具体实施方式

本文所描述的本公开的各方面涉及一种回流燃烧器。出于说明的目的，将关于自由涡轮发动机来描述本公开。然而，应当理解，本文所描述的本公开的方面并不受此限制并且如本文中所描述的回流燃烧器能够在其它涡轮发动机中实施，其中包括但不限于涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、和涡扇发动机。本文中所讨论的本公开的方面可在具有回流燃烧器的非飞行器发动机中可具有一般适用性，例如其它移动应用和非移动工业、商业和住宅应用。

如本文中所使用，术语“前部”或“上游”是指在朝向发动机入口的方向上移动，或一个部件与另一部件相比相对更靠近发动机入口。与“前部”或“上游”结合使用的术语“后部”或“下游”是指朝向发动机的出口的方向或者与另一部件相比相对更靠近发动机出口。另外，如本文中所使用，术语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线与外部发动机圆周之间延伸的尺寸。此外，如本文中所使用，术语“组”或一“组”元件能够是任何数量的元件，其中包括仅有一个。

所有方向性参考(例如，径向、轴向、近侧、远侧、上部、下部、向上、向下、左、右、侧向、前方、后方、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、向前、向后等)仅用于识别目的以辅助读者理解本公开，并且具体地关于位置、取向或本说明书所述本公开的方面的用途并不产生限制。除非另外指明，否则连接参考(例如，附接、耦合、连接和接合)应在广义上来解释，且可以包括一系列元件之间的中间构件以及元件之间的相对移动。因此，连接参考不一定推断出两个元件直接连接且彼此成固定关系。示范性附图仅仅是出于说明的目的，且本公开的附图中反映的尺寸、位置、次序和相对大小可变化。

参照图1，发动机10具有从前部14向后部16延伸的大体上纵向延伸轴线或中心线12。发动机10是自由涡轮发动机，其中空气在入口18处被吸入并且在大体后部16向前部14方向流动。发动机10以下游串联流动关系包括：压缩机区段22，其包括入口18；压缩机24和离心压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36；排气区段38；和螺旋桨区段40。螺旋桨区段40包括螺旋桨毂42，该螺旋桨毂具有围绕中心线12径向布置的多个螺旋桨叶片44。发动机壳体46能够为每一个区段形成环形壳体。

围绕发动机10的中心线12同轴安置的HP轴(shaft)或转轴(spool)48将HP涡轮34驱动地连接到压缩机24和离心压缩机26。与HP转轴48共线且与之分开、并且同轴地围绕发动机10的中心线12安置的LP轴或转轴50将LP涡轮36驱动地连接到螺旋桨毂42。转轴48、50能够围绕发动机中心线12旋转且联接到多个可旋转元件，所述多个可旋转元件可共同界定转子51。

压缩机24包括至少一个压缩机级54，其中一组压缩机叶片(blade)56相对于对应一组静态压缩机轮叶(vane)60(也被称为喷嘴)旋转以使通过所述级的流体流压缩或加压。离心压缩机26能够包括叶轮52，该叶轮具有一组叶轮叶片58。在单个压缩机级54中，多个压缩机叶片56可成环提供，且可相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，同时对应静态压缩机轮叶60定位于旋转叶片56的上游且邻近于所述旋转叶片。应注意，图1中所示出的叶片、轮叶和压缩机级的数目仅出于说明性目的而选择，且其它数目也是可能的。

用于每个压缩机24、26的级的叶片56、58安装到盘61，该盘安装到对应的HP转轴48，其中每一级具有其自身的盘61。用于压缩机的级的轮叶60可成圆周布置安装到发动机壳体46。

HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64、66，其中一组涡轮叶片68、70相对于对应一组静态涡轮轮叶72、74(也被称为喷嘴)旋转以从通过所述级的流体流提取能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70可以成环提供，且可从叶片平台向叶片顶端相对于中心线12径向向外延伸，同时对应的静态涡轮轮叶72、74定位在旋转叶片68、70的上游且邻近于所述旋转叶片。应注意，图1中所示出的叶片、轮叶和涡轮级的数目仅出于说明性目的而选择，且其它数目也是可能的。

