CN103791517B - 燃烧室燃油喷射混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧室燃油喷射混合装置，包括预燃级和主燃级，其中所述主燃级设置在所述预燃级的外围，且所述主燃级包括设置在外部空气的入口位置的第一旋流器和设置在通向燃烧室的出口位置的第二旋流器，所述第一旋流器与所述第二旋流器之间具有燃油与外部空气混合的预混通道，所述主燃级还包括向所述预混通道喷射燃油的燃油喷嘴。本发明利用外部空气的入口位置的第一旋流器来实现主燃级的燃油雾化和油气掺混，再利用通向燃烧室的出口位置的第二旋流器对第一旋流器所产生的油气旋流进行调整，以提供需要的主燃级旋流器出口旋流数。不仅避免了主燃级的回火现象，而且可以达到良好的燃油雾化和油气掺混的效果。

Description

燃烧室燃油喷射混合装置

技术领域

本发明涉及能源与动力燃烧技术，尤其涉及一种燃烧室燃油喷射混合装置。

背景技术

随着大气环境问题在世界范围内受到越来越多的关注，对于航空发动机污染物排放要求更是日趋严格，甚至到了苛刻的地步。根据目前民用航空发动机研发趋势与市场需求，到2020年以后，氮氧化物(NOx)的排放量比现行国际民航组织(ICAO)规定标准还要减少50％左右，同时其他排放物比如一氧化碳(CO)和未燃碳氢(UHC)均要低于ICAO规定的标准。

研究表明，控制燃烧室内的燃气温度是控制NOx污染排放的主要手段之一，控制燃烧区温度的主要技术途径之一就是采用贫油燃烧模式。但是在地面慢车、起动点火等工作状态下，又需要燃烧区局部采用接近富油燃烧的油气匹配方式，以保证燃烧性能，同时降低小功率状态下的CO和UHC排放。为了解决大功率状态下NOx排放和小功率状态下CO、UHC排放的矛盾，可以采用分级燃烧的形式，保证发动机不同功率下，燃烧室局部区域以最佳燃油空气匹配模式进行燃烧。

分级燃烧技术在航空发动机燃烧室上已得到成功应用，比如：GE90发动机采用的双环腔燃烧室分级燃烧技术；GEnx发动机采用的中心分级燃烧技术等。而采用中心分级燃烧技术由于结构紧凑、分区贫油燃烧控制NOx效果较好等优点，已是低排放燃烧室发展的趋势。

根据当前最新研究结果，为了避免燃烧室出现大幅燃烧振荡，一般将主燃级出口气流设计为弱旋流模式。但是，主燃级内部弱旋流，不利于主燃级内部燃油雾化以及油气掺混。为了解决这一矛盾，RR公司专利US6969692设计出主燃级内部旋流和无旋流掺混的结构方案，以实现主燃级旋流器出口为弱旋流。其中旋流器100和无旋流的空气入口200相邻，可以协助主燃级内部燃油雾化以及油气掺混，在主燃级内部旋流和无旋流之间会形成剪切层300，引起不期望的回火现象。

发明内容

本发明的目的是提出一种燃烧室燃油喷射混合装置，能够避免主燃级回火现象。

为实现上述目的，本发明提供了一种中心分级的燃烧室燃油喷射混合装置，包括中心预燃级和主燃级，其特征在于，所述主燃级设置在所述预燃级的外围，且所述主燃级包括设置在外部空气的入口位置的第一旋流器和设置在通向燃烧室的出口位置的第二旋流器，所述第一旋流器与所述第二旋流器之间具有燃油与外部空气混合的预混通道，所述主燃级还包括向所述预混通道喷射燃油的燃油喷嘴。

进一步的，所述预混通道由主燃级的固定壁面、第一壁面以及第二壁面共同围成，所述主燃级的固定壁面以垂直于所述燃烧室燃油喷射混合装置的中心轴线的方式布置在所述第二壁面上，所述第一旋流器设置在所述主燃级的固定壁面和第一壁面之间，所述第二旋流器设置在所述主燃级的第一壁面和所述第二壁面之间，所述燃油喷嘴设置在所述第二壁面上。

