专利名称：喷气式发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷气式发动机。
现代喷气式发动机具有单轴或多轴布置。通常，燃气轮机组分为一高压部分和一低压部分。高压部分包括一高压压缩机、一燃烧室单元和一高压涡轮机。高压部分的压缩机和涡轮机固定在一根共公转轴上。一低压压缩机及，如果是一旁通流发动机则为一螺旋浆配置于高压压缩机的上游。一低压涡轮机紧接着布置在高压涡轮机之后。螺旋浆、低压压缩机和低压涡轮机形成了发动机的低压部分。该低压部分可以与高压部分布置在一根共公的转轴上。但是，在当代的高性能发动机中，高压部分通常具有一独立的第二转轴，有时甚至具有一第三转轴，这些轴与高压轴同轴安装并在高压转轴上转动。这样，低压部件与高压部件之间就可实现不同的转动速度。
所有这些形式的结构所共有的一个特征是他们仅在压缩机组的下游具有单独一个燃烧室。
该燃烧室单元中的最高允许燃烧温度受到工艺上的限制。在近些年该燃烧温度持续提高。为了达到法律所允许的污染排放物水平而将燃烧室单元中所采用的燃烧技术与燃气轮机上的冷却技术与材料相结合，这种结合限制了该温度。因此，相应在燃烧室入口处由发动机燃烧过程控制预先确定的质量流量，燃料所能提供的能量受最高允许燃烧温度的限制。结果，对于具有一给定质量流分配的发动机来说，其总的输出功率也受到了限制。
因此，本发明的一个目的就是，在一开头所述形式的喷气式发动机中，通过提出一些新颖的方法，来扩展上述由工艺决定的对输出功率的限制，以期在相同工艺水平下达到更高的功率输出。
本发明的一个主要优点首先在于本发明发动机，在输出功率相同的前提下，与现有技术状态发动机相比，燃油消耗率显著降低，因此不仅效率提高了，而且单位污染排放物也明显减少了。
本发明另一个主要优点与旁通流量和内部流量的比率有关该比率越高发动机的燃油消耗率就会越低。为此，必须尽可能利用螺旋浆的输出功率，该输出功率按照旁通流量比转化为推力。
本发明的另一些优点主要在于本发明提供了一第二燃烧室，在第一涡轮机中部分膨胀的灼热气体在该第二燃烧室中被再一次加热，因此在相同的最高热气温度下，本发明发动机可以提供更高的输出功率。
本发明目的是通过采用下面有益且合适的改进来达到的，它们包括螺旋浆装备有可调叶片，且为多级结构；属于所述压缩机单元的至少一个压缩机、所述第一涡轮机和所述第二涡轮机布置在一根公共转轴上；该喷气式发动机的所有流体流动机械布置在彼此相互操作相连的至少两根转轴上；转轴的操作连接可由至少一个变速装置达到；第二燃烧室设计为一个自点燃燃烧室；在第二燃烧室的上游布置有一个扩散器；第二燃烧室装备有涡流发生构件；涡流发生构件的出流侧表面在横截面上具有一突变；一主燃料可被喷入所述涡流发生构件下游的所述第二燃烧室；主燃料由一定数量的喷管导入，这些喷管布置在所述第二燃烧室的周边方向上；第一燃烧室可用一些预混合燃烧器操作；第一和第二燃烧室设计为环形燃烧室；第一和／或第二燃烧室包括一些绕所述转轴布置的单独的圆柱燃烧空间；第一涡轮机内的热气的膨胀被减小至最小，部分膨胀的热气以比喷入所述第二燃烧室的主燃料的自燃温度高的温度流入下游的第二燃烧室；至少在瞬时载荷范围和在部分载荷范围内，第二燃烧室具有辅助措施或辅助装置，通过该措施或装置燃烧得以确保。
通过参照下面结合附图
的描述，就可以毫不费力地更完整地理解本发明及其所具有的许多优点，其中单独一幅附图示出了旁通气流实施例中的喷气发动机的横剖视图。
在附图中，所有对直接理解本发明无必要的构件都已被省掉。图中箭头示出了介质气的流动方向。