用于HP涡轮级64的叶片68安装到盘71，该盘安装到对应的HP转轴48，其中每一级具有专用盘71。用于LP涡轮级66的叶片70安装到盘73，该盘安装到对应的LP转轴50中，其中每一级具有专用盘73。用于相应的涡轮34、36的级的轮叶72、74可成圆周布置安装到核心壳体46。

与转子部分互补，发动机10的静止部分，例如压缩机区段22和涡轮区段32当中的静态轮叶60、72、74，也单个地或共同地称为定子63。由此，定子63可指代整个发动机10中的非旋转元件的组合。

在操作中，进入入口18的气流经通道进入压缩机24中，该压缩机接着将加压空气76供应到离心压缩机26，该离心压缩机进一步使空气加压。来自离心压缩机26的加压空气76与燃烧器30中的燃料混合，燃料在该燃烧器中燃烧，由此生成燃烧气体。HP涡轮34从这些气体提取一些功，从而驱动压缩机24和离心压缩机26。HP涡轮34将燃烧气体排放到LP涡轮36中，该LP涡轮提取额外的功以驱动螺旋桨毂42，且废气最终经由排气区段38从发动机10排放出去。

加压气流76的一部分可作为放气77从压缩机区段22汲取。放气77可从加压气流76汲取且用于发动机或飞行器的其它区域，例如被提供到需要冷却的发动机部件。进入燃烧器30的加压气流76的温度相对于在入口18处进入的气流的温度显著升高。由此，由放气77提供的冷却对于这些发动机部件在高温环境中的操作是必要的。

LP涡轮36驱动LP转轴50，以使螺旋桨毂42旋转并且随后使螺旋桨叶片44旋转。减速齿轮箱80设置于LP转轴50与螺旋桨毂42之间。此外，能够提供配件齿轮箱82以为发动机10的其它部件提供动力，该等其它部件通过非限制性举例的方式包括燃料泵、燃料控制器、油泵、起动器/发电机、和转速计。

图2示出了根据现有技术的回流燃烧器30的横截面图。回流燃烧器30相对于HP涡轮34径向向外布置并且布置于LP涡轮36的轴向上游和前部。回流燃烧器30能够包括限定了燃烧室103的穹顶组件102和环形内衬组件100、以及流体联接到燃烧室103的多个燃料喷射器104。回流燃烧器30布置于燃烧器壳体106内。

环形内衬组件100的内部108能够包绕HP涡轮34。环形内衬组件100的外部110与燃烧器壳体106一起限定了压缩空气通路112的至少一部分，压缩空气113能够通过该压缩空气通路从压缩机区段22流向回流燃烧器30。多个稀释孔114能够设置于环形内衬组件100中，从而允许压缩空气113的至少一部分从压缩空气通路112通向燃烧室103。

多个燃料喷射器104在包括喇叭形锥口(flare cone)107的穹顶入口105处联接到穹顶组件102并且布置在该穹顶组件内。穹顶入口105限定穹顶高度(DH)。多个燃料喷射器104包括适于接收燃料流118的燃料入口116、与燃烧室103流体连通的燃料出口120、和在其间延伸的线性燃料通路122。应当领会，一个或多个燃料喷射器104能够具有不同的特性，并且多个燃料喷射器104仅用于说明性目的并且不旨在构成限制。旋流器124能够设置于穹顶入口105处，以使进入空气接近离开燃料喷射器104的燃料旋流并且提供进入燃烧器的空气和燃料的均匀混合物。

