CN101949551A - 一种预混预蒸发燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种切向预混预蒸发燃烧室，燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧的概念设计，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式。燃烧室主要由分流式扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、燃油喷嘴、预燃级、主燃级、火焰筒外壁和火焰筒内壁组成。预燃级利用由预燃级旋流器组件进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰；主燃级所需的燃油由主燃级喷嘴喷出后，首先在主燃级喷嘴预膜空气环的气流作用下雾化形成油气混合气，然后流入预混预蒸发段中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发段的出口处形成均匀的油气混合气射流进入火焰筒，在预燃级火焰的引燃下进行燃烧。本发明结构简单，在保证航空发动机正常工作状态的同时能有效的降低污染排放。

Description

一种预混预蒸发燃烧室

技术领域

本发明涉及一种采用预混预蒸发燃烧组织方式的航空燃气轮机燃烧室，采用该预混预蒸发燃烧组织方式的燃烧室结构简单，在保证燃烧室高效稳定工作的同时，能够降低燃烧的污染排放。

背景技术

现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代航空发动机燃烧室来说，仍在存在大量的难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。

现代航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。航空发动机燃烧室必须满足日益严格的航空发动机污染排放标准。目前采用的CAEP6(Committee on Aviation Environmental Protection)标准的要求已经非常严格，特别是对NOx污染排放要求，而随着人们对环境保护意识的增强，以后的要求将更为严格。

美国航空发动机的两个著名公司GE和PW对低污染燃烧室已经着手研究，GE首先研发了双环腔低污染燃烧DAC(用于GE90和CFM56)，PW公司采用了类RQL(富油燃烧-快熄-贫油燃烧，Rich burn-Quench-Lean burn，简称RQL)低污染燃烧室TALON II(用于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM(Lean Direct Mixing Combustion，贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS(Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室已经进入整机验证阶段，即将取证，在台架全环试验验证中，NOx污染排放比CAEP2排放标准降低了50％。PW公司继续采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃烧室为TALON X，采用的头部形式是PW公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，在V2500发动机扇型试验段上的试验结果比CAEP2标准降低了50％。Rolls-Royce公司采用LDM技术发展的低污染燃烧室是ANTLE，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了50％，用于其新一代发动机湍达1000。

而不管是何种先进的低污染燃烧室，其关键技术就是降低NOX(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、UHC(未燃碳氢化合物)和冒烟的燃烧技术，核心问题是降低燃烧区的温度、同时使燃烧区温度场均匀，即整体和局部的当量比控制，而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均匀性。

本发明是针对航空发动机低污染燃烧的新方法。根据NOx与CO产生的机理及试验结果可知：燃烧室的主燃区当量比在0.6～0.8范围内产生的NOx与CO(UHC和CO的排放规律类似)很少。基于此原理，要兼顾NOx与CO、UHC的排放量都处于低值范围，应考虑两个因素：其一是主燃区的平均当量比，其二是主燃区平均当量比的均匀性，并且在所有航空发动机的工作情况下都应如此。而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均匀性。这主要取决于两方面：一是燃油颗粒直径分布的均匀性，即SMD的分布均匀性；二则是燃油油雾浓度分布的均匀性。从燃烧方式讲，应采用均匀的预混燃烧，达到主燃区当量比均匀性要求以降低污染排放。

目前的常规燃烧方式无法降低NOx、CO和UHC。原因是目前燃烧室的设计方法所决定的。对于常规燃烧室来说，在高功率状态时，由于采用液雾扩散燃烧方式，燃烧区局部当量比总是在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比范围要求，此时虽然CO和UHC的排放低，但NOx的排放达到最大。在低功率状态时，燃烧区当量比又很低，远低于上述低污染燃烧所需当量比区间，此时虽然NOx排放低，但CO和UHC排放又很高。另外，由于常规燃烧室普遍采用扩散燃烧方式，局部当量比非常不均匀，因此对于常规燃烧室来说，无法满足在整个发动机工作范围内的低污染要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种预混预蒸发燃烧室，该燃烧室在满足航空发动机的工作条件下，能有效的降低航空发动机燃烧室燃烧的污染排放，包括NOx、冒烟、CO及UHC，且结构简单。

