CN103851647A - 燃烧室燃油喷射与混合系统及其燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃烧室燃油喷射与混合系统及其燃烧室，该系统包括预燃级、中间级和主燃级，预燃级包括中心锥体、一级轴向旋流器、喷嘴以及二级轴向旋流器；中间级包括中间供油通路、衬套、中间级轴向旋流器以及套筒，中间供油通路将燃油供给到中间级轴向旋流器的下游；主燃级包括主供油通路、主燃级内壁、主燃级外壁以及位于主燃级内壁和主燃级外壁之间的主燃级径向旋流器，主供油通路将燃油供给到主燃级径向旋流器的下游。本发明通过改进喷油和油气混合结构，优化燃油喷射装置的油气匹配，降低了燃烧室污染排放。

Description

燃烧室燃油喷射与混合系统及其燃烧室

技术领域

本发明属于能源与动力燃烧装置领域，特别是涉及一种燃烧室燃油喷射与混合系统及其燃烧室。

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也是越来越严格。下一代航空发动机产品市场需求表明，氮氧化物(NOx)的排放量比现行国际民航组织(ICAO)规定标准CAEP6要进一步减少45％～60％左右，其它排放物包括一氧化碳(CO)、未燃碳氢(UHC)和烟雾(Smoke)排放值同样需要进一步降低。

研究表明，控制燃烧室内的热燃气温度是控制NOx污染排放的关键，控制燃烧区温度的主要技术途径之一就是采用贫油预混燃烧模式。但是在地面慢车、起动点火等工作状态下，又需要局部燃烧区采用接近富油燃烧的油气匹配方式，以维持燃烧稳定性，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模式以保证发动机在不同功率下，燃烧室各局部区域均以其各自的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。但是现有的贫油中心分级燃烧技术，仍未能很好地解决分区之间互相影响、分级点附近燃烧效率低下、主燃区油气混合依旧不充分、不均匀和燃油雾化质量差等问题。

雾化质量可通过油珠群的平均直径(如索太尔平均直径SMD)和油珠群的直径分布来表征。雾化过程可描述为：在压差作用下，喷嘴出口形成锥状油膜。由于其不稳定性，油膜表面产生不稳定波，皱纹的进一步发展，导致凸起部分局部脱离，形成液片以及液丝，在表面张力作用下收缩成直径较大的油珠。大油珠在气流中运动时，同时受气动力及表明张力引起的内压力作用，前者使油珠变形，后者则使油珠保持球状。当气动力占优势时，变形的结果使大油珠分裂成小油珠，直到气动力与内压力达到平衡时，油珠的分裂才终止。

一般用韦伯数(破裂准则)表示作用于油珠的气动力对内压力的比值，如下式所示：

We＝ρdΔu2/σ

We——韦伯数；

Δu——油珠与气流间相对速度；

ρ、d和σ——分别为气流密度、油珠直径及燃油的表面张力。

试验表明，当时气动力占优势，大油珠碎裂成小油珠。可见，提高油气之间的相对速度可以显著改善雾化质量。

现有技术已经采用三级供油，但该燃油喷射装置旋流器过多，结构过于复杂。本发明旨在通过改进喷油和油气混合结构，优化燃油喷射装置的油气匹配，降低燃烧室污染排放。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种贫油燃烧的低NOx排放燃烧室燃油喷射与混合系统及其燃烧室，采用预混、预蒸发的模式，能有效地改善燃油雾化质量，强化油气掺混，大幅降低NOx、CO、UHC和smoke等污染排放量。

根据本发明的第一个方面，提供一种燃烧室燃油喷射与混合系统，所述燃烧室燃油喷射与混合系统包括预燃级、中间级和主燃级，所述中间级环绕所述预燃级，所述主燃级环绕所述中间级，其中：

所述预燃级包括中心锥体、环绕所述中心锥体的一级轴向旋流器、环绕所述一级轴向旋流器并具有喷口的喷嘴以及环绕所述喷嘴的二级轴向旋流器；

所述中间级包括中间供油通路、衬套、环绕所述衬套的中间级轴向旋流器以及环绕所述中间级轴向旋流器的套筒，所述中间供油通路将燃油供给到所述中间级轴向旋流器的下游，所述套筒的末端设有挡溅盘；

所述主燃级包括主供油通路、主燃级内壁、主燃级外壁以及位于所述主燃级内壁和所述主燃级外壁之间的主燃级径向旋流器，所述主供油通路将燃油供给到所述主燃级径向旋流器的下游；以及

所述主燃级内壁的末端与所述套筒的挡溅盘相连接并形成一个空腔，所述主燃级内壁的末端设有至少一个冷却孔，上游空气进入所述空腔并通过所述冷却孔来冲击所述套筒的挡溅盘，由此冷却所述主燃级内壁的末端与所述套筒的挡溅盘。