现有参见附图，如图所示发动机的特点在于其仅具有一根单独的转轴7，在该发动机中进气12在一螺旋浆9、一低压压缩机1及随后的高压压缩机2内被压缩。之后，被压缩的空气13流入第一燃烧室3，在该燃烧室内通过供给恰当的液体燃油14来达到从技术观点所允许的最高温度。在该燃烧室13内生成的热气15在第一涡轮机4内部分膨胀，并将输出功率传递给转轴7。该部分膨胀的热气16以一较低的温度离开该第一涡轮机4，之后流入第二燃烧室5，在该燃烧室5内这些热气16被第二次加热到最高温度。下面还将进一步阐述第一和第二燃烧室内的燃烧技术。当第二燃烧室5内的气体被再次加热到最高温度后，他们即在下游的第二涡轮机6内膨胀，并相应地将输出功率传递给转轴7。最终膨胀的气体17，也即排气，通过一推力喷嘴(在附图中未详细示出)排出发动机。轴输出功率的一部分被连接在转轴7上的高压压缩机2所消耗。鉴于该转轴的转速对于螺旋浆9来说太高，因此出于对后者的考虑，用一变速装置8将该转速减小至螺旋浆可以被可靠地机械控制的程度。进入发动机的空气质量流12在第一级被螺旋浆9压缩；而后该质量流分成一内部流和一旁通流。之后旁通流在一旁通流喷嘴10内膨胀，对发动机的总推力起主要贡献。
旁通流与内部流的比率越大，发动机的燃油消耗率就会越低。鉴于此，尽可能地提高螺旋浆9的可用输出功率，这一点很重要，以持续实现一高的旁通气流比。
必须始终在第一燃烧室的上游完成最终压力的压缩，同时在发动机中形成最高压力。
介意采用单轴布置的原因在于如果是一多轴发动机，为了驱动高压压缩机在高压轴上的高压涡轮机必须消耗从燃气流中获得的较大一部分输出功率以至于在高压涡轮机下游的压力较低不足以将另一部分输出热气供入第二燃烧室内使其进一步加热到最高温度，从而显著减小了低压涡轮机中的该输出功率。这种结构的结果是该机组的效率太低不能让人接受。
相反，如果该发动机的整个燃气轮机组全都布置在单独一根转轴7上，那么低压涡轮机6将有助于驱动高压压缩机2，从而可以使输出功率分配更合理。多余的轴输出功率经变速装置8提供给运行速度较慢的螺旋浆9。转轴7之轴承的数目可按不同情况作适当变化。
为了对功率需求的变化作出更快的反应，螺旋浆9也可以装备可调扇叶。再有，如果旁通气流比较小，在某些特殊应用中将螺旋浆9设计为多级或许比较合适，以将涡轮机的多余输出功率以一高的效率转化为推力。
第一燃烧室3最好为环形结构，在这种情况下，该燃烧室还可以包括一定数量的轴向、准轴向或绕转轴3螺旋布置的独立燃烧空间。在头部的一侧，环形燃烧室3，此处作为一基准，具有一些燃烧器(图中未详细示出)，这些燃烧器分布在周边上并产生热气体。实际上此处还可以采用扩散燃烧器。为了减少从该燃烧装置中排出的污染排放物，尤其是NOx排放物，最好提供一种如欧洲专利EP-B-0321809所述的预混合燃烧器的布置，从该出版物的发明主题构成本发明描述的一整体部分。
就环形燃烧室3周边方向上的预混合燃烧器的布置而言，如果需要，这种布置可以与分布在周边上的相同燃烧器的常规结构不同。相反，可以采用不同尺寸的预混合燃烧器。这种布置最好按如下方式进行，即在两个大预混合燃烧器之间在每一机壳内设置一个最好结构相同的较小的预混合燃烧器。必须行使主燃烧器功能的大预混合燃烧器的尺寸按照流过大小预混燃烧器的燃烧空气也即从压缩机单元排出的压缩空气与作为该燃烧室的先导燃烧器的小预混合燃烧器成比例地逐一确定。先导燃烧器作为独立的预混合燃烧器在该燃烧室的整个负荷范围内工作，其空气系数实际上保持恒定。由于这些先导燃烧器可在整个负荷范围内以理想混合物运转，因此NOx排放物即使在部分负荷下也很低。按照这种结构，环形燃烧室3前部区域中的环流线很接近先导燃烧器的涡流中心，所以实质上只可能以这些先导燃烧器进行点火。在起动阶段，经先导燃烧器供给的燃油量逐渐增加直到该先导燃烧器被起动，也即直到全部燃油量都可用为止。
在发动机的最大负荷下，主燃烧器也被全部开动。鉴于由先导燃烧器引燃的“小”的热涡流中心处于主燃烧器产生出的的“大”的较冷涡流中心之间的这种结构被证明非常不稳定，因此即便在主燃烧器以一稀混合气在部分负荷范围内工作时，也即先导燃烧器产生的热涡流立刻穿入主燃烧器的小涡流中的情况下，也可以达到良好的完全燃烧，除NOx排放物较低外CO和UHC排放物也较低。
