CN111380074B - 一种燃烧室空气流量分配智能调节系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧室空气流量分配智能调节系统及其工作方法，属于航空发动机燃烧领域，本发明主要包括一套机械结构和一套控制算法，控制终端根据燃烧室进口压力参数计算出当前工况所需的燃油流量，利用提前标定的燃油调节规律与调节板开合角度的对应关系，计算出当前燃油流量下所需的调节板开合角度，并转化成液压调节信号传递到机械结构中，利用液压原理将调节板打开，利用调节板的开合来实现对空气流量的调节，从而改变燃烧室主燃区的空气流量比例，保证不同工况下主燃区油气比在设计状态下燃烧，该发明可明显扩宽燃烧室的燃烧边界，提高不同工况下的燃烧效率，达到降低污染物排放的目的。

Description

一种燃烧室空气流量分配智能调节系统及其工作方法

技术领域

本发明属于航空发动机燃烧领域，涉及一种调节简单、控制方便的燃烧室内外涵道空气流量分配智能调节系统，具体是一种燃烧室空气流量分配智能调节系统及其工作方法。

背景技术

随着航空工业和军事装备的科技行业竞争，空天领域的技术需求越来越高，这对航空发动机的机动性能要求越来越严苛，在各行各业都向着智能化时代发展的今天，航空发动机也逐渐向智能化的方向发展。

对于目前的航空发动燃烧室而言，通常会采用多级供油的形式达到不同运行工况不同推力输出的目的，地面状态时，所需的燃油消耗较小；起飞爬升状态和追击状态的，需要增大燃油供给量。实际的航空发动机燃烧室中，燃烧室的几何结构决定了各工况下的空气流量分配比例，各工况下主燃区空气流量占比基本是保持不变的。当随着发动机工况改变时，燃油质量流量也会相应改变，由于空气流量分配保持不变，从而导致主燃区油气比会随着工况改变而出现不同程度的贫油或富油，对燃烧稳定性、燃烧效率以及污染物排放量有较大的影响。

发明内容

针对上述的航空发动机燃烧室在不同工况下由于改变燃油流量供给时会导致主燃区域的油气比贫油或富油变化的缺陷，本文发明了一种航空发动机燃烧室空气流量分配智能调节系统，主要包括一套机械结构和一套控制算法，通过该系统以及工作方法可扩宽燃烧室燃烧边界，提高燃烧室的燃烧性能。

本发明是这样实现的：

一种燃烧室空气流量分配智能调节系统，包括燃烧室机匣，其特征在于，所述的燃烧室机匣内部设置有火焰筒，所述的火焰筒内部设置有旋流器；

所述的燃烧室机匣外涵道内壁面设置若干外涵道调节板，燃烧室机匣内涵道内壁面设置若干内涵道调节板；为实现调节板开合角大小的任意调节，若干外涵道调节板、内涵道调节板并非一块完整的圆环，而是分块周向布置，且相邻两片调节板之间不能相互接触，否则当调节板打开时各自的物理空间位置会相互限制。每个燃烧室头部匹配一片或多片调节板，保证涵道中空气流量的周向均匀性。每个头部匹配相应数量的调节片，所有的内涵道调节板接到同一内涵液压总路中，外涵道调节板也一样，实现所有调节板的同步开合控制，保证周向空气流量均匀性。

为了保证正常运行工况时，调节板的存在不影响外涵道的气流均匀性，所以加工时控制调节板内壁面与机匣形面完全相同，调节板镶嵌到外机匣中，不启用调节板时，对燃烧室的流道完全不影响。

所述的外涵道调节板利用外涵道调节板的液压支杆穿过燃烧室机匣外涵道壁面，与外涵道调节板的液压总路连接；所述的内涵道调节板利用内涵道调节板的液压支杆穿过燃烧室机匣内涵道壁面，与内涵道调节板的液压总路连接；

所述的若干个外涵道调节板连接到同一个外涵道调节板的液压总路中，若干个内涵道调节板连接到同一个内涵道调节板的液压支杆中；所述的外涵道调节板、内涵道调节板开合角大小分别通过外涵道调节板的液压支杆、内涵道调节板的液压支杆任意调节。

