CN111780161B - 涡轮发动机燃烧室 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种涡轮发动机燃烧室。该燃烧室包括，火焰筒、扩压器与多个喷嘴，火焰筒包括火焰筒外环、火焰筒内环与火焰筒头部，火焰筒外环与火焰筒内环形成环形的气流腔体，火焰筒头部包括多个呈环形分布且沿火焰筒的轴向凸出的进气头；扩压器包括导流叶片，导流叶片能够使扩压器出口的气流沿扩压器的出口方向的周向旋转，扩压器的出口朝向与气流腔体中燃气流向相反；多个喷嘴沿火焰筒轴向的周向分布在火焰筒外环上，且与气流腔体连通；其中，进气头上设有多个斜向孔，斜向孔的倾斜方向与导流叶片的偏转方向一致；火焰筒外环上沿周向设有多个外环主燃孔，火焰筒内环上沿周向设有多个内环主燃孔。

Description

涡轮发动机燃烧室

技术领域

本公开涉及涡轮发动机技术领域，具体而言，涉及一种涡轮发动机燃烧室。

背景技术

随着航空技术的迅猛发展以及用户需求的提高，人们对涡轮发动机提出了更高的要求，一些新构型的涡轮发动机也相继出现，如桨尖涡轮涡扇发动机。

燃烧室作为涡轮发动机三大部件之一，通常情况下位于压气机和涡轮之间，用来将燃油中的化学能转变为热能，并将压气机增压后的高压空气加热到涡轮前允许温度，以便进入排气装置内膨胀做功。

但是，桨尖涡轮涡扇发动机的涡轮与压气机直接相联，燃烧室置于发动机外侧，显然缩短了发动机的轴系长度。但由于燃烧室置于发动机外侧，使得燃烧室的径向尺寸明显增大，现有燃烧室的结构布局已无法满足大直径小发燃烧室点火、联焰的要求。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此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能够满足大直径燃烧室的点火、联焰要求的涡轮发动机燃烧室。

根据本公开的一个方面，提供了一种涡轮发动机燃烧室。该涡轮发动机燃烧室包括：

火焰筒，包括火焰筒外环、火焰筒内环与火焰筒头部，所述火焰筒外环与所述火焰筒内环形成环形的气流腔体，所述火焰筒头部包括多个呈环形分布且沿所述火焰筒的轴向凸出的进气头；

扩压器，包括导流叶片，所述导流叶片能够使所述扩压器出口的气流沿所述扩压器的出口方向的周向旋转，所述扩压器的出口朝向与所述气流腔体中燃气流向相反；

多个喷嘴，沿所述火焰筒轴向的周向分布在所述火焰筒外环上，且与所述气流腔体连通；

其中，所述进气头上设有多个斜向孔，所述斜向孔的倾斜方向与所述导流叶片的偏转方向一致；所述火焰筒外环上沿周向设有多个外环主燃孔，所述火焰筒内环上沿周向设有多个内环主燃孔。

在本公开的一种示例性实施例中，所述燃烧室还包括：

机匣，包括机匣外壁与机匣内壁，所述火焰筒设于所述机匣内，所述火焰筒外环与所述机匣外壁之间形成第一环形腔体，所述火焰筒内环与所述机匣内壁之间形成第二环形腔体，所述第一环形腔体与所述第二环形腔体连通；

所述扩压器从所述机匣内壁伸入所述第二环形腔体，所述扩压器的出口位于所述火焰筒内环与所述机匣内壁之间。

在本公开的一种示例性实施例中，多个所述斜向孔沿所述燃烧室径向均匀成排分布在所述进气头上，每排所述斜向孔的孔径在所述径向上从所述火焰筒内环往所述火焰筒外环的方向依次递减。

在本公开的一种示例性实施例中，所述外环主燃孔与所述内环主燃孔的个数比为4:3。

在本公开的一种示例性实施例中，所述火焰筒外环上沿所述火焰筒轴向的周向设有多个外环掺混孔，所述火焰筒内环上沿所述火焰筒轴向的周向设有多个内环掺混孔；

所述外环主燃孔位于所述火焰筒头部与所述外环掺混孔之间，所述内环主燃孔位于所述火焰筒头部与所述内环掺混孔之间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述喷嘴在所述火焰筒轴向上位于所述外环主燃孔与所述外环掺混孔之间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述火焰筒外环上沿所述火焰筒轴向的周向设有外环冷却气膜孔，所述火焰筒内环上沿所述火焰筒轴向的周向设有内环冷却气膜孔。

