CN111536555A - 发动机及其发动机燃烧室 - Google Patents

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CN111536555A CN202010390338.8A CN202010390338A CN111536555A CN 111536555 A CN111536555 A CN 111536555A CN 202010390338 A CN202010390338 A CN 202010390338A CN 111536555 A CN111536555 A CN 111536555A
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江立军
石小祥
吴良成
曹俊
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Abstract

本发明提供了一种发动机及其发动机燃烧室，该发动机燃烧室包括火焰筒、第一旋流器、波瓣混合器以及第二旋流器，第一旋流器呈筒型，包括第一旋流结构，第一旋流器连接于火焰筒，第一旋流器的侧壁设有多个喷油孔；多个喷油孔沿第一旋流器的周向均匀设置；波瓣混合器呈筒型，包括本体部和波瓣结构；本体部连接于第一旋流器，且本体部套设于第一旋流器的多个喷油孔的外部；第二旋流器呈筒型，连接于第一旋流器，第二旋流器包括第二旋流结构，第二旋流结构位于波瓣混合器的下游端部且邻设于波瓣混合器的波瓣结构。

Description

发动机及其发动机燃烧室
技术领域
本发明总体来说涉及发动机技术领域，具体而言，涉及一种发动机及其发动机燃烧室。
背景技术
随着航空技术的发展进步，降低污染排放已成为军民用燃烧室发展的必然趋势。目前采用的CAEP6(Committee on Aviation Environmental Protection)标准对污染排放物的规定已经非常严格，特别是对NOx污染排放要求。
现有贫油分级低排放燃烧室主燃级设计相对简单，主燃级油气混合装置多采用预膜雾化或是多点横向射流破碎雾化，其油气混合物很难满足均匀性的要求，最终导致排放不合格。
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提供一种油气混合物在周向和径向方向上同时满足均匀性要求的发动机及其发动机燃烧室。
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，提供了一种发动机燃烧室，包括火焰筒、第一旋流器、波瓣混合器以及第二旋流器，第一旋流器呈筒型，包括第一旋流结构，所述第一旋流器连接于所述火焰筒，所述第一旋流器的侧壁设有多个喷油孔；所述多个喷油孔沿所述第一旋流器的周向均匀设置；波瓣混合器呈筒型，包括本体部和波瓣结构；所述本体部连接于所述第一旋流器，且所述本体部套设于所述第一旋流器的所述多个喷油孔的外部；第二旋流器呈筒型，连接于所述第一旋流器，所述第二旋流器包括第二旋流结构，所述第二旋流结构位于所述波瓣混合器的下游端部且邻设于所述波瓣混合器的所述波瓣结构。
根据本发明的一些实施方式，所述波瓣结构包括多个波峰部和多个波谷部，所述波峰部相对于所述波谷部沿所述波瓣混合器的径向向外突出，所述波谷部相对于所述波峰部沿所述波瓣混合器的径向向内凹陷，所述多个波峰部和所述多个波谷部沿所述波瓣混合器的周向交替设置。
根据本发明的一些实施方式，所述波谷部上具有一最低点，所述最低点到所述波瓣混合器的轴线的距离最短；所述最低点和所述波瓣混合器的轴线界定一截面，所述截面与所述波谷部相交形成一线段，所述线段与所述波瓣混合器的轴线之间具有一夹角，所述夹角介于5度至30度。
根据本发明的一些实施方式，所述夹角介于5度至20度。
根据本发明的一些实施方式，所述第一旋流结构与所述第二旋流结构的旋流方向相反。
根据本发明的另一方面，提供一种发动机，包括燃烧室，所述燃烧室包括火焰筒、第一旋流器、波瓣混合器以及第二旋流器，第一旋流器呈筒型，包括第一旋流结构，所述第一旋流器连接于所述火焰筒，所述第一旋流器的侧壁设有多个喷油孔；所述多个喷油孔沿所述第一旋流器的周向均匀设置；波瓣混合器呈筒型，包括本体部和波瓣结构；所述本体部连接于所述第一旋流器，且所述本体部套设于所述第一旋流器的所述多个喷油孔的外部；第二旋流器呈筒型，连接于所述第一旋流器，所述第二旋流器包括第二旋流结构，所述第二旋流结构位于所述波瓣混合器的下游端部且邻设于所述波瓣混合器的所述波瓣结构。
根据本发明的一些实施方式，所述第一旋流结构与所述第二旋流结构的旋流方向相反。
