CN114593438B - 燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机以及防止燃油结焦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机以及防止燃油结焦的方法。其中所述燃油喷嘴包括油路；吹扫孔，在其孔壁设置有记忆合金件，使得所述吹扫孔的流通面积可变；出气孔，使得从吹扫孔进入的吹扫气经过所述油路后流出；其中，所述燃油喷嘴具有运行状态以及停止状态；在所述停止状态，所述记忆合金件为第一结构，所述吹扫孔的流通面积为其最大值；在所述运行状态，所述记忆合金件为第二结构，所述吹扫孔的流通面积为其最小值。

Description

燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机以及防止燃油结焦的方法

技术领域

本发明涉及一种燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机以及防止燃油结焦的方法。

背景技术

随着高性能、高压比航空发动机的发展，用燃油做冷却剂以冷却发动机装置的需求迅速增长，使得燃油在进入燃油喷嘴前的燃油温度升高达100～140℃；同时随着发动机压比的不断增高以提高循环效率，燃烧室进口空气温度也进一步提高，推重比为10的一级发动机燃烧室进口空气温度达800K以上，从而使得燃油喷嘴内油温、油管壁温不断提高，造成喷嘴内燃油严重沉积、结焦，附在内壁上，严重时会局部堵塞喷口，阻挡喷雾锥形成，导致喷油雾化质量急剧恶化。燃油雾化不良及雾化质量不稳定将导致燃烧室点火联焰困难和无规律性，以及燃烧效率的降低，有时燃油浓度场的不稳定会导致燃烧室出口燃气温度分布的不稳定和恶化，严重时引起火焰筒和涡轮导向器及转子叶片的烧伤。

受到来自压气机出口空气的对流换热和火焰筒内燃气的辐射换热影响，燃气轮机燃油喷嘴温度较高，同时也造成喷嘴内燃油温度的升高。当油路停止供油时，如果有燃油积存在油路中，会不断被加热，燃油温度过高时燃油会与溶解于其中的氧发生氧化结焦反应，形成颗粒状物质堵塞油路和喷口，影响喷嘴性能。进而危害燃气轮机安全。

为此，在燃油喷嘴设计时，会采用燃油自吹扫的措施，通过气动设计，将一部分来自压气机的空气作为吹扫气对油路进行吹扫。

但是在燃油喷嘴运行的过程中，吹扫气在燃气轮机工作时一直存在，吹扫气会通过对流换热作用直接对工作油路加热，当油路湿壁温度超过燃油结焦温度时，也会发生结焦，影响喷嘴的性能和安全。

对此，现有技术的通常做法是，在燃油喷嘴运行一个维护周期后，对燃油喷嘴进行更换。但由于吹扫气在喷嘴运行时对喷嘴的加热作用使得燃油喷嘴的结焦风险，使得该维护周期较短，提高了燃气涡轮发动机的运行成本。

因此，本领域需要一种既能防止燃油喷嘴停止运行后燃油残留导致结焦，也能防止燃油喷嘴运行时燃油结焦的技术方案，以延长燃油喷嘴的使用寿命，延长维护周期，降低燃气涡轮发动机的运行成本。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种燃油喷嘴。

本发明的另一目的在于提供一种燃烧室。

本发明的又一个目的在于提供一种燃气涡轮发动机。

本发明的再一个目的在于提供一种防止燃油结焦的方法。

根据本发明一方面的一种燃油喷嘴，包括：油路；吹扫孔，在其孔壁设置有记忆合金件，使得所述吹扫孔的流通面积可变；出气孔，使得从吹扫孔进入的吹扫气经过所述油路后流出；其中，所述燃油喷嘴具有运行状态以及停止状态；在所述停止状态，所述记忆合金件为第一结构，所述吹扫孔的流通面积为其最大值；在所述运行状态，所述记忆合金件为第二结构，所述吹扫孔的流通面积为其最小值。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述记忆合金件的第一结构为平板件，所述平板件的一表面设置于所述吹扫孔的径向一端的孔壁，所述记忆合金件的第二结构为弯折板件，所述弯折板件为所述平板件的一侧面朝所述吹扫孔的径向另一端的孔壁弯折。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述吹扫孔的流通面积根据以下公式变化：

