CN102032598A - 一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，燃烧室为单环腔结构，采用空气分级配合燃油分级的低污染燃烧组织方式，燃烧气量全部由值班级、中间级和主燃级供应，燃油分级供应比例按发动机运行工况及稳定的低污染燃烧需要进行精确控制。值班级采用两级轴向旋流配合文氏管的组合结构，形成的低速回流区可以支持燃烧室的稳定燃烧；中间级采用位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向均匀分布的多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构，形成的中间稳焰级燃烧区用于强化稳定主燃级火焰；主燃级采用位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向均匀分布的多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构强化油气混合的贫油预混预蒸发燃烧方式，进而大幅度降低污染物排放。

Description

一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室

技术领域

本发明涉及一种航空发动机低污染燃烧室，特别是一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室。采用该方案的燃烧室燃烧稳定性大幅度提高，同时可以显著降低污染物排放。

背景技术

民用航空发动机越来越受到更加严格的污染物排放标准的限制。当前采用的CAEP6标准规定民用航空发动机NO_X排放比目前在役发动机的平均排放水平低60％。针对工业燃气轮机的排放标准则更为严格，要求达到百万分之一的排放浓度。日益严格的污染物排放标准也在促使人们进一步探索更加有效的低污染燃烧组织形式。

GE发动机公司提出了一种低污染燃烧室方案-TAPS(Twin Annular PremixingSwirler)，被认为是目前技术成熟度最高的低污染燃烧技术。其燃烧室头部主要包括值班级和主燃级，主燃级和预燃级分别供油，实现分区燃烧。该低污染燃烧室方案的主要发明人Hukam Chand Mongia在文献(TAPS-A 4th Generation Propulsion CombustorTechnology for Low Emissions AIAA Paper 2003-2657)中指出，TAPS方案在慢车等低工况下仅值班级工作，在起飞、爬升和巡航等高工况下两级同时工作，高工况下值班级燃油比例为5％～10％，同时该方案的燃烧室火焰筒壁面上无主燃孔及掺混孔，仅有火焰筒冷却气流经过。GE公司针对该技术申请了20多项美国专利，如US 6354072、US 6363726、US 6367262、US 6381964、US 6389815、US 6418726、US 6453660、US 6484489、US 6865889、US7762073等。这些专利在TAPS燃烧室基准型号上或针对值班级进行优化，或针对主燃级旋流进气装置进行改进，但是空气流量及燃油流量在值班级和主燃级之间的分配基本未变。所有上述专利均声称实现了发动机工作范围内的低污染燃烧要求。但是美国密西根大学由James F.Driscoll教授领导的TAPS研究团队的试验研究表明(Unsteady Aspectsof Lean Premixed-Prevaporized(LPP)Gas Turbine Combustors：Flame-FlameInteractions，AIAA 2010-1148；Instantaneous Flow Structures in a Reacting GasTurbine Combustor，AIAA 2008-4683；Vortex-shedding and mixing layer effects onperiodic flashback in a lean premixed prevaporized gas turbine combustor，Proceedings of the Combustion Institute)，在发动机进行工况转换时，值班级和主燃级供油比例的改变，会导致值班级和主燃级旋流通道的空气流量分配改变，进而导致火焰筒内各燃烧子区当量比偏离设计值和燃烧不稳定的产生等不利影响，此外该团队的试验及数值结果显示TAPS方案在主燃级和值班级之间存在着一定高度的台阶，台阶后产生的台阶涡能够支持巡航工况下主燃级的贫油预混稳定燃烧，但是该漩涡的强度和大小很大程度上受主燃级和值班级气流速度差的影响，在外界气流条件改变的情况下，该漩涡对强度和大小也会随之改变，进而也会导致燃烧不稳定现象的产生。GE公司的最新专利US7762073中，则大幅度更改了值班级和主燃级之间的空气流量和燃油流量分配，该专利在值班级套筒扩张段增加了一圈值班级周向多点直射式空气雾化喷嘴，值班级所增加的燃油使得燃烧室值班级空气流量比例可以从燃烧室总气量的10％到30％变化，值班级周向多点直射式空气雾化喷嘴的供油量可以大于、等于或者小于值班级主喷嘴，并且该专利指出当值班级多点直射式空气雾化喷嘴喷嘴供油比例增多时，燃烧室的污染物排放性能更好。这样的改进方式实际上是在以牺牲部分TAPS技术的低污染排放能力为代价来获得较高的燃烧稳定性。目前国内低污染燃烧室方案主要集中在北京航空航天大学热动力工程研究所，以林宇震、刘高恩等知名教授带领的学术团队在低污染燃烧室概念设计和工程应用上有了诸多创新，并申请了诸多专利，如ZL200810104686.3、ZL200810105061.9、20081010562.3、200810104684.4，上述4种低污染燃烧方案主燃级均采用了径向旋流叶片为主燃级雾化提供进气条件，专利200910238793.x、201010101574.x和201010034141.7则是为改进主燃级雾化混合的性能，将蒸发管的预混预蒸发概念引入到主燃级设计中。这些方案在特定的燃烧室设计点，如巡航状态，可以做到很低的污染物排放，但是在进行工况转换时，由于燃油比例的改变同样会导致与TAPS方案一样的燃烧室燃烧不稳定等现象的产生，故在实际应用中同样需要通过牺牲低污染排放能力来获得稳定的燃烧性能。

燃烧不稳定现象通常发生在贫油预混燃烧条件下，故而在目前常规化学恰当比主燃区燃烧室中并不常见。但是未来为了满足日益严格的航空发动机污染物排放标准，必然要求燃烧室主燃区更加贫油，燃烧室设计者将会越来越频繁的碰到燃烧不稳定现象。此外燃烧不稳定现象这一课题也是目前低污染燃烧室设计领域的一大热点。

