專利名稱：噴氣式發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴氣式發(fā)動機(jī)。
現(xiàn)代噴氣式發(fā)動機(jī)具有單軸或多軸布置。通常，燃?xì)廨啓C(jī)組分為一高壓部分和一低壓部分。高壓部分包括一高壓壓縮機(jī)、一燃燒室單元和一高壓渦輪機(jī)。高壓部分的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)固定在一根共公轉(zhuǎn)軸上。一低壓壓縮機(jī)及，如果是一旁通流發(fā)動機(jī)則為一螺旋漿配置于高壓壓縮機(jī)的上游。一低壓渦輪機(jī)緊接著布置在高壓渦輪機(jī)之后。螺旋漿、低壓壓縮機(jī)和低壓渦輪機(jī)形成了發(fā)動機(jī)的低壓部分。該低壓部分可以與高壓部分布置在一根共公的轉(zhuǎn)軸上。但是，在當(dāng)代的高性能發(fā)動機(jī)中，高壓部分通常具有一獨立的第二轉(zhuǎn)軸，有時甚至具有一第三轉(zhuǎn)軸，這些軸與高壓軸同軸安裝并在高壓轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)動。這樣，低壓部件與高壓部件之間就可實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動速度。
所有這些形式的結(jié)構(gòu)所共有的一個特征是他們僅在壓縮機(jī)組的下游具有單獨一個燃燒室。
該燃燒室單元中的最高允許燃燒溫度受到工藝上的限制。在近些年該燃燒溫度持續(xù)提高。為了達(dá)到法律所允許的污染排放物水平而將燃燒室單元中所采用的燃燒技術(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)上的冷卻技術(shù)與材料相結(jié)合，這種結(jié)合限制了該溫度。因此，相應(yīng)在燃燒室入口處由發(fā)動機(jī)燃燒過程控制預(yù)先確定的質(zhì)量流量，燃料所能提供的能量受最高允許燃燒溫度的限制。結(jié)果，對于具有一給定質(zhì)量流分配的發(fā)動機(jī)來說，其總的輸出功率也受到了限制。
因此，本發(fā)明的一個目的就是，在一開頭所述形式的噴氣式發(fā)動機(jī)中，通過提出一些新穎的方法，來擴(kuò)展上述由工藝決定的對輸出功率的限制，以期在相同工藝水平下達(dá)到更高的功率輸出。
本發(fā)明的一個主要優(yōu)點首先在于本發(fā)明發(fā)動機(jī)，在輸出功率相同的前提下，與現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)發(fā)動機(jī)相比，燃油消耗率顯著降低，因此不僅效率提高了，而且單位污染排放物也明顯減少了。
本發(fā)明另一個主要優(yōu)點與旁通流量和內(nèi)部流量的比率有關(guān)該比率越高發(fā)動機(jī)的燃油消耗率就會越低。為此，必須盡可能利用螺旋漿的輸出功率，該輸出功率按照旁通流量比轉(zhuǎn)化為推力。
本發(fā)明的另一些優(yōu)點主要在于本發(fā)明提供了一第二燃燒室，在第一渦輪機(jī)中部分膨脹的灼熱氣體在該第二燃燒室中被再一次加熱，因此在相同的最高熱氣溫度下，本發(fā)明發(fā)動機(jī)可以提供更高的輸出功率。
本發(fā)明目的是通過采用下面有益且合適的改進(jìn)來達(dá)到的，它們包括螺旋漿裝備有可調(diào)葉片，且為多級結(jié)構(gòu)；屬于所述壓縮機(jī)單元的至少一個壓縮機(jī)、所述第一渦輪機(jī)和所述第二渦輪機(jī)布置在一根公共轉(zhuǎn)軸上；該噴氣式發(fā)動機(jī)的所有流體流動機(jī)械布置在彼此相互操作相連的至少兩根轉(zhuǎn)軸上；轉(zhuǎn)軸的操作連接可由至少一個變速裝置達(dá)到；第二燃燒室設(shè)計為一個自點燃燃燒室；在第二燃燒室的上游布置有一個擴(kuò)散器；第二燃燒室裝備有渦流發(fā)生構(gòu)件；渦流發(fā)生構(gòu)件的出流側(cè)表面在橫截面上具有一突變；一主燃料可被噴入所述渦流發(fā)生構(gòu)件下游的所述第二燃燒室；主燃料由一定數(shù)量的噴管導(dǎo)入，這些噴管布置在所述第二燃燒室的周邊方向上；第一燃燒室可用一些預(yù)混合燃燒器操作；第一和第二燃燒室設(shè)計為環(huán)形燃燒室；第一和／或第二燃燒室包括一些繞所述轉(zhuǎn)軸布置的單獨的圓柱燃燒空間；第一渦輪機(jī)內(nèi)的熱氣的膨脹被減小至最小，部分膨脹的熱氣以比噴入所述第二燃燒室的主燃料的自燃溫度高的溫度流入下游的第二燃燒室；至少在瞬時載荷范圍和在部分載荷范圍內(nèi)，第二燃燒室具有輔助措施或輔助裝置，通過該措施或裝置燃燒得以確保。
