[0001] 本公开大体涉及燃料‑空气混合器组件，并且具体地涉及用于燃料‑空气混合器组件的旋流器组件和燃料‑空气混合器组件。

[0002] 发动机，尤其是燃气或燃烧涡轮发动机，是旋转式发动机，其从穿过发动机到多个涡轮叶片上的燃烧气体流中提取能量。涡轮发动机已用于陆地和航海运动以及发电。涡轮发动机通常用于航空应用，例如飞行器，包括直升机和飞机。在飞行器中，涡轮发动机用于推进飞行器。在地面应用中，涡轮发动机通常用于发电。

[0003] 涡轮发动机包括用于在涡轮发动机的燃烧室中混合燃料和空气的燃料‑空气混合器组件。燃料‑空气混合器组件包括空气旋流器。燃烧室中的燃烧器性能对燃气涡轮发动机的整体性能起着重要作用。

[0004] 燃烧性能在很大程度上由包括旋流器并涉及许多相互竞争的设计目标的燃料‑空气混合器组件的性能控制。例如，希望燃烧适当地完全，即，富燃燃烧，以减少废气排放同时减少熄火效应。通常，旋流器本身经过精确设计，能够以与所需燃烧器性能一致的方式将压缩空气与喷射燃料混合运行。

[0010] 通过考虑以下详细描述、附图和权利要求，本公开的附加特征、优点和实施例被阐明或显而易见。此外，应当理解，本公开的前述概述和以下详细描述均是示例性的并且旨在提供进一步解释而不限制所要求保护的本公开的范围。

[0011] 下面详细讨论本公开的各种实施例。虽然讨论了具体实施例，但这只是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以使用其他组件和配置。

[0012] 在下面的说明书和权利要求中，可以参考数字“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例以及事件未发生的实例。

[0013] 如本文贯穿说明书和权利要求所使用的近似语言可用于修改任何可允许变化而不导致与其相关的基本功能发生变化的定量表示。因此，由诸如“约”、“近似”和“基本上”之类的术语或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。此处以及整个说明书和权利要求，范围限制可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则此类范围已确定并包括其中包含的所有子范围。

[0014] 如本文所用，术语“轴向”和“轴向地”指的是基本平行于涡轮发动机或燃烧器的中心线延伸的方向和取向。此外，术语“径向”和“径向地”指的是基本垂直于涡轮发动机或燃料‑空气混合器组件的中心线延伸的方向和取向。此外，如本文所用，术语“周向”和“周向地”指的是围绕涡轮发动机或燃料‑空气混合器组件的中心线弧形延伸的方向和取向。

[0015] 本公开的实施例试图通过穿过套圈放置额外的旋流器来提供径向‑径向‑轴向旋流器以改进富燃燃烧器火焰稳定性。套圈内的旋流器，在此称为“套圈旋流器”，可以相对于整体流动方向是轴向的(或成零度角)或成径向向内的角度。在实施例中，套圈旋流器的轮叶可以被扭曲和成形为期望的轮叶出口空气速度分布。

[0016] 套圈旋流器可以使用传统制造技术和/或增材技术在富燃燃烧器(例如，直流/逆流)上进行最小修改来实现。套圈旋流器气流可用作手柄以优化通过套圈旋流器的气流与初级旋流器气流的相互作用。这允许控制可以改进燃烧稳定性和/或改进燃料‑空气混合的旋流器流动空气动力学。

[0017] 图1是根据本公开的实施例的涡轮发动机10的示意图。涡轮发动机10包括风扇组件12、低压或增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18。风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18以流动连通的方式联接。涡轮发动机10还包括与燃烧器组件18和低压涡轮组件22流动连通地联接的高压涡轮组件20。风扇组件12包括从转子盘26径向向外延伸的风扇叶片阵列24。低压涡轮组件22通过第一驱动轴28联接到风扇组件12和增压压缩机组件14，高压涡轮组件20通过第二驱动轴30联接到高压压缩机组件16。涡轮发动机10具有进气口32和排气口34。涡轮发动机10还包括中心线(轴线)36，风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16、高压涡轮组件20和低压涡轮发动机组件22围绕该中心线36旋转。

