用于操作燃气涡轮发动机燃烧室的方法和装置.pdf

一种便于装配燃气涡轮发动机(10)的方法。该方法包括：将包括有圆顶组件(113)和从圆顶组件中向下游延伸的燃烧室衬套(110，112)的燃烧室(16)连接到设于燃烧室的径向外侧的燃烧室机匣(114)上；将包括有燃料入口(42)和空气入口(80)的燃料喷射器(30)连接到燃烧室机匣上，使得燃料喷射器穿过圆顶组件轴向地延伸，这样燃料可从主喷嘴排放到燃烧室中；以及将空气入口和空气源相连，使得经由空气入口接受到的冷却空气可经由燃料喷射器而循环，以便促进燃料喷射器的冷却。

1.  一种用于装配燃气涡轮发动机(10)的方法，所述方法包括：
将包括有圆顶组件(113)和从所述圆顶组件中向下游延伸的燃烧室衬套(110，112)的燃烧室(16)连接到设于所述燃烧室的径向外侧的燃烧室机匣(114)上；
将包括有燃料入口(42)和空气入口(80)的燃料喷射器(30)连接到所述燃烧室机匣上，使得所述燃料喷射器穿过所述圆顶组件轴向地延伸，这样，燃料可从主喷嘴(30)排放到所述燃烧室中；和
将所述空气入口和空气源相连，使得经由所述空气入口接受到的冷却空气可经由所述燃料喷射器而循环，以便促进所述燃料喷射器的冷却。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将包括有第一径向法兰(134)、第二径向法兰(136)以及在它们之间延伸的多个梁(138)的环形的环支撑(132)连接到所述燃烧室机匣上，使得所述燃料喷射器定位成处于所述环支撑的径向内部。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将包括有燃料入口和空气入口的燃料喷射器连接到所述燃烧室机匣上还包括，将所述燃料喷射器与所述燃烧室机匣连接成使得燃料从所述燃料喷射器中沿着基本上平行于延伸穿过所述燃烧室的中心轴线的方向而排放到所述燃烧室中。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述燃料喷射器的燃料源连接到空气源上，以便在预定的燃烧室操作期间促进将残余燃料从所述燃料喷射器中清洗到所述燃烧室中。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述空气入口与空气源相连还包括，将所述空气入口与空气源连接成使得用过的冷却空气可从所述燃料喷射器中排放到所述燃烧室机匣之外。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将包括有燃料入口和空气入口的燃料喷射器连接到所述燃烧室机匣上还包括，将所述燃料喷射器与所述燃烧室机匣连接成使得从所述燃料喷射器中延伸出来的环形台肩(48)可将所述燃料喷射器相对于所述燃烧室定位。

用于操作燃气涡轮发动机燃烧室的方法和装置
技术领域
按照编号为DAAE07-00-C-N086的合同，美国政府享有本发明的一定权利。
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及燃气涡轮发动机所使用的燃烧室。
背景技术
已知的涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机，空气与燃料适当地混合并被引到燃烧室中，在这里混合物被点燃以产生热燃气。气体被引到至少一个涡轮中，涡轮从燃气中抽取能量以便为压缩机提供动力，并且产生有用功，例如推动车辆前进。