进一步，所述的外涵道调节板以及内涵道调节板均通过调节板上的铰链结构、机匣处的铰链结构，实现外涵道调节板、内涵道调节板与燃烧室机匣壁面的活动连接。为了实现外涵道调节板、内涵道调节板的开合角度易于控制，并涉及到机械调节系统安装可靠性和摆放位置，所以调节板安装在燃烧室机匣壁面上，不能安装在火焰筒壁面。

进一步，所述的外涵道调节板、内涵道调节板与燃烧室机匣壁面连接形成合叶结构，外涵道调节板、内涵道调节板沿着铰链结构在0～90°角度范围内旋转。外涵道调节板、内涵道调节板的开合是控制终端根据燃烧室进口压力、燃油调节规律与调节板开合角度的对应关系，计算出当前燃油流量下对应的调节板开合角度，把该信号传递到机械调节系统中打开调节板，达到航空发动机燃烧室自我智能控制空气流量分配的目的。

为了实现调节板的开合角度易于控制，并涉及到机械调节系统安装摆放位置，所以调节板难以安装在火焰筒外壁面，仅仅能安装在燃烧室内外机匣壁面，调节板与机匣的连接采用铰链形式，也称合叶结构，方面调节板的开合。

进一步，所述的内涵道调节板的液压支杆、外涵道调节板的液压支杆通过“三抓卡盘”的平面螺旋齿轮结构，每一个用于控制调节板的液压支杆都配合在同一个平面螺纹上，在通过电机齿轮结构配合小锥齿轮控制所有的支杆同步撑开或关闭。该处采用机械结构有文中提及的液压系统以及 “三抓卡盘”的平面螺旋齿轮结构，支杆的伸缩相似于卡爪结构的往复运动，可以保证内涵道调节板的液压支杆、外涵道调节板的液压支杆的同步开合。

进一步，所述的内涵道调节板的液压支杆、外涵道调节板的液压支杆也可以采用液压系统，所述的内涵道调节板的液压支杆、外涵道调节板的液压支杆通过同一液压总路控制，保证所有调节板的同步开合，或者内外涵道分开控制。

进一步，所述的若干个外涵道调节板连接到同一个外涵道调节板的液压总路中，若干个内涵道调节板连接到同一个内涵道调节板的液压支杆中实现所有外涵道调节板、内涵道调节板的同步开合控制；若外涵道调节板的液压总路、内涵道调节板的液压总路不连通，则外涵道调节板、内涵道调节板的开合角度分开独立控制。

本发明还公开了一种燃烧室空气流量分配智能调节系统的工作方法，其特征在于，所述的原理方法具体如下：

各工况下空气经扩压器后分为三路：一部分进入外涵流道，一部分经过内涵道，剩下部分经燃烧室帽罩，通过旋流器进入火焰筒中；

当需要增加发动机推力时，控制终端根据当前燃烧室进口总压计算当前工况的燃油流量，再根据燃油流量信号计算当前工况下所需的外涵道调节板、内涵道调节板的开合角度，即燃烧室主燃区当前工况下所需的空气流量，并转换成调节信号传递到液压机械系统中，机械系统利用液压原理对内涵道调节板的液压总路、外涵道调节板的液压总路施加压力，控制内涵道调节板的液压支杆、外涵道调节板的液压支杆逐渐伸长，将调节板打开并逐渐增大到所需角度，从而逐渐减小燃烧室内/外涵道的流通面积，从而逐渐增大从燃烧室头部旋流器中流过空气流量分配比例，从而精准控制燃烧室在不同工况下的油气比。

本发明的系统通过在燃烧室内、外涵道圆周方向安装气流调节板，慢车状态运行时，调节板处于关闭状态；当航空发动机需要加大发动机推力，即增加燃油量，此时需要增大燃烧室主燃区的空气流量，从而保证燃烧室主燃区仍保持在最佳油气比附近燃烧，实现方法是：根据燃烧室进口总压参数，通过控制终端计算调节板打开角度，利用机械系统将调节板打开，遮挡内、外环部分流通面积，从而改变燃烧室头部帽罩和内外涵道的流通面积比，降低内外涵通道流过的空气流量比例，从而使得更多的空气流量比例从燃烧室头部旋流器中流过，增大主燃区的空气流量比例，达到依据燃烧室进口总压来智能调节燃烧室空气流量分配的效果。