[0018] 在操作中，通过进气口32进入涡轮发动机10的空气被引导通过风扇组件12朝向增压压缩机组件14。压缩空气从增压压缩机组件14朝向高压压缩机组件16排放。高度压缩的空气从高压压缩机组件16被引导朝向燃烧器组件18，与燃料混合，并且空气和燃料的混合物在燃烧器组件18内燃烧。燃烧器组件18产生的高温燃烧气体被引导朝向高压涡轮组件20和低压涡轮组件22。燃烧气体随后经由排气口34从涡轮发动机10排出。

[0019] 图2是根据本公开的实施例的涡轮发动机10的燃烧器组件18的燃烧器38的一部分的横截面图。燃烧器38限定燃烧室40，高度压缩的空气在其中与燃料混合并燃烧。燃烧器38包括外衬42和内衬44。外衬42限定燃烧室40的外边界，内衬44限定燃烧室40的内边界。环形圆顶46安装在外衬42和内衬44的上游并限定燃烧室40的上游端。一个或多个燃料喷射系统48定位在环形圆顶46上。在实施例中，每个燃料喷射系统48包括燃料喷嘴组件50和联接到燃料喷嘴组件50的燃料‑空气混合器组件52。燃料‑空气混合器组件52包括将在以下段落中进一步详细描述的空气旋流器53。燃料‑空气混合器组件52从燃料喷嘴组件50接收燃料，经由扩散器54从高压压缩机组件16(如图1所示)接收空气，并将燃料‑空气混合物56排放到燃烧室40中，在燃烧室40使用燃料点火组件60点燃混合物并燃烧。

[0020] 目前，存在三种基本类型的空气旋流器。在一种设计中，一排初级孔排出初级旋流空气射流，随后依次是一排次级径向旋流轮叶，即射流‑径向(jet‑rad)设计。燃料在初级空气射流的中心喷射，初级射流首先使压缩空气围绕燃料旋转，次级径向轮叶使额外的空气旋转，通常与初级旋流空气反向旋转。旋流空气的初级射流促进燃烧气体在燃烧器圆顶内的稳定再循环区，并要求通过燃料喷射器的吹扫空气的使用量最小。

[0021] 在已知的第二种设计中，一排初级径向旋流轮叶取代初级射流，并与次级径向旋流轮叶一起操作，即径向‑径向(rad‑rad)设计，通常使空气围绕喷射燃料反向旋转。然而，径向‑径向设计要求来自燃料喷射器的大量吹扫空气，以在燃料和空气混合物中产生轴向动量，以在燃烧器中建立理想的流动结构。

[0022] 第三种类型的空气旋流器设计存在于双环形燃烧器中。空气旋流器包括与次级径向旋流轮叶协作的初级轴向旋流轮叶，即轴向‑径向(ax‑rad)设计。在该设计中，初级轮叶直接接收通过旋流器的具有轴向动量的动态压力下的加压空气。然而，围绕每个旋流器的圆周和围绕双环形燃烧器的圆周的压缩空气的动态压力的变化导致各个旋流器的性能和所产生的燃烧器性能的变化。

[0023] 因此，为了解决现有空气旋流器配置的上述缺点和其他缺点，本文提供了一种不同的空气旋流器配置，用于增强燃烧器性能，同时减少吹扫空气需求，并且还降低制造复杂性和旋流器成本。