发明内容

本发明主要解决的问题：克服现有技术的不足，提供一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，该燃烧室在进一步降低低污染物排放的同时，发动机低的燃烧稳定性也得到增强。

本发明所采用的技术方案是：一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，所述燃烧室为单环腔结构，采用空气分级配合燃油分级的低污染燃烧组织方式，燃烧气量全部由火焰筒头部(68)的值班级(23)、中间级(24)和主燃级(25)供应，燃油供应按照发动机运行工况及稳定低污染燃烧需要控制向火焰筒头部(68)的值班级(23)、中间级(24)和主燃级(25)供应燃油的比例；所述燃烧室由前置扩压器(16)、燃烧室外机匣(17)、燃烧室内机匣(18)、燃油供应组件(19)、火焰筒头部(68)、火焰筒外壁(20)和火焰筒内壁(21)组成，前置扩压器(16)与燃烧室外机匣(17)和燃烧室内机匣(18)相连，火焰筒外壁(20)和火焰筒内壁(21)在燃烧室外机匣(17)和燃烧室内机匣(18)组成的空间内沿径向分布，火焰筒头部(68)通过头部端壁(26)与火焰筒外壁(20)和火焰筒内壁(21)相连，燃油供应组件(19)通过燃油管路基座(62)与燃烧室外机匣(17)固定；所述火焰筒头部(68)由值班级(23)、中间级(24)、主燃级(25)和头部端壁(26)组成；所述值班级(23)由值班级离心喷嘴(31)、值班级旋流组件(27)、值班级套筒(34)和值班级端壁(35)组成，利用值班级旋流组件(27)形成值班级燃烧区(8)用于稳定火焰，值班级(23)在启动状态下单独工作，在其余工况下与中间级(24)或与中间级(24)和主燃级(25)共同工作；所述值班级旋流组件(27)由值班级内旋流器(28)、值班级文氏管(29)、值班级外旋流器(30)组成，值班级内旋流器(28)同轴地套在值班级离心喷嘴(31)外围，并通过值班级文氏管内壁面卡槽(32)固定，再利用值班级文氏管外壁面卡槽(33)固定值班级外旋流器(30)从而形成值班级旋流组件(27)整体，值班级(23)沿径向由内到外依次安装有与头部轴线(43)同轴的值班级离心喷嘴(31)、值班级旋流组件(27)和值班级套筒(34)，值班级旋流组件(27)和值班级套筒(34)通过值班级端壁(35)连接形成值班级(23)整体，值班级(23)通过值班级套筒尾缘(36)与中间级(24)连接；所述中间级(24)由位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向均匀分布的多个中间级旋流组件(42)和中间级安装基座(41)组成，该圆周的圆心位于头部轴线(43)上，中间级安装基座(41)上开有与中间级旋流组件(42)数目相同的中间级旋流组件安装孔(44)，单个中间级旋流组件(42)由中间级直射式喷嘴(45)、中间级旋流器(46)和中间级文氏管(47)组成，中间级直射式喷嘴(45)与中间级旋流器(46)为一体化设计，且中间级旋流器(46)被中间级文氏管卡槽(48)固定，并随中间级文氏管(47)一起内嵌入中间级旋流组件安装孔(44)内形成中间级(24)整体，中间级外壁面(49)上开有多排中间级斜切孔(50)，为主燃级(25)提供切向气流，中间级(24)利用中间级端壁(51)与主燃级(25)连接，中间级(24)所需燃油由中间级直射式喷嘴(45)喷出后，打在中间级文氏管(47)内壁面上形成油膜，该油膜受流经中间级旋流器(46)的旋流空气剪切作用，形成雾化良好的旋流混气，被值班级(24)火焰引燃并在中间级下游形成与多个中间级旋流组件(42)数目相同的多旋流中间稳焰级回流区(7)，中间级(24)在发动机慢车低功率工况下与值班级(23)一起工作，起到调节燃烧区的局部当量比以实现高效低污染燃烧的作用，而在发动机起飞、爬升和巡航高功率工况下，中间级旋流组件(42)所形成的多旋流中间稳焰级回流区(7)起到强化稳定主燃级贫油预混燃烧火焰的作用；所述主燃级(25)由位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向均匀分布的多个主燃级旋流组件(52)、主燃级预混腔(53)和主燃级端壁(54)组成，该圆周的圆心位于头部轴线(43)上，主燃级预混腔(53)上开有多个主燃级旋流组件安装孔(55)，且安装孔(55)数目与主燃级旋流组件(52)数目一致，单个主燃级旋流组件(52)由主燃级直射式喷嘴(56)、主燃级旋流器(57)和主燃级文氏管(58)组成，其中主燃级直射式喷嘴(56)和主燃级旋流器(57)为一体化设计，同时主燃级旋流器(57)被主燃级文氏管卡槽(59)固定，并随主燃级文氏管(58)一起内嵌入主燃级旋流组件安装孔(55)，主燃级预混腔(53)的壁面上开有多排主燃级预混腔壁面斜切孔(60)，所述斜切孔(60)与中间级壁面斜切孔(50)数目和位置沿径向一一对应，一起为主燃级(25)提供对冲气流，主燃级端壁(54)沿周向方向上开有多排主燃级端壁进气孔(61)，主燃级预混腔(53)与主燃级端壁(54)采用焊接的方式连接，形成的主燃级(25)整体通过螺栓与头部端壁(26)连接，主燃级(25)所需燃油从主燃级直射式喷嘴(56)喷出后，打在主燃级文氏管(58)壁面上形成油膜，该油膜受经过主燃级旋流器(57)的旋流空气剪切作用进行初次雾化，随后进入主燃级预混腔(53)，受到从主燃级预混腔壁面斜切孔(60)和中间级壁面斜切孔(50)进入的对冲气流作用，形成二次混合，预混预蒸发良好的混气在主燃级(25)下游被值班级燃烧区(8)引燃，同时被多旋流中间级燃烧区(7)强化稳定，形成稳定燃烧的贫油燃烧的主燃级燃烧区(6)，由于主燃级(25)消耗了大部分燃油，故整个燃烧室的污染物排放水平很低。