其中，A为吹扫孔流通面积，T为记忆合金温度，A₁为吹扫孔最大流通面积，A₂为吹扫孔最小流通面积，k₁，k₂为大于0的比例系数，-k₁(T₂-T₁)²+A₁＝k₂(T₂-T₃)²+A₂。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述记忆合金件的第一结构为收缩件，所述收缩件的一端与所述吹扫孔的径向一端的孔壁连接，另一端自由；所述记忆合金件的第二结构为伸展件，所述伸展件为所述收缩件朝所述吹扫孔的径向另一端的孔壁伸展。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述吹扫孔的流通面积根据以下公式变化：

其中，A为吹扫孔流通面积，T为记忆合金温度，A₁为吹扫孔最大流通面积，A₂为吹扫孔最小流通面积，k为大于0的比例系数，其中

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述记忆合金件焊接或者一体成形于所述吹扫孔的孔壁。

根据本发明一方面的一种燃烧室，如以上任意一项所述的燃油喷嘴。

根据本发明一方面的一种燃气涡轮发动机，包括所述的燃烧室，以及压气机，所述压气机提供气体至所述吹扫孔。

根据本发明一方面的一种防止燃油喷嘴内燃油结焦的方法，包括

S1.设置吹扫孔，引进压气机的部分气流至所述吹扫孔，所述吹扫孔的流通面积可变；

S2.在燃油喷嘴的运行状态，设定所述吹扫孔的流通面积为其最小值；

S3.在燃油喷嘴的停止状态，设定所述吹扫孔的流通面积为其最大值。

在所述方法的一个或多个实施例中，在所述吹扫孔内设置记忆合金件，所述记忆合金件在所述吹扫孔内的截面面积可变，在所述燃油喷嘴的运行状态，所述记忆合金件的截面面积最大，在所述燃油喷嘴的停止状态，所述记忆合金件的截面面积最小。

本发明的进步效果包括但不限于，记忆合金件的结构简单，可靠性强，通用性高，易于针对不同的应用场景进行相应的改变，只需根据工作环境及需求确定在吹扫孔的流通面积，进而确定形状记忆合金的变化形式及变形温度即可，并且，采用记忆合金件不会明显增加结构重量。通过采用本发明提供的结构，一方面能够保证停止状态时有足够的吹扫压差，能够将积存在油路中的燃油迅速吹出，防止油路及喷口结焦；另一方面在燃气轮机正常运行工作时，能够减小吹扫气与油路的对流换热，降低油路温度，从而降低结焦风险，提高喷嘴的可靠性，延长了燃油喷嘴的使用寿命，延长了对应的维护周期，降低了燃气涡轮发动机的运行成本。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1为吹扫气对油路吹扫的示意图；

图2A以及图2B为根据第一实施例的燃油喷嘴的吹扫孔在停止状态与工作状态的结构示意图；

图3为根据第一实施例的燃油喷嘴的吹扫孔的孔面积随温度变化关系曲线；

图4A以及图4B为根据第二实施例的燃油喷嘴的吹扫孔在停止状态与工作状态的结构示意图；

图5为根据第二实施例的燃油喷嘴的吹扫孔的孔面积随温度变化关系曲线。

图6为一实施例的防止燃油结焦的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

另外，需要理解的是，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

涡轮发动机以涡轮风扇发动机为例，包括风扇，压气机，燃烧室以及涡轮，空气从风扇进入发动机，经过压气机增压后进入燃烧室，在燃烧室内，与燃油喷嘴喷出的燃油混合燃烧，驱动涡轮输出动力。

参考图1以及图2A、图2B所示的，如图1所示的，燃油喷嘴10包括油路1、吹扫孔2以及出气孔3。从压气机引进的空气20从吹扫孔2进入，流经油路1，至出气孔3排出，吹扫孔2与出气孔3的压差将残留在油路1的燃油吹扫离开油路1，以防止结焦。

