CN108224478B

CN108224478B - 抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部

Info

Publication number: CN108224478B
Application number: CN201711452858.1A
Authority: CN
Inventors: 桂韬; 周孙宇; 房人麟; 刘新生; 黎武; 徐兵; 王蓉隽; 李朋玉
Original assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Current assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: CN108224478A

Abstract

本发明涉及一种抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部，包括一级斜轴向旋流器(30)、文氏管(31)、二级斜轴向旋流器(32)、套筒(33)和挡溅盘(35)。文氏管(31)下层包含内收敛段(39)、内喉道(40)和内扩张段(41)，上层包含外收敛段(42)、外喉道(43)和外扩张段(44)，下层和上层之间构成一个内部腔道(37)，内扩张段(41)开有用于冷却及吹除积碳的气膜小孔或狭缝(45)。采取主动抑制文氏管积碳措施，通过在文氏管内部增设一个腔道，并在内壁扩张段开设冷却小孔或狭缝，使得在文氏管内壁形成一道气膜，有效降低文氏管内壁温度，主动抑制燃油因为高温裂解产生积碳。

Description

抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及一种抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部。

背景技术

航空燃气轮机自诞生起就以军用为主要应用对象，现代高性能战斗机普遍采用小涵道比涡扇发动机，为了实现高速机动，其对发动机推重比的要求越来越高(由8～10增至16～20)，发动机的循环参数也因此不断提高，总增压比已达到40以上，燃烧室进出口温度由800～1650K提高到1000～2150K。目前，各大航空发动机厂商正在大力开展军用高温升燃烧室的研究。

燃油雾化和油气匹配是决定高性能燃烧室综合性能的关键，为了实现燃油雾化和油气匹配，现代高性能燃烧室头部广泛采用一种集燃油雾化和油气混合于一体的双旋流气动雾化装置，由双级旋流器、文氏管和双油路离心喷嘴组成，它既能保证燃油充分雾化和油气充分混合，并能在燃烧室头部下游形成良好的热回流区实现高速气流中火焰的稳定和完全燃烧。但随着现代高推重比航空发动机循环参数的进一步提高，采用传统头部双旋流气动雾化装置的高温升燃烧室将面临由于进口空气温度和总管内燃油温度升高带来的燃烧室头部积碳问题，尤其是文氏管内壁积碳故障更为严重。文氏管如果长期积碳将极大地降低燃烧室性能和寿命。为了保证航空发动机燃烧室在更高的空气进口温度和燃油温度条件下文氏管不积碳，美国GE公司通过不断调整文氏管喉道直径及文氏管喉道至一级旋流器出口的距离对E3双环腔燃烧室进行一系列试验，得到了防止喷嘴和文氏管积碳的积碳准则用于指导喷嘴、旋流器和文氏管一体化设计，这种防止产生积碳的方法主要是从气动上考虑，一方面在文氏管喉道处形成高速流动，降低燃油在喉道处的停留时间，另一方面阻止了高温燃气回流到文氏管内，在一定程度上抑制了燃油在文氏管内壁产生积碳，但是不能从根本上解决文氏管积碳问题。随着高温升燃烧室进口空气温度及总管内燃油温度的不断升高，燃烧室头部尤其是文氏管积碳故障越来越突出，必须对文氏管进行热防护设计，降低该处湿壁温度，主动防止和抑制碳的生成，解决文氏管积碳问题。

发明内容

本发明的目的：提供一种抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部，能够有效抑制文氏管积碳。

本发明的技术方案是：

本发明对文氏管采取了新型热防护设计，使得在其内壁形成了保护气膜，有效地降低文氏管内壁温度和抑制碳粒子在文氏管内壁的附着，主动防止了燃油因高温而在文氏管内壁产生积碳，从根本上解决文氏管积碳问题，即在双旋流气动雾化装置的一、二级旋流器之间分配一股冷却空气流入文氏管内部腔道，再从文氏管内壁小孔或狭缝流出，从而在文氏管内壁形成一道冷却气膜，显著降低文氏管内壁温度，有效抑制燃油因为高温裂解产生积碳，达到主动抑制产生积碳的目的，该气膜同时阻止了已经生成的碳粒子附着在文氏管内壁，防止其沉积产生积碳。为了兼顾燃烧室的综合性能，一、二级旋流器中间的引气从二级旋流器进气量中单独分配或从一级和二级旋流器进气量中共同分配，保证了整个头部进入燃烧室的气量分配不变，即保证了主燃区的油气匹配不变。此外，引入的这股空气形成的气膜使得文氏管内部气流流管收缩，增大了文氏管内流道气流的流速，加强了气流与燃油的剪切作用，改善了燃油雾化。引气气量占二级旋流器进气量的比例较小，二级旋流器出口的流速基本没有降低，保证了燃油在文氏管唇口附近一、二级旋流器反向旋转气流的剪切作用下充分雾化，保证了高温升燃烧室良好的综合性能。

