CN103868095B - 主动气流控制调节装置和包括该装置的发动机燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明属于能源与动力燃烧装置领域，提供一种主动气流控制调节装置，包括：沿燃烧室周向布置的多个执行机构、一个将多个执行机构集成为一体的环形转接段、以及用于支撑和作动该环形转接段的至少一个作动机构，每个执行机构包括外拉杆和内拉杆、以及连接在外拉杆和外帽罩之间的外翻板和连接在内拉杆和内帽罩之间的内翻板，通过作动机构的轴向伸缩带动环形转接段的轴向平动，进一步带动执行机构的内外拉杆作相反方向的径向移动，使得当燃烧室处于小工况时内外翻板之间形成收口减少进入火焰筒的空气量，而当燃烧室处于大工况时内外翻板之间空间扩大提高进入火焰筒的空气量。

Description

主动气流控制调节装置和包括该装置的发动机燃烧室

技术领域

本发明属于能源与动力燃烧装置领域，涉及一种航空发动机的燃烧室，尤其涉及一种带有气流调节装置的燃烧室。

背景技术

民用航空发动机污染排放标准日趋严格，目前采用的CAEP6(CommitteeonAviationEnvironmentalProtection)标准已对传统发动机提出严峻挑战。而最新的CAEP8标准提出将NOx的排放在CAEP6的排放标准上降低15％，随着航空业的迅猛发展和人们环保意识的不断提高，未来对燃气轮机燃烧室污染排放会提出更高的要求。

新一代低污染燃烧室以GE公司采用LPP(LeanPremixedPrevaporized)技术的TAPS燃烧室的GEnx发动机为代表，NOx排放比CAEP6标准降低了50％以上。LPP技术是把预先混合蒸发的混气送入燃烧区，然后在较贫的当量比下工作。稳定燃烧与火焰熄火的裕度越小，产生的NOX也越少。实际上，贫预混燃烧技术已经在以天然气为燃料的地面燃机上得到了成功的应用，可以有效降低NOX排放。然而，该技术面临的主要问题是高进口温度下预混区内会发生自点火或回火以及由压力脉动和热释放脉动相互耦合导致的热声振荡。将LPP燃烧室应用于航空发动机，所面临一个问题就是在小工况下贫油熄火的问题。对于贫油燃烧室，需要较多的头部进气量来保持较低的当量比。这样，在燃油流量较低时，头部进气量依然较大，此时如何保证燃烧稳定性并避免贫油熄火是一个极具挑战性的问题。

发明内容

本发明的目的是保证燃烧室在不同工况下的燃烧稳定性，通过提供一种主动气流控制调节装置，来调节不同工况下燃烧室内的流量分配，有效解决小工况下贫油熄火的问题。

为此，根据本发明的第一个方面，提供一种主动气流控制调节装置，适用于调节燃烧室内气流分配，包括沿燃烧室周向布置的多个执行机构、用于将所述多个执行机构集成在一起的环形转接段、以及用于支撑和作动该环形转接段的至少一个作动机构，其中，每个执行机构包括：

套筒，其固定于燃烧室的外机匣上并设置有径向延伸进入燃烧室内的外导向槽和内导向槽；

外拉杆，其径向可移动地贯穿外导向槽延伸；

内拉杆，其径向可移动地贯穿内导向槽延伸，并且其移动方向与外拉杆的移动方向相反；

外翻板，其两端可枢转地分别连接于外拉杆的径向内端和燃烧室内的外帽罩；

内翻板，其两端可枢转地分别连接于内拉杆的径向内端和燃烧室内的内帽罩；并且

其中，通过所述作动机构带动所述环形转接段在第一轴向位置和第二轴向位置之间平动，使得当环形转接段处于其第一轴向位置时，外翻板和内翻板分别在外拉杆和内拉杆的相向运动带动下收缩供气体进入燃烧室火焰筒的空间，而当环形转接段处于其第二轴向位置时，外翻板和内翻板分别在外拉杆和内拉杆的背向运动带动下扩大供气体进入燃烧室火焰筒的空间。

