專利名稱：具有亥姆霍茲共振器的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種燃料噴射器，更具體地涉及一種用于燃?xì)鉁u輪
發(fā)動(dòng)機(jī)的、具有亥姆霍茲共振器(Helmholtz resonator)的燃料噴射器。
背景技術(shù)：
在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)，在某些條件下的燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生壓力或 聲學(xué)振動(dòng)。該振動(dòng)處于約二十赫茲到幾千赫茲的頻率范圍內(nèi)，并會(huì)由于燃 燒過程中的不穩(wěn)定性而發(fā)生。較低頻率的聲學(xué)振動(dòng)有時(shí)被稱為"低頻敲擊 聲/顫振，，或"嚓嘎聲/空爆聲"。頻率高于約1000赫茲的聲學(xué)振動(dòng)通常被 稱為"尖叫/嘯叫"。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)尖叫會(huì)干擾渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化運(yùn)行。尖叫一 旦發(fā)生就會(huì)持續(xù)到導(dǎo)致尖叫的能量源消失，或者直到系統(tǒng)變量^L改變以將 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行切換至無尖叫運(yùn)行范圍。然而，改變渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行 特性以消除尖叫可能很困難。由于對各運(yùn)行特性如何相互作用以產(chǎn)生尖叫 的機(jī)理知之甚少，所以足夠精確地預(yù)測系統(tǒng)中的尖叫是極其困難的。因此， 通常在燃燒室內(nèi)設(shè)計(jì)有益的結(jié)構(gòu)性元件(positive structural means)來衰 減高頻振動(dòng)或?qū)⑵渫耆窒?。為抑制渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的尖叫而設(shè)置在燃燒室內(nèi) 的一種結(jié)構(gòu)元件稱為亥姆霍茲共振器。
亥姆霍茲共振器基于一■^種由Hermann von Helmholtz在十九世紀(jì)六十 年代創(chuàng)造的裝置，并依據(jù)空腔內(nèi)的空氣共振現(xiàn)象工作。形式最簡單的亥姆 霍茲共振器由一封閉體積(空腔)構(gòu)成，該封閉體積包含空氣且通過一開 口與燃燒室連通。由于燃燒過程而產(chǎn)生的壓力波迫使空氣進(jìn)入空腔，從而 增大其內(nèi)部壓力。 一旦迫使空氣進(jìn)入空腔的外部驅(qū)動(dòng)消失，空腔內(nèi)的較高 的壓力便會(huì)推動(dòng)開口附近的一小體積的空氣(氣塞)返回燃燒室以平衡壓 力。然而，運(yùn)動(dòng)的氣塞的慣性將會(huì)迫使該氣塞以一較小的附加距離進(jìn)入燃燒室中(超過平衡壓力所需的距離)，從而使空腔內(nèi)的空氣稀薄。這時(shí)空 腔內(nèi)的低壓會(huì)將氣塞吸回空腔內(nèi)，從而再次增大空腔內(nèi)的壓力。因此，由 于空腔內(nèi)的空氣的彈性，氣塞如彈簧上的質(zhì)量一樣振動(dòng)。該振動(dòng)的氣塞的 振幅由于阻尼和摩擦損失而逐步減小。由此，在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的壓力波的 能量通過玄姆霍茲共振器內(nèi)的共振而被耗散。通過將共振器的共振頻率與 燃燒室外殼的被激勵(lì)的聲學(xué)模態(tài)相匹配來優(yōu)化能量耗散。通常，通過改變 亥姆霍茲腔和開口的尺寸來實(shí)現(xiàn)對亥姆霍茲共振器的頻率匹配或"調(diào)諧
(tuning)，，。
通常利用雙罩燃燒室/雙半球燃燒室(double dome combustion chamber)(燃燒器)的內(nèi)、外襯套之間的空的空間構(gòu)成一組亥姆霍茲共 振器。在此位置，亥姆霍茲共振器接近燃燒室的產(chǎn)生不穩(wěn)定性的放熱區(qū)， 因此被適當(dāng)?shù)囟ㄎ灰员阊杆夙憫?yīng)于產(chǎn)生的聲波。然而，在大多數(shù)燃燒室中， 還利用襯套之間的空間向燃燒室壁供給冷卻空氣，而將玄姆霍茲共振器置 于該空間內(nèi)使其成為冷卻系統(tǒng)的一部分。然而，在不影響燃燒室的冷卻的 情況下，作為冷卻系統(tǒng)的一部分的亥姆霍茲共振器降低了通過改變空腔和 開口的尺寸來調(diào)諧亥姆霍茲共振器的能力。該限制削弱了亥姆霍茲共振器 在控制尖叫方面的效力。因此期望將亥姆霍茲共振器置于接a熱區(qū)的位 置，但獨(dú)立于燃燒室的冷卻系統(tǒng)。