[0024] 图3是根据本公开的实施例的可用于燃烧器(图2中所示)的燃料‑空气混合器组件的横截面图。图4是根据本公开的实施例的图3所示的燃料‑空气混合器组件的立体横截面图。燃料‑空气混合器组件52包括空气旋流器102和联接到空气旋流器102的火炬杯部分104。在实施例中，空气旋流器102包括第一空气旋流器106(即，初级空气旋流器)和与第一空气旋流器106相邻的第二空气旋流器108(即次级空气旋流器)。第一空气旋流器106包括定位在其中的第一旋流器轮叶组件106A。第二空气旋流器108包括定位在其中的第二旋流器轮叶组件108A。在实施例中，第一旋流器轮叶组件106A被配置为生成第一径向旋转气流
107，第二旋流器轮叶组件108A被配置为生成第二径向旋转气流109。在实施例中，第一旋流器轮叶组件106A被配置为沿逆时针方向转动第一径向旋转气流107，并且第二旋流轮叶组件108A被配置沿顺时针方向转动第二径向旋转气流109。在另一个实施例中，第一旋流器轮叶组件106A被配置为沿顺时针方向转动第一径向旋转气流107，并且第二旋流器轮叶组件
108A被配置为沿逆时针方向转动第二径向旋转气流109。在实施例中，第一空气旋流器106的第一旋流器轮叶组件106A和第二空气旋流器的第二旋流器轮叶组件108A被配置为以反向旋转的方式转动相应的第一径向旋转气流107和第二径向旋转气流109。

[0025] 燃料‑空气混合器组件52还包括联接到空气旋流器102的套圈200。在实施例中，套圈200联接到第一空气旋流器106和第二空气旋流器108。套圈200包括燃料喷嘴202。套圈200包括套圈旋流器210。套圈旋流器210具有主体204，主体204具有多个轮叶206，如图3和4所示。为了产生吹扫空气射流，代替套圈200的主体204中的孔，而是提供多个轮叶206以产生受控的套圈轴向气流201。套圈旋流器210的主体204中的多个轮叶206可以被配置和定位以更好地控制穿过套圈200的套圈轴向气流。套圈旋流器210的多个轮叶206用于引导套圈轴向气流与第一径向旋转气流107和第二径向旋转气流109混合并产生气流涡流。在实施例中，多个轮叶206可以由三个侧面形成。也就是说，旋流器轮叶的径向最内表面可以保持打开，并且该打开侧将在组装燃料喷嘴之后关闭。燃料喷嘴外表面将用于关闭旋流器轮叶的打开侧。在实施例中，多个轮叶206可以被配置成使得套圈轴向气流201在与第一径向旋转气流107相同的方向上旋转。在另一个实施例中，多个轮叶206可以被配置成使得套圈轴向气流201在与第二径向旋转气流109相同的方向上旋转。第一空气旋流器106和第二空气旋流器108与套圈旋流器210一起形成旋流器组件99。

[0026] 套圈200中的燃料喷嘴202被配置为提供用于与套圈轴向气流201、第一径向旋转气流107和第二径向旋转气流109混合的燃料射流203。燃料射流203被引导与由套圈轴向气流201与第一径向旋转气流107和第二径向旋转气流109的混合物产生的气流涡流相互作用以产生受控的燃料‑空气混合物。在实施例中，套圈200中的燃料喷嘴202被配置为提供燃料射流203以与由套圈轴向气流201与第一径向旋转气流107和第二径向旋转气流109的相互作用产生的气流涡流混合。在实施例中，套圈旋流器210和初级旋流器、第一空气旋流器106和第二空气旋流器108之间的一系列分流和旋流数组合，通过套圈轴向气流与第一径向旋转气流107和第二径向旋转气流109之间的相互作用提供稳定的旋流器流动动力学。在实施例中，多个轮叶206可以被扭曲和成形为套圈轴向气流201与第一径向旋转气流107和第二径向旋转气流109的期望水平的相互作用。

[0027] 在实施例中，套圈旋流器210可以相对于整体流动方向是轴向的，或者相对于纵向轴线AA大致呈径向向内的角度，例如图3中所描绘的。在实施例中，套圈轴向气流201相对于纵向轴线A‑A的角度可以在零度到六十度之间的范围内。该角度可以通过选择套圈旋流器210的多个轮叶206的取向来选择。在实施例中，套圈旋流器210的多个轮叶206可以被扭曲和成形为套圈轴向气流201的期望出口速度分布。在这方面，本实施例具有“径向‑径向‑轴向旋流器”配置，因为有对应于第一空气旋流器106和第二空气旋流器108的两个径向空气旋流器以及对应于套圈旋流器210的轴向旋流器。此处使用的术语“轴向”包括相对于纵向轴线A‑A在零度到六十度之间的任何角度。术语“轴向”还可以包括“切向”分量。也就是说，轴向气流可以具有或可以不具有切向分量。

