CN108844098B - 一种基于蜗壳结构的燃烧室头部 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蜗壳结构的燃烧室头部，包括预燃级组件和主燃级组件。预燃级用于对副油路燃油进行雾化，燃油由直喷喷嘴喷入蜗壳旋流器中，在气动力的作用下产生预混作用，部分燃油跟随旋流空气直接进入燃烧室中，部分燃油在出口处翻越至文氏管的内壁面形成油膜，油膜在两级旋流器的作用下进一步雾化，两级旋流器共同作用产生中心回流区，起到稳燃的作用，提高了点熄火性能；主燃级燃油经直射喷嘴喷出，径向旋流器对燃油进行初步雾化，部分燃油随旋流空气直接进入主燃区，部分燃油打到主燃级文氏管上壁面上形成油膜，进而在两级旋流器的作用下进行进一步剪切雾化，实现大工况下贫油燃烧，降低污染物排放，提高燃烧效率。

Description

一种基于蜗壳结构的燃烧室头部

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，其中预燃级燃油通过直喷喷嘴喷出，在蜗壳旋流器和径向旋流器的共同作用下雾化，主燃级燃油通过直喷喷嘴喷出，在两级旋流器作用下雾化，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，中心分级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，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，虽然也出现了预燃级使用蜗壳结构代替传统离心喷嘴的现有技术，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。

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基于蜗壳结构的燃烧室头部，在预燃级使用直喷喷嘴和蜗壳旋流器来实现预燃级的部分预混的基础上，通过将主燃级使用两级旋流器一级文氏管壁面实现主燃级的部分预混，提高雾化性能和燃烧效率，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：

一种基于蜗壳结构的燃烧室头部，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蜗壳旋流器、预燃级文氏管、预燃级套筒、预燃级第二级径向旋流器和多个预燃级直射喷嘴；所述主燃级组件包括主燃级两级旋流器、主燃级文氏管以及多个主燃级直射喷嘴，所述预燃级直射喷嘴与副油路连通，所述主燃级直射喷嘴与主油路连通，其特征在于：

所述预燃级蜗壳旋流器形成为预燃级第一级径向旋流器，包括蜗壳旋流外壳、气流挡筒和多个旋流叶片，其中，所述蜗壳旋流外壳包括前端壁、后端壁以及固定设置在所述前端壁和后端壁之间的涡旋侧壁，其中，

所述涡旋侧壁形成为所述蜗壳旋流器的旋流通道，所述旋流通道包括进气段和气流收缩段，所述涡旋侧壁的起始端形成为所述旋流通道的进气段，所述进气段为平直段，所述气流收缩段为阿基米德螺旋线；

所述预燃级直射喷嘴均布设置在所述前端壁上并伸入所述旋流通道内；

所述后端壁的中心处设有通孔，该通孔形成为所述蜗壳旋流器的旋流通道出口；

所述气流挡筒设置在所述蜗壳旋流外壳的中心并临近所述涡旋侧壁的末端，其底部固定在所述前端壁的内壁上，其顶部伸出所述后端壁中心处的通孔外；

所述多个旋流叶片均布设置在所述气流挡筒的外筒壁外，且相邻两所述旋流叶片之间形成的气流通道的进口正对旋流气体的来流方向设置；

所述预燃级文氏管固定设置在所述蜗壳旋流外壳的后端壁的外侧，并与所述后端壁中心处的通孔同心布置，且所述预燃级文氏管的内壁面为文氏管壁面，外壁面为圆柱面，所述预燃级文氏管的外壁面上同心套设一所述预燃级第二级径向旋流器，所述预燃级第二级径向旋流器的后端设置一所述预燃级套筒，所述预燃级套筒为一直径向出口方向逐渐增大的锥筒，其主体部分基本位于所述预燃级文氏管的出口外。

