CN113188153A - 一种采用强剪切油气混合燃烧组织及使用其的燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用强剪切油气混合燃烧组织及使用其的燃烧室，包括火焰筒，所述火焰筒入口内侧安装有火焰筒头部，火焰筒入口外侧安装有帽罩，所述火焰筒、帽罩和火焰筒头部之间通过自锁螺钉固定连接；所述火焰筒头部内轴固定连接有导流板，导流板靠近帽罩的一端安装有三级径向涡流器，三级径向涡流器上安装有双级轴向涡流器，双级轴向涡流器上安装有燃油喷嘴；所述火焰筒侧壁上固定安装有电嘴安装座，电嘴安装座上固定安装有电嘴，火焰筒侧壁上设置有一排掺混孔，本发明可以有效改善燃烧室头部气流结构和燃油浓度分布，保证燃烧室在宽广工作状态下具有良好的点熄火性能、良好的出口温度场的同时大幅降低污染排放性能。

Description

一种采用强剪切油气混合燃烧组织及使用其的燃烧室

技术领域

本发明属于航空燃气轮机燃烧室技术领域，具体涉及一种采用强剪切油气混合燃烧组织及使用其的燃烧室。

背景技术

现有的燃烧室一般采用类似美国通用电气公司设计的旋流杯作为航空发动机燃烧室的燃烧组织方式，其功用主要有：一是在火焰筒头部产生高速旋流，形成低压中心回流区来稳定火焰；二是提供燃料燃烧的所需的空气，控制主燃区具有合适的油气比；三是助雾化，促进燃油与空气混合。

现有的燃烧组织结构如图1所示，一、二级涡流器均为叶片式涡流器或者斜切孔式涡流器，文氏管为环形结构，出口为平直段或扩张段，文氏管长度较长。该涡流器与中心喷嘴匹配后，喷嘴喷射出的燃油雾锥先行溅射在文氏管上初步形成液膜，最后在文氏管出口被一、二级涡流器过来的高速旋流进一步剪切雾化，形成破碎的燃油液滴。雾化原理示意图见图2。采用这种雾化方式，会因一、二级涡流器气流混合速率太慢，不利于从一级涡流器出来的燃油和二级涡流器空气相互作用、雾化以及混合；同时会在涡流器下游形成非常大的中心低速回流区，会导致高温燃气的停留时间增加进而导致NOx生成增加，不利于污染控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用强剪切油气混合燃烧组织及使用其的燃烧室，可以有效改善燃油雾化和油气混合，保证燃烧室在宽广工作状态下具有良好的点熄火性能、良好的出口温度场的同时具有非常优异的低污染排放性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种采用强剪切油气混合燃烧组织，包括火焰筒，所述火焰筒入口内侧安装有火焰筒头部，火焰筒入口外侧安装有帽罩，所述火焰筒、帽罩和火焰筒头部之间通过自锁螺钉固定连接；所述火焰筒头部内轴固定连接有导流板，导流板靠近帽罩的一端安装有三级径向涡流器，三级径向涡流器上安装有双级轴向涡流器，双级轴向涡流器上安装有燃油喷嘴；所述火焰筒侧壁上固定安装有电嘴安装座，电嘴安装座上固定安装有电嘴，火焰筒侧壁上设置有一排掺混孔。

作为本发明进一步的方案：所述双级轴向涡流器包括锥形壁，所述锥形壁包括锥形壁外壁和锥形壁内壁，锥形壁外壁上固定安装有涡流器安装平面，锥形壁内壁包括内壁进气段和内壁出口段，内壁进气段安装有一级涡流器，一级涡流器内侧安装有二级涡流器，一级涡流器和二级涡流器上均设置有涡流器出口，二级涡流器内侧设置有喷嘴安装孔，所述燃油喷嘴上设置有与喷嘴安装孔相配合的喷嘴外壁，喷嘴外壁与内壁出口段之间形成内收缩通道。

