CN111878849A - 一种双涡控分级分区燃烧室头部 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种双涡控分级分区燃烧室头部，包括采用中心对称结构布局的外环预燃级、中心主燃级、内环主燃级和多路组合式燃油喷嘴，外环预燃级由帽罩、点火电嘴、火焰筒、圆弧凹板、进气前体、平直筒体、外环离心喷嘴和多点直射式喷嘴组成；中心主燃级由轴向旋流器、文氏管和中心离心喷嘴组成；内环主燃级结构与外环预燃级结构对称，包括帽罩、火焰筒、圆弧凹板、进气前体、平直筒体、内环离心喷嘴和多点直射式喷嘴；多路组合式燃油喷嘴分别从第一油路、第二油路和第三油路将燃油供入外环离心喷嘴、中心离心喷嘴、内环离心喷嘴以及多点直射式喷嘴，实现燃油分级分区燃烧，拓宽了燃烧室点火和低工况稳定性边界，改善了燃烧室出口温度分布品质。

Description

一种双涡控分级分区燃烧室头部

技术领域

本发明专利属于航空发动机领域，涉及一种双涡控分级分区燃烧室头部。

背景技术

近年来，军民用航空发动机技术取得了飞速发展和进步。现代高性能军用战斗机普遍采用小涵道比涡扇发动机，为了实现高速机动，发动机推重比要求由8～10增至16～20，发动机的循环参数进一步提高，对于燃烧室来说，燃烧室温升和稳定工作边界需要不断提高和拓宽，同时还需要兼顾高工况高效燃烧及良好的出口温度场品质等性能要求；现代民用航空发动机往大涵道比涡扇发动机方向发展，低成本、低污染、低噪声及高可靠性的要求不断提高，对于燃烧室来说，需要不断开展先进低排放燃烧技术的研发和应用。

军民用航空发动机技术的飞速发展及其性能要求的不断提高，给燃烧室的研发带来了极大的困难和技术挑战。对于军机来说，发动机推重比要求的提高，燃烧室总油气比就需要提高，温升水平也就越高，燃烧室内的燃烧组织势必发生重大变化，总油气比的提高意味着需要更多的空气来参与燃烧，头部空气量需要增加，冷却空气量和掺混空气量则需要一定程度的减少，这也使得燃烧室既实现可靠点火与低工况火焰稳定又实现高效率燃烧与良好的出口温度场品质变得十分困难，上世纪70年代发展的一种新型组合式双旋流气动雾化头部在一定程度上提高燃烧室的温升并拓宽了燃烧室稳定工作范围，在世界上得到了极为广泛的应用，但随着燃烧室温升的进一步提高，困难和挑战依然十分严峻。对于民用航空发动机来说，发动机污染排放指标的日益严苛，低排放燃烧技术向着贫油燃烧和富油燃烧两个方向发展，从目前来看，采用贫油燃烧的低排放燃烧技术显然是市场主流(如GE公司采用的目前发展最为成熟的TAPS燃烧技术，目前已发展到了第三代)，这种贫油燃烧模式也使得燃烧室实现可靠点火与低工况火焰稳定十分困难。