优选地，所述预燃级的两级旋流器中，第一级为蜗壳旋流器，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，两级旋流器的旋向相反，两级旋流器用于对直喷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，所述主燃级两级旋流器包括主燃级第一级轴向旋流器和主燃级第二级径向旋流器，所述主燃级第一级轴向旋流器同心套设在所述预燃级套筒外，所述主燃级第一级轴向旋流器外同心套设所述主燃级第二级径向旋流器；所述主燃级文氏管位于所述主燃级第一级轴向旋流器、主燃级第二级径向旋流器之间，其外壁面为文氏管壁面并形成为所述主燃级第一级轴向旋流器的轴向旋流通道，内壁面为圆柱面并形成为所述主燃级第二级径向旋流器的径向旋流通道；所述主燃级第二级径向旋流器的下游设置一主燃级套筒，其末端位于所述主燃级文氏管外；所述主燃级第二级径向旋流器的前端侧壁上均匀设置若干个所述主燃级直射喷嘴。

优选地，所述主燃级两级旋流器中，第一级为轴向旋流器，第二级为径向旋流器，两级旋流器的旋向相反。

优选地，所述蜗壳旋流器的前端壁上设置有环状副油路油腔，各所述预燃级直射喷嘴均与所述环状副油路油腔连通。进一步地，所述环状副油路油腔与副油路连通。

优选地，所述主燃级第二级径向旋流器的前端侧壁上设置有环状主油路油腔，各所述主燃级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。

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直喷喷嘴在蜗壳旋流器中实现部分预混，部分燃油在文氏管上形成油膜，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，第二级旋流器首先对直喷燃油进行初步雾化，部分燃油在文氏管壁面形成油膜，进而在两级旋流器作用下实现进一步雾化。

相对于传统的旋流器来说，本发明的蜗壳结构预燃级相当于双旋流雾化喷嘴，蜗壳旋流器既是进气装置又是供油装置，燃油由直喷喷嘴供入蜗壳旋流器，实现部分预混，部分燃油在出口处形成油膜进入燃烧室实现二次雾化，还可以节省空间，减轻重量，蜗壳结构的引入省去了头部中心布置的压力雾化喷嘴装置，预燃级燃油的供给通过结构较为简单的直喷喷嘴实现；带文氏管的主燃级通过径向旋流器实现了部分预混燃烧，同时文氏管预膜后通过两级旋流器的剪切作用进行进一步雾化，提高雾化效果。

附图说明

图1为本发明的基于蜗壳结构的燃烧室头部的整体结构示意图；

图2为蜗壳旋流器的沿轴向的剖面示意图；

图3为蜗壳旋流器的横截面示意图。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明的基于蜗壳结构的燃烧室头部，包括位于中心的预燃级组件和位于预燃级组件外围的主燃级组件。预燃级组件包括蜗壳旋流器、预燃级文氏管4、预燃级第二级径向旋流器5、预燃级套筒6，其中，蜗壳旋流器形成为预燃级第一级径向旋流器，包括蜗壳旋流外壳1、气流挡筒2和多个旋流叶片3。如图2、3所示，蜗壳旋流外壳1包括前端壁11、后端壁12以及固定设置在前端壁11和后端壁12之间的涡旋侧壁13，其中，涡旋侧壁13形成为蜗壳旋流器的旋流通道，旋流通道包括进气段和气流收缩段，涡旋侧壁13的起始端形成为旋流通道的进气段，进气段为平直段，目的是实现平稳进气，气流收缩段为阿基米德螺旋线，目的是不发生气体流动分离；前端壁11上设置有若干个伸入蜗壳旋流器的旋流通道的预燃级直射喷嘴(图中未示出)，预燃级直射喷嘴与副油路连通，后端壁12的中心处设有通孔14，该通孔形成为蜗壳旋流器的旋流通道出口；气流挡筒2设置在蜗壳旋流外壳1的中心并临近涡旋侧壁13的末端，其底部呈圆柱体并固定在前端壁11的内壁上，其顶部呈锥体并伸出后端壁12中心处的通孔14外；多个旋流叶片3均布设置在气流挡筒2的外筒壁外，且相邻两旋流叶片3之间形成的气流通道的进口正对旋流气体的来流方向设置。

预燃级文氏管4固定设置在蜗壳旋流外壳1的后端壁12的外壁上，并与后端壁12中心处的通孔14同心布置，且预燃级文氏管4的内壁面为文氏管壁面，外壁面为圆柱面，预燃级文氏管4的外壁面上同心套设一预燃级第二级径向旋流器5，预燃级第二级径向旋流器5的后端设置一预燃级套筒6，预燃级套筒6为一直径向出口方向逐渐增大的锥筒，其主体部分基本位于预燃级文氏管4的出口外。