于1995年7月11日授予Keller的美國專利NO. 5,431,018 ( '018專 利)中公開了在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室內(nèi)的亥姆霍茲共振器的一個(gè)實(shí)施例。'018 專利的亥姆霍茲共振器設(shè)置在供給用于與燃料混合的空氣的空氣罩(air shroud)的附近。來自空氣軍的部分空氣通過一入口管被旁通至亥姆霍茲 共振器內(nèi)。亥姆霍茲共振器通過一構(gòu)造成繞空氣罩的環(huán)形通道的阻尼管與 燃燒室連通。因此，'018專利公開了一種單個(gè)的亥姆霍茲共振器，其由 繞各燃料噴射器的空腔形成，并通過繞噴射器的環(huán)形開口與燃燒室相連接, 同時(shí)獨(dú)立于燃燒室的燃燒室冷卻系統(tǒng)。
盡管'018專利的玄姆霍茲共振器可與燃燒室冷卻系統(tǒng)分離，但可能 與燃料噴射器的空氣流相關(guān)聯(lián)。因此，響應(yīng)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的改變的輸出要求而對穿過燃料噴射器的空氣流進(jìn)行的改變會(huì)影響該共振器的效力。另外，
為與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率相匹配而對'018專利的共振器進(jìn)行的調(diào)諧可 能會(huì)涉及到重新設(shè)計(jì)環(huán)形通道和/或燃料噴射器。通常，將亥姆霍茲共振器 調(diào)諧至適當(dāng)?shù)念l率是一個(gè)試錯(cuò)/反復(fù)試驗(yàn)的過程，該過程可能包含利用多個(gè) 共振器的構(gòu)型(空腔體積、連接空腔與燃燒室的開口尺寸等)的多個(gè)試驗(yàn)。 因此，在開發(fā)系統(tǒng)時(shí)能夠容易地試驗(yàn)不同的共振器構(gòu)型是有利的。 本發(fā)明的目的在于克服上述缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，(本發(fā)明)公開了一種端蓋。該端蓋包括第一部分、第二部 分和第三部分。第一部分包括一環(huán)形的、具有中軸線的、截面基本上為矩 形的環(huán)部。第二部分位于第一部分的徑向外側(cè)。第二部分與第一部分是一 體的并從第一部分垂直伸出。第二部分具有一與所述中軸線對齊的、環(huán)形 的環(huán)部。第二部分的截面基本上為矩形，該第二部分的截面具有與所述中 軸線平行地測度的笫一寬度和與所述中軸線垂直地測度的第一厚度。第三 部分位于第一部分的徑向內(nèi)側(cè)。第三部分與笫一部分是一體的，并在與第 二部分相同的方向上從第一部分垂直伸出。第三部分具有一與所述中軸線 對齊的、環(huán)形的環(huán)部。笫三部分的截面基本上為矩形，該第三部分的截面 具有與所述中軸線平行地測度的第二寬度和與所迷中軸線垂直地測度的第 二厚度。端蓋還包括穿過第一部分延伸的多個(gè)穿孔。所述多個(gè)穿孔設(shè)置成 以基本上為圓形的排列圖案圍繞中軸線，所述多個(gè)穿孔中的每一個(gè)均具有 基本上圓形的形狀，該基本上圓形的形狀具有通常恒定的直徑。在所述多 個(gè)穿孔中的任意兩個(gè)相鄰的穿孔之間的角間距基本上相等并小于或等于約 45度。
另一方面，(本發(fā)明)公開了一種運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。所述方法 包括將燃料與空氣混合；通過噴射器將燃料空氣混合物引入燃燒室內(nèi)；使
燃料空氣混合物在燃燒室內(nèi)燃燒以產(chǎn)生壓力波。所述方法還包括利用位于 噴射器的端面上的亥姆霍茲共振器組來襲減壓力波。另一方面，(本發(fā)明)公開了一種用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射器。所 述燃料噴射器包括具有一縱軸線的體部件，以及位于所述體部件的徑向外
側(cè)的套筒部件(barrel member)。所述套筒部件包括一暴露于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī) 的燃燒室的端面。所述燃料噴射器還包括與所述套筒部件相連接的端蓋。 所述端蓋和所述端面形成一亥姆霍茲共振器組。
