CN109945235A - 燃油喷嘴、燃烧室及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃油喷嘴、燃烧室及航空发动机。燃油喷嘴包括喷嘴本体以及喷嘴杆，喷嘴杆用以向喷嘴本体输送燃油。喷嘴本体包括具有第一旋流结构的第一旋流构件、具有第二旋流结构的第二旋流构件以及具有第三旋流结构的第三旋流构件。第二旋流构件以相间隔的方式围绕第一旋流构件，且后部具有文氏管结构。第三旋流构件以相间隔的方式围绕文氏管结构。第一、第二和第三空气流分别经过第一、第二和第三旋流结构形成第一、第二和第三旋流，第一旋流与第二旋流方向相反，第二旋流与第三旋流方向相反。燃油在第一旋流和第二旋流的共同作用下完成第一次剪切，燃油在第二旋流和第三旋流的共同作用下完成第二次剪切。

Description

燃油喷嘴、燃烧室及航空发动机

技术领域

本发明总体来说涉及航空发动机领域，具体而言，涉及一种燃油喷嘴、燃烧室以及航空发动机。

背景技术

燃油喷嘴是航空发动机燃烧室中最为核心的组件，燃油喷嘴性能的优劣，不仅对燃烧室点熄火性能、燃烧效率和燃烧稳定性等有至关重要的影响，还会影响燃烧室出口温度分布、排气污染和燃烧室寿命等，因此燃油喷嘴在燃烧室研发中占有非常重要的地位。随着发动机循环参数不断提高，当前最先进的发动机燃烧室温升已经超过1050K，即燃烧室油气比达到0.034左右(如美国F119发动机)，而最新服役的F135发动机燃烧室油气比则已达到了0.046左右。此时，燃烧室头部或燃油喷嘴的进气量将占到整个燃烧室的50％以上，保证燃烧室小功率状态下贫油熄火性能与避免大功率状态下排气冒烟之间的矛盾将变得不可调和。在此情况下，要求燃油喷嘴需要由宽广的调节范围，保证在发动机小功率状态下也能使燃油雾化良好、混合均匀。

然而，现有技术中的内预膜式气动雾化喷嘴中，燃油液膜均在内旋气流和外旋气流的剪切作用下完成“初始雾化”(primary atomization)过程。在发动机小功率状态下，燃烧室空气压力降很小，旋流气动力较弱，剪切作用大大减弱，燃油雾化效果差，对发动机点火起动和贫油熄火稳定性能非常不利。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，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

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种燃油雾化效果佳且结构简单的航空发动机燃油喷嘴。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种包括上述燃油喷嘴的燃烧室。

本发明的再一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种包括上述燃烧室的航空发动机。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种航空发动机燃油喷嘴，包括喷嘴本体以及喷嘴杆，喷嘴杆连通于所述喷嘴本体，用以向所述喷嘴本体输送燃油；其中，所述喷嘴本体包括第一旋流构件、第二旋流构件以及第三旋流构件。第一旋流构件具有第一旋流结构；第二旋流构件以相间隔的方式围绕所述第一旋流构件，且具有第二旋流结构和形成于所述第二旋流构件后部的文氏管结构；以及第三旋流构件以相间隔的方式围绕所述文氏管结构，且具有第三旋流结构；

其中，燃油穿过设置在所述第二旋流构件上的喷射孔流入所述第一旋流构件和所述第二旋流构件之间的间隙；

其中，进入所述喷嘴本体的空气分成第一空气流、第二空气流和第三空气流，所述第一空气流流经所述第一旋流结构形成第一旋流，所述第二空气流流经所述第二旋流结构形成与所述第一旋流旋向相反的第二旋流，所述第三空气流流经所述第三旋流结构形成与所述第二旋流旋向相反的第三旋流，燃油在所述第一旋流和所述第二旋流的共同作用下完成第一次剪切，燃油在所述第二旋流和所述第三旋流的共同作用下完成第二次剪切。

