CN106224955A - 一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室，其头部油气掺混器的结构包括中心稳燃级组件、外围稳燃级组件和主燃级组件，中心稳燃级组件位于主燃级组件中心，外围稳燃级组件位于相邻两个主燃级组件之间。燃烧室点火时，点火器首先点燃靠近火焰筒外环的外围稳燃级组件，进而引燃其他外围稳燃级组件和中心稳燃级组件，由于点火器能量无需穿过主燃级气流，大大提高了分级燃烧室点火性能；燃烧室在大功率状态工作时，中心稳燃级组件、外围稳燃级组件、主燃级组件三者同时供油，中心稳燃级组件和外围稳燃级组件同时对主燃级火焰起到稳定作用，增强了大功率状态主燃级燃烧稳定性。

Description

一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室
技术领域
本发明应用于航空发动机燃烧室领域，尤其涉及采用分级燃烧技术的民用低污染燃烧室和军用高温升燃烧室。
背景技术
目前，分级燃烧室主要有两个应用方向，一种为低污染燃烧室，主要应用在民用航空发动机上，以燃烧效率高、污染物排放(主要为氮氧化物、一氧化碳)低为主要技术特征，其典型代表是应用于GEnx发动机的TAPS燃烧室和应用于GE9x发动机上的TAPS II燃烧室。TAPS和TAPS II燃烧室采用分级分区燃烧的理念，通过主燃级进行大部分燃油和空气的掺混，实现预混和部分预混燃烧，从而降低主燃区温度和热力型氮氧化物排放。一小部分燃油和空气通过预燃级供入燃烧室，预燃级一般采用扩散燃烧方式来维持燃烧室在全工况范围内的燃烧稳定性。
分级燃烧室的另一个应用方向是军用高温升燃烧室。提高燃烧室温升是提高发动机推重比的一种主要方法，第四代航空发动机的燃烧室温升一般超过1100℃。然而，提高燃烧室的温升必然需要大幅提升燃烧室的总油气比，这会带来燃烧室油气掺混困难、燃烧效率低、排气冒烟严重等技术难题，采用分级燃烧技术是一个必然的选择。然而这会造成高温升燃烧室头部进气量高达60％～80％，从而造成主燃级空气流量太大，值班级难以对主燃级部分预混火焰进行有效稳定；并且，点火能量难以穿透主燃级气流到达预燃级，导致燃烧室点火性能严重下降。
针对分级高温升燃烧室主燃级空气流量大、点火性能差以及主燃级火焰难以稳定的问题，本发明发明提出了一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室解决方案，其中中心稳燃级相当于传统分级燃烧室的预燃级，外围稳燃级与中心稳燃级具有相同或不同的结构。点火时，点火能量只需点燃外围稳燃级，进而引燃中心稳燃级，从而使点火能量避免穿过主燃级气流；工作时，中心稳燃级和外围稳燃级共同对主燃级火焰进行稳定，从而提高了主燃级火焰的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：分级燃烧室头部主燃级空气流量较大，点火器产生的点火能量难以穿透主燃级气流点燃预燃级，造成分级燃烧室点火困难；其次，主燃级流量太大造成预燃级火焰难以对主燃级火焰进行有效稳定，燃烧室容易发生主燃级熄火和热声震荡。本发明提出了采用多点喷射稳燃级提高点火和火焰稳定性能的分级燃烧室解决方案。
本发明发明解决上述技术问题所采用的方案：
一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室，包括扩压器、燃烧室机匣、火焰筒、供油杆、点火器和若干个头部油气掺混器；所述的扩压器位于气流来流方向的前端，所述的燃烧室机匣包括燃烧室内机匣和燃烧室外机匣，所述燃烧室内机匣、燃烧室外机匣和火焰筒均为环形，所述的火焰筒设置在燃烧室机匣内，并与燃烧室机匣同轴；所述的若干个头部油气掺混器沿周向均匀安装于气流来流方向的火焰筒前端壁，每个头部油气掺混器包括头部主燃级组件和多点喷射稳燃级组件，其特征在于：
所述多点喷射稳燃级组件包括中心稳燃组件和外围稳燃级组件，所述中心稳燃级组件位于主燃级组件中心，所述外围稳燃级组件位于相邻两个主燃级组件之间；所述主燃级组件的中心设置有1个中心稳燃级组件，相邻两个主燃级组件之间设置有2个外围稳燃级组件，所述点火器设置在靠近火焰筒外环的外围稳燃级组件附近。
优选地，所述的头部主燃级组件包括由内到外、同轴布置的主燃级内旋流器、主燃级油腔和主燃级外旋流器。
优选地，所述的主燃级内旋流器为轴向旋流器，包括若干直叶片，所述轴向旋流器的内壁面和外壁面均为环形结构，主燃级内旋流器内壁面包括圆柱段和圆锥段，所述的主燃级内旋流器的直叶片设置于主燃级内旋流器内壁面的圆柱段；所述主燃级内旋流器的内壁面和外壁面包围的空间构成了主燃级内旋流器的空气通道，该通道的出口直径大于进口直径。
优选地，所述的主燃级外旋流器为径向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述主燃级外旋流器的内壁面和外壁面均包含径向段和水平段两段，径向旋流器叶片设置于主燃级外旋流器内壁面和外壁面的径向段；所述的主燃级外旋流器内壁面和外壁面包围的空间为主燃级外旋流器空气通道，气流首先径向向内流入，之后水平流出.
