CN113606610B - 一种应用于加力燃烧室的气动辅助雾化直射式喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于加力燃烧室的气动辅助雾化直射式喷嘴，属于航空发动机领域。本发明通过在支板侧面安装直射喷嘴处开设异形气流出口流道，使得支板内部高压气流通过异形气流出口流道垂直射出，对喷油杆直射式喷嘴喷出的燃油进行气动剪切，在剪切力的作用下燃油表面K‑H不稳定性增强，燃油射流表面破碎加剧，增强燃油气动雾化效果，使燃油空间分布变广、粒径小、燃油穿透深度增大，达到改善燃烧效率以及增强燃烧室周向联焰性能的效果。异形流道射流同时能对喷嘴出口局部进行冷却，防止积碳结焦影响喷嘴性能。本发明设计的气动辅助雾化直射式喷嘴加工难度较小，实际应用方便，燃油雾化效果较好，对加力燃烧室整体性能有较大提升。

Description

一种应用于加力燃烧室的气动辅助雾化直射式喷嘴

技术领域

本发明属于航空发动机燃油雾化领域，涉及一种结构简单加工方便，工作在加力燃烧室中，提升燃烧效率和联焰能力的直射式喷嘴，具体是一种应用于加力燃烧室的气动辅助雾化直射式喷嘴。

背景技术

喷嘴结构的发明，是为了将某种液体变成雾滴状的一种雾化结构。根据雾化机理可分为压力雾化和气动雾化喷嘴；根据喷射形式可分为直射式喷嘴、锥形喷嘴、扇形喷嘴、离心喷嘴等。在航空发动机的领域，为了组织航空煤油在较小空间较短时间的高效燃烧，通常采用离心喷嘴（属于压力雾化喷嘴）耦合空气旋流器，在燃烧室主燃区形成一个燃油空气混合气进行燃烧，而在传统的航空发动机加力燃烧室中一般采用直射式喷嘴，此类喷嘴主要缺陷有燃油浓度分布较集中、与空气接触面积较小、雾化效果差、燃烧效率低、耗油量较高等。

扇形喷嘴由于工作稳定、形成油雾场浓度均匀、油滴空间分布较宽等特性。最近几年在加力燃烧室领域被广泛研究，颜应文团队（申请专利号：CN201810219294.5、CN201810219559.1）研发的两种扇形喷嘴，虽然可以获得扇形的油雾分布，但结构相对复杂。为获得所需雾化效果，第一种平面扇形喷嘴需要加工V型侧面喷口、第二种圆弧形扇形喷嘴需要加工直射式喷孔和两道圆弧形扇形射流面，在加工过程中难度加大，加工成本高，很难保证加工精度，而且由于固体壁面对燃油的粘性作用，实际工作中会出现出口燃油积聚滴落，影响下游的燃油雾化效果。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的加力燃烧室中直射式喷嘴和扇形喷嘴的不足，提出一种新型的应用于加力燃烧室气动辅助雾化直射式喷嘴结构，通过在位于支板两侧的直射式喷嘴出口处开设异形空气流道，解决了现有技术中存在的问题。

本发明是这样实现的：

一种应用于加力燃烧室的气动辅助雾化直射式喷嘴，沿着燃烧室空气来流方向，所述的加力燃烧室依次包括风扇、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室；所述的加力燃烧室内测设置有加力内锥，所述的加力内锥沿下游方向渐缩形成加力内锥渐扩环面，所述的加力内锥渐扩环面与加力燃烧室侧壁间设置有若干支板，支板根部位于加力内锥渐扩环面的起始位置，且周向排列均匀，其特征在于，按照内外涵道气流前进的方向，所述的支板内部依次安装有喷油杆、点火器；所述的喷油杆两侧流道沿高度方向安装若干直射式喷嘴，所述的直射式喷嘴垂直于支板侧壁面，每个直射式喷嘴出口处开有异形空气流道；支板可以固定加力内锥。

所述的支板与加力燃烧室外涵道联通，外涵道的气流进入支板内部，在内外涵道压差作用下，进入支板的外涵空气由异形空气流道垂直喷射出，对直射式喷嘴喷出的燃油射流产生气动剪切，在剪切力的作用下燃油表面K-H不稳定性增强，燃油射流表面破碎加剧，从而大大增加了直射喷嘴的雾化效果，使得雾化后的燃油空间分布变广、燃油粒径减小，其燃烧稳定性、燃烧效率较传统加力燃烧室都有较大提升；同时气体射流有增大燃油穿透深度的作用，使得燃烧室周向联焰能力得到提升；另一方面，气体射流对直射式喷嘴出口局部进行冷却，防止结焦影响喷嘴性能。