形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)，以下简称记忆合金，一般是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料，经过一定的热处理训练，不仅在马氏体逆相变过程中能够完全回复到变形前的母相形状，而且在马氏体相变过程中也会自发地产生形状变化，回复到马氏体状态时的形状，而且反复加热、冷却都会重复出现上述现象，具有成本低、结构简单的优点。

参考图2A、图2B以及图3所示的，在第一实施例中，吹扫孔2在其孔壁设置有记忆合金件40，使得吹扫孔2的流通面积可变。当燃油喷嘴处于停止状态时，如图2A所示的，记忆合金件40为第一结构401，此时吹扫孔2的流通面积是可变的流通面积的最大值，此时吹扫气量最大，吹扫压差最大，能够保证油路1中残留积存的燃油被迅速吹出，防止发生燃油结焦的情况。当燃油喷嘴处于运行状态时，如图2B所示的，记忆合金件40为第二结构402，此时吹扫孔2的流通面积是可变的流通面积的最小值，此时吹扫气量最小，吹扫气量较低，能够降低高温气体与油路1的对流换热，降低油路1的油路湿壁温度，以避免其超过燃油结焦温度造成结焦，影响燃油喷嘴的使用寿命，造成安全隐患。承上可知，采用以上实施例的有益效果在于，实现了在燃油喷嘴的运行状态和停止状态均避免燃油结焦的技术效果，解决现有技术的方案燃油喷嘴停止状态时需要采用吹扫气以迅速吹除油路残余燃油，和燃油喷嘴工作状态时不需要吹扫气以避免对流换热使油路超温的矛盾，延长了燃油喷嘴的使用寿命，延长了对应的维护周期，降低了燃气涡轮发动机的运行成本。并且，记忆合金件的结构简单，可靠性强，通用性高，易于针对不同的应用场景进行相应的改变，只需根据工作环境及需求确定在吹扫孔的流通面积，进而确定形状记忆合金的变化形式及变形温度即可

并且，采用记忆合金件不会明显增加燃油喷嘴的重量。参考如图3所示的，可以理解到，以上所述的流通面积的最小值，一般并非为零，而是仍保留一定的流通面积，其有益效果在于，可以合理利用高温气体的热量，对燃油进行适当的加热，使其更容易被雾化，燃烧性能好。

继续参考图2A以及图2B所示的，在第一实施例中，记忆合金件40的具体结构可以是，第一结构401为平板件403，平板件的一表面设置于所述吹扫孔2的径向一端的孔壁201，记忆合金件的第二结构402为弯折板件404，弯折板件包括由平板件的一侧面朝吹扫孔2的径向另一端的孔壁202弯折部405。如此可以实现的吹扫孔2的流通面积与燃烧室温度的关系为：

其中，A为吹扫孔流通面积，T为记忆合金温度，A₁为吹扫孔最大流通面积，A₂为吹扫孔最小流通面积，k₁，k₂为大于0的比例系数，-k₁(T₂-T₁)²+A₁＝k₂(T₂-T₃)²+A₂。

燃油喷嘴的停止状态和运行状态与燃气涡轮发动机的燃烧室温度范围的对应关系，可以根据对燃气轮机的核心机或者整机的试验确定，进而可以根据该对应关系确定形状记忆合金变形温度区间(T₁，T₃)，根据A₁、A₂及其变化规律的需求，设计记忆合金件的形状变化结构。如图3所示的，当记忆合金件40处于燃烧室温度T≥T₃时，代表燃油喷嘴运行状态，记忆合金件保持图2B所示的第二结构402，此时吹扫孔流通面积为A₂，吹扫气量较低，能够降低高温气体与油路的对流换热；当记忆合金件40处于燃烧室温度T≤T₁时，代表燃油喷嘴停止状态，记忆合金件保持图2A所示的第一结构401，此时吹扫孔流通面积为A₁，吹扫气量最大，吹扫压差最大，能够保证油路中积存的燃油迅速吹出。当记忆合金件40温度T₁≤T≤T₂和T₂≤T≤T₃，流通面积与温度呈二次方关系变化，随着温度升高，流通面积不断减小，且流通面积随温度变化的变化速度先增大然后减小。

