CN108204604B - 带有周期变化出口结构的燃烧室多级旋流喷嘴 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种燃烧室多级旋流喷嘴，其包括内部设置有中心燃料通道的中心燃料喷嘴，设置在中心燃料喷嘴外部的套筒单元和设置在套筒单元与中心燃料喷嘴形成的气流通道中的旋流单元。其中，套筒单元的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状。

Description

带有周期变化出口结构的燃烧室多级旋流喷嘴

技术领域

本公开涉及一种燃烧室多级旋流喷嘴。

背景技术

航空发动机污染排放来源于航空发动机燃烧室中液态燃料燃烧所产生的气体污染物和固体微粒，其对空气质量和全球气候的改变会产生不利影响。航空发动机的主要污染排放物包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、水蒸气(H₂O)、未燃碳氢(UHC)、氮氧化物(NO_x)、硫化物(SO_X)和冒烟成分(Smoke)。它们的主要危害包含：引起温室效应、影响人体健康、破坏臭氧层和产生光化学烟雾等。随着航空业的迅速发展，航空发动机在地面和空中向大气排放的污染物总量在不断增加，各国对飞机发动机燃烧室排放和燃烧效率的要求越来越严格。

为减轻航空发动机对大气环境产生的破坏，使其满足环保要求，国际民航组织(ICAO)对航空发动机工作周期内的污染排放制定了严格的规范标准。同时，民用航空发动机投入使用前还必须满足各国自行规定的强制性适航规定。目前国际件航行采用的民用航空发动机执行的是国际民航组织附件16第II卷《航空发动机的排出物》的CEAP/8标准，从2014年1月1日起已开始实施。为满足排放要求并竞争得到更大的市场份额，飞机制造商对航空发动机提出的排放指标要更高，一般为当前标准的50％甚至更少。因此，采用低污染燃烧技术，降低航空发动机燃烧室的排放物总量，成为先进航空发动机技术的一个主要发展方向。

为减少排放物而采用的低污染燃烧技术，通过更好的燃油空气混合和更充分的燃烧状态来降低NO_x、CO、UHC和Smoke的直接生成量。同时，燃烧效率的提高，能够增大航空发动机的循环效率，进而产生更大的推力，从而减少燃油的使用，间接降低了CO₂和H₂O的生成量。目前的主流低污染燃烧技术，主要采用分级分区燃烧组织技术，具体可分为贫油燃烧低污染技术和富油燃烧低污染技术。而不论是采用富油或者贫油燃烧技术，对于航空发动机燃烧室来说，都必须通过实现燃油与空气的良好混合来保证高效清洁燃烧的进行。燃油与空气的混合、稳定而高效的燃烧状态，都是通过航空发动机的燃烧室喷嘴保证。

因此，需要提供一种能够降低污染的燃烧室喷嘴。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开的燃烧室多级旋流喷嘴包括内部设置有中心燃料通道的中心燃料喷嘴，设置在中心燃料喷嘴外部的套筒单元和设置在套筒单元与中心燃料喷嘴形成的气流通道中的旋流单元，其中，套筒单元的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状。

根据本公开的至少一个实施方式，套筒单元包括第一套筒，第一套筒设置成使得通过第一套筒的内壁面与中心燃料喷嘴的外壁面限定的第一通道与中心燃料通道同轴，并且第一套筒的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状，以及旋流单元包括第一旋流装置，第一旋流装置设置在第一通道中。

根据本公开的另一个实施方式，第一套筒中还设置有外围燃料通道，外围燃料通道用于传输外围燃料，以及第一套筒的外壁面上设置有外围燃料喷射孔，外围燃料喷射孔与外围燃料通道相连通。

根据本公开的又一个实施方式，套筒单元还包括第二套筒，第二套筒设置成使得通过第二套筒的内壁面与第一套筒的外壁面限定的第二通道与中心燃料通道同轴，并且第二套筒的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状，旋流单元还包括第二旋流装置，第二旋流装置设置在第二通道中，以及外围燃料喷射孔配置为使得通过外围燃料通道传输的外围燃料能够喷射至第二套筒的内壁面。

根据本公开的又一个实施方式，套筒单元还包括第三套筒，第三套筒设置成使得通过第三套筒的内壁面与第二套筒的外壁面限定的第三通道与中心燃料通道同轴，并且第三套筒的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状，以及旋流单元还包括第三旋流装置，第三旋流装置设置在第三通道中。

根据本公开的又一个实施方式，套筒单元还包括第四套筒，第四套筒设置成使得通过第四套筒的内壁面与第三套筒的外壁面限定的第四通道与中心燃料通道同轴，以及旋流单元还包括第四旋流装置，第四旋流装置设置在第四通道中。