燃烧室头部是燃烧室设计的关键。为了实现大头部进气量下燃烧室可靠点火及低工况燃烧的稳定，并兼顾军民用发动机燃烧室高工况燃烧效率及出口温度场分布，燃烧室往往采用分级分区的组织燃烧模式，分级燃烧室一般可分为径向、轴向和径/轴向分级三种，径向分级燃烧室以GEAE公司的双环腔燃烧室和SNECMA公司的双头部燃烧室为典型代表，GE90和BR715发动机燃烧室就采用了径向分级组织燃烧模式，轴向分级燃烧室以RRD公司的第一代和第二代E3E燃烧室为典型代表。此外，GEAE公司在IHPTET计划XTC-77验证机中采用了驻涡燃烧技术，驻涡燃烧室(TVC)也是一种分级燃烧室，在所有低工况状态只是驻涡腔工作，可获得较低的CO和UHC排放，同时获得良好的点火性能及较大的贫油熄火裕度，钝体燃烧区则在高工况下开启，保证高效燃烧。TAPS燃烧室更是GEAE公司低排放燃烧技术中的又一大特色，它是在双环腔径向分级燃烧室的基础上发展的一种双环预混旋流中心分级燃烧室，它的预燃级由一个双级旋流器和一个离心式喷嘴组成，主燃级由一个径向旋流器和直射式喷嘴组成，以此形成主燃级燃烧区和值班级燃烧区，值班级为扩散火焰模式，保证了发动机起动点火可靠和较宽广的贫油熄火边界，主燃级在大工况工作，为贫油预混燃烧模式，可有效减少NOx的生成。另外，中国燃气涡轮研究院提出了双级旋流多点喷射组织燃烧模式，申请了《一种富有直混分区燃烧室》(ZL201320809412.0)专利，其头部采用了中心分级的TAMDIM混合燃烧模式，可以保证高温升燃烧室高低工况性能的良好兼顾。

发明内容

发明目的

提供一种能够拓宽燃烧室稳定性边界和改善燃烧室出口温度场分布品质的双涡控分级分区燃烧室。

技术方案

本发明专利一种双涡控分级分区燃烧室头部采用中心分级分区的组织燃烧形式，分为外环预燃级、中心主燃级和内环主燃级，外环预燃级由帽罩、点火电嘴、火焰筒、圆弧凹板、进气前体、平直筒体、外环离心喷嘴和多点直射式喷嘴组成，外环预燃级通过在圆弧凹板和进气前体之间设置前进气环槽、在火焰筒上开设主燃孔以及在平直筒体上开设涡控射流孔，使得外环预燃级燃烧区内形成前后两个驻定的低速涡区，外环离心喷嘴为单油路离心喷嘴，具有良好的燃油雾化效果，外环离心喷嘴将燃油直接喷入到前驻涡区进行扩散燃烧，多点直射式喷嘴将燃油直接喷入到后驻涡区进行扩散燃烧；中心主燃级由轴向旋流器、文氏管和中心离心喷嘴组成，在轴向旋流器旋转气流的作用下，一方面可实现中心离心喷嘴油雾的良好雾化和混合，另一方面在中心主燃级下游形成利于火焰稳定的中心回流区；内环主燃级结构与外环预燃级结构对称，包括帽罩、火焰筒、圆弧凹板、进气前体、平直筒体、内环离心喷嘴和多点直射式喷嘴，同样，内环主燃级燃烧区形成前后两个驻定的低速涡区，内环离心喷嘴和多点直射式喷嘴分别将燃油直接喷入到前驻涡区和后驻涡区进行扩散燃烧。

具体工作模式为：在较低工况时，只有外环预燃级工作，通过外环离心喷嘴和前驻涡区实现局部富油扩散燃烧，保证了发动机起动点火可靠和极为宽广的贫油熄火边界；在慢车等中等工况时，中心主燃级的中心离心喷嘴和内环主燃级的内环离心喷嘴开始供油工作，此时外环预燃级稳定燃烧的火焰先引燃中心主燃级，其后火焰又传播至内环预燃级前驻涡区，其中中心主燃级为直接混合燃烧模式，具有很强的燃烧稳定性，同时具有很高的燃烧效率；在设计点及以上工况时，外环预燃级和内环主燃级的多点直射式喷嘴也开始供油工作，此时燃烧室内温度和压力已经很高，直射式喷嘴喷出的燃油可以实现迅速雾化混合，保证高工况燃烧效率，同时也确保了军机机动飞行时具有较好的响应性和跟随性。采用上述分级分区的工作模式，再匹配外环预燃级与内环主燃级形成的前后两个利于火焰稳定的驻涡结构以及中心主燃级形成的稳定的中心回流区结构，可以进一步拓宽燃烧室可靠点火及低工况燃烧稳定性边界，同时也保证了燃烧室中等工况和高工况高效稳定的燃烧，改善了燃烧室出口温度分布品质。