另一方面，(本發(fā)明)公開了一種用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射器的端 蓋。所述端蓋包括一具有多個(gè)穿孔的、環(huán)形的第一表面。所述環(huán)形的第一 表面暴露于所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。所述端蓋構(gòu)造成與所述燃料噴射器 的端面相連接以限定一封閉的空腔，其中，所述封閉的空腔和所述多個(gè)穿 孔形成一亥姆霍茲共振器組。
另一方面，(本發(fā)明)公開了一種用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射器的構(gòu) 件。所述構(gòu)件具有一縱軸線和位于所述縱軸線的徑向外側(cè)的套筒部件。所 述套筒部件包括暴露于所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的端面。所述構(gòu)件還包括
與所述套筒部件相連接的端蓋。所述端蓋和所述端面形成一亥姆霍茲共振 器組。所述亥姆霍茲共振器組包括暴露于所述燃燒室的多個(gè)穿孔。所述多 個(gè)穿孔中的每一個(gè)均具有一與所述縱軸基本上平行的中軸線。


圖l是示例性公開的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視圖2是連接到圖1的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的示例性公開的燃料噴射器 的剖^見圖3是與圖2的燃料噴射器的端面相連接的端蓋的放大剖視圖4A是圖3的端蓋的剖面圖4B是圖3的端蓋的端視圖5是圖3的噴射器的剖面圖；以及
圖6是由圖1的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行的燃燒過程的示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1示出一示例性的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10。渦輪發(fā)動(dòng)才幾10可與一固定才幾械 或移動(dòng)機(jī)械相連接。例如，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可以用于在氣體運(yùn)輸操作中驅(qū)動(dòng) 壓縮機(jī)，或用作產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10還可選擇是車 輛的原動(dòng)機(jī)。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括壓縮機(jī)部分12、燃燒器部分14、渦輪 部分16和排氣部分18等。應(yīng)指出，在本文的討論中將僅討論渦輪發(fā)動(dòng)機(jī) 10及其部件的對于說明本發(fā)明的具有亥姆霍茲共振器的燃料噴射器所需 的方面。
壓縮機(jī)部分12可以包括用于壓縮進(jìn)氣的旋轉(zhuǎn)部件。具體地，壓縮機(jī)部 分12可以包括圍繞中心軸24固定連接的一系列旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)葉片22。當(dāng)中 心軸24旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮機(jī)葉片22可將空氣吸入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10并壓縮所述空 氣。然后向燃燒器部分14引導(dǎo)該,皮壓縮的空氣以<吏之與液態(tài)和/或氣態(tài)的 燃料相混合。設(shè)想壓縮機(jī)部分12還可以包括與中心軸24分離的、在渦輪 發(fā)動(dòng)機(jī)10運(yùn)行期間保持靜止的壓縮機(jī)葉片(未圖示)。
燃燒器部分14可將燃料與來自壓縮機(jī)部分12的壓縮空氣混合并燃燒 混合物。具體地，燃燒器部分14可包括多個(gè)圍繞中心軸24環(huán)形布置的燃 料噴射器26以及一與燃料噴射器26相關(guān)聯(lián)的環(huán)形燃燒室28。各燃料噴射 器26可向來自壓縮機(jī)部分12的壓縮空氣流噴射液態(tài)和/或氣態(tài)燃料用以在 燃燒室28內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)燃。當(dāng)燃料空氣混合物燃燒時(shí)，燃燒室28內(nèi)的氣體凈皮 加熱。這些熱氣體便會(huì)膨脹并以高速運(yùn)動(dòng)到渦輪部分16中。熱氣體可以繼 續(xù)在渦輪部分16內(nèi)膨脹并轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪軸以產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力。盡管圖l描述了一 環(huán)形燃燒室，但本發(fā)明的實(shí)施例也可以用在其他類型的燃燒室中，例如，
