CN114543117A - 燃油喷嘴及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃油喷嘴及航空发动机，用于缓解燃油喷嘴的热振动问题。其中，燃油喷嘴包括：喷杆；以及喷头，包括壳体和集油环，所述壳体为环形，所述集油环设于所述壳体的内壁与外壁之间，所述集油环与所述喷杆连通，所述集油环设有向所述壳体的外壁延伸的喷口，所述喷口穿透所述壳体的外壁；所述集油环临近所述壳体的外壁的壁面设有凸块。当集油环发生局部共振时可有效减小振动幅度，以对集油环局部振动进行抑制，降低集油环振动能量水平，避免因集油环共振导致集油环支撑动应力水平过高，提高燃油喷嘴的高周疲劳寿命。

Description

燃油喷嘴及航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种燃油喷嘴及航空发动机。

背景技术

燃油喷嘴位于燃烧室前段，工作时处于高温高压环境。燃油喷嘴受热主要有两个热源，一是经由压气机进入燃烧室的高温燃气直接吹扫燃油喷嘴，导致喷嘴杆体和头部受热，二是由于燃油喷嘴喷口喷射燃料在燃烧室内进行燃烧，燃烧产生的高温火焰对燃油喷嘴产生热辐射，燃油喷嘴头部最高温度可以达到900K-1000K。燃油喷嘴工作时不仅仅受到高温的影响，也处于复杂的振动环境之中，燃油喷嘴所用材料主要为高温合金，在高温下其力学性能变化会导致燃油喷嘴各阶振动频率发生不同程度的前移，燃油喷嘴局部共振更易发生。燃油喷嘴在运行中面临着热振动的严峻挑战。

发明内容

本发明的一些实施例提出一种燃油喷嘴及航空发动机，用于缓解燃油喷嘴的热振动问题。

本发明的一些实施例提供了一种燃油喷嘴，其包括：

喷杆；以及

喷头，包括壳体和集油环，所述壳体为环形，所述集油环设于所述壳体的内壁与外壁之间，所述集油环与所述喷杆连通，所述集油环设有向所述壳体的外壁延伸的喷口，所述喷口穿透所述壳体的外壁；所述集油环临近所述壳体的外壁的壁面设有凸块。

在一些实施例中，所述凸块与所述壳体的外壁之间具有间隙，或者，所述凸块与所述壳体的外壁接触。

在一些实施例中，所述凸块的数量为多个，多个所述凸块沿所述集油环临近所述壳体的外壁的壁面间隔设置，且设置至少一圈。

在一些实施例中，多个所述凸块沿所述集油环临近所述壳体的外壁的壁面设置至少两圈。

在一些实施例中，相邻两圈的凸块并排排布或交错排布。

在一些实施例中，所述喷口的设置数量为多个，多个所述喷口沿所述壳体的外壁的周向分布，多个所述喷口中的每个喷口对应匹配有凸块，所述喷口与其对应匹配的凸块大体位于所述壳体的同一轴向上。

在一些实施例中，所述凸块包括圆柱体凸块或方形凸块。

在一些实施例中，所述集油环与所述壳体的内壁之间具有间隙，和/或，所述集油环与所述壳体的外壁之间具有间隙。

在一些实施例中，所述集油环临近所述壳体的内壁的壁面设有凸块。

本发明的一些实施例提供了一种航空发动机，其包括上述的燃油喷嘴。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

在一些实施例中，燃油喷嘴包括喷杆和喷头，喷头包括壳体和集油环，在集油环临近壳体的外壁的壁面设有凸块，当集油环发生局部共振时可有效减小振动幅度，以对集油环局部振动进行抑制，降低集油环振动能量水平，避免因集油环共振导致集油环支撑动应力水平过高，提高燃油喷嘴的高周疲劳寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明一些实施例提供的燃油喷嘴设于航空发动机的示意图；

