CN109945233B - 燃烧室及其雾化装置、航空燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种燃烧室及其雾化装置、航空燃气涡轮发动机，属于航空发动机技术领域。该燃烧室的雾化装置包括主燃级、预燃级和喷嘴组件；主燃级包括主燃级内套筒和套设于所述主燃级内套筒的主燃级外套筒；其中，所述主燃级内套筒上设置有喷嘴插口；预燃级穿设于所述主燃级内套筒内；喷嘴组件包括预燃级喷嘴和主燃级喷嘴；其中，所述主燃级喷嘴设于所述预燃级，且配合的穿设于所述喷嘴插口。该雾化装置能够降低燃烧室的复杂程度并提高燃烧室的强度。

Description

燃烧室及其雾化装置、航空燃气涡轮发动机

技术领域

本公开涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种燃烧室及其雾化装置、航空燃气涡轮发动机。

背景技术

贫油预混预蒸发燃烧室广泛应用于航空燃气涡轮发动机中，其通过雾化装置实现燃油的供给和协助组织燃烧。然而，一方面，现有的雾化装置结构复杂，零件数量多，存在异常复杂的气路和油路系统，加工制造成本较高。另一方面，现有的雾化装置结构尺寸大，燃烧室的机匣上需要开设很大的喷嘴安装座才能安装雾化装置，降低了机匣的强度。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种燃烧室及其雾化装置、航空燃气涡轮发动机，用于降低燃烧室的复杂程度并提高燃烧室的强度。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的第一个方面，提供一种燃烧室的雾化装置，包括：

主燃级，包括主燃级内套筒和套设于所述主燃级内套筒的主燃级外套筒；其中，所述主燃级内套筒上设置有喷嘴插口；

预燃级，穿设于所述主燃级内套筒内；

喷嘴组件，包括预燃级喷嘴和主燃级喷嘴；其中，所述主燃级喷嘴设于所述预燃级，且配合的穿设于所述喷嘴插口。

在本公开的一种示例性实施例中，所述喷嘴组件还包括：

喷嘴杆，连接所述预燃级且设有供油通道；所述供油通道连接所述预燃级喷嘴和所述主燃级喷嘴。

在本公开的一种示例性实施例中，所述主燃级内套筒与所述主燃级外套筒之间形成主燃级外流通道，所述主燃级外流通道内任一位置距离所述主燃级内套筒或所述主燃级外套筒的距离均不大于3mm。

在本公开的一种示例性实施例中，沿从上游至下游方向，所述主燃级外流通道依次包括收缩段和扩张段；

所述主燃级喷嘴的喷嘴口设于所述主燃级外流通道的收缩段。

在本公开的一种示例性实施例中，所述主燃级内套筒与所述预燃级之间具有主燃级内流通道。

根据本公开的第二个方面，提供一种燃烧室，包括：

机匣，具有进气口；

扩压器，设于所述机匣的进气口；

上述的燃烧室的雾化装置，设于所述机匣内且位于所述扩压器的下游；

火焰筒，设于所述机匣内，且与所述雾化装置连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述火焰筒包括：