作为本发明进一步的方案：所述三级径向涡流器包括涡流器主体，涡流器主体上设置有径向孔，涡流器主体上设置有三级径向涡流器安装端面与涡流器安装平面相连，涡流器主体内侧设置有三级径向涡流器内壁，三级径向涡流器内壁与锥形壁外壁之间形成外收缩通道，涡流器主体上设置有燃烧装置出口，燃烧装置出口与外收缩通道相连通，所述涡流器主体外周设置有外螺纹，涡流器主体通过外螺纹与火焰筒头部螺纹连接。

作为本发明进一步的方案：所述燃油喷嘴采用双油路喷嘴，双油路喷嘴选用双油路离心喷嘴、离心喷嘴加多点喷射喷嘴、离心喷嘴加空气雾化喷嘴或双空气雾化喷嘴中的任一种。

作为本发明进一步的方案：所述一级涡流器和二级涡流器旋向相反，均采用叶片式涡流器结构，叶片的偏转角度介于30°～60°之间。

作为本发明进一步的方案：所述一级涡流器和二级涡流器之间设有涡流器轮毂阻隔。

作为本发明进一步的方案：所述一级涡流器和二级涡流器的面积比介于0.75～10之间。

作为本发明进一步的方案：所述锥形壁入口处设置有卷边，涡流器轮毂入口处设置有倒角。

作为本发明进一步的方案：所述锥形壁外壁为收缩的锥形壁面，锥形壁外壁与轴线方向的角度介于0°～60°之间。

作为本发明进一步的方案：所述内壁进气段为收缩锥形壁面，内壁进气段与轴线方向的角度和锥形壁外壁与轴线方向的角度相同。

作为本发明进一步的方案：所述内壁出口段结构为收缩型壁面、平直型壁面或者扩张型壁面中的任一种。

作为本发明进一步的方案：所述内壁出口段结构为收缩型壁面时，内壁出口段和轴向方向的角度大于锥形壁外壁与轴线方向的角度，内壁出口段与轴线方向的角度介于10°～60°之间。

作为本发明进一步的方案：所述内壁出口段结构扩张型壁面时，内壁出口段与轴线方向的角度介于0°～60°之间。

作为本发明进一步的方案：所述三级径向涡流器的燃烧装置出口处设置有出口内边和出口外边，所述出口内边和出口外边均设置为锐边。

作为本发明进一步的方案：一种燃烧室，包括如上述的采用强剪切油气混合燃烧组织。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用模块化设计，燃烧室零件之间采用螺纹和螺栓紧固，结构简单、可靠，易于装拆和维修；

2)本发明通过涡流器和喷嘴匹配设计，燃烧室点火时，第一油路采用直接喷射，保证燃烧室点火性能，燃烧室正常工作时，第二油路采用横向喷射，涡流器采用收缩通道、一、二级涡流器气流直接作用，以及和三级涡流器进一步混合的强剪切油气混合设计，实现高效燃油雾化和混合，从而达到降低燃烧室NOx排放；

3)本发明产生的下游流场不同于以往传统回流区，可大幅降低高温燃气停留时间，从而有效降低燃烧室NOx排放；

4)本发明可以根据用户需求，本发明可以调整燃烧室的回流区结构；

5)本发明仅设计一排掺混孔结构，可有效掺混主燃区的高温，达到降低燃烧室NOx排放和改善出口温度分布系数的作用。

6)采用这种新的燃烧组织，可以有效改善燃烧室头部气流结构和燃油浓度分布，保证燃烧室在宽广工作状态下具有良好的点熄火性能、良好的出口温度场的同时大幅降低污染排放性能，非常适用于RQL低污染燃烧室。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为现有的燃烧组织结构示意图；