图2为根据本发明一些实施例提供的燃油喷嘴的喷头示意图；

图3为根据本发明一些实施例提供的在燃油喷嘴的喷头建立的柱坐标系示意图；

图4为根据本发明一些实施例提供的燃油喷嘴的喷头的剖面示意图；

图5为根据本发明第一实施例提供的燃油喷嘴的集油环的示意图；

图6为根据本发明第二实施例提供的燃油喷嘴的集油环的示意图；

图7为根据本发明第三实施例提供的燃油喷嘴的集油环的示意图；

图8为根据本发明一些实施例提供的集油环的凸块与壳体的外壁面的位置关系的示意图；

图9为根据本发明另一些实施例提供的集油环的凸块与壳体的外壁面的位置关系的示意图。

附图中标号说明如下：

1-喷杆；

2-喷头；21-壳体；211-内壁；212-外壁；22-集油环；23-喷口；24-凸块；25-中轴线；26-柱坐标系；

10-燃油喷嘴；20-外机匣；30-内机匣；40-火焰筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一些实施例提供了一种燃油喷嘴，其包括喷杆1和喷头2。喷杆1一端连接航空发动机的外机匣20，另一端伸入外机匣20内，且连接喷头2。

如图4所示，喷头2包括壳体21和集油环22，壳体21为环形，如图2和图3所示。如图4所示，集油环22设于壳体21的内壁211与外壁212之间，集油环22与喷杆1连通，集油环22设有向壳体21的外壁212延伸的喷口23，喷口23穿透壳体21的外壁212。也就是壳体21的外壁212设有允许喷口23穿过的通孔。喷杆1中的燃油进入集油环22，且通过喷口23喷出。集油环22临近壳体21的外壁212的壁面设有凸块24，如图5至图9所示。

由于燃油喷嘴振动的固有振型包括喷嘴整体振动和喷嘴内部振动，在高温条件下，燃油喷嘴内部的集油环22的振动模态频率与燃油喷嘴的震荡燃烧频率较为接近，容易激发集油环22共振。燃油喷嘴的集油环22存在局部振型，若集油环22发生共振会导致集油环22的支撑部位产生高动应力集中，对集油环22的支撑造成较大疲劳损伤，且在高温条件下，集油环22的局部振动对燃油喷嘴的高周疲劳寿命影响较大。

基于此，本公开的一些实施例中，在集油环22临近壳体21的外壁212的壁面设有凸块24，在集油环22发生局部共振时可有效缩小振动幅度，以对集油环22的局部振动进行抑制，降低集油环22的振动能量水平，缓解因集油环22共振导致集油环22的支撑动应力水平过高的问题，提高燃油喷嘴的高周疲劳寿命。且在集油环22临近壳体21的外壁212设置凸块24能够减弱集油环22振动的破坏水平，进一步提高燃油喷嘴的高周疲劳寿命。

在一些实施例中，如图2所示，壳体21为环形，喷口23的设置数量为多个，多个喷口23围绕壳体21的中轴线25设置一圈，围成圆环形，且喷口23通过壳体21的外壁212上设置的通孔伸出。

在一些实施例中，如图3所示，在壳体21的中轴线位置建立柱坐标系26，其中，壳体21的中轴线25的延伸方向为Z轴方向，壳体21的径向为r轴方向，壳体21的切向为t轴方向。

在一些实施例中，如图4所示，集油环22位于壳体21的内壁211和外壁212之间，集油环22与壳体21的内壁211之间具有间隙，和/或，集油环22与壳体21的外壁212之间具有间隙。

由于集油环22与壳体21的内壁211和外壁212之间无接触，集油环22振动时所受约束较小，会在不同方向产生振动响应，特别是在集油环22发生共振时，由于集油环22与壳体21之间存在较大间隙，使得集油环22可以积累较大振动能量，在集油环22的支撑部位产生较高应力集中，由此导致的疲劳损伤会对喷嘴高周疲劳性能产生严重影响。

基于此，在一些实施例中，如图8所示，凸块24与壳体21的外壁212接触，附加的接触刚度将改变燃油喷嘴振动的振动型式，使得集油环22与壳体21一起振动，从而降低振动应力水平。

在另一些实施例中，如图9所示，凸块24与壳体21的外壁212之间具有间隙。凸块24用于缩短集油环22的振动幅度，从而减少集油环22振动能量积累水平，降低振动应力。

在一些实施例中，如图7所示，凸块24的数量为多个，多个凸块24沿集油环22临近壳体21的外壁212的壁面间隔设置，且设置至少一圈。不同阶次的集油环22局部振动沿不同方向进行振动，各凸块24沿集油环22的外环，且绕壳体21的中轴线25分布，该分布形式可对不同阶次的集油环22振动起到抑制作用。