具体结构为：一种双涡控分级分区燃烧室头部，包括采用中心对称结构布局的外环预燃级(101)、中心主燃级(102)、内环主燃级(103)和多路组合式燃油喷嘴(11)，外环预燃级(101)由帽罩(12)、点火电嘴(13)、火焰筒(14)、圆弧凹板(16)、进气前体(17)、平直筒体(18)、外环离心喷嘴(24)和多点直射式喷嘴(27)组成；中心主燃级(102)安装在外环预燃级(101)和内环主燃级(103)之间正中心，由轴向旋流器(19)、文氏管(20)和中心离心喷嘴(26)组成；内环主燃级(103)结构与外环预燃级(101)结构上下对称，包括帽罩(12)、火焰筒(14)、圆弧凹板(16)、进气前体(17)、平直筒体(18)、内环离心喷嘴(25)和多点直射式喷嘴(27)；多路组合式燃油喷嘴(11)由第一油路(21)、第二油路(22)和第三油路(23)三条油路构成，第一油路(21)末端与外环离心喷嘴(24)连通，第二油路(22)末端同时与中心离心喷嘴(26)和内环离心喷嘴(25)相连通，第三油路(23)末端与多点直射式喷嘴(27)连通。

所述的一种双涡控分级分区燃烧室头部，圆弧凹板(16)安装在帽罩(12)内缘，圆弧凹板(16)上开设数排不同角度的凹板气膜孔(28)，气流通过凹板气膜孔(28)在圆弧凹板(16)背风面形成逆时针贴壁环流(33)。

所述的一种双涡控分级分区燃烧室头部，圆弧凹板(16)与进气前体(17)之间根据进气量分配比例设计有一定高度的间隙，构成前进气环槽(29)，进入前进气环槽(29)的空气形成前平直射流(34)，沿水平方向向下游流动。

所述的一种双涡控分级分区燃烧室头部，平直筒体(18)上开设有涡控射流孔(30)，流入涡控射流孔(30)的空气形成中间射流(35)，在中间射流(35)与贴壁环流(33)以及前平直射流(34)的共同作用下于外环预燃级(101)和内环主燃级(103)圆弧凹板(16)的背后分别形成逆时针旋转和顺时针旋转的前驻涡区(37)。

所述的一种双涡控分级分区燃烧室头部，火焰筒(14)上设置有主燃孔(15)，进入主燃孔(15)的主燃射流(36)与中间射流(35)相间对向流动，于外环预燃级(101)和内环主燃级(103)后半部分区域分别形成顺时针旋转和逆时针旋转的后驻涡区(38)。

所述的一种双涡控分级分区燃烧室头部，进入轴向旋流器(19)的旋流空气在中心主燃级(102)下游形成中心回流区(39)。

有益效果

外环预燃级采用局部富油扩散燃烧模式，外环预燃级燃烧区内形成前后两个低速驻涡区，有利于拓宽发动机起动点火和低工况燃烧稳定性边界，位于头部正中心的中心主燃级采用轴向旋流器与中心离心喷嘴匹配设计，在中心主燃级燃烧区内形成稳定的中心回流区并进行直混燃烧，一方面实现了外环预燃级向内环主燃级稳定联焰，另一方面也进一步提高了中等工况燃烧稳定性和燃烧效率，外环预燃级和内环主燃级多点直射式喷嘴在设计点以上工况同时供油工作，在保证燃油良好的雾化、混合与高效燃烧的同时，进一步提高了军机机动飞行时的响应性和跟随性，通过控制多点直射式喷嘴分别向外环预燃级和内环主燃级的供油流量比例，可实现高工况燃烧室出口温度场调控，改善燃烧室出口温度分布品质。