根据本发明一实施方式，还包括设置于所述第一旋流构件和所述第二旋流构件之间的预膜筒，所述预膜筒包括外壁面以及形成于所述预膜筒后部的斜切通槽和楔形端面，燃油穿过所述喷射孔喷溅在所述外壁面并形成油膜，所述楔形端面与所述第二旋流构件的内壁面之间具有一缝隙。

根据本发明一实施方式，所述斜切通槽的斜切方向与所述第一旋流的旋向相反，使得燃油穿过所述斜切通槽后形成与所述第一旋流相反的旋流。

根据本发明一实施方式，所述第一旋流构件的后端部开有第一吹积碳孔。

根据本发明一实施方式，所述第一吹积碳孔的射流方向正对所述文氏管结构的喉道。

根据本发明一实施方式，所述第三旋流构件的后端部开有第二吹积碳孔。

根据本发明一实施方式，所述第一旋流结构和/或所述第二旋流结构和/或所述第三旋流结构为斜切槽、斜切叶片或斜切孔。

根据本发明一实施方式，所述喷射孔具有斜切方向，所述斜切方向与所述第二旋流的方向相反，使得燃油穿过所述喷射孔后形成与所述第二旋流相反的旋流。

根据本发明的另一方面，提供一种航空发动机燃烧室，包括扩压器、火焰筒以及设置在所述火焰筒前部的燃油喷嘴，所述燃油喷嘴采用如上述任一项所述的燃油喷嘴。

根据本发明的再一方面，提供一种航空发动机，安装有上述所述的航空发动机燃烧室。

由上述技术方案可知，本发明的航空发动机燃油喷嘴的优点和积极效果在于：

本发明提出一种全新的航空发动机燃油喷嘴，利用两两旋向相反的旋流构件对液膜进行两次剪切，强化燃油初始雾化过程，相比现有技术中的只有一次剪切过程，本发明的燃油喷嘴的燃油雾化效果更佳，提高了发动机点火启动和贫油熄火稳定性。

同时，利用预膜筒的斜切通槽的狭缝溢流效应控制发动机处于小功率状态下的燃油液膜厚度以促进燃油雾化，获得一种发动机在大小功率状态下雾化效果俱佳的一体化结构的燃油雾化喷嘴。

附图说明

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

图1是根据一示例性实施方式示出的一种航空发动机燃油喷嘴的立体图。

图2是图1的局部剖面图。

图3是根据一示例性实施方式示出的燃油喷嘴的燃油与空气流向的示意图。

图4是根据一示例性实施方式示出的第一旋流构件的立体图。

图5是根据一示例性实施方式示出的第二旋流构件的立体图。

图6是根据一示例性实施方式示出的第三旋流构件的立体图。

图7是根据一示例性实施方式示出的预膜筒的立体图。

图8是根据一示例性实施方式示出的一种航空发动机燃烧室的示意图。

其中，附图标记说明如下：

100 燃油喷嘴

200 扩压器

300 火焰筒

301 回流区

1 喷嘴杆

11 油管

12 集油座

121 集油腔

2 喷嘴本体

21 第一旋流构件

211 第一旋流结构

212 第一吹积碳孔

213 进气槽

214 中心开口

22 第二旋流构件

221 文氏管结构

222 喷射孔

223 台阶部

224 第二旋流结构

23 第三旋流构件

231 第三旋流结构

232 第二吹积碳孔

233 出口套筒

24 预膜筒

241 外壁面

242 斜切通槽

243 楔形端面

① 第一空气流

② 第二空气流

③ 第三空气流

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。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。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