具体结构为：一种高温升燃烧室头部，其特征在于，包括一级斜轴向旋流器、文氏管、二级斜轴向旋流器、套筒，和挡溅盘。一级斜轴向旋流器和二级斜轴向旋流器旋向相反，文氏管位于一级斜轴向旋流器和二级斜轴向旋流器之间，套筒安装在二级斜轴向旋流器外侧。该结构对文氏管进行了防积碳设计，有效地降低了文氏管内壁温度，解决了燃油因高温裂解产生文氏管积碳的问题。

进一步的，高温升燃烧室头部进气量大约占燃烧室总气量的25％-40％，具体进气量的多少同燃烧室的总油气比和冷却空气量有关。一级斜轴向旋流器进气量大约占燃烧室总进气量的6％～12％，具体进气量同燃烧室慢车状态油气比密切相关；二级斜轴向旋流器进气量大约占燃烧室总进气量的10％～20％，具体进气量同燃烧室设计点状态油气比密切相关，文氏管内部腔道的引气量大约占燃烧室总进气量的0.8％～1.5％，该引气可以从二级斜轴向旋流器进气量中单独分配，也可以从一级斜轴向旋流器和二级斜轴向旋流器进气量中共同分配，分配比例可根据燃烧室性能具体要求进行匹配。

进一步的，一级斜轴向旋流器轴向旋流器叶片安装角度在30°～45°之间，叶片数量在10片～16片之间，旋流强度在0.5～0.9之间。文氏管内收敛段角度在20°～25°左右，内喉道直径尺寸同一级斜轴向旋流器和文氏管气膜小孔或狭缝的有效流通面积有关，内扩张段同中心线角度在30°～50°之间，其设计重点考虑了文氏管积碳和冷却问题，通过在内扩张段设置用于冷却及吹除积碳的气膜小孔或狭缝，可以有效解决文氏管积碳问题。一级斜轴向旋流器与文氏管内收敛段和内扩张段共同构成第一级旋流流道，采用这种流道结构可以有效提高第一级旋流的流速，实现一级旋流空气对燃油良好的二次雾化，同时能保证在下游形成有助于点火和火焰稳定的回流区。

进一步的，二级斜轴向旋流器轴向旋流器叶片安装角度在40°～50°之间，叶片数量在10片～16片之间，旋流强度在0.7～1.5之间。文氏管外收敛段角度5°～ 15°左右，外扩张段角度15°～35°左右，套筒收敛段收敛角度在8°～15°之间，套筒扩张段扩张角在35°～55°之间。二级斜轴向旋流器与文氏管外收敛段、外扩张段及套筒收敛段和套筒扩张段共同构成第二级旋流流道，采用这种流道结构可以有效提高第二级旋流的流速，在下游形成稳定的回流区，并在文氏管唇口与第一级旋流空气反向旋流的共同剪切作用下，实现燃油充分雾化和达到燃烧室所需的油雾分布，保证高温升燃烧室的燃烧性能和出口温度合理分布。

有益效果：采取主动抑制文氏管积碳措施，通过在文氏管内部增设一个腔道，并在内壁扩张段开设冷却小孔或狭缝，使得在文氏管内壁形成一道气膜，有效降低文氏管内壁温度，主动抑制燃油因为高温裂解产生积碳。此外，文氏管内引入的这股空气形成的气膜使得文氏管内部气流流管收缩，气流流速加快，一方面阻止了已经生成的碳粒子附着在文氏管内壁，防止其沉积产生积碳，另外也加强了空气与燃油的剪切，改善了燃油雾化。