通過參照下面結(jié)合附圖
的描述，就可以毫不費力地更完整地理解本發(fā)明及其所具有的許多優(yōu)點，其中單獨一幅附圖示出了旁通氣流實施例中的噴氣發(fā)動機(jī)的橫剖視圖。
在附圖中，所有對直接理解本發(fā)明無必要的構(gòu)件都已被省掉。圖中箭頭示出了介質(zhì)氣的流動方向。
現(xiàn)有參見附圖，如圖所示發(fā)動機(jī)的特點在于其僅具有一根單獨的轉(zhuǎn)軸7，在該發(fā)動機(jī)中進(jìn)氣12在一螺旋漿9、一低壓壓縮機(jī)1及隨后的高壓壓縮機(jī)2內(nèi)被壓縮。之后，被壓縮的空氣13流入第一燃燒室3，在該燃燒室內(nèi)通過供給恰當(dāng)?shù)囊后w燃油14來達(dá)到從技術(shù)觀點所允許的最高溫度。在該燃燒室13內(nèi)生成的熱氣15在第一渦輪機(jī)4內(nèi)部分膨脹，并將輸出功率傳遞給轉(zhuǎn)軸7。該部分膨脹的熱氣16以一較低的溫度離開該第一渦輪機(jī)4，之后流入第二燃燒室5，在該燃燒室5內(nèi)這些熱氣16被第二次加熱到最高溫度。下面還將進(jìn)一步闡述第一和第二燃燒室內(nèi)的燃燒技術(shù)。當(dāng)?shù)诙紵?內(nèi)的氣體被再次加熱到最高溫度后，他們即在下游的第二渦輪機(jī)6內(nèi)膨脹，并相應(yīng)地將輸出功率傳遞給轉(zhuǎn)軸7。最終膨脹的氣體17，也即排氣，通過一推力噴嘴(在附圖中未詳細(xì)示出)排出發(fā)動機(jī)。軸輸出功率的一部分被連接在轉(zhuǎn)軸7上的高壓壓縮機(jī)2所消耗。鑒于該轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速對于螺旋漿9來說太高，因此出于對后者的考慮，用一變速裝置8將該轉(zhuǎn)速減小至螺旋漿可以被可靠地機(jī)械控制的程度。進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣質(zhì)量流12在第一級被螺旋漿9壓縮；而后該質(zhì)量流分成一內(nèi)部流和一旁通流。之后旁通流在一旁通流噴嘴10內(nèi)膨脹，對發(fā)動機(jī)的總推力起主要貢獻(xiàn)。
旁通流與內(nèi)部流的比率越大，發(fā)動機(jī)的燃油消耗率就會越低。鑒于此，盡可能地提高螺旋漿9的可用輸出功率，這一點很重要，以持續(xù)實現(xiàn)一高的旁通氣流比。
必須始終在第一燃燒室的上游完成最終壓力的壓縮，同時在發(fā)動機(jī)中形成最高壓力。
介意采用單軸布置的原因在于如果是一多軸發(fā)動機(jī)，為了驅(qū)動高壓壓縮機(jī)在高壓軸上的高壓渦輪機(jī)必須消耗從燃?xì)饬髦蝎@得的較大一部分輸出功率以至于在高壓渦輪機(jī)下游的壓力較低不足以將另一部分輸出熱氣供入第二燃燒室內(nèi)使其進(jìn)一步加熱到最高溫度，從而顯著減小了低壓渦輪機(jī)中的該輸出功率。這種結(jié)構(gòu)的結(jié)果是該機(jī)組的效率太低不能讓人接受。
相反，如果該發(fā)動機(jī)的整個燃?xì)廨啓C(jī)組全都布置在單獨一根轉(zhuǎn)軸7上，那么低壓渦輪機(jī)6將有助于驅(qū)動高壓壓縮機(jī)2，從而可以使輸出功率分配更合理。多余的軸輸出功率經(jīng)變速裝置8提供給運行速度較慢的螺旋漿9。轉(zhuǎn)軸7之軸承的數(shù)目可按不同情況作適當(dāng)變化。
為了對功率需求的變化作出更快的反應(yīng)，螺旋漿9也可以裝備可調(diào)扇葉。再有，如果旁通氣流比較小，在某些特殊應(yīng)用中將螺旋漿9設(shè)計為多級或許比較合適，以將渦輪機(jī)的多余輸出功率以一高的效率轉(zhuǎn)化為推力。