根据本公开的又一个实施方式，第二旋流装置、第三旋流装置和第四旋流装置均能够形成轴向旋流或径向旋流，并且第二旋流装置、第三旋流装置和第四旋流装置为叶片式或斜切孔式。

根据本公开的又一个实施方式，第一旋流装置、第二旋流装置、第三旋流装置和第四旋流装置的旋流数均为0.2‐2.0

根据本公开的又一个实施方式，第一通道、第二通道，第三通道以及第四通道的通道出口形式为压缩式。

根据本公开的又一个实施方式，中心燃料喷嘴为离心式、预膜式或者直射式。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1示出了根据本公开至少一个实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴的结构示意图。

图2示出了根据本公开至少一个实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴的正视图。

图3示出了根据本公开至少一个实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴的正等侧视图。

图中标注说明如下：

1‐燃料通道；2‐第一通道；3‐第二通道；4‐第三通道；5‐第四通道；6‐第一旋流装置；7‐第二旋流装置；8‐第三旋流装置；9‐第四旋流装置；10‐中心燃料通道；11‐外围燃料通道；12‐中心燃料喷嘴；13‐第一套筒；14‐第二套筒；15‐第三套筒；16‐第四套筒；17‐中心燃料喷射孔；18‐外围燃料喷射孔；19‐第一套筒的出口端；20‐第二套筒的出口端；21‐第三套筒的出口端。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种燃烧室多级旋流喷嘴，其包括内部设置有中心燃料通道的中心燃料喷嘴，设置在中心燃料喷嘴外部的套筒单元和设置在套筒单元与中心燃料喷嘴形成的气流通道中的旋流单元。其中，套筒单元的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状。

图1示出了根据本公开至少一个实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴的结构示意图。如图1所示，根据本公开至少一个实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴包括中心燃料喷嘴12，中心燃料喷嘴12内部可设置有中心燃料通道10。中心燃料通道10可用于传输中心燃料。中心燃料喷嘴12的端部还设置有中心燃料喷射孔17。中心燃料喷射孔17与中心燃料通道10相连通，并且通过中心燃料通道10传输的中心燃料可通过中心燃料喷射孔17喷射出。在一些实施方式中，中心燃料喷嘴12可以是离心式、预膜式或者直射式。

根据本公开至少一个实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴还可包括设置在中心燃料喷嘴外部的套筒单元。在图1中，套筒单元可包括第一套筒13。第一套筒13的内壁面与中心燃料喷嘴12的外壁面限定了第一通道2，并且第一通道2与中心燃料通道10同轴。第一通道2的出口形式可以为压缩式。第一套筒13的出口端19沿周缘方向具有周期性变化的形状，如在图2和图3中可更好地观察到。如图2所示，第一套筒13的出口端19沿箭头A所示的方向具有周期性变化的形状。在一些实施方式中，第一套筒13可具有锯齿状或波浪状的出口端19，然而本领域技术人员应理解第一套筒13还可具有其他周期性形式的出口端19。

第一套筒13中还设置有外围燃料通道11，外围燃料通道11用于传输外围燃料。第一套筒13的外壁面上设置有外围燃料喷射孔18，外围燃料喷射孔18与外围燃料通道11相连通并且通过外围燃料通道11传输的外围燃料可通过外围燃料喷射孔18喷射出。

如图1所示，套筒单元还可包括第二套筒14。第二套筒14的内壁面与第一套筒13的外壁面限定了第二通道3，并且第二通道3与中心燃料通道10同轴。第二通道3的出口形式可以为压缩式。如图2‐图3所示，第二套筒14的出口端20沿周缘方向具有周期性变化的形状。如图2所示，第二套筒14的出口端20沿箭头B所示的方向具有周期性变化的形状。在一些实施方式中，第二套筒14可具有锯齿状或波浪状的出口端20，然而本领域技术人员应理解第二套筒14还可具有其他周期性形式的出口端20。虽然在图1中，外围燃料喷射孔18设置在第二通道3的前部，然而在另一些实施方式中，外围燃料喷射孔18还可设置在第二通道3的中部或后部。

如图1所示，套筒单元还可包括第三套筒15。第三套筒15的内壁面与第二套筒14的外壁面限定了第三通道4，并且第三通道4与中心燃料通道10同轴。第三通道4的出口形式可以为压缩式。如图2‐图3所示，第三套筒15的出口端21沿周缘方向具有周期性变化的形状。如图2所示，第三套筒15的出口端21沿箭头C所示的方向具有周期性变化的形状。在一些实施方式中，第三套筒15可具有锯齿状或波浪状的出口端21，然而本领域技术人员应理解第三套筒15还可具有其他周期性形式的出口端21。