从环形燃烧室3排出的热气15进入紧接该燃烧室布置在下游的第一涡轮机4中，该第一涡轮机4对热气的热膨胀作用是可变的。
该第一涡轮机4的结构影响了部分膨胀热气16的温度，从而与第二燃烧室所用的燃油一起决定了第二燃烧室是否可按自点燃过程工作。
这里，该第二燃烧室5基本上具有一连续环形的轴向或准轴向圆柱形形式。
对于由一单独燃烧空间构成环形燃烧室5的这种结构来说，若干燃油喷管18设置在该环形气缸的周边方向上，这些燃油喷管最好通过一环路(图中未示)彼此相连。当该第二燃烧室5设计为自点燃式时，其本身并没有燃烧器在此来自涡轮机4的部分膨胀热气16的燃烧通过自点燃的方式发生。如果所用的燃油是液体燃油，那么800℃的温度对于以自点燃方式为基础的工作来说就已足够了。
在燃烧室被设计为自点燃式的情况下，为了确保工作可靠性和高效率，最重要的是火焰前端要保持局部稳定。为此，在燃烧室5内设置了一定数目的涡流发生构件11，这些构件最好设置在周边方向上的内壁和外壁上并且最好沿轴向布置在燃油喷管18的上游。这些所谓的涡流发生器11的工作是产生持续的涡流，根据欧洲专利EP-B0321809这些涡流引发一个回流区。基于轴向布置和整体长度的考虑，该燃烧室5被设计为一种高速燃烧室，其平均速度超过60m／s，因此涡流发生器11必须合理设计以使其与气流相一致。在进流一侧，这些涡流发生器11最好由一具有相对于进流倾斜的表面的四面体形状构成。该涡流发生器11可以置于燃烧室5的外表面上也可以其内表面上，如图所示，也可以置于这两个位置上。再有，从如图所示实施例中可以看到，内外涡流发生器11之间的倾斜表面最好成镜像布置，这样，在所述位置的下游燃烧室5之气流的横剖面在燃油喷射区18内经历产生涡流的膨胀。当然，涡流发生器11也可以彼此相对轴向设置。涡流发生器11的出流侧表面基本上在径向形成，因此从该位置开始形成一回流区域。如果选择了在燃烧室5内按照自点燃方式工作，那么就必须确保在所有负荷范围内都能现实这种自点燃，因此提供了辅助措施和辅助装置，若由于某一原因或其它原因而不再确保自点燃时，使介入点火方式。
较短的燃烧室5整体长度和用于稳定火焰及保证持续自点燃的涡流发生器11的作用相结合使燃烧快速有效地进行，同时使燃油在灼热的火焰前端区域停留的时间保持最短。由此带来的一个可从燃烧上直接测量的效果关系到NOx排放物，该NOx排放物被减小到最少以至于他们不再在为一个问题。此外，这种初始状况使得燃烧的位置可被清楚地限定，这种清楚的限定反映在燃烧室5构件的冷却得到最优化。之后，如上所述，燃烧室5内产生的热气进入布置在下游的第二涡轮机6。
如能在第二燃烧室5的上游设置一个小的扩散器(图中未示)则会对提高发动机的效率大有益处。从而使整个系统的总压力损失得以减少。参照通常的扩散器结构图，可以证明，即使用一个最小长度的扩散器，仍可达到高的动压力恢复率。
最后，第二环形燃烧室5可以在周边方向按如下方式进一步分割，使一定数量的单独协作燃烧空间维持热气的产生。这些绕转轴7设置的单独燃烧空间能以一局部自主的方式产生热气或从燃烧方面讲按照一最优化的方式彼此依赖地产生热气。
很明显，根据上述所给出的内容可以对本发明进行各种修改和变化。因此可以理解，除按具体描述的内容之外，可在所附权利要求书所要求保护的范围内实施本发明。
图标列表1低压压缩机2高压压缩机3第一燃烧室4第一涡轮机、高压涡轮机5第二燃烧室6第二涡轮机、低压涡轮机7转轴8变速装置9螺旋浆、旁通流压缩机10旁通流喷嘴11涡流发生器12进气、空气质量流13压缩空气14燃油、燃油供给15热气16部分膨胀热气17最终膨胀热气、排气18燃油、燃油喷管
权利要求