其中，图1是根据一示例性实施方式示出的一种航空发动机燃油喷嘴的立体图。图2是图1的局部剖面图。图3是根据一示例性实施方式示出的燃油喷嘴的燃油与空气流向的示意图。图4是根据一示例性实施方式示出的第一旋流构件的立体图。图5是根据一示例性实施方式示出的第二旋流构件的立体图。图6是根据一示例性实施方式示出的第三旋流构件的立体图。图7是根据一示例性实施方式示出的预膜筒的立体图。图8是根据一示例性实施方式示出的一种航空发动机燃烧室的示意图。

如图1和图2所示，本发明的一示例实施方式提供的燃油喷嘴包括喷嘴本体2以及喷嘴杆1，喷嘴杆1内部设有连通于喷嘴本体2的油管11，燃油通过油管11进入喷嘴本体2。具体来说，喷嘴本体2的外围套设有集油座12，集油座12内部开有集油腔121，油管11连通于集油腔121。燃油通过油管11先进入集油腔121内，之后再进入喷嘴本体2内部，为了燃油能够均匀地喷射入喷嘴本体2内，集油腔121可设计为围绕喷嘴本体2外壁一圈的圆环，使得燃油沿喷嘴本体2周向外壁均可进入喷嘴本体2内部。

如图3-图7所示，在本实施方式中，喷嘴本体2可以包括第一旋流构件21、第二旋流构件22、第三旋流构件23以及预膜筒24，上述四个构件的安装位置由内之外分别是：第一旋流构件21、预膜筒24、第二旋流构件22和第三旋流构件23。

其中，预膜筒24包围在第一旋流构件21外围，且两者之间具有间隙，该间隙用以通过由设置在第一旋流构件21的第一旋流结构211形成的第一空气流①，下述将进行详细说明。

第二旋流构件22以相间隔的方式围绕预膜筒24，两者之间同样具有一间隙，该间隙用以通过由设置在第二旋流构件22的第二旋流结构224形成的第二空气流②。同时，在第二旋流构件22的后端部形成有文氏管结构221。

第三旋流构件23以相间隔的方式围绕在文氏管结构221外，且具有第三旋流结构231，第三旋流构件23和文氏管结构221之间具有一间隙，该间隙用以通过由第三旋流结构231形成的第三空气流③。

如图3和4所示，在本实施方式中，第一旋流构件21整体可以呈杯状，一端具有中心开口214，用以流入第一空气流①。中心开口214的端面开有进气槽213，用以流入第二空气流②。第一旋流构件21的侧壁设置有第一旋流结构211，用以产生第一旋流。具体来说，旋流结构可以采用斜切槽、斜切叶片、斜切孔或其他能够产生旋流的结构。第一旋流构件21的后端部开有多个第一吹积碳孔212，用以吹除溅落在第一旋流构件21后端部上的燃油，防止燃油结焦、积碳。第一吹积碳孔212的孔径可以为0.3mm～1mm。

进一步地，第一吹积碳孔212的射流方向可以是正对文氏管结构221的喉道位置。

如图3和图5所示，在本实施方式中，第二旋流构件22大致呈筒状，其侧壁开有一排或多排阵列排布的燃油喷射孔222，在安装状态下，燃油喷射孔222正对集油座12的集油腔121，使得燃油可从集油腔121通过燃油喷射孔222喷射入喷嘴本体2内。进一步地，燃油喷射孔222可以是具有一定斜切角度，而非开孔方向正对第二旋流构件22的中轴线，使得燃油通过喷射孔222后具有朝一定方向的旋向。其中，该旋向可以是与第二旋流的方向相反，进而使得燃油在预膜筒24和第二旋流构件22之间的间隙内完成一次剪切，更加有利于燃油雾化效果。

另外，第二旋流构件22的靠近前端部的内壁设置有第二旋流结构224，该旋流结构可以采用斜切槽、斜切叶片、斜切孔或其他能够产生旋流的结构。第二空气流②通过第二旋流结构224形成第二旋流，第二旋流的旋向与第一旋流的旋向相反。第二旋流结构224相比燃油喷射孔222更靠近第二旋流构件22的前端。