本发明的技术解决方案：预混预蒸发燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧的概念设计，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入。预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，冷却气和掺混气从火焰筒供入。预混预蒸发燃烧室主要由分流式扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、燃油喷嘴、火焰筒头部、火焰筒外壁和火焰筒内壁组成。火焰筒头部由预燃级和主燃级组成：预燃级包括预燃级旋流器组件、预燃级喷嘴、预燃级头部端壁和预燃级头部内导流板。预燃级利用由预燃级旋流器组件进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰。预燃级旋流器组件通过预燃级头部端壁与主燃级预混预蒸发段内环相连接。预燃级喷嘴位于预燃级旋流器组件内，并与预燃级旋流器组件同轴；主燃级包括主燃级喷嘴、主燃级喷嘴预膜空气环、主燃级预混预蒸发段、主燃级头部整体端壁和主燃级头部整体导流板，主燃级预混预蒸发段由主燃级喷嘴浮动内环、主燃级喷嘴浮动内环压板、主燃级喷嘴浮动外环、主燃级喷嘴浮动外环压板、主燃级预混预蒸发段内环、主燃级预混预蒸发段外环、主燃级出口导流支撑组成。主燃级喷嘴和主燃级喷嘴预膜空气环位于主燃级喷嘴浮动内环和主燃级喷嘴浮动外环之间，并与预燃级喷嘴同轴，主燃级喷嘴采用在同一圆周上设置多个喷射点的多点喷射方式，具体过程为主燃级所需的燃油由主燃级喷嘴喷出后，首先通过主燃级喷嘴内部，将喷射方向由轴向改变为径向喷射，燃油径向喷出时通过导向叶片对喷射进行优化，径向喷射燃油在主燃级喷嘴预膜空气环的气流作用下雾化形成油气混合气，然后流入预混预蒸发段，油气混合气在预混预蒸发段中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发段的出口处形成均匀的油气混合气射流进入火焰筒，在预燃级火焰的引燃下进行燃烧。燃油喷嘴由预燃级喷嘴、主燃级喷嘴和燃油喷嘴座组成，预燃级喷嘴和主燃级喷嘴都连接在燃油喷嘴座上，并通过燃油喷嘴座与燃烧室外机匣相连。

所述的分流式扩压器将燃烧室进口气流分为三股：火焰筒头部气流、燃烧室外环腔气流和燃烧室内环腔气流，以满足燃烧室各部分对空气流量的需求。

所述预燃级喷嘴为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。

所述预燃级旋流器组件采用的旋流器的级数为1≤n≤5；每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当预燃级旋流器组件的级数n＝1时，旋流器直接与预燃级头部端壁连接；当预燃级旋流器组件的级数1＜n≤5时，各级旋流器先连接成一个整体，组成预燃级旋流器组件后再与预燃级头部端壁连接。

所述主燃级出口导流支撑的叶片数量2≤p≤30，沿主燃级预混预蒸发段内环的出口圆周均布，叶片的安装角度为-90～90度。

所述主燃级喷嘴多个喷射点的几何形状是圆形或矩形，喷射点的个数2＜m≤300，每个喷射点的喷射线均与预燃级喷嘴的轴线间的夹角为90度。

所述主燃级喷嘴可以安装主燃级喷嘴预膜空气环，对从主燃级喷嘴喷射出的燃油起初步雾化和散布的作用；主燃级喷嘴预膜空气环采用采用与预燃级喷嘴轴线垂直的径向叶片式结构，通过主燃级喷嘴预膜空气环空气由原来的轴向改变为径向，并在出口处与燃油进行掺混，进一步进入主燃级预混蒸发段，此结构中叶片采用直叶片或不同的曲叶片结构，根据不同的工况要求可进行选择替换，主燃级喷嘴预膜空气环可以单独存在于主燃级喷嘴的内环，也可以单独存在于主燃级喷嘴的外环，也可以同时存在于主燃级喷嘴的内环和外环；安装时，主燃级喷嘴预膜空气环与主燃级喷嘴先连接在一起组成一个整体，二者的连接方式可以采用整体制造或焊接或螺纹或螺栓的形式，此种安装可以满足不同的工况要求，在不同的要求条件下只需要做简单的替换叶片工作，而不需要进行大的拆装；对于大的变换只需要做简单的主燃级喷嘴替换即可满足设计要求。