为了在严酷的发动机环境中支撑发动机机壳和部件，至少一些已知的机壳和部件由多个支撑环来支撑，这些支撑环连接在一起以形成一个中央梁式支架(backbone frame)。中央梁式支架为设置在支架的径向内侧的部件提供了结构支撑，还提供了可将发动机机壳连接到发动机周围的手段。另外，由于中央梁式支架有助于控制形成于发动机机壳和设置在中央梁式支架的径向内侧的部件之间的发动机密闭空间，这种中央梁式支架通常设计成尽可能地具有刚性。用于换热式发动机的至少一些已知的中央梁式支架包括多个在前后法兰之间延伸的梁。
由于暴露在燃烧室内所产生的高温下，用于这种发动机中的燃料喷射器需要被冷却。因此，至少一些已知的燃料喷射器通过流经燃料喷射器的燃料来冷却，并且还通过使用形成于燃料喷射器内部的不活泼的“闭塞空气”绝缘区域来冷却。而且，为了促进燃料喷射器的有效地操作，至少一些已知的燃料喷射器设计成可在预定的燃烧室操作期间迫使残余燃料排出到燃料喷射器之外并进入到外部排放通道中。另外，由于燃烧室的空间限制，燃料喷射器的整体尺寸受到限制。因此，设计用于这种发动机中的高效燃料喷射器是存在困难的。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于装配燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：将包括有圆顶(dome)组件和从圆顶组件中向下游延伸的燃烧室衬套的燃烧室连接到设于燃烧室的径向外侧的燃烧室机匣上；将包括有燃料入口和空气入口的燃料喷射器连接到燃烧室机匣上，使得燃料喷射器穿过圆顶组件轴向地延伸，这样，燃料可从燃料喷射器排放到燃烧室中；以及将空气入口和空气源相连，使得经由空气入口所接受到的冷却空气可经由燃料喷射器而循环，以便促进燃料喷射器的冷却。
在另一方面，提供了一种用于包括有中心轴线的燃气涡轮发动机燃烧室的燃料喷射器。燃料喷射器包括燃料入口、喷射尖端和主体。喷射尖端将燃料以基本上平行于燃气涡轮发动机的中心轴线的方向而排放到燃烧室中。主体在入口和喷射尖端之间延伸。主体包括至少一个空气入口和至少一个空气出口。入口用于接受冷却空气到主体内，而出口用于将冷却空气排放到燃烧室机匣之外。
在另一方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统。燃烧系统包括燃烧室、燃烧室机匣和燃料喷射器。燃烧室包括圆顶组件和从圆顶组件中向下游延伸的燃烧室衬套。燃烧室衬套在其中形成了燃烧腔。燃烧室还包括中心轴线。燃烧室机匣在燃烧室的周围延伸。燃料喷射器延伸穿过燃烧室机匣和圆顶组件，并包括燃料入口、喷射尖端以及在燃料入口和喷射尖端之间延伸的主体。喷射尖端用于将燃料排放到燃烧室中。主体包括至少一个空气入口和至少一个空气出口。入口用于接受冷却空气到主体内。出口用于将冷却空气排放到燃烧室机匣之外。
图1是燃气涡轮发动机的示意图。
图2是图1所示燃气涡轮发动机的一部分的截面图示。
图3是从燃料喷射器的上游侧看去的在图2所示燃气涡轮发动机中使用的燃料喷射器的放大透视图；和
图4是从燃料喷射器的下游侧看去的图3所示燃料喷射器的平面图。
在附图中各标号的含义如下：10  燃气涡轮发动机；14  高压压缩机；16  燃烧室；18  高压涡轮；20  低压涡轮；24  第一轴；26  输出轴；28  换热器；29  流体路径；30  燃料喷射器；31  流体路径；32  上游侧；34  下游侧；35  外部环境；42  燃料入口；44  喷射尖端；46  主体；48  环形台肩；50  开口；52  紧固件；54  外周；60  内侧部分；62  燃烧腔；64  外侧部分；L  长度；78  中心轴线；80  空气入口；82  排气孔；83  通道；86  发动机舱；90  罩壳；L₂  长度；D₁  直径；100  冷却开口；D₃  直径；D₄直径；102  旋流器；109  外支撑；110  外衬套；111  内支撑；112  内衬套；113  圆顶端部；114  燃烧室机匣；118  外通道；120  内通道；122  涡轮喷嘴；130  中央梁式支架；132  环支撑；134  径向法兰；136  径向法兰；138  梁；140  开口；D₅  内径；W  宽度；150  密封件；R₁  距离；152  内表面；160  中心轴线。