第二旋流构件22的后部形成有文氏管结构221，文氏管结构221的喉道处具有台阶部223，如图3所示，台阶部223的宽度L4和高度L5均不超过0.3mm。

第二旋流的功能是：为燃油喷嘴提供第二旋流，并与第一旋流的共同作用，对燃油液膜进行第一次剪切，增强燃油的雾化效果。

如图3和图6所示，在本实施方式中，第三旋流构件23大致呈圆环状，其包括第三旋流结构231和由第三旋流构件23向后延伸而形成的出口套筒233。其中，第三旋流结构231可以采用斜切槽、斜切叶片、斜切孔或其他能够产生旋流的结构，第三空气流③通过第三旋流结构231形成第三旋流，第三旋流的旋向与第二旋流的旋向相反。出口套筒233的扩张角α可以是80°～150°，出口套筒233的端面上开有多个阵列排布的第二吹积碳孔232，穿过第二吹积碳孔232的小股空气可吹除溅落在出口套筒233端面上的燃油，并对其进行冷却，防止过热、结焦、积碳。

第三旋流构件23的功能是：为燃油喷嘴提供第三旋流，并与文氏管结构221出口的第二旋流共同作用，对燃油液膜进行第二次剪切，增强燃油的雾化效果。同时，通过第三旋流的作用，在火焰筒300内产生回流区301，使得油气混合物分布更加均匀，发挥稳定火焰并组织燃烧的功能。

如图3和图7所示，在本实施方式中，预膜筒24大致呈圆筒状，围绕在第一旋流构件21的外围，预膜筒24包括外壁面241以及多个形成于预膜筒24后部的斜切通槽242和楔形端面243。多个斜切通槽242以阵列排布的形式设置在预膜筒24后部，且具有一定的斜切角度，使得油膜穿过斜切通槽242后具有一定方向的旋向，该旋向与第二旋流的方向相同，使得燃油穿过斜切通槽242进入预膜筒24内部时具有一定旋向，由于燃油旋向与第一旋流方向相反，故燃油在第一旋流构件21与预膜筒24之间的间隙内完成一次剪切，提高了燃油雾化效果。

如图3所示，楔形端面243与第二旋流构件22内壁之间具有一缝隙L1，燃油可通过该缝隙流入文氏管结构221的内壁形成薄油膜。

其中，斜切通槽242的长度L2和宽度L3需与缝隙L1相配合，具体来说，当发动机处于大功率状态时，由于第二旋流的气动力较强，能够促使一部分附着在预膜筒24外壁面241的油膜发生脱离，从而向后部流动并从缝隙L1处流出，在文氏管结构221上形成薄油膜；另一部分附着在预膜筒24外壁面241的油膜会穿过斜切通槽242流入预膜筒24内。因此，当发动机处于大功率状态时，通过油管11输入的燃油总量从斜切通槽242和缝隙L1两个路径流出，故L1、L2和L3的尺寸应相互配合，且三个尺寸的总出油量应大于或等于油管11的总进油量，避免油管11发生燃油堵塞。

下面结合图3-图7详细说明第一空气流①、第二空气流②、第三空气流③和燃油的流向，以及发明提供的燃油喷嘴的工作过程：

如图所示，进入喷嘴本体2的空气分成三股气流，即第一空气流①、第二空气流②和第三空气流③。第一空气流①进入第一旋流构件21的中心开口214，并沿径向穿过第一旋流结构211从而形成第一旋流，第一旋流沿第一旋流构件21与预膜筒24之间的间隙向后流动，最终从文氏管结构221的通道进入火焰筒300。

第二空气流②通过进气槽213进入第二旋流构件22与预膜筒24之间的间隙，在第二旋流结构224的作用下形成第二旋流，第二旋流沿第二旋流构件22与预膜筒24之间的间隙向后流动并穿过斜切通槽242和/或缝隙L1，最终从文氏管结构221的通道进入火焰筒300。其中，第二旋流与第一旋流方向相反。