参考图4A、图4B以及图5所示的，在第二实施例中，记忆合金件50的具体结构可以是，第一结构501为收缩件503，收缩件的一端504与吹扫孔2的径向一端的孔壁201连接，另一端505自由，记忆合金件50的第二结构502为伸展件506，伸展件506为收缩件503自由的另一端505朝吹扫孔2的径向另一端的孔壁202伸展。如此可以实现的吹扫孔2的流通面积与燃烧室温度的关系为：

其中，A为吹扫孔流通面积，T为记忆合金温度，A₁为吹扫孔最大流通面积，A₂为吹扫孔最小流通面积，k为大于0的比例系数，其中

与第一实施例类似地，燃油喷嘴的停止状态和运行状态与燃气涡轮发动机的燃烧室温度范围的对应关系，可以根据对燃气轮机的核心机或者整机的试验确定，进而可以根据该对应关系确定形状记忆合金变形温度区间(T₁，T₂)，根据A₁、A₂及其变化规律的需求，设计记忆合金件的形状变化结构。如图5所示的，当记忆合金件50处于燃烧室温度T≥T₂时，代表燃油喷嘴运行状态，记忆合金件保持图4B所示的第二结构502，此时吹扫孔流通面积为A₂，吹扫气量较低，能够降低高温气体与油路的对流换热；当记忆合金件50处于燃烧室温度T≤T₁时，代表燃油喷嘴停止状态，记忆合金件保持图4A所示的第一结构401，此时吹扫孔流通面积为A₁，吹扫气量最大，吹扫压差最大，能够保证油路中积存的燃油迅速吹出。当记忆合金件50的温度T₁≤T≤T₂，流通面积与温度呈二次方关系变化，随着温度升高，流通面积不断减小，且流通面积随温度变化的变化速度逐渐增大。

对比第一实施例、第二实施例，两者的流通面积对应燃烧室温度变化规律不尽相同，可以适应不同结构的燃油喷嘴。例如相比于第二实施例，第一实施例在温度上升的初始阶段流通面积A减小较快，如此可以适用于对高温气流敏感的燃油喷嘴，防止其迅速结焦，而实施例二可以适用于对高温气流适应性较强的燃油喷嘴，以充分利用高温气流的热量加热燃油，以优化燃油喷嘴的雾化性能。可以理解到，以上实施例的记忆合金件40、50与吹扫孔2的连接结构可以是焊接、与吹扫孔2通过三维打印一体成形，如此可以保证记忆合金件与吹扫孔之间的连接密封性好，以保证实际的记忆合金件结构与吹扫孔的流通面积变化的对应关系与设计的对应关系基本一致。

承上所述的，参考图6所示的，防止燃油结焦的方法可以包括：

S1.设置吹扫孔2，引进压气机的部分气流至所述吹扫孔2，所述吹扫孔2的流通面积A可变，最大值为A₁，最小值为A₂；

S2.在燃油喷嘴的运行状态，设定吹扫孔2的流通面积A为其最小值A₂，在燃气轮机正常运行工作时，能够减小吹扫气与油路的对流换热，降低油路温度；

S3.在燃油喷嘴的停止状态，设定吹扫孔2的流通面积A为其最大值A₁，保证停止状态时有足够的吹扫压差，能够将积存在油路中的燃油迅速吹出，防止油路及喷口结焦。

具体地，在一些实施例中，在吹扫孔2内设置记忆合金件，记忆合金件在所述吹扫孔内的截面面积可变，在燃油喷嘴的运行状态，所述记忆合金件的截面面积最大，在所述燃油喷嘴的停止状态，所述记忆合金件的截面面积最小，例如第一实施例所示，记忆合金件40的截面积如图4A所示的停止状态的平板件的侧面406，变为运行状态的图4B所示的运行状态的弯折部405。