在本公开的一种示例性实施例中，所述燃烧室还包括：

点火器，设于所述火焰筒外环上，与所述喷嘴在所述火焰筒轴向上间隔预设距离，且在所述火焰筒轴向的周向上位于相邻的两个所述喷嘴之间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述喷嘴沿所述火焰筒的周向切向喷射。

在本公开的一种示例性实施例中，所述喷嘴的数量为20-30个。

本公开提供的涡轮发动机燃烧室，燃烧室的进口气流经过带导流叶片的扩压器后在机匣内的环形腔体内沿周向旋转运动，接着在进气头上的多个斜向孔、火焰筒外环上的多个外环主燃孔与火焰筒内环上的多个内环主燃孔的共同作用下，在火焰筒内部形成环涡的螺旋形流动，并使得通过火焰筒外环主燃孔产生的回流可以延伸到火焰筒点火器附近，进而保证燃烧室点火、联焰等要求，能够满足超大直径燃烧室的使用要求，例如燃烧室火焰筒直径大于600mm。进一步地，相对现有的燃烧室，在其应用到超大直径燃烧室时，因能满足燃烧室的点火、联焰等要求，喷嘴的数量可相对设置较少，且能够省去火焰筒头部的涡流器，使得燃烧室的结构简化，重量下降，成本降低。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开的一种实施例提供的燃烧室的局部剖视图。

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公开将全面和完整，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。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。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”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”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本公开提供了一种涡轮发动机燃烧室。如图1所示，该涡轮发动机燃烧室包括火焰筒1、扩压器3与多个喷嘴4。火焰筒1包括火焰筒外环101、火焰筒内环102与火焰筒头部103，火焰筒头部包括多个呈环形分布且沿火焰筒轴向凸出的进气头1031，火焰筒外环101与火焰筒内环102形成环形的气流腔体；火焰筒头部位于气流腔体的进口一端，且相对连接在火焰筒内环102与火焰筒外环101之间，即由此火焰筒1组成的燃烧室为环形燃烧室；扩压器3包括导流叶片，导流叶片能够使扩压器3出口的气流沿扩压器3的出口方向的周向旋转，扩压器3的出口朝向与气流腔体中燃气流向相反；多个喷嘴4沿火焰筒1轴向的周向分布在火焰筒外环101上，且与气流腔体连通。

其中，各进气头1031上设有多个斜向孔1032，斜向孔1032的倾斜方向与导流叶片的偏转方向一致；火焰筒外环101上沿周向设有多个外环主燃孔1011，火焰筒内环102上沿周向设有多个内环主燃孔1021。

本公开提供的涡轮发动机燃烧室，燃烧室的进口气流经过带导流叶片的扩压器3后在机匣内的第一环形腔体以及第二环形腔体内沿周向旋转运动，接着在各进气头1031上的多个斜向孔1032、火焰筒外环上的多个外环主燃孔1011与火焰筒内环上的多个内环主燃孔1021的共同作用下，在火焰筒内部形成环涡的螺旋形流动，并使得通过火焰筒外环主燃孔产生的回流可以延伸到火焰筒点火器附近，进而保证燃烧室点火、联焰等要求，并能够满足超大直径燃烧室的使用要求，例如燃烧室火焰筒直径大于600mm。此外，相对现有的燃烧室，在其应用到超大直径燃烧室时，因能满足燃烧室的点火、联焰等要求，喷嘴4的数量可相对设置较少，且能够省去火焰筒头部的涡流器，使得燃烧室的结构简化，重量下降，成本降低。

其中扩压器3布置在第二环形腔体，扩压器3内导叶的偏转方向与斜向孔1032的偏转方向一致，保证机匣的第一环形腔体以及第二环形腔体内气流的周向运动方向与火焰筒内部环涡螺旋形流动的沿火焰筒轴线的周向运动方向相同，从而减小气流经过斜向孔1032的压力损失。

如图1所示，燃烧室还包括机匣2。机匣2包括机匣外壁201与机匣内壁202，火焰筒设于机匣2内，火焰筒外环101与机匣外壁201之间形成第一环形腔体，火焰筒内环102与机匣内壁202之间形成第二环形腔体，第一环形腔体与第二环形腔体连通；扩压器3从机匣内壁伸入第二环形腔体，扩压器3的出口位于火焰筒内环102与机匣内壁202之间。