第三空气流③通过第三旋流结构231进入第三旋流构件23并形成第三旋流，第三旋流向后流动，最终沿出口套筒233流入火焰筒300内并形成饱满回流区301，使得油气混合物分布更加均匀，发挥稳定火焰并组织燃烧的功能。

燃油通过喷嘴杆1内的油管11进入集油腔121，再从燃油喷射孔222中流出喷溅在预膜筒24的外壁面241上。在发动机处于小功率状态时，由于第二旋流的气动力较弱，燃油主要是在本身的喷射动量下沿预膜筒24的外壁面241向下游流动并被斜切通槽242割裂，从斜切通槽242的狭缝流入预膜筒24并形成更薄的油膜或液带。在发动机处于大功率状态时，由于第二旋流的气动力较强，促使一部分附着在预膜筒24外壁面241的油膜发生脱离并向下游流动并从缝隙L1处流出，在文氏管结构221上形成薄油膜。由于缝隙L1处同时存在着方向相反的第一旋流和第二旋流，故燃油液膜在该处发生“第一次剪切”，使得液膜剪切成滴。进一步地，经“第一次剪切”的油膜到达文氏管结构221的末端时，由于该处同时存在着方向相反的第三旋流和第二旋流，故油膜在该处发生“第二次剪切”，使得油膜雾化颗粒的直径更小。燃油在“第一次剪切”和“第二次剪切”的共同作用下，达到了良好的雾化效果，基于上述过程改善了气动雾化喷嘴在发动机处于小功率状态的雾化效果。

值得一提的是，上述燃油喷射孔222的斜切方向与第二旋流的方向相反，以及斜切通槽242的斜切方向与第一旋流的方向相反的结构设计，使得燃油不仅经历“第一次剪切”和“第二次剪切”，同时还经历了“第三次剪切”和“第四次剪切”，燃油经过多次剪切，使得油膜被剪切的颗粒直径更小，燃油雾化效果更佳。

本发明提出一种全新的燃油喷嘴，利用两两旋向相反的旋流构件对液膜进行两次剪切，强化燃油初始雾化过程，同时利用预膜筒24的斜切通槽242的狭缝溢流效应控制发动机处于小功率状态下的燃油液膜厚度以促进燃油雾化，获得一种发动机在大小功率状态下雾化效果俱佳的一体化结构的燃油雾化喷嘴。

另外，在其他实施方式中，喷嘴本体2也可以包括第一旋流构件21、第二旋流构件22以及第三旋流构件23，与上述实施方式的不同在于，省却了预膜筒24。

基于此，燃油通过燃油喷射孔222喷射在第一旋流构件21的外壁并形成油膜，第一旋流结构211的位置相比燃油喷射在第一旋流构件21的外壁的附着点更靠近前端，使得燃油在第一旋流构件21和第二旋流构件22之间的间隙内，通过第一旋流和第二旋流的共同作用完成“第一次剪切”。进一步地，在文氏管结构221的末端，油膜经过第二旋流和第三旋流的共同作用完成“第二次剪切”。具体的工作过程与上述实施方式类似，此处不再详细说明。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的航空发动机燃油喷嘴仅仅是采用本发明的原理的一个示例。本领域的普通技术人员应当清楚地理解，本发明的原理并非仅限于附图中示出或说明书中描述的装置的任何细节或任何部件。

如图8所示，本发明还提供一种航空发动机燃烧室，包括扩压器200、火焰筒300以及设置在所述火焰筒300前部的燃油喷嘴，燃油喷嘴可以是上述实施方式中的任一喷嘴。

本发明还提供一种航空发动机，安装有上述航空发动机燃烧室。

综上所述，本发明的燃油喷嘴具有优点和有益效果是：

1)零件数量少，加工简单，成本低；

2)一体化结构燃油喷嘴的装配性和维护性好；

3)通过狭缝斜切通槽的溢流效应和多次剪切作用，强化了燃油的“初始雾化”过程，避免了传统气动雾化喷嘴在发动机处于小功率状态下雾化性能差的问题，更有效保证燃烧室的点熄火性能；