固定板，设有固定板配合孔和多个冲击冷却孔；其中，所述固定板配合孔与所述主燃级外套筒远离所述扩压器的一端配合连接；

火焰筒内环，设于所述固定板的内侧边缘且向远离所述主燃级的方向延伸；

火焰筒外环，设于所述固定板的外侧边缘且向远离所述主燃级的方向延伸。

在本公开的一种示例性实施例中，所述火焰筒还包括：

导流板，设有导流板配合孔和多个导流孔，所述导流板配合孔与所述主燃级内套筒远离所述扩压器的一端配合连接；

在所述导流板与所述固定板之间形成混合通道。

在本公开的一种示例性实施例中，任一所述导流孔的直径不大于3mm。

根据本公开的第三个方面，提供一种航空燃气涡轮发动机，包括上述的燃烧室。

本公开的燃烧室及其雾化装置、航空燃气涡轮发动机中，预燃级与主燃级物理分离，通过主燃级喷嘴与喷嘴插口配合完成定位；因此可以分别制备预燃级和主燃级，并最后组装成本公开的雾化装置。相较于预燃级与主燃级一体式设计，独立的预燃级和独立的主燃级在结构上和制备方法上更为简单，不仅能够减轻雾化装置的重量并降低雾化装置的制备成本，而且可以减小喷嘴安装座的开孔直径，提高机匣的强度。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本公开实施方式的雾化装置剖面结构示意图。

图2是本公开实施方式的雾化装置的主燃级喷嘴处的剖面局部放大结构示意图。

图3是本公开实施方式的燃烧室的局部正等侧视结构示意图。

图4是本公开实施方式的燃烧室的局部剖视正视结构示意图。

图5是本公开实施方式的火焰筒的结构示意图。

图6是本公开实施方式的导流板的结构示意图。

图7是本公开实施方式的雾化装置与火焰筒结合的结构示意图。

图中主要元件附图标记说明如下：

1、雾化装置；11、主燃级；111、主燃级内套筒；112、主燃级外套筒；113、喷嘴插口；114、主燃级外流通道；115、主燃级径向涡流器；1151、上游侧壁；1152、下游侧壁；1153、径向涡流器起旋叶片；116、主燃级内流通道；117、主燃级混合腔；12、预燃级；121、一级涡流器；1211、一级涡流器叶片；1212、文氏管；1213、一级涡流器的流出通道；122、二级涡流器；1221、二级涡流器叶片；1222、预燃级外套筒；1223、二级涡流器的流出通道；123、预燃级混合腔；13、喷嘴组件；131、主燃级喷嘴；1311、集油腔；1312、供油喷嘴；1313、喷油通道；132、预燃级喷嘴；133、喷嘴连杆；1331、主燃级供油通道；1332、预燃级供油通道；2、机匣；21、内机匣；22、外机匣；23、燃烧室外环腔通道；24、燃烧室内环腔通道；3、扩压器；4、火焰筒；41、固定板；411、固定板配合孔；412、冲击冷却孔；413、内侧肋板；414、外侧肋板；42、火焰筒内环；43、火焰筒外环；44、导流板；441、导流板配合孔；442、导流孔；443、狭缝；45、燃烧空间。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。

在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

本公开实施方式中提供一种燃烧室的雾化装置1，如图1所示，该燃烧室的雾化装置1包括：

主燃级11，包括主燃级内套筒111和套设于主燃级内套筒111的主燃级外套筒112；其中，主燃级内套筒111上设置有喷嘴插口113；

预燃级12，穿设于主燃级内套筒111内；

喷嘴组件13，包括预燃级喷嘴132和主燃级喷嘴131；其中，主燃级喷嘴131设于预燃级12，且配合的穿设于喷嘴插口113。

本公开的雾化装置1中，预燃级12与主燃级11物理分离，通过主燃级喷嘴131与喷嘴插口113配合完成定位；因此可以分别制备预燃级12和主燃级11，并最后组装成本公开的雾化装置1。相较于预燃级12与主燃级11一体式设计，独立的预燃级12和独立的主燃级11在结构上和制备方法上更为简单，能够减轻雾化装置1的重量并降低雾化装置1的成本。

下面结合附图对本公开实施方式提供的雾化装置1的各部件进行详细说明：

如图1所示，主燃级11包括主燃级内套筒111和套设于主燃级内套筒111的主燃级外套筒112。如此，在主燃级内套筒111与主燃级外套筒112之间可以形成主燃级外流通道114。