如图1所示，套筒单元还可包括第四套筒16。第四套筒16的内壁面与第三套筒15的外壁面限定了第四通道5，并且第四通道5与中心燃料通道10同轴。第四通道5的出口形式可以为压缩式。

根据本公开至少一个实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴还可包括设置在套筒单元与中心燃料喷嘴形成的气流通道中的旋流单元。在图1中，旋流单元可包括第一旋流装置6、第二旋流装置7、第三旋流装置8和第四旋流装置9。第一旋流装置6设置在第一通道2中，第二旋流装置7设置在第二通道3中，第三旋流装置8设置在第三通道4中，以及第四旋流装置9设置在第四通道5中。在一些实施方式中，第一旋流装置6、第二旋流装置7、第三旋流装置8和第四旋流装置9中的一个或多个可配置成用于形成轴向旋流或径向旋流。此外，在一些实施方式中，第一旋流装置6、第二旋流装置7、第三旋流装置8和第四旋流装置9中的一个或多个可配置成叶片式或斜切孔式。同时，第一旋流装置6、第二旋流装置7、第三旋流装置8和第四旋流装置9中的一个或多个的旋流数可配置成0.2‐2.0。然而，本领域技术人员应理解本公开并不限于以上配置。

下面结合附图详细说明本公开的燃烧室多级旋流喷嘴的工作原理。

根据本公开的至少一种实施方式，如图1所示，中心燃料通过中心燃料喷嘴12的中心燃料通道10传输至中心燃料喷射孔17，并经过中心燃料喷射孔17可喷喷射至第一套筒13内壁面。

空气通过第一通道2并经过第一旋流装置6产生旋流后进入喷嘴下游区域。

经过中心燃料喷射孔17喷出的燃料，一部分与第一通道2中经过第一旋流装置6产生的旋流空气混合进入下游燃烧；另一部分喷射至第一套筒13内壁面，形成液膜并向下游移动，在第一套筒13沿周缘方向具有周期性变化形状的出口端19，受第一通道2中经过第一旋流装置6产生的旋流空气的剪切和掺混作用影响，形成油气混合物进入下游燃烧。

在此实施方式中，中心燃料通道10的燃料通过雾化作用形成燃油液滴，一部分与空气直接混合形成油气混合物，另一部分与出口端19沿周缘方向具有周期性变化形状的第一套筒13接触形成液膜，在套筒出口与内外旋流空气相互作用产生二次雾化现象形成均匀油气混合物，有利于达到极高的燃烧效率和极低的排放指标。

根据本公开的另一个实施方式，在套筒单元包括第二套筒14并且旋流单元包括第二旋流装置7的的情况下，外围燃料喷射孔18配置为使得通过外围燃料通道11传输的外围燃料由外围燃料喷射孔18能够喷射至第二套筒14的内壁面。第二通道3中的空气经过第二旋流装置7产生旋流后进入喷嘴下游区域。

经过外围燃料喷射孔18喷出的燃料，一部分与第二通道3中经过第二旋流装置7产生的旋流空气混合进入下游燃烧；另一部分喷射至第二套筒14内壁面，形成液膜并向下游移动，在第二套筒14沿周缘方向具有周期性变化形状的出口端20，受第二通道3中经过第二旋流装置7产生的旋流空气的剪切和掺混作用影响，形成油气混合物进入下游燃烧。

第一通道2中的油气混合物及下游燃烧混合物，通过第一套筒13沿周缘方向具有周期性变化形状的出口端19与第二通道3中的油气混合物及下游燃烧混合物进行掺混。

在此实施方式中，外围燃料通道11的燃料同样通过雾化作用形成燃油液滴，一部分与空气直接混合形成油气混合物，另一部分与出口端20带有周期性变化结构的第二套筒14接触形成液膜，在套筒出口与内外旋流空气相互作用产生二次雾化现象形成均匀油气混合物，有利于达到极高的燃烧效率和极低的排放指标。

中心燃料通道10和外围燃料通道11的燃料流量可以分别进行调节控制，以实现在不同工况下不同燃烧分区的不同当量比燃烧形态，达到降低污染排放的目的。

根据本公开的又一个实施方式，在套筒单元还包括第三套筒15并且旋流单元包括第三旋流装置8的情况下，空气被第一通道2、第二通道3和第三通道4分流，经过第一旋流装置6、第二旋流装置7和第三旋流装置8产生旋流后进入喷嘴下游区域。

