CN110107917A

CN110107917A - 径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室

Info

Publication number: CN110107917A
Application number: CN201910326686.6A
Authority: CN
Inventors: 杨谦; 张良; 巩二磊; 王慧汝
Original assignee: China Aero Engine Research Institute
Current assignee: China Aero Engine Research Institute
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2019-08-09

Abstract

本发明提供了一种径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室，其包括：火焰筒，该火焰筒的前端设置扩压器空气入口、预燃级燃料入口、主燃级燃料入口和沿径向布置的预燃级燃料通道、主燃级燃料通道、空气通道；以及火焰筒的壁面设置槽道式射流掺混结构，槽道式射流掺混结构为在火焰筒的壁面沿圆周方向布置的掺混孔，使得所述燃烧室实现富油燃烧‑淬熄‑贫油燃烧组织方式。

Description

径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室

技术领域

本发明涉及燃烧室技术，尤其涉及一种径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室。

背景技术

现代航空发动机性能和清洁性要求的提升要求作为航发重要组成部件的燃烧室在保证燃烧效率不变的条件下进一步提高燃烧室温升和降低排气污染，以适应航空对于更大推力的动力需求和环境保护限制。提升燃烧室温升主要通过提高燃烧室进口温度和增大燃烧室油气比来实现，以此达到的更高涡轮前进口燃气温度可以提高发动机的循环热效率，从而增大推力。降低排气污染主要是为减轻航空发动机排气中包含的一氧化碳(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)和烟尘(Smoke)对大气环境产生的破坏，采取先进的低污染燃烧组织技术，使其满足环保规章制度(如国际民航组织附件16第Ⅱ卷《航空发动机的排出物》标准)的要求。

为满足上述指标和技术要求，燃烧室发展出新型分级分区燃烧组织技术，以实现温升的提高和污染的降低。而新型分级分区燃烧组织技术所面临的挑战主要有：1、燃烧室温升提高导致燃烧室油气比的升高，燃油流量的条件范围增大，导致燃烧室内在大工况和小工况下燃油雾化特性变化剧烈，可能造成大工况下燃烧室燃烧效率下降，小工况下燃烧室火焰稳定性不佳；2、高油气比下燃烧室头部燃油与空气混合均匀度降低，导致燃烧室燃烧完全度减小，燃油与空气反应生成的一氧化碳(CO)、未燃碳氢(UHC)、氮氧化物(NO_x)和烟尘(Smoke)含量升高，排气污染物指标升高；3、为实现更低排放而采用的贫油分级均匀燃烧组织技术，由于贫油匀燃的特点，头部点火和熄火性能可能存在问题，且在某些工况下大概率会出现振荡燃烧现象，影响燃烧室的性能和结构完整性；4、兼顾高温升和低污染需求的分级分区富油燃烧-淬熄-贫油燃烧组织技术，由于头部富油燃烧的特点，其点火和熄火性能优异，但受淬熄区域间隔射流掺混不完全的影响，淬熄区域可能出现化学恰当比燃烧的位置，导致局部燃烧温度过高，生成NO_x偏高，排放量增大，同时燃烧温度过高导致火焰筒壁面损坏。

因此，燃烧室温升提高和污染物排放量降低的需求，使得新型分级分区燃烧组织技术的应用更为迫切。但现有的新型燃烧组织技术在结构上均存在技术缺陷。作为分级分区富油燃烧-淬熄-贫油燃烧组织技术，为解决其淬熄区域间隔射流掺混不完全导致富油火焰燃烧反应冻结度不够的缺陷，必须采用先进的射流掺混技术手段来提升空气射流对燃烧反应的滞止程度，提升富油燃烧区、火焰淬熄区和贫油燃烧区的区分度，实现富油燃烧-淬熄-贫油燃烧室的燃烧效率、温升和污染物排放指标。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本发明提供了一种径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室，其包括：火焰筒，该火焰筒的前端设置扩压器空气入口、预燃级燃料入口、主燃级燃料入口和沿径向布置的预燃级燃料通道、主燃级燃料通道、空气通道；以及火焰筒的壁面设置槽道式射流掺混结构，槽道式射流掺混结构为在火焰筒的壁面沿圆周方向布置的掺混孔，使得所述燃烧室实现富油燃烧-淬熄-贫油燃烧组织方式。

根据本发明的至少一个实施方式，火焰筒的壁面的型面为先收缩后扩张的形状。

根据本发明的至少一个实施方式，槽道式射流掺混结构设置在火焰筒的壁面的喉道附近，喉道为火焰筒横截面最小处。

根据本发明的至少一个实施方式，掺混孔的形状为三角形、矩形或不规则多边形，掺混孔沿流向的长度与周向宽度之比大于2。

根据本发明的至少一个实施方式，槽道式射流掺混结构包括至少一排掺混孔。

根据本发明的至少一个实施方式，槽道式射流掺混结构的上游区域采用富油燃烧模式，槽道式射流掺混结构所在的区域为燃烧淬熄区域，槽道式射流掺混结构的下游区域采用贫油燃烧模式。