图1是包括有高压压缩机14和燃烧室16的燃气涡轮发动机10的示意图。发动机10还包括高压涡轮18和低压涡轮20。压缩机14和涡轮18通过第一轴24相连，涡轮20驱动第二输出轴26。轴26提供了旋转动力以驱动从动机械装置，其例如但不限于齿轮箱、传动装置、发电机、风扇或泵。发动机10还包括换热器28，其具有串联在压缩机14和燃烧室16之间的第一流体路径29以及串联在涡轮20和外部环境35之间的第二流体路径31。在一个实施例中，燃气涡轮发动机为可从美国俄亥俄州辛辛那提市的通用电气公司得到的LV100型发动机。
在操作中，空气流经高压压缩机14。被高度压缩的空气传送到换热器28中，在这里来自涡轮20的热废气将热量传递给压缩空气。被加热的压缩空气传递给燃烧室16。来自燃烧室16的气流驱动涡轮18和20并流经换热器28，之后离开燃气涡轮发动机10。
图2是包括了燃料喷射器30的燃气涡轮发动机10的一部分的截面图示。图3是从燃料喷射器30的上游侧32看去的燃料喷射器30的放大透视图。图4是从燃料喷射器30的下游侧34看去的图3所示燃料喷射器的平面图。在该代表性实施例中，燃料喷射器30包括燃料入口42、喷射尖端44和在它们之间延伸地主体46。燃料入口42连接在燃料供应源上以用于将燃料引入到燃料喷射器30中，其将在下文中详细地介绍。另外，入口42还与空气源流体相通，以便引导空气流经燃料喷射器30，从而在流向燃料喷射器30的燃料停止时在预定的燃烧室操作期间促进从燃料喷射器30中清洗掉残余燃料。在一个实施例中，入口42通过蓄压器(未示出)与空气源相连。
在该代表性实施例中，喷射器主体46包括环形台肩48，其从主体46上径向向外地延伸。当燃料喷射器30与发动机10相连时，台肩48可促进使燃料喷射器30相对于燃烧室16正确地定向且对齐，这一点如下所详述。更具体地说，环形台肩48包括多个从中延伸穿过的开口50。开口50的大小均制成为可容纳紧固件52(未示出)，紧固件52从开口50中穿过，用于将燃料喷射器30与燃烧室16相连。在该代表性实施例中，喷射器30包括三个大小相等的开口50，它们均定位在燃料喷射器台肩48的外周54的附近。
台肩48为大致平面的，并将燃料喷射器主体46分隔成内侧部分60和外侧部分64，内侧部分60延伸到燃烧室16中，因而暴露在形成于燃烧室16内的燃烧室主燃区或燃烧腔62中，外侧部分64从燃烧室16中向外延伸。更具体地说，当燃料喷射器30与燃烧室16相连时，台肩48可防止燃料喷射器的外侧部分64进入到燃烧室16中。因此，内侧部分60的长度L可变化地选择成有助于限制喷射器30的插入深度，并因而限制喷射器30暴露在产生于燃烧室主燃区62内的辐射热中的量。更具体地说，内侧部分的长度L以及台肩48相对于喷射器主体46的位置的结合促进了燃料喷射尖端44在燃烧室16中的定位。
燃料入口42从燃料喷射器的外侧部分64中向外延伸出来。更具体地说，入口42相对于穿过喷射尖端44和主体46的中心轴线78呈倾斜地定位。在该代表性实施例中，燃料入口42形成有螺纹，以便于将入口42连接到燃料源上。另外，燃料喷射器的外侧部分64还包括有空气入口80和至少一个排气孔82。而且，燃料喷射器的外侧部分64包括至少一个形成于其中的冷却腔(未示出)。进入到燃料入口42中的燃料经由从燃料入口42中延伸出来的通道83并经冷却腔而被引导到燃料喷射器的内侧部分60中。
