CN114763912B - 燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃油喷嘴、燃烧室以及燃气涡轮发动机。其中，所述燃油喷嘴包括杆芯；集油环，具有集油环本体、位于集油环本体内部的油路、以及凸出所述集油环本体的燃油喷口，所述油路的一端与所述杆芯固定连接，所述油路的另一端连接燃油喷口；以及喷嘴外壳，限定容纳空间；其中，所述集油环被容纳于所述容纳空间内，所述集油环本体以及所述燃油喷口与所述喷嘴外壳为非接触。

Description

燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机技术领域，尤其涉及一种燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机。

背景技术

航空发动机燃油喷嘴在燃烧室内主要受到来自高压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。随着燃烧室进口温度的升高，燃油喷嘴内油路壁温以及燃油温度也不断提高。较高的燃油湿壁温度使得燃油与溶解与其中的氧发生反应，并在油路壁面沉积、结焦，降低了燃油管路的流通面积，严重时甚至堵塞喷口，影响燃油雾化效果。愈来愈差的燃油雾化效果将导致燃烧室的燃烧效率、排放、出口温度分布的恶化，发动机的油耗增加，动力性能下降，涡轮叶片的工作寿命也很难得到保障，对飞行安全构成严重威胁。

因此，有必要对喷嘴采取热防护措施，以减少外界热源对燃油的加热效果，从而避免结焦现象的发生。

根据已有的研究结果，认为如下措施有助于防止燃油喷嘴的结焦：(1)采用热稳定性更好的燃油；(2)用空气或燃油冷却喷嘴；(3)设计燃油管路外侧结构减少换热；(4)改进燃油通道几何尺寸和热防护设计，以降低湿壁温度；(5)对燃油通道表面进行处理以抑制积炭。

因此，现有技术中，防止燃油喷嘴的结焦主要技术方案包括对喷嘴进行有效的热防护结构设计、优化喷嘴流道结构、提高表面光洁度来降低湿壁温度、减少燃油喷嘴结焦。而喷嘴的热防护设计多采用主、副油路燃油相互换热相结合与设计内外隔热腔的喷嘴热防护方案。

现有技术中，防止燃油结焦的技术方案，还包括设置隔热腔，一般是在集油环的前端面和喷嘴外壳前端面之间构造隔热腔。但发明人在完成本发明的过程中发现，现有技术的隔热腔结构的防止结焦的效果仍需要进一步改进。

其原因可能在于，发明人完成本发明的过程中发现，导致燃油喷嘴发生结焦还包括两个重要的原因：

1.为了吹扫燃油喷嘴中残余燃油的吹扫气，在燃油喷嘴运行时对燃油喷嘴的加热；

2.集油环受到与之连接的金属的喷嘴外壳的热传导的热量；

而现有技术方案中喷嘴外壳前端与集油环前端、燃油喷口直接接触，并且现有技术的隔热腔主要作用是降低喷嘴外壳受到辐射换热后对油路的加热作用，很难限制热的吹扫气导致的对流换热。

因此，本领域需要一种燃油喷嘴，解决以上的问题，以降低燃油结焦的风险，延长燃油喷嘴的寿命，使得燃烧室以及燃气涡轮发动机稳定可靠地运行。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种燃油喷嘴。

本发明的一个目的是提供一种燃烧室。

本发明的一个目的是提供一种燃气涡轮发动机。

根据本发明一个方面的一种燃油喷嘴包括杆芯、集油环，具有集油环本体、位于集油环本体内部的油路、以及凸出所述集油环本体的燃油喷口，所述油路的一端与所述杆芯固定连接，所述油路的另一端连接燃油喷口；以及喷嘴外壳，限定容纳空间；其中，所述集油环被容纳于所述容纳空间内，所述集油环本体以及所述燃油喷口与所述喷嘴外壳为非接触。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述集油环还具有隔热腔，所述隔热腔开设于所述集油环的内部，与所述油路相邻。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述隔热腔位于所述油路的一侧，该侧为靠近所述燃油喷口的一侧。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述隔热腔为全封闭式样或者为半封闭式。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述喷嘴外壳，包括径向内壁以及径向外壁，所述径向内壁与径向外壁之间的间隙限定所述容纳空间，所述径向内壁具有沿周向分布的气孔，所述集油环本体与所述径向内壁之间设置有隔板。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述燃油喷口为轴向燃油喷口，所述喷嘴外壳还包括位于所述燃油喷口一端的轴向端壁，所述轴向端壁具有通过孔，所述轴向燃油喷口穿过所述通过孔，且与所述通过孔非接触。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述燃油喷口为径向燃油喷口，所述喷嘴外壳的所述径向外壁具有通过孔，所述径向燃油喷口穿过所述通过孔，且与所述通过孔非接触。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述燃油喷嘴还包括连接件，所述连接件具有第一导热长度，所述连接件分别与所述集油环、所述喷嘴外壳连接，使得所述集油环与所述喷嘴外壳之间导热距离为第一导热长度。

