用于高燃料/空气比和减少的燃烧动力学的燃烧器系统的制作方法
本申请大体上涉及燃气涡轮发动机燃烧器组件。更具体地说，本申请涉及双环形预混合旋流器(taps，twinannularpremixedswirler)燃烧器组件。
背景技术：
较普遍地，例如陶瓷基质复合物(cmc)材料等非传统高温复合材料正用于例如燃气涡轮发动机等应用中。由cmc材料构造的部件与例如金属部件的典型部件相比具有更高温度能力，这可允许改进的部件性能和/或增大的系统温度，同时具有到cmc部件的减少的冷却流。
飞行器燃气涡轮发动机包括一种燃烧器，燃料在燃烧器中燃烧以输入热量实现发动机循环。典型的燃烧器结合一个或多个燃料喷射器，所述一个或多个燃料喷射器的功能是将液体燃料引入到空气流动流中，从而使得所述空气流动流能够雾化并燃烧。分级燃烧器已被建立来在低污染、高效率、低成本、高发动机输出和良好发动机可操作性下操作。在分级燃烧器中，燃烧器的燃料喷嘴可操作来通过两个或多于两个离散级选择性地喷射燃料，每个级由燃料喷嘴内的个别燃料流动路径限定。举例来说，燃料喷嘴可包括连续操作的导向级和仅在更高发动机动力水平下操作的主级。这种燃料喷嘴的实施例是双环形预混合旋流器(taps)燃料喷嘴，其要求喷射器内具有两个喷射/混合级用于实现低排放。燃料流速在级中的每一个内也可以是可变的。
然而，典型taps燃烧器利用具有相对低气流的导向旋流器和具有相对高气流的主混合器，所述典型taps燃烧器具体地说在高动力操作条件下限制到导向级的燃料喷射且导致更高燃烧动力学。因此，允许导向旋流器与主混合器之间的不同气流分流的改进的燃烧器系统和燃料喷嘴组件将是合乎需要的。也允许导向燃料喷射器与主燃料喷射器之间的不同燃料分流、具体地说在高动力操作条件下允许更高燃料-导向燃料喷射器的比的此类燃烧器系统和燃料喷嘴组件将是有益的。
技术实现要素：
本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
在本申请的一个示范性实施例中，提供一种燃烧器系统。燃烧器系统包括具有前端和后端的燃烧器。燃烧器包括大体上沿着轴向方向延伸的环形内衬和大体上沿着轴向方向延伸的环形外衬。内衬和外衬在其间限定燃烧腔室。燃烧器系统还包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴具有限定在燃料喷嘴的出口端中的出口。出口位于燃烧器的前端处以将燃料-空气混合物引导到燃烧腔室中。燃料喷嘴包括导向旋流器。燃烧器系统进一步包括联接到燃料喷嘴的出口端的主混合器。主混合器围绕出口延伸。通过燃烧器的总燃烧器气流包括导向旋流器气流和主混合器气流。导向旋流器气流大于总燃烧器气流的约14％，且主混合器气流小于总燃烧器气流的约50％。
在本申请的另一示范性实施例中，提供一种燃烧器系统。燃烧器系统包括具有前端和后端的燃烧器。燃烧器包括大体上沿着轴向方向延伸且由陶瓷基质复合物(cmc)材料形成的环形内衬。燃烧器还包括大体上沿着轴向方向延伸且由cmc材料形成的环形外衬。内衬和外衬在其间限定燃烧腔室。燃烧器组件进一步包括燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴具有限定在燃料喷嘴的出口端中的出口。出口位于燃烧器的前端处以将燃料-空气混合物引导到燃烧腔室中。燃料喷嘴包括导向旋流器。燃料喷嘴组件还包括联接到燃料喷嘴的出口端的主混合器。主混合器围绕出口延伸。燃料喷嘴包括主燃料喷射器和导向燃料喷射器。主燃料喷射器和导向燃料喷射器中的每一个被构造成接纳至燃料喷嘴的燃料流的一部分。燃烧器系统安装在燃气涡轮发动机中，且燃料喷嘴被构造成在燃气涡轮发动机的高动力操作条件下将小于约80％的燃料流提供到主燃料喷射器。
技术方案1.一种燃烧器系统，包括：
燃烧器，具有前端和后端，所述燃烧器包括大体上沿着轴向方向延伸的环形内衬和大体上沿着所述轴向方向延伸的环形外衬，所述内衬和所述外衬在其间限定燃烧腔室；
燃料喷嘴，具有限定在所述燃料喷嘴的出口端中的出口，所述出口位于所述燃烧器的前端处以将燃料-空气混合物引导到所述燃烧腔室中，所述燃料喷嘴包括导向旋流器；以及
主混合器，联接到所述燃料喷嘴的出口端，所述主混合器围绕所述出口延伸，
其中通过所述燃烧器的总燃烧器气流包括导向旋流器气流和主混合器气流，
其中所述导向旋流器气流大于所述总燃烧器气流的约14％，且
其中所述主混合器气流小于所述总燃烧器气流的约50％。
技术方案2.根据技术方案1所述的燃烧器系统，所述内衬由陶瓷基质复合物(cmc)材料形成。
技术方案3.根据技术方案1所述的燃烧器系统，所述外衬由陶瓷基质复合物(cmc)材料形成。
技术方案4.根据技术方案1所述的燃烧器系统，所述导向旋流器气流介于所述总燃烧器气流的约15％到约40％之间。
技术方案5.根据技术方案1所述的燃烧器系统，所述主混合器气流介于所述总燃烧器气流的约25％到约50％之间。
技术方案6.根据技术方案1所述的燃烧器系统，所述燃料喷嘴包括主燃料喷射器和导向燃料喷射器，所述主燃料喷射器和所述导向燃料喷射器中的每一个被构造成接纳至所述燃料喷嘴的燃料流的一部分。
技术方案7.根据技术方案6所述的燃烧器系统，所述燃烧器系统安装在燃气涡轮发动机中，且其中所述燃料喷嘴被构造成在所述燃气涡轮发动机的高动力操作条件下将小于约80％的所述燃料流提供到所述主燃料喷射器。