空气入口80和各排气孔82与空气源流体相通式地相连，以便接受冷却空气。更具体地说，在该代表性实施例中，入口80和排气孔82接受未经换热的空气。在一个实施例中，入口80和排气孔82接受未经换热的压缩机内的空气，其处于比经换热的空气的工作温度低得多的工作温度下。进入到空气入口80中的冷却空气相对于中心轴线78呈倾斜，并经由各个冷却腔而在燃料通道的周围被引导，之后从燃料喷射器30中经由排气孔82排出。如下面所详细介绍的那样，从排气孔82中排出的用过的冷却空气被排放到发动机舱86中，而不是被排放到燃烧室16中。另外，进入空气入口80中的冷却空气还可有助于防止燃料喷射器30的过热以及燃料在燃料喷射器30中的焦化。
罩壳90围绕着燃料喷射器的内侧部分60的一部分以促进防护喷射尖端44，并防止内侧部分60的一部分受到燃烧室主燃区62中所产生的热量。在该代表性实施例中，罩壳90是基本上圆形的。具体地说，罩壳90具有比燃料喷射器的内侧部分的长度L更短的长度L₂，以及比燃料喷射器的内侧部分60的直径(未示出)更大的直径D₁。
尖端44包括多个冷却开口100，其延伸穿过尖端44并与喷射尖端44和供应到燃烧室16中的空气流体相通，以促进从燃料喷射器30中排出的燃料的雾化和喷射控制。在该代表性实施例中，供应到燃烧室16中以促进雾化和喷射控制的空气被换热，已经通过换热循环的高压空气将废气热量增加到压缩机排气中。更具体地说，在该代表性实施例中，尖端44是大致圆形的，而开口100在尖端44的周围周向地间隔开。
罩壳90从台肩48延伸到燃料喷射尖端44。尖端44与台肩48基本上同心地对齐，并具有小于罩壳直径D₁的直径D₃，其可变化地选择成大小近似等于燃烧室主旋流器102的内径D₄。更具体地说，由于在喷射器30与燃烧室16相连时尖端的直径D₃可变化地选择成大小近似等于旋流器的内径D₄，因此尖端44就与主旋流器102在周向上接触，从而便于降低换热空气泄漏到燃烧腔62中和泄漏到喷射器30与旋流器92之间。
燃烧室16包括外支撑109、环形外衬套110、内支撑111、环形内衬套112以及在外衬套110和内衬套112之间延伸的圆顶端部113。外衬套110和内衬套112与燃烧室机匣114径向向内地间隔开，并形成了燃烧腔62。燃烧室机匣114是大致环形的，并分别在燃烧室16以及内、外支撑109，111的周围延伸。燃烧腔62的形状为大致环形，并与衬套110和112径向向内地隔开。外支撑111和燃烧室机匣114形成了外通道118，内支撑109和燃烧室机匣114形成了内通道120。外衬套110和内衬套112延伸到涡轮喷嘴122中。
燃烧室机匣114的一部分形成了燃烧室的中央梁式支架130，其在燃烧室16的周围周向地延伸，从而为发动机10内的燃烧室16提供了结构支撑。环形的环支撑132与燃烧室的中央梁式支架130相连。环支撑132包括环形的上游径向法兰134、环形的下游径向法兰136，以及在它们之间延伸的多个周向隔开的梁138。在该代表性实施例中，上游法兰134和下游法兰136是基本上圆形且基本上平行的。具体地说，环支撑132在压缩机14(在图1中示出)和涡轮18(在图1中示出)之间轴向地延伸，并在压缩机14和涡轮18之间提供了结构支撑。
燃烧室机匣114的一部分还形成了开口140，其为燃料喷射器30提供了连接座。具体地说，开口140具有内径D₅，其小于燃料喷射器台肩48的宽度W但稍大于罩壳的直径D₁。更具体地说，罩壳的直径D₁可变化地选择成允许有足够的空间以装配密封件150，同时有助于缩短罩壳90和形成了机匣开口140的内表面152之间的径向距离R₁。缩短径向距离R₁有助于提高密封件150的有效性，防止换热后的空气从燃烧室机匣114中经过燃料喷射器30而逸出。