[0028] 套圈旋流器可以在富燃燃烧器(直流/逆流)上进行最小的修改来实现。套圈旋流器轴向气流可用作手柄以优化通过套圈旋流器210的套圈轴向气流201与初级旋流器气流(即第一径向旋转气流107和第二径向旋转气流109)的相互作用。这允许控制旋流器流动空气动力学，其可以改进燃烧稳定性和/或改进燃料‑空气混合。

[0029] 此外，套圈200被配置为相对于燃料喷嘴202“浮动”。术语“浮动”在本文中用于表示套圈200可以在大致垂直于纵向轴线AA的BB方向上相对于纵向轴线AA径向上下移动，如图3所示。

[0030] 结果，本公开的上述实施例提供稳定的旋流器流动动力学。上述配置可适用于任何制造方法中的增材构建。通过增材制造，这些配置可以很容易地实现，从而允许燃烧器设计中具有更大的灵活性。上述配置还允许满足排放要求，同时提高燃烧器系统和发动机整体的耐久性。

[0031] 从以上讨论可以理解，旋流器组件提供在燃烧器中。旋流器组件包括具有第一旋流器轮叶组件的第一空气旋流器、与第一空气旋流器相邻并具有第二旋流器轮叶组件的第二空气旋流器，以及联接到第一空气旋流器和第二空气旋流器的套圈。套圈包括具有多个轮叶的套圈旋流器。第一旋流器轮叶组件被配置为产生第一径向旋转气流。第二旋流器轮叶组件被配置为产生第二径向旋转气流。套圈旋流器的多个轮叶被配置为产生套圈轴向旋转气流，以与第一径向旋转气流和第二径向旋转气流相互作用并混合。

[0032] 根据以上条项的旋流器组件，第一旋流器轮叶组件被配置为沿逆时针方向转动第一径向旋转气流，并且第二旋流器轮叶组件被配置为沿顺时针方向或逆时针方向转动第二径向旋转气流。

[0033] 根据以上条项中任一项所述的旋流器组件，第一旋流器轮叶组件被配置为沿顺时针方向转动第一径向旋转气流，并且第二旋流器轮叶组件被配置为沿逆时针方向或顺时针方向转动第二径向旋转气流。

[0034] 根据以上条项中任一项所述的旋流器组件，其中套圈旋流器的多个轮叶被配置为使得套圈轴向气流与第一径向旋转气流的相同方向或与第二径向旋转气流的相同方向旋转气流。

[0035] 根据以上条项中任一项所述的旋流器组件，其中套圈轴向气流相对于旋流器组件的纵向轴线形成在零度和六十度之间的角度。

[0036] 根据以上条项中任一项所述的旋流器组件，其中套圈能够沿大致垂直于旋流器组件的纵向轴线的方向径向移动。

[0037] 根据以上条项中任一项所述的旋流器组件，其中与第一径向旋转气流和第二径向旋转气流相互作用的套圈轴向气流能够控制旋流器流动空气动力学。

[0038] 根据本公开的另一方面，一种用于燃烧器中的燃料‑空气混合器组件，该燃料‑空气混合器组件包括(A)具有第一旋流器轮叶组件的第一空气旋流器，该第一旋流器轮叶组件被配置为产生第一径向旋转气流，(B)与第一空气旋流器相邻并且具有第二旋流器轮叶组件的第二空气旋流器，该第二旋流器轮叶组件被配置为产生第二径向旋转气流，以及(C)套圈，该套圈联接到第一空气旋流器和第二空气旋流器。套圈包括(a)被配置为产生燃料射流的燃料喷嘴，和(b)套圈旋流器，该套圈旋流器具有多个轮叶，套圈旋流器的多个轮叶被配置为产生套圈轴向气流，以与第一径向旋转气流和第二径向旋转气流相互作用并混合，从而产生气流涡流。燃料射流被引导以与气流涡流相互作用，从而产生受控的燃料‑空气混合物。