图2为现有的燃烧组织雾化原理示意图；

图3为本发明的整体结构示意图；

图4为本发明双级轴向涡流器的结构示意图；

图5为本发明内壁出口段为收缩型壁面的结构示意图；

图6为本发明内壁出口段为扩张型壁面的结构示意图；

图7为本发明内壁出口段为平直型壁面的结构示意图；

图8为本发明三级径向涡流器的结构示意图；

图9为本发明的一种流场结构示意图；

图10为本发明的另一种流场结构示意图；

图中：1、燃油喷嘴；2、双级轴向涡流器；3、三级径向涡流器；4、火焰筒；5、导流板；6、电嘴安装座；7、掺混孔；8、帽罩；9、火焰筒头部；10、自锁螺钉；11、一级涡流器；12、二级涡流器；13、喷嘴安装孔；14、锥形壁；15、涡流器安装平面；16、卷边；17、倒角；18、涡流器出口；19、内收缩通道；20、喷嘴外壁；21、锥形壁内壁；22、锥形壁外壁；23、内壁进气段；24、内壁出口段；25、径向孔；26、三级径向涡流器安装端面；27、三级径向涡流器内壁；28、外收缩通道；29、燃烧装置出口；30、出口内边；31、出口外边；32、外螺纹。

A、外燃油雾锥；B、内燃油雾锥；C、强剪切层；D、反漩涡；E、高速旋转射流；F、外回流区；G、中心回流区。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3所示，一种采用强剪切油气混合燃烧组织，包括火焰筒4，所述火焰筒4入口内侧安装有火焰筒头部9，火焰筒4入口外侧安装有帽罩8，所述火焰筒4、帽罩8和火焰筒头部9之间通过自锁螺钉10固定连接；所述火焰筒头部9内轴固定连接有导流板5，导流板5靠近帽罩8的一端安装有三级径向涡流器3，三级径向涡流器3上安装有双级轴向涡流器2，双级轴向涡流器2上安装有燃油喷嘴1；所述火焰筒4侧壁上固定安装有电嘴安装座6，电嘴安装座6上固定安装有电嘴，火焰筒4侧壁上设置有一排掺混孔7，双级轴向涡流器2和三级径向涡流器3作为一体通过螺纹固定在导流板5上，导流板5通过焊接的方式固定在火焰筒头部9上，燃烧组织采用螺纹和螺钉紧固，结构简单、可靠，易于燃烧室装拆和维修。

火焰筒4仅设计一排掺混孔7，没有主燃孔，内外环的掺混孔7为对称排布结构或者交替排列结构。因为减少了主燃孔的加工，因此火焰筒4加工工序更加简单，同时为了保证整个燃烧室流量分配比例不变，掺混孔7直径加工更大，便于机加和控制加工超差。此外由于掺混孔7的面积增加，可实现快速掺混的作用，有利于降低燃烧室的NOx排放，燃烧室出口温度分布系数能得到有效改善。

请参阅图3-4所示，所述双级轴向涡流器2包括锥形壁14，所述锥形壁14包括锥形壁外壁22和锥形壁内壁21，锥形壁外壁22上固定安装有涡流器安装平面15，锥形壁内壁21包括内壁进气段23和内壁出口段24，内壁进气段23安装有一级涡流器11，一级涡流器11内侧安装有二级涡流器12，一级涡流器11和二级涡流器12上均设置有涡流器出口18，二级涡流器12内侧设置有喷嘴安装孔13，所述燃油喷嘴1上设置有与喷嘴安装孔13相配合的喷嘴外壁20，喷嘴外壁20与内壁出口段24之间形成内收缩通道19。从一级涡流器11和二级涡流器12出来的气流直接在内收缩通道19相互剪切，并在内收缩通道19内形成强剪切层，从而达到油气强剪切的作用。

请参阅图3和8所示，所述三级径向涡流器3包括涡流器主体，涡流器主体上设置有径向孔25，涡流器主体上设置有三级径向涡流器安装端面26与涡流器安装平面15相连，涡流器主体内侧设置有三级径向涡流器内壁27，三级径向涡流器内壁27与锥形壁外壁22之间形成外收缩通道28，涡流器主体上设置有燃烧装置出口29，燃烧装置出口29与外收缩通道28相连通，所述涡流器主体外周设置有外螺纹32，涡流器主体通过外螺纹32与火焰筒头部9螺纹连接。所述三级径向涡流器3的燃烧装置出口29处设置有出口内边30和出口外边31，所述出口内边30和出口外边31均设置为锐边。