因此，当经由燃烧室机匣开口140插入燃料喷射器30时，燃料喷射器的台肩48与机匣114接触，并且限制了燃料喷射器的内侧部分60相对于燃烧室16的插入深度。更具体地说，在燃料喷射器30与燃烧室16相连时，台肩48有助于燃料喷射尖端44相对于燃烧室16的正确定向和对齐。
在发动机10的装配期间，在将燃烧室16相对于燃烧室机匣114固定就位之后，经由密封件150插入燃料喷射器的内侧部分60，使得密封件150产生变形以与台肩48密封式接触。然后经由机匣开口140插入燃料喷射器30，采用紧固件52将其与燃烧室16连接就位，使得密封件150产生变形以在台肩48和机匣114之间形成密封式接触。在该代表性实施例中，为了便于装配和拆卸，紧固件初始被涂覆有润滑剂，例如可从美国加利福尼亚州Huntington Beach的TIODIZE得到的Tiolube 614-19B。
然后将环支撑132连接到燃烧室机匣114上，使得燃料喷射器30可在形成于环支撑132和机匣114之间的空间约束内连接就位。
具体地说，当燃料喷射器30与燃烧室机匣114相连时，喷嘴30向外延伸到环支撑132上，燃料喷射器的罩壳90和喷射尖端44穿过圆顶端部113而基本上轴向地延伸。因此，到燃烧腔62的唯一通路是经过燃烧室的圆顶端部113，这样，如果有保证的话，不用拆下燃烧室16即可更换主喷嘴30。
在操作期间，燃料和空气供应到燃料喷射器30中。更具体地说，燃料供应到燃料入口42中，未经换热的冷却空气供应到空气入口80中。冷却空气经由喷射器主体46循环，之后被排放到发动机舱86中。燃料和流经燃料喷射器30的冷却空气的结合有助于降低燃料喷射器30的工作温度。
从燃料喷射器30中排出的燃料以相对于圆顶端部113呈大约90度的喷射雾锥并且沿着从圆顶端部113延伸穿过燃烧室16的中心轴线160而排出。更具体地说，当燃料排放时，燃料与供应到燃烧室16中的换热后的空气混合，以促进从喷射器30中排出的燃料的雾化和喷射控制。而且，燃料喷射的方向有助于缩短燃烧腔62内的燃料点火的时间。因此，从燃料喷射器30中排出的燃料可以沿着基本上平行于中心轴线160的方向排放到燃烧腔62中。
在燃烧室16的预定操作期间，流向燃料喷射器30的燃料停止，这使得燃料喷射器30易于焦化。为了有助于防止在燃料喷射器30中产生焦化，可以用在高压下提供的未经换热的空气来清洗喷射器30，使得残余燃料被驱逐到燃烧室16中。具体地说，清洗空气的工作温度低于供应到燃烧室16中供燃料雾化用的换热后的空气的工作温度。在燃料喷射器30不使用时的发动机运转期间，清洗空气还可促进降低燃料喷射器30和喷射尖端44的工作温度。
上述燃烧支撑提供了一种用于将燃料提供到带有燃料喷射器的燃烧室中的成本效率合算且可靠的方式。燃料喷射器包括可使燃料沿着基本上平行于燃烧室中心轴线的方向排放到燃烧腔中的燃料入口，以及可使未经换热的空气流经燃料喷射器以促进燃料喷射器的冷却的空气入口。用过的内部冷却空气然后被排放到发动机舱中。燃料喷射器还包括罩壳，其有助于防护燃料喷射器免受在燃烧室内所产生的高温。因此，提供了一种能够将燃料以成本效率合算且可靠的方式提供到燃烧室中的燃料喷射器。
在上文中详细地介绍了燃烧系统的一个代表性实施例。所示的燃烧系统部件并不限制这里介绍的特定实施例，相反，可以与这里介绍的各燃烧系统的一些部件相独立地且单独地使用另一些部件。例如，各燃料喷射器也可与其它发动机的燃烧系统相结合地使用。
虽然已经用多个特定的实施例来介绍了本发明，然而本领域的技术人员可以认识到，在权利要求的精神和范围内，可以对本发明进行修改。