1．一种喷气式发动机，主要包括至少一个螺旋浆(9)、至少一个布置在该螺旋浆下游的压缩机单元(1、2)、一个布置在该压缩机单元下游的燃烧室(3)，和一个布置在该燃烧室下游的涡轮机(4)，其特征在于在所述涡轮机(4)的下游还布置有一个第二燃烧室(5)，在该第二燃烧室(5)的下游还布置有一个第二涡轮机(6)。
2．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于所述螺旋浆(9)装备有可调叶片。
3．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于所述螺旋浆(9)为是多级结构。
4．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于属于所述压缩机单元的至少一个压缩机(2)、所述第一涡轮机(4)和所述第二涡轮机(6)布置在一根公共转轴(7)上。
5．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于该喷气式发动机的所有流体流动机械(9、1、2、4、6)布置在彼此相互操作相连的至少两根转轴上。
6．如权利要求5所述的喷气式发动机，其特征在于所述转轴的所述操作连接可由至少一个变速装置(8)达到。
7．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于所述第二燃烧室(5)设计为一个自点燃燃烧室。
8．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于在所述第二燃烧室(5)的上游布置有一个扩散器。
9．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于所述第二燃烧室装备有涡流发生构件(11)。
10．如权利要求9所述的喷气式发动机，其特征在于所述涡流发生构件(11)的出流侧表面在横截面上具有一突变。
11．如权利要求1和9所述的喷气式发动机，其特征在于一主燃料(18)可被喷入所述涡流发生构件(11)下游的所述第二燃烧室(5)内。
12．如权利要求11所述的喷气式发动机，其特征在于所述主燃料(18)由一定数量的喷管导入，这些喷管布置在所述第二燃烧室(5)的周边方向上。
13．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于所述第一燃烧室(3)可用一些预混合燃烧器操作。
14．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于所述第一和第二燃烧室(3、5)设计为环形燃烧室。
15．如权利要求1所述的喷气式发动机，其特征在于所述第一和／或第二燃烧室(3、5)包括一些绕所述转轴(7)布置的单独的圆柱燃烧空间。
16．如权利要求1所述的喷气式发动机的运转方法，其特征在于所述第一涡轮机(4)内的热气(15)的膨胀被减小至最小，部分膨胀的热气(16)以比喷入所述第二燃烧室(5)的主燃料的自燃温度高的温度流入下游的第二燃烧室(5)。
17．如权利要求16所述的方法，其特征在于至少在瞬时载荷范围和在部分载荷范围内，所述第二燃烧室(5)具有辅助措施或辅助装置，通过该措施或装置燃烧得以确保。
全文摘要
在具有一常规型式螺旋桨(9)的喷气式发动机中,一第二燃烧室(5)设置在涡轮机(4)的下游,一第二涡轮机(6)工作于该第二燃烧室(5)的下游。热气(16)先在第一涡轮机(4)内部分膨胀,而后在第二燃烧室(5)被再次加热,在较低的绝对热气温度下,发动机可以输出更多的功率。
文档编号F02K7/00GK1204005SQ9811507
公开日1999年1月6日 申请日期1998年6月25日 优先权日1998年6月25日
发明者K·沃格勒 申请人:亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司