耀式(can type)燃燒室。
圖2是安裝在燃燒室28上的燃料噴射器26的剖視圖。如圖2所示， 燃料噴射器26可包括相互配合以將氣態(tài)和/或液態(tài)的燃料噴射到燃燒室28 內(nèi)的部件。具體地，燃料噴射器26包括一套筒殼體套筒部件34，該套筒 殼體可形成(或者可被連接到)用于使燃料空氣混合物與燃燒室28連通的 混合管道37。套筒殼體34可包括一端面39。端面39可以與燃燒室28相 接，以使中心開口 52將套筒殼體34與燃燒室28流體連通。燃料噴射器26還可以包括一中心體36，該中心體36還具有一導(dǎo)向燃料噴射器38等。中心體36可設(shè)置在套筒殼體34的徑向內(nèi)側(cè)并沿公共軸線42對齊。導(dǎo)向燃料噴射器38可設(shè)置在中心體36內(nèi)并構(gòu)造成將加壓燃料噴入燃燒室28中?？諝庑髌?swirler) 35可引起來自壓縮機(jī)部分12 (圖1所示)的壓縮空氣的旋流并將其引導(dǎo)到套筒殼體34?；旌瞎艿?7可將壓縮空氣與燃料混合，并將燃料空氣混合物從燃料噴射器26引導(dǎo)到燃燒室28中。
圖3示出套筒殼體34的放大局部，其中具體示出了端面39。在某些實(shí)施例中，端面39可以形成一階梯部分并包括第一元件39a和第二元件39b。在某些實(shí)施例中，第一元件39a可以基本上垂直于第二元件39b，使得端面39的截面形成"L"形。然而可以設(shè)想到第一元件39a可與第二元件39b形成任意角度。還可以設(shè)想端面39可以包括一附加元件。例如，端面39可以包括一與第一元件39a基本上垂直的附加元件。在這種實(shí)施形式中，端面39可以具有類似"C"形的截面。
在端面39上可連接一環(huán)形端蓋44。端蓋44可以由任意適合使用的材料制成。在某些實(shí)施例中，端蓋44可以由高強(qiáng)度的鎳基抗腐蝕合金制成，比如哈氏合金(Hastelloy )。圖4A和4B分別示出示例性端蓋44的剖面圖和端視圖。端蓋44可以與端面39相連接并類似于一具有外徑92和內(nèi)徑94的環(huán)。外徑92和內(nèi)徑94可以是適手應(yīng)用的任意值。在某些實(shí)施例中，外徑92的尺寸范圍可為從約1英寸到約6英寸，內(nèi)徑94的尺寸范圍可為從約半英寸到約5英寸。圖4A的剖面圖示出的端蓋44可具有多個(gè)元件，例如第三元件44a、第四元件44b和第五元件44c。在某些實(shí)施例中，在第四元件44b將第三元件44a與第五元件44c分離的情況下，第三元件44a可設(shè)置在第五元件44c的徑向外側(cè)。在這些實(shí)施例中，第三元件44a可基本上平行于第五元件44c并基本上垂皋于第四元件44b。在某些實(shí)施例中，第三元件44a的寬度96可大于第五元件44c的寬度98。在本實(shí)施例中，第四元件44b的寬度102可使得端蓋44的截面類似于一 "C"形通道，其中第三元件44a和第五元件44c分別形成徑向內(nèi)、外側(cè)的平行表面而第四元件44b形成周向連接結(jié)構(gòu)。第三元件寬度96、第四元件寬度102和第五值?？梢栽O(shè)想端蓋44可包括不同數(shù)量的元件和/或端蓋44的元件可以以其他方式布置。
可將端蓋44的一些或全部邊緣倒角以減少應(yīng)力集中。倒角的邊緣可以包括平面或曲面以使兩個(gè)表面的分界面平滑。例如，第三元件44a的外邊緣可以包括第一倒角106。在另一實(shí)施例中，在第三元件44a與第四元件44b之間的內(nèi)邊緣可以包括一第二倒角108。在某些實(shí)施例中，在第四元件44b與第五元件44c之間的內(nèi)邊緣也可以包括第二倒角108。