所述燃烧室的燃烧用气全部由火焰筒头部供入，空气分配占燃烧室进口气流的40％～80％：预燃级头部端壁和主燃级头部整体端壁的冷却所需气量占全部燃烧气量的0％～25％，预燃级所需气量占全部燃烧气量的10％～40％，其余由主燃级的主燃级喷嘴预膜空气环和主燃级预混预蒸发段供入，此种设计一方面满足了预混预蒸发的要求，燃油与空气的到充分的掺混，提高了燃烧的效率；另一方面合理的气流分配使得冷却气量也得到满足，使得各种工况的冷却气量要求均可以较为容易的得到满足。

所述燃烧室的火焰筒外壁和火焰筒内壁的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。

在所述的火焰筒外壁后部设置有火焰筒外壁掺混孔，在所述的火焰筒内壁后部设置有火焰筒内壁掺混孔，掺混用气分别从火焰筒外壁掺混孔和火焰筒内壁掺混孔进入火焰筒，以控制燃烧室出口温度分布。

本发明的原理是：一般而言，航空发动机燃烧室低污染排放的实现主要就是通过两方面，一是控制整个燃烧室内燃烧区域的总体当量比范围；二则是控制燃烧室内整个燃烧区域的燃烧均匀性，即当量比均匀性，因为局部富油而导致的局部当量比过大也会大大增加发动机的污染排放。根据上述原理并且考虑到航空发动机燃烧室的工作特点，本发明采用：分级燃烧的设计思想，使燃烧用气分别从预燃级和主燃级供入燃烧室，并将燃油进行分级供入，控制燃油在燃烧区内的当量比在航空发动机不同工作状态下都在低污染燃烧区内，从而达到降低燃烧污染排放物的目的。预燃级在慢车等小状态下启动，保持小状态时燃烧区的当量比落在上述低污染燃烧当量比区间内，并且使燃烧的稳定性好，容易启动。当发动机工作在大状态时才启动主燃级，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，控制燃烧区的当量比在上述低污染燃烧当量比区间。采用上述低污染燃烧室，可确保航空发动机燃烧室在所有的工作状态下，燃烧区的当量比都控制在低污染燃烧的区间内，同时可以通过控制主燃级油雾均匀度、混合度和蒸发度来控制燃烧区的当量比均匀度，从而达到航空发动机低污染燃烧室污染排放低、稳定性好的性能要求。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明的燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧的概念设计，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，火焰筒没有主燃孔，冷却气和掺混气从火焰筒供入，增加燃烧室功效的同时简化燃烧室结构。

(2)本发明的主燃级采用预混预蒸发的燃烧组织方式。预混预蒸发可以使燃油与空气混合均匀，形成均匀的油气混合气射流。当这股均匀的油气混合气射流相遇被点燃后，油气混合气可以在极短的时间内燃烧完全，从而降低燃烧室的污染排放。

(3)本发明的预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，这种组合燃烧模式可以实现航空发动机燃烧室在宽广的工作范围内高效稳定的工作，同时可以实现燃烧室低污染排放。