所述燃烧用气量全部由火焰筒头部(68)供入，火焰筒头部气流(2)占燃烧室进口气流(1)的60％到80％，其余为火焰筒冷却气流(9)，头部气流(2)中值班级(23)占0％到15％，中间级(24)占0％到15％，主燃级(25)占30％到70％，其余为头部冷却气流量。

所述值班级(23)、中间级(24)和主燃级(25)的燃油分级比例需要根据发动机(10)的工况条件灵活控制，启动工况下，值班级(23)燃油流量占总燃油流量的100％，发动机(10)从启动工况转变为慢车工况时，逐渐开启中间级(24)，此时值班级(23)燃油量占总燃油流量的0％-100％，其余为中间级(24)燃油流量，在发动机(10)起飞、爬升或巡航高功率工况下，开启主燃级(25)，此时值班级(23)、中间级(24)和主燃级(25)同时工作，此时值班级(23)燃油流量占总燃油流量的0％-10％，中间级(24)燃油流量占总燃油流量的0％-10％，其余为主燃级(25)燃油流量。

所述值班级文氏管(29)的扩张半角、值班级套筒(34)的扩张半角和值班级离心喷嘴(31)的喷雾半锥角(40)这三个角度相等，且均在10°-20°内变化，使得离心喷嘴(31)的喷雾型面不会打到值班级文氏管(29)或者值班级套筒(34)壁面上，从而增大液雾的穿透深度深度，改善发动机的点火性能。

所述值班级内旋流器(28)和值班级外旋流器(30)的叶片角度在20°-60°同向变化，且值班级外旋流器(30)的叶片角度应大于或等值班级内旋流器(28)的叶片角度，以保护值班级离心喷嘴(31)的喷雾型面不会被值班级气流打散，使得液雾的穿透深度增加，利于提升发动机的点火性能；此外，值班级外旋流器(30)产生的旋转气流会包裹着值班级内旋流燃气，同时还会贴着值班级套筒的内表面，这就阻止了冷的值班级套筒壁面对值班级内旋流燃气的壁面淬熄从而降低了CO和UHC污染物排放，也延缓了中间级和主燃级气流对值班级气流的掺混从而提高了燃烧效率。

所述中间级(24)中的中间级旋流组件(42)数量10≤c≤20，中间级旋流器(46)的叶片角度和中间级文氏管(47)的扩张全角在均在30°-60°范围变化，增大或减小这两个角度可以调节多旋流中间稳焰级回流区(7)的大小和强度，角度过大会造成中间级回流区(7)强度大而长度短，使得中间级对主燃级和值班级火焰的淬熄干扰过大，污染物排放增加，角度过小则会造成中间级回流区偏小，不利于稳定主燃级火焰。

所述主燃级(25)中的主燃级旋流组件(52)的数量10≤m≤20，主燃级旋流器(57)的叶片角度和主燃级文氏管(58)的扩张全角位于20°-30°范围变化，这两个角度应与主燃级预混腔(53)的尺寸相适应，避免初次雾化的液雾碰壁导致雾化效果的急剧下降，主燃级预混腔壁面斜切孔(60)和中间级斜切孔(50)的角度为-90°-90°。

所述主燃级端壁(54)沿周向开有多排主燃级端壁进气孔(61)，用以冷却头部端壁(54)和限制主燃级气流沿燃烧室径向的快速扩张。

所述燃油管路(63)通过供油盘(64)转接之后，再往值班级离心喷嘴(31)、中间级直射式喷嘴(45)和主燃级直射式喷嘴(56)供油。

所燃油供应组件(19)由燃油管路基座(62)、燃油管路(63)和供油盘(64)组成，燃油管路(63)包括值班级油路(65)、中间级油路(66)和主燃级油路(67)，值班级离心喷嘴(31)、中间级直射式喷嘴(45)和主燃级直射式喷嘴(56)与供油盘(64)采用焊接或螺栓与供油盘(64)连接，并通过供油盘(64)供油，燃油管路(63)通过燃油管路基座(62)与燃烧室外机匣(17)固定。