附图说明

图1为一种双涡控分级分区燃烧室结构示意图；

图2为双涡控分级分区燃烧室头部结构；

图3为双涡控分级分区燃烧室头部流场结构细节示意图。

1-一种双涡控分级分区燃烧室，10-双涡控分级分区燃烧室头部，11-多路组合式燃油喷嘴，12-帽罩，13-点火电嘴，14-火焰筒，15-主燃孔，16-圆弧凹板，17-进气前体，18-平直筒体，19-轴向旋流器，20-文氏管，21-第一油路，22-第二油路，23-第三油路，24-外环离心喷嘴，25-内环离心喷嘴，26-中心离心喷嘴，27-多点直射式喷嘴，28-凹板气膜孔，29-前进气环槽，30-涡控射流孔，31-掺混孔，32-燃烧室出口，33-贴壁环流，34-前平直射流，35-中间射流，36-主燃射流，37-前驻涡区，38-后驻涡区，39-中心回流区，101-外环预燃级，102-中心主燃级，103-内环主燃级，1011-外环预燃级燃烧区，1021-中心主燃级燃烧区，1031-内环主燃级燃烧区。

图1描述了一种双涡控分级分区燃烧室多路组合式燃油喷嘴、帽罩、点火电嘴、火焰筒、主燃孔、掺混孔及燃烧室出口等的结构布局和相对位置；图2描述了双涡控分级分区燃烧室头部外环预燃级、中心主燃级和内环主燃级的相对位置及它们的具体结构特征；图3描述了双涡控分级分区燃烧室头部外环预燃级、中心主燃级和内环主燃级燃烧区内的流场结构特征。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例子详细介绍本发明。

参阅图1，为一种双涡控分级分区燃烧室1结构示意图，包括由多路组合式燃油喷嘴11、帽罩12、点火电嘴13、火焰筒14、主燃孔15、圆弧凹板16，进气前体17，平直筒体18，轴向旋流器19，文氏管20，外环离心喷嘴24，内环离心喷嘴25，中心离心喷嘴26，多点直射式喷嘴27，凹板气膜孔28，前进气环槽29和涡控射流孔30组成的双涡控分级分区燃烧室头部10，掺混孔31及燃烧室出口32。燃烧室的工作情况是：超过70％的空气从双涡控分级分区燃烧室头部10的凹板气膜孔28、前进气环槽29、涡控射流孔30、主燃孔15、轴向旋流器19和布置在平直筒体18上的冷却孔(未画出)进入燃烧室内，其余空气分别通过掺混孔31及布置在火焰筒14上的冷却孔(未画出)进入燃烧室，燃油通过多路组合式燃油喷嘴11分为三路供入燃烧室外环预燃级燃烧区1011、中心主燃级燃烧区1021和内环主燃级燃烧区1031内，点火电嘴13释放点火能量，将油气混合气点燃，并在上述燃烧区内完全燃烧，最后从燃烧室出口32排出高温燃气。

参阅图2，为双涡控分级分区燃烧室头部10具体结构示意图，包括采用中心对称结构布局的外环预燃级101、中心主燃级102、内环主燃级103和多路组合式燃油喷嘴11，外环预燃级101由帽罩12、点火电嘴13、火焰筒14、圆弧凹板16、进气前体17、平直筒体18、外环离心喷嘴24和多点直射式喷嘴27组成；中心主燃级102安装在外环预燃级101和内环主燃级103之间正中心，由轴向旋流器19、文氏管20和中心离心喷嘴26组成；内环主燃级103结构与外环预燃级101结构上下对称，包括帽罩12、火焰筒14、圆弧凹板16、进气前体17、平直筒体18、内环离心喷嘴25和多点直射式喷嘴27；多路组合式燃油喷嘴11由第一油路21、第二油路22和第三油路23三条油路构成，第一油路21末端与外环离心喷嘴24连通，第二油路22末端同时与中心离心喷嘴26和内环离心喷嘴25相连通，第三油路23末端与多点直射式喷嘴27连通，圆弧凹板16安装在帽罩12内缘，圆弧凹板16上开设数排不同角度的凹板气膜孔28，圆弧凹板16与进气前体17之间设计有一定高度的前进气环槽29，平直筒体18上开设有涡控射流孔30，火焰筒14上设置有主燃孔15。