三级径向涡流器3的由径向孔25或者径向叶片产生旋流，双级轴向涡流器2通过涡流器安装平面15限制在三级径向涡流器安装端面26上，三级径向涡流器3的气流旋向和一级涡流器11的气流旋向相同，此外，三级气流也可以设计为无旋，此时，三级气流的作用则为控制助燃区的油雾空间分布。从三级径向涡流器3出来的加速气流进一步和双级轴向涡流器2的气流在燃烧装置出口29相互混合作用，进一步加强了油气混合。此外为了保证三级气流和一、二级涡流器气流混合时不发生分离，三级径向涡流器3的出口内边30和出口外边31均保持锐边。

请参阅图3-8所示，所述燃油喷嘴1采用双油路喷嘴，双油路喷嘴选用双油路离心喷嘴、离心喷嘴加多点喷射喷嘴、离心喷嘴加空气雾化喷嘴或双空气雾化喷嘴中的任一种。当燃烧室点火时，第一油路工作，因为燃油采用直接喷射，喷射的外燃油雾锥A不会冲击双级轴向涡流器2的壁面，且副油路的喷雾锥角刚好达到电嘴的位置，从而保证了燃烧室良好的点火性能；当燃烧室正常工作时，第二油路开始工作，燃油是采用横向喷射的方式进入燃烧室，这时的内燃油雾锥B是喷射至内收缩通道19中，可实现高效雾化以及和来流空气快速均匀混合，进而能有效降低燃烧室的NOx排放。

所述一级涡流器11和二级涡流器12旋向相反，均采用叶片式涡流器结构，叶片的偏转角度介于30°～60°之间。

所述一级涡流器11和二级涡流器12之间设有涡流器轮毂阻隔。

所述一级涡流器11和二级涡流器12的面积比介于0.75～10之间，以达到最强的剪切强度。

所述锥形壁14入口处设置有卷边16，涡流器轮毂入口处设置有倒角17。卷边16和倒角17的结构设置可以在不增加一、二级涡流器面积的前提下，有效增加一级涡流器11和二级涡流器12的进气量，从而达到改善燃油混合和雾化，减少由于油气混合不均匀造成的NOx生成。

所述锥形壁外壁22为收缩的锥形壁面，锥形壁外壁22与轴线方向的角度介于0°～60°之间。

所述内壁进气段23为收缩锥形壁面，内壁进气段23与轴线方向的角度和锥形壁外壁22与轴线方向的角度相同。

请参阅图5-7所示，所述内壁出口段24结构为收缩型壁面、平直型壁面或者扩张型壁面中的任一种。

所述内壁出口段24结构为收缩型壁面时，内壁出口段24和轴向方向的角度大于锥形壁外壁22与轴线方向的角度，内壁出口段24与轴线方向的角度介于10°～60°之间。

所述内壁出口段24结构扩张型壁面时，内壁出口段24与轴线方向的角度介于0°～60°之间。

请参阅图3-10所示，一种燃烧室，包括如上述的采用强剪切油气混合燃烧组织，采用这种新的燃烧组织，可以有效改善燃烧室头部气流结构和燃油浓度分布，保证燃烧室在宽广工作状态下具有良好的点熄火性能、良好的出口温度场的同时大幅降低污染排放性能，非常适用于RQL低污染燃烧室。

请参阅图9-10所示，相比已公开的专利只能形成大的中心回流区(图2)，本发明则可实现流场结构的变化，具体如下：当一级涡流器11和二级涡流器12面积比<1.3时，涡流器出口18下游中央形成一股高速旋转射流E，两侧在高速旋转射流E的作用下形成反旋涡D回流区，高速旋转射流E与两侧反旋涡D回流区之间形成强剪切层C；当一级涡流器11和二级涡流器12面积比>1.3时，在强剪切层C两侧形成中心回流区G和外回流区F。本发明产生的下游流场不同于以往传统回流区，可大幅降低高温燃气停留时间，从而有效降低燃烧室NOx排放；可以根据用户需求，本发明可以调整燃烧室的回流区结构。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (15)