优选地，环形转接段包括多对从环形转接段轴向向外延伸的杆件，每对杆件包括：

外杆件，其通过一个外连杆与一个执行机构的外拉杆关联，其中，外连杆的一端与外杆件的自由端可枢转地连接，另一端与外拉杆的径向外端可枢转地连接；

内杆件，其通过一个内连杆与所述一个执行机构的内拉杆关联，其中，内连杆的一端与外杆件的自由端可枢转地连接，另一端与内拉杆的径向外端可枢转地连接；

其中，当环形转接段处于其第一轴向位置时，外拉杆的径向内端位于其最内径向位置，内拉杆的径向内端位于其最外径向位置，这时外翻板和内翻板之间供气流通过的空间最小，从而进入燃烧室内火焰筒的空气最少而进入燃烧室内环腔和外环腔的气体最多；当环形转接段处于其第二轴向位置时，外拉杆的径向内端位于其最外径向位置，内拉杆的径向内端位于其最内径向位置，这时外翻板和内翻板之间供气流通过的空间最大，从而进入燃烧室内火焰筒的空气最多而进入燃烧室内环腔和外环腔的气体最少。

优选地，每个所述作动机构包括：

安装座，其固定于外机匣上；

作动筒，其构成为轴向可伸缩地移动并在其自由端与环形转接段连接，从而带动环形转接段在第一轴向位置和第二轴向位置之间移动。

优选地，上述至少一个作动机构是两个作动机构，该两个作动机构相对环形转接段径向对称地布置。这样的布置可有效保证环形转接段能够沿轴向平动。

进一步优选地，所述作动机构为液压作动机构。

优选地，外翻板和内翻板设置成当环形转接段处于第一轴向位置和第二轴向位置之间时，外翻板之间以及内翻板之间都具有间隙，从而使得当外拉杆或内拉杆的径向内端位于其最内径向位置时外拉杆之间或内拉杆之间都不会彼此干涉。

优选地，外杆件位于外拉杆的沿周向远离内拉杆的一侧，内杆件位于内拉杆的沿周向远离外拉杆的一侧。这样的布置可避免外连杆和内连杆在转动过程中产生干涉。

根据本发明的第二个方面，提供一种包括上述主动气流控制调节装置的发动机燃烧室。

本发明具有如下有益效果：

本发明结构简单，采用调节翻板的方式，调整进入燃烧室头部和内外环腔的空气流量。在大工况时，提高进入头部的空气，让更多的空气参与燃烧，有效降低污染排放；在小工况时，减少进入头部的空气量，解决贫油熄火的问题，有效提高了燃烧稳定性。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1示意性地示出了带有根据本发明优选实施方式的主动气流控制调节装置的发动机燃烧室的剖面图；

图2示意性地示出了图1中主动气流控制调节装置的沿发动机燃烧室周向布置的多个执行机构的分布图；

图3示意性地示出了图1中主动气流控制调节装置的一部分的透视图，其中主要示出了作动机构以及一段环形转接段与内外拉杆的连接；

图4示意性地示出了图3中作动筒和外拉杆的运动路径；

图5A示意性地示出了图1中主动气流控制调节装置在发动机燃烧室处于小工况时的状态，此时外翻板和内翻板之间供气流通过的空间最小；

图5B示意性地示出了图1中主动气流控制调节装置在发动机燃烧室处于大工况时的状态，此时外翻板和内翻板之间供气流通过的空间最大。

附图标记说明

100主动气流控制调节装置200发动机燃烧室

1外拉杆2内拉杆

3外翻板4内翻板

5套筒

51外导向槽52内导向槽

6旋流器7外机匣

8内机匣9火焰筒内环

10火焰筒外环11扩压器

12外环腔13内环腔

14空气15外帽罩

16内帽罩17作动筒

18外连杆19内连杆

20环形转接段21安装座

201外杆件203内杆件

23连环铰接处25连拉铰接处

具体实施方式

下面将结合附图描述本发明的优选实施方式。

首先介绍本技术领域的一些术语，其中：

流量分配：燃烧室中进入火焰筒和内外环腔的气体流量的比例。

小工况：发动机运行时温度、压力、流量低于30％全工况的工作状态。

大工况：发动机运行时温度、压力、流量高于80％全工况的工作状态。

当量比：实际油气比与化学恰当油气比的比值。

旋流器：使气体产生切向速度进行旋转流动的装置。

首先参见图1，以发动机燃烧室为例，根据本发明优选实施方式的低排放发动机燃烧室200由外机匣7、内机匣8、火焰筒外环10、火焰筒内环9和旋流器6以及主动气流控制调节装置100组成，其中，气流调节装置100位于燃烧室进口处的扩压器11和火焰筒进口处的旋流器6之间。从图1中可以清晰看出，本发明通过调节进入内外环腔和经由旋流器6进入火焰筒的气体流量，以提高燃烧室不同工况下燃烧稳定性。