进一步的，所述燃油喷嘴采用在周向上对称布置的多点喷射直射式喷嘴。

进一步的，所述第一旋流器采用强旋流结构。

进一步的，所述第一旋流器为径向旋流器，第二旋流器为轴向旋流器。

进一步的，所述第一旋流器和第二旋流器为一个旋流器中的两组叶片，该两组叶片分别设置在外部空气的入口位置和通向燃烧室的出口位置。

进一步的，还包括中间级，所述中间级设置在所述预燃级和主燃级之间。

基于上述技术方案，本发明在主燃级的外部空气的入口位置和设置在通向燃烧室的出口位置分别设置了旋流器，利用外部空气的入口位置的第一旋流器来实现主燃级的燃油雾化和油气掺混，再利用通向燃烧室的出口位置的第二旋流器对第一旋流器所产生的油气旋流进行调整，以提供需要的主燃级旋流器出口旋流数。相比于现有的RR公司专利US6969692的方案，本发明不存在无旋流和旋流掺混的结构，不会形成引起回火的剪切层，而且第二旋流器在通向燃烧室的出口位置加速气流，从而避免了主燃级的回火现象。

在另一个实施例中，所述预混通道由主燃级的固定壁面、第一壁面以及第二壁面共同围成，所述主燃级的固定壁面以垂直于所述燃烧室燃油喷射混合装置的中心轴线的方式布置在所述第二壁面上，所述第一旋流器设置在所述主燃级的固定壁面和第一壁面之间，所述第二旋流器设置在所述主燃级的第一壁面和所述第二壁面之间，所述燃油喷嘴设置在所述第二壁面上。利用多个壁面形成稳定的预混通道，并且实现第一旋流器和第二旋流器的稳固安装。

在另一个实施例中，所述燃油喷嘴采用在周向上对称布置的多点喷射直射式喷嘴。这种多点喷射的直射式喷嘴可以实现燃油在主燃级内较大范围的喷出，便于随着旋流器所形成的旋转气流而雾化和掺混。

在另一个实施例中，所述第一旋流器采用强旋流结构。采用强旋流结构设计第一旋流器叶片，有利于主燃级的燃油雾化和油气掺混，在较短时间内达到预混预蒸发的效果。相应的，由于主燃级的强旋流会产生不稳定燃烧，因此通过设置在通向燃烧室的出口位置的第二旋流器来调整通入燃烧室的油气旋流的旋流数，可以根据需要形成弱旋流，进而避免燃烧室内的大幅燃烧振荡。

在另一个实施例中，所述第一旋流器为径向旋流器，第二旋流器为轴向旋流器。采用径向旋流器作为第一旋流器，由于其空气进口与燃油喷嘴相对，便于加速主燃级的燃油雾化和油气掺混，而轴向旋流器作为第二旋流器主要是为了配合主燃级通向燃烧室的出口结构。

在另一个实施例中，所述第一旋流器和第二旋流器为一旋流器分别设置在外部空气的入口位置和设置在通向燃烧室的出口位置的两组叶片。采用两个旋流器或者一个旋流器的两组叶片均可以满足本发明的需要。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中RR公司专利US6969692方案的结构示意图。

图2为本发明燃烧室燃油喷射混合装置的一实施例的结构示意图。

图3为本发明燃烧室燃油喷射混合装置实施例的一种装配形式的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图2所示，为本发明燃烧室燃油喷射混合装置的一实施例的结构示意图。可以看到，本发明的燃烧室燃油喷射混合装置的主体结构包括了各路燃油喷射系统及多个旋流器。这里的燃油喷射系统包括预燃级和主燃级。在另一实施例中，燃油喷射系统还可以包括中间级，该中间级设置在预燃级和主燃级之间。

主燃级可以设置在预燃级2的外围。主燃级包括设置在外部空气的入口位置的第一旋流器3和设置在通向燃烧室的出口位置的第二旋流器23，第一旋流器3与第二旋流器23之间具有燃油与外部空气混合的预混通道22，主燃级还包括向预混通道22喷射燃油的燃油喷嘴7。燃油喷嘴7可采用在周向上对称布置的多点喷射直射式喷嘴。

燃油可以经预燃级2从燃油喷嘴7向预混通道22内喷入，并在第一旋流器3的空气旋流作用下完成燃油雾化和油气掺混，然后再经过第二旋流器23的旋转气流作用下进一步雾化并喷入燃烧室。

在背景技术部分所提到的RR公司专利方案中，为了解决主燃级出口气流设计为弱旋流模式来避免燃烧室的大幅燃烧振荡，以及主燃级内部更好的燃油雾化和油气掺混的矛盾，采用了在主燃级内部旋流和无旋流掺混的结构，但这种结构造成了旋流和无旋流之间形成易导致回火的剪切层。而在本发明中不仅可以有效地克服主燃级弱旋流的问题，也避免采用这种容易导致回火的结构。