第一燃燒室3最好為環(huán)形結(jié)構(gòu)，在這種情況下，該燃燒室還可以包括一定數(shù)量的軸向、準(zhǔn)軸向或繞轉(zhuǎn)軸3螺旋布置的獨立燃燒空間。在頭部的一側(cè)，環(huán)形燃燒室3，此處作為一基準(zhǔn)，具有一些燃燒器(圖中未詳細(xì)示出)，這些燃燒器分布在周邊上并產(chǎn)生熱氣體。實際上此處還可以采用擴(kuò)散燃燒器。為了減少從該燃燒裝置中排出的污染排放物，尤其是NOx排放物，最好提供一種如歐洲專利EP-B-0321809所述的預(yù)混合燃燒器的布置，從該出版物的發(fā)明主題構(gòu)成本發(fā)明描述的一整體部分。
就環(huán)形燃燒室3周邊方向上的預(yù)混合燃燒器的布置而言，如果需要，這種布置可以與分布在周邊上的相同燃燒器的常規(guī)結(jié)構(gòu)不同。相反，可以采用不同尺寸的預(yù)混合燃燒器。這種布置最好按如下方式進(jìn)行，即在兩個大預(yù)混合燃燒器之間在每一機(jī)殼內(nèi)設(shè)置一個最好結(jié)構(gòu)相同的較小的預(yù)混合燃燒器。必須行使主燃燒器功能的大預(yù)混合燃燒器的尺寸按照流過大小預(yù)混燃燒器的燃燒空氣也即從壓縮機(jī)單元排出的壓縮空氣與作為該燃燒室的先導(dǎo)燃燒器的小預(yù)混合燃燒器成比例地逐一確定。先導(dǎo)燃燒器作為獨立的預(yù)混合燃燒器在該燃燒室的整個負(fù)荷范圍內(nèi)工作，其空氣系數(shù)實際上保持恒定。由于這些先導(dǎo)燃燒器可在整個負(fù)荷范圍內(nèi)以理想混合物運轉(zhuǎn)，因此NOx排放物即使在部分負(fù)荷下也很低。按照這種結(jié)構(gòu)，環(huán)形燃燒室3前部區(qū)域中的環(huán)流線很接近先導(dǎo)燃燒器的渦流中心，所以實質(zhì)上只可能以這些先導(dǎo)燃燒器進(jìn)行點火。在起動階段，經(jīng)先導(dǎo)燃燒器供給的燃油量逐漸增加直到該先導(dǎo)燃燒器被起動，也即直到全部燃油量都可用為止。
在發(fā)動機(jī)的最大負(fù)荷下，主燃燒器也被全部開動。鑒于由先導(dǎo)燃燒器引燃的“小”的熱渦流中心處于主燃燒器產(chǎn)生出的的“大”的較冷渦流中心之間的這種結(jié)構(gòu)被證明非常不穩(wěn)定，因此即便在主燃燒器以一稀混合氣在部分負(fù)荷范圍內(nèi)工作時，也即先導(dǎo)燃燒器產(chǎn)生的熱渦流立刻穿入主燃燒器的小渦流中的情況下，也可以達(dá)到良好的完全燃燒，除NOx排放物較低外CO和UHC排放物也較低。
從環(huán)形燃燒室3排出的熱氣15進(jìn)入緊接該燃燒室布置在下游的第一渦輪機(jī)4中，該第一渦輪機(jī)4對熱氣的熱膨脹作用是可變的。
該第一渦輪機(jī)4的結(jié)構(gòu)影響了部分膨脹熱氣16的溫度，從而與第二燃燒室所用的燃油一起決定了第二燃燒室是否可按自點燃過程工作。
這里，該第二燃燒室5基本上具有一連續(xù)環(huán)形的軸向或準(zhǔn)軸向圓柱形形式。
對于由一單獨燃燒空間構(gòu)成環(huán)形燃燒室5的這種結(jié)構(gòu)來說，若干燃油噴管18設(shè)置在該環(huán)形氣缸的周邊方向上，這些燃油噴管最好通過一環(huán)路(圖中未示)彼此相連。當(dāng)該第二燃燒室5設(shè)計為自點燃式時，其本身并沒有燃燒器在此來自渦輪機(jī)4的部分膨脹熱氣16的燃燒通過自點燃的方式發(fā)生。如果所用的燃油是液體燃油，那么800℃的溫度對于以自點燃方式為基礎(chǔ)的工作來說就已足夠了。