扩压器3位于第二环形腔体内，火焰筒1位于扩压器3的外侧，且扩压器3的出口方向与火焰筒的气流腔体中燃气的流向相反，从而使得燃烧室所占发动机轴向的长度缩短。

扩压器3内导叶的偏转方向与斜向孔1032的偏转方向一致，保证机匣的第一环形腔体以及第二环形腔体内气流的周向运动方向与火焰筒内部环涡螺旋形流动的沿火焰筒轴线的周向运动方向相同，从而减小气流经过斜向孔1032的压力损失。

具体地，多个斜向孔1032沿火焰筒径向均匀成排分布在进气头1031上，每排斜向孔1032的孔径在径向上从火焰筒内环102往火焰筒外环101的方向依次递减。斜向孔1032采用这种排布，能够进一步引导火焰筒头部内的气流沿周向做环涡运动，并能进一步够保证通过外环主燃孔1011产生的回流可以延伸到点火器5附近，从而满足燃烧室的点火、联焰等要求。

在一实施例中，设有48个进气头1031，每个进气头上布置一排斜向孔1032，当然，本领域技术人员可将进气头1031设置为其他排数，例如40排、50排、60排等，本公开对此不作限制。

具体地，外环主燃孔1011与内环主燃孔1021的个数比为4:3。火焰筒外环101的周向尺寸相对火焰筒内环102的周向尺寸较大，因此在火焰筒外环101上设置较多的主燃孔，能够提升火焰筒1在主燃孔处燃烧的稳定性，进一步满足燃烧室的联焰等要求。此外，外环主燃孔1011与内环主燃孔1021的个数比不仅限于上述比例，也可以为其他比例，例如5:4、3:2等，本公开对此不做限制。

其中，外环主燃孔1011与内环主燃孔1021具体形状和大小本领域技术人员可根据实际需要进行设计，外环主燃孔1011与内环主燃孔1021例如可为圆形或椭圆形。

如图1所示，火焰筒外环101上沿火焰筒1轴向的周向设有多个外环掺混孔1012，火焰筒内环102上沿火焰筒1轴向的周向设有多个内环掺混孔1022；外环主燃孔1011位于火焰筒头部103与外环掺混孔1012之间，内环主燃孔1021位于火焰筒头部103与内环掺混孔1022之间。通过外环掺混孔1012与内环掺混孔1022的设置，能够保证燃烧室对出口温度场均匀性的要求。

其中，外环掺混孔1012与内环掺混孔1022的个数比为1:1，即外环掺混孔1012与内环掺混孔1022的数量相同，采用这种设置，能够保证燃气充分掺混。当然，外环掺混孔1012与内环掺混孔1022的个数也近似相同或不同，本公开对此不做限制。

如图1所示，喷嘴4在火焰筒1轴向上位于外环主燃孔1011与外环掺混孔1012之间。采用这种设置，能够保证喷射进气流腔体的燃料与助燃气体充分混合，进而能够保证燃烧室的联焰要求，提高了燃烧室工作时的稳定性。

如图1所示，火焰筒外环101与火焰筒内环102布置有全发散冷却孔，前、后排按叉排布置，以降低火焰筒的壁温，保证火焰筒的壁温在合理范围内。为改善火焰筒外环以及火焰筒内环起始段的冷却效果，在火焰筒外环101的起始段沿火焰筒1轴向的周向设有外环冷却气膜孔1013，火焰筒内环102的起始段沿火焰筒1轴向的周向设有内环冷却气膜孔1023。通过外环冷却气膜孔1013与内环冷却气膜孔1023分别在火焰筒外环101以及火焰筒内环102的起始段上形成保护气膜。

如图1所示，燃烧室还包括点火器5。点火器5设于火焰筒外环101上，穿过机匣201与火焰筒外环101伸入气流腔体，点火器5与喷嘴4在火焰筒轴向上间隔预设距离，且在火焰筒轴向的周向上位于相邻的两个喷嘴4之间。将点火器5设于火焰筒轴向的周向上位于相邻的两个喷嘴4之间，能够提升燃烧室点火的可靠性。

进一步地，点火器5在火焰筒1轴向上位于外环冷却气膜孔1013附近。将点火器5设于外环冷却气膜孔1013附近，能够降低点火器5的温度，避免点火器5温度过高。

在一实施例中，点火器5设置有两个，对称分布在火焰筒外环101上，以保证对燃烧室的点火。此外，点火器5可以为一个、三个或更多，本公开对点火器5的数量，以及多个点火器5时在火焰筒外环101周向上的分布方式不作限制。

