说明本发明，其中：

图1是包括根据所公开的技术的涡旋器的涡轮风扇燃气涡轮发动机的示例性环状燃烧器的一部分的轴向部分截面图；

图2是穿过在图1中所示的涡旋器的放大轴向截面图；

图3示出了在图2中所示的涡旋器的剖面侧视图；

图4示出了在图3中所示的涡旋器的一部分的程式化平面图，示出了多个叶片；

图5示出了根据另一实施例的在图2中所示的涡旋器的剖面侧视图；

图6示出了如由圆圈6所指示的在图3中所示的涡旋的剖视图的一部分；

图7示出了箍套47的顶视图，示出了穿过箍套放置通道；以及

图8示出了沿着圆圈8截取的在图7中所示的箍套的展开的截面图的一部分。

附图标记清单

10 环状燃烧器

12 轴线

14 燃烧器衬套

18 燃烧器拱顶

24 增压室

26 压缩机

28 空气

35 后端

36 燃烧气体

37 主体

38 中心线轴线

39 初级叶片

40 初级涡旋器

41 燃料喷射喷嘴

42 前向面

43 叶片唇部

46 后向表面

47 管状箍套

49 中心孔

50 涡旋器

51 环状挡板

53 喉部

54 管状文丘里管

55 表面

56 入口

58 初级出口

60 次级叶片

61 环状入口

62 次级出口

70 第三级涡旋器

71 叶片

73 出口

80 弯曲壁

82 唇部

83 板

84 通道

85 第二侧板

87 区域

147 箍套

148 内表面

151 外表面

152 通道

154 轴

155 圆圈。

具体实施方式

参考附图，其中，在各个视图中相同的附图标记表示相同的元件，在图1中示出的公开的技术是包括环状燃烧器的示例性涡轮风扇燃气涡轮发动机的一部分，环状燃烧器包括涡旋器，如将在下面详细地来说明的那样。将根据多个实施例来说明本发明。

现在参考图1和2，环状燃烧器10合适地安装在同轴地围绕纵向或轴向中心线轴线12的壳体内。燃烧器10包括径向外部和内部的环状燃烧器衬套14，其在其上游端处合适地连结至环状燃烧器拱顶18。

示例性的燃烧器是单个环状燃烧器设计并且包括径向外部和内部的罩，其在与外部和内部的衬套的接合部处从拱顶18轴向向前延伸以在拱顶18的上游侧限定环状增压室24。

如在图1中所示，发动机包括合适的压缩机26，例如常规的多级轴向压缩机，其合适地构造用于当空气流28向下游流过那里时加压空气流28。

加压的空气流28被从压缩机26轴向向下游引导通过合适的扩散器并且通过第一环状入口34被引入增压室24。如上所述的燃烧器10以及压缩机26可具有任何常规构造。

根据本发明，在图1中所示的燃烧器10包括多个合适地安装在燃烧器拱顶18中的涡旋器50。涡旋器53(图2)带有相应的燃料喷射喷嘴41以限定化油器32。各喷嘴41将燃料喷射到涡旋器50中，其中，其在喉部53内与加压的空气流空气28混合用于产生燃料和空气混合物，该混合物被合适地点燃用于产生热燃烧气体，其集体向下游流过由燃烧器衬套14限定的通道。

燃烧气体36(图1)被从燃烧器的出口端排出到高压涡轮(未示出)中，该高压涡轮从其中提取能量用于给压缩机26提供动力。

低压涡轮(未示出)设置在高压涡轮下游并且被合适地构造用于产生输出动力，例如在典型的涡轮风扇燃气涡轮发动机飞行器应用中为上游风扇提供动力。

涡旋器50中的一个示例性涡旋器在图2中更详细地示出并且关于其自身的轴向中心线轴线38轴对称。各涡旋器50包括管状主体37，其具有合适地固定地连结至燃烧器拱顶18的后端35，以及在其相对端处的轴向前向面42。主体37还包括初级涡旋器40和次级涡旋器60。初级涡旋器40包括多个涡旋叶片39。涡旋叶片39周向设置成排，使得叶片39中的各个径向向内延伸至叶片唇部43。因此，初级涡旋器40构造用于使加压的空气流28(见图1)的对应部分从涡旋器40的多个涡旋叶片39径向向内成涡旋。如在图6中可见，叶片39可被弯曲成使得叶片唇部43接近初级涡旋器40的出口58。根据在图2中所示的实施例，叶片39可基本平坦，使得叶片唇部43与出口58进一步间隔开。备选地，当叶片39更弯曲地构造时，叶片唇部可更靠近出口58定位。叶片39如在图4中所示沿周向设置。

主体37典型地还包括管状文丘里管54，其从其与次级叶片60的上游侧的接合部处向后延伸，其中文丘里管出口57靠近主体37本身的出口。主体37典型地还包括环状挡板51，其从其后端35延伸且进入燃烧器拱顶18中用于为燃烧气体火焰前锋提供屏障。