当该技术投入使用前，先标记所有工况下燃烧室进口压力、燃油流量所对应的主燃区空气流量分配比例，再反算调节板在各工况下的扩张角，在控制终端建立一套燃烧室进口压力、燃油流量与调节板开合角度的控制算法。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1）本发明的航空发动机燃烧室空气流量分配智能调节系统，通过控制调节板的开合角度，智能调节燃烧室中各进口面积的空气流量分配比例，保证燃烧室头部在各工况下恰当的油气比，从而提高燃烧室在各变工况下的燃烧效率和燃烧稳定性；当燃烧室工况从慢车工况逐渐增大到最大推力状态时，为了获得所需要的更大推力，燃油流量逐渐增大，为了保证燃烧室头部油气比基本保持不变，需要增大燃烧室头部进气流量比例，因此逐渐打开调节板张角。相比现有航空发动机燃烧室流量分配比例保持不变的设计，可以扩宽燃烧室的燃烧边界以及燃烧室燃烧性能。

2）燃烧室空气流量分配智能调节系统，当需要逐步加大发动机推力时，会逐渐增加燃油供给，燃烧室头部油气比会逐渐增大，此时可打开调节板，逐渐增大调节板角度，从而逐渐减小燃烧室内/外涵道的流通面积，即相应的逐渐增大从燃烧室头部旋流器中流过空气流量，从而达到精准控制燃烧室在不同工况下的油气比，降低污染物排放。

3）当发动机工况变化时，需要增大燃烧室燃油流量，当打开调节板之后，由于减少外涵流通面积，导致流经旋流器的空气流量逐渐增加，这部分气体经过旋流器后，更有效的增强了大工况下的头部油气雾化效果，改善燃烧性能。

4）本发明包括一套机械结构和一套控制算法，控制终端根据燃烧室进口压力参数计算出当前工况所需的燃油流量，利用提前标定的燃油调节规律与调节板开合角度的对应关系，计算出当前燃油流量下所需的调节板开合角度，并转化成液压调节信号传递到机械结构中，利用液压原理将调节板打开，利用调节板的开合来实现对空气流量的调节，从而改变燃烧室主燃区的空气流量比例，保证不同工况下主燃区油气比在设计状态下燃烧，该发明可明显扩宽燃烧室的燃烧边界，提高不同工况下的燃烧效率，达到降低污染物排放的目的。

附图说明

图1是本发明的燃烧室空气流量智能调节系统不启用时状态；

图2是本发明的燃烧室空气流量智能调节系统启用时状态；

图3是本发明的燃烧室空气流量智能调节系统启用状态下的燃烧室侧面剖开结构图；

图4是本发明的燃烧室空气流量智能调节系统的内外涵道调节板的结构示意图；

图5是本发明的燃烧室空气流量智能调节系统的燃烧室机匣结构示意图；

图6是本发明的燃烧室空气流量智能调节系统的智能控制系统示意图。

其中， 1-外涵道调节板，2-火焰筒，3-旋流器，4-外涵道调节板的液压支杆，5-燃烧室机匣，6-外涵道调节板的液压总路，7-内涵道调节板，8-燃烧室帽罩，9-内涵道调节板的液压总路，10-内涵道调节板的液压支杆，002-调节板上的铰链结构，003-机匣处的铰链结构，004-液压支杆伸缩空间，100-空气来流方向。

具体实施方式

为使本发明的目的及效果更加清楚明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3~5所示，本发明的系统包括燃烧室机匣5，所述的燃烧室机匣5内部设置有火焰筒2，所述的火焰筒2内部设置有旋流器3；所述的燃烧室机匣5外涵道内壁面设置若干外涵道调节板1，燃烧室机匣5内涵道内壁面设置若干内涵道调节板7；所述的外涵道调节板1利用外涵道调节板的液压支杆4穿过燃烧室机匣5外涵道壁面，与外涵道调节板的液压总路6连接；所述的内涵道调节板7利用内涵道调节板的液压支杆10穿过燃烧室机匣5内涵道壁面，与内涵道调节板的液压总路9连接；燃烧室机匣5上设有液压支杆伸缩空间004，便于外涵道调节板的液压支杆4、内涵道调节板的液压支杆10的推出。

