[发明专利]燃烧室的壁

说明书

发明的背景

本发明涉及涡轮机组的燃烧室领域，并且特别地涉及涡轮机组的燃烧室的环形壁，该壁具有冷侧和热侧。

本上下文中使用术语“涡轮机组”，意指一种机械，其通过工作流体在涡轮机中膨胀，将所述工作流体的热能转化为机械能。在下面的描述中，相对于通过涡轮机组的工作流体的正常流动方向而限定术语“上游”和“下游”。

特别地，本发明涉及所谓的“内燃”涡轮机组，其中涡轮机的工作流体包含至少一些燃烧的产物，该燃烧已经将该热能传递给工作流体。这种涡轮机组特别地包括燃气涡轮机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。通常地，这种内燃涡轮机组包括涡轮机上游的燃烧室，在该燃烧室中燃料与工作流体，通常空气混合，并且被燃烧。因此，燃烧室中，燃料中所包含的化学能被转化热能，因此加热工作流体，并且在涡轮机中，工作流体的热能随后被转换为机械能。通常，这种涡轮机组也包括燃烧室上游的由与至少一个涡轮机级共同的旋转轴所驱动压气机，以在燃烧之前压缩空气。

在这种涡轮机组中，燃烧室通常具有至少一个环形壁，该环形壁带有孔，以能够使在壁的冷侧上流动的空气穿入到壁的热侧。这种壁在燃料喷射器正常地所位于的燃烧室的端壁和燃烧气体出口之间，在工作流体的流动方向上延伸。燃烧室通常地位于气体发生器壳体内侧，该壳体连通压气机，以接收其中已经被压缩的气体。

在这种燃烧室中，通过孔的空气的流动执行几种功能。在接近燃烧室端壁和由此接近喷射器的称为“主”区的第一区域中，壁包括至少一个“主”孔，该主孔主要用于输送与喷射器所喷射的燃料进行燃烧反应的空气。然而，通过位于更远下游的第二区，称为“掺混区”中的孔进入到燃烧室中的空气主要用于掺混燃烧气体，以降低在燃烧室出口处其温度，因此限制燃烧室下游的涡轮机上热应力。

然而，为了增加涡轮机组的热动力循环效率，趋势是越来越多地增加燃烧室中的温度。这导致在燃烧室外壳的壁上也出现了相当大的热应力。为了冷却这些壁，它们可以具有正常地不大于1毫米（mm）的小直径的大量冷却孔。通过这些冷却孔进入到燃烧室中的空气在每个壁的热侧形成相对冷的薄膜，因此保护壁的材料免受燃烧热。

在现有技术燃烧室的掺混区中，然而发现有用于掺混燃烧气体的正常地大于1mm的大直径的掺混孔以及用于冷却燃烧室壁的不大于1mm的小直径的冷却孔两种，因为本领域技术人员的观点是必须具有只能通过大直径的孔所产生的空气喷射流，以使得它们能够深深地穿入到燃烧室中的流动中，以获得下游掺混空气和燃烧气体之间更好的混合。然而，这导致了其它缺陷。特别地，这些掺混空气喷射流可以导致燃烧室内温度的大量不均匀性。不幸地，考虑环境原因和燃烧室效率原因，确保燃烧室内温度尽可能地均匀地分布是重要的。其中的任何温度峰都可以引起一氧化二氮形成，而在低温区中燃料可以保持不被燃烧。

发明的目的和概述

本发明因此涉及用于涡轮机组的燃烧室的环形壁，该壁具有冷侧和热侧，所述壁提供有至少一个主孔，该主孔能够使流到壁的冷侧上的第一空气流穿入到壁的热侧，以供应在燃烧室内燃料的燃烧，以及多个冷却孔，每个具有不大于1mm的直径，以能够使流到壁的冷侧上的第二空气流穿入到壁的热侧，以冷却壁的热侧。

本发明的目的是使燃烧室内温度分布更均匀，而增加涡轮机组的热动力循环效率。为此，在用于本发明的涡轮机组的燃烧室的环形壁的至少一个实施方式中，通过使用经过冷却孔穿入到壁的热侧的空气流，多个冷却孔也适于掺混由所述燃烧所产生的燃烧气体。与本领域技术人员的偏见相反，已经发现将空气供应给这种小直径的孔口，不仅足以冷却燃烧室的壁，而且也能够获得燃烧气体与通过这些小直径的孔口所输送的空气的有效混合，因此获得燃烧气体的有效掺混。

特别地，在本发明的第二方面，在这种燃烧室中，所述冷却孔可以具有不小于50%的总表面面积，用于使空气通过壁，并且更特别地，至少97%的总表面面积，用于使空气通过所述至少一个主孔下游的壁。因此，可以省略用于掺混燃烧气体的大量大直径的孔口，因此不仅帮助避免了燃烧室中流动的不均匀性，也使得制造燃烧室的掺混区更容易。

在第三方面中，为了改善燃烧气体和通过冷却孔所输送的空气之间的混合，多个所述冷却孔中每个孔沿着在壁上投影的轴线被定向，该轴线相对于壁的中心轴线的方向具有不小于45°的角度θ。特别地，所述角度θ可以位于85°到95°的范围。因此，通过冷却孔喷射到燃烧室中的空气遵循螺旋形路径，因此延长了在燃烧室中其通过时间和增厚了邻近壁的热侧的相对冷的空气的薄膜，因此不仅有益于壁的冷却，也有益于燃烧气体与空气以更厚的薄膜进行混合。