本发明的原理：从低污染燃烧原理而言，航空发动机的低排放燃烧需要通过两个方面来实现：第一，控制燃烧区域的总体当量比，使当量比落在低污染燃烧所要求的当量比区间；第二，控制燃烧区内当量比分布的均匀性，减少燃烧区内的高温热点区域。实现这一要求可以通过分级燃烧和强化各级燃油雾化质量来实现。从稳定燃烧角度而言，航空发动机通常采用旋流所产生的回流区来实现火焰的自驻定及稳定。以往单燃烧区的燃烧室由于一个燃烧区对应一个回流区，故燃烧稳定性很高。而将单燃烧区改为多燃烧区时，外围的贫油难稳定的主燃级燃烧区与位于内圈稳定燃烧的值班级燃烧区存在一定的台阶，这一台阶的存在主要由燃烧室慢车低工况的燃烧和排放要求决定的，这样的燃烧组织形式就决定了主燃级的燃烧稳定性将会完全受控与值班级和主燃级之间的台阶涡的大小和强度，而该台阶涡的大小和强度在发动机的运行过程工况条件下，受值班级和主燃级的气流条件影响过大，在偏离设计点状况时极易造成燃烧不稳定的产生。本发明综合考虑低污染及燃烧稳定的要求，采用在值班级和主燃级之间增加多旋流中间稳焰级和改善各燃烧子区的雾化质量的方法来同时实现燃烧室低污染及稳定燃烧的要求。即燃烧室采用分级燃烧的设计理念，燃烧气量分三级分别从值班级、中间级和主燃级供入燃烧室，同时对应地将燃油供油也设计为三级供油，并按照发动机在飞行包线内的工况条件控制燃油分级比例，精确控制燃烧室内各燃烧子区的当量比落在低污染燃烧的当量比区间实现低污染燃烧对各燃烧子区总体当量比的要求。值班级在启动工况下工作，保持值班级当量比在富油低污染燃烧当量比区间，两级轴向旋流配合文氏管的组合结构形成的稳定低速回流区用于整个燃烧室的稳定燃烧，富油当量比设计的值班级可以获得良好的燃烧室启动特性和稳定燃烧能力，同时燃烧效率高、热力NO_X排放少，值班级富油燃烧的产物CO和UHC等会在向火焰筒下游的运行过程中被中间级和主燃级的气流迅速掺混氧化，最终到达火焰筒出口的为低污染物排放的燃气。中间级采用位于同一轴向截面圆周上的多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构，不仅可以使得中间级的油气混合更均匀，同时可以在值班级和主燃级之间形成主动稳定的多旋流中间级稳焰燃烧区。当发动机工况过渡到慢车时，开启中间级，中间级与值班级共同工作，控制中间级的当量比在富油低污染燃烧当量比区间，降低热力NO_X排放，由于此时值班级和中间级的当量比都不是太大，富油产物CO和UHC等很容易就被主燃级的气流快速掺混氧化，最终到燃烧室出口处污染物排放很小，实现慢车工况下的低污染燃烧。增加的中间级，在启动状态不会影响到值班级的低污染高效燃烧状态，在慢车状态时中间级与值班级一起供油供气，使得慢车燃烧区的当量比不至于过大而影响出口温度分布，而在起飞、爬升和巡航等高功率状态，中间级的多旋流稳焰回流燃烧区可以帮助主燃级稳定火焰，实现主燃级火焰的主动稳定，消除发动机工况转换所带来的燃烧不稳定现象。主燃级采用多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构进行强化油气混合，随后初步混合的油气在主燃级预混腔中进行二次混合，混合均匀的贫油混气在火焰筒内实现贫油预混预蒸发燃烧，降低燃烧室污染物排放，由于主燃级火焰被中间级主动稳定，故主燃级可以设计得非常贫油，这就充分利用了预混预蒸发燃烧方式的低污染燃烧能力。采用上述低污染燃烧室，可以保证燃烧室在保持低污染物排放能力的同时，发动机在飞行包线内进行大幅度工况转换时燃烧稳定性也得到增强。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明增加了带多旋流的中间稳焰级，改变TAPS方案中被动台阶涡为旋流控制的主动涡，能够提高主燃级火焰的燃烧稳定性。

(2)值班级采用两级轴向旋流配合文氏管的组合结构，形成的低速回流区可以支持燃烧室的稳定燃烧，中间级采用位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向分布的多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构在值班级燃烧区和主燃级燃烧区之间形成主动稳定的多旋流中间级稳焰燃烧区，用于实现主燃级火焰的主动稳定，主燃级采用位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向分布的多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构强化油气混合的贫油预混预蒸发燃烧方式，降低燃烧室污染物排放，火焰筒壁面上仅有冷却气流供入；

(3)本发明的中间稳焰级增大了头部进气面积，使得燃烧室进行工况转换时各级旋流空气流量变化幅度较常规设计减小，能够增强燃烧室进行大幅度工况转换的能力。

(4)本发明的中间级采用位于同一轴向截面的多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构，可以使得中间级的油气混合更均匀。

(5)本发明的中间稳焰级，在慢车工况下与值班级共同工作，降低了TAPS方案低工况下值班级燃烧区的当量比，使得主燃级的气流很容易就能够将值班级和中间级的富油产物氧化，并且可以改善出口温度分布品质。

(6)本发明的主燃级采用旋流叶片和文氏管结构进行辅助雾化，之后进入主燃级预混腔与主燃级气流进行二次雾化、掺混，使得主燃级油气混合均匀性得到改善，降低燃烧室污染物排放。