4)通过狭缝斜切通槽的溢流效应和多次剪切作用，强化了燃油与空气的混合及燃油蒸发，有利于油气在火焰筒内充分混合且分布均匀，更有效避免燃烧室大功率状态出现冒烟，且有利于获得了良好的燃烧室出口温度场分布。

应可理解的是，本发明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。本发明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发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/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发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种航空发动机燃油喷嘴，其特征在于，包括：

喷嘴本体；以及

喷嘴杆，连通于所述喷嘴本体，用以向所述喷嘴本体输送燃油；其中，所述喷嘴本体包括：

第一旋流构件，具有第一旋流结构；

第二旋流构件，以相间隔的方式围绕所述第一旋流构件，且具有第二旋流结构和形成于所述第二旋流构件后部的文氏管结构；以及

第三旋流构件，以相间隔的方式围绕所述文氏管结构，且具有第三旋流结构；

其中，燃油穿过设置在所述第二旋流构件上的喷射孔流入所述第一旋流构件和所述第二旋流构件之间的间隙；

其中，进入所述喷嘴本体的空气分成第一空气流、第二空气流和第三空气流，所述第一空气流流经所述第一旋流结构形成第一旋流，所述第二空气流流经所述第二旋流结构形成与所述第一旋流旋向相反的第二旋流，所述第三空气流流经所述第三旋流结构形成与所述第二旋流旋向相反的第三旋流，燃油在所述第一旋流和所述第二旋流的共同作用下完成第一次剪切，燃油在所述第二旋流和所述第三旋流的共同作用下完成第二次剪切。

2.根据权利要求1所述的航空发动机燃油喷嘴，其特征在于，还包括设置于所述第一旋流构件和所述第二旋流构件之间的预膜筒，所述预膜筒包括外壁面以及形成于所述预膜筒后部的斜切通槽和楔形端面，燃油穿过所述喷射孔喷溅在所述外壁面并形成油膜，所述楔形端面与所述第二旋流构件的内壁面之间具有一缝隙。

3.根据权利要求2所述的航空发动机燃油喷嘴，其特征在于，所述斜切通槽的斜切方向与所述第一旋流的旋向相反，使得燃油穿过所述斜切通槽后形成与所述第一旋流相反的旋流。

4.根据权利要求1-3任一项所述的航空发动机燃油喷嘴，其特征在于，所述第一旋流构件的后端部开有第一吹积碳孔。

5.根据权利要求4所述的航空发动机燃油喷嘴，其特征在于，所述第一吹积碳孔的射流方向正对所述文氏管结构的喉道。

6.根据权利要求1-3任一项所述的航空发动机燃油喷嘴，其特征在于，所述第三旋流构件的后端部开有第二吹积碳孔。

7.根据权利要求1-3任一项所述的航空发动机燃油喷嘴，其特征在于，所述第一旋流结构和/或所述第二旋流结构和/或所述第三旋流结构为斜切槽、斜切叶片或斜切孔。

8.根据权利要求1-3任一项所述的航空发动机燃油喷嘴，其特征在于，所述喷射孔具有斜切方向，所述斜切方向与所述第二旋流的方向相反，使得燃油穿过所述喷射孔后形成与所述第二旋流相反的旋流。

9.一种航空发动机燃烧室，包括扩压器、火焰筒以及设置在所述火焰筒前部的燃油喷嘴，其特征在于，所述燃油喷嘴采用如权利要求1-8任一项所述的燃油喷嘴。

10.一种航空发动机，其特征在于，安装有如权利要求9所述的航空发动机燃烧室。