CN107883404A - 燃油喷嘴、核心机及涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃油喷嘴、核心机及涡轮发动机。其中，燃油喷嘴包括集油环，集油环设有第一油路和数个独立的腔室，第一油路设有数个与数个独立的腔室对应的喷油孔，第一油路的燃油通过喷油孔喷入腔室并向外喷出，数个腔室均设有进气孔，通过进气孔进入的气流能够在数个腔室中形成不同的气压，以使数个喷油孔处之间形成压差。在第一油路不工作时，残留在气压高的喷油孔上的燃油在气压的作用下进入第一油路内并从气压低的喷油孔处排出，从而有效地避免了喷油孔处容易发生燃油焦结的风险。

Description

燃油喷嘴、核心机及涡轮发动机

技术领域

本发明涉及涡轮燃气机技术领域，尤其涉及一种燃油喷嘴、核心机及涡轮发动机。

背景技术

随着高性能、高压比航空发动机的发展，用燃油做冷却剂以冷却发动机装置的需求迅速增长，使得燃油在进入燃油喷嘴前的燃油温度升高达100～140℃；同时随着发动机压比的不断增高以提高循环效率，燃烧室进口空气温度也进一步提高，推重比10一级发动机燃烧室进口空气温度达800K以上，从而使得燃油喷嘴内油温、油管壁温不断提高，造成喷嘴内燃油严重沉积、结焦，附在内壁上，严重时会局部堵塞喷口，阻挡喷雾锥形成，导致喷油雾化质量急剧恶化。燃油雾化不良及雾化质量不稳定将导致燃烧室点火联焰困难和无规律性，以及燃烧效率的降低，有时燃油浓度场的不稳定会导致燃烧室出口燃气温度分布的不稳定和恶化，严重时引起火焰筒和涡轮导向器及转子叶片的烧伤。因此，有必要对喷嘴采取隔热措施，以减少外界热源对燃油湿壁的传热，从而避免因燃油温度过高而产生结焦。根据已有的研究结果和喷嘴结构条件分析，认为如下措施有助于降低燃油喷嘴的结焦：(1)采用热稳定性更好的燃油；(2)用空气或燃油冷却喷嘴；(3)改进燃油通道几何尺寸和热防护，以降低湿壁温度；(4)对燃油通道表面进行处理以抑制积炭。目前主要对喷嘴进行有效的热防护结构设计、优化喷嘴流道结构、提高表面光洁度来降低湿壁温度、减少燃油喷嘴结焦。

从20世纪八十年代起，由于污染排放要求严格，民用航空发动机，如E3发动机的燃烧室普遍采用燃油分级的组织燃烧方式，包括轴向分级、径向分级和周向分级等多种分级方式，在小功率状态(如返场等)部分油路关闭，大功率状态(起飞、爬升等)全部油路开启。在小功率状态，虽然燃烧室进口参数较低，但非工作油路中残留的燃油在油路中静止不动，即使采用了内、外隔热的热防护方式，燃油也将不断地被空气/燃气加热，最终达到热平衡导致燃油结焦。这一时期研发的民用航空发动机燃烧室喷嘴多采用内外隔热方式与主、副油路燃油相互换热相结合的喷嘴热防护方案。

现有的用于热防护结构的燃油喷嘴结构如图1所示，进入燃烧室的气流分为3股，包括外环腔冷气a1、火焰筒内燃气a2以及内环腔冷气a3。燃油喷嘴由喷油杆a4和集油环a5等组成。图2示出了现有燃油喷嘴常规的热防护结构的油路示例，在大工况时，通过主油路6冷却副油路5，主油路6中的油从喷油孔8排出，进入主空气模；在慢车以下工况时，主油路6中的油不流动，通过副油路7来冷却主油路6，但在主油路6的喷油孔8处，冷却效果不好，容易发生燃油结焦的现象。

主、副油路燃油相互换热的关键在于合理设计主、副油路结构，在小功率状态利用工作级燃油冷却非工作级燃油，避免非工作级燃油超温。通过主、副油路燃油间的换热设计调节主、副燃油的温度，尽可能避免燃油超温。但该方案对于主、副燃油换热较差的位置，如主油路喷口的热防护效果较一般。因此，必须采用一定的技术来解决主油路喷口处燃油结焦的问题。

发明内容

为克服以上技术缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种燃油喷嘴、核心机及涡轮发动机，能够有效解决油路喷口处燃油结焦的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃油喷嘴，其包括集油环，集油环设有第一油路和数个独立的腔室，第一油路设有数个与数个独立的腔室对应的喷油孔，第一油路的燃油通过喷油孔喷入腔室并向外喷出，数个腔室均设有进气孔，通过进气孔进入的气流能够在数个腔室中形成不同的气压，以使数个喷油孔处之间形成压差。