再次参见图1，并结合图2和图3，根据本发明优选实施方式的主动气流控制调节装置100包括沿发动机燃烧室200周向布置的16个执行机构、一个环形转接段20以及用于支撑和作动该环形转接段20的两个作动机构(图中仅示出了其中一个)，其中，这16个执行机构通过环形转接段20连接为一个整体，两个作动机构相对环形转接段20轴向对称地布置，这样的布置可有效保证环形转接段能够沿轴向平动。在本实施方式中，作动机构优选为液压作动机构，其动力可来自发动机燃烧室外部，鉴于作动机构的外部动力提供较为常规，可直接使用现有的动力，因而在此不作详解。

参见图2并结合图1，每个执行机构包括套筒5、外拉杆1、内拉杆2、外翻板3、内翻板4。套筒5固定于燃烧室的外机匣7上并设置有径向延伸进入燃烧室内的外导向槽51和内导向槽52。外拉杆1径向可移动地贯穿外导向槽51延伸。内拉杆2径向可移动地贯穿内导向槽52延伸。外翻板3两端可枢转地分别连接于(例如通过铰链连接)外拉杆1的径向内端和燃烧室内的外帽罩15。内翻板4两端可枢转地分别连接(例如通过铰链连接)于内拉杆2的径向内端和燃烧室内的内帽罩16。

图3仅示出了环形转接段20的一段，该段具有一对轴向向外延伸的杆件。然而实际上环形转接段20整体上呈环形，在本实施方式中共设有16对这样的杆件。如图3所示，每对杆件包括一个外杆件201和一个内杆件203。外杆件201通过一个外连杆18与执行机构的外拉杆1关联，其中，外连杆18的一端与外杆件201的自由端可枢转地连接，另一端与外拉杆1的径向外端可枢转地连接；内杆件203通过一个内连杆19与执行机构的内拉杆2关联，其中，内连杆19的一端与内杆件203的自由端可枢转地连接，另一端与内拉杆2的径向外端可枢转地连接。

再如图3所示，在本实施方式中，作动机构包括安装座21和作动筒17，其中，安装座21固定于外机匣7上，作动筒17构成为可轴向伸缩地移动并在其自由端与环形转接段20连接。当作动筒17处于伸出状态时，环形转接段20处于其第一轴向位置；当作动筒17处于缩回状态时，环形转接段20处于其第二轴向位置。因此，作动筒17的伸缩可带动环形转接段20在第一轴向位置和第二轴向位置之间移动。

图4示意性地示出了图3中作动筒和外拉杆的运动路径。如图4所示，由于作动筒17只能作轴向运动，外拉杆1在外导向槽51的导引下只能作径向运动，因而它们的运动路径可简化成图4所示路径。点23代表外连杆18与环形转接段20的外杆件201的链接处(称为连环铰接处)，点25代表外连杆18与外拉杆1的链接处(称为连拉铰接处)，因而点23只能水平运动，点25只能竖直运动，当点23在路径BC上来回运动时，点25只能在路径AD上来回运动。用作动筒17控制点23在路径BC范围内的运动来达到控制点25在路径AD范围内的运动效果。

再如图4所示，并结合图3，当作动筒17沿图3所示箭头E方向向外伸出、进而推动环形转接段20向其第一轴向位置作轴向平移时，即环形转接段20的外杆件201在BC所示路径上沿箭头E方向移动，由于外连杆18与外杆件201在连环铰接处23可枢转地连接，因而连拉铰接处25只能沿AD向下移动，即外连杆18只能逆时针转动(见图3)，从而外拉杆1只能径向向内移动。

需要说明的是，内拉杆2的运动原理与外拉杆1的运动原理相同，内拉杆2也是在作动筒17的轴向移动过程中被带动作径向移动。唯一区别在于它们的径向运动方向需要设置成完全相反的运动方向，即：当外拉杆1径向向内移动时，内拉杆2应当径向向外移动；而当外拉杆1径向向外移动时，内拉杆2应当径向向内移动。如果将内拉杆2的运动路径反映在图4上的话，内拉杆2应当是在路径DF的范围内来回移动，即沿径向向内或向外移动。因而，当作动筒17沿轴向向外伸出、进而环形转接段20向其第一轴向位置作轴向平移时，内连杆19只能顺时针转动(见图3)，从而内拉杆2只能径向向外移动。