端蓋44可以包括例如在第四元件44b內(nèi)的多個(gè)穿孔46。這些穿孔46可以完全貫通第四元件44b。在一已連接的構(gòu)型中，穿孔46可以圍繞中心開口52環(huán)形分布，其中各穿孔46的中軸線48平行于一公共軸線42。在某些實(shí)施例中，穿孔46和中心開口 52可以位于一基本上垂直于公共軸線42的公共平面上。在某些實(shí)施例中，穿孔46可以均為具有穿孔直徑112的、基本上的圓形形狀，中軸線48經(jīng)過每個(gè)穿孔46的中心?？梢砸跃哂信帕兄睆?14的圓形圖案將這些穿孔46環(huán)形地分布在環(huán)形的第四元件44b上，任意兩個(gè)相鄰的穿孔之間的角間距116基本上相等。盡管穿孔直徑112、排列直徑114和角間距116可以為任意值，但在某些實(shí)施例中，穿孔直徑112可在約0.005英寸到0.5英寸間變化，排列直徑114可在約1英寸到約5英寸間變化，角間距116可在約2度到約45度間變化。在某些實(shí)施例中，可以通過機(jī)加工在端蓋44上形成多個(gè)穿孔46。然而，可i殳想采用任:何加工方法來形成穿孔46。
圖5示出與套筒殼體34的端面39相連接的端蓋44的剖面圖。在某些實(shí)施例中，可將端蓋44連接到端面39上以使端蓋44和端面39的一個(gè)或多個(gè)元件封閉并限定一空腔50。也就是說，端蓋44和端面39的元件可以形成空腔50的外壁。在已連接的構(gòu)型中(如圖5所示)，第三元件44a可以設(shè)置在第一元件39a的徑向外側(cè)；第五元件44c可以平行于第二元件39b并設(shè)置在第二元件39b的徑向外側(cè)；第四元件44b可平行于端面39的第一元件39a并與該第一元件39a分離。在該實(shí)施例中，第一元件39a和第四元件44b可以形成空腔50的相對的壁，第五元件44c和第三元件44a也可以形成空腔50的相對的壁。
設(shè)想可以以不同的方式限定空腔50。例如，可將僅具有一個(gè)元件的端蓋44與構(gòu)造成基本上C形的、具有三個(gè)元件的端面39相連接以限定空腔50。類似地，可將具有兩個(gè)垂直元件的端蓋44與一具有兩個(gè)相對的垂直元件的端面39相連接以限定空腔50。還可以設(shè)想完全在端蓋44內(nèi)封閉空腔50。在該實(shí)施例中，端蓋44可以包括四個(gè)元件，這四個(gè)元件包圍并形成中空的環(huán)形空腔50的邊界壁。這些另外的實(shí)施例僅是示例性的，空腔50可以以任意的方式由端面39和端蓋44限定。
空腔50可以具有任意截面形狀和尺寸。在某些實(shí)施例中，空腔50可以圍繞/>共軸線42環(huán)形^L置并具有矩形截面，該矩形截面的截面寬度120平行于公共軸線42測度，該矩形截面的截面厚度122垂直于公共軸線42測度。截面寬度120和截面厚度122可以是任意值，可以取決于端面39和端蓋44的尺寸。在某些實(shí)施例中，截面寬度120可在約0.05英寸到約0.5英寸間變化，截面厚度可在約0.05英寸到約1英寸間變化。
在一示例性應(yīng)用中，端蓋44可具有約4.0英寸到約4.2英寸的外徑92和約2.9英寸到約3.0英寸之間的內(nèi)徑94。在該應(yīng)用中，為了有效地衰減尖叫，端蓋44可以(在第四表面44b上)具有圍繞中軸線42環(huán)形分布的多個(gè)穿孔46,其中角間距116在約9度到約11度之間。各穿孔可在端蓋的第四表面44b上形成一 圓形圖案，其中排列直徑114在約3.65英寸到約3.75英寸之間。每個(gè)穿孔46的穿孔直徑112可以在約0.05英寸到約0.06英寸之間。該應(yīng)用中的端蓋44可以與端面39相連接以圍出一空腔50，該空腔具有約0.15英寸到約0.25英寸之間的截面寬度120和約0.3英寸到約0.4英寸之間的截面厚度122。
在第二個(gè)示例性應(yīng)用中，可將一具有在約4.0英寸到約4.2英寸之間的外徑92以及在約3.0英寸到約3.5英寸之間的內(nèi)徑94的端蓋44與一端面39相連接以封閉一空腔50。在該第二示例性應(yīng)用中的空腔50可具有在約0.2英寸到約0.25英寸之間的截面寬度120和在約0.1英寸到約0.2英寸之間的截面厚度。在本實(shí)施例中，為了有效地衰減尖叫，端蓋44也可以具有多個(gè)穿孔46,所述穿孔的穿孔直徑122、角間距116和排列直徑144分別與上一實(shí)施例中相同。
可將端蓋44可拆下地或固定地連接到端面39上。在某些實(shí)施例中，可以使用硬焊、軟焊或焊接將端蓋44頃定連接到端面39上。在端蓋44與端面39的連接涉及硬焊的實(shí)施例中，可使用設(shè)置在端蓋44與端面39之間的界面的不同位置處的釬料118來執(zhí)行硬焊?？梢栽O(shè)想，在某些實(shí)施例中，可以使用粘合劑來連接端蓋44和端面39。在某些實(shí)施中，可將端蓋44過盈裝配到端面39上或內(nèi)。還可以設(shè)想，可以釆用螺紋緊固件將端蓋44連接到端面39。在其他實(shí)施例中，可對端蓋44和端面39的配合面、例如第二元件39b和第五元件44c攻螺紋。在這些實(shí)施例中，接合螺紋可以將這些元件連接在一起。
