一种燃气涡轮发动机燃烧室的燃料-空气混合器(28)，包括：一个本体(38)，其内安置一个基本上为环形的文丘里管(40)；该文丘里管(40)具有一个穿过其间的纵轴线(42)，一个上游端(44)，一个下游端(46)和一个内表面(48)；在该文丘里管(40)上游的一个主径向喷射旋流器(50)；该主径向射流旋流器(50)包括多个沿圆周方向配置的径向延伸的主空气喷口(56)，主空气喷口(56)下游与该纵轴线(42)成角度；和多个沿轴向穿过该主旋流器的空气并围绕该纵轴线(42)沿圆周方向配置的轴向喷口(71)。
1.一种燃气涡轮发动机燃烧室的燃料-空气混合器(28)，包括：
一个本体(38)，其内安置一个基本上为环形的文丘里管(40)；该文丘里管(40)具有一个穿过其间的纵轴线(42)，一个上游端(44)，一个下游端(46)和一个内表面(48)；
在该文丘里管(40)上游的一个主径向射流旋流器(50)；该主径向射流旋流器(50)包括多个沿圆周方向配置的径向延伸的主空气喷口(56)，所述主空气喷口(56)下游与该纵轴线(42)成角度；和多个沿轴向穿过该主径向射流旋流器并围绕该纵轴线(42)沿圆周方向配置的轴向喷口(71)。
2.如权利要求1所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括：如果以半径(R)自该纵轴线(42)测量时，所述轴向喷口(71)以及文丘里管(40)的喉部(73)的所述内表面(48)在径向处于与该纵轴线(42)大约相等的距离处。
3.如权利要求1所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括：所述轴向喷口(71)具有矩形横截面(74)。
4.如权利要求1所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括：所述轴向喷口(71)处于一嵌入件(80)上，该嵌入件(80)被安装在该主径向射流旋流器(50)的上游部分(52)上，并沿轴向处在多个径向延伸的所述主空气喷口(56)的前面。
5.如权利要求1所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括一个辅助的空气旋流器(66)，该辅助的空气旋流器(66)处在该主径向射流旋流器(50)的下游，并沿圆周被配置在该文丘里管(40)的周围，与该文丘里管(40)径向间隔。
6.如权利要求5所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括：所述辅助的空气旋流器(66)具有多个辅助旋流器叶片(72)，所述叶片(72)被配置在所述文丘里管(40)和一间隔的钟口形整形罩(68)之间。
7.如权利要求6所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括：所述轴向喷口(71)处于一嵌入件(80)上，该嵌入件被安装在该主径向射流旋流器(50)的上游部分(52)上，并沿轴向方向处在该多个径向延伸的所述主空气喷口(56)的前面。
8.如权利要求1所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括：所述主径向射流旋流器(50)具有一大致为环形的上游部分(52)和一圆锥形下游部分(54)；
多个径向延伸的所述主空气喷口(56)穿过该圆锥形下游部分(54)；
处在该主径向射流旋流器(50)的下游沿圆周方向围绕该文丘里管(40)配置并与该文丘里管(40)径向间隔的辅助的空气旋流器(66)；和该辅助的空气旋流器(66)的多个辅助旋流器叶片(72)被配置在该文丘里管(40)和一间隔的钟口形整流罩(68)之间。