进一步地，数个腔室设有不同数量和/或不同口径的进气孔，用于实现通过进气孔进入的气流在数个腔室中形成不同的气压。

进一步地，集油环还设有数个与数个喷油孔对应设置的吹扫孔，燃油通过喷油孔喷入腔室，并在气流的作用下雾化后再通过吹扫孔向外喷出。

进一步地，吹扫孔的孔壁向腔室内延伸出凸起结构，凸起结构与喷油孔具有预设间隙。

进一步地，吹扫孔的口径大于喷油孔的口径。

进一步地，吹扫孔的横截面呈圆形、椭圆形或多边形。

进一步地，集油环内设有数个隔板，用于在集油环内的周向上形成数个腔室。

进一步地，集油环还设有沿着第一油路设置的第二油路，第一油路为主油路，第二油路为副油路。

本发明还提供了一种核心机，其包括上述的燃油喷嘴。

本发明还提供了一种涡轮发动机，其包括上述的核心机。

由此，基于上述技术方案，本发明燃油喷嘴通过在集油环上设计数个独立的腔室并在第一油路设置数个与数个独立的腔室对应的喷油孔，数个腔室均设有进气孔，通过进气孔进入的气流能够在数个腔室中形成不同的气压，从而使得数个喷油孔处之间形成压差，在第一油路不工作时，残留在气压高的喷油孔上的燃油在气压的作用下进入第一油路内并从气压低的喷油孔处排出，从而有效地避免了喷油孔处容易发生燃油焦结的风险。本发明核心机和涡轮发动机也相应地具有上述有益的技术效果。

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仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有涡轮发动机的燃烧室的子午截面示意图；

图2为现有燃油喷嘴的油路流路图；

图3为本发明燃油喷嘴整体结构实施例的结构示意图；

图4为本发明燃油喷嘴整体结构在另一视角的结构示意图；

图5为本发明燃油喷嘴内部结构示意图；

图6为本发明燃油喷嘴整体结构在再一视角的结构示意图；

图7为本发明燃油喷嘴中A-A位置处的剖面结构示意图；

图8为本发明燃油喷嘴中B-B位置处的剖面结构示意图；

图9为本发明燃油喷嘴实施例的模拟计算域的结构示意图；

图10～图14分别为本发明燃油喷嘴实施例的模拟计算域在瞬态t为0ms、0.05ms、0.1ms、0.2ms、0.3ms时燃油和空气组分分布示意图。

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。

本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明并不构成对本发明的限定。此外，下面的本发明的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明燃油喷嘴的一个示意性实施例中，结合图3～图10所示，燃油喷嘴包括喷油杆和集油环5，集油环内设有油道13和数个独立的腔室，油道13内设有第一油路6，第一油路6设有数个与数个独立的腔室对应的喷油孔8，第一油路6的燃油通过喷油孔8喷入腔室并向外喷出，数个腔室均设有进气孔10、11、12、15，通过进气孔10、11、12、15进入的气流2能够在数个腔室中形成不同的气压，以使数个喷油孔8处之间形成压差。

在该示意性的实施例中，通过在集油环5上设计数个独立的腔室并在第一油路6设置数个与数个独立的腔室对应的喷油孔8，数个腔室设有进气孔10、11、12、15，通过进气孔10、11、12、15进入的气流能够在数个腔室中形成不同的气压，从而使得数个喷油孔8处之间形成压差，在第一油路6不工作时，残留在气压高的喷油孔8上的燃油在气压压差产生的气流的作用下进入第一油路6内并从气压低的喷油孔8处排出，残留在气压低的喷油孔8上的燃油也一并被排出，从而有效地避免了喷油孔处容易积油而发生燃油焦结的风险。集油环5可优选地通过3D打印加工而成。其中，进气孔10、11、12、15设置在腔室的上游面上。对于如何在集油环5上设计数个独立的腔室，在一个优选的实施例中，如图5所示，集油环5内设有数个隔板14，用于在集油环5内的周向上形成数个腔室，这种方式易于实施，且能够提高喷嘴强度，具有较高的可实施性。

本发明燃油喷嘴尤其适用于包含主油路和副油路的燃油喷嘴结构，具体地，集油环5还设有沿着第一油路6设置的第二油路7，第一油路6为主油路，第二油路7为副油路，主油路和副油路的设置方式可以选用图2所示的结构形式。

为了论证本发明燃油喷嘴如何对残留在喷油孔8上的燃油进行排出，下面对本发明燃油喷嘴的结构开展简单的CFD分析，结合图9～图14所示，计算域选择了两个腔室Q1和Q2，计算了0ms～0.3ms的瞬态流场，如图10～图14所示，图中展示的是两个截面的组分分布，黑色表示全部是空气组分、灰色表示全部是燃油组分，其中左边的截面对应了气压高的腔室Q1，右边的截面对应了气压低的腔室Q2，从图中可以看出随着时间的推进，气流将燃油从气压高的腔室向气压低的腔室排出，如果进行更长时间的计算，能将第一油路6的喷油孔8处的燃油排尽。