主燃级喷嘴131穿设于喷嘴插口113中，使得主燃级喷嘴131的喷嘴口开设于主燃级外流通道114内。当主燃级喷嘴131喷出燃油时，喷出的燃油在主燃级外流通道114内雾化，并与流经主燃级外流通道114的空气混合；在燃油随着气流向下游运动时，燃油将与空气充分混合且蒸发，实现主燃级11燃油的雾化，形成第一预混油气。其中，喷嘴插口113可以为喇叭形开口，其中靠近主燃级外流通道114的部分尺寸小，远离主燃级外流通道114的部分尺寸大。

主燃级外流通道114可以采用窄通道设计。举例而言，主燃级外流通道114的流道高度不大于3mm，如此，主燃级外流通道114中空间狭小，利用狭小空间内火焰焠熄原理，可以避免主燃级11发生自燃、回火等问题。不仅如此，主燃级外流通道114中的空气和燃油与主燃级内套筒111、主燃级外套筒112的接触更充分，提高了与主燃级内套筒111、主燃级外套筒112的热交换效率，加速了燃油的蒸发速度。可以理解的是，主燃级外流通道114内任一位置距离主燃级内套筒111或主燃级外套筒112的距离均不大于3mm。

如图2所示，沿从上游至下游方向，主燃级外流通道114可以依次包括收缩段和扩张段；其中，主燃级喷嘴131的喷嘴口设于主燃级外流通道114的收缩段。如此，在主燃级外流通道114的收缩段，气流的流速比较大，更容易将主燃级喷嘴131喷出的燃油带走和分散，也更容易利用伯努利效应从主燃级喷嘴131吸取燃油。在主燃级外流通道114的扩张段，气流速度降低，压力降低，因此分散的燃油更容易进一步分散雾化，具有更多的时间进行吸热蒸发，能够保证燃油与空气的充分混合。

可以理解的是，在一实施方式中，收缩段可以指的是，主燃级外流通道114的流道截面的逐渐减小；扩张段可以指的是，主燃级外流通道114的流道截面的逐渐增大。在另一实施方式中，收缩段可以指的是，主燃级外流通道114的半径的逐渐减小；扩张段可以指的是，主燃级外流通道114的半径的逐渐增大。

如图1所示，主燃级11还可以包括主燃级径向涡流器115，主燃级径向涡流器115用于向主燃级外流通道114提供高速旋转气流，使得主燃级喷嘴131喷出的燃油与进入主燃级外流通道114的空气充分混合，完成燃油的预混预蒸发。

在一实施方式中，如图1所示，主燃级径向涡流器115包括上游侧壁1151、下游侧壁1152、位于上游侧壁1151和下游侧壁1152之间的径向涡流器起旋叶片1153。其中，上游侧壁1151与主燃级内套筒111连接，下游侧壁1152与主燃级外套筒112连接。当空气通过主燃级径向涡流器115进入主燃级外流通道114时，径向涡流器起旋叶片1153旋转，使得主燃级外流通道114中的气流旋转。

在本公开中，沿主燃级11的轴线方向，定义气流的上游方向为前方，定义气流的下游方向为后方。在一实施方式中，如图7所示，主燃级外套筒112的后端位于主燃级内套筒111的后端的前侧，以方便主燃级11与火焰筒4的配合。

如图1所示，主燃级内套筒111与预燃级12之间设置有主燃级内流通道116。在一实施方式中，沿从上游至下游方向，主燃级内流通道116先收缩，再扩张。

如图1所示，喷嘴组件13还可以包括喷嘴连杆133，喷嘴连杆133连接预燃级12且设有供油通道；供油通道连接预燃级喷嘴132和主燃级喷嘴131。喷嘴连杆133一方面用于向预燃级喷嘴132和主燃级喷嘴131提供燃油，另一方面用于固定预燃级12。如图3所示，由于预燃级12与主燃级11物理分离，因此喷嘴连杆133的尺寸和强度可以比较小，不仅可以减轻雾化装置1的重量，而且可以减小机匣2上用于与喷嘴连杆133连接的喷嘴安装座的开孔直径，提高与该喷嘴连杆133相连的燃烧室的机匣2的强度。