9.如权利要求8所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括：所述轴向喷口(71)处于一嵌入件(80)上，该嵌入件被安装在该主径向射流旋流器(50)的上游部分(52)，并沿轴向方向处在该多个径向延伸的所述主空气喷口(56)的前面。
10.如权利要求8所述的燃料-空气混合器(28)，其特征为，还包括：至少一些轴向喷口(71)具有喷口中心线(82)，该中心线在该主空气喷口(56)的出口(90)下游与主空气喷口(56)中相应喷口的中心线(88)相交。
燃气涡轮发动机燃烧室混合器
技术领域
[0001] 本发明涉及燃气涡轮发动机燃烧室的燃料-空气混合器，更尤其，涉及减少在这种燃料-空气混合器上固体碳或焦炭的形成。
背景技术
[0002] 燃气涡轮发动机燃烧室使用燃料喷嘴和燃料-空气混合器，使燃料与压缩空气混合和燃烧。为了减少烟雾和其他不希望的副产品和使燃烧过程的效率最高，一般在燃烧以前，要使燃料在燃料-空气混合器中与空气预先混合。
[0003] 为了产生有效的和完全的燃烧，燃料-空气混合器设计成使燃料雾化和使燃料与空气预先混合。设计了一种低压的燃料-空气混合器，它包括主要的和辅助的反向回转的空气旋流器。该旋流器利用在由该主要和辅助的空气旋流器产生的反向回转的空气流之间的互相作用的区域中形成的大剪切力，使燃料雾化。亦称为旋流器杯的空气旋流器包括一个文丘里管，和在该文丘里管的轴线周围形成的在圆周上和下游的成一定角度的空气射流。为了增强雾化作用以及混合作用，在与燃料互相混合之前，该空气射流使空气打旋。
[0004] 燃料-空气混合器的一个非常普遍的问题是在燃烧室零件上，特别是在该空气旋流器的文丘里管上形成碳。通常将这个现象称为焦化。固体碳或焦炭是由液体的碳氢化合物燃料冲击在热的金属表面上形成的。这会造成燃料的热分解和固体碳或焦炭在表面上沉淀。一般，焦炭在400～900°F的温度下形成，这一般是现代燃气涡轮轴或涡轮风扇式发动机的燃烧室入口的状态。在超过900°F的温度下，固体碳氧化或燃烧掉。
[0005] 虽然，这些温度在大功率工作过程中可以遇到，但液体燃料冲击的冷却作用可防止文丘里管表面达到高至足以使碳燃烧掉的温度。对装有仪表的文丘里管的试验显示表面温度在入口空气温度以下300～400°F，这造成对大多数发动机工作，文丘里表面在400～900°F的碳形成窗中。液体燃料的冲击还可防止氧达到表面，进一步形成碳。
[0006] 在文丘里管表面上形成碳使该表面的空气动力学形成扭曲，从而破坏燃料在燃烧室的分布。这会造成燃烧室出现热的条纹，和使涡轮损坏。燃烧室温度的失真还会歪曲用于监视发动机工作性能恶化的出口温度热电偶的读数，造成虚假的工作性能恶化的指示。发动机的起动和高空点火也受到不利影响。在严重情况下，这些碳沉积物会造成文丘里通道完全堵塞，使得燃料沉积在燃烧室衬里的外面，并使壳体烧穿和飞行停航。
[0007] 在美国专利6571559号中公开一种安置在径向流入主旋流器的上游端和靠近文丘里管的一个燃料喷嘴。燃料通道通过该燃料喷嘴，燃料可从该喷嘴以指定的喷射角喷入该文丘里管中，清洗空气流与该燃料通道外接。该清洗空气流基本上与该文丘里管的纵轴线平行流动，沿着该文丘里管的内表面形成边界层。该空气的边界层减少与该文丘里管的内表面接触的燃料量，从而减小碳的形成。为了抑制碳的形成，将环形通道或空气幕引入该燃料喷嘴的燃料喷射器顶端，使空气不形成涡流(例如，参见美国专利6571559和5123248号)。在燃料喷嘴顶部的空气幕并不总能容纳在该燃料喷嘴顶部中。
发明内容
[0008] 燃气涡轮发动机燃烧室的燃料空气混合器包括一个本体，其内安置在一个基本上为环形的文丘里管。该文丘里管具有一条纵向轴线，一个上游端，一个下游端和一个内表面。在该文丘里管上游的一个主径向射流旋流器包括多个在径向延伸的主空气喷口，该喷口分布在圆周上，且主空气喷口下游与该纵向轴线成一定角度。多个轴向喷口沿轴向穿过该主旋流器的空气，并在圆周方向上围绕着该纵轴线配置。该轴向喷口的横截面可以为矩形。