技术方案8.根据技术方案7所述的燃烧器系统，所述燃料喷嘴被构造成在所述燃气涡轮发动机的高动力操作条件下将介于约0％与约70％之间的所述燃料流提供到所述主燃料喷射器。
技术方案9.根据技术方案8所述的燃烧器系统，所述燃料喷嘴被构造成在所述燃气涡轮发动机的高动力操作条件下将介于约30％到约100％之间的所述燃料流提供到所述导向燃料喷射器。
技术方案10.根据技术方案1所述的燃烧器系统，进一步包括：
燃烧器拱座，大体上沿着径向方向在所述内衬与所述外衬之间延伸，所述燃料喷嘴通过所述燃烧器拱座安置。
技术方案11.一种燃烧器系统，包括：
燃烧器，具有前端和后端，所述燃烧器包括
环形内衬，大体上沿着轴向方向延伸，所述内衬由陶瓷基质复合物(cmc)材料形成，和
环形外衬，大体上沿着所述轴向方向延伸，所述外衬由cmc材料形成，所述内衬和所述外衬在其间限定燃烧腔室；
燃料喷嘴组件，包括
燃料喷嘴，具有限定在所述燃料喷嘴的出口端中的出口，所述出口位于所述燃烧器的前端处以将燃料-空气混合物引导到所述燃烧腔室中，所述燃料喷嘴包括导向旋流器；和
主混合器，联接到所述燃料喷嘴的出口端，所述主混合器围绕所述出口延伸，
其中所述燃料喷嘴包括主燃料喷射器和导向燃料喷射器，所述主燃料喷射器和所述导向燃料喷射器中的每一个被构造成接纳至所述燃料喷嘴的燃料流的一部分，
其中所述燃烧器系统安装在燃气涡轮发动机中，且
其中所述燃料喷嘴被构造成在所述燃气涡轮发动机的高动力操作条件下将小于约80％的所述燃料流提供到所述主燃料喷射器。
技术方案12.根据技术方案11所述的燃烧器系统，通过所述燃烧器的总燃烧器气流包括导向旋流器气流和主混合器气流，且其中所述导向旋流器气流大于所述总燃烧器气流的约14％。
技术方案13.根据技术方案12所述的燃烧器系统，所述导向旋流器气流介于所述总燃烧器气流的约15％到约40％之间。
技术方案14.根据技术方案11所述的燃烧器系统，通过所述燃烧器的总燃烧器气流包括导向旋流器气流和主混合器气流，且其中所述主混合器气流小于所述总燃烧器气流的约50％。
技术方案15.根据技术方案14所述的燃烧器系统，所述主混合器气流介于所述总燃烧器气流的约25％到约50％之间。
技术方案16.根据技术方案11所述的燃烧器系统，所述燃料喷嘴被构造成在所述燃气涡轮发动机的高动力操作条件下将介于约0％与约70％之间的所述燃料流提供到所述主燃料喷射器。
技术方案17.根据技术方案16所述的燃烧器系统，所述燃料喷嘴被构造成在所述燃气涡轮发动机的高动力操作条件下将介于约30％到约100％之间的所述燃料流提供到所述导向燃料喷射器。
技术方案18.根据技术方案11所述的燃烧器系统，进一步包括：
燃烧器拱座，大体上沿着径向方向在所述内衬与所述外衬之间延伸，所述燃料喷嘴通过所述燃烧器拱座安置。
技术方案19.根据技术方案18所述的燃烧器系统，所述燃烧器拱座由cmc材料形成。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整和启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，在附图中：
图1提供根据本申请的各种实施例的示范性燃气涡轮发动机的横截面示意图。
图2提供根据本申请的示范性实施例的图1的燃气涡轮发动机的燃烧器系统的横截面示意图。
图3提供根据本申请的示范性实施例的图2的燃烧器系统的燃料喷嘴组件的横截面示意图。
图4、图5和图6提供图3中所示出的燃料喷嘴组件的区段的放大视图。
图7提供根据本申请的示范性实施例的燃料喷嘴组件的主燃料喷射器的一部分的横截面示意图。
图8提供根据本申请的另一示范性实施例的燃料喷嘴组件的主燃料喷射器的一部分的横截面示意图。
图9提供根据本申请的示范性实施例的燃料喷嘴出口的一部分的后端视图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，其中的一个或多个实施例在附图中说明。详细描述中使用数字和字母标示来指代图中的特征。图中和描述中使用相同或类似的标示来指代本发明的相同或类似部分。如本说明书中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分开一个部件与另一部件，而并非意图表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。举例来说，“上游”是指流体流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。
现参考图，其中相同的标记贯穿图式指示相同的元件，图1是根据本申请的示范性实施例的燃气涡轮发动机的横截面示意图。更具体地说，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机为高旁路涡扇喷气发动机10，其在本说明书中被称为“涡扇发动机10”。如图1中所示出，涡扇发动机10限定轴向方向a(平行于出于参考目的而提供的纵向中心线12延伸)和径向方向r。一般来说，涡扇10包括风扇区段14和安置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示范性核心涡轮发动机16大体上包括限定环形入口20的基本管状外壳体18。外壳体18以串流关系包封：压缩机区段，其包括增压器或低压(lp)压缩机22和高压(hp)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(hp)涡轮28和低压(lp)涡轮30；和喷气排气喷嘴区段32。高压(hp)轴或转轴34将hp涡轮28传动地连接到hp压缩机24。低压(lp)轴或转轴36将lp涡轮30传动地连接到lp压缩机22。在涡扇发动机10的其它实施例中，可提供额外转轴，使得发动机10可被描述为多转轴发动机。