在本发明的主燃级结构中，第一旋流器可以产生空气旋流，便于对燃油喷嘴喷入的燃油进行雾化和油气混合，预混通道提供了燃油雾化和油气混合的空间，而通向燃烧室的出口位置的第二旋流器可以对第一旋流器所产生的油气旋流进行调整，以提供需要的主燃级旋流器出口旋流数。相比于现有的RR公司专利US6969692的方案，本发明不存在无旋流和旋流掺混的结构，不会形成引起回火的剪切层，而且第二旋流器在通向燃烧室的出口位置加速气流，从而避免了主燃级的回火现象。

在本发明的另一实施例中，第一旋流器可采用强旋流结构进行设计，以便促进主燃级内部的燃油雾化和油气掺混，从而在较短距离内达到预混预蒸发的效果，而利用第二旋流器将出口的油气旋流调整成弱旋流模式，则又可以实现避免燃烧室的大幅燃烧振荡的好处，而且不必担心产生回火现象。燃油喷嘴采用在周向上对称布置的多点喷射直射式喷嘴也是为了进一步促进主燃级内部的燃油雾化和油气掺混。

参考图2所示的主燃级结构，预混通道22可以由主燃级的固定壁面4、第一壁面1以及第二壁面19共同围成，主燃级的固定壁面4以垂直于燃烧室燃油喷射混合装置的中心轴线的方式布置在第二壁面19上，而第一旋流器3设置在主燃级的固定壁面4和第一壁面1之间，第二旋流器3设置在主燃级的第一壁面1和第二壁面19之间，燃油喷嘴7设置在第二壁面19上。图2所示的实施例利用多个壁面形成稳定的预混通道，并实现第一旋流器和第二旋流器的稳固安装。与该结构相匹配，第一旋流器可采用径向旋流器，第二旋流器可采用轴向旋流器。采用径向旋流器作为第一旋流器，由于其空气进口与燃油喷嘴相对，便于加速主燃级的燃油雾化和油气掺混，而轴向旋流器作为第二旋流器主要是为了配合主燃级通向燃烧室的出口结构。

另一种可替换的方案中，第一旋流器和第二旋流器可以采用一旋流器分别设置在外部空气的入口位置和设置在通向燃烧室的出口位置的两组叶片。

在图2中的主燃级的第二壁面19靠近燃烧室的末端还可以设置为向内弯曲的结构。

在本发明的又一个实施例中，燃油喷射装置的各个部件可设计为一个采用焊接工艺的整体，如图3所示。该组件整体可以沿中心线方向移动进行拆装，安装间隙配合面位于主燃级的固定壁面4与第二壁面19之间。图3中虚线区域是可以拆装的组件整体，装配时由第二壁面19斜坡外壁沿中心线轴向滑动导入。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种燃烧室燃油喷射混合装置，包括预燃级和主燃级，其特征在于，所述主燃级设置在所述预燃级的外围，且所述主燃级包括设置在外部空气的入口位置的用于实现所述主燃级的燃油雾化和油气掺混的第一旋流器、以及设置在通向燃烧室的出口位置的用于对所述第一旋流器所产生的油气旋流进行调整的第二旋流器，所述第一旋流器与所述第二旋流器之间具有燃油与外部空气混合的预混通道，所述主燃级还包括向所述预混通道喷射燃油的燃油喷嘴；

所述预混通道由主燃级的固定壁面、第一壁面以及第二壁面共同围成，所述主燃级的固定壁面以垂直于所述燃烧室燃油喷射混合装置的中心轴线的方式布置在所述第二壁面上，所述第一旋流器设置在所述主燃级的固定壁面和第一壁面之间，所述第二旋流器设置在所述主燃级的第一壁面和所述第二壁面之间，所述燃油喷嘴设置在所述第二壁面上。

2.根据权利要求1所述的燃烧室燃油喷射混合装置，其特征在于，所述燃油喷嘴采用在周向上对称布置的多点喷射直射式喷嘴。

3.根据权利要求1所述的燃烧室燃油喷射混合装置，其特征在于，所述第一旋流器采用强旋流结构。

4.根据权利要求3所述的燃烧室燃油喷射混合装置，其特征在于，所述第一旋流器为径向旋流器，第二旋流器为轴向旋流器。

5.根据权利要求1所述的燃烧室燃油喷射混合装置，其特征在于，所述第一旋流器和第二旋流器为一个旋流器中的两组叶片，该两组叶片分别设置在外部空气的入口位置和通向燃烧室的出口位置。

6.根据权利要求1～5任一所述的燃烧室燃油喷射混合装置，其特征在于，还包括中间级，所述中间级设置在所述预燃级和主燃级之间。