[0009] 该燃料空气混合器的一个示例性实施例包括该轴向喷口和该文丘里管的喉部的内表面。它们两者在从该纵轴线测量的半径上，径向位于与该纵轴线大约相等的距离处。该轴向喷口位于一个嵌入件上，该嵌入件安装在该主射流旋流器的上游部分，和在轴向位于多个在径向延伸的主空气喷口的前面。该主径向射流旋流器包括一个基本上为环形的上游部分和一个圆锥形的下游部分。该多个在径向延伸的主空气喷口穿过该圆锥形下游部分，而该轴向喷口穿过该上游部分。
[0010] 辅助的空气旋流器位于该主径向射流旋流器的下游，并且在圆周上围绕该文丘里管配置，并在径向与该文丘里管隔开一定距离。该辅助的空气旋流器包括多个配置在该文丘里管和隔开的钟口形整流罩之间的辅助旋流器叶片。至少一些轴向喷口的喷口中心线在该主空气喷口的出口下游与该主空气喷口中相应喷口的中心线相交。
[0011] 包括该燃气涡轮发动机燃烧室燃料空气混合器的一个燃料喷射器组件包括安置在该主径向射流旋流器的环形上游端上，与该纵轴线对准的一个燃料喷嘴。
附图说明
[0012] 在下面结合附图的说明中，说明本发明的上述方面和其他特点。
[0013] 图1为通过一个环形燃烧室的一部分的纵截面图，该燃烧室具有带有一个混合器的汽化器，该混合器包括一个主径向射流旋流器，一个辅助的径向流入旋流器和与该燃料喷射器顶部中心线平行的轴向喷口；
[0014] 图2为图1所示的主径向射流旋流器和轴向喷口的向前看的后视透视图；
[0015] 图3为通图1的3-3线的该主径向射流旋流器和轴向喷口的向后看的前视透视图；
[0016] 图4为图1所示的另一个主径向射流旋流器和轴向喷口的向前看的后视透视图；
[0017] 图5为图1所示的主径向射流旋流器和轴向喷口的放大的纵截面图。
具体实施方式
[0018] 图1所示为一个示例性的燃气涡轮发动机燃烧部分10，它在压缩机扩散器(没有示出)的下游并与压缩机的排出空气14流体连通。该燃烧部分10包括一个具有一个燃烧腔16的燃烧室11。一般，该燃烧室11为环形形状，与在轴向延伸的发动机的中心线轴线17外接。该燃烧室11分别包括径向的外和在内衬里18和20，和一个基本上为圆顶形的末端22。与该外衬里18和内衬里20连接的燃烧室隔板24包括多个在圆周上隔开的孔26，每一个孔内安置一个燃气涡轮发动机燃烧室的燃料-空气混合器28，用于将燃料和空气输送至该燃烧腔16中。
[0019] 该燃烧室11由一个壳体30封闭，该壳体与该外衬里18一起，形成一条环形的外通道32。该圆顶形末端22包括多个用于将压缩机的排出空气供给该燃料-空气混合器28的孔36。每一个燃料-空气混合器28包括一个本体38，其中具有一个基本上为环形的文丘里管40。该文丘里管40具有一条纵轴线42，并包括一个上游端44，一个下游端46和一个内表面48。该文丘里管的上游端44紧靠着一个主径向射流旋流器50。该主径向射流旋流器50为一个管状的环圈，它由基本上为环形的上游部分52和终端在径向法兰55上的一个圆锥形下游部分54形成。多个在径向延伸的主空气喷口56穿过该圆锥形的下游部分54。该主空气喷口56分布在圆周上，并且下游与该纵轴线42成一定角度，使得进入该主空气喷口56的压缩机的排出空气14成为涡流，产生主旋流器射流空气流58。该文丘里管40相对于该主径向射流旋流器50的位置，使得可以使该主旋流器射流空气流58以涡流形式进入该文丘里管40。
[0020] 为了形成一个燃料喷射器组件61，将一个燃料喷嘴60安置在该主径向射流旋流器50的环形的上游端44中，与该文丘里管40的纵轴线42对准。该燃料喷嘴60包括一个将燃料64喷入该文丘里管40中的燃料通道62。在该文丘里管40中，燃料被雾化，并与该主旋流器的空气混合。在该主径向射流旋流器50的下游的辅助空气旋流器66在圆周上围绕该文丘里管40配置，并且在径向与该文丘里管40隔开一定距离。压缩机排出的空气14流入该辅助的空气旋流器66中，并由多个辅助旋流器的叶片72引导。