对于所示出的实施例，风扇区段14包括风扇38，风扇38具有以间隔开的方式连接到盘42的多个风扇叶片40。如所示出的，风扇叶片40从盘42大体上沿着径向方向r朝外延伸。风扇叶片40和盘42可通过lp轴36围绕纵向轴线12一起旋转。在一些实施例中，可包括具有多个齿轮的动力齿轮箱，以用于将lp轴36的旋转速度逐步降低到更高效的旋转风扇速度。
仍参考图1的示范性实施例，盘42由可旋转的前舱体48覆盖，所述可旋转的前舱体48具有空气动力学轮廓以促进气流通过所述多个风扇叶片40。另外，示范性风扇区段14包括环形风扇壳体或外部舱体50，所述环形风扇壳体或外部舱体50沿圆周包围风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应理解，舱体50可被构造成相对于核心涡轮发动机16由多个沿周向间隔开的出口导流板52支撑。此外，舱体50的下游区段54可在核心涡轮发动机16的外部部分上方延伸，以便在其间限定旁路气流通道56。
在涡扇发动机10的操作期间，大量空气58通过舱体50和/或风扇区段14的相关联入口60进入涡扇10。当大量空气58横穿风扇叶片40时，如由箭头62指示的空气58的第一部分被引导或导引到旁路气流通道56中，且如由箭头64指示的空气58的第二部分被引导或导引到lp压缩机22中。空气的第一部分62与空气的第二部分64之间的比通常被称为旁路比。在空气的第二部分64被导引通过高压(hp)压缩机24并进入燃烧区段26时，空气的第二部分64的压力接着增大，在燃烧区段26处，空气与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被导引通过hp涡轮28，在hp涡轮28处经由连接到外壳体18的hp涡轮定子轮叶68和连接到hp轴或转轴34的hp涡轮转子叶片70的顺序级提取来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分，因此使hp轴或转轴34旋转，由此支持hp压缩机24的操作。燃烧气体66接着被导引通过lp涡轮30，在lp涡轮30处经由连接到外壳体18的lp涡轮定子轮叶72和连接到lp轴或转轴36的lp涡轮转子叶片74的顺序级提取来自燃烧气体66的热能和动能的第二部分，因此使lp轴或转轴36旋转，由此支持lp压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被导引通过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32以提供推进力。同时，当空气的第一部分62在从涡扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导引通过旁路气流通道56时，空气的第一部分62的压力基本增大，从而也提供推进力。hp涡轮28、lp涡轮30和喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径78，以用于将燃烧气体66导引通过核心涡轮发动机16。
应理解，尽管相对于具有核心涡轮发动机16的涡扇10来描述，但本申请可适用于其它类型的涡轮机械。举例来说，本申请可适合与涡轮螺桨、涡轮轴、涡轮喷气发动机、工业和海洋燃气涡轮发动机和/或辅助动力单元一起使用或用于以上各项中。
图2提供根据本申请的示范性实施例的例如供图1的燃气涡轮发动机使用的燃烧器系统100的横截面示意图。如图2中所示出，燃烧器系统100包括具有前端101a和后端101b的燃烧器101。燃烧器101进一步包括环形内衬102和环形外衬104。内衬102大体上沿着轴向方向a在上游端106与下游端108之间延伸。类似地，外衬104大体上沿着轴向方向a在上游端110与下游端112之间延伸。内衬102和外衬104中的每一个可由cmc材料形成，如下文更详细地描述，或由任何其它合适的材料形成。
燃烧器拱座114大体上沿着径向方向r在内衬102的上游端106与外衬104的上游端110之间延伸。如图2中所示出，内衬102、外衬104和燃烧器拱座114在其间限定燃烧腔室116。在一些实施例中，燃烧器拱座114与内衬102成一体，即，内衬102和燃烧器拱座114一体形成为单件结构，但在其它实施例中，燃烧器拱座114与外衬104成一体，即，外衬104和燃烧器拱座114一体形成为单件结构。在又其它实施例中，燃烧器拱座114与内衬102和外衬104分开形成，或在又其它实施例中，燃烧器拱座114与内衬102和外衬104两者成一体，例如，燃烧器拱座114的至少第一部分可与内衬102成一体且燃烧器拱座114的至少第二部分可与外衬104成一体。燃烧器拱座114可由任何合适的材料形成，例如，cmc材料或金属材料，如金属或金属合金。