包括次级叶片60和文丘里管54的管状主体37可具有任何常规构造并且典型地形成为整体铸件。次级叶片60相对于涡旋器50的中心线轴线38径向或周向向内倾斜，用于对在其间引导的空气赋予涡旋。

各涡旋器50还包括管状箍套47，其具有中心孔49(如在图3中所示)，燃料喷嘴41松动地设置在该中心孔中。箍套47的平坦的后向面46以邻接主体37的平坦的前向面42滑动配合的方式径向延伸并且以常规方式由环状保持器合适地保持至其。这样，箍套47可在由壳体支撑的燃料喷射器喷嘴与支撑涡旋器50的燃烧器10之间不同的热膨胀和收缩的作用下相对于发动机的中心线轴线径向向内和向外滑动。

在图2和图3中所示的初级叶片40具有共同的环状入口56，其由在对应的第一侧板83和第二侧板85(即壁)之间的箍套47的外周限定，单独的初级叶片40优选地以共同或整体铸造的方式安装在壁之间。

如上所示，初级涡旋叶片40还包括面向后部的共同的环状初级出口58。初级出口58的至少一部分设置在入口56的轴向后部或下游。初级出口58由后弯曲壁80限定，其从限定通道84的一部分的初级涡旋器壁83延伸至唇部82。这样，初级叶片40作为径向涡旋叶片有效用于使加压的空气流28径向向内成涡旋到管状主体37中，而增加了在常规径向叶片中未发现的在向后方向上的轴向动量的合适分量。

次级涡旋叶片60类似地在其周边周围具有共同的环状入口61，并且其径向向内具有共同的环状次级出口62。入口61完全径向面向外，而次级出口62完全径向面向内，并且其中次级叶片60优选地仅径向向内设置，而无轴向倾斜，用于作为径向涡旋叶片起作用。

如上所示，管状文丘里管54可具有常规设计，但是在管状主体37的前向面42处和穿过管状主体37在下游在初级涡旋叶片40和次级涡旋叶片60的接合之间以新的协作方式延伸，用于径向分离从初级叶片50和次级叶片60成涡旋的空气。文丘里管54的内流表面55会聚至最小流动面积的喉部并且然后以常规方式分散至其出口端，用于以合适的锥角从涡旋器排出燃料和空气混合物，而没有从文丘里管的内表面或下游挡板51的流动分离。

从在图5中可见，涡旋器50的箍套47可由箍套147代替，箍套147构造成提供附加的空气流以进一步影响改善的涡旋。就此而言，箍套147限定了外表面151和多个通道152，其从在外表面151处限定的第一端延伸至在箍套147的内表面148处限定的第二端。以该方式，箍套147构造成使得增压室24(图1)流体连接至喉部53并且经由通道152。通道152设置成使得其限定在轴线38上具有中心点的圆圈155(图7)。通道152各具有轴线154。通道152可定向成使得轴154平行于轴线38，如在图5中所示。可选地，通道152可设置成使得轴154径向成角度，使得第一端和第二端与轴线38距离不同。轴154也可相对于圆圈155的相应切线成角度。如在图7和8中所示，通道152可定位成使得轴154径向和切向都成角度。

现在参考图3，涡旋器50中的各个可包括附加的共同涡旋器，即第三级涡旋器70。第三级涡旋器70构造成减少在位于初级出口58前方的区域87中的自燃风险。就此而言，第三级涡旋器70构造成在燃烧器10的操作期间防止在区域87内形成死区。第三级涡旋器70位于初级涡旋器40前方并且恰好在主体37的前向面42后方。第三级涡旋器70包括多个叶片71。第三级涡旋器70包括通道(未示出)，其构造成使得第三级涡旋器70流体连接至初级涡旋器40的入口56。以该方式，空气28中的一部分可被引入第三级涡旋器70中，使得其经过叶片71且经由出口73排出。

从对其操作的说明中可更好地理解当前公开的技术。在燃烧器10的操作期间，空气28由压缩机26加压。28然后流过环状入口34以进入增压室24。空气28然后经过初级涡旋器40和次级涡旋器60中的至少一个。另外，在涡旋器50包括箍套147的构造中，空气28可经过第三级涡旋器70和通道152。以该方式，空气28进入涡旋器50的喉部53。

当空气28进入喉部53时，燃料经由喷嘴41被引入喉部53。当燃料被引入涡旋的空气28中时，其与空气28混合以提供燃烧气体36的可燃混合物。燃烧气体36的可燃混合物限定了在管状文丘里管内的停滞点。在一些实施例中，停滞点定位成使得其在文丘里出口57后方。

此外，空气28中的一部分经过第三级涡旋器70，因此防止在区域87中形成死区。

前面说明了一种装置，也就是包括涡旋器的燃烧器，与常规涡旋器相比，该涡旋器构造成将通过涡旋器的流的动态振幅减小到非常低的振幅。一个优点是减少在文丘里区域内燃料焦化的趋势。

除非另外明确说明，在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征来代替。因此，除非另外明确说明，所公开的各特征仅是通用系列等同或类似特征中的一个示例。

本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明延伸至在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新型或者任何新型组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新型或任何新型组合。