根据本发明的一些实施方式，所述波瓣结构包括多个波峰部和多个波谷部，所述波峰部相对于所述波谷部沿所述波瓣混合器的径向向外突出，所述波谷部相对于所述波峰部沿所述波瓣混合器的径向向内凹陷，所述多个波峰部和所述多个波谷部沿所述波瓣混合器的周向交替设置。
根据本发明的一些实施方式，所述波谷部上具有一最低点，所述最低点到所述波瓣混合器的轴线的距离最短；所述最低点和所述波瓣混合器的轴线界定一截面，所述截面与所述波谷部相交形成一线段，所述线段与所述波瓣混合器的轴线之间具有一夹角，所述夹角介于5度至30度。
根据本发明的一些实施方式，所述夹角介于5度至20度。
上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：
本发明实施例的发动机及其燃烧室采用带波瓣混合器的预膜式燃油雾化方式，利用波瓣混合器，层状油膜沿径向方向被波瓣结构割裂，强化主燃级内的油气掺混，利于主燃级内燃油周向和径向分布均匀。
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发动机燃烧室的剖视图。
图2是图1中A处的放大图。
图3是根据一示例性实施方式示出的波瓣混合器的主视图。
图4是图3中沿A-A线的剖视图。
其中，附图标记说明如下：
11、内机匣
12、外机匣
21、内火焰筒
22、外火焰筒
30、主燃级
310、第一旋流器
311、第一旋流结构
312、喷油孔
313、集油槽
320、波瓣混合器
321、波峰部
322、波谷部
3221、最低点
3222、线段
330、第二旋流器
331、第二旋流结构
340、燃油流道
4、扩压器
5、浮动套
60、预燃级
610、第三旋流器
620、第四旋流器
621、文氏管结构
630、套筒
640、燃油流道
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。其他相对性的用语，例如“顶”、“底”等也作具有类似含义。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。
本发明的发明人在研究中发现，对于先进的低排放燃烧室而言，其关键技术就是降低N0x(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、UHC(未燃碳氢化合物)和冒烟的燃烧技术，核心问题是降低燃烧区的温度，同时使燃烧区温度场均匀，即整体和局部的当量比控制，而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均匀性。现有的主燃级油气混合装置多采用预膜雾化或是多点横向射流破碎雾化，其油气混合在周向和径向上很难同时满足均匀性的要求。
基于此，本发明实施例提出一种发动机及其燃烧室，主燃级采用带波瓣混合器的预膜燃油雾化方式，可增加主燃级出口油气混合的均匀性，降低燃烧室出口污染排放，改善燃烧室出口温度分布品质。
下面结合附图，以具体实施方式详细说明本发明发动机及其燃烧室的结构和连接关系。
如图1所示，图1是根据一示例性实施方式示出的发动机燃烧室的剖视图。在本实施例中，发动机燃烧室包括内机匣11、外机匣12、内火焰筒21、外火焰筒22、扩压器4和燃烧室头部。
燃烧室的内机匣11和外机匣12构成了燃烧室的外轮廓，并与前后的压气机(图未示)和涡轮(图未示)连接。
高压压气机的来流空气从扩压器4经过降速扩压后进入燃烧室，在内火焰筒21、外火焰筒22和燃烧室头部所包围的空间内与燃油完成燃烧。
燃烧室头部包括主燃级30和预燃级60，燃烧室头部可采用一体化设计，并通过浮动套5将燃烧室头部安装在内火焰筒21和外火焰筒22构成的腔体的头部。
如图2所示，图2是图1中A处的放大图。在本实施例中，燃烧室头部包括主燃级30和预燃级60，主燃级30和预燃级60可以采用同心设置。燃油通过燃油流道340流入主燃级30，并与空气混合实现燃烧。燃油通过燃油流道640流入预燃级60，并与空气混合实现燃烧。
在一些实施例中，主燃级30采用预混预蒸发的燃烧模式。燃烧室的主燃级30包括第一旋流器310、波瓣混合器320和第二旋流器330。
第一旋流器310连接于内火焰筒21和外火焰筒22构成的腔体上。第一旋流器310大致呈筒型，第一旋流器310包括第一旋流结构311，空气经过第一旋流结构311后能产生第一旋流。在一些实施例中，第一旋流结构311可采用轴向旋流结构，例如斜切槽、斜切叶片、斜切孔或其他合适的结构，本发明对此不作特别限定。
第一旋流器310上具有集油槽313和多个喷油孔312，集油槽313连通于燃油流道340，集油槽313还连通于多个喷油孔312，燃油经燃油流道340进入集油槽313，再经多个喷油孔312喷出。