端面39的與端蓋44的表面相配合的一個(gè)或多個(gè)表面、例如第二元件39b可以包括一個(gè)或多個(gè)槽32或缺口 ，所述槽或缺口構(gòu)造成接納O型圏或其他密封件。盡管圖5僅示出在第二元件39b上的槽32,但可以^沒想端面39的其他配合表面也具有槽。替代或附加地，端蓋44的與端面39表面配合的表面也可具有槽32以容納密封件。在這些實(shí)施例中，這些密封件可以在各配合表面之間保持基本氣密的密封。
端面39的第一元件39a還包括多個(gè)凈化孔/清除孔56。每個(gè)凈化孔56可以具有圓形的截面形狀，其中軸線58穿過該圓形的圓心。在某些實(shí)施例中，每個(gè)凈化孔56的軸線58都平行于公共軸線42。凈化孔56也可以環(huán)形地圍繞公共軸線42設(shè)置?？梢栽诙嗣?9上設(shè)置任意尺寸、任意數(shù)量的凈化孔56。凈化孔56可將空腔50與燃料噴射器26外的區(qū)域流體連通，并可被構(gòu)造成將冷卻空氣導(dǎo)入空腔50。穿孔46可將封閉的空腔50與燃燒室28流體連通以允許冷卻空氣進(jìn)入燃燒室28。
空腔50與各穿孔46 —起可用作圍繞各燃料噴射器26的中心開口 52設(shè)置的一亥姆霍茲共振器組70。該亥姆霍茲共振器組70可以消除或削弱("衰減")在燃燒室28內(nèi)在燃燒期間由于所產(chǎn)生的不穩(wěn)定性而發(fā)生的尖叫?？梢哉{(diào)整空腔50和穿孔46的大小以衰減特定頻率或頻率范圍(阻尼頻率)的尖叫。凈化孔56可以用冷卻空氣來凈化空腔50，以降低由溫度引起的阻尼頻率的變化。
圖6是在燃燒室28內(nèi)發(fā)生的燃燒的示意圖。燃燒室28可以圍繞中心軸24環(huán)形"^殳置，并由環(huán)形的雙層內(nèi)襯60包圍。環(huán)形雙層內(nèi)襯60可以包圍內(nèi)層64和外層62之間的空間。可以使冷卻空氣流72穿過在內(nèi)層64與外層62之間的空間以冷卻燃燒室28的壁。燃燒室28可以接收來自各燃料噴射器26的、基本均勻的、燃料和空氣的混合物(燃料空氣混合物75)。來自燃料噴射器26的燃料空氣混合物75的旋流可在燃燒室28內(nèi)建立一種再循環(huán)的形式。燃料空氣混合物75可以被點(diǎn)燃并在燃燒室28內(nèi)完全燃燒。隨著燃料空氣混合物75的燃燒，在燃料噴射器26的噴嘴附近可形成一放熱區(qū)80。燃燒過程的能量的主要部分會(huì)在放熱區(qū)80釋放以使燃燒室28內(nèi)的氣體受熱和膨脹。這些熱膨脹氣體可從燃燒室28排出，并進(jìn)入渦,分16 (圖1)。
在燃燒室28內(nèi)進(jìn)行的燃燒過程會(huì)產(chǎn)生通過壓力和聲學(xué)振動(dòng)(壓力波)表現(xiàn)出的不穩(wěn)定性。當(dāng)振動(dòng)頻率與燃燒室28的聲學(xué)模態(tài)耦合時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)可能損害渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10?？拷紵?8的放熱區(qū)80的亥姆霍茲共振器組70可以幫助衰減在接近燃燒室28的聲學(xué)模態(tài)的頻率下產(chǎn)生的振動(dòng)。
工業(yè)實(shí)用性
所公開的設(shè)有相應(yīng)的亥姆霍茲共振器的燃料噴射器可應(yīng)用于任意期望降低渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的振動(dòng)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管特別適用于NOx排放低的發(fā)動(dòng)機(jī)，但公開的燃料噴射器也可用于任意渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，而與發(fā)動(dòng)機(jī)的排放無關(guān)。所公開的設(shè)有相應(yīng)的亥姆霍茲共振器的燃料噴射器可以通過聲學(xué)上削弱在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)自然發(fā)生的壓力波動(dòng)來減少振動(dòng)。下面說明渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)有亥姆霍茲共振器的燃料噴射器的工作方式。