附图说明

图1为发动机结构示意图；

图2为本发明的燃烧室工作示意图；

图3为本发明的燃烧室结构示意图；

图4为本发明的火焰筒头部结构图；

图5为本发明值班级结构示意图，其中图5-a为沿空气流向示意图，图5-b为逆空气流向示意图，图中箭头指向为空气流动方向；

图6为本发明值班级结构剖视图；

图7为本发明中间级结构示意图，其中图7-a为沿空气流向示意图，图7-b为逆空气流向示意图，图中箭头指向为空气流动方向；

图8为本发明中间级结构剖视图；

图9为本发明主燃级结构示意图，其中图9-a为沿空气流向示意图，图9-b为逆空气流向示意图，图中箭头指向为空气流动方向；

图10为本发明主燃级结构剖视图；

图11为本发明燃油组件剖视图；

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.火焰筒出口气流，6.主燃级燃烧区，7.多旋流中间稳焰级燃烧区，8.值班级燃烧区，9.火焰筒冷却气流，10.发动机，11.低压压气机，12.高压压气机，13.燃烧室，14.高压涡轮，15.低压涡轮，16.前置扩压器，17.燃烧室外机匣，18.燃烧室内机匣，19.燃油供应组件，20.火焰筒外壁，21.火焰筒内壁，22.火焰筒冷却孔，23.值班级，24.中间级，25.主燃级，26.头部端壁，27.值班级旋流组件，28.值班级内旋流器，29.值班级文氏管，30.值班级外旋流器，31.值班级离心喷嘴，32.值班级文氏管内壁面卡槽，33.值班级文氏管外壁面卡槽，34.值班级套筒，35.值班级端壁，36.值班级套筒尾缘，37.值班级喷雾张角，38.文氏管扩张段张角，39.套筒扩张角，40.值班级喷雾，41.中间级安装基座，42.中间级旋流组件，43.头部轴线，44.中间级旋流组件安装孔，45.中间级直射式喷嘴，46.中间级旋流器，47.中间级文氏管，48.中间级文氏管卡槽，49.中间级外壁面，50.中间级斜切孔，51.中间级端壁，52.主燃级旋流组件，53.主燃级预混腔，54.主燃级端壁，55.主燃级旋流组件安装孔，56.主燃级直射式喷嘴，57.主燃级旋流器，58.主燃级文氏管，59.主燃级文氏管卡槽，60.主燃级预混腔壁面斜切孔，61.主燃级端壁进气孔，62.燃油管路基座、63.燃油管路，64.供油盘，65.值班级油路，66.中间级油路67.主燃级油路，68.火焰筒头部。

具体实施方式

图1是一个发动机10的示意图。发动机10包括低压压气机11，高压压气机12，燃烧室13，高压涡轮14和低压涡轮15。发动机10工作时，空气经过低压压气机11压缩后，再进入高压压气机12，高压空气进入到本发明所述燃烧室13中燃烧，燃油喷射系统向高压气流中喷射燃油，在所述燃烧室13中进行充分有效燃烧，形成的高温高压燃气，进入到高压涡轮14和低压涡轮15，从而推动涡轮做功。

图2是本发明设计的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室的工作示意图，图3为燃烧室的详细结构，该燃烧室为单环腔结构，采用采用空气分级配合燃油分级的低污染燃烧组织方式。燃烧用燃烧气量全部由值班级、中间级和主燃级供应，燃油供应按发动机运行工况及低污染燃烧需要控制向值班级、中间级和主燃级供应燃油的比例，值班级采用两级轴向旋流配合文氏管的组合结构形成的扩散燃烧方式支持燃烧室的稳定燃烧，中间级采用多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构在值班级燃烧区和主燃级燃烧区之间形成主动稳定的多旋流中间级稳焰燃烧区，用于实现主燃级火焰的主动稳定，主燃级采用多个单级轴向旋流配合文氏管组合结构强化油气混合的贫油预混预蒸发燃烧方式，降低燃烧室污染物排放，火焰筒壁面上仅有冷却气流供入，无主燃孔及掺混孔。本燃烧室包括三个燃烧区——值班级燃烧区8、中间级燃烧区7和主燃级燃烧区6，燃烧区的外边界为火焰筒外壁20，内边界为火焰筒内壁21，环形的火焰筒内壁21和火焰筒外壁20在环形的燃烧室内机匣18和外机匣17之间沿径向分布。在火焰筒内壁21和火焰筒外壁20上仅开有冷却孔22，用于冷却火焰筒壁面，保证燃烧室的寿命，冷却孔的示意图如图3所示。

为满足发动机10在飞行包线的全部工况内都实现低污染燃烧，需要精心设计燃烧室13内各燃烧子区的当量比，保持各燃烧子区的总当量比落在低污染排放区间和局部当量比均匀。如图3所示，从高压压气机12过来的气流经过燃烧室前置扩压器1减速增压之后分成三股，其中气流2约占进口气流1的60％到80％，其余为火焰筒冷却流量9。气流2为燃烧室全部燃烧气量和头部端壁冷却气量，头部气流2中值班级23占0％到15％，中间级24占0％到15％，主燃级25占30％到70％，其余为头部冷却气流量。值班级23、中间级24和主燃级25的燃油分级比例则要根据发动机10的工况条件灵活控制。在发动机10启动工况下，仅值班级23工作，值班级23占总燃油流量的100％；发动机10从启动工况转变为慢车工况时，逐渐开启中间级24，此时值班级23燃油占总燃油流量的0％到100％，其余为中间级燃油流量；在发动机起飞或爬升等高功率工况下，再开启主燃级25，此时值班级23、中间级24和主燃级25同时工作，此时值班级23燃油流量占总燃油流量的0％到10％，中间级24燃油流量占总燃油流量的0％到10％，其余为主燃级25燃油流量。