在一示例实施例中，多个喷油孔312沿第一旋流器310的周向均匀设置。通过这样的设计，使得燃油经多个喷油孔312喷出后，尽可能地沿周向方向均匀射出，以增强油气在主燃级30出口在周向方向分布的均匀性，进一步降低燃烧室出口污染物排放，改善燃烧室出口温度分布的品质。
请继续参阅图2，在本实施例中，波瓣混合器320大致呈筒型，连接于第一旋流器310，例如通过焊接或其他合适的连接方式。波瓣混合器320套设于第一旋流器310的多个喷油孔312的外部，以使燃油经喷油孔312射出后喷射在波瓣混合器320的内壁，预先在波瓣混合器320的内壁形成一层周向均匀的油膜。
波瓣混合器320包括本体部和波瓣结构，波瓣结构位于本体部的下游端部。波瓣混合器320的本体部连接于第一旋流器310，例如通过焊接或其他合适的方式。波瓣混合器320的本体部与第一旋流器310的第一旋流结构311相交，以将第一旋流分为第一子旋流和第二子旋流，第一子旋流在本体部内部流动，第二子旋流在本体部外部流动。
如图3所示，图3是根据一示例性实施方式示出的波瓣混合器的主视图。波瓣结构包括多个波峰部321和多个波谷部322，多个波峰部321和多个波谷部322沿波瓣混合器320的周向交替设置。波峰部321相对于波谷部322沿波瓣混合器320的径向方向向外突出，波谷部322相对于波峰部321沿波瓣混合器320的径向方向内凹陷。
在本实施例中，由于多个波峰部321和多个波谷部322的设置，位于波瓣混合器320内壁的层状油膜经过波瓣结构时，层状油膜沿径向方向被波瓣结构割裂。同时，在第一旋流器310的气动雾化作用，层状油膜在波瓣混合器320的下游的出口处沿径向和周向方向更加均匀，以形成均匀的油气混合物，满足了主燃级30出口油气的径向和周向的均匀性，从而达到进一步降低污染排放的目的。
进一步地，如图2所示，第二旋流器330大致呈筒型，连接于第一旋流器310，例如通过焊接或其他合适的连接方式。第二旋流器330包括第二旋流结构331，第二旋流结构331邻设于波瓣混合器320的波瓣结构，换句话说，第二旋流结构331可以位于波瓣混合器320的下游端部后方。空气经过第二旋流结构331后，产生第二旋流。
在一些实施方式中，第一旋流结构311产生的第一旋流与第二旋流结构331产生的第二旋流的旋流方向可以是相同的，也可以是相反的。其中，旋流方向可以通过改变切槽、叶片或孔的倾斜方向而控制旋流方向，此处不再详细说明。
当第一旋流的方向与第二旋流的方向相同时，可通过控制第一旋流的速度和第二旋流的速度不同的方式，从而在第一旋流和第二旋流的交汇处产生剪切作用，以将油膜和/或空气进一步割裂，最终在周向和径向方向上进一步均匀化油气混合物。
当第一旋流的方向与第二旋流的方向相反时，在第一旋流和第二旋流的交汇处产生的剪切作用力更大，以将油膜和/或空气进一步割裂，最终在周向和径向方向上进一步均匀化油气混合物。
可以理解的是，在一些实施方式中，第二旋流结构331例如是斜切槽、斜切叶片、斜切孔或其他合适的结构，本发明对此不作特别限定。
如图3和图4所示，图4是图3中沿A-A线的剖视图。在本实施例中，波谷部322上具有一最低点3221，该最低点3221到波瓣混合器320的轴线的距离D最短。该最低点3221和波瓣混合器320的轴线界定一截面，该截面与波谷部322相交形成一线段3222，该线段3222与波瓣混合器320的轴线之间具有一夹角α，该夹角介于5度至30度，作为优选，夹角可以介于5度至20度。
应当理解的是，在波瓣混合器320的直径一定的情况下，该夹角越大，则波峰部321和波谷部322的数量则越少，波峰部321上的最高点与波谷部322上的最低点3221之间的距离越大；该夹角越小，则波峰部321和波谷部322的数量则越多，波峰部321上的最高点与波谷部322上的最低点3221之间的距离越小。
应当理解的是，波峰部321和波谷部322的数量过多或过少都不利于层状油膜在波瓣结构处被割裂，以形成径向均匀的油雾。基于此，本发明的发明人经过大量实验得出，当夹角介于5度至30度，作为优选可以为5度至20度时，波峰部321和波谷部322的数量适中，以形成径向均匀的油雾。
请继续返回参阅图2，在本实施例中，燃烧室头部包括主燃级30和预燃级60，预燃级60可以采用扩散燃烧方式。燃烧室的预燃级60包括第三旋流器610、第四旋流器620和套筒630，套筒630连接于第一旋流器310，第四旋流器620连接于套筒630，第三旋流器610连接于第四旋流器620。
第三旋流器610具有第三旋流结构，第四旋流器620具有第四旋流结构，第三旋流结构和/或第四旋流器620可以采用斜切槽、斜切叶片、斜切孔或其他合适的结构，本发明对此不作特别限定。