附图说明

图1为本发明的工作示意图；

图2为本发明的结构剖视图；

图3为本发明的火焰筒头部结构剖视图；

图4为本发明的主燃级预混预蒸发段组件结构示意图；

图5为本发明的主燃级预混预蒸发段组件结构剖视图；

图6为本发明的主燃级预混预蒸发段内环和主燃级出口导流支撑结构示意图；

图7为本发明的主燃级预混预蒸发段内环和主燃级出口导流支撑结构剖视图；

图8为本发明的预燃级组件结构示意图；

图9为本发明的预燃级组件结构剖视图；

图10为本发明的预燃级旋流器组件结构示意图；

图11为本发明的预燃级旋流器组件结构剖视图；

图12为本发明的具体实施方案火焰筒结构示意图；

图13为本发明采用的燃油喷嘴结构示意图；

图14为本发明采用的主燃级喷嘴结构剖视图；

图15为本发明采用的主燃级喷嘴喷射点布置示意图。

图中：1.燃烧室进口气流，2.火焰筒头部气流，3.燃烧室外环腔气流，4.燃烧室内环腔气流，5.燃烧室出口气流，6.预燃级燃烧区域，7.主燃级燃烧区域，8.分流式扩压器，9.燃烧室外机匣，10.燃烧室内机匣，11.燃油喷嘴，12.主燃级头部整体端壁，13.主燃级头部整体导流板，14.火焰筒头部，15.火焰筒外壁，16.火焰筒内壁，17.火焰筒外壁掺混孔，18.火焰筒内壁掺混孔，19.发散冷却孔，20.预燃级，21.主燃级预混预蒸发段，22.预燃级旋流器组件，23.预燃级头部端壁，24.预燃级头部导流板，25.预燃级一级旋流器，26.预燃级一级旋流器压板，27.预燃级二级旋流器，28.主燃级预混预蒸发段外环，29.主燃级预混预蒸发段内环，30.主燃级出口导流支撑，31.主燃级喷嘴浮动外环压板，32.主燃级喷嘴浮动外环，33.主燃级喷嘴浮动内环压板，34.主燃级喷嘴浮动内环，35.预燃级喷嘴，36.主燃级喷嘴，37.主燃级喷嘴预膜空气环，38.燃油喷嘴座，39.主燃级。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明设计的切向预混预蒸发燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧的概念设计，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发的燃烧组织方式，冷却气和掺混气从火焰筒供入。本燃烧室包含两个燃烧区域——预燃级燃烧区域6和主燃级燃烧区域7，两个燃烧区域共用相同的内外边界，燃烧区域的外边界是火焰筒外壁15，燃烧区域的内边界是火焰筒内壁16，环形的火焰筒外壁15和火焰筒内壁16位于环形的燃烧室外机匣9和燃烧室内机匣10之间。在火焰筒外壁15上安排有火焰筒外壁掺混孔17，在火焰筒内壁16上安排有火焰筒内壁掺混孔18，掺混用气通过火焰筒外壁掺混孔17和火焰筒内壁掺混孔18进入燃烧室，用于调节燃烧室出口温度分布。火焰筒外壁15和火焰筒内壁16还安排有冷却，冷却方式可以采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，用于冷却火焰筒壁面，保证燃烧室的寿命。在具体实施方案中，火焰筒外壁15和火焰筒内壁16的冷却方式采用发散冷却，在火焰筒外壁15和火焰筒内壁16开有发散冷却孔19，发散冷却孔19的示意如图1和图2所示。

在预燃级燃烧区域6的上游是火焰筒头部14，火焰筒头部14包括预燃级20和主燃级39，火焰筒头部14如图3所示。

主燃级39包括主燃级喷嘴36、主燃级喷嘴预膜空气环37、主燃级预混预蒸发段21、主燃级头部整体端壁12和主燃级头部整体导流板13。主燃级预混预蒸发段21通过主燃级头部整体端壁12与火焰筒外壁15和火焰筒内壁13相连接，连接方式可以是焊接或螺纹或螺栓。主燃级预混预蒸发段21如图6和图7所示，由主燃级喷嘴浮动内环34、主燃级喷嘴浮动内环压板33、主燃级喷嘴浮动外环32、主燃级喷嘴浮动外环压板31、主燃级预混预蒸发段内环29、主燃级预混预蒸发段外环28和主燃级出口导流支撑30组成。主燃级出口导流支撑30一方面起连接主燃级预混预蒸发段内环29与主燃级预混预蒸发段外环28的作用，另一方面起调整经过主燃级预混预蒸发段21气流出口角度的作用。主燃级出口导流支撑30的叶片数量2≤p≤30，沿主燃级预混预蒸发段内环29的出口圆周均布，叶片的安装角度为-90度～90度之间，这样一方面起到支撑连接的作用，便于加工安装；另一方面叶片起到导流的作用。在实施安装之前可以选用不同的叶片结构或者调整安装角度，以满足多种工况的要求，具体的调整叶片选择视不同的要求做出选择。具体实施方案，如图4、图5、图6和图7所示。安装时，首先将主燃级出口导流支撑30与主燃级预混预蒸发段内环29相连接，可采用的连接方式是整体制造或螺纹或螺栓或焊接；然后将二者的组合件，插入主燃级预混预蒸发段外环30中，在保证主燃级预混预蒸发段内环29与主燃级预混预蒸发段外环30同轴的前提下，使用整体制造或螺纹或螺栓或焊接的连接方式进行连接；在保证主燃级喷嘴浮动外环压板31与主燃级预混预蒸发段外环28同轴的同时，采用焊接或螺纹或螺栓连接的方式，使主燃级喷嘴浮动外环压板31与主燃级预混预蒸发段外环28连接在一起，并且将主燃级喷嘴浮动外环32夹在主燃级喷嘴浮动外环压板31与主燃级预混预蒸发段外环28之间；在保证主燃级喷嘴浮动内环压板33与主燃级预混预蒸发段内环29同轴的同时，采用焊接或螺纹或螺栓连接的方式，使主燃级喷嘴浮动内环压板33与主燃级预混预蒸发段内环29连接在一起，并且将主燃级喷嘴浮动内环34夹在主燃级喷嘴浮动内环压板33与主燃级预混预蒸发段内环29之间；在上述安装步骤完成后，主燃级预混预蒸发段21的安装完成。