压缩空气113和燃料118通过穹顶入口105被供给到燃烧室103，并且随后通过一个或多个点火器126在燃烧室103内点燃，从而由此产生燃烧气体128。燃烧气体128使用通过多个稀释孔114供给的额外空气混合并且在燃烧室103的稀释部分132中混合，之后燃烧气体128流过转弯部分134并且排放到HP涡轮34中，多个稀释孔设置于燃烧室103的环形内衬组件100的内部108和外部110中。第一半径R1和第二半径R2在切向曲线162处与内部108和外部110相交，使得曲线被限定成环线，稀释部分132在该环线处与转弯部分134相交。稀释部分132也能够被称为稀释区域或混合区域并且具有轴向长度(DL)。从HP涡轮34排放的气体随后被引导到LP涡轮36中。切向曲线162限定了稀释部分132的起点。从喇叭形锥口107到切向曲线162测量的轴向长度(AL)为穹顶高度(DH)的至少180％。

图3示出了根据本文中所描述的本公开的优选方面的回流燃烧器130。该回流燃烧器130与与现有技术的回流燃烧器30相似性，因此，将由增大100的附图标记来表示相似的部件。应当理解，除非另有说明，对回流燃烧器30的相似部件的描述适用于回流燃烧器130。

环形内衬组件200和穹顶组件202限定燃烧室203，并且多个燃料喷射器204流体联接到燃烧室203。环形内衬组件200能够包括内部内衬250和外部内衬252，该内部内衬和外部内衬在其间限定了冷却区域254。多个冷却孔256能够遍布外部内衬252设置。

一组稀释孔214设置于内部内衬250中并且还能够设置于外部内衬252中，使得一组稀释孔214围绕压缩空气通路212并且使得压缩空气通路212与燃烧室203流体联接。一组稀释孔214能够是一行或多行稀释孔214，该一行或多行稀释孔彼此轴向间隔开并且围绕环形内衬组件200环形布置。在本公开的优选方面中，一组稀释孔214是单行稀释孔，然而，如果需要的话，其它的较小或“修整(trim)”孔可以应用于其它行中。应当理解，环形内衬组件200能够是单个内衬，其中单个环形内衬包括一组稀释孔214。

环形内衬组件200包括直线部分260、稀释部分232、和转弯部分234。直线部分260从第一端(A)延伸，该第一端位于由喇叭形锥口207限定的穹顶组件202处。直线部分260还能够被称为主要区域或点火区域。穹顶组件202限定了穹顶入口205，该穹顶入口具有预定高度或穹顶高度(H)，从而在第一端(A)处限定直径。直线部分260在第二端(B)处终止于位于稀释部分232中的稀释孔214的平面的正前部处，以相对于喇叭形锥口207限定等于穹顶高度(H)的100％的轴向长度(S)。能够构想，直线部分260的轴向长度(S)能够处于穹顶高度(H)的90％到130％之间。

第二端(B)定位在一组稀释孔214的正前部，使得稀释孔214位于稀释部分232内。稀释部分232限定轴向长度(T)，该轴向长度(T)等于或小于穹顶高度(H)的30％。还能够构想，稀释部分232的轴向长度(T)能够为穹顶高度(H)的20％。稀释部分232从第二端(B)延伸到第三端(C)，以限定轴向长度(T)。

第三端(C)限定了切向曲线262，转弯部分234从该切向曲线处开始。第一半径R1和第二半径R2在切向曲线262处与内部208和外部210相交，使得曲线被限定成环线，稀释部分232在该环线处与转弯部分234相交。切向曲线262能够定位在如从喇叭形锥口207测量到的穹顶高度(H)的130％的轴向距离(S+T)处。能够构想，轴向长度(S+T)能够处于穹顶高度(H)的110％到150％之间。

转弯部分234从第三端(C)延伸到限定了燃烧器出口264的第四端(D)。燃烧器出口264过渡到HP涡轮34的涡轮入口266(图1)。转弯部分234将燃料218从燃烧室203内的主要后部方向重新引导至HP涡轮34处的主要前部方向。