其中，如图1所示，预燃级喷嘴132可以为离心喷嘴，以实现预燃级的燃油雾化，例如可以为单油路离心喷嘴或双油路离心喷嘴，本公开对此不做特殊的限定。在一实施方式中，供油通道可以包括预燃级供油通道1332，预燃级供油通道1332连接预燃级喷嘴132，用于向预燃级喷嘴132提供燃油。

如图1所示，主燃级喷嘴131可以为直射式供油喷嘴1312。举例而言，主燃级喷嘴131可以包括设于预燃级12的集油腔1311和凸出于预燃级12的供油喷嘴1312，供油喷嘴1312内设置有连接集油腔1311的喷油通道1313。供油喷嘴1312可以穿设于喷嘴插口113中，其外侧壁实现与喷嘴插口113的接触连接；供油喷嘴1312的喷嘴口(与喷油通道1313连通)设于主燃级外流通道114内。在一实施方式中，供油通道还可以包括主燃级供油通道1331，主燃级供油通道1331连接集油腔1311，用于向主燃级喷嘴131提供燃油。

主燃级喷嘴131的数量可以为多个，多个主燃级喷嘴131可以沿圆形轨迹均匀地设置在预燃级12上。在一实施方式中，主燃级喷嘴131的数量为4～8个。

如图1所示，预燃级12可以包括套设于预燃级喷嘴132的一级涡流器121和套设于一级涡流器121的二级涡流器122，用于预燃级12的燃油的燃烧组织。

其中，如图1所示，一级涡流器121包括套设于预燃级喷嘴132的一级涡流器叶片1211和套设于一级涡流器叶片1211的文氏管1212，在文氏管1212内分形成一级涡流器的流出通道1213。

其中，如图1所示，二级涡流器122包括套设于一级涡流器121的二级涡流器叶片1221和套设于二级涡流器叶片1221的预燃级外套筒1222；在预燃级外套筒1222于与文氏管1212之间形成二级涡流器的流出通道1223。

在一实施方式中，二级涡流器叶片1221和一级涡流器叶片1211的叶片旋转方向相反，以形成相反方向的气流，实现对预燃级12中燃烧的组织。

在一实施方式中，如图1和图7所示，沿预燃级12的轴线方向，预燃级外套筒1222的后端位于主燃级内套筒111的后端的前侧，文氏管1212的后端位于预燃级外套筒1222的后端的前侧。如此，一级涡流器的流出通道1213、二级涡流器的流出通道1223和主燃级内流通道116在预燃级12的后段部分连通，形成预燃级混合腔123，实现组织预燃级12的燃烧。

本公开还提供一种燃烧室，如图3和图4所示，燃烧室包括机匣2、扩压器3、上述燃烧室的雾化装置1实施方式所描述的雾化装置1和火焰筒4；

机匣2具有进气口；扩压器3设于机匣2的进气口；雾化装置1设于机匣2内且位于扩压器3的下游；火焰筒4设于机匣2内，且与雾化装置1连接。

本公开提供的燃烧室的雾化装置1，与上述燃烧室的雾化装置1实施方式所描述的雾化装置1相同，因此具有相同的有益效果，本公开在此不再赘述。

如图3所示，机匣2可以包括内机匣21和外机匣22，内机匣21和外机匣22均为环形且同轴设置。在机匣2的前端设置有扩压器3，扩压器3用于连接机匣2的外部空间和机匣2的内部空间。外机匣22与火焰筒4之间形成燃烧室外环腔通道23，内机匣21与燃烧室外环腔通道23之间形成燃烧室内环腔通道24。