如图4所示，在火焰筒燃烧区的上游是火焰筒头部68，火焰筒头部68由值班级23，中间级24，主燃级25和头部端壁26组成。

如图5和图6所示。值班级23由值班级离心喷嘴31、值班级旋流组件27、值班级套筒34和值班级端壁35组成。值班级旋流组件27由值班级内旋流器28、值班级文氏管29、值班级外旋流器30组成，其连接形式为值班级内旋流器28同轴地套在值班级离心喷嘴外围31，通过值班级文氏管内壁面卡槽32固定，再利用值班级文氏管外壁面卡槽33固定值班级外旋流器30，从而形成值班级旋流组件27整体，值班级27沿径向由内到外依次安装有与头部轴线43同轴的值班级离心喷嘴31、值班级旋流组件27和值班级套筒34，值班级旋流组件27和值班级套筒34通过值班级端壁35连接形成值班级23整体，值班级23通过值班级套筒尾缘36与中间级24连接。值班级内旋流器28和值班级外旋流器30的叶片角度在20°到60°同向变化，且值班级外旋流30的叶片角度大于或等于值班级内旋流器28的叶片角度。由于值班级文氏管29安装在值班级内旋流器28和值班级外旋流器30之间，故进入值班级23的气流在经过值班级旋流组件27后会形成两股同向旋转射流，同时由于值班级外旋流器30的叶片角度大于值班级内旋流器28的叶片角度，值班级外旋流会贴着值班级套筒34内壁面旋转流动，值班级内旋流则被包裹在值班级外旋流面，两股气流为分层流动。由于值班级文氏管29的收扩作用，使得值班级内旋流器28以较小的叶片角度就可以在火焰筒内形成强大的值班级回流用于稳定燃烧，值班级外旋流空气一部分为值班级燃烧区提供新鲜空气，另外一部分气量则可以起到防止值班级套筒壁面对值班级燃烧区8火焰的淬熄作用，值班级外旋流包裹在值班级火焰的外侧，还可以延缓中间级24和主燃级25气流对值班级火焰淬熄作用，使得值班级燃烧区8的燃烧效率提高，同时CO和UHC排放少。从值班级离心喷嘴31喷出的值班级燃油喷雾40的张角，值班级文氏管29和值班级套筒34的张角应保持近似相等，并且三者的半角均在10°到20°变化，这样的喷雾型面设计配合分层流动的值班级两级旋流，可以保证离心喷嘴的喷雾型面不被值班级气流破坏，使液雾的穿透深度增加，利于提升发动机的点火性能，值班级文氏管29和值班级套筒34的扩张角度较小则是为了延缓中间级24和主燃级25气流对值班级火焰淬熄作用，使得值班级燃烧区8的燃烧效率提高，同时CO和UHC排放少。值班级23在启动状态下单独工作，在其余工况下与中间级24或与中间级24和主燃级25共同工作

如图7和图8所示，中间级24由位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向均匀分布的多个中间级旋流组件42和中间级安装基座41组成，该圆周的圆心位于头部轴线43上，中间级安装基座41上开有与中间级旋流组件42数目相同的中间级旋流组件安装孔44，单个中间级旋流组件42由中间级直射式喷嘴45、中间级旋流器46和中间级文氏管47组成，中间级直射式喷嘴45与中间级旋流器46为一体化设计，且中间级旋流器46被中间级文氏管卡槽48固定，并随中间级文氏管47一起内嵌入中间级旋流组件安装孔44形成中间级24整体，中间级外壁面49上开有中间级斜切孔50，为主燃级25提供切向气流，中间级24利用中间级端壁51与主燃级25连接。中间级旋流组件42总共数目10≤c≤20，对应中间级直射式喷嘴45、中间级文氏管47和中间级旋流组件安装孔44数目也在10≤c≤20变化，且数目一样。中间级旋流器46叶片角度在30°到60°变化，中间级旋流器46的叶片角度不能过大和过小，叶片角过大会造成中间级回流区强度大而长度短，对主燃级和值班级火焰的淬熄干扰过大，使得污染物排放增加，叶片角过小则会造成中间级回流区偏小，不利于稳定主燃级火焰。中间级所需燃油由中间级直射式喷嘴45喷出后，打在中间级文氏管47壁面上形成油膜，该油膜受流经中间级旋流器46的旋流空气剪切作用，形成雾化良好的旋流混气，被值班级23火焰引燃并在中间级24下游形成与多个中间级旋流组件数目相同的10≤c≤20个多旋流中间稳焰级回流区，中间级油气混合物在中间稳焰级燃烧区7内进行扩散燃烧，中间级24在发动机慢车等低功率工况下与值班级23一起工作，起到调节燃烧区的局部当量比以实现高效低污染燃烧，而在发动机起飞、爬升和巡航等高功率工况下，中间级旋流组件42所形成的多旋流中间稳焰级燃烧区7则可以起到强化稳定主燃级25贫油预混燃烧火焰的作用；

如图9和图10所示，主燃级25由位于位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向均匀分布的10≤m≤20个主燃级旋流组件52、主燃级预混腔53和主燃级端壁54组成，该圆周的圆心位于头部轴线43上，主燃级预混腔53沿头部轴线43截面开有个与主燃级旋流组件52数目一致的主燃级旋流组件安装孔55。单个主燃级旋流组件52由主燃级直射式喷嘴56、主燃级旋流器57和主燃级文氏管58组成，其中主燃级直射式喷嘴56和主燃级旋流器58为一体化设计，同时主燃级旋流器57被主燃级文氏管卡槽59固定，并随主燃级文氏管58一起内嵌入主燃级旋流组件安装孔55，主燃级预混腔53壁面开有主燃级预混腔壁面斜切孔60，该斜切孔与中间级斜切孔50一起为主燃级提供对冲气流，主燃级端壁54沿周向方向上开有多排主燃级端壁进气孔61，主燃级预混腔53与主燃级端壁54采用焊接的方式连接，形成的主燃级25整体通过螺栓与头部端壁26连接，主燃级25所需燃油从主燃级直射式喷嘴56喷出后，打在主燃级文氏管壁面上形成油膜，该油膜受经过主燃级旋流器57的旋流空气剪切作用进行初次雾化，随后进入主燃级预混腔53，受到从主燃级预混腔壁面斜切孔60和中间级斜切50孔进入的对冲气流作用，形成二次混合，预混预蒸发良好的混气在主燃级25下游被值班级火焰引燃，同时被多旋流中间稳焰级强化稳定，形成稳定燃烧的贫油燃烧的主燃级燃烧区6。主燃级旋流器57的叶片角度和主燃级文氏管58的扩张全角位于20°到30°变化，且应与主燃级预混腔53的尺寸相适应，避免初次雾化的液雾碰壁，导致雾化效果的急剧下降，主燃级预混腔壁面斜切孔60和中间级斜切孔50的角度为-90°到90°变化，调整该角度可以改变主燃级二次掺混的效果。由于主燃级25消耗了大部分燃油，以及中间级多旋流稳焰级的稳定火焰，使得主燃级24可以设计得非常贫油，充分利用预混预蒸发技术的低污染物排放能力；主燃级端壁54沿周向开有多排主燃级端壁进气孔61，用以冷却头部端壁26和限制主燃级气流沿燃烧室径向的快速扩张。通过主燃级端壁进气孔61的气流可以包裹在主燃级气流的外侧，可以冷却头部端壁，同时避免主燃级火焰碰到冷的头部端壁26壁面，减小淬熄作用从而降低污染物排放。此外由于从主燃级25出来的气流旋流强度较弱，包裹主燃级外侧的气流可以限制主燃级气流沿径向的快速扩张，增强主燃级火焰的刚性。