参阅图3，为双涡控分级分区燃烧室头部10具体流场结构细节，流入凹板气膜孔28的气流在圆弧凹板16背风面形成逆时针贴壁环流33，进入前进气环槽29的空气形成沿水平方向向下游流动的前平直射流34，流入涡控射流孔30的空气所形成的中间射流35与贴壁环流33以及前平直射流34共同作用，于外环预燃级101和内环主燃级103圆弧凹板16的背后分别形成逆时针旋转和顺时针旋转的前驻涡区37，进入主燃孔15的主燃射流36与中间射流35相间对向流动，于外环预燃级101和内环主燃级103后半部分区域分别形成顺时针旋转和逆时针旋转的后驻涡区38，进入轴向旋流器19的旋流空气在中心主燃级102下游形成中心回流区39，由前驻涡区37和后驻涡区38组成的双驻涡结构以及中心回流区39结构保证了燃烧室良好的点火性能及较大的贫油熄火裕度，燃烧室稳定性边界显著拓宽，同时实现了分级分区燃烧，可以进一步提高燃烧室燃烧效率及出口温度场分布品质。

Claims (4)

1.一种双涡控分级分区燃烧室头部，其特征在于，包括采用中心对称结构布局的外环预燃级(101)、中心主燃级(102)、内环主燃级(103)和多路组合式燃油喷嘴(11)，外环预燃级(101)由帽罩(12)、点火电嘴(13)、火焰筒(14)、圆弧凹板(16)、进气前体(17)、平直筒体(18)、外环离心喷嘴(24)和多点直射式喷嘴(27)组成；中心主燃级(102)安装在外环预燃级(101)和内环主燃级(103)之间正中心，由轴向旋流器(19)、文氏管(20)和中心离心喷嘴(26)组成；内环主燃级(103)结构与外环预燃级(101)结构上下对称，包括帽罩(12)、火焰筒(14)、圆弧凹板(16)、进气前体(17)、平直筒体(18)、内环离心喷嘴(25)和多点直射式喷嘴(27)；多路组合式燃油喷嘴(11)由第一油路(21)、第二油路(22)和第三油路(23)三条油路构成，第一油路(21)末端与外环离心喷嘴(24)连通，第二油路(22)末端同时与中心离心喷嘴(26)和内环离心喷嘴(25)相连通，第三油路(23)末端与多点直射式喷嘴(27)连通。

2.根据权利要求1所述的一种双涡控分级分区燃烧室头部，其特征在于，圆弧凹板(16)安装在帽罩(12)内缘，圆弧凹板(16)上开设数排不同角度的凹板气膜孔(28)，圆弧凹板(16)与进气前体(17)之间设计有一定高度的前进气环槽(29)，平直筒体(18)上开设有涡控射流孔(30)，火焰筒(14)上设置有主燃孔15。

3.根据权利要求1或2所述的一种双涡控分级分区燃烧室头部，其特征在于，流入凹板气膜孔(28)的气流在圆弧凹板(16)背风面形成逆时针贴壁环流(33)，进入前进气环槽(29)的空气形成沿水平方向向下游流动的前平直射流(34)，流入涡控射流孔(30)的空气所形成的中间射流(35)与贴壁环流(33)以及前平直射流(34)共同作用，于外环预燃级(101)和内环主燃级(103)圆弧凹板(16)的背后分别形成逆时针旋转和顺时针旋转的前驻涡区(37)，进入主燃孔(15)的主燃射流(36)与中间射流(35)相间对向流动，于外环预燃级(101)和内环主燃级(103)后半部分区域分别形成顺时针旋转和逆时针旋转的后驻涡区(38)，进入轴向旋流器(19)的旋流空气在中心主燃级(102)下游形成中心回流区(39)。

4.根据权利要求2或3所述的一种双涡控分级分区燃烧室头部，其特征在于，流入凹板气膜孔(28)的空气比例在5％～10％之间，进入前进气环槽(29)的空气比例在8％～15％之间，流入涡控射流孔(30)的空气比例在15％～20％之间，进入主燃孔(15)的空气比例在20％～25％之间，进入轴向旋流器(19)的旋流空气比例在15％～25％之间。

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