CN107763666B - 一种燃烧室头部油气掺混器及具有该结构的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧室头部油气掺混器，包括预燃级组件和主燃级组件。预燃级中心喷嘴包括同轴布置的脉冲部和旋流部，脉冲部包括依次连通且同轴布置的进口段、锥形收缩段、管状过渡段和球形振荡室；旋流部包括依次连通且同轴布置的管状旋流段、锥形收缩段和出口稳定段，旋流段的主体呈管状，其内壁设置有旋流槽。预燃级用于对副油路燃油进行雾化，由预燃级中心喷嘴进行初步雾化，由预燃级旋流器进行进一步雾化，提供中心回流区，起到稳燃的作用，提高了点熄火性能；主燃级直射喷嘴用于对主油路燃油进行雾化，燃油由星形直喷喷嘴喷出，由主燃级旋流器进行燃油雾化，实现大工况下贫油燃烧，降低污染物排放，提高燃烧效率。

Description

一种燃烧室头部油气掺混器及具有该结构的发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机燃烧室领域，具体涉及一种燃烧室头部油气掺混器，其中预燃级燃油通过脉冲离心雾化喷嘴喷出，主燃级燃油通过星形直喷喷嘴喷出，可提高燃油雾化质量及燃烧效率，并减少污染物排放。

背景技术

目前，双油路燃烧室头部油气掺混器在燃气涡轮发动机燃烧室中具有广泛的应用，燃油经过副油路和主油路分别进入预燃级和主燃级，通过将大部分燃油喷入主燃级，实现预混和部分预混燃烧，从而降低主燃区温度，进而降低氮氧化物排放。一小部分燃油通过预燃级喷嘴供入燃烧室。现有预燃级喷嘴普遍使用离心喷嘴，主燃级喷嘴多采用圆形直喷喷嘴，二者相互配合来实现燃油雾化，然而现有预燃级离心喷嘴雾化质量一般，由其喷射形成的雾锥呈空心雾锥结构，影响了燃油雾化质量，继而影响了发动机的点熄火性能，另外现有的主燃级直喷喷嘴，由于其形状呈圆形，圆形直喷喷嘴径向速度为抛物线型，气流核心区域小，流场不够均匀，相同体积下与空气接触面积小，穿透深度较小，影响了燃油的雾化质量和燃烧室的燃烧效率，不利于降低污染物排放。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明旨在提供一种燃烧室头部油气掺混器及具有该结构的发动机，通过将预燃级喷嘴设置为脉冲离心雾化喷嘴以及将主燃级喷嘴的形状由现有技术中较为常见的圆形直射喷嘴设置为星形直射喷嘴，从而提高燃油雾化质量，提高燃烧效率，提高点熄火性能，降低污染物排放。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种燃烧室头部油气掺混器，包括位于中心的预燃级组件和位于所述预燃级组件外围的主燃级组件，所述预燃级组件包括预燃级中心喷嘴以及设置在所述预燃级中心喷嘴外围并与其同轴布置的预燃级旋流器，所述主燃级组件包括主燃级旋流器以及设置在主燃旋流通道侧壁上的多个主燃级直射喷嘴，所述预燃级中心喷嘴与副油路连通，所述主燃级直射喷嘴与主油路连通，其特征在于：

所述预燃级中心喷嘴包括同轴布置的脉冲部和旋流部，其中，

--所述脉冲部包括依次连通且同轴布置的进口段、锥形收缩段、管状过渡段和球形振荡室，且所述进口段的内径与所述球形振荡室的直径相当，均大于所述过渡段的内径；

--所述旋流部包括依次连通且同轴布置的管状旋流段、锥形收缩段和出口稳定段，所述出口稳定段的内径小于所述旋流段的内径，

所述旋流段的内径小于所述球形振荡室的直径，且二者相互连通并同轴布置，

所述旋流段的主体呈管状，其内壁设置有旋流槽。

优选地，所述脉冲部中，所述进口段与锥形收缩段之间、所述锥形收缩段与管状过渡段之间、以及所述管状过渡段和球形扩张段之间均设置有光滑过渡圆角。

优选地，所述预燃级旋流器包括两级旋流器，其中，第一级为直接设置在所述中心喷嘴外围的轴向旋流器，第二级为设置在第一级旋流通道出口附近位置的径向旋流器，两级旋流器用于对中心喷嘴供应的副油路燃油进行雾化，提供中心回流区，实现富油燃烧，起到稳燃的作用，提高点熄火性能。