综上所述，采用以上的燃油喷嘴、燃烧室以及燃气涡轮发动机的有益效果包括但不限于：记忆合金件的结构简单，可靠性强，通用性高，易于针对不同的应用场景进行相应的改变，只需根据工作环境及需求确定在吹扫孔的流通面积，进而确定形状记忆合金的变化形式及变形温度即可，并且，采用记忆合金件不会明显增加结构重量。通过采用本发明提供的结构，一方面能够保证停止供油时有足够的吹扫压差，能够将积存在油路中的燃油迅速吹出，防止油路及喷口结焦；另一方面在燃气轮机正常运行工作时，能够减小吹扫气与油路的对流换热，降低油路温度，从而降低结焦风险，提高喷嘴的可靠性，延长了燃油喷嘴的使用寿命，延长了对应的维护周期，降低了燃气涡轮发动机的运行成本。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃油喷嘴，其特征在于，包括：

油路；

吹扫孔，在其孔壁设置有记忆合金件，使得所述吹扫孔的流通面积可变；

出气孔，使得从吹扫孔进入的吹扫气经过所述油路后流出；

其中，所述燃油喷嘴具有运行状态以及停止状态；

在所述停止状态，所述记忆合金件为第一结构，所述吹扫孔的流通面积为其最大值；

在所述运行状态，所述记忆合金件为第二结构，所述吹扫孔的流通面积为其最小值；

所述记忆合金件的第一结构为平板件，所述平板件的一表面设置于所述吹扫孔的径向一端的孔壁，所述记忆合金件的第二结构为弯折板件，所述弯折板件为所述平板件的一侧面朝所述吹扫孔的径向另一端的孔壁弯折；

所述吹扫孔的流通面积根据以下公式变化：

其中，A为吹扫孔流通面积，T为记忆合金温度，A₁为吹扫孔最大流通面积，A₂为吹扫孔最小流通面积，k₁，k₂为大于0的比例系数，-k₁(T₂-T₁)²+A₁＝k₂(T₂-T₃)²+A₂。

2.一种燃油喷嘴，其特征在于，包括：

油路；

吹扫孔，在其孔壁设置有记忆合金件，使得所述吹扫孔的流通面积可变；

出气孔，使得从吹扫孔进入的吹扫气经过所述油路后流出；

其中，所述燃油喷嘴具有运行状态以及停止状态；

在所述停止状态，所述记忆合金件为第一结构，所述吹扫孔的流通面积为其最大值；

在所述运行状态，所述记忆合金件为第二结构，所述吹扫孔的流通面积为其最小值；

所述记忆合金件的第一结构为收缩件，所述收缩件的一端与所述吹扫孔的径向一端的孔壁连接，另一端自由；所述记忆合金件的第二结构为伸展件，所述伸展件为所述收缩件朝所述吹扫孔的径向另一端的孔壁伸展；

所述吹扫孔的流通面积根据以下公式变化：

其中，A为吹扫孔流通面积，T为记忆合金温度，A₁为吹扫孔最大流通面积，A₂为吹扫孔最小流通面积，k为大于0的比例系数，其中

3.如权利要求1或2所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述记忆合金件焊接或者一体成形于所述吹扫孔的孔壁。

4.一种燃烧室，其特征在于，包括如权利要求1-3任意一项所述的燃油喷嘴。

5.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求4所述的燃烧室，以及压气机，所述压气机提供气体至所述吹扫孔。

6.一种防止燃油结焦的方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的燃油喷嘴，所述方法包括：

S1.设置吹扫孔，引进压气机的部分气流至所述吹扫孔，所述吹扫孔的流通面积可变；

S2.在燃油喷嘴的运行状态，设定所述吹扫孔的流通面积为其最小值；

S3.在燃油喷嘴的停止状态，设定所述吹扫孔的流通面积为其最大值。

7.如权利要求6所述的防止燃油结焦的方法，其特征在于，在所述吹扫孔内设置记忆合金件，所述记忆合金件在所述吹扫孔内的截面面积可变，在所述燃油喷嘴的运行状态，所述记忆合金件的截面面积最大，在所述燃油喷嘴的停止状态，所述记忆合金件的截面面积最小。