在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10運(yùn)行期間，空氣被吸入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10并被壓縮機(jī)部分12 (見圖1)壓縮。然后通過燃料噴射器26將被壓縮的空氣導(dǎo)入燃燒器部分14。當(dāng)壓縮空氣穿過套筒殼體34流到燃燒室28時(shí)，可噴射燃料并使之與壓縮空氣混合(見圖2)。然后，燃料空氣混合物75可進(jìn)入燃燒室28。隨著燃料空氣混合物75 i^v燃燒室28，可將其點(diǎn)燃并完全燃燒。燃 燒過程中的能量釋放可加熱燃燒室28和燃燒室內(nèi)的氣體。可使冷卻空氣流 72保持穿過在內(nèi)層64與外層62之間的空間以使燃燒室28的壁保持冷卻。 凈化孔56可還允許冷卻空氣進(jìn)入空腔50。燃燒過程可使熱膨脹的廢氣流 入渦輪部分16 (見圖1)，在該渦輪部分可將燃燒氣體的能量轉(zhuǎn)化為渦輪 轉(zhuǎn)子葉片和中心軸24的旋轉(zhuǎn)能量。燃燒過程還可以使引起燃燒室28內(nèi)的 壓力波的不穩(wěn)定性上升。這些壓力波可以是具有相繼的壓縮區(qū)(高氣壓區(qū)) 和稀薄區(qū)(低氣壓區(qū))的縱波，并會(huì)導(dǎo)致尖叫。壓力波可在燃燒室28內(nèi)在 所有方向上傳播，并可被雙層內(nèi)襯60的內(nèi)層64反射。
壓力波還會(huì)沖擊在形成于燃料噴射器26的端部的亥姆霍茲共振器組 70上。當(dāng)壓力波的壓縮區(qū)沖擊形成共振器的一部分的第四元件44b時(shí)，可 迫使少量的空氣穿過穿孔46進(jìn)入空腔50,從而增大內(nèi)部的壓力。當(dāng)壓力 波的稀薄區(qū)沖擊該表面時(shí)，推動(dòng)空氣itA空腔50的驅(qū)動(dòng)力減小，來自空腔 50內(nèi)的壓力較高的空氣穿過穿孔46流回燃燒室28中。由于流出的空氣的 動(dòng)量，該流出持續(xù)并經(jīng)過壓力平衡點(diǎn)，從而使空腔50內(nèi)的壓力較低。這種 壓力不平衡將空氣吸回空腔50中，這一過程重復(fù)進(jìn)行。在重復(fù)流入和流出 期間的摩擦損失和其他損失逐漸地耗散壓力波的能量，從而衰減壓力波。 空腔50和穿孔46的尺寸可設(shè)計(jì)成衰減具有接近燃燒室28聲學(xué)模態(tài)的頻率 范圍的壓力波?？梢酝ㄟ^改變倒角50的尺寸、穿孔46的尺寸和/或穿孔46 的數(shù)量來修改亥姆霍茲共振器組70以衰減不同頻率的壓力波(調(diào)諧)。在 應(yīng)用中，具有亥姆霍茲共振器70的燃料噴射器26可以單獨(dú)使用，也可以 與形成在雙層內(nèi)襯60上的常規(guī)亥姆霍茲共振器一起使用，以削弱尖叫。
由于對本發(fā)明的亥姆霍茲共振器組70的調(diào)諧可以僅涉及對端蓋44的 修改，所以這種調(diào)諧可以4艮快地實(shí)現(xiàn)。由于僅須替換端蓋44，因此還可以 減少調(diào)諧亥姆霍茲共振器組70所涉及的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間和費(fèi)用。另 外，使亥姆霍茲共振器組70位于燃料噴射器26的排出側(cè)可將共振器定位 得靠近產(chǎn)生不穩(wěn)定性的能量源，從而提高其效率。
由于可與位于燃燒室的壁內(nèi)的常規(guī)共振器一起使用具有亥姆霍茲共振器組70的燃料噴射器26，該構(gòu)型會(huì)提高常規(guī)的尖叫消除機(jī)構(gòu)的有效性。 另外，由于亥姆霍茲共振器組70可位于燃燒室冷卻空氣供給路徑外，所以 共振器在削弱尖叫方面的有效性會(huì)更高。還可以通過改變空腔50的尺寸而 在不明顯影響對燃燒室28的冷卻的情況下調(diào)諧共振器。
公開的燃料噴射器的各種變形和改變對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言均是顯 而易見的。在考慮說明書并對公開的燃料噴射器進(jìn)行實(shí)踐的情況下，其他 實(shí)施方式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。說明書和各實(shí)施例僅應(yīng) 視為是示例性的，而本發(fā)明的實(shí)際范圍則由以下權(quán)利要求及其等效方案限 定。
權(quán)利要求