预燃级燃油经预燃级直射喷嘴喷入蜗壳旋流外壳1的旋流通道内并与其中的空气进行部分预混，部分燃油跟随旋流空气直接进入下游的燃烧室中，部分燃油在蜗壳旋流器3周向旋转气动力和液体表面张力的作用下，在出口处翻越预燃级文氏管4的内壁面，形成较大周向速度的油膜，油膜在预燃级第二级径向旋流器5与蜗壳旋流器旋流空气的作用下在预燃级套筒6内得到进一步的雾化，预燃级两级旋流器共同作用产生中心回流区，起到稳燃的作用，提高了点熄火性能。

参见图1，主燃级组件包括主燃级第一级轴向旋流器7、主燃级文氏管8以及主燃级第二级径向旋流器9、主燃级套筒10，主燃级第一级轴向旋流器7同心套设在预燃级套筒6外，主燃级第一级轴向旋流器7外同心套设一主燃级第二级径向旋流器9；主燃级文氏管8位于主燃级第一级轴向旋流器7、主燃级第二级径向旋流器9之间，其外壁面为文氏管壁面并形成为主燃级第一级轴向旋流器7的轴向旋流通道，内壁面为圆柱面并形成为主燃级第二级径向旋流器9的径向旋流通道；主燃级套筒10设置在主燃级第二级径向旋流器9的下游，其末端位于主燃级文氏管8外；主燃级第二级径向旋流器9的前端侧壁上设置若干个伸入径向旋流通道的主燃级直射喷嘴(图中未示出)，主燃级直射喷嘴与主油路连通。主燃级直射喷嘴喷出燃油首先在主燃级第二级径向旋流器9作用下实现初步部分预混，部分燃油在主燃级文氏管8的外壁面上形成油膜，进而在主燃级第一级轴向旋流器7、主燃级第二级径向旋流器9的双重作用下实现剪切雾化，实现大工况下贫油燃烧，降低污染物排放，提高燃烧效率。

本发明的基于蜗壳结构的燃烧室头部中，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，燃油在蜗壳旋流器中实现预混、初步雾化，进而在两级预燃级旋流器的作用下实现进一步雾化，提高燃烧稳定性，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，主燃级燃油通过直射喷嘴喷出，在两级主燃级旋流器的共同作用下进行雾化，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 (6)

1.一种基于蜗壳结构的燃烧室头部，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蜗壳旋流器、预燃级文氏管、预燃级套筒、预燃级第二级径向旋流器和多个预燃级直射喷嘴；所述主燃级组件包括主燃级两级旋流器、主燃级文氏管以及多个主燃级直射喷嘴，所述预燃级直射喷嘴与副油路连通，所述主燃级直射喷嘴与主油路连通，所述预燃级蜗壳旋流器形成为预燃级第一级径向旋流器，包括蜗壳旋流外壳、气流挡筒和多个旋流叶片，其中，所述蜗壳旋流外壳包括前端壁、后端壁以及固定设置在所述前端壁和后端壁之间的涡旋侧壁，其中，

所述涡旋侧壁形成为所述蜗壳旋流器的旋流通道，所述旋流通道包括进气段和气流收缩段，所述涡旋侧壁的起始端形成为所述旋流通道的进气段，所述进气段为平直段，所述气流收缩段为阿基米德螺旋线；

所述预燃级直射喷嘴均布设置在所述前端壁上并伸入所述旋流通道内；

所述后端壁的中心处设有通孔，该通孔形成为所述蜗壳旋流器的旋流通道出口；

所述气流挡筒设置在所述蜗壳旋流外壳的中心并临近所述涡旋侧壁的末端，其底部固定在所述前端壁的内壁上，其顶部伸出所述后端壁中心处的通孔外；

所述多个旋流叶片均布设置在所述气流挡筒的外筒壁外，且相邻两所述旋流叶片之间形成的气流通道的进口正对旋流气体的来流方向设置；

其特征在于：

所述预燃级文氏管固定设置在所述蜗壳旋流外壳的后端壁的外侧，并与所述后端壁中心处的通孔同心布置，且所述预燃级文氏管的内壁面为文氏管壁面，所述预燃级文氏管的外壁面为圆柱面，所述预燃级文氏管的外壁面上同心套设一所述预燃级第二级径向旋流器，所述预燃级第二级径向旋流器的后端设置一所述预燃级套筒，所述预燃级套筒为一直径向出口方向逐渐增大的锥筒，其主体部分基本位于所述预燃级文氏管的出口外；