附图说明

图1为本发明抑制文氏管积碳的高温升燃烧室示意图；

图2为传统双旋流雾化装置(左)及抑制文氏管积碳的双旋流雾化装置(右) 结构示意图；

图3为一种抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部结构示意图；

图4为抑制文氏管积碳的气膜小孔或狭缝结构示意图；

图4(a)为直孔结构；

图4(b)为轴向斜孔结构；

图4(c)为切向斜孔结构；

图4(d)为复合斜孔结构；

图4(e)为直缝结构；

图4(f)为斜缝结构；

图4(g)为收敛型孔结构；

图4(h)为收敛型缝结构；

图4(i)为扩张型孔结构；

图4(j)为扩张型缝结构；

图4(k)为收敛扩张型孔结构；

图4(l)为收敛扩张型缝结构；

图4(n)为扩张收敛型孔结构；

图4(m)为扩张收敛型缝结构；

10-高温升燃烧室，11-双油路离心喷嘴，12-燃烧室头部，13-火焰筒，14-主燃孔，15-掺混孔，16-火焰筒出口，30-一级斜轴向旋流器，31-文氏管，32-二级斜轴向旋流器，33-套筒，35-挡溅盘，37-文氏管内部腔道，39-内收敛段，40- 内喉道，41-内扩张段，42-外收敛段，43-外喉道，44-外扩张段，45-气膜小孔或狭缝，46-一级旋流器叶片，47-喷口端面，48-一级旋流器叶片出口端面，49-二级旋流器叶片，50-套筒收敛段，52-套筒扩张段，59-一级斜轴向旋流器进口至挡溅盘轴向长度，60-文氏管长度，61-内喉道距喷嘴端面的距离，62-喉道直径， 63-一级斜轴向旋流器进口至套筒出口轴向长度。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例子详细介绍本发明。

参阅图1，为一种抑制文氏管积碳的高温升燃烧室10结构示意图，包括双油路离心喷嘴11、燃烧室头部12、和火焰筒13，火焰筒13上设有主燃孔14和掺混孔15。燃烧室的工作情况是：进入燃烧室的空气，超过25％从燃烧室头部12 进入火焰筒13，其余空气通过燃烧室内外环从主燃孔14和掺混孔15等进入火焰筒13，燃油由双油路离心喷嘴11喷出，在一级斜轴向旋流器30和二级斜轴向旋流器32反向旋转的空气剪切作用下充分雾化和混合后进入火焰筒13，再进行点火燃烧，燃烧后的高温燃气从火焰筒出口16排出。

参阅图3，为燃烧室头部12结构细节，包括一级斜轴向旋流器30、文氏管 31、二级斜轴向旋流器32和套筒33，它们共同构成双旋流气动雾化装置，燃烧室头部12进气量大约占燃烧室总气量的25％～40％，具体进气量的多少同燃烧室的总油气比和冷却空气量有关，一级斜轴向旋流器30进气量大约占燃烧室总进气量的6％～12％，具体进气量同燃烧室慢车状态油气比密切相关，二级斜轴向旋流器32进气量大约占燃烧室总进气量的10％～20％，具体进气量同燃烧室设计点状态油气比密切相关。

进一步的，文氏管31包括内收敛段39、内喉道40和内扩张段41及外收敛段42、外喉道43和外扩张段44，由他们共同围成一个内部腔道37，内扩张段 41设置了气膜小孔或狭缝45的结构，部分空气通过内部腔道37从气膜小孔或狭缝45流出，形成一道气膜，降低文氏管内壁温度，从而抑制文氏管积碳。该引气量大约占燃烧室总进气量的0.8％～1.5％，可以从二级斜轴向旋流器32进气量中单独分配，也可以从一级斜轴向旋流器30和二级斜轴向旋流器32进气量中共同分配，分配比例可根据燃烧室性能具体要求进行匹配。

进一步的，一级旋流空气通道由一级斜轴向旋流器30和文氏管31内收敛段 39、内喉道40和内扩张段41构成，一级斜轴向旋流器30旋流强度在0.5～0.9 之间，文氏管31内扩张段41的扩张角度在30°～50°之间，以保证在下游形成有助于点火和火焰稳定的回流区。

进一步的，二级旋流空气通道由二级斜轴向旋流器32和文氏管31外收敛段 42、外喉道43、外扩张段44及套筒收敛段50和套筒扩张段52构成。二级斜轴向旋流器30旋流强度在0.7～1.5之间，其有效流通面积直接决定二级旋流空气流量。采用这种流道结构可以在下游形成稳定的回流区，并在文氏管31唇口与第一级旋流空气反向旋流的共同剪切作用下，实现燃油充分雾化和达到燃烧室所需的油雾分布，保证高温升燃烧室的燃烧性能和出口温度合理分布。

进一步的，气膜小孔或狭缝(45)总共有14种结构，对于开有小孔的结构，小孔沿周向均布，相邻两排孔孔数相同并采用交错排列。参阅图4，气膜小孔或狭缝(45)的结构为：(a)为直孔结构，(b)为轴向斜孔结构，(c)为切向斜孔结构，(d)为复合斜孔结构，(e)为直缝结构，(f)为斜缝结构，(g)为收敛型孔结构，(h)为收敛型缝结构，(i)为扩张型孔结构，(j)为扩张型缝结构，(k) 为收敛扩张型孔结构，(l)为收敛扩张型缝结构，(n)为扩张收敛型孔结构，(m) 为扩张收敛型缝结构，其中(a)直孔和(e)直缝与中心线成90°，(c)切向斜孔与外圆切向夹角在30°～50°之间，(d)复合斜孔与中心线和外圆切线夹角均在30°～50°之间，(b)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)、(n)和(m)所述气膜小孔或狭缝(45)与中心线夹角均在30°～50°之间。(c)切向斜孔和(d)复合斜孔旋向与一级斜轴向旋流器(30)相同。