根据本发明的至少一个实施方式，空气通道包括预燃级空气通道、主燃级空气通道和外环空气通道；以及按顺序由内至外依次设置预燃级燃料通道、预燃级空气通道、主燃级燃料通道、主燃级空气通道和外环空气通道。

根据本发明的至少一个实施方式，预燃级空气通道、主燃级空气通道和外环空气通道内分别设置预燃级空气旋流装置、主燃级空气旋流装置和外环空气旋流装置。

根据本发明的至少一个实施方式，预燃级空气旋流装置、主燃级空气旋流装置和外环空气旋流装置为轴向旋流式、径向旋流式或轴径向混合式；以及预燃级空气旋流装置、主燃级空气旋流装置和外环空气旋流装置为叶片式或斜切孔式。

根据本发明的至少一个实施方式，预燃级空气旋流装置、主燃级空气旋流装置和外环空气旋流装置的旋流旋向为顺时针或逆时针。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，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是根据本发明至少一个实施方式的径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室的结构示意图。

图2是根据本发明至少一个实施方式的径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室的火焰筒的立体结构示意图。

图3是根据本发明至少一个实施方式的径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室的各通道结构示意图。

图中符号说明如下：

1-扩压器空气入口；2-预燃级燃料入口；3-主燃级燃料入口；4-预燃级燃料通道；5-预燃级空气通道；6-主燃级燃料通道；7-主燃级空气通道；8-外环空气通道；9-帽罩；10-头部端壁；11-火焰筒壁面；12-槽道式射流掺混结构；13-预燃级空气旋流装置；14-主燃级空气旋流装置；15-外环空气旋流装置；16-喉道。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明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，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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发明。

在本发明的至少一个实施方式中，本发明提供了一种径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室，如图1所示，其包括：火焰筒，该火焰筒的前端设置扩压器空气入口1、预燃级燃料入口2、主燃级燃料入口3和沿径向布置的预燃级燃料通道4、主燃级燃料通道6、空气通道；以及火焰筒的壁面11设置槽道式射流掺混结构12，槽道式射流掺混结构12为在火焰筒的壁面沿圆周方向布置的掺混孔，使得所述燃烧室实现富油燃烧-淬熄-贫油燃烧组织方式。

根据本发明另外一个实施方式，如图1所示，火焰筒壁面11的型面为先收缩后扩张的形状。这样形状的管道称为拉瓦尔管，理论证明亚声速气流在管道的收缩部分加速，在扩张部分减速，因此气流的速度在管道的横截面最小处达到最大，其中管道的横截面最小处称为喉道。本发明提供的槽道式射流掺混结构12设置在火焰筒壁面11的喉道16附近，喉道16即为火焰筒横截面最小处。由于气流的速度在达到喉道16前被加速，并在喉道16处达到最大值，因此，在此处设置槽道式射流掺混结构12能够最大限度地发挥该结构的掺混作用。

火焰筒壁面11上开出的掺混孔的形状为三角形、矩形或不规则多边形，掺混孔沿流向的长度与周向宽度之比大于2。这样的长宽比例，使得掺混孔为狭长型，有利于形成封闭式气帘射流，实现对燃烧反应的完全冻结。最优的掺混孔位置、形状和尺寸等参数可以通过燃烧室的模拟计算得到。

如图2所示，槽道式射流掺混结构12包括至少一排掺混孔，可以为一排、两排或者多排。同时，火焰筒为双层结构，在每层的壁面上都设置有槽道式射流掺混结构12。每一层壁面上的掺混孔的排数可以综合考虑燃烧室的其他参数进行设置，可以设置为相同，也可以设置为不同。

本发明提供的槽道式射流掺混结构12能够形成封闭式气帘射流，对上游形成的富油燃烧混合物进行燃烧化学反应的淬息和冷热气流的互相掺混。在高穿透深度的封闭式气帘的作用下，可以实现对燃烧反应的完全冻结。一方面可以确保淬熄区域不会出现恰当比燃烧高温热斑的出现，降低NO_x排放，另一方面可以使下游的贫油燃烧更加均匀，有利于燃烧出口温度均匀性的改善。

本发明提供的燃烧室，槽道式射流掺混结构12的上游区域，即头部端壁10与槽道式射流掺混结构12之间的区域采用富油燃烧模式。槽道式射流掺混结构12所在的区域为燃烧淬熄区域。在此区域，通过设置槽道式射流掺混结构12实现对燃烧反应的完全冻结。当火焰筒头部形成的富油燃烧形态经过火焰筒槽道式射流掺混结构12后，急速转变为贫油燃烧形态，即槽道式射流掺混结构12的下游区域采用贫油燃烧模式。这样，本发明提供的径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室能够实现富油燃烧-完全淬熄-贫油燃烧的燃烧组织方式。