预燃级20包括预燃级旋流器组件22、预燃级喷嘴35、预燃级头部端壁23、预燃级头部导流板24，预燃级20如图8和图9所示。预燃级旋流器组件22通过预燃级头部端壁23与主燃级预混预蒸发段内环29相连接。预燃级头部端壁23与主燃级预混预蒸发段内环29的连接方式可采用整体制造或螺纹或螺栓或焊接的方式。预燃级旋流器组件22采用的旋流器的级数1≤n≤5。每级旋流器可采用旋流器的结构可以是轴向旋流器，也可以是径向旋流器，也可以是切向旋流器。当预燃级旋流器组件22的级数n＝1时，可采用焊接或螺栓或螺纹的连接方式将旋流器直接与预燃级头部端壁23连接；当预燃级旋流器组件18的级数1＜n≤5时，在保证各级旋流器同轴的同时，采用焊接或螺栓或螺纹的连接方式将各级旋流器先连接成一个整体，组成预燃级旋流器组件22后再与预燃级头部端壁23连接。在具体实施方案中，以预燃级旋流器组件22采用二级旋流器方案为例，如图10和图11所示，预燃级旋流器组件22包括预燃级一级旋流器25、预燃级一级旋流器压板26和预燃级二级旋流器27。安装时，首先采用整体制造或螺纹或螺栓或焊接的方式将预燃级头部端壁23与主燃级预混预蒸发段内环29连接在一起；然后将预燃级头部导流板24采用螺纹或螺栓或焊接的方式与预燃级头部端壁23相连接；在保证预燃级一级旋流器25与预燃级二级旋流器27同轴的同时，采用焊接或螺纹或螺栓连接的方式，使预燃级一级旋流器压板26与预燃级二级旋流器27连接在一起，并且将预燃级一级旋流器25夹在预燃级一级旋流器压板26与预燃级二级旋流器27之间，使三个部件连接成为一个整体组成预燃级旋流器组件22；然后采用焊接或螺纹或螺栓连接的方式将预燃级旋流器组件22固定到预燃级头部端壁23上，通过预燃级头部端壁23将预燃级旋流器组件22与主燃级预混预蒸发段内环29固定在一起，将预燃级旋流器组件22与主燃级预混预蒸发段21连接固定在一起，从而完成预燃级旋流器组件22的安装。