如图3和图11所示，燃油供应组件19由燃油管路基座62、燃油管路63和供油盘64组成，燃油管路63包括值班级油路65、中间级油路66和主燃级油路67，值班级离心喷嘴31、中间级直射式喷嘴45和主燃级直射式喷嘴56通过螺纹与供油盘64连接，通过供油盘64供油，燃油管路63通过燃油管路基座62与燃烧室外机匣17固定。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述燃烧室为单环腔结构，采用空气分级配合燃油分级的低污染燃烧组织方式，燃烧气量全部由火焰筒头部(68)的值班级(23)、中间级(24)和主燃级(25)供应，燃油供应按照发动机运行工况及稳定低污染燃烧需要控制向火焰筒头部(68)的值班级(23)、中间级(24)和主燃级(25)供应燃油的比例；所述燃烧室由前置扩压器(16)、燃烧室外机匣(17)、燃烧室内机匣(18)、燃油供应组件(19)、火焰筒头部(68)、火焰筒外壁(20)和火焰筒内壁(21)组成，前置扩压器(16)与燃烧室外机匣(17)和燃烧室内机匣(18)相连，火焰筒外壁(20)和火焰筒内壁(21)在燃烧室外机匣(17)和燃烧室内机匣(18)组成的空间内沿径向分布，火焰筒头部(68)通过头部端壁(26)与火焰筒外壁(20)和火焰筒内壁(21)相连，燃油供应组件(19)通过燃油管路基座(62)与燃烧室外机匣(17)固定；所述火焰筒头部(68)由值班级(23)、中间级(24)、主燃级(25)和头部端壁(26)组成；所述值班级(23)由值班级离心喷嘴(31)、值班级旋流组件(27)、值班级套筒(34)和值班级端壁(35)组成，利用值班级旋流组件(27)形成值班级燃烧区(8)用于稳定火焰，值班级(23)在启动状态下单独工作，在其余工况下与中间级(24)或与中间级(24)和主燃级(25)共同工作；所述值班级旋流组件(27)由值班级内旋流器(28)、值班级文氏管(29)、值班级外旋流器(30)组成，值班级内旋流器(28)同轴地套在值班级离心喷嘴(31)外围，并通过值班级文氏管内壁面卡槽(32)固定，再利用值班级文氏管外壁面卡槽(33)固定值班级外旋流器(30)从而形成值班级旋流组件(27)整体，值班级(23)沿径向由内到外依次安装有与头部轴线(43)同轴的值班级离心喷嘴(31)、值班级旋流组件(27)和值班级套筒(34)，值班级旋流组件(27)和值班级套筒(34)通过值班级端壁(35)连接形成值班级(23)整体，值班级(23)通过值班级套筒尾缘(36)与中间级(24)连接；所述中间级(24)由位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向均匀分布的多个中间级旋流组件(42)和中间级安装基座(41)组成，该圆周的圆心位于头部轴线(43)上，中间级安装基座(41)上开有与中间级旋流组件(42)数目相同的中间级旋流组件安装孔(44)，单个中间级旋流组件(42)由中间级直射式喷嘴(45)、中间级旋流器(46)和中间级文氏管(47)组成，中间级直射式喷嘴(45)与中间级旋流器(46)为一体化设计，且中间级旋流器(46)被中间级文氏管卡槽(48)固定，并随中间级文氏管(47)一起内嵌入中间级旋流组件安装孔(44)内形成中间级(24)整体，中间级外壁面(49)上开有多排中间级斜切孔(50)，为主燃级(25)提供切向气流，中间级(24)利用中间级端壁(51)与主燃级(25)连接，中间级(24)所需燃油由中间级直射式喷嘴(45)喷出后，打在中间级文氏管(47)内壁面上形成油膜，该油膜受流经中间级旋流器(46)的旋流空气剪切作用，形成雾化良好的旋流混气，被值班级(24)火焰引燃并在中间级下游形成与多个中间级旋流组件(42)数目相同的多旋流中间稳焰级回流区(7)，中间级(24)在发动机慢车等低功率工况下与值班级(23)一起工作，起到调节燃烧区的局部当量比以实现高效低污染燃烧的作用，而在发动机起飞、爬升和巡航高功率工况下，中间级旋流组件(42)所形成的多旋流中间稳焰级回流区(7)起到强化稳定主燃级贫油预混燃烧火焰的作用；所述主燃级(25)由位于同一轴向截面内同一圆周上沿周向均匀分布的多个主燃级旋流组件(52)、主燃级预混腔(53)和主燃级端壁(54)组成，该圆周的圆心位于头部轴线(43)上，主燃级预混腔(53)上开有多个主燃级旋流组件安装孔(55)，且安装孔(55)数目与主燃级旋流组件(52)数目一致，单个主燃级旋流组件(52)由主燃级直射式喷嘴(56)、主燃级旋流器(57)和主燃级文氏管(58)组成，其中主燃级直射式喷嘴(56)和主燃级旋流器(57)为一体化设计，同时主燃级旋流器(57)被主燃级文氏管卡槽(59)固定，并随主燃级文氏管(58)一起内嵌入主燃级旋流组件安装孔(55)，主燃级预混腔(53)的壁面上开有多排主燃级预混腔壁面斜切孔(60)，所述斜切孔(60)与中间级壁面斜切孔(50)数目和位置沿径向一一对应，一起为主燃级(25)提供对冲气流，主燃级端壁(54)沿周向方向上开有多排主燃级端壁进气孔(61)，主燃级预混腔(53)与主燃级端壁(54)采用焊接的方式连接，形成的主燃级(25)整体通过螺栓与头部端壁(26)连接，主燃级(25)所需燃油从主燃级直射式喷嘴(56)喷出后，打在主燃级文氏管(58)壁面上形成油膜，该油膜受经过主燃级旋流器(57)的旋流空气剪切作用进行初次雾化，随后进入主燃级预混腔(53)，受到从主燃级预混腔壁面斜切孔(60)和中间级壁面斜切孔(50)进入的对冲气流作用，形成二次混合，预混预蒸发良好的混气在主燃级(25)下游被值班级燃烧区(8)引燃，同时被多旋流中间级燃烧区(7)强化稳定，形成稳定燃烧的贫油燃烧的主燃级燃烧区(6)，由于主燃级(25)消耗了大部分燃油，故整个燃烧室的污染物排放水平很低。