如图5A所示，当作动筒17达到其最大伸出位置，即环形转接段20处于其第一轴向位置时，外拉杆1的径向内端位于其最内径向位置，内拉杆2的径向内端位于其最外径向位置，这时外翻板3和内翻板4之间供气流通过的空间最小，从而进入燃烧室内火焰筒的空气最少而进入燃烧室外环腔12和内环腔13的气体最多。

如图5B所示，当作动筒17达到其最大缩回位置，即当环形转接段20处于其第二轴向位置时，外拉杆1的径向内端位于其最外径向位置，内拉杆2的径向内端位于其最内径向位置，这时外翻板3和内翻板4之间供气流通过的空间最大，从而进入燃烧室内火焰筒的空气最多而进入燃烧室外环腔12和内环腔13的气体最少。

应当理解的是，各翻板之间应当留有一定的间隙以避免在收紧过程中相互干涉。具体地，外翻板3和内翻板4应当设置成当环形转接段20处于第一轴向位置和第二轴向位置之间时，外翻板3之间以及内翻板4之间都具有间隙，从而使得当外拉杆1或内拉杆2的径向内端位于其最内径向位置时外拉杆1之间或内拉杆2之间都不会彼此干涉。

需要说明的是，在本实施方式中，外杆件201优选位于外拉杆1的沿周向远离内拉杆2的一侧，内杆件203位于内拉杆2的沿周向远离外拉杆1的一侧。这样的布置可避免外连杆18和内连杆19在转动过程中产生干涉。也就是说，外连杆18和内连杆19皆位于拉杆的周向外侧。

另外，尽管在本实施方式中设置了16对拉杆，同时相应地将外翻板3和内翻板4分割为16块，分别安装在外帽罩15和内帽罩16上，各翻板之间留有一定的间隙，并分别与对应的拉杆相连，但应当理解的是，外拉杆1和内拉杆2的个数，即拉杆的对数可以根据需要作出适当的调整，相应地内外翻板的数量也作出适应性调整。还有，作动机构的个数也可以不局限于本实施方式中的两个，也可以仅设置一个，当然也可以多个，但优选是沿环形转接段20径向对称。

下面简单介绍一下主动气流控制调节装置100如何随发动机燃烧室的工况进行流量分配的过程。

在发动机燃烧室处于小工况时，作动筒17伸长，带动环形转接段20向其第一轴向位置平动，从而带动外连杆18绕其与外杆件201的连环铰接处23逆时针转动、进而带动外拉杆1沿套筒5的外导向槽51径向向内滑动，同时带动内连杆19绕其与内杆件203的连环铰接处顺时针转动、进而带动内拉杆2沿套筒5的内导向槽52径向向外滑动。结果，外拉杆1带动外翻板3往内侧运动，内拉杆2带动内翻板4往外侧运动，从而产生一个收口，减少进入火焰筒头部即旋流器6的空气14，增加进入外环腔12和内环腔13的空气，如图5A所示。

而在发动机燃烧室处于大工况时，作动筒17收缩，带动环形转接段20向其第二轴向位置平动，从而带动外连杆18绕其与外杆件201的连环铰接处23顺时针转动、进而带动外拉杆1沿套筒5的外导向槽51径向向外滑动，同时带动内连杆19绕其与内杆件203的连环铰接处逆时针转动、进而带动内拉杆2沿套筒5的内导向槽52径向向内滑动。结果，外拉杆1带动外翻板3往外侧运动，内拉杆2带动内翻板4往内侧运动，从而增加进入火焰筒头部即旋流器6的空气14，同时减少外环腔12和内环腔13的空气，如图5B所示。

尽管在上述实施方式中，外拉杆1和内拉杆2的相反径向移动是靠作动筒17带动环形转接段20、进而带动两端分别铰接于拉杆和环形转接段的杆件的连杆进行顺时针或逆时针转动来实现，但在另外的实施方式中，外拉杆和内拉杆的相反径向移动也可以无需作动筒的配合，而仅仅靠磁场的作用，比如将外拉杆201和内拉杆203分别设置为第一和第二电磁装置，而外拉杆和内拉杆的径向外端设置为永磁铁或电磁铁，在第一电磁装置与外拉杆同极相斥时，第二电磁装置与内拉杆异极相吸，从而实现内外拉杆的相反径向运动。只是这样设计时，最好在燃烧室内设置两个止挡件来阻止外拉杆和内拉杆的径向内端，以避免外拉杆或内拉杆被电磁装置排斥时能够限制在某一径向位置上；或者直接在外拉杆和内拉杆的径向外端设置台肩避免在被电磁装置相斥时继续径向向内滑动。