优选地，所述的主燃级油腔呈环形，由主燃级内旋流器的外壁面和主燃级外旋流器的内壁面包围而成，主燃级油腔尾部由两个圆锥面组成，在两个圆锥面上设置有两排一定数量的燃油喷射孔，分别向主燃级外旋流器和主燃级内旋流器的空气通道内喷射燃油。
优选地，所述的多点喷射稳燃级组件，包括位于主燃级中心的中心稳燃级组件和主燃级组件外围的外围稳燃级组件，所述的中心稳燃级组件包括由内向外、同轴布置的中心直射喷嘴、稳燃级内旋流器、稳燃级文氏管、稳燃级外旋流器。
优选地，所述的中心直射喷嘴为离心喷嘴，包括圆柱段和圆锥段，燃油从圆锥段后端面以一定角度喷出，在所述的稳燃级文氏管尾缘成膜，并在稳燃级内旋流器和稳燃级外旋流器气流剪切作用下雾化。
优选地，所述的稳燃级内旋流器为轴向旋流器，包括一定数量的直叶片，稳燃级内旋流器叶片设置于中心直射喷嘴的圆柱段；所述的中心直射喷嘴的外壁和稳燃级文氏管的内壁构成了稳燃级内旋流器空气通道，该空气通道先收缩后扩张。
优选地，所述的稳燃级文氏管包括平直段、收敛段和扩张段，所述的稳燃级外旋流器外壁面包含收敛段和扩张段。
优选地，所述的稳燃级外旋流器为轴向旋流器，包括一定数量的直叶片，直叶片设置于稳燃级文氏管外壁收敛段；稳燃级外旋流器内壁面和稳燃级文氏管外壁面构成稳燃级外旋流器气流通道，该通道先收敛后扩张。
优选地，所述的主燃级中心稳燃级与外围稳燃级具有相同或不同的结构。
优选地，燃烧室头部相邻两个主燃级组件之间有2个外围稳燃级组件，主燃级组件中心有1个中心稳燃级组件。
优选地，外围稳燃级组件中心轴距火焰筒中心轴距离L与火焰筒高度H之比介于0.25-0.4之间。
优选地，所述的燃烧室点火器位于靠近火焰筒外环的外围稳燃级组件附近，点火时，点火器首先点燃靠近火焰筒外环的外围稳燃级组件，进而引燃靠近火焰筒内环的外围稳燃级组件和中心稳燃级组件。
优选地，当燃烧室在低功率状态工作时，中心稳燃级组件和外围稳燃级组件同时供油，主燃级组件不供油，保证此时燃烧稳定性。
优选地，当燃烧室在大功率状态工作时，中心稳燃级组件、外围稳燃级组件和主燃级组件同时供油工作，中心稳燃级组件和外围稳燃级组件共同稳定主燃级组件火焰。
优选地，当燃烧室接近贫油熄火状态时，只对中心稳燃级组件供油，从而提高燃烧室的熄火性能。
优选地，燃烧室在设计状态工作时，所述的中心稳燃级组件和外围稳燃级组件的燃烧当量比为0.9～0.7，保证燃烧低排放的同时，共同稳定主燃级火焰。
本发明发明的工作原理：
本发明发明所涉及的一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室，其头部油气掺混器分为主燃级、中心稳燃级和外围稳燃级。其中，中心稳燃级位于主燃级中心，外围稳燃级位于相邻两个主燃级之间。主燃级中心设置有一个中心稳燃级，相邻两个主燃级之间设置有2个外围稳燃级。大部分燃油和空气供入主燃级，实现充分混合和部分预混燃烧，从而提高燃烧效率并降低污染物排放。小部分燃油和空气进入多点喷射稳燃级，采用扩散燃烧方式来改善分级燃烧室的主燃级燃烧稳定性。
当燃烧室点火时，中心稳燃级和外围稳燃级同时供油，点火器首先点燃靠近火焰筒外环的外围稳燃级，进而引燃其余外围稳燃级和中心稳燃级，即点火器能量无需穿过主燃级气流，大大降低了点火难度。当燃烧室处于大功率状态工作时，主燃级和多点喷射稳燃级同时供油，主燃级采用部分预混燃烧方式，多点喷射稳燃级采用贫油扩散燃烧方式，两者结合能够降低燃烧室的污染物排放；并且中心稳燃级和外围稳燃级共同对主燃级火焰起到稳定作用。当燃烧室处于低功率燃烧状态时，只有多点喷射稳燃级供油，保证此时的燃烧稳定性；燃烧功率进一步降低，外围稳燃级也不再供油，只有中心稳燃级供油，保证燃烧室的贫油熄火性能。
本发明与现有技术相比具有的优点：
1、本发明所涉及的一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室，由于点火时只需点燃外围稳燃级，点火器能量无需穿过主燃级气流，因此其点火性能优于传统分级燃烧室。