进一步，所述的异形空气流道结构类型包括椭圆形、圆形、矩形、菱形的异形结构，采用机械加工形式开设异形空气流道，异形空气流道结构包括但不限于椭圆形、圆形、矩形、菱形等结构。气流经过异形空气流道后能形成垂直空气射流、并对直射式喷嘴喷出的燃油射流产生气动剪切。

进一步，所述的异形空气流道的异形结构中心为圆形流道结构，所述的异形结构的长半径或者长边或长对角线需要平行于燃烧室空气来流方向，从而达到更好的提高燃油射流穿透深度和增强气动辅助燃油雾化的效果。

本发明一种应用于加力燃烧室的气动辅助雾化直射式喷嘴的工作方式为：将外涵流道的高压气流引入支板内部，在内外涵压差的作用下气流由异形空气流道垂直喷出，对直射式喷嘴喷射的燃油形成气动剪切，辅助燃油雾化，所得的燃油空间分布广、粒径小，同时燃油穿透深度增大，有助于提高燃烧室稳火性能和联焰能力，提升加力燃烧室燃烧效率。本发明解决了加力燃烧室传统直射式喷嘴雾化效果差、燃烧效率低等缺陷，通过气动辅助雾化，能有效地提高直射式喷嘴的雾化性能，在避免扇型喷嘴高精度加工提高加工成本的同时提高燃烧室燃烧效率，增强稳火性能和联焰能力。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1)本次发明的气动辅助雾化直射式喷嘴应用于加力燃烧室，由喷油杆和若干直射式喷嘴组成。主要改进点为在直射式喷嘴周围开设异形空气流道，通过内外涵压差作用，使得从外涵进入支板内部的气流从异形空气流道垂直射出，与直射式喷嘴射出的燃油形成气动剪切，增强燃油表面K-H不稳定性，加剧燃油射流的表面破碎，从而大大增加了直射喷嘴的雾化特性。雾化后的燃油粒径小、空间分布广，其燃烧稳定性、燃烧效率等燃烧性能较传统的加力燃烧室都有较大提升，加力燃烧室燃烧得更充分；

2)直射式喷嘴射出的燃油在异形空气流道射流的作用下，穿透深度增加，相邻两支板内喷嘴喷射的燃油雾化区域靠近甚至出现相交，有利于提高燃烧室燃烧稳定性和周向联焰能力；

3)本次发明的气动辅助雾化直射式喷嘴，在传统喷嘴的基础上，由异形空气流道射出的气流能对直射式喷嘴出口进行冷却，从而达到防止喷嘴出口结焦积碳的效果。

4)本次发明的气动辅助雾化直射式喷嘴，特点是在原有加力燃烧室喷油杆基础上，在支板结构上开设异形空气流道，增加燃油表面剪切作用，加强燃油雾化。本发明结构简单、易加工、在实际燃烧室中容易实现。并且具有很好的改善直射式喷嘴燃油雾化性能的效果。

附图说明

图1是本发明的一种带加力燃烧室的航空发动机整体结构示意图；

图2是本发明的一种气动辅助雾化直射式喷嘴的支板结构局部剖解示意图（以椭圆形结构为例）；

图3是本发明涉及的几种异形空气流道典型结构示意图；

图4是本发明的一种气动辅助雾化直射式喷嘴的喷油杆结构示意图（以椭圆形结构为例）；

图5是本发明的一种气动辅助雾化直射式喷嘴的支板间燃油空间分布示意图；

图6是本发明的一种气动辅助雾化直射式喷嘴工作示意图（以椭圆形结构为例）；

其中，1-风扇，2-压气机，3-燃烧室，4-涡轮，5-掺混器，6-扩压段，7-支板，8-加力内锥，9-凹腔结构，10-加力内锥渐扩环面，11-点火器，12-喷油杆，13-凹腔基部，14-直射式喷嘴，15-加力燃烧室，16-异形空气流道（以椭圆形结构为例），17-外涵道，500-燃烧室空气来流方向，001-椭圆形、002-圆形、003-矩形、004-菱形。