其中，所述主燃级还包括位于所述主燃级内壁和所述主燃级外壁之间的主燃级轴向旋流器。

其中，所述喷嘴是预膜式空气雾化喷嘴。

其中，所述主供油通路和/或中间供油通路设有直射式喷嘴。

其中，所述直射式喷嘴的喷射方向与所述直射式喷嘴的端面之间的夹角为20°～80°。优选地，所述直射式喷嘴的喷射方向与所述直射式喷嘴的端面之间的夹角为30°。

其中，所述直射式喷嘴设有扩展式喷口。所述喷口的直径为所述直射式喷嘴的直径的1.5～2倍。

其中，所述预燃级、所述中间级和所述主燃级内壁(19)通过焊接形成一个整体。

根据本发明的第二个方面，提供一种燃烧室，其包括前述的燃烧室燃油喷射与混合系统。

有益效果：

1.本发明结构简单紧凑，采用了多级旋流器，充分利用各级旋流器产生的旋流达到雾化三股喷射燃油的目的。

2.三级供油的油路均可随燃油管路一并拆装，可以高效地检查油路工作状况。其中，预燃级油路选用预膜式空气雾化喷嘴，燃油经过狭长的缝隙后形成较均匀的油膜从预液膜喷口喷出，油膜两侧分别是一级轴向旋流器和二级轴向旋流器所形成的旋流气流，在其剪切作用下雾化。采用预膜式空气雾化喷嘴，燃油雾化调节方便，并且能改善喷嘴的防积碳性能。

3.主燃级油路和中间级油路采用了直射式喷嘴，燃油从直射式喷嘴喷出，燃油直射式喷嘴采用了非传统的垂直端面的方向喷出，而是与喷口所在端面成一角度，加强了燃油与空气的剪切作用，强化了主燃级的油气掺混作用，改善了主燃级和中间级的燃油雾化质量。

4.主燃级和中间级油路采用的直射式喷嘴对喷嘴出口端面进行了扩展设计，以便于加工。

附图说明

图1为根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合系统的第一实施例的结构示意图；

图2为根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合系统的第二实施例的结构示意图；

图3为主燃级燃油与空气混合相对速度的示意图；

图4为根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合系统的安装示意图。

附图标记说明

1配合面              2配合面

3主燃级径向旋流器    4壁面

5壁面                6主供油通路

7喷嘴                8中间供油通路

9中间级轴向旋流器    10喷嘴

11套筒               12喷嘴

13中心锥体           14一级轴向旋流器

15二级轴向旋流器        16喷口

17衬套                  18主燃级外壁

19主燃级内壁            20冷却孔

21挡溅盘                22主燃级通道

23主燃级轴向旋流器      24空气速度方向

25燃油速度方向

具体实施方式

首先介绍本技术领域的一些术语，其中：旋流器：使气流发生旋转的结构；分级燃烧：分为轴向分级、径向分级和中心分级，为降低排放所采用的燃烧策略；喷嘴：燃油喷射雾化装置；燃油雾化：利用喷嘴把液态燃料变成油珠群的过程；韦伯数We：作用于油珠的气动力对表面张力的比值，当We高于某一临界韦伯数(约12到14左右)时，油珠无法稳定存在而将发生碎裂。

下面结合附图详细描述本发明的具体实施例，附图中相同的附图标记表示相同的部件。

参见图1，示出了根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合系统的第一实施例。本发明的低排放燃烧室燃油喷射装置主体结构包括各路燃油喷射系统及各级旋流器，从图中可以清晰地看出，本发明装置采用了三路供油的方式，配置多级旋流器以促进燃料的雾化。整个装置通过安装配合面1和配合面2与燃烧室火焰筒头部端壁的转接段和挡溅盘连接。

在第一实施例中，燃烧室燃油喷射与混合系统包括预燃级、中间级和主燃级，中间级环绕预燃级，主燃级环绕中间级。

预燃级包括中心锥体13、环绕中心锥体13的一级轴向旋流器14、环绕一级轴向旋流器14并具有喷口16的喷嘴12以及环绕喷嘴12的二级轴向旋流器15。优选地，喷嘴12采用预膜式空气雾化喷嘴，其中燃油从喷嘴12进入狭长的缝隙后形成液膜并从喷口16喷出，油膜两侧分别是一级轴向旋流器14和二级轴向旋流器15所形成的旋流气流，在其剪切作用下雾化，并喷入燃烧室。

中间级包括中间供油通路8、衬套17、环绕衬套17的中间级轴向旋流器9以及环绕中间级轴向旋流器9的套筒11，中间供油通路8将燃油供给到中间级轴向旋流器9的下游，套筒11的末端设有挡溅盘21。优选地，中间供油通路8设有直射式喷嘴10，燃油从直射式喷嘴10喷入衬套17与套筒11之间形成的通道内，在中间级轴向旋流器9出口形成的旋转气流作用下雾化喷入燃烧室。供油方式采用周向中心对称布置的多点喷射，中间供油通路8与燃油系统连接。优选地，直射式喷嘴的喷射方向与直射式喷嘴的端面之间的夹角为20°～80°。更优选地，直射式喷嘴的喷射方向与直射式喷嘴的端面之间的夹角为30°。