2、本发明所涉及的一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室，主燃级火焰同时受到中心稳燃级和外围稳燃级的稳定作用，相对于传统分级燃烧室主燃级火焰只受预燃级的稳定，这大大提高了主燃级火焰的燃烧稳定性。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室的基本结构示意图；
图2是本发明所涉及的一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室的头部周向布置图；
图3是本发明所涉及的一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室的头部主燃级的结构图；
图4是本发明所涉及的一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室的头部多点喷射稳燃级的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
如图1所示，是本发明所涉及的采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室基本机构图，包括设置于燃烧室头部的扩压器1、燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3、燃烧室出口4、火焰筒外环5、火焰筒内环6、燃油供油杆7、和头部油气掺混器8。头部油气掺混器8由中心稳燃级9、主燃级10和外围稳燃级13组成。通过扩压器1进入燃烧室的空气分为三股，一股从火焰筒外环5进入燃烧室，用于冷却火焰筒外环5；一股从火焰筒内环6进入燃烧室，用于冷却火焰筒内环6；其余空气全部从头部油气掺混器8进入火焰筒参与燃烧。燃油经过燃油供油杆7供入头部油气掺混器8，在头部油气掺混器8的组织下，燃油与空气分区掺混并燃烧，产生的高温燃气经由燃烧室出口4流出。空气进过头部油气掺混器8后在火焰筒内形成主回流区11和角回流区12。
图2是本发明所涉及的采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室头部结构周向布置图，由图可知，中心稳燃级9位于主燃级10中心，外围稳燃级13位于相邻两个主燃级10之间，中心稳燃级9和外围稳燃级13具有相同的结构。主燃级10中心设置有1个中心稳燃级9，相邻两个主燃级10之间设置有2个外围稳燃级13。点火器14设置在靠近火焰筒外环5的外围稳燃级13附近。
图3和图4为本发明所涉及的采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室的头部主燃级10和外围稳燃级13的结构图，其中主燃级10包括主燃级内旋流器15、主燃级油腔16和主燃级外旋流器17，三者由内向外同轴布置。外围稳燃级13与中心稳燃级9具有同样的结构，包括由内向外、同轴布置的中心直射喷嘴18、稳燃级内旋流器19、稳燃级文氏管20、稳燃级外旋流器21和稳燃级外旋流器外壁22。其中，外围稳燃级13的中心轴距离火焰筒中心轴的距离L与火焰筒高度H之比介于0.25-0.4之间。
当燃烧室点火时，点火器14首先点燃靠近火焰筒外环5的外围稳燃级13，然后火焰传播引燃其余外围稳燃级和中心稳燃级9。当燃烧室在低功率状态工作时，中心稳燃级9和外围稳燃级13同时供油，主燃级10不供油，保证此时燃烧稳定性；当燃烧室在大功率状态工作时，中心稳燃级9、外围稳燃级13和主燃级10同时供油工作，中心稳燃级9和外围稳燃级13共同稳定主燃级10火焰。当燃烧室接近贫油熄火状态时，只对中心稳燃级9供油，从而提高燃烧室的熄火性能。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明发明构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用多点喷射稳燃级提高燃烧稳定性的分级燃烧室，包括扩压器、燃烧室机匣、火焰筒、供油杆、点火器和若干个头部油气掺混器；所述的扩压器位于气流来流方向的前端，所述的燃烧室机匣包括燃烧室内机匣和燃烧室外机匣，所述燃烧室内机匣、燃烧室外机匣和火焰筒均为环形，所述的火焰筒设置在燃烧室机匣内，并与燃烧室机匣同轴；所述的若干个头部油气掺混器沿周向均匀安装于气流来流方向的火焰筒前端壁，每个头部油气掺混器包括头部主燃级组件和多点喷射稳燃级组件，其特征在于：