此外，燃烧器系统100包括燃料喷嘴组件117，所述燃料喷嘴组件117具有燃料喷嘴118，所述燃料喷嘴118在燃料喷嘴118的出口端119处限定燃料喷嘴出口120。主混合器190围绕燃料喷嘴出口120延伸，如下文更详细地描述。燃料喷嘴118通过燃烧器拱座114安置，使得燃料喷嘴出口120安置在燃烧器101的前端101a处或邻近于所述前端101a安置以将燃料-空气混合物引导到燃烧腔室116中。更具体地说，示范性燃料喷嘴118属于被构造成将液体烃燃料喷射到燃烧器系统100的空气流动流中的类型。燃料喷嘴118属于“分级”类型，意味着其可操作来通过两个或多于两个离散级选择性地喷射燃料，每个级由燃料喷嘴118内的个别燃料流动路径限定。
燃料流速在每一个级中可以是可变的。在图2中所示出的示范性实施例中，燃料喷嘴118连接到燃料系统122，所述燃料系统122可操作来根据操作需要以不同流速供应液体燃料流。燃料系统122将燃料供应到连接到导向燃料导管126的导向控制阀124，又将燃料供应到燃料喷嘴118内的初级导向供应线128和次级导向供应线130(图3)。燃料系统122还将燃料供应到连接到主燃料导管134的主阀132，又供应燃料喷嘴118的主燃料回路136(图3)。
现在参考图3，提供燃料喷嘴组件117的一部分的横截面视图。另外，图4、5和6提供图3中所说明的燃料喷嘴组件117的部分的区段的放大视图。出于描述的目的，将参考燃料喷嘴组件117的中心线轴线cl。在一些实施例中，中心线轴线cl大体上平行于发动机10的轴向中心线12，但在其它实施例中，中心线轴线cl可相对于发动机轴向中心线12成一角度。所说明的燃料喷嘴组件117的部件被安置成平行于且包围中心线轴线cl延伸，大体上如一系列同心环。举例来说，导向燃料喷射器138安置在燃料喷嘴118的出口120处或附近且与中心线轴线cl对准。如图4中最清楚地示出，导向燃料喷射器138包括限定初级燃料孔142的大体上环形内壁140和限定次级燃料孔146的大体上环形外壁144。初级导向供应线128通过初级燃料孔142将燃料供应到燃料喷嘴118，且次级导向供应线130通过次级燃料孔146将燃料供应到燃料喷嘴118。
如图3和4中所示出，内壁140相对于外壁144径向向内安置，使得外壁144大体上包围内壁140且次级燃料孔146包围初级燃料孔142。此外，在所描绘的实施例中，初级燃料孔142大体上与次级燃料孔146径向对准。也就是说，初级燃料孔142和次级燃料孔146大体上安置在燃料喷嘴118内的相同轴向位置处。
环形导向分流器148沿圆周包围导向燃料喷射器138。导向分流器148包括上游部分150和下游部分152。上游部分150大体上是圆柱形形状，而下游部分152大体上是圆锥形形状。下游部分152大体上相对于中心线轴线cl汇聚，具有逐渐变小到更窄第二区段152b的更宽第一区段152a，其中第二区段152b相对于第一区段152a在下游。多个孔径154限定在第二区段152b中，例如，多个分流器孔径154可沿着第二区段152b的圆周限定且大体上可与彼此均匀间隔开。分流器孔径154准许气流通过，例如，以加强导向分流器148的冷却且由此改进分流器的耐久性。下文更详细地描述气流。
环形外边界壁156沿圆周包围导向分流器148且限定燃料喷嘴118的导向部分p的外边界。外边界壁156包括大体上圆柱形第一部分156a、汇聚第二部分156b和发散第三部分156c，使得导入口158限定于第二部分156b与第三部分156c之间。如图3中所示出，第一部分156a、第二部分156b和第三部分156c以流动次序轴向布置，即，第一部分156a在第二部分156b的上游，所述第二部分156b在第三部分156c的上游。此外，外边界壁156的汇聚第二部分156b大体上循着或平行于导向分流器148的汇聚下游部分152。因而，导向分流器148的下游端160大体上安置在由外边界壁156的汇聚部分156b和发散部分156c限定的导入口158内。
如图3和图4所示，内部空气回路162限定于导向燃料喷射器138与导向分流器148之间，且外部空气回路164限定于导向分流器148与外边界壁156之间。内部旋流轮叶166的圆周阵列从导向燃料喷射器138径向延伸到导向分流器148的上游部分150。类似地，外部旋流轮叶168的圆周阵列从导向分流器148的上游部分150径向延伸到外边界壁156的第一部分156a。内部旋流轮叶166被成形和定向成使通过内部空气回路162的气流中引发旋流，且外部旋流轮叶168被成形和定向成使通过外部空气回路164的气流中引发旋流。
在内部空气回路162和外部空气回路164的上游，燃料喷嘴118限定准许空气进入导向部分p的导向空气入口170。空气流入导向气流通道172，所述空气被导向分流器148分流成内部空气回路162和外部空气回路164。在导向分流器148的下游端160处，内部空气回路162和外部空气回路164往回合并成单个导向气流通道172，所述单个导向气流通道172延伸通过燃料喷嘴118的导向部分p的其余部分。如图3所示，外边界壁156的第三部分156c限定通过导向部分p的下游端的气流通道172的外边界。内部空气回路162和外部空气回路164、包括内部旋流轮叶166和外部旋流轮叶168，以及外边界壁156的第三部分156c形成导向旋流器171。导向旋流器171引导并控制流体流动，包括空气以及空气和燃料的混合物通过燃料喷嘴118的导向部分p的流动。更具体地说，空气旋流通过内部旋流轮叶166和外部旋流轮叶168，且接着当其在由外边界壁第三部分156c限定的导向旋流器171的大体上圆锥形形状的下游部分中与燃料混合时膨胀。