在一些实施例中，如图5和图6所示，多个凸块24沿集油环22临近壳体21的外壁212的壁面设置至少两圈，以进一步对不同阶次的集油环22振动起到抑制作用。

在一些实施例中，相邻两圈的凸块24并排排布，如图5所示。或者，相邻两圈的凸块24交错排布，如图6所示，以进一步对不同阶次的集油环22振动起到抑制作用。

在一些实施例中，如图5至7所示，喷口23的设置数量为多个，多个喷口23沿壳体21的外壁212的周向分布，多个喷口23中的每个喷口23对应匹配有凸块24，喷口23与其对应匹配的凸块24大体位于壳体21的同一轴向上。

在一些实施例中，凸块24包括圆柱体凸块。圆柱体凸块在承受挤压或者撞击时可将应力分散，避免过大的应力集中。

在一些实施例中，凸块24包括方形凸块。

在一些实施例中，集油环22临近壳体21的内壁211的壁面设有凸块24。

下面结合图5至图7详细描述集油环21上布置的凸块24的三个实施例。

如图5所示，在第一实施例中，集油环21上设置多个凸块24，各凸块24沿集油环22临近壳体1的外壁212的壁面分布，且多个凸块24在集油环22的外侧壁面上，围绕壳体1的中轴线25以双排并列方式分布。此处的双排是指上述实施例中多个凸块24沿集油环22临近壳体21的外壁212的壁面设置两圈。此处的双排并列方式是指在双排凸块中，其中一排中的一个凸块与另一排中的一个凸块组成一列，同一列的两个凸块24之间的连线与壳体21的中轴线25平行。

成列的两个凸块24之间具有预设间距，成列的两个凸块24之间的中点位于集油环22的外壁面的中间位置。每列凸块24沿大体平行于壳体21的中轴线25方向，对应匹配一个喷口23，相邻两列凸块24之间对应设有一个喷口23。

由于集油环22的局部模态为近似刚体模态，集油环22支撑处为弹性模态，当集油环22的振型为绕柱坐标系26径向转动时，排布方式通过凸块24与壳体21的接触可减小集油环22的振动幅度，从而抑制集油环22的局部振动，同时该种排布方式也可抑制集油环22沿柱坐标系26的径向平动振型。

如图6所示，在第二实施例中，集油环21上设置多个凸块24，各凸块24沿集油环22临近壳体1的外壁212的壁面分布，且多个凸块24在集油环22的外侧壁面上，围绕壳体1的中轴线25以双交错方式分布。此处的双排是指上述实施例中多个凸块24沿集油环22临近壳体21的外壁212的壁面间隔设置两圈。此处的双排交错方式是指在双排凸块中，其中一排中的一个凸块与另一排中的一个凸块组成一列，同一列的两个凸块24之间的连线与壳体21的中轴线25不平行。每一个喷口15沿平行于壳体21的中轴线25方向对应匹配一个凸块24。成列的两个凸块24之间的中点位于集油环22的外壁面的中间位置。

第二实施例的排布方式可对集油环22绕柱坐标系26的径向转动振型进行抑制，同时在集油环22的振型为沿柱坐标系26径向平动时，因第二实施例在环向的排布间距相对第一实施例中的排布更为紧凑，因此，第二实施例的排布方式对沿柱坐标系26径向平动振型的抑制效果比第一实施例中的排布方式更好。

如图7所示，在第三实施例中，集油环21上设置多个凸块24，各凸块24沿集油环22临近壳体1的外壁212的壁面分布，且多个凸块24在集油环22的外侧壁面上，围绕壳体1的中轴线25以单排方式分布。此处的单排是指上述实施例中多个凸块24沿集油环22临近壳体21的外壁212的壁面间隔设置一圈。一个喷口23对应一个凸块24，凸块24的中心点位于集油环22外壁面的中间位置。

由于集油环22的局部模态往往为不同振型的耦合，当集油环22以沿柱坐标系26径向平动为主，伴随绕柱坐标系26的径向转动时，第三实施例中的排布方式可起到较好的抑制振动效果。

下面结合图8和图9详细描述集油环21上布置的凸块24与壳体21的壁面的位置关系的两个实施例。

如图8所示，在一些实施例中，凸块24与壳体21的外壁212接触，由于壳体21与集油环22温差过大，为避免集油环22温度过高，凸块24半径不能过大。通过该实施方式，接触面附加接触刚度与阻尼可有效抑制集油环22的局部振动。