所述多点喷射稳燃级组件包括中心稳燃组件和外围稳燃级组件，所述中心稳燃级组件位于主燃级组件中心，所述外围稳燃级组件位于相邻两个主燃级组件之间；所述主燃级组件的中心设置有1个中心稳燃级组件，相邻两个主燃级组件之间设置有2个外围稳燃级组件，所述点火器设置在靠近火焰筒外环的外围稳燃级组件附近。
2.根据上述权利要求所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的头部主燃级组件包括由内到外、同轴布置的主燃级内旋流器、主燃级油腔和主燃级外旋流器。
3.根据权利要求2所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的主燃级内旋流器为轴向旋流器，包括若干直叶片，所述轴向旋流器的内壁面和外壁面均为环形结构，主燃级内旋流器内壁面包括圆柱段和圆锥段，所述的主燃级内旋流器的直叶片设置于主燃级内旋流器内壁面的圆柱段；所述主燃级内旋流器的内壁面和外壁面包围的空间构成了主燃级内旋流器的空气通道，该通道的出口直径大于进口直径。
4.根据权利要求3所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的主燃级外旋流器为径向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述主燃级外旋流器的内壁面和外壁面均包含径向段和水平段两段，径向旋流器叶片设置于主燃级外旋流器内壁面和外壁面的径向段；所述的主燃级外旋流器内壁面和外壁面包围的空间为主燃级外旋流器空气通道，气流首先径向向内流入，之后水平流出。
5.根据权利要求4所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的主燃级油腔呈环形，由主燃级内旋流器的外壁面和主燃级外旋流器的内壁面包围而成，主燃级油腔尾部由两个圆锥面组成，在两个圆锥面上设置有两排一定数量的燃油喷射孔，分别向主燃级外旋流器和主燃级内旋流器的空气通道内喷射燃油。
6.根据上述权利要求所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的多点喷射稳燃级组件，包括位于主燃级中心的中心稳燃级组件和主燃级组件外围的外围稳燃级组件，所述的中心稳燃级组件包括由内向外、同轴布置的中心直射喷嘴、稳燃级内旋流器、稳燃级文氏管、稳燃级外旋流器。
7.根据权利要求6所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的中心直射喷嘴为离心喷嘴，包括圆柱段和圆锥段，燃油从圆锥段后端面以一定角度喷出，在所述的稳燃级文氏管尾缘成膜，并在稳燃级内旋流器和稳燃级外旋流器气流剪切作用下雾化。
8.根据权利要求7所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的稳燃级内旋流器为轴向旋流器，包括一定数量的直叶片，稳燃级内旋流器叶片设置于中心直射喷嘴的圆柱段；所述的中心直射喷嘴的外壁和稳燃级文氏管的内壁构成了稳燃级内旋流器空气通道，该空气通道先收缩后扩张。
9.根据权利要求8所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的稳燃级文氏管包括平直段、收敛段和扩张段，所述的稳燃级外旋流器外壁面包含收敛段和扩张段。
10.根据权利要求9所述的分级燃烧室，其特征在于：所述的稳燃级外旋流器为轴向旋流器，包括一定数量的直叶片，直叶片设置于稳燃级文氏管外壁收敛段；稳燃级外旋流器内壁面和稳燃级文氏管外壁面构成稳燃级外旋流器气流通道，该通道先收敛后扩张。
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