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1所示，是本发明涉及的一种采用直射式喷嘴和凹腔结构加力燃烧室的涡轮风扇航空发动机结构图。沿着空气来流方向也即燃气轮机中心轴线500上依次设置有风扇1、压气机2，空气经压气机之后流入燃烧室3中，在燃烧室之后的涡轮4与压气机相连，涡轮4与加力燃烧室15侧壁间设置有掺混器5，掺混器5以及支板7之间形成扩压段6。在涡轮4之后的结构均属于加力燃烧室部件，包括支板7、加力内锥8；支板连接加力内锥7和机匣，用于固定支撑加力内锥8；加力内锥8和沿下游方向渐缩形成加力内锥渐扩环面10，加力内锥渐扩环面10后为凹腔结构9。

如图2以及图4所示，支板7内部不仅仅起着支撑内锥8的作用，其内部还设有点火器11和喷油杆12，点火器11安装于喷嘴凹腔内部回流区以提高点火成功率，喷油杆12两侧沿高度方向安装若干直射式喷嘴14，在支板两侧安装直射式喷嘴处开设异形空气流道16。在内外涵道压差作用下，使外涵进入支板的气流从异形空气流道16垂直于支板侧面喷出，在速度梯度下与直射式喷嘴喷射的燃油形成气动剪切，增强燃油表面不稳定性，达到辅助气动雾化的效果，辅助雾化效果如图5、6所示。气体射流同时能够增大燃油穿透深度，使得燃烧室燃烧稳定性和周向联焰能力得到提升。气体射流的另外一个功能是对直射式喷嘴14进行冷却，防止喷嘴出口结焦影响喷嘴性能。

图3是本发明涉及的几种异形空气流道典型结构示意图，异形空气流道16结构类型包括椭圆形001、圆形002、矩形003、菱形004以及其它形成的能形成垂直空气射流、并对直射式喷嘴14喷出的燃油射流产生气动剪切的异形空气流道结构。上述除圆形流道结构外，要求异形结构的长半径（长边或长对角线）平行于燃烧室空气来流方向500，从而达到更好的提高燃油射流穿透深度和增强气动辅助燃油雾化的效果。

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 (1)

1.一种应用于加力燃烧室的气动辅助雾化直射式喷嘴，沿着燃烧室空气来流方向（500），所述的加力燃烧室依次包括风扇（1）、压气机（2）、燃烧室（3）、涡轮（4）、加力燃烧室（15）；所述的加力燃烧室（15）内侧 设置有加力内锥（8），所述的加力内锥（8）沿下游方向渐缩形成加力内锥渐扩环面（10），所述的加力内锥渐扩环面（10）与加力燃烧室（15）侧壁间设置有若干支板（7），支板（7）根部位于加力内锥渐扩环面（10）的起始位置，且周向排列均匀，其特征在于，按照内外涵道气流前进的方向，所述的支板（7）内部依次安装有喷油杆（12）、点火器（11），所述的点火器（11）位于喷嘴凹腔内部回流区；所述的喷油杆（12）两侧流道沿高度方向安装若干直射式喷嘴（14），所述的直射式喷嘴（14）垂直于支板（7）侧壁面，每个直射式喷嘴（14）出口处开有异形空气流道（16）；所述的直射式喷嘴（14）位于异形空气流道（16）中间；

所述的支板（7）与加力燃烧室外涵道（17）联通，外涵道（17）的气流进入支板（7）内部，在内外涵道压差作用下，进入支板的外涵空气由异形空气流道（16）垂直喷射出，对直射式喷嘴（14）喷出的燃油射流产生气动剪切，增强燃油射流表面不稳定性，起到气动辅助燃油雾化的效果；同时利用外涵冷气对喷嘴进行冷却，防止喷嘴结焦积碳；所述的异形空气流道（16）结构类型包括椭圆形（001）、圆形（002）、矩形（003）、菱形（004）的异形结构；气流经过异形空气流道（16）后能形成垂直空气射流、并对直射式喷嘴（14）喷出的燃油射流产生气动剪切；所述的异形空气流道（16）的异形结构除圆形流道结构外，其他的异形结构长半径或者长边或长对角线需要平行于燃烧室空气来流方向（500），从而达到更好的提高燃油射流穿透深度和增强气动辅助燃油雾化的效果。

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