优选地，所述主燃级直射喷嘴沿圆周方向均匀布置在所述主燃旋流通道侧壁上。

进一步地，所述主燃级直射喷嘴的喷口形状呈星形。优选地，所述星形包含但不限于三角形、矩形以及各种星形。

进一步地，所述主燃旋流通道侧壁上设置有环状主油路油腔，各所述直射喷嘴均与所述环状主油路油腔连通。进一步地，所述环状主油路油腔与主油路连通。

优选地，所述主燃级旋流器包括一级轴向旋流器，用于对主油路油腔喷出燃油进行雾化，实现大工况下贫油燃烧，降低污染物排放。

进一步地，燃油经过副油路和主油路分别进入预燃级组件和主燃级组件，在低工况下，预燃级组件单独供油，副油路中的燃油通过预燃级中心喷嘴进行初步雾化，进而在旋流气的作用下进行进一步的雾化；在大工况下，预燃级组件与主燃级组件同时工作，主油路中的燃油通过主燃级直喷喷嘴喷出，并通过主燃级旋流器进行雾化。

本发明的燃烧室头部油气掺混器中，预燃级组件，用于对副油路燃油进行雾化，提供中心回流区，起到稳燃的作用，实现富油燃烧；主燃级组件，用于对主油路燃油进行雾化，实现大工况下贫油燃烧。预燃级燃油雾化由起脉冲离心雾化作用的中心喷嘴与旋流器完成；主燃级燃油雾化由星形直喷喷嘴与旋流器完成。

本发明的预燃级中心喷嘴，实质上是一种脉冲离心雾化喷嘴，高速流体经过入口喷嘴进入球形振荡室，与周围静止流体发生混合以及动量交换，出现不稳定剪切层。由于较高的射流的速度和不稳定的剪切层，剪切层周围的流体被夹带形成轴对称涡环。由于不稳定剪切层的选择、放大作用，剪切射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大，形成大尺度涡环结构。剪切层形成的离散祸环，受到下游碰撞壁的反射作用，以声速向上游反射形成压力扰动波，诱发新的祸量扰动。若分离区与碰撞区的压力扰动波互为反相，就会形成涡量扰动一放大一新的涡量脉动的循环过程，导致腔内流体阻抗发生周期性的变化，完成对射流的“完全阻断”、“部分阻断”及“不阻断”的调制过程。该过程不断重复，最终形成强烈的自激振荡脉冲射流。同时球形振荡腔室产生的压力脉动值更大，对液流的约束作用较好，使反射流体容易到达上喷嘴分离处。

相对于传统的圆形喷嘴径向射流为抛物线型，气流核心区域小，流场不够均匀，相同体积下接触面积最小，本发明的主燃级直喷喷嘴采用星形直喷喷嘴，径向射流为平台形，流场核心区域比较大，具有更大的接触面积，流场更加均匀，燃油雾化效果更好。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种包含上述燃烧室头部油气掺混器的发动机燃烧室，所述发动机为燃气涡轮发动机。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种包含上述燃烧室结构的燃气涡轮发动机。