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 (8)

1.一种主动气流控制调节装置，适用于调节燃烧室内气流分配，其特征在于，包括沿燃烧室周向布置的多个执行机构、用于将所述多个执行机构集成在一起的环形转接段(20)、以及用于支撑和作动该环形转接段的至少一个作动机构，

其中，每个所述执行机构包括：

套筒(5)，其固定于燃烧室的外机匣(7)上并设置有径向延伸进入燃烧室内的外导向槽(51)和内导向槽(52)；

外拉杆(1)，其径向可移动地贯穿外导向槽延伸；

内拉杆(2)，其径向可移动地贯穿内导向槽延伸，并且其移动方向与外拉杆(1)的移动方向相反；

外翻板(3)，其两端可枢转地分别连接于外拉杆(1)的径向内端和燃烧室内的外帽罩(15)；

内翻板(4)，其两端可枢转地分别连接于内拉杆(2)的径向内端和燃烧室内的内帽罩(16)；并且

其中，通过所述作动机构带动所述环形转接段(20)在第一轴向位置和第二轴向位置之间平动，使得当环形转接段(20)处于其第一轴向位置时，外翻板(3)和内翻板(4)分别在外拉杆(1)和内拉杆(2)的相向运动带动下收缩供气体进入燃烧室火焰筒的空间，而当环形转接段(20)处于其第二轴向位置时，外翻板(3)和内翻板(4)分别在外拉杆(1)和内拉杆(2)的背向运动带动下扩大供气体进入燃烧室火焰筒的空间。

2.根据权利要求1所述的主动气流控制调节装置，其特征在于，所述环形转接段(20)包括多对从环形转接段轴向向外延伸的杆件，其中每对所述杆件包括：

外杆件(201)，其通过一个外连杆(18)与一个所述执行机构的所述外拉杆(1)关联，其中，外连杆的一端与外杆件的自由端可枢转地连接，另一端与所述外拉杆(1)的径向外端可枢转地连接；

内杆件(203)，其通过一个内连杆(19)与所述执行机构的所述内拉杆(2)关联，其中，内连杆的一端与外杆件的自由端可枢转地连接，另一端与所述内拉杆(2)的径向外端可枢转地连接；并且

其中，当所述环形转接段(20)处于其第一轴向位置时，所述外拉杆(1)的径向内端位于其最内径向位置，所述内拉杆(2)的径向内端位于其最外径向位置，这时外翻板(3)和内翻板(4)之间供气流通过的空间最小，从而进入燃烧室内火焰筒的空气最少而进入燃烧室外环腔(12)和内环腔(13)的气体最多；当所述环形转接段(20)处于其第二轴向位置时，所述外拉杆(1)的径向内端位于其最外径向位置，所述内拉杆(2)的径向内端位于其最内径向位置，这时外翻板(3)和内翻板(4)之间供气流通过的空间最大，从而进入燃烧室内火焰筒的空气最多而进入燃烧室外环腔(12)和内环腔(13)的气体最少。

3.根据权利要求1或2所述的主动气流控制调节装置，其特征在于，所述作动机构包括：

安装座(21)，其固定于所述外机匣(7)上；

作动筒(17)，其构成为轴向可伸缩地移动并在其自由端与所述环形转接段(20)连接，从而带动所述环形转接段(20)在所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间移动。

4.根据权利要求3所述的主动气流控制调节装置，其特征在于，所述至少一个作动机构是两个作动机构，所述两个作动机构相对所述环形转接段(20)径向对称地布置。

5.根据权利要求4所述的主动气流控制调节装置，其特征在于，所述作动机构为液压作动机构。

6.根据权利要求2所述的主动气流控制调节装置，其特征在于，所述外翻板(3)和所述内翻板(4)设置成当所述环形转接段(20)处于所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间时，所述外翻板(3)之间以及所述内翻板(4)之间都具有间隙，从而使得当所述外拉杆(1)或所述内拉杆(2)的径向内端位于所述最内径向位置时所述外拉杆(1)之间或所述内拉杆(2)之间都不会彼此干涉。

7.根据权利要求2或6所述的主动气流控制调节装置，其特征在于，所述外杆件(201)位于所述外拉杆(1)的沿周向远离所述内拉杆(2)的一侧，所述内杆件(203)位于所述内拉杆(2)的沿周向远离所述外拉杆(1)的一侧。

8.一种包括根据权利要求1至7任一项所述的主动气流控制调节装置的发动机燃烧室。