第二通道3中的油气混合物及下游燃烧混合物，通过第二套筒14沿周缘方向具有周期性变化形状的出口端20还可与第三通道4中的旋流空气进行掺混。

根据本公开的又一个实施方式，在套筒单元还包括第四套筒16并且旋流单元包括第四旋流装置9的情况下，空气被第一通道2、第二通道3、第三通道4和第四通道5分流，经过第一旋流装置6、第二旋流装置7、第三旋流装置8和第四旋流装置9产生旋流后进入喷嘴下游区域。第三通道4中的旋流空气，通过第三套筒15沿周缘方向具有周期性变化形状的出口端21还可与第四通道5中的旋流空气进行掺混。

虽然在图1中示出了第一套筒13、第二套筒14、第三套筒15以及第四套筒16，然而本领域技术人员应理解根据本公开实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴可包括更多或更少数量的套筒。

在根据本公开实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴中，通过空气分股旋流和燃油分级实现半扩散半预混燃烧模式；空气旋流空气沿径向分级布置，在保证中心燃料和外围燃料与空气充分混合的同时，借助出口套筒末端的周期性变化结构，实现多级燃料空气的相互掺混，保证喷嘴下游燃烧室头部的油气混合均匀度，从而实现高效清洁燃烧，使燃烧室获得良好的稳定性和较低的排放物。

此外，在根据本公开实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴中通过合理布置一个或多个出口沿周缘方向具有周期性变化形状的套筒，实现空气旋流通道中气流的相互作用，形成不同速度气流之间的耦合形态，中和较高速度气流的脉动特征，抑制震荡燃烧现象，提高燃烧的稳定性；同时通过掺混特性来控制旋流通道的气流速度分布，保证喷嘴下游燃烧室头部的合理流场结构。

根据本公开实施方式的燃烧室多级旋流喷嘴克服了现有喷嘴设计技术的不足，能够降低污染物排放，抑制震荡燃烧和燃烧不稳定性。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，所述燃烧室多级旋流喷嘴包括：

中心燃料喷嘴，所述中心燃料喷嘴内部设置有中心燃料通道；

套筒单元，所述套筒单元设置在所述中心燃料喷嘴外部；以及

旋流单元，所述旋流单元设置在所述套筒单元与所述中心燃料喷嘴形成的气流通道中，

其中，所述套筒单元的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状；

所述套筒单元包括第一套筒，所述第一套筒设置成使得通过所述第一套筒的内壁面与所述中心燃料喷嘴的外壁面限定的第一通道与所述中心燃料通道同轴，并且所述第一套筒的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状；

所述套筒单元还包括第二套筒，所述第二套筒设置成使得通过所述第二套筒的内壁面与所述第一套筒的外壁面限定的第二通道与所述中心燃料通道同轴，并且所述第二套筒的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状；

所述套筒单元还包括第三套筒，所述第三套筒设置成使得通过所述第三套筒的内壁面与所述第二套筒的外壁面限定的第三通道与所述中心燃料通道同轴，并且所述第三套筒的出口端沿周缘方向具有周期性变化的形状；

所述套筒单元还包括第四套筒，所述第四套筒设置成使得通过所述第四套筒的内壁面与所述第三套筒的外壁面限定的第四通道与所述中心燃料通道同轴。

2.根据权利要求1所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述旋流单元包括第一旋流装置，所述第一旋流装置设置在所述第一通道中。

3.根据权利要求2所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述第一套筒中还设置有外围燃料通道，所述外围燃料通道用于传输外围燃料，以及

所述第一套筒的外壁面上设置有外围燃料喷射孔，所述外围燃料喷射孔与所述外围燃料通道相连通。

4.根据权利要求3所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述旋流单元还包括第二旋流装置，所述第二旋流装置设置在所述第二通道中，以及

所述外围燃料喷射孔配置为使得通过所述外围燃料通道传输的所述外围燃料能够喷射至所述第二套筒的内壁面。

5.根据权利要求4所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述旋流单元还包括第三旋流装置，所述第三旋流装置设置在所述第三通道中。

6.根据权利要求5所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述旋流单元还包括第四旋流装置，所述第四旋流装置设置在所述第四通道中。

7.根据权利要求6所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述第二旋流装置、所述第三旋流装置和所述第四旋流装置均能够形成轴向旋流或径向旋流，并且所述第二旋流装置、所述第三旋流装置和所述第四旋流装置为叶片式或斜切孔式。

8.根据权利要求6所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述第一旋流装置、所述第二旋流装置、所述第三旋流装置和所述第四旋流装置的旋流数均为0.2-2.0。

9.根据权利要求1所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述第一通道、所述第二通道，所述第三通道以及所述第四通道的通道出口形式为压缩式。

10.根据权利要求1所述的燃烧室多级旋流喷嘴，其特征在于，

所述中心燃料喷嘴为离心式、预膜式或者直射式。

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