2.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述燃烧用气量全部由火焰筒头部(68)供入，火焰筒头部气流(2)占燃烧室进口气流(1)的60％到80％，其余为火焰筒冷却气流(9)，头部气流(2)中值班级(23)占0％到15％，中间级(24)占0％到15％，主燃级(25)占30％到70％，其余为头部冷却气流量。

3.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述值班级(23)、中间级(24)和主燃级(25)的燃油分级比例需要根据发动机(10)的工况条件灵活控制，启动工况下，值班级(23)燃油流量占总燃油流量的100％，发动机(10)从启动工况转变为慢车工况时，逐渐开启中间级(24)，此时值班级(23)燃油量占总燃油流量的0％-100％，其余为中间级(24)燃油流量，在发动机(10)起飞、爬升或巡航高功率工况下，开启主燃级(25)，此时值班级(23)、中间级(24)和主燃级(25)同时工作，同时值班级(23)燃油流量占总燃油流量的0％-10％，中间级(24)燃油流量占总燃油流量的0％-10％，其余为主燃级(25)燃油流量。

4.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述值班级文氏管(29)的扩张半角、值班级套筒(34)的扩张半角和值班级离心喷嘴(31)的喷雾半锥角(40)这三个角度相等，且均在10°-20°内变化，使得值班级离心喷嘴(31)的喷雾不会打到值班级文氏管(29)或者值班级套筒(34)壁面上，从而增大液雾的穿透深度深度，改善发动机的点火性能。

5.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述值班级内旋流器(28)和值班级外旋流器(30)的叶片角度在20°-60°同向变化，且值班级外旋流器(30)的叶片角度应大于或等值班级内旋流器(28)的叶片角度，以保护值班级离心喷嘴(31)的喷雾型面不会被值班级气流打散，使得液雾的穿透深度增加，利于提升发动机的点火性能，此外，值班级外旋流器(30)产生的旋转气流会包裹着值班级内旋流燃气，同时还会贴着值班级套筒的内表面，这就阻止了冷的值班级套筒壁面对值班级内旋流燃气的壁面淬熄从而降低了CO和UHC污染物排放，也延缓了中间级和主燃级气流对值班级气流的掺混从而提高了燃烧效率。

6.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述中间级(24)中的中间级旋流组件(42)数量10≤c≤20，中间级旋流器(46)的叶片角度和中间级文氏管(47)的扩张全角在均在30°-60°范围变化，增大或减小这两个角度可以调节多旋流中间稳焰级回流区(7)的大小和强度，角度过大会造成中间级回流区(7)强度大而长度短，使得中间级对主燃级和值班级火焰的淬熄干扰过大，污染物排放增加，角度过小则会造成中间级回流区偏小，不利于稳定主燃级火焰。

7.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级(25)中的主燃级旋流组件(52)的数量10≤m≤20，主燃级旋流器(57)的叶片角度和主燃级文氏管(58)的扩张全角位于20°-30°范围变化，这两个角度应与主燃级预混腔(53)的尺寸相适应，避免初次雾化的液雾碰壁导致雾化效果的急剧下降，主燃级预混腔壁面斜切孔(60)和中间级斜切孔(50)的角度为-90°-90°。

8.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级端壁(54)沿周向开有多排主燃级端壁进气孔(61)，用以冷却头部端壁(54)和限制主燃级气流沿燃烧室径向的快速扩张。

9.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所述燃油管路(63)通过供油盘(64)转接之后，再往值班级离心喷嘴(31)、中间级直射式喷嘴(45)和主燃级直射式喷嘴(56)供油。

10.根据权利要求1所述的一种带多旋流中间稳焰级的周向分级低污染燃烧室，其特征在于：所燃油供应组件(19)由燃油管路基座(62)、燃油管路(63)和供油盘(64)组成，燃油管路(63)包括值班级油路(65)、中间级油路(66)和主燃级油路(67)，值班级离心喷嘴(31)、中间级直射式喷嘴(45)和主燃级直射式喷嘴(56)与供油盘(64)采用焊接或螺栓与供油盘(64)连接，并通过供油盘(64)供油，燃油管路(63)通过燃油管路基座(62)与燃烧室外机匣(17)固定。

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