所述的若干个外涵道调节板1连接到同一个外涵道调节板的液压总路6中，若干个内涵道调节板7连接到同一个内涵道调节板的液压支杆10中；所述的外涵道调节板1、内涵道调节板7开合角大小分别通过外涵道调节板的液压支杆4、内涵道调节板的液压支杆10任意调节。

如图1所示，是本发明的燃烧室内外涵道空气流量分配智能调节系统在非启动状态下的结构示意图，图中摆放角度可以更清晰的看到内涵道调节板7和外涵道调节板1的安装位置，调节板空气流过的壁面型面与机匣内表面完全重合，慢车工况时，调节板的存在不影响燃烧室的正常运行；当需要增加推力输出时，会增大燃油流量，根据所设计的燃烧室在不同进口总压、不同燃油流量下头部所需空气流量分配比例，提前标定好的进口总压、燃油流量与内涵道调节板7和外涵道调节板1开合角度对应关系，在控制终端中计算出当前工况下所需的内涵道调节板7和外涵道调节板1开合角度，并转换成液压机械系统的调节信号，利用液压能推动与内涵道调节板7和外涵道调节板1相连接的内涵道调节板的液压支杆10、外涵道调节板的液压支杆伸长，从而将内涵道调节板7和外涵道调节板1打开。

如图2所示。所谓的机械结构既是液压调节系统，所有的内涵道液压支杆10与内涵道液压总路9相连接，所有的外涵道液压支杆4与外涵道液压总路6相连接，保证液压支杆连通可实现所有调节板同步开合。从图3的燃烧室侧面剖视图可以清晰的看出，液压支杆推动调节板按照一定的角度打开之后，阻挡燃烧室内外涵道的流通面积，由于燃烧室头部旋流器的流通面积保持不变，从而降低了内外涵道流通面积与燃烧室头部流通面积之比，使更多的空气流量比例从燃烧室头部旋流器3中流过，从而实现增大主燃区空气流量分配比例的目的。调节板与燃烧室的连接是通过铰链连接002与铰链结构003相连，所以调节板将会沿着铰链结构的圆柱轴进行转动。当然，用于评价发动机运行推力的参数不仅仅是燃油流量，燃烧室进口总压、发动机转速等也可作为控制终端的输入信号。本发明中燃烧室空气流量智能调节系统的智能控制系统示意图如图6所示。

本发明的工作过程：

本发明中，空气流动方式和一般发动机燃烧室相同，各工况下空气经扩压器后分为三路：一部分进入外涵流道，一部分经过内涵道，剩下部分经燃烧室头部（旋流器）进入火焰筒中。当需要增加发动机推力时，控制终端根据当前燃烧室进口总压计算当前工况的燃油流量，再根据燃油流量信号计算当前工况下所需的调节板开合角度，即燃烧室主燃区当前工况下所需的空气流量，并转换成调节信号传递到液压机械系统中，机械系统利用液压能控制液压支杆逐渐伸长，将调节板打开并逐渐增大到所需角度，从而逐渐减小燃烧室内/外涵道的流通面积，从而逐渐增大从燃烧室头部旋流器中流过空气流量分配比例，从而精准控制燃烧室在不同工况下的油气比，拓宽燃烧边界，提高燃烧效率，降低污染物排放。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种燃烧室空气流量分配智能调节系统，包括燃烧室机匣（5），其特征在于，所述的燃烧室机匣（5）内部设置有火焰筒（2），所述的火焰筒（2）内部设置有旋流器（3）；