同现有技术相比，本发明的燃烧室头部油气掺混器具有显著的技术效果：(1)将预燃级中心喷嘴由传统的直射离心式优化设计为脉冲离心式，可大大提高液流的压力离散程度，减小雾化粒径，并有利于核心段的形成，避免空心雾锥，大大提高了预燃级燃油的雾化质量，提高点熄火性能，提高燃烧效率，降低污染物排放。(2)将主燃级直射喷嘴的形状由传统的圆形直射喷嘴设置为星形直射喷嘴，克服了圆形直喷喷嘴径向速度为抛物线型，气流核心区域小，流场不够均匀，相同体积下与空气接触面积小等缺陷，使得直喷喷嘴出口液滴粒径大大较小，同时也加大了穿透深度，燃油雾化质量好，可提高燃烧效率，减少污染物排放。

附图说明

图1为本发明的燃烧室头部油气掺混器的整体结构示意图，其中(A)为正视图，(B)为侧视剖面图。

图2为预燃级中心喷嘴结构示意图，其中(A)为正视图，(B)为侧视剖面图。

图3为主燃级星形直喷喷嘴的放大结构示意图。

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，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1～3所示，本发明的燃烧室头部油气掺混器，包括位于中心的预燃级组件(1、2、3、4)和位于预燃级组件外围的主燃级组件(5、6、15)。预燃级组件包括预燃级中心喷嘴1以及设置在预燃级中心喷嘴1外围并与其同轴布置的预燃级旋流器2、3，预燃级旋流器由两级旋流器组成，第一级为轴向旋流器2，第二级为径向旋流器3，预燃级中心喷嘴1喷射的燃油在第一级旋流通道4与中第一级轴向旋流器2的旋流空气进行初步的旋流雾化，并在第二级径向旋流器3的作用下，在其旋流通道中进一步与空气掺混，两级预燃级旋流器2、3用于对副油路燃油进行雾化，提供中心回流区，实现富油燃烧，起到稳燃的作用，提高点熄火性能。

参见图1、3，主燃级组件包括主燃级旋流器5以及设置在主燃旋流通道外侧壁上的、主油路油腔6及多个主燃级直射喷嘴15，多个主燃级直射喷嘴15沿圆周方向均匀布置在主燃旋流通道的外侧壁上，各直射喷嘴均与环状主油路油腔6连通。主燃级燃油雾化由主燃级直射喷嘴15完成，主燃级直射喷嘴15的喷口形状呈星形(如图3所示)，星形直喷喷嘴包含三角形、矩形以及各种星形。主燃级旋流器5为一级轴向旋流器，用于对主油路油腔6喷出燃油进行雾化，实现大工况下贫油燃烧，降低污染物排放。

如图2所示，预燃级中心喷嘴1为脉冲离心雾化喷嘴，预燃级燃油雾化由脉冲离心雾化喷嘴1完成，脉冲离心雾化喷嘴1包括脉冲部和旋流部，脉冲部包括依次连通且同轴布置的进口段7、锥形收缩段9、过渡圆角9、管状过渡段10、球形振荡室11，进口段7的内径与球形振荡室11的直径相当，均大于管状过渡段10的内径；进口段7与锥形收缩段9之间、锥形收缩段9与管状过渡段10之间、以及管状过渡段10和球形扩张段11之间均设置有光滑过渡圆角8。旋流部包括依次连通且同轴布置的管状旋流段12、锥形收缩段14和出口稳定段13，出口稳定段13的内径小于管状旋流段12的内径。管状旋流段12的内径小于球形振荡室11的直径，且二者相互连通并同轴布置，管状旋流段主体呈管状，其内壁设置有旋流槽。

本发明中的预燃级中心喷嘴1为脉冲离心雾化喷嘴(如图2所示)，采用脉冲部和旋流部的配合来实现脉冲作用，压力的离散程度较高，与管状旋流段12配合可进一步提高雾化质量，管状旋流段后还紧接着一出口平稳段13来实现稳流，可进一步提高点熄火性能。本发明中星形直喷喷嘴15(如图3所示)的出口液滴粒径比传统圆形直喷喷嘴小20％以上，同时穿透深度也较大，燃油雾化质量好，可提高燃烧效率，减少污染物排放。