对于如何实现通过进气孔10、11、12、15进入的气流2在数个腔室中形成不同的气压，在一个优选的实施例中，如图4和图6所示，数个腔室设有不同数量和/或不同口径的进气孔10、11、12、15，用于实现通过进气孔10、11、12、15进入的气流2在数个腔室中形成不同的气压。不同数量和/或不同口径的进气孔10、11、12、15形成不同面积的进气孔，进气孔的开孔形式不限，气流2从进气孔10、11、12、15进入集油环5的各个腔室，形成空气隔热层，由于进入每个腔室的气体流量差不多，但每个腔室的进气孔面积不一样，例如进气孔10有4个孔，进气孔11有2个孔，因此造成的气压损失不一致。开孔面积大的腔室相对于开孔面积小的腔室的气压损失较小，开孔面积大的腔室对应的喷油孔8处的气压比开孔面积小的腔室对应的喷油孔8处的气压大，从而形成了压差，如图6所示，其中“+”表示气压大，“-”表示气压小，因此残留在气压高的喷油孔8上的燃油在气压压差产生的气流的作用下进入第一油路6内并从气压低的喷油孔8处排出。

作为对上述实施例的改进，如图3、图4和图7所示，集油环5还设有数个与数个喷油孔8对应设置的吹扫孔9，燃油通过喷油孔8喷入腔室，并在气流的作用下雾化后再通过吹扫孔9向外喷出，吹扫孔9的设置有利于从喷油孔8喷出的燃油在气流作用下雾化，提高燃油的燃烧率。优选地，吹扫孔9的口径大于喷油孔8的口径，有利于提高吹扫面积，吹扫孔9的横截面优选地呈圆形、椭圆形或多边形，当然还可以是其他不规则形状的异形。

作为对上述实施例的进一步改进，如图7所示，吹扫孔9的孔壁向腔室内延伸出凸起结构，凸起结构与喷油孔8具有预设间隙。通过集油环5上吹扫孔9处向腔室内的凸起与喷油孔8之间的预设间隙来控制进入集油环5内的流量，使集油环腔室内气体的流速需低于一定值，保证气流能起到空气隔热的效果。

本发明还提供了一种核心机，其包括上述的燃油喷嘴。由于本发明燃油喷嘴能够有效解决油路喷口处燃油结焦的问题，相应地，本发明核心机也具有上述的有益技术效果，在此不再赘述。

本发明还进一步提供了一种涡轮发动机，其包括上述的核心机，由于本发明核心机能够有效解决油路喷口处燃油结焦的问题，相应地，本发明涡轮发动机也具有上述的有益技术效果，在此也不再赘述。

以上结合的实施例对于本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃油喷嘴，其特征在于，包括集油环(5)，所述集油环(5)设有第一油路(6)和数个独立的腔室，所述第一油路(6)设有数个与所述数个独立的腔室对应的喷油孔(8)，所述第一油路(6)的燃油通过所述喷油孔(8)喷入所述腔室并向外喷出，所述数个腔室均设有进气孔(10、11、12、15)，通过所述进气孔(10、11、12、15)进入的气流(2)能够在所述数个腔室中形成不同的气压，以使数个所述喷油孔(8)处之间形成压差。

2.根据权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述数个腔室设有不同数量和/或不同口径的所述进气孔(10、11、12、15)，用于实现通过所述进气孔(10、11、12、15)进入的所述气流(2)在所述数个腔室中形成不同的气压。

3.根据权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述集油环(5)还设有数个与所述数个喷油孔(8)对应设置的吹扫孔(9)，所述燃油通过所述喷油孔(8)喷入所述腔室，并在所述气流的作用下雾化后再通过所述吹扫孔(9)向外喷出。

4.根据权利要求3所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述吹扫孔(9)的孔壁向所述腔室内延伸出凸起结构，所述凸起结构与所述喷油孔(8)具有预设间隙。

5.根据权利要求3所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述吹扫孔(9)的口径大于所述喷油孔(8)的口径。

6.根据权利要求3所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述吹扫孔(9)的横截面呈圆形、椭圆形或多边形。

7.根据权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述集油环(5)内设有数个隔板(14)，用于在集油环(5)内的周向上形成数个所述腔室。

8.根据权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述集油环(5)还设有沿着所述第一油路(6)设置的第二油路(7)，所述第一油路(6)为主油路，所述第二油路(7)为副油路。

9.一种核心机，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的燃油喷嘴。

10.一种涡轮发动机，其特征在于，包括权利要求9所述的核心机。