在工作时，机匣2外部的来自压气机的高压空气经过扩压器3减速恢复静压后，仍以较高的速度在机匣2的内部空间内向下游(后方)流动。

如图3所示，火焰筒4设于机匣2内且与雾化装置1连接，为燃油和空气混合燃烧提供空间，保护机匣不受高温燃气炙烤。

如图5所示，火焰筒4可以包括固定板41、火焰筒内环42和火焰筒外环43；固定板41设有固定板配合孔411和多个冲击冷却孔412；其中，固定板配合孔411与主燃级外套筒112远离扩压器3的一端(即主燃级外套筒112的后端)配合连接；火焰筒内环42设于固定板41的内侧边缘且向远离主燃级11的方向延伸(即向后方延伸)；火焰筒外环43设于固定板41的外侧边缘且向远离主燃级11的方向延伸(即向后方延伸)。在固定板41、火焰筒内环42和火焰筒外环43之间形成燃烧空间45(火焰筒4内部)。

如图7所示，固定板41使得主燃级11固定于火焰筒内环42和火焰筒外环43，且使得主燃级11和预燃级12的燃油进入燃烧空间45内燃烧。其中，位于机匣2内部空间的空气可以通过冲击冷却孔412，与主燃级11提供的第一预混油气进一步混合，形成第二预混油气，实现对燃烧的组织。机匣2内部空间的空气通过冲击冷却孔412，还可以实现对固定板41的冷却，保护主燃级11和火焰筒4。

在火焰筒内环42和火焰筒外环43上均可以设置冷却结构，以保护火焰筒4不受高温燃气烧蚀。举例而言，在一实施方式中，火焰筒内环42和火焰筒外环43开有全发散气膜冷却孔。

火焰筒内环42和火焰筒外环43上还可以设置有掺混孔，掺混孔用于控制燃烧室出口温度分布。当然的，火焰筒内环42和火焰筒外环43也可以不设置掺混孔，通过固定板41组织燃烧调控出口温度分布。

在一实施方式中，火焰筒内环42固定连接于内机匣21。

如图6所示，火焰筒4还可以包括导流板44，导流板44设有导流板配合孔441和多个导流孔442，导流板配合孔441与主燃级内套筒111远离扩压器3的一端(即主燃级内套筒111的后端)配合连接；在导流板44与固定板41之间形成主燃级混合腔117。如此，主燃级外流通道114内的第一预混油气进入主燃级混合腔117，机匣2外部空间的空气也可以通过冲击冷却孔412进入主燃级混合腔117，两者实现混合形成第二预混油气，然后通过导流孔442进入燃烧空间45，实现了对燃烧的组织。本公开的燃烧室通过多个导流孔442喷射第二预混油气的方式组织燃烧，提高了燃烧空间45内的振荡阻尼，增强了燃烧稳定性，降低了燃烧振动的可能性。

在一实施方式中，如图6所示，导流孔442可以为斜切发散孔，斜切发散孔的直径不超过3mm。技术人员可以根据需求选择不同的导流孔442排布方式，以达成精确控制燃烧空间45内主燃区的流场结构和油气分布，以便更好地控制燃烧室的出口温度和更有效地降低燃烧室的污染物排放。

在一实施方式中，如图7所示，固定板41还可以包括内侧肋板413和外侧肋板414；内侧肋板413设于固定板41靠近火焰筒内环42的一侧，且向远离主燃级11的方向延伸(向后延伸)；外侧肋板414设于固定板41靠近火焰筒外环43的一侧，且向远离主燃级11的方向延伸(向后延伸)；导流板44的内侧边缘与内侧肋板413之间存在狭缝443，且导流板44的外侧边缘与外侧肋板414之间存在狭缝443。

本公开的其中一种燃烧室在工作时，来自压气机的高压空气经过扩压器3减速恢复静压，仍以较高流速在机匣2内部空间内流动。进入机匣2内部空间的空气被雾化装置1和火焰筒4分割为多个部分。其中，

如图7所示，第一部分空气通过主燃级径向涡流器115进入主燃级外流通道114，与主燃级喷嘴131喷出的燃油充分混合后形成第一混合油气，第一混合油气从主燃级外流通道114流入主燃级混合腔117。第二部分空气通过冲击冷却孔412进入主燃级混合腔117，与第一混合油气混合后形成第二混合油气，第二混合油气通过导流孔442和狭缝443进入火焰筒4内部进行燃烧。