如图9所示，在另一些实施例中，凸块24与壳体21的外壁212之间具有间隙，为降低凸块24与壳体21接触时的应力水平，凸块24半径相对于图8中的凸块24半径大一些。凸块24与壳体21的外壁212之间具有间隙，可在集油环22振动时减少集油环22的振动幅度，从而起到对集油环22振动的抑制作用。

一些实施例提供了一种航空发动机，其包括上述的燃油喷嘴10。

在一些实施例中，如图1所示，航空发动机还包括外机匣20、内机匣30和火焰筒40，来流空气经由内机匣30进入燃烧室，来流空气进入燃烧室分为三股，中间一股进入火焰筒40，另外两股进入火焰筒40与外机匣20组成的涵道。燃油喷嘴10的喷杆1安装在外机匣20上，燃油喷嘴10是喷杆1伸入燃烧室内腔，且连接喷头2。

燃油喷嘴10位于航空发动机的燃烧室前段，工作时处于高温高压环境。燃油喷嘴10受热主要有两个热源，一是经由压气机进入燃烧室的高温燃气直接吹扫燃油喷嘴10，导致喷杆1和喷头2受热；二是由于燃油喷嘴10的喷头2喷射燃料在燃烧室内进行燃烧，燃烧产生的高温火焰对燃油喷嘴10产生热辐射，燃油喷嘴10的喷头2最高温度可以达到900K～1000K。

燃油喷嘴10工作时不仅仅受到高温的影响，也处于复杂的振动环境之中，燃油喷嘴10所用材料主要为高温合金，在高温下其力学性能变化会导致燃油喷嘴10各阶振动频率发生不同程度的前移，燃油喷嘴10局部共振更易发生。振动是航空发动机运行安全的重要威胁，燃油喷嘴1在燃烧室内工作时承受着复杂的振动激励。燃油喷嘴10在工作时承受的振动激励主要有两个来源，一是由外机匣20传递的振动；二是火焰筒40内震荡燃烧产生的压力脉动。

基于此，本公开实施例在燃油喷嘴10的集油环22临近壳体21的外壁212的壁面设有凸块24，在集油环22发生局部共振时可有效缩小振动幅度，以对集油环22的局部振动进行抑制，降低集油环22振动能量水平，避免因集油环22共振导致集油环22支撑动应力水平过高，提高燃油喷嘴10的高周疲劳寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

另外，在没有明确否定的情况下，其中一个实施例的技术特征可以有益地与其他一个或多个实施例相互结合。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种燃油喷嘴，其特征在于，包括：

喷杆(1)；以及

喷头(2)，包括壳体(21)和集油环(22)，所述壳体(21)为环形，所述集油环(22)设于所述壳体(21)的内壁(211)与外壁(212)之间，所述集油环(22)与所述喷杆(1)连通，所述集油环(22)设有向所述壳体(21)的外壁(212)延伸的喷口(23)，所述喷口(23)穿透所述壳体(21)的外壁(212)；所述集油环(22)临近所述壳体(21)的外壁(212)的壁面设有凸块(24)。

2.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述凸块(24)与所述壳体(21)的外壁(212)之间具有间隙，或者，所述凸块(24)与所述壳体(21)的外壁(212)接触。

3.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述凸块(24)的数量为多个，多个所述凸块(24)沿所述集油环(22)临近所述壳体(21)的外壁(212)的壁面间隔设置，且设置至少一圈。

4.如权利要求3所述的燃油喷嘴，其特征在于，多个所述凸块(24)沿所述集油环(22)临近所述壳体(21)的外壁(212)的壁面设置至少两圈。

5.如权利要求4所述的燃油喷嘴，其特征在于，相邻两圈的凸块(24)并排排布或交错排布。

6.如权利要求3所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述喷口(23)的设置数量为多个，多个所述喷口(23)沿所述壳体(21)的外壁(212)的周向分布，多个所述喷口(23)中的每个喷口(23)对应匹配有凸块(24)，所述喷口(23)与其对应匹配的凸块(24)大体位于所述壳体(21)的同一轴向上。

7.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述凸块(24)包括圆柱体凸块或方形凸块。

8.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述集油环(22)与所述壳体(21)的内壁(211)之间具有间隙，和/或，所述集油环(22)与所述壳体(21)的外壁(212)之间具有间隙。

9.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述集油环(22)临近所述壳体(21)的内壁(211)的壁面设有凸块(24)。

10.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的燃油喷嘴。

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