具体地，喷嘴4沿火焰筒轴向的周向切向喷射。喷嘴4的喷射方向采用这种设置，能够进一步加强火焰筒内形成环涡的螺旋形流动，进一步保证燃烧室联焰。

具体地，喷嘴4的个数为20-30个，例如喷嘴4数量为20、22、24、26、28、30等。本公开提供的燃烧室喷嘴4数量最低可为20个。相对现有的火焰筒，在保证了燃烧室，尤其是超大直径直流燃烧室的点火、联焰以及对出口温度场均匀性的要求前提下，喷嘴数量较少，且取消了头部的涡流器，燃烧室的结构简化，重量、成本降低。

在一实施例中，喷嘴4的数量与进气头1031的数量对应，即当进气头1031设有48个时，喷嘴4对应的设有24个。在燃烧室点火时，分配到每个喷嘴4的燃油流量相对较多，喷嘴4的燃油雾化质量能够满足点火要求，以保证燃烧室的点火与联焰。

本公开提供的燃烧室，可应用到多种涡轮发动机中，尤其适用于叶尖涡轮涡扇发动机，以满足超大直径小发燃烧室点火、联焰的要求，且使得燃烧室的重量以及所占发动机轴系的长度都得到了进一步地改进。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (9)

1.一种涡轮发动机燃烧室，其特征在于，包括：

火焰筒，包括火焰筒外环、火焰筒内环与火焰筒头部，所述火焰筒外环与所述火焰筒内环形成环形的气流腔体，所述火焰筒头部包括多个呈环形分布且沿所述火焰筒的轴向凸出的进气头；

扩压器，包括导流叶片，所述导流叶片能够使所述扩压器出口的气流沿所述扩压器的出口方向的周向旋转，所述扩压器的出口朝向与所述气流腔体中燃气流向相反；

多个喷嘴，沿所述火焰筒轴向的周向分布在所述火焰筒外环上，且与所述气流腔体连通；所述喷嘴沿所述火焰筒轴向的周向切向喷射；

其中，所述进气头上设有多个斜向孔，所述斜向孔的倾斜方向与所述导流叶片的偏转方向一致；所述火焰筒外环上沿周向设有多个外环主燃孔，所述火焰筒内环上沿周向设有多个内环主燃孔。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室，其特征在于，所述燃烧室还包括：

机匣，包括机匣外壁与机匣内壁，所述火焰筒设于所述机匣内，所述火焰筒外环与所述机匣外壁之间形成第一环形腔体，所述火焰筒内环与所述机匣内壁之间形成第二环形腔体，所述第一环形腔体与所述第二环形腔体连通；

所述扩压器从所述机匣内壁伸入所述第二环形腔体，所述扩压器的出口位于所述火焰筒内环与所述机匣内壁之间。

3.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室，其特征在于，多个所述斜向孔沿所述火焰筒径向均匀成排分布在所述进气头上，每排所述斜向孔的孔径在所述径向上从所述火焰筒内环往所述火焰筒外环的方向依次递减。

4.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室，其特征在于，所述外环主燃孔与所述内环主燃孔的个数比为4:3。

5.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室，其特征在于，所述火焰筒外环上沿所述火焰筒轴向的周向设有多个外环掺混孔，所述火焰筒内环上沿所述火焰筒轴向的周向设有多个内环掺混孔；

所述外环主燃孔位于所述火焰筒头部与所述外环掺混孔之间，所述内环主燃孔位于所述火焰筒头部与所述内环掺混孔之间。

6.根据权利要求5所述的涡轮发动机燃烧室，其特征在于，所述喷嘴在所述火焰筒轴向上位于所述外环主燃孔与所述外环掺混孔之间。

7.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室，其特征在于，所述火焰筒外环上沿所述火焰筒轴向的周向设有外环冷却气膜孔，所述火焰筒内环上沿所述火焰筒轴向的周向设有内环冷却气膜孔。

8.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室，其特征在于，所述燃烧室还包括：

点火器，设于所述火焰筒外环上，与所述喷嘴在所述火焰筒轴向上间隔预设距离，且在所述火焰筒轴向的周向上位于相邻的两个所述喷嘴之间。

9.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室，其特征在于，所述喷嘴的数量为20-30个。

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