在燃燒室被設(shè)計為自點燃式的情況下，為了確保工作可靠性和高效率，最重要的是火焰前端要保持局部穩(wěn)定。為此，在燃燒室5內(nèi)設(shè)置了一定數(shù)目的渦流發(fā)生構(gòu)件11，這些構(gòu)件最好設(shè)置在周邊方向上的內(nèi)壁和外壁上并且最好沿軸向布置在燃油噴管18的上游。這些所謂的渦流發(fā)生器11的工作是產(chǎn)生持續(xù)的渦流，根據(jù)歐洲專利EP-B0321809這些渦流引發(fā)一個回流區(qū)。基于軸向布置和整體長度的考慮，該燃燒室5被設(shè)計為一種高速燃燒室，其平均速度超過60m／s，因此渦流發(fā)生器11必須合理設(shè)計以使其與氣流相一致。在進(jìn)流一側(cè)，這些渦流發(fā)生器11最好由一具有相對于進(jìn)流傾斜的表面的四面體形狀構(gòu)成。該渦流發(fā)生器11可以置于燃燒室5的外表面上也可以其內(nèi)表面上，如圖所示，也可以置于這兩個位置上。再有，從如圖所示實施例中可以看到，內(nèi)外渦流發(fā)生器11之間的傾斜表面最好成鏡像布置，這樣，在所述位置的下游燃燒室5之氣流的橫剖面在燃油噴射區(qū)18內(nèi)經(jīng)歷產(chǎn)生渦流的膨脹。當(dāng)然，渦流發(fā)生器11也可以彼此相對軸向設(shè)置。渦流發(fā)生器11的出流側(cè)表面基本上在徑向形成，因此從該位置開始形成一回流區(qū)域。如果選擇了在燃燒室5內(nèi)按照自點燃方式工作，那么就必須確保在所有負(fù)荷范圍內(nèi)都能現(xiàn)實這種自點燃，因此提供了輔助措施和輔助裝置，若由于某一原因或其它原因而不再確保自點燃時，使介入點火方式。
較短的燃燒室5整體長度和用于穩(wěn)定火焰及保證持續(xù)自點燃的渦流發(fā)生器11的作用相結(jié)合使燃燒快速有效地進(jìn)行，同時使燃油在灼熱的火焰前端區(qū)域停留的時間保持最短。由此帶來的一個可從燃燒上直接測量的效果關(guān)系到NOx排放物，該NOx排放物被減小到最少以至于他們不再在為一個問題。此外，這種初始狀況使得燃燒的位置可被清楚地限定，這種清楚的限定反映在燃燒室5構(gòu)件的冷卻得到最優(yōu)化。之后，如上所述，燃燒室5內(nèi)產(chǎn)生的熱氣進(jìn)入布置在下游的第二渦輪機(jī)6。
如能在第二燃燒室5的上游設(shè)置一個小的擴(kuò)散器(圖中未示)則會對提高發(fā)動機(jī)的效率大有益處。從而使整個系統(tǒng)的總壓力損失得以減少。參照通常的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)圖，可以證明，即使用一個最小長度的擴(kuò)散器，仍可達(dá)到高的動壓力恢復(fù)率。
最后，第二環(huán)形燃燒室5可以在周邊方向按如下方式進(jìn)一步分割，使一定數(shù)量的單獨協(xié)作燃燒空間維持熱氣的產(chǎn)生。這些繞轉(zhuǎn)軸7設(shè)置的單獨燃燒空間能以一局部自主的方式產(chǎn)生熱氣或從燃燒方面講按照一最優(yōu)化的方式彼此依賴地產(chǎn)生熱氣。
很明顯，根據(jù)上述所給出的內(nèi)容可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變化。因此可以理解，除按具體描述的內(nèi)容之外，可在所附權(quán)利要求書所要求保護(hù)的范圍內(nèi)實施本發(fā)明。
圖標(biāo)列表1低壓壓縮機(jī)2高壓壓縮機(jī)3第一燃燒室4第一渦輪機(jī)、高壓渦輪機(jī)5第二燃燒室6第二渦輪機(jī)、低壓渦輪機(jī)7轉(zhuǎn)軸8變速裝置9螺旋漿、旁通流壓縮機(jī)10旁通流噴嘴11渦流發(fā)生器12進(jìn)氣、空氣質(zhì)量流13壓縮空氣14燃油、燃油供給15熱氣16部分膨脹熱氣17最終膨脹熱氣、排氣18燃油、燃油噴管
權(quán)利要求
1．一種噴氣式發(fā)動機(jī)，主要包括至少一個螺旋漿(9)、至少一個布置在該螺旋漿下游的壓縮機(jī)單元(1、2)、一個布置在該壓縮機(jī)單元下游的燃燒室(3)，和一個布置在該燃燒室下游的渦輪機(jī)(4)，其特征在于在所述渦輪機(jī)(4)的下游還布置有一個第二燃燒室(5)，在該第二燃燒室(5)的下游還布置有一個第二渦輪機(jī)(6)。
2．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述螺旋漿(9)裝備有可調(diào)葉片。
3．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述螺旋漿(9)為是多級結(jié)構(gòu)。