如图7所示，第三部分空气通过一级涡流器121进入预燃级12，并与预燃级喷嘴132喷出的燃油混合形成第三混合油气；第三混合油气沿一级涡流器的流出通道1213流出。第四部分空气通过二级涡流器122进入预燃级12，沿二级涡流器的流出通道1223流动，并与第三混合油气混合形成第四混合油气；第四混合油气从二级涡流器的流出通道1223流入预燃级混合腔123。第五部分空气通过主燃级内流通道116进入预燃级12，流入预燃级混合腔123后与第四混合油气混合形成第五混合油气。第五混合油气通过导流板配合孔441进入火焰筒4进行扩散燃烧。

如图4所示，第六部分空气进入火焰筒外环43和外机匣22围成的燃烧室外环腔通道23，再经过火焰筒外环43上的全发散气膜冷却孔进入燃烧空间45。第七部分空气进入火焰筒内环42和内机匣21围成的燃烧室内环腔通道24，再经过火焰筒内环42上的全发散气膜冷却孔进入燃烧空间45。

根据该工作过程可知，本公开可以提供一种小空间预混预蒸发多孔喷射燃烧的低污染的燃烧室。

本公开还提供一种航空燃气涡轮发动机，包括上述燃烧室实施方式所描述的任意一种燃烧室。该航空燃气涡轮发动机的燃烧室与上述燃烧室实施方式中所描述的燃烧室相同，因此具有相同的有益效果，本公开在此不再赘述。

应可理解的是，本公开不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本公开能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本公开的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本公开延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本公开的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本公开。

Claims (8)

1.一种燃烧室，其特征在于，包括：

机匣，具有进气口；

扩压器，设于所述机匣的进气口；

雾化装置，设于所述机匣内且位于所述扩压器的下游；所述雾化装置包括：

主燃级，所述主燃级包括主燃级内套筒和套设于所述主燃级内套筒的主燃级外套筒；其中，所述主燃级内套筒上设置有喷嘴插口；

预燃级，穿设于所述主燃级内套筒内；

喷嘴组件，包括预燃级喷嘴和主燃级喷嘴；其中，所述主燃级喷嘴设于所述预燃级，且配合的穿设于所述喷嘴插口；

火焰筒，设于所述机匣内，且与所述雾化装置连接；所述火焰筒包括：

固定板，设有固定板配合孔和多个冲击冷却孔；其中，所述固定板配合孔与所述主燃级外套筒远离所述扩压器的一端配合连接；

导流板，设有导流板配合孔和多个导流孔，所述导流板配合孔与所述主燃级内套筒远离所述扩压器的一端配合连接，所述导流孔为斜切发散孔；

在所述导流板与所述固定板之间形成混合通道。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述火焰筒包括：

火焰筒内环，设于所述固定板的内侧边缘且向远离所述主燃级的方向延伸；

火焰筒外环，设于所述固定板的外侧边缘且向远离所述主燃级的方向延伸。

3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，任一所述导流孔的直径不大于3mm。

4.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述喷嘴组件还包括：

喷嘴杆，连接所述预燃级且设有供油通道；所述供油通道连接所述预燃级喷嘴和所述主燃级喷嘴。

5.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级内套筒与所述主燃级外套筒之间形成主燃级外流通道，所述主燃级外流通道内任一位置距离所述主燃级内套筒或所述主燃级外套筒的距离均不大于3mm。

6.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，沿从上游至下游方向，所述主燃级外流通道依次包括收缩段和扩张段；

所述主燃级喷嘴的喷嘴口设于所述主燃级外流通道的收缩段。

7.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级内套筒与所述预燃级之间具有主燃级内流通道。

8.一种航空燃气涡轮发动机，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的燃烧室。

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