第四旋流器620上设有文氏管结构621，燃油经燃油流道640进入，并喷射在文氏管结构621的内壁上形成油膜，油膜在第三旋流器610和第四旋流器620的旋流剪切作用下迅速雾化形成预燃级60油雾，最终进入火焰筒内燃烧。
本发明的另一实施方式还提供一种发动机，包括上述任一项的发动机燃烧是。
综上所述，本发明的发动机及其燃烧室的优点和有益效果在于：
本发明实施例的发动机及其燃烧室的主燃级采用带波瓣混合器的预膜式燃油雾化方式，利用波瓣混合器，强化主燃级内的油气掺混，利于主燃级内燃油沿周向和径向分布均匀。
另外，本发明实施例的发动机及其燃烧室的燃烧室头部采用一体化结构设计，简化了燃烧室结构，易于加工和装配。
第三，本发明实施例的发动机及其燃烧室的预燃级采用扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，这种组合燃烧模式可以实现航空发动机燃烧室在宽广的工作范围的燃烧稳定性，同时可以降低燃烧室污染排放。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的发动机及其发动机燃烧室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。
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)

1.一种发动机燃烧室，其特征在于，包括：
火焰筒；
第一旋流器，呈筒型，包括第一旋流结构，所述第一旋流器连接于所述火焰筒，所述第一旋流器的侧壁设有多个喷油孔；所述多个喷油孔沿所述第一旋流器的周向均匀设置；
波瓣混合器，呈筒型，包括本体部和波瓣结构；所述本体部连接于所述第一旋流器，且所述本体部套设于所述第一旋流器的所述多个喷油孔的外部；以及
第二旋流器，呈筒型，连接于所述第一旋流器，所述第二旋流器包括第二旋流结构，所述第二旋流结构位于所述波瓣混合器的下游端部且邻设于所述波瓣混合器的所述波瓣结构。
2.根据权利要求1所述的发动机燃烧室，其特征在于，所述波瓣结构包括多个波峰部和多个波谷部，所述波峰部相对于所述波谷部沿所述波瓣混合器的径向向外突出，所述波谷部相对于所述波峰部沿所述波瓣混合器的径向向内凹陷，所述多个波峰部和所述多个波谷部沿所述波瓣混合器的周向交替设置。
3.根据权利要求2所述的发动机燃烧室，其特征在于，所述波谷部上具有一最低点，所述最低点到所述波瓣混合器的轴线的距离最短；所述最低点和所述波瓣混合器的轴线界定一截面，所述截面与所述波谷部相交形成一线段，所述线段与所述波瓣混合器的轴线之间具有一夹角，所述夹角介于5度至30度。
4.根据权利要求3所述的发动机燃烧室，其特征在于，所述夹角介于5度至20度。
5.根据权利要求1所述的发动机燃烧室，其特征在于，所述第一旋流结构与所述第二旋流结构的旋流方向相反。
6.一种发动机，包括燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括：
火焰筒；
第一旋流器，呈筒型，包括第一旋流结构，所述第一旋流器连接于所述火焰筒，所述第一旋流器的侧壁设有多个喷油孔；所述多个喷油孔沿所述第一旋流器的周向均匀设置；
波瓣混合器，呈筒型，包括本体部和波瓣结构；所述本体部连接于所述第一旋流器，且所述本体部套设于所述第一旋流器的所述多个喷油孔的外部；以及
第二旋流器，呈筒型，连接于所述第一旋流器，所述第二旋流器包括第二旋流结构，所述第二旋流结构位于所述波瓣混合器的下游端部且邻设于所述波瓣混合器的所述波瓣结构。
7.根据权利要求6所述的发动机，其特征在于，所述第一旋流结构与所述第二旋流结构的旋流方向相反。
8.根据权利要求6所述的发动机，其特征在于，所述波瓣结构包括多个波峰部和多个波谷部，所述波峰部相对于所述波谷部沿所述波瓣混合器的径向向外突出，所述波谷部相对于所述波峰部沿所述波瓣混合器的径向向内凹陷，所述多个波峰部和所述多个波谷部沿所述波瓣混合器的周向交替设置。
9.根据权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述波谷部上具有一最低点，所述最低点到所述波瓣混合器的轴线的距离最短；所述最低点和所述波瓣混合器的轴线界定一截面，所述截面与所述波谷部相交形成一线段，所述线段与所述波瓣混合器的轴线之间具有一夹角，所述夹角介于5度至30度。
10.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述夹角介于5度至20度。
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