4．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于屬于所述壓縮機(jī)單元的至少一個壓縮機(jī)(2)、所述第一渦輪機(jī)(4)和所述第二渦輪機(jī)(6)布置在一根公共轉(zhuǎn)軸(7)上。
5．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于該噴氣式發(fā)動機(jī)的所有流體流動機(jī)械(9、1、2、4、6)布置在彼此相互操作相連的至少兩根轉(zhuǎn)軸上。
6．如權(quán)利要求5所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)軸的所述操作連接可由至少一個變速裝置(8)達(dá)到。
7．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述第二燃燒室(5)設(shè)計為一個自點燃燃燒室。
8．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于在所述第二燃燒室(5)的上游布置有一個擴(kuò)散器。
9．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述第二燃燒室裝備有渦流發(fā)生構(gòu)件(11)。
10．如權(quán)利要求9所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述渦流發(fā)生構(gòu)件(11)的出流側(cè)表面在橫截面上具有一突變。
11．如權(quán)利要求1和9所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于一主燃料(18)可被噴入所述渦流發(fā)生構(gòu)件(11)下游的所述第二燃燒室(5)內(nèi)。
12．如權(quán)利要求11所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述主燃料(18)由一定數(shù)量的噴管導(dǎo)入，這些噴管布置在所述第二燃燒室(5)的周邊方向上。
13．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述第一燃燒室(3)可用一些預(yù)混合燃燒器操作。
14．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述第一和第二燃燒室(3、5)設(shè)計為環(huán)形燃燒室。
15．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)，其特征在于所述第一和／或第二燃燒室(3、5)包括一些繞所述轉(zhuǎn)軸(7)布置的單獨的圓柱燃燒空間。
16．如權(quán)利要求1所述的噴氣式發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于所述第一渦輪機(jī)(4)內(nèi)的熱氣(15)的膨脹被減小至最小，部分膨脹的熱氣(16)以比噴入所述第二燃燒室(5)的主燃料的自燃溫度高的溫度流入下游的第二燃燒室(5)。
17．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于至少在瞬時載荷范圍和在部分載荷范圍內(nèi)，所述第二燃燒室(5)具有輔助措施或輔助裝置，通過該措施或裝置燃燒得以確保。
全文摘要
在具有一常規(guī)型式螺旋槳(9)的噴氣式發(fā)動機(jī)中,一第二燃燒室(5)設(shè)置在渦輪機(jī)(4)的下游,一第二渦輪機(jī)(6)工作于該第二燃燒室(5)的下游。熱氣(16)先在第一渦輪機(jī)(4)內(nèi)部分膨脹,而后在第二燃燒室(5)被再次加熱,在較低的絕對熱氣溫度下,發(fā)動機(jī)可以輸出更多的功率。
文檔編號F02K7/00GK1204005SQ9811507
公開日1999年1月6日 申請日期1998年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月25日
發(fā)明者K·沃格勒 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司