仍参考图3，外边界壁156的下游端174可包括被构造为环形的径向延伸板的挡热板176。已知类型的热屏障涂层(tbc)可涂覆于挡热板176和/或外边界壁156的表面的全部或一部分上例如以帮助保护部件不受高温的损害影响。下文更详细地描述挡热板176。
此外，燃料喷嘴118沿圆周包围导向部分p。具体地说，燃料喷嘴118的外壁121限定燃料喷嘴出口120且轴向延伸到挡热板176的径向最外末端178。如图3所示，外壁121与外边界壁156径向间隔开。另外，外壁121限定开口123，所述开口123准许空气流入外壁121与外边界壁156之间的空间。气流可实现燃料喷嘴出口端119和出口端119附近的燃料喷嘴部件的冷却。
导向燃料喷射器138限定相对小的、稳定的导向火焰或燃烧区。导向燃烧区在径向方面居中定位于环形燃烧器流场内。燃料经由初级导向供应管线128和次级导向供应管线130供应到导向燃料喷射器138。空气通过导向气流通道172供应。导向气流通道172提供相对高的气流；换句话说，引导通过导向气流通道172的总燃烧器气流的部分具体地说与已知taps燃烧器设计相比是相对高的。下文更详细地描述到和通过导向部分p的气流。
继续参考图3，环形主要部分m沿圆周围绕燃料喷嘴118的环形导向部分p延伸。主要部分m包括主燃料喷射器180，所述主燃料喷射器180通过主燃料回路136被供应燃料。主燃料回路136连接到主燃料导管134且通过主燃料导管134被供应燃料。如图3、图5和图6中所说明，主燃料喷射器180包括多个喷射端口184，所述多个喷射端口184相对于燃料喷嘴组件117的中心线轴线cl向下游倾斜。也就是说，每个喷射端口184具有进口端186和出口端188，且出口端188相对于进口端186向下游定向且相对于中心线轴线cl成一角度。进口端186准许燃料从主燃料回路136进入喷射端口184，且出口端188准许燃料从喷射端口184出去。因而，倾斜的喷射端口184准许燃料从主燃料回路136朝向燃烧腔室116的中心出去，如下文更详细地描述。
燃料喷嘴组件117进一步包括沿圆周包围邻近于主燃料喷射器180的燃料喷嘴118的环形主混合器或旋流器190。主混合器190限定围绕其圆周的多个入口孔径192以准许气流进入主混合器190。如图3、5和6中所示出，主混合器入口孔径192限定在主混合器190的前端或上游端194处。在一些实施例中，主混合器190和其入口孔径192可被成形和/或定向成使通过主混合器190的气流中引发旋流。在孔径192的下游或后面，主混合器190包括环形主混合器壁196，所述环形主混合器壁196延伸到主混合器190的后端或下游端198且与燃料喷嘴118的外壁121径向间隔开。主气流通道200限定于主混合器壁196与燃料喷嘴外壁121之间。此外，主混合器壁196在下游端198处限定主混合器出口202。因而，空气通过入口孔径192流入主混合器190，继续通过主气流通道200，且通过主混合器出口202退出主混合器190。主混合器190提供相对低的气流；换句话说，引导通过主混合器190的总燃烧器气流的部分具体地说与已知taps燃烧器设计相比是相对低的。下文更详细地描述到和通过主要部分m的气流。
同样如图3、图5和图6中所说明，燃料喷嘴外壁121在其中限定与喷射端口184对准的孔径204。应了解，外壁121限定各自与喷射端口184中的一个对准的多个孔径204。如先前所陈述，喷射端口184相对于燃料喷嘴118的中心线轴线cl向下游倾斜。外壁孔径204类似地相对于中心线轴线cl以一角度限定；孔径204的角度可与喷射端口184的角度基本相同，如图3、图5和图6的示范性实施例中所示出。此外，外壁孔径204限定在入口孔径192的下游，使得燃料在限定于主混合器壁196与燃料喷嘴外壁121之间的主气流通道200内被喷射。因此，燃料与通过主混合器孔径192引入到主混合器190中的气流在主气流通道200中混合，且燃料-空气混合物继续向下游流动且退出主混合器190、通过主混合器出口202进入燃烧腔室116。如先前所描述，倾斜的喷射端口184和出口壁孔径204帮助朝向燃烧器101的中间引导燃料，使得燃烧器内的燃料朝向燃烧器的中心更加集中。因而，倾斜的燃料喷射可帮助控制燃烧器101的轮廓和/或结构因素，以及允许发动机的更高动力操作且通过引导燃料和燃烧气体远离燃烧器硬件而增大内衬102和外衬104以及其它燃烧器硬件的耐久性。
在其它实施例中，喷射端口184可在其它方向上或沿着其它方向倾斜。举例来说，参考图7，喷射端口184沿圆周围绕燃料喷嘴118倾斜，即，大体上沿着径向方向r而且还沿着圆周方向c以及沿着轴向方向a向上游或向下游延伸。因而，端口184大体上与主混合器190的旋流方向对准或垂直于主混合器190的旋流方向。作为图8中所说明的另一实施例，燃料喷射端口184向上游而不是向下游倾斜，如图3、图5和图6中所描绘。也就是说，每个喷射端口184的出口端188相对于进口端186向上游定向且相对于中心线轴线cl成一角度。应了解，如图7和图8中所示出，外壁孔径204被限定成与燃料喷射端口184对准，而不管喷射端口184的定向如何。