所述的燃烧室机匣（5）外涵道内壁面设置若干外涵道调节板（1），燃烧室机匣（5）内涵道内壁面设置若干内涵道调节板（7）；所述的外涵道调节板（1）利用外涵道调节板的液压支杆（4）穿过燃烧室机匣（5）外涵道壁面，与外涵道调节板的液压总路（6）连接；所述的内涵道调节板（7）利用内涵道调节板的液压支杆（10）穿过燃烧室机匣（5）内涵道壁面，与内涵道调节板的液压总路（9）连接；

所述的若干个外涵道调节板（1）连接到同一个外涵道调节板的液压总路（6）中，若干个内涵道调节板（7）连接到同一个内涵道调节板的液压总路（9）中；所述的外涵道调节板（1）、内涵道调节板（7）开合角大小分别通过外涵道调节板的液压支杆（4）、内涵道调节板的液压支杆（10）任意调节；

所述的若干个外涵道调节板（1）连接到同一个外涵道调节板的液压总路（6）中，若干个内涵道调节板（7）连接到同一个内涵道调节板的液压支杆（10）中实现所有外涵道调节板（1）、内涵道调节板（7）的同步开合控制；若外涵道调节板的液压总路（6）、内涵道调节板的液压总路（9）不连通，则外涵道调节板（1）、内涵道调节板（7）的开合角度分开独立控制；

小工况时，调节板处于关闭状态，此时主燃区的空气流量占比由各个结构设计的开口面积之比决定；随着工况的增加，主燃区所需的空气流量也随之增加，此时打开调节板遮挡部分内外涵通道流通面积，使得旋流器流通面积与内外涵通道的流通面积增加，从而增大火焰筒主燃区的空气流量；保证主燃区在任意工况下均处于理想的油气比状态工作。

2.根据权利要求1所述的一种燃烧室空气流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的外涵道调节板（1）以及内涵道调节板（7）均通过调节板上的铰链结构（002）、机匣处的铰链结构（003），实现外涵道调节板（1）、内涵道调节板（7）与燃烧室机匣（5）壁面的活动连接。

3.根据权利要求2所述的一种燃烧室空气流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的外涵道调节板（1）、内涵道调节板（7）与燃烧室机匣（5）壁面连接形成合叶结构，外涵道调节板（1）、内涵道调节板（7）沿着机匣处的铰链结构（003）在0°～90°角度范围内旋转。

4.根据权利要求1所述的一种燃烧室空气流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的内涵道调节板的液压支杆（10）、外涵道调节板的液压支杆（4）通过“三抓卡盘”的平面螺旋齿轮结构，每一个用于控制调节板的液压支杆都配合在同一个平面螺纹上，在通过电机齿轮结构配合小锥齿轮控制所有的支杆同步撑开或关闭。

5.根据权利要求1所述的一种燃烧室空气流量分配智能调节系统，其特征在于，所述的内涵道调节板的液压支杆（10）、外涵道调节板的液压支杆（4）也可以采用液压系统，所述的内涵道调节板的液压支杆（10）、外涵道调节板的液压支杆（4）通过同一液压总路控制，保证所有调节板的同步开合，或者内外涵道分开控制。

6.一种燃烧室空气流量分配智能调节系统的工作方法，其特征在于，所述的工作方法具体如下：

各工况下空气经扩压器后分为三路：一部分进入外涵流道，一部分经过内涵道，剩下部分经燃烧室帽罩（8），通过旋流器（3）进入火焰筒中；

当需要增加发动机推力时，控制终端根据当前燃烧室进口总压计算当前工况的燃油流量，再根据燃油流量信号计算当前工况下所需的外涵道调节板（1）、内涵道调节板（7）的开合角度，即燃烧室主燃区当前工况下所需的空气流量，并转换成调节信号传递到液压机械系统中，机械系统利用液压原理对内涵道调节板的液压总路（9）、外涵道调节板的液压总路（6）施加压力，控制内涵道调节板的液压支杆（10）、外涵道调节板的液压支杆（4）逐渐伸长，将调节板打开并逐渐增大到所需角度，从而逐渐减小燃烧室内/外涵道的流通面积，从而逐渐增大从燃烧室头部旋流器中流过空气流量分配比例，从而精准控制燃烧室在不同工况下的油气比。

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