在主燃级预混预蒸发段21与预燃级旋流器组件22安装完成后，在对应位置插入主燃级喷嘴36和预燃级喷嘴35，从而完成火焰筒头部14的安装。

如图1和图2所示，预燃级喷嘴35与主燃级喷嘴36都安装在燃油喷嘴座38上，组合成一个整体的燃油喷嘴11，在完成火焰筒头部14的安装后，从燃烧室外机匣9的开口处伸入燃烧室中，插入对应位置，从而完成燃烧室的安装。预燃级喷嘴35可以是压力雾化喷嘴，也可以是气动雾化喷嘴，也可以是组合式喷嘴。预燃级喷嘴35与预燃级一级旋流器25相对应，并且预燃级喷嘴35的轴线与预燃级一级旋流器25的轴线相重合。主燃级喷嘴36和主燃级喷嘴预膜空气环37位于主燃级喷嘴浮动内环34和主燃级喷嘴浮动外环32之间，并与预燃级喷嘴35的轴垂直。主燃级喷嘴36采用在同一圆周上设置多个喷射点的多点喷射方式，如图15所示，喷射点的几何形状可以是圆形、矩形，喷射点的个数2＜n≤300，每个喷射点的喷射线与预燃级喷嘴35的轴线间的夹角范围为-90度～90度之间。主燃级喷嘴预膜空气环37起初步雾化和散布从主燃级喷嘴36喷射出的燃油的作用，主燃级喷嘴预膜空气环37内叶片采用径向叶片式结构，叶片的安装角度为-90度～90度之间，叶片的数量2≤m≤300。主燃级喷嘴预膜空气环37与主燃级喷嘴36的连接方式可以采用整体制造或焊接或螺纹或螺栓的形式。

燃烧室进口气流1进入燃烧室后，经过分流式扩压器8的减速扩压后分为三股：火焰筒头部气流2、燃烧室外环腔气流3和燃烧室内环腔气流4，以满足燃烧室各部分对空气流量的需求，合理组织燃烧室内流场，便于高效稳定的组织燃烧。

火焰筒头部气流2全部为燃烧用气，占燃烧室进口气流1的40％～80％，除了0％～25％的火焰筒头部气流2被用于预燃级头部端壁23和主燃级头部整体端壁12的冷却外，其余分别由预燃级20和主燃级39供入，用于预燃级20和主燃级39对应燃油的雾化和燃烧，预燃级20所需气量占全部燃烧气量的10％～40％，其余由主燃级39供入。预燃级20所需燃油经预燃级喷嘴35喷出后，被来自预燃级旋流器组件22的空气旋流剪切破碎，形成油雾，然后进入由预燃级旋流器组件22的空气旋流形成的低速回流区——预燃级燃烧区域6形成扩散燃烧。预燃级喷嘴35可以是压力雾化喷嘴，也可以是气动雾化喷嘴，也可以是组合式喷嘴，预燃级喷嘴35的选择依靠燃油在预燃级喷嘴35结合来自预燃级旋流器组件22的空气旋流的共同作用下的雾化和散布效果决定：雾化和散布效果越好，油雾分布越均匀，越利于在预燃级燃烧区域6内组织高效稳定低污染的燃烧。主燃级39所需的燃油经主燃级喷嘴36喷出后，首先在经过主燃级喷嘴预膜空气环37的气流作用下雾化形成油气混气，然后流入主燃级预混预蒸发段21，雾化后的油气混气在主燃级预混预蒸发段21中进一步雾化和散布，在主燃级预混预蒸发段21的出口处形成均匀的油气混合气射流，该油气混合气射流在预燃级火焰的引燃下被点燃，形成主燃级燃烧区域7。主燃级喷嘴36采用在同一圆周上设置多个喷射点的多点喷射方式，喷射点的几何形状可以是圆形、矩形、喷射点的个数2＜n≤300，每个喷射点的喷射线与预燃级喷嘴35的轴线间的夹角范围为-90度～90度。主燃级喷嘴36喷射点的形状、个数和角度的选择依靠燃油在主燃级喷嘴36、来自主燃级喷嘴预膜空气环37的雾化空气和来自主燃级预混预蒸发段21的雾化掺混气流的共同作用下，在主燃级预混预蒸发段21出口形成的油气混合气的均匀程度决定：形成的油气混合气越均匀，越利于在主燃级燃烧区域7内组织快速高效稳定低污染的燃烧。

燃烧室外环腔气流3包括火焰筒外壁13的冷却用气和火焰筒外壁掺混孔15的掺混用气。燃烧室内环腔气流4包括火焰筒内壁14的冷却用气和火焰筒内壁掺混孔16的掺混用气。其中火焰筒外壁13或火焰筒内壁14的冷却气占燃烧室进口气流1的0％～20％，火焰筒外壁掺混孔15或火焰筒内壁掺混孔16的掺混用气占燃烧室进口气流1的10％～30％。