进一步的，套筒(33)包括套筒收敛段(50)和套筒扩张段(52)，其中，套筒收敛段(50)与中心线夹角在8°～15°之间，套筒扩张段(52)与中心线夹角在35°～55°之间。

Claims

1.一种抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部(12)，包括一级斜轴向旋流器(30)、文氏管(31)、二级斜轴向旋流器(32)、套筒(33)和挡溅盘(35)，其特征在于：

文氏管(31)为上下两层结构，下层包含内收敛段(39)、内喉道(40)和内扩张段(41)，与一级斜轴向旋流器(30)构成一级旋流空气收敛扩张流道，上层包含外收敛段(42)、外喉道(43)和外扩张段(44)，与二级斜轴向旋流器(32)和套筒(33)构成二级旋流空气收敛扩张流道，下层和上层之间构成一个内部腔道(37)，内扩张段(41)开有用于冷却及吹除积碳的气膜小孔或狭缝(45)。

2.根据权利要求1所述的抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部，其特征在于，一级斜轴向旋流器(30)内安装有轴向旋流器叶片(46)，叶片安装角度在30°～45°之间，叶片数量在10片～16片之间，旋流强度在0.5～0.9之间，双油路离心喷嘴(11)安装在一级斜轴向旋流器(30)的中心，其喷口端面(47)与轴向旋流器叶片(46)出口端面(48)齐平，一级斜轴向旋流器(30)进口至挡溅盘(35)轴向长度(59)在26mm～32mm之间，至套筒(33)出口轴向长度(63)在30mm～35mm之间。

3.根据权利要求1所述的抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部，其特征在于，二级斜轴向旋流器(32)内安装有轴向旋流器叶片(49)，叶片安装角度在40°～50°之间，叶片数量在10片～16片之间，旋流强度在0.7～1.5之间。

4.根据权利要求1所述的抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部，其特征在于，内收敛段(39)包括直线段和圆弧段，直线段同中心线角度在5°～15°之间，圆弧段同中心线角度在20°～35°之间，内喉道(40)距喷嘴端面(47)的距离(61)在10mm～18mm之间，喉道直径(62)在20mm～26mm之间，内扩张段(41)圆弧同中心线角度在30°～50°之间，外收敛段(42)同中心线角度在5°～15°之间，外扩张段(44)同中心线角度在15°～35°之间，文氏管长度(60)在24mm～30mm之间。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部，其特征在于，气膜小孔或狭缝(45)总共有14种结构，对于开有小孔的结构，小孔沿周向均布，相邻两排孔孔数相同并采用交错排列；气膜小孔或狭缝(45)的结构为：(a)为直孔结构，(b)为轴向斜孔结构，(c)为切向斜孔结构，(d)为复合斜孔结构，(e)为直缝结构，(f)为斜缝结构，(g)为收敛型孔结构，(h)为收敛型缝结构，(i)为扩张型孔结构，(j)为扩张型缝结构，(k)为收敛扩张型孔结构；(l)为收敛扩张型缝结构；(n)为扩张收敛型孔结构；(m)为扩张收敛型缝结构，其中(a)直孔和(e)直缝与中心线成90°，(c)切向斜孔与外圆切向夹角在30°～50°之间，(d)复合斜孔与中心线和外圆切线夹角均在30°～50°之间，(b)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)、(n)和(m)所述气膜小孔或狭缝(45)与中心线夹角均在30°～50°之间，(c)切向斜孔和(d)复合斜孔旋向与一级斜轴向旋流器(30)相同。

6.根据权利要求1-4任一权利要求所述的抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部，其特征在于，套筒(33)包括收敛段(50)和扩张段(52)，其中套筒收敛段(50)与中心线夹角在8°～15°之间，套筒扩张段(52)与中心线夹角在35°～55°之间。

7.根据权利要求5所述的抑制文氏管积碳的高温升燃烧室头部，其特征在于，套筒(33)包括收敛段(50)和扩张段(52)，其中套筒收敛段(50)与中心线夹角在8°～15°之间，套筒扩张段(52)与中心线夹角在35°～55°之间。