1.一种采用强剪切油气混合燃烧组织，包括火焰筒(4)，其特征在于，所述火焰筒(4)入口内侧安装有火焰筒头部(9)，火焰筒(4)入口外侧安装有帽罩(8)，所述火焰筒(4)、帽罩(8)和火焰筒头部(9)之间通过自锁螺钉(10)固定连接；所述火焰筒头部(9)内轴固定连接有导流板(5)，导流板(5)靠近帽罩(8)的一端安装有三级径向涡流器(3)，三级径向涡流器(3)上安装有双级轴向涡流器(2)，双级轴向涡流器(2)上安装有燃油喷嘴(1)；所述火焰筒(4)侧壁上固定安装有电嘴安装座(6)，电嘴安装座(6)上固定安装有电嘴，火焰筒(4)侧壁上设置有一排掺混孔(7)。

2.根据权利要求1所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述双级轴向涡流器(2)包括锥形壁(14)，所述锥形壁(14)包括锥形壁外壁(22)和锥形壁内壁(21)，锥形壁外壁(22)上固定安装有涡流器安装平面(15)，锥形壁内壁(21)包括内壁进气段(23)和内壁出口段(24)，内壁进气段(23)安装有一级涡流器(11)，一级涡流器(11)内侧安装有二级涡流器(12)，一级涡流器(11)和二级涡流器(12)上均设置有涡流器出口(18)，二级涡流器(12)内侧设置有喷嘴安装孔(13)，所述燃油喷嘴(1)上设置有与喷嘴安装孔(13)相配合的喷嘴外壁(20)，喷嘴外壁(20)与内壁出口段(24)之间形成内收缩通道(19)。

3.根据权利要求2所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述三级径向涡流器(3)包括涡流器主体，涡流器主体上设置有径向孔(25)，涡流器主体上设置有三级径向涡流器安装端面(26)与涡流器安装平面(15)相连，涡流器主体内侧设置有三级径向涡流器内壁(27)，三级径向涡流器内壁(27)与锥形壁外壁(22)之间形成外收缩通道(28)，涡流器主体上设置有燃烧装置出口(29)，燃烧装置出口(29)与外收缩通道(28)相连通，所述涡流器主体外周设置有外螺纹(32)，涡流器主体通过外螺纹(32)与火焰筒头部(9)螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述燃油喷嘴(1)采用双油路喷嘴，双油路喷嘴选用双油路离心喷嘴、离心喷嘴加多点喷射喷嘴、离心喷嘴加空气雾化喷嘴或双空气雾化喷嘴中的任一种。

5.根据权利要求2所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述一级涡流器(11)和二级涡流器(12)旋向相反，均采用叶片式涡流器结构，叶片的偏转角度介于30°～60°之间。

6.根据权利要求5所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述一级涡流器(11)和二级涡流器(12)之间设有涡流器轮毂阻隔。

7.根据权利要求6所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述一级涡流器(11)和二级涡流器(12)的面积比介于0.75～10之间。

8.根据权利要求6所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述锥形壁(14)入口处设置有卷边(16)，所述涡流器轮毂入口处设置有倒角(17)。

9.根据权利要求2所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述锥形壁外壁(22)为收缩的锥形壁面，锥形壁外壁(22)与轴线方向的角度介于0°～60°之间。

10.根据权利要求9所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述内壁进气段(23)为收缩锥形壁面，内壁进气段(23)与轴线方向的角度和锥形壁外壁(22)与轴线方向的角度相同。

11.根据权利要求10所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述内壁出口段(24)结构为收缩型壁面、平直型壁面或者扩张型壁面中的任一种。

12.根据权利要求11所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述内壁出口段(24)结构为收缩型壁面时，内壁出口段(24)和轴向方向的角度大于锥形壁外壁(22)与轴线方向的角度，内壁出口段(24)与轴线方向的角度介于10°～60°之间。

13.根据权利要求11所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述内壁出口段(24)结构扩张型壁面时，内壁出口段(24)与轴线方向的角度介于0°～60°之间。

14.根据权利要求3所述的一种采用强剪切油气混合燃烧组织，其特征在于，所述三级径向涡流器(3)的燃烧装置出口(29)处设置有出口内边(30)和出口外边(31)，所述出口内边(30)和出口外边(31)均设置为锐边。

15.一种燃烧室，其特征在于，包括如权利要求1-14任一项所述的采用强剪切油气混合燃烧组织。

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