应当理解，所作出的轴向测量来自示例性位置并且不限于相对于喇叭形锥口207和切向曲线262测量。能够构想，轴向测量能够从穹顶组件202内的任何位置和在燃烧室203内限定转弯部分起点的任何点进行。稀释部分232的轴向长度(T)能够处于如本文中所描述的穹顶高度(H)的10％到30％的任何长度。

参照图4，回流燃烧室130的横截面图示出了转弯部分234，该转弯部分具有从第三端(C)延伸到第四端(D)的连续减小的横截面区域(CA)。横截面区域(CA)减小的速率可能是恒定速率；通过非限制性举例的方式，CA2(即第二横截面区域)比CA1(即第一横截面区域)小7％并且CA3(即第三横截面区域)也比CA2小7％，等等。该速率不必恒定，并且连续横截面区域之间的差值相对于径向平面位于彼此在10度之内并可以比在先的横截面区域(CA)小10％或更少。

如本文中所描述的在回流燃烧器130中混合稀释空气268的方法包括将燃料218从穹顶组件202喷射到燃烧室203中。燃料218通过点火器226在燃烧室203内点燃，以产生燃烧气体228。该方法接着包括通过位于燃烧室203的转弯部分234与直线部分260之间的切向曲线262前部的稀释部分232中的一组稀释孔214将稀释空气268喷射到燃烧室203中。稀释部分232的轴向长度(T)比燃烧室103(图2)的稀释部分132的轴向长度(DL)小得多。该方法因此还包括在燃烧室203的转弯部分234中将稀释空气268与燃烧气体228混合。

本文中所描述的本公开的方面涉及回流燃烧器，该回流燃烧器被设计成以便使燃烧室内的总体长度燃烧气体流最小化。燃烧器包括传统的直线部分或主要区域、以及短稀释部分或稀释区域。提供位于通向转弯部分的切向曲线正前方的单行开口利用稀释空气被引入时遵循的固有轨迹并且使燃烧气体与稀释空气在小稀释部分中的混合量最大化。其它的混合仍然发生在转弯部分中并且在被引入涡轮区段之前完全混合。

传统的回流燃烧器具有转弯部分，其需要额外的冷却表面区域，该额外的冷却表面区域需要否则将用于稀释和燃烧的空气。传统的回流燃烧器中的该等增加的冷却需要将燃烧器限制于较低的12:1或更小的压力比。通常，稀释和混合在气体进入转弯管道之前完成，使得位于转弯部分之前的燃烧器长度与可比较的轴向燃烧器的长度类似。如本文中所描述的回流燃烧器使得最终级的稀释混合发生在转弯部分中，因此允许总体较短的燃烧室并且因此允许减小的冷却表面区域需要。

与如本文中所描述的回流燃烧器相关的益处包括减小燃烧器的冷却表面区域，以使将内衬温度保持在可接受限制内所需的冷却空气最少，同时仍然允许充足的主要区域体积用于火焰稳定和点火。还存在通过提供总体较短的燃烧内衬和壳体实现的发动机重量和包装方面的益处。冷却空气需要的节省允许将回流燃烧器用于较高的压力比循环(通过非限制性举例的方，16：1压力比循环)。

当参照自由涡轮螺旋桨发动机描述时，应当领会，如本文中所描述的回流燃烧器能够是具有高压比发动机循环的任何发动机。应当领会，本文中所讨论的本公开各个方面的应用不限于具有螺旋桨区段的涡轮发动机，而是还适用于具有风扇和增压区段的发动机以及涡轮喷气发动机和涡轮发动机。

在尚未描述的程度上，各种实施例的不同特征和结构可按需要彼此组合或替代使用。一个特征未在所有实施例中说明并不意味着被解释为它不能这样，而是为了简化描述才这样。因此，必要时可以混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，而无论是否已明确描述所述新的实施例。本公开涵盖本文所描述的特征的所有组合或排列。

本书面描述使用示例来描述本说明书所述的本公开的方面，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开的方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本公开的方面的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括所属领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。