1.一種端蓋(44)，包括第一部分(44b)，所述第一部分包括一環(huán)形的、具有中軸線(42)的、截面基本上為矩形的環(huán)部；第二部分(44a)，所述第二部分位于所述第一部分的徑向外側(cè)，其中所述第二部分與所述第一部分是一體的并從所述第一部分垂直伸出；所述第二部分形成一與所述中軸線對齊的、環(huán)形的環(huán)部；所述第二部分的截面基本上為矩形，該第二部分的截面具有與所述中軸線平行地測度的第一寬度(96)和與所述中軸線垂直地測度的第一厚度；第三部分(44c)，所述第三部分位于所述第一部分的徑向內(nèi)側(cè)，其中所述第三部分與所述第一部分是一體的，并在與所述第二部分相同的方向上從所述第一部分垂直伸出；所述第三部分形成一與所述中軸線對齊的、環(huán)形的環(huán)部；所述第三部分的截面基本上為矩形，該第三部分的截面具有與所述中軸線平行地測度的第二寬度(98)和與所述中軸線垂直地測度的第二厚度；以及多個(gè)穿孔(46)，所述多個(gè)穿孔穿過所述第一部分延伸并設(shè)置成以基本上為圓形的排列圖案圍繞所述中軸線，其中，所述多個(gè)穿孔中的每一個(gè)均具有基本上圓形的形狀，該基本上圓形的形狀具有大體上恒定的直徑(112)，在任意兩個(gè)相鄰的穿孔之間的角間距(116)基本上相等并小于或等于約45度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的端蓋，其中，所述大體上恒定的直徑在約0.05英寸到0.06英寸之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的端蓋，其中，所述角間距在約9度到約11度之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的端蓋，其中，所述圓形排列圖案的直徑(114)在約3.65英寸到約3.75英寸之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的端蓋，其中所述第一寬度在約0.45英寸到約0.75英寸之間；所述第二寬度小于所述第 一寬度；所述第二寬度在約0.3英寸到約0.4英寸之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的端蓋，其中，所述第一部分、第二部分和第三部分由哈氏合金制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的端蓋，其中，所述第二部分的外徑(92)在約4英寸到約4.2英寸之間，所述第三部分的內(nèi)徑(94 )在約2.9英寸到約3.5英寸之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的端蓋，還包括與所述第一部分、第二部分和第三部分中的至少一者相連接的燃料噴射器(26)。
9. 一種運(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)才幾(100)的方法，包括將燃料與空氣混合；通過噴射器(26)將燃料空氣混合物(75)引入燃燒室(28)內(nèi)；使燃料空氣混合物在燃燒室內(nèi)燃燒以產(chǎn)生壓力波；以及利用位于所述噴射器的端面(39)上的玄姆霍茲共振器組(70)來衰減所述壓力波。
10. 才艮據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括利用第一空氣流來冷卻所述燃燒室，利用分離的第二空氣流來冷卻所述亥姆霍茲共振器組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種端蓋(44)。該端蓋包括第一部分(44b)、第二部分(44a)和第三部分(44c)。第一部分包括一環(huán)形的、具有中軸線(42)的、截面基本上為矩形的環(huán)部。第二部分位于第一部分的徑向外側(cè)，第二部分一體地從第一部分垂直伸出。第二部分形成與中軸線對齊的、環(huán)形的環(huán)部，第二部分的截面基本上為矩形，該截面具有與中軸線平行地測度的第一寬度(96)和與中軸線垂直地測度的第一厚度。第三部分位于第一部分的徑向內(nèi)側(cè)。第三部分一體地、在與所述第二部分相同的方向上從第一部分垂直伸出，第三部分形成一與中軸線對齊的、環(huán)形的環(huán)部。第三部分的截面基本上為矩形，該第三部分的截面具有與中軸線平行地測度的第二寬度(98)和與中軸線垂直地測度的第二厚度。端蓋還包括穿過第一部分延伸的多個(gè)穿孔(46)。所述多個(gè)穿孔設(shè)置成以基本上為圓形的排列圖案圍繞中軸線，所述多個(gè)穿孔中的每一個(gè)均具有基本上圓形的形狀，該圓形形狀具有通常恒定的直徑(112)。在任意兩個(gè)相鄰的穿孔之間的角間距(116)基本上相等并小于或等于約45度。
文檔編號(hào)F23R3/28GK101680663SQ200880018308
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者R·J·帕克 申請人:索拉透平公司