根据本发明的又一个实施方式，为保证头部燃烧的均匀性，火焰筒头部采用中心预燃级与外环主燃级径向分级供油的结构形式。因此，如图3所示，燃料入口设置有预燃级燃料入口2和主燃级燃料入口3，燃料通道设置有预燃级燃料通道4和主燃级燃料通道6，空气通道设置有预燃级空气通道5、主燃级空气通道7和外环空气通道8，外环空气通道8由帽罩9和头部端壁10限定。这几个通道按顺序由内至外依次设置，即由内至外依次为预燃级燃料通道4、预燃级空气通道5、主燃级燃料通道6、主燃级空气通道7和外环空气通道8。

本发明提供的燃烧室，其富油燃烧头部采用径向燃油分级的方案，在实现头部富油燃烧均匀的基础上，解决大工况冒烟与小工况火焰稳定的问题，确保燃油在宽范围下的可调节性。

预燃级空气通道5、主燃级空气通道7和外环空气通道8内分别设置预燃级空气旋流装置13、主燃级空气旋流装置14和外环空气旋流装置15。

预燃级空气旋流装置13、主燃级空气旋流装置14和外环空气旋流装置15为轴向旋流式、径向旋流式或轴径向混合式；以及预燃级空气旋流装置13、主燃级空气旋流装置14和外环空气旋流装置15为叶片式或斜切孔式。

预燃级空气旋流装置13、主燃级空气旋流装置14和外环空气旋流装置15的旋流旋向为顺时针或逆时针。

空气旋流装置的设置，使得原来沿轴向运动的空气变成旋转运动，形成旋转射流。利用旋转射流，可以形成稳定的点火源，提高燃烧效率。

综上所述，本发明采用先收缩后扩张的火焰筒壁面11，并在其上均布槽道式射流掺混结构12，利用槽道式射流掺混结构12形成的封闭式气帘射流对上游形成的富油燃烧混合物进行燃烧化学反应的淬熄和冷热气流的互相掺混，使火焰筒头部形成的富油燃烧形态经过火焰筒槽道式射流掺混结构12后，急速转变为贫油燃烧形态，以此来实现富油燃烧-完全淬熄-贫油燃烧的燃烧组织方式。这样的设计可以确保宽的稳定工作范围，显著提高燃烧室点熄火性能和燃烧效率，同时降低污染排放。

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发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明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发明的范围内。

Claims

1.一种径向燃油分级的槽道气帘淬熄燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括：火焰筒，所述火焰筒的前端设置扩压器空气入口、预燃级燃料入口、主燃级燃料入口和沿径向布置的预燃级燃料通道、主燃级燃料通道、空气通道；以及

所述火焰筒的壁面设置槽道式射流掺混结构，所述槽道式射流掺混结构为在所述火焰筒的壁面沿圆周方向布置的掺混孔，使得所述燃烧室实现富油燃烧-淬熄-贫油燃烧组织方式。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述火焰筒的壁面的型面为先收缩后扩张的形状。

3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述槽道式射流掺混结构设置在所述火焰筒的壁面的喉道附近，所述喉道为所述火焰筒横截面最小处。

4.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述掺混孔的形状为三角形、矩形或不规则多边形，所述掺混孔沿流向的长度与周向宽度之比大于2。

5.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述槽道式射流掺混结构包括至少一排所述掺混孔。

6.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述槽道式射流掺混结构的上游区域采用富油燃烧模式，所述槽道式射流掺混结构所在的区域为燃烧淬熄区域，所述槽道式射流掺混结构的下游区域采用贫油燃烧模式。

7.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述空气通道包括预燃级空气通道、主燃级空气通道和外环空气通道；以及

按顺序由内至外依次设置所述预燃级燃料通道、所述预燃级空气通道、所述主燃级燃料通道、所述主燃级空气通道和所述外环空气通道。

8.根据权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级空气通道、所述主燃级空气通道和所述外环空气通道内分别设置预燃级空气旋流装置、主燃级空气旋流装置和外环空气旋流装置。

9.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，

所述预燃级空气旋流装置、所述主燃级空气旋流装置和所述外环空气旋流装置为轴向旋流式、径向旋流式或轴径向混合式；以及

所述预燃级空气旋流装置、所述主燃级空气旋流装置和所述外环空气旋流装置为叶片式或斜切孔式。

10.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级空气旋流装置、所述主燃级空气旋流装置和所述外环空气旋流装置的旋流旋向为顺时针或逆时针。