本发明的燃烧室头部油气掺混器中，燃油经过副油路和主油路分别进入预燃级组件和主燃级组件。在低工况下，预燃级组件单独供油，预燃级燃油通过脉冲离心雾化中心喷嘴1进行初步雾化，进而在两级旋流气的作用下进行进一步的雾化，在预燃区稳定燃烧，起到稳燃的作用；在大工况下，预燃级组件与主燃级组件同时工作，主燃级燃油通过星形直喷喷嘴喷出，通过第三级轴向旋流器进行雾化，在主燃区进行燃烧，降低污染物排放。

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。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。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)

1.一种燃烧室头部油气掺混器，包括位于中心的预燃级组件和位于所述预燃级组件外围的主燃级组件，所述预燃级组件包括预燃级中心喷嘴以及设置在所述预燃级中心喷嘴外围并与其同轴布置的预燃级旋流器，所述主燃级组件包括主燃级旋流器以及设置在主燃旋流通道侧壁上的多个主燃级直射喷嘴，所述预燃级中心喷嘴与副油路连通，所述主燃级直射喷嘴与主油路连通，其特征在于：

所述预燃级中心喷嘴为脉冲离心雾化喷嘴，包括同轴布置的脉冲部和旋流部，其中，

所述脉冲部包括依次连通且同轴布置的进口段、锥形收缩段、管状过渡段和球形振荡室，且所述进口段的内径与所述球形振荡室的直径相当，均大于所述过渡段的内径；

所述旋流部包括依次连通且同轴布置的管状旋流段、锥形收缩段和出口稳定段，所述出口稳定段的内径小于所述旋流段的内径，

所述旋流段的内径小于所述球形振荡室的直径，且二者相互连通并同轴布置，

所述旋流段的主体呈管状，其内壁设置有旋流槽；

所述主燃级直射喷嘴沿圆周方向均匀布置在所述主燃旋流通道侧壁上，所述主燃级直射喷嘴的喷口形状呈星形。

2.根据权利要求1所述的燃烧室头部油气掺混器，其特征在于，所述脉冲部中，所述进口段与锥形收缩段之间、所述锥形收缩段与管状过渡段之间、以及所述管状过渡段和球形扩张段之间均设置有光滑过渡圆角。

3.根据权利要求1所述的燃烧室头部油气掺混器，其特征在于，所述预燃级旋流器包括两级旋流器，其中，第一级为直接设置在所述中心喷嘴外围的轴向旋流器，第二级为设置在第一级旋流通道出口附近位置的径向旋流器。

4.根据权利要求1所述的燃烧室头部油气掺混器，其特征在于，所述星形包含但不限于三角形、矩形。

5.根据权利要求1所述的燃烧室头部油气掺混器，其特征在于，所述主燃旋流通道侧壁上设置有环状主油路油腔，各所述直射喷嘴均与所述环状主油路油腔连通。

6.根据权利要求5所述的燃烧室头部油气掺混器，其特征在于，所述环状主油路油腔与主油路连通。

7.根据权利要求1所述的燃烧室头部油气掺混器，其特征在于，所述主燃级旋流器为一级轴向旋流器。

8.根据权利要求1所述的燃烧室头部油气掺混器，其特征在于，燃油经过副油路和主油路分别进入预燃级组件和主燃级组件，在低工况下，预燃级组件单独供油，副油路中的燃油通过预燃级中心喷嘴进行初步雾化，进而在旋流气的作用下进行进一步的雾化；在大工况下，预燃级组件与主燃级组件同时工作，主油路中的燃油通过主燃级直喷喷嘴喷出，并通过主燃级旋流器进行雾化。

9.一种发动机燃烧室，包含上述权利要求1～8任一项所述的燃烧室头部油气掺混器，所述发动机为燃气涡轮发动机。

10.一种包括权利要求9所述的燃烧室的燃气涡轮发动机。