具体实施方案的燃烧室整体结构和燃油喷嘴结构如图12、图13、图14和图15所示。图12为火焰筒结构示意，图13为此时采用的燃油喷嘴11的结构示意，图14为主燃级喷嘴36的结构剖视图，图15为主燃级喷嘴36喷射点布置示意图。如图12所示，火焰筒头部14通过主燃级头部整体端壁12与火焰筒外壁15与火焰筒内壁16相连接。火焰筒头部14由预燃级20和主燃级39组成：主燃级39包括主燃级喷嘴36、主燃级喷嘴预膜空气环37、主燃级预混预蒸发段21、主燃级头部整体端壁12和主燃级头部整体导流板13，主燃级预混预蒸发段21如图4和图5所示；预燃级20包括预燃级旋流器组件22、预燃级喷嘴35、预燃级头部端壁23、预燃级头部导流板24，预燃级旋流器组件22如图10和11所示。预燃级旋流器组件22与主燃级预混预蒸发段21同轴，此时采用的燃油喷嘴11如图13所示，预燃级喷嘴35与预燃级一级旋流器25相对，主燃级喷嘴36与主燃级预混预蒸发段21对应。当航空发动机工作在低功率状态时，燃烧室只有预燃级20供油，主燃级39只有空气经过而不供油，控制此时的油气比在贫油范围，在预燃级燃烧区6内形成扩散燃烧，从而保证了发动机燃烧室可靠的稳定性和起动特性，并降低CO和UHC污染排放。当航空发动机工作在高功率状态时，预燃级20和主燃级39同时供油，预燃级20在预燃级燃烧区6内形成扩散燃烧，主燃级39在预燃级燃烧区6的外围形成主燃级燃烧区域7。主燃级39采用预混预蒸发方式，一方面可以将主燃级39的所需的燃油在主燃级预混预蒸发段21内快速均匀的混合形成油气混合气，该混合气进入火焰筒后可以快速的较好的燃烧干净，从而减少NOx的生成，另一方面可以将预燃级未烧完的CO和UHC燃烧干净。由此可见预混预蒸发燃烧室在航空发动机宽广的工作范围内在保证高效稳定燃烧的同时能有效的降低燃烧室的污染排放，在掺混孔气流的辅助下也可以获得较好的出口温度分布性能。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预混预蒸发燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧方式，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，冷却气和掺混气从火焰筒供入；所述预混预蒸发燃烧室由分流式扩压器(8)、燃烧室外机匣(9)、燃烧室内机匣(10)、燃油喷嘴(11)、火焰筒头部(14)、火焰筒外壁(15)和火焰筒内壁(16)组成；所述火焰筒头部(14)由预燃级(20)和主燃级(39)组成；所述预燃级(20)包括预燃级旋流器组件(22)、预燃级喷嘴(35)、预燃级头部端壁(23)和预燃级头部内导流板(24)，预燃级(20)利用由预燃级旋流器组件(22)进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰，预燃级旋流器组件(22)通过预燃级头部端壁(23)与主燃级预混预蒸发段内环(29)相连接；预燃级喷嘴(35)位于预燃级旋流器组件(22)内，并与预燃级旋流器组件(22)同轴；预燃级头部内导流板(24)安装在主燃级预混蒸发段内环(29)和预燃级二级旋流器(27)之间，预燃级头部内导流板(24)连接采用焊接或插入式安装于预燃级二级旋流器(27)上；所述主燃级(39)包括主燃级喷嘴(36)、主燃级预混预蒸发段(21)、主燃级头部整体端壁(12)和主燃级头部整体导流板(13)；所述主燃级预混预蒸发段(21)由主燃级喷嘴浮动内环(34)、主燃级喷嘴浮动内环压板(33)、主燃级喷嘴浮动外环(32)、主燃级喷嘴浮动外环压板(31)、主燃级预混预蒸发段内环(29)、主燃级预混预蒸发段外环(28)和主燃级出口导流支撑(30)组成；主燃级预混预蒸发段(21)和主燃级喷嘴(36)通过主燃级喷嘴浮动外压板(31)、主燃级喷嘴浮动外环(32)连接，连接方式为螺母或焊接；主燃级喷嘴(36)和主燃级预混蒸发段内环(29)通过主燃级喷嘴浮动内环压板(33)、主燃级喷嘴浮动内环(34)连接，连接方式为螺母或焊接；所述主燃级出口导流支撑(30)由若干叶片组成；主燃级喷嘴(36)位于主燃级喷嘴浮动内环(34)和主燃级喷嘴浮动外环(32)之间，并与燃油喷嘴(11)中的预燃级喷嘴(35)同轴，主燃级喷嘴(36)采用在同一圆周上设置多个喷射点的多点喷射方式，主燃级(39)所需的燃油由主燃级喷嘴喷(36)出后，流入预混预蒸发段(21)，油气混合气在预混预蒸发段(21)中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发段(21)的出口处形成均匀的油气混合气射流进入火焰筒，在预燃级火焰的引燃下进行燃烧；所述燃油喷嘴(11)由预燃级喷嘴(35)、主燃级喷嘴(36)和燃油喷嘴座(38)组成，预燃级喷嘴(35)和主燃级喷嘴(36)均连接在燃油喷嘴座(38)上，并通过燃油喷嘴座(38)与燃烧室外机匣(9)相连。