此外，应了解，倾斜的喷射端口184具有不完全或仅仅径向、轴向或圆周的定向，而实际上包括至少两个方向分量。换句话说，因为端口184是倾斜的，所以每个喷射端口184并不是仅沿着径向方向r、轴向方向a或圆周方向c延伸，而是在一定程度上沿着至少两个方向延伸。举例来说，参考图3、5和6，燃料喷射端口184的定向具有径向分量以及轴向分量。也就是说，当所描绘实施例的每个喷射端口184主要是径向地延伸时，喷射端口184向下游倾斜，使得端口184也在下游轴向方向a上延伸。在图7的实施例中，燃料喷射端口184在径向方向r、圆周方向c和轴向方向a上延伸，且在图8的实施例中，燃料喷射端口184径向地以及在上游轴向方向a上延伸。
如先前所描述，图3的示范性燃料喷嘴118包括被构造为环形的径向延伸板的挡热板176，如图9中最清楚地示出。在燃料喷嘴组件117的导向部分p与主要部分m之间延伸的挡热板区域是用于燃烧反应的稳定区。也就是说，热燃烧气体在导向部分p与主要部分m之间相交以使反应稳定且使燃料保持适当地燃烧。因此，热气体跨越燃料喷嘴118的后端或出口端119传送，且挡热板176有助于保护燃料喷嘴118的出口端119。
如图3、5、6、8和9中所描绘，示范性挡热板176结合用于在挡热板暴露于热燃烧气体时改进其耐久性的特征。举例来说，径向密封的腔体206形成于挡热板176与主燃料回路136的后端208之间。腔体206接纳通过限定在主燃料回路136的后端208中的孔径210的气流。更具体地说，通过由燃料喷嘴外壁121限定的开口123的气流可在燃料喷嘴外壁121与燃料喷嘴导向部分p的外边界壁156之间的空间内向下游流动。气流可继续通过孔径210且进入主燃料回路136与挡热板176之间的腔体206。此外，进入腔体206的气流可撞击在挡热板176的前表面212上，从而可帮助使挡热板176冷却。
此外，如图9中所特别地示出，挡热板176在其中限定一个或多个孔径214，空气可通过所述一个或多个孔径214从腔体206流动到挡热板176的后表面216。挡热板孔径214可以是倾斜的，例如，大体上被定义为旋流进和旋流出图3、5和6的示意性绘图中的页面的通道，以沿着挡热板176的后表面216叠置空气膜且由此帮助使后表面216冷却。也就是说，通过挡热板孔径214提供的冷却流可被旋流以与挡热板176局部的气流互补，这可在挡热板176的后表面216上形成更高效的冷却膜而不会破坏火焰稳定区。冲击和膜冷却的组合改进了如上文所描述的暴露于热燃烧气体的挡热板176的耐久性。另外或或者，挡热板孔径214可被成形成减少冷却流的退出速度以及进一步改进挡热板176的膜冷却。此外，可采用径向复合角度来使挡热板176的径向最外末端178冷却。挡热板176还可结合用于使挡热板冷却和改进其耐久性的其它特征。
燃料喷嘴118和其构成部件以及主混合器190可由一个或多个金属合金建造。合适的合金的非限制性实施例包括镍和钴基合金。燃料喷嘴118或其部分的全部或部分可以是单个一体式、单件式或单块部件的部分，且可使用涉及逐层建造或增材构造(与如同常规机械加工过程的材料去除相反)的制造过程制造而成。此类过程可被称为“快速制造过程”和/或“增材制造过程”，其中术语“增材制造过程”在本说明书中大体上被称为此类过程。增材制造过程包括但不限于：直接金属激光熔融(dmlm)；激光器净形状制造(lnsm)；电子束烧结；选择性激光烧结(sls)；3d打印，例如通过喷墨打印机和激光打印机；立体光刻(sla)；电子束熔融(ebm)；激光器工程化净成形(lens)；和直接金属沉积(dmd)。还可使用其它增材或非增材制造过程。
如先前所陈述，导向流动通道172或导向旋流器171提供相对高的气流，而主混合器190提供相对低的气流。在一些实施例中，导向旋流器171提供大于约14％w36的气流，其中w36是进入燃烧器系统100的总燃烧器气流或总气流。在特定实施例中，导向旋流器171提供介于约15％w36到约40％w36之间的气流，但导向旋流器171也可提供不同量的气流。另一方面，主混合器190提供小于约50％w36的气流。在特定实施例中，主混合器190提供介于约25％w36到约50％w36之间的气流，但主混合器190也可提供不同量的气流。
为了提供更高气流，导向空气入口170和导向流动通道172的大小被增大。举例来说，导向流动通道172可具有相对于燃料喷嘴中心线轴线cl增大的径向高度hp。因而，内部空气回路162和/或外部空气回路164可具有增大的径向高度，使得内部旋流轮叶166和/或外部旋流轮叶168也具有增大的径向高度。大体上，对于发动机10的给定操作条件，正交于气流路径的导向流动通道172的面积的100％增大对应于总燃烧器气流与导向旋流器171的百分比的100％增大。作为实施例，已知导向旋流器设计可具有在10％w36高动力操作条件下的导向气流，其中正交于气流方向的流动通道面积为x。使正交于气流方向的流动通道面积增大100％到2x大体上增大了在20％w36高动力操作条件下的导向气流。此外，通过利用cmc内衬102和外衬104以形成燃烧组件100的燃烧器101，在燃烧器系统的燃烧器部分中需要更少的冷却气流，原因是cmc材料可比例如金属材料等其它典型燃烧器内衬材料耐受更高的温度。因而，使衬管102、104冷却需要到燃烧器101的更少总气流，使得更多总燃烧器气流可供导向旋流器171和主混合器190使用。因此，额外可用气流可管道输送通过导向旋流器171以增大通过导向旋流器的气流，且通过导向旋流器171的更高气流可根据导向旋流器设计，例如，通过增大导向流动通道172的面积来实现。