主燃级包括主供油通路6、主燃级内壁19、主燃级外壁18以及位于主燃级内壁19和主燃级外壁18之间的主燃级径向旋流器3，主供油通路6将燃油供给到主燃级径向旋流器3的下游。优选地，主供油通路6设有直射式喷嘴7，燃油喷射采用周向中心对称布置的多点喷射，喷入的燃油在主燃级径向旋流器3出口形成的旋转气流作用下雾化喷入燃烧室，主供油通路6与燃油系统连接。优选地，直射式喷嘴的喷射方向与直射式喷嘴的端面之间的夹角为20°～80°。更优选地，直射式喷嘴的喷射方向与直射式喷嘴的端面之间的夹角为30°。

主燃级内壁19的末端与套筒11的末端的挡溅盘21相连接并形成一个空腔，主燃级内壁19的末端设有至少一个冷却孔20，上游空气进入空腔并通过冷却孔20来冲击套筒11的挡溅盘21，由此冷却主燃级内壁19的末端与所述套筒11的挡溅盘21。

参见图2，示出了根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合系统的第二实施例。第二实施例与第一实施例的区别只是在于在主燃级内壁19和主燃级外壁18之间还设置主燃级轴向旋流器23，从而进一步提高主燃级的燃油雾化。

在上面的实施例中，中间级和主燃级的燃油喷嘴为直射式喷嘴，该直射式喷嘴的燃油喷射方向与轴向端面形成一定的夹角，该夹角特征为20°～80°，尤其以30°为佳。

如图3所示，燃油速度方向24与轴向形成一定的夹角，进入旋流器的空气速度方向24与燃油速度方向25相对角度较大，以使喷射的燃油与进入旋流器的空气相对速度最大，达到油气充分混合、燃油雾化质量最佳的目的。

直射式喷嘴出口处的机械加工质量对燃油雾化质量起着重要作用，而且此处容易受到机械损伤。为了使中间级与主燃级采用的直射式喷嘴不受上述问题的干扰，直射式喷嘴设有扩展式喷口，喷口的直径为直射式喷嘴的直径的1.5～2倍，从而使喷嘴的雾化质量得到保障。

如图4所示，预燃级喷嘴、中间级喷嘴、主燃级喷嘴、各级旋流器和组件连接转接段，设计为一个采用焊接工艺的整体。该组件整体可以沿图中箭头所示方向安装，安装间隙配合面位于壁面5与壁面4之间。图4中虚线区域是可以拆装的组件整体，装配时由壁面5斜坡外壁沿中心线轴向滑动导入。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述燃烧室燃油喷射与混合系统包括预燃级、中间级和主燃级，所述中间级环绕所述预燃级，所述主燃级环绕所述中间级，其中：

所述预燃级包括中心锥体(13)、环绕所述中心锥体(13)的一级轴向旋流器(14)、环绕所述一级轴向旋流器(14)并具有喷口(16)的喷嘴(12)以及环绕所述喷嘴(12)的二级轴向旋流器(15)；

所述中间级包括中间供油通路(8)、衬套(17)、环绕所述衬套(17)的中间级轴向旋流器(9)以及环绕所述中间级轴向旋流器(9)的套筒(11)，所述中间供油通路(8)将燃油供给到所述中间级轴向旋流器(9)的下游，所述套筒(11)的末端设有挡溅盘(21)；

所述主燃级包括主供油通路(6)、主燃级内壁(19)、主燃级外壁(18)以及位于所述主燃级内壁(19)和所述主燃级外壁(18)之间的主燃级径向旋流器(3)，所述主供油通路(6)将燃油供给到所述主燃级径向旋流器(3)的下游；以及

所述主燃级内壁(19)的末端与所述套筒(11)的挡溅盘(21)相连接并形成一个空腔，所述主燃级内壁(19)的末端设有至少一个冷却孔(20)，上游空气进入所述空腔并通过所述冷却孔(20)来冲击所述套筒(11)的挡溅盘(21)，由此冷却所述主燃级内壁(19)的末端与所述套筒(11)的挡溅盘(21)。

2.根据权利要求1所述的燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述主燃级还包括位于所述主燃级内壁(19)和所述主燃级外壁(18)之间的主燃级轴向旋流器(23)。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述喷嘴(12)是预膜式空气雾化喷嘴。

4.根据权利要求1或2所述的燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述主供油通路(6)和/或中间供油通路(8)设有直射式喷嘴(7，10)。

5.根据权利要求4所述的燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述直射式喷嘴(7，10)的喷射方向与所述直射式喷嘴(7，10)的端面之间的夹角为20°～80°。

6.根据权利要求5所述的燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述直射式喷嘴(7，10)的喷射方向与所述直射式喷嘴(7，10)的端面之间的夹角为30°。

7.根据权利要求6所述的燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述直射式喷嘴(7，10)设有扩展式喷口。

8.根据权利要求7所述的燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述喷口的直径为所述直射式喷嘴(7，10)的直径的1.5～2倍。

9.根据权利要求1所述的燃烧室燃油喷射与混合系统，其特征在于，所述预燃级、所述中间级和所述主燃级内壁(19)通过焊接形成一个整体。

10.一种燃烧室，其特征在于，包括根据权利要求1到9中任一项所述的燃烧室燃油喷射与混合系统。

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