[0039] 根据以上条项所述的燃料‑空气混合器组件，其中第一旋流器轮叶组件被配置为沿逆时针方向转动第一径向旋转气流，并且第二旋流器轮叶组件被配置为沿顺时针方向或逆时针方向转动第二径向旋转气流。

[0040] 根据以上条项中任一项所述的燃料‑空气混合器组件，其中第一旋流器轮叶组件被配置成沿顺时针方向转动第一径向旋转气流，并且第二旋流器轮叶组件被配置为沿逆时针方向或顺时针方向转动第二径向旋转气流。

[0041] 根据以上条项中任一项所述的燃料‑空气混合器组件，其中套圈旋流器的多个轮叶被配置为使得套圈轴向气流沿与第一径向旋转气流相同的方向或与第二径向旋转气流相同的方向旋转。

[0042] 根据以上条项中任一项所述的燃料‑空气混合器组件，其中套圈轴向气流相对于燃料‑空气混合器组件的纵向轴线形成在零度和六十度之间的角度。

[0043] 根据以上条项中任一项所述的燃料‑空气混合器组件，其中套圈能够在大致垂直于燃料‑空气混合器组件的纵向轴线的方向上径向移动。

[0044] 根据以上条项中任一项所述的燃料‑空气混合器组件，其中与第一径向旋转气流和第二径向旋转气流相互作用的套圈轴向气流能够控制旋流器流空气动力学。

[0045] 根据本公开的另一方面，一种涡轮发动机，其包括燃烧器，该燃烧器包括燃料‑空气混合器组件和燃料点火组件。燃料‑空气混合器组件包括(A)具有第一旋流器轮叶组件的第一空气旋流器，第一旋流器轮叶组件被配置为产生第一径向旋转气流，(B)第二空气旋流器，其与第一空气旋流器相邻并且具有第二旋流器轮叶组件，第二旋流器轮叶组件被配置为产生第二径向旋转气流，以及(C)联接到第一空气旋流器和第二空气旋流器的套圈。套圈包括(a)被配置为产生燃料射流的燃料喷嘴，和(b)具有多个轮叶的套圈旋流器，套圈旋流器的多个轮叶被配置为产生套圈轴向气流，以与第一径向旋转气流和第二径向旋转气流相互作用并混合，从而产生气流涡流。燃料射流被引导以与气流涡流相互作用，从而产生受控的燃料‑空气混合物，用于由燃料点火组件点燃。

[0046] 根据以上条项所述的涡轮发动机，其中第一旋流器轮叶组件被配置为沿逆时针方向转动第一径向旋转气流，并且第二旋流器轮叶组件被配置为沿顺时针方向或逆时针方向转动第二径向旋转气流。

[0047] 根据以上条项中任一项所述的涡轮发动机，其中第一旋流器轮叶组件被配置为沿顺时针方向转动第一径向旋转气流，并且其中第二旋流器轮叶组件被配置为沿逆时针方向或顺时针方向转动第二径向旋转气流。

[0048] 根据以上条项中任一项所述的涡轮发动机，其中套圈旋流器的多个轮叶被配置为使得套圈轴向气流沿与第一径向旋转气流相同的方向或与第二径向旋转气流相同的方向旋转。

[0049] 根据以上条项中任一项所述的涡轮发动机，其中套圈轴向气流相对于燃料‑空气混合器组件的纵向轴线形成在零度和六十度之间的角度。

[0050] 根据以上条项中任一项所述的涡轮发动机，其中套圈能够在大致垂直于燃料‑空气混合器组件的纵向轴线的方向上径向移动。

[0051] 尽管前面的描述针对本公开的优选实施例，但是要注意，其他变化和修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合本公开的一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。