2.根据权利要求1所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述的分流式扩压器(8)将燃烧室进口气流(1)分为三股：火焰筒头部气流(2)、燃烧室外环腔气流(3)和燃烧室内环腔气流(4)，以满足燃烧室各部分对空气流量的需求。

3.根据权利要求1所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预燃级喷嘴(35)为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。

4.根据权利要求1所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预燃级旋流器组件(22)采用的旋流器的级数为1≤n≤5；每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当预燃级旋流器组件(22)的级数n＝1时，旋流器直接与预燃级头部端壁(23)连接；当预燃级旋流器组件(22)的级数1＜n≤5时，各级旋流器先连接成一个整体，组成预燃级旋流器组件(22)后再与预燃级头部端壁(23)连接。

5.根据权利要求1所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述主燃级出口导流支撑(30)的叶片数量2≤p≤30，沿主燃级预混预蒸发段内环(29)的出口圆周均布，叶片的安装角度为-90～90度。

6.根据权利要求1所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述主燃级喷嘴(36)多个喷射点的几何形状是圆形或矩形，喷射点的个数2＜m≤300，每个喷射点的喷射线均与预燃级喷嘴(35)的轴线间的夹角为90度。

7.根据权利要求1所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述主燃级喷嘴(36)可以安装主燃级喷嘴预膜空气环(37)，对从主燃级喷嘴(36)喷射出的燃油起初步雾化和散布的作用；主燃级喷嘴预膜空气环(37)采用采用与预燃级喷嘴(35)轴线垂直的径向叶片式结构，通过主燃级喷嘴预膜空气环(37)空气由原来的轴向改变为径向，并在出口处与燃油进行掺混，进一步进入主燃级预混蒸发段，此结构中叶片采用直叶片或不同的曲叶片结构，根据不同的工况要求可进行选择替换，主燃级喷嘴预膜空气环(37)可以单独存在于主燃级喷嘴(36)的内环，也可以单独存在于主燃级喷嘴(36)的外环，也可以同时存在于主燃级喷嘴(36)的内环和外环；安装时，主燃级喷嘴预膜空气环(37)与主燃级喷嘴(36)先连接在一起组成一个整体，二者的连接方式可以采用整体制造或焊接或螺纹或螺栓的形式。

8.根据权利要求1和权利要求7所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述燃烧室的燃烧用气全部由火焰筒头部(14)供入，空气分配占燃烧室进口气流的40％～80％：预燃级头部端壁(23)和主燃级头部整体端壁(12)的冷却所需气量占全部燃烧气量的0％～25％，预燃级(20)所需气量占全部燃烧气量的10％～40％，其余由主燃级(39)的主燃级喷嘴预膜空气环(37)和主燃级预混预蒸发段(21)供入。

9.根据权利要求1所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述燃烧室的火焰筒外壁(15)和火焰筒内壁(16)的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。

10.根据权利要求1所述的切向预混预蒸发燃烧室，其特征在于：在所述的火焰筒外壁(15)后部设置有火焰筒外壁掺混孔(17)，在所述的火焰筒内壁(16)后部设置有火焰筒内壁掺混孔(18)，掺混用气分别从火焰筒外壁掺混孔(17)和火焰筒内壁掺混孔(18)进入火焰筒，以控制燃烧室出口温度分布。

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