该叶片72安置在该文丘里管40和一个隔开的钟形口形状的整流罩68之间，并且基本上互相等距离地形成一定角度，以便在流动的压缩机排出空气上引起涡流。该辅助旋流器叶片可以在与该主空气喷口56相同或不同的切线方向上成一定角度。该整流罩68在该文丘里管下游端46的后面延伸。该整流罩68的位置和与该文丘里管下游端46隔开的距离使得它与该文丘里管40组合，形成一条辅助旋流器空气通过其流动的流体通道70。在该文丘里管40的下游端46的后面，这个辅助旋流器的空气与该主旋流器射流空气流58和燃料64的混合物互相混合，从而进一步使燃料雾化，与空气混合供燃烧用。所述的燃料-空气混合器结构一般在接近1000°F的温度下工作。在文丘里管40中，与该主旋流器射流空气流-互相混合的燃料的离心作用造成燃料润湿该文丘里管40的内表面48。这会降低表面温度，并且在一定条件下，开始占主导地位地是形成碳，和在某些情况下形成焦炭。这种现象通常称为碳化。
[0021] 参见图1，2和3可看出，多个在轴向穿过该主旋流器空气的轴向喷口71沿圆周方向围绕该燃料喷嘴60和纵轴线42配置，并且流向沿轴向流经该燃料空气混合器28的压缩机排出空气14。该轴向喷口71用于在该文丘里管40的内表面48上，形成一个空气的边界层，以减少与该表面接触的燃料量，并从而减少碳化。这部分沿轴向流动的压缩机排出空气14称为清洗空气流76。该轴向喷口71的横截面74为矩形，更具体地说为方形。该轴向喷口71的横截面可以为其他形状，(例如圆形，椭圆形或比赛用的跑道形)。该轴向喷口71位于从该纵轴线42测量的半径R处，该半径R大约与该文丘里管40的喉部73的内表面48与该纵轴线42的距离相同。该轴向喷口71和该喉部73的内表面48都基本上位于从该纵轴线42测量的半径R处。将该轴向喷口粗略地安置在该文丘里管的喉部的半径处可使喷料喷雾与该文丘里管的壁隔绝，同时可使燃料喷雾输送至该主旋流器流动中。
[0022] 在图2和图3中，该轴向喷口71沿轴向穿过被安装在该上游部分52上的一个嵌入件80，并且在径向位于该燃料喷嘴60和该主径向射流旋流器50的上游部分52之间。该嵌入物80也位于该主空气喷口56的上游，或轴向在该多个沿径向延伸的主空气喷口56的前面。该嵌入物80焊接或用其他方法固定或粘接在该主径向射流旋流器50的上游部分52上，使得该燃料喷嘴60的顶部84可以插入该嵌入件内。另一种方案是，如图4所示，可以该燃料喷射器组件61上取消该嵌入件80，并且该轴向喷口71沿轴向穿过该主要的径向射流旋流量50的上游部分52，和位于该主空气喷口56的上游或轴向在该多个沿径向延伸的主空气喷口56的前面。
[0023] 至少一些轴向喷口71沿轴向穿过该主径向射流旋流器50，通入一些该主空气喷口56中；并且在径向位于该主径向射流旋流器50的圆周C向内的地方。该圆周C由该主空气喷口56的径向最内的点77确定。如图5所示，这些轴向喷口71的喷口中心线82，在交点92上，与该主空气喷口56中相应喷口的中心线88相交。该交点92在该主空气喷口56的排放口或出口90的下游。
[0024] 如美国专利6571559号所述，现有技术的燃料-空气混合器设计利用在该燃料喷嘴中的环形空气通道形成的幕，将清洗空气流输送至该燃料空气混合器。当使用一个双通道的燃料喷射器时，这对于比GECF6小的燃气涡轮发动机是不实际的。另外，将空气幕安置在该喷射器上会严重损害燃料喷射器的热屏蔽。如在本发明中所作的那样，将清洗空气流放在该旋流器上，使燃料喷射器的设计灵活得多。
[0025] 如上所述说明了本发明。应当理解，所用的术语是说明性质的，而不是限制。虽然已利用认为是优选的示例性实施例说明了本发明，但技术熟练的人知道，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可作其他的改进，但所有这些改进都在所附权利要求书的范围内。
[0026] 因此，希望由美国专利保护的是在下列权利要求书限定和有区别的本发明。