预燃级燃油经所述预燃级直射喷嘴喷入所述旋流通道内并与其中的空气进行部分预混，部分燃油跟随旋流空气直接进入下游的燃烧室中，部分燃油在所述蜗壳旋流器的周向旋转气动力和液体表面张力的作用下，在所述旋流通道出口处翻越所述预燃级文氏管的内壁面，在所述预燃级文氏管的内壁面上形成较大周向速度的油膜，油膜在所述预燃级第二级径向旋流器及蜗壳旋流器旋流空气的作用下在所述预燃级套筒内进一步的雾化，在所述蜗壳旋流器、预燃级第二级径向旋流器的共同作用下产生中心回流区，起到稳燃的作用，提高了点熄火性能；

所述主燃级两级旋流器包括主燃级第一级轴向旋流器和主燃级第二级径向旋流器，所述主燃级第一级轴向旋流器同心套设在所述预燃级套筒外，所述主燃级第一级轴向旋流器外同心套设所述主燃级第二级径向旋流器；所述主燃级第二级径向旋流器的下游设置一主燃级套筒，所述主燃级套筒的末端位于所述主燃级文氏管外；所述主燃级第二级径向旋流器的前端侧壁上均匀设置若干个所述主燃级直射喷嘴；所述主燃级文氏管位于所述主燃级第一级轴向旋流器、主燃级第二级径向旋流器之间，所述主燃级文氏管的外壁面为文氏管壁面并与所述主燃级套筒的内壁面相互配合形成为所述主燃级第二级径向旋流器的径向旋流通道，所述主燃级文氏管的内壁面为圆柱面并与所述预燃级套筒的外壁面相互配合形成为所述主燃级第一级轴向旋流器的轴向旋流通道；

所述主燃级直射喷嘴喷出的燃油首先在所述主燃级第二级径向旋流器的作用下实现初步部分预混，部分燃油在所述主燃级文氏管的外壁面上形成油膜，进而在所述主燃级第一级轴向旋流器、主燃级第二级径向旋流器的双重作用下实现剪切雾化，实现大工况下贫油燃烧。

2.根据权利要求1所述的燃烧室头部，其特征在于，所述蜗壳旋流器与所述预燃级第二级径向旋流器的旋流方向相反。

3.根据权利要求1所述的燃烧室头部，其特征在于，所述蜗壳旋流器的前端壁上设置有环状副油路油腔，各所述预燃级直射喷嘴均与所述环状副油路油腔连通，所述环状副油路油腔与副油路连通。

4.根据权利要求1所述的燃烧室头部，其特征在于，所述主燃级第二级径向旋流器的前端侧壁上设置有环状主油路油腔，各所述主燃级直射喷嘴均与所述环状主油路油腔连通，所述环状主油路油腔与主油路连通。

5.根据权利要求1所述的燃烧室头部，其特征在于，所述主燃级第一级轴向旋流器与主燃级第二级径向旋流器的旋向相反。

6.根据权利要求1所述的燃烧室头部，其特征在于，燃油经过副油路和主油路分别进入所述预燃级组件和主燃级组件，在低工况下，所述预燃级组件单独供油，副油路中的燃油通过预燃级直射喷嘴在所述蜗壳旋流器内进行初步雾化，进而在两级旋流气的作用下进行二次雾化；在大工况下，所述预燃级组件与主燃级组件同时工作，主油路中的燃油通过所述主燃级直喷喷嘴喷出，主燃级第二级径向旋流器对燃油进行初步雾化，部分燃油随旋流空气直接进入主燃区，部分燃油打到主燃级文氏管上壁面上形成油膜，进而在两级主燃级旋流器的作用下进行进一步剪切雾化，实现大工况下贫油燃烧。

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