相反地，为了减少或减低主混合器气流，主气流通道200的大小被减小。举例来说，主混合器壁196在径向上更接近燃料喷嘴出口壁121，这通过减小流动通道200的径向高度而减小了正交于气流路径的流动通道200的面积。如相对于增大导向流动通道172的面积所描述，对于发动机10的给定操作条件，正交于气流路径的主流动通道200的面积的100％减小大体上对应于总燃烧器气流与主混合器190的百分比的100％减小。
与已知燃烧器系统设计相比，具体地说在高动力发动机操作期间增大到导向旋流器171的气流可实现导向燃料喷射器138与主燃料喷射器180之间的不同燃料分流。在taps燃烧器中，燃料的至少一部分在每个发动机操作条件下被分配到导向燃料喷射器138，即，燃料喷嘴118的导向部分p在发动机操作期间被不断地供应燃料。提供到导向燃料喷射器138的燃料部分可取决于发动机操作条件而变化。举例来说，在启动和低动力操作条件下，100％的燃料可去往导向燃料喷射器138，而在高动力条件下，更低百分比的燃料去往导向燃料喷射器138且其余部分去往主燃料喷射器180。在介于低动力与高动力之间的动力水平下可使用各种过渡加料百分比。
已知taps燃烧器将小部分的燃烧器气流提供到导向旋流器，例如，10-13％w36，使得在燃料的相对大的部分去往导向燃料喷射器时，燃烧系统在高动力操作条件下将不会良好地操作。通常，在高动力操作条件下，10-20％的燃料去往导向燃料喷射器且80-90％的燃料去往主燃料喷射器，原因是在典型taps燃烧器中具有更高气流的主混合器实现更好的燃料/空气混合和减少的nox排放。然而，结合如本说明书中所描述的本申请的taps燃烧器，即，高气流导向旋流器171，可在高动力操作条件下由于更高导向气流而将高得多百分比的燃料提供到导向燃料喷射器138。本说明书中所描述的燃烧器系统100可使得高达100％的燃料能够在全范围发动机操作内通过导向燃料喷射器138。在一些实施例中，在高动力下，导向燃料流动在约30％到约100％的范围内，使得约0％到约70％的燃料去往主燃料喷射器180的主喷射端口184。高导向燃料流可减少燃烧动力学，即，燃烧器101中的压力振荡，且此类高导向燃料流由于高导向气流分流而成为可能，其中更多空气可供与燃料混合。因而，本说明书中所描述的燃烧器系统100允许减少的燃烧动力学、改进的燃料/空气混合和减少的nox排放。此外，如先前所描述，本发明燃烧器系统100的这些和其它特征可帮助减少改进燃烧效率、改进燃料喷嘴118和燃烧器衬管102、104的耐久性、减少烟气排放和改进发动机的轮廓/图案因素。
如先前所描述，内衬102和外衬104可由陶瓷基质复合物(cmc)材料形成，所述cmc材料是具有耐高温能力的非金属材料。在一些实施例中，燃烧器拱座114也可由cmc材料形成。更具体地说，燃烧器拱座114可由cmc材料而与内衬102和/或外衬104一体地形成，使得燃烧器拱座114和内衬102和/或外衬104是单件。在其它实施例中，燃烧器拱座114可与内衬和外衬分开形成，作为分离的cmc部件或由例如金属或金属合金等另一合适的材料形成。如上文所描述，可能特别有用的是由于燃烧气体66的相对高温而利用cmc材料，且在燃烧器系统100内使用cmc材料可允许到cmc部件的减少的冷却气流。然而，例如hp压缩机24、hp涡轮28和/或lp涡轮30的部件等涡扇发动机10的其它部件也可包括cmc材料。
用于此类部件的示范性cmc材料可包括碳化硅(sic)、硅、氮化硅、或氧化铝基质材料和其组合。陶瓷纤维可嵌入基质内，例如氧化稳定的增强纤维，包括如蓝宝石和碳化硅(例如，textron的scs-6)的单丝；以及粗纱和纱线，包括碳化硅(例如，nipponcarbon的
更具体地说，cmc材料，且具体地说sic/sic/si-sic(纤维/基质)连续纤维增强陶瓷复合物(cfcc)材料和过程，的实施例描述于第5,015,540；5,330,854；5,336,350；5,628,938；6,024,898；6,258,737；6,403,158和6,503,441号美国专利以及第2004/0067316号美国专利申请公开中。此类过程大体上需要使用多个预浸体(预浸材料)层来构造cmc，例如，板层材料可包括由陶瓷纤维、纺织或编织陶瓷纤维织物或已浸渍有基质材料的堆叠式陶瓷纤维丝束组成的预浸材料。在一些实施例中，每个预浸材料层呈“带”形式，所述带包括期望陶瓷纤维增强材料、cmc基质材料的一个或多个前驱体和有机树脂粘合剂。可通过用包括陶瓷前驱体和粘合剂的浆料浸渍增强材料来形成预浸材料带。用于前驱体的优选材料将取决于对于cmc部件的陶瓷基质期望的特定组成，举例来说，如果期望基质材料是sic，那么优选材料是sic粉末和/或一种或多种含碳材料。著名的含碳材料包括碳黑、酚树脂和呋喃树脂，包括糠醇(c4h3och2oh)。其它典型的浆料成分包括促进预浸材料带的灵活性的有机粘合剂(例如，聚乙烯醇缩丁醛(pvb))、和促进浆料的流动性以实现对纤维增强材料的浸渍的粘合剂(例如，甲苯和/或甲基异丁基酮(mibk))的溶剂。浆料可进一步包括希望存在于cmc部件的陶瓷基质中的一种或多种颗粒填充剂，在si-sic基质的状况下，填充剂例如是硅和/或sic粉末。短切的纤维或触须或其它材料也可嵌入于如先前所描述的基质内。还可使用用于生产复合材料物品，且更确切地说，其它浆料和预浸材料带组合物的其它组合物和过程，例如第2013/0157037号美国专利申请公开中所描述的过程和组合物。
所得预浸材料带可与其它带叠置，使得由带形成的cmc部件包括多个薄层，每个薄层从个别预浸材料带衍生。每个薄层包括包覆于陶瓷基质中的陶瓷纤维增强材料，例如，在如下文更全面描述的焙烧和致密化循环期间完全地或部分地通过转化陶瓷基质前驱体来形成所述陶瓷基质。在一些实施例中，增强材料呈单向丝束阵列形式，每个丝束包括连续的纤维或长丝。还可使用单向丝束阵列的替代方案。另外，合适的纤维直径、丝束直径和中心间丝束间隔将取决于特定应用、特定薄层和其形成的带的厚度和其它因素。如上文所描述，还可使用其它预浸材料或非预浸材料。
在叠置带或板层以形成叠层之后，叠层被压实，并适当时固化，同时经受高压和高温以产生预成型件。预成型件接着在真空或惰性氛围中得到加热(焙烧)，以分解粘合剂、移除溶剂，且将前驱体转化成期望陶瓷基质材料。归因于粘合剂的分解，结果是可经历致密化，例如熔融浸润(mi)以填充孔隙度且产生cmc部件的多孔cmc主体。以上过程的专有处理技术和参数将取决于材料的特定组成。举例来说，硅cmc部件可由例如通过通常被称为silcomp过程的过程用熔融的硅浸润的纤维材料形成。制造cmc部件的另一技术是被称为浆料铸造熔融浸润(mi)过程的方法。在使用浆料铸造mi方法进行制造的一个方法中，通过首先提供包括含碳化硅(sic)纤维的平衡二维(2d)纺织织物的板层来产生cmc，所述板层具有彼此基本呈90°角度的两个纺织方向，具有在纺织的两个方向上延行的基本相同数目个纤维。术语“含碳化硅纤维”是指具有包括碳化硅且优选地基本是碳化硅的组成的纤维。举例来说，纤维可具有以碳包围的碳化硅核心，或相反，纤维可具有由碳化硅包围或以碳化硅囊封的碳核心。
用于形成cmc部件的其它技术包括聚合物浸润和裂解(pip)和氧化物/氧化物过程。在pip过程中，碳化硅纤维预成型件以例如聚硅氮烷等预陶瓷聚合物浸润，且接着进行热处理以形成sic基质。在氧化物/氧化物处理中，铝或硅铝酸盐纤维可预浸且接着层压成预选的几何形状。部件还可由碳纤维增强碳化硅基质(c/sic)cmc构造。c/sic处理包括以预选几何形状在工具上叠置的碳纤维预成型。如在sic/sic的浆料铸造方法中利用，所述工具由石墨材料组成。在约1200℃下在化学蒸汽浸润过程期间通过工具来支持纤维预成型，由此形成c/siccmc部件。在其它实施例中，2d、2.5d和/或3d预成型件可用于mi、cvi、pip或其它过程中。举例来说，2d纺织织物的切割层可在如上文所描述的交替纺织方向上堆叠，或长丝可卷绕或编织且与3d、缝合或针刺法组合以形成具有多轴向纤维体系结构的2.5d或3d预成型件。还可使用形成2.5d或3d预成型件的其它方式，例如，使用其它纺织或编织方法或利用2d织品。
因此，各种过程可用于形成cmc内衬102和cmc外衬104，以及燃烧器系统100的任何其它cmc部件，例如燃烧器拱座114和/或发动机10。当然，其它合适的过程，包括上文所描述的过程中的任一个的变化和/或组合也可用于形成用于与本说明书中所述的各种燃烧器系统实施例一起使用的cmc部件。
如本说明书中所描述，本申请提供taps燃烧器系统，所述taps燃烧器系统具有与已知taps燃烧器系统不同的气流和燃料分流。具体地说，本申请提供相对更高的导向旋流器气流和相对更低的主混合器气流，这允许更高燃料流具体地说在高发动机动力操作期间到燃料喷嘴118的导向部分p。可通过使用cmc燃烧器衬管102、104实现不同气流分流，其要求比由例如金属材料等不同材料制成的燃烧器衬管更少的冷却气流。本申请还提供通过主燃料喷射器180向下游倾斜的燃料喷射，其可帮助改进例如燃烧器衬管102、104等下游燃烧器部件的耐久性，以及允许发动机的更高动力操作。此外，在一些实施例中，倾斜的燃料喷射端口184可通过以增材方式制造主燃料回路136而形成，所述制造过程可帮助精确地限定燃料喷射端口184。此外，本申请提供通过导向分流器148的冷却或净化孔，其可帮助改进导向分流器的耐久性。因而，本说明书中所描述的燃烧器系统和燃料喷嘴组件允许发动机以相对高的燃料/空气化学计量学操作，其中具有高燃烧效率、减少的或低燃烧动力学、改进的燃料喷嘴和燃烧器内衬耐久性、低烟气和nox排放以及减少的或低剖面和图案因素。本申请还可具有其它益处和优点。
此书面描述使用实施例来公开本发明，包括最佳模式，且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何所并入的方法。本申请的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实施例。如果此类其它实施例包括与权利要求书的字面意义相同的结构要素，或如果此类实施例包括与权利要求书的字面意义无显著差异的等效结构要素，那么此类实施例意图处于权利要求书的范围内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！