根据本发明一个方面的一种燃烧室，包括火焰筒，机匣以及以上任意一项所述的燃油喷嘴，所述集油环的所述油路输出燃油在所述火焰筒燃烧，所述杆芯固定连接于所述机匣。

根据本发明一个方面的一种燃气涡轮发动机，包括转子，以及所述的燃烧室。

综上，本发明的进步效果包括但不限于以下之一或组合：

(1)通过集油环本体以及燃油喷口与喷嘴外壳为非接触的结构，减少从喷嘴外壳对油路的导热量，延长热传导的距离，避免燃油结焦；

(2)通过集油环内部设置隔热腔的结构，改变油路外侧热源对油路内燃油的加热效果，即降低油路外侧热空气与油路壁面的换热系数，并且使得外侧热壁面与油路之间的热传导距离延长，进一步降低了对油路的导热量；

(3)通过隔板的设置，消除热的吹扫气的对集油环的直接冲击，降低对流换热效果，进而降低燃油结焦风险；

(4)通过集油环本体以及燃油喷口与喷嘴外壳为非接触的结构，既实现避免燃油结焦，并且燃油喷嘴的通用性好，燃油喷射方向既可以是轴向喷射，也可以是径向喷射。

附图说明

本发明的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，需要注意的是，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是燃气涡轮发动机的燃烧室的结构示意图。

图2是一实施例的燃油喷嘴的喷嘴外壳的结构示意图。

图3是一实施例的燃油喷嘴的内部结构示意图。

图4A以及图4B分别是一实施例的燃油喷嘴的主喷口截面与非主喷口截面的结构示意图。

图5是一实施例的燃油喷嘴的集油环以及连接件的结构示意图。

图6是一实施的燃油喷嘴的集油环的油路结构示意图。

图7A以及图7B分别是另一实施例的燃油喷嘴的主喷口截面与非主喷口截面的结构示意图。

图8是另一实施例的燃油喷嘴的集油环的油路结构示意图。

图9是再一实施例的燃油喷嘴的喷嘴外壳的结构示意图。

图10是再一实施例的燃油喷嘴的剖面示意图。

图11是再一实施例的燃油喷嘴的集油环的油路结构示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。

另外，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。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。

燃气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形成高温、高压燃气，驱动涡轮输出动力。

参考图1所示的，燃气涡轮发动机的燃烧室包括燃油喷嘴23、火焰筒24和机匣25。进入燃烧室的气流分为三股，包括外环腔空气1、头部进气2以及内环腔空气3。燃油喷嘴23包括杆芯4、集油环5等组成。杆芯4固定连接于机匣25，空气经压气机压缩后进入燃烧室，与燃油喷嘴23的集油环5的油路输出的燃油混合后在火焰筒24内进行燃烧，产生的高温燃气向后流动推动涡轮做功。

第一实施例

如图2至图6所示的，燃油喷嘴23包括杆芯4、集油环5以及喷嘴外壳6，喷嘴外壳6提供容纳空间S，以容纳集油环5在该容纳空间S内。喷嘴外壳6的具体结构可以是包括径向内壁61、径向外壁62，径向内壁61、径向外壁62之间的径向间隙限定容纳空间S，并且在径向内壁61具有沿周向分布的气孔8，使得热气流从气孔8进入容纳空间，以实现对燃油喷嘴停止运行时残余燃油的压差吹扫。

集油环5具有集油环本体7、位于集油环本体7内部的油路100，例如图4A以及图4B所示的可以包括主油路10以及副油路11，如图6所示的，主副油路布置紧密，可以进行有效的相互换热。如图4A以及图4B所示的，集油环5的位于喷嘴外壳提供的容纳空间S内部。如图3所示的，主油路10具有主油路进口16，副油路包括副油路进口17、副油路出口18。集油环还包括凸出集油环本体7的燃油喷口14，油路100的一端与杆芯4固定连接，油路100的另一端连接燃油喷口14。主油路10的主油路出口即为燃油喷口14。可以理解到，实施例介绍的燃油喷口14为主油路10的出口仅为示例，不以此为限。继续参考图4A以及图4B，集油环本体7以及燃油喷口14均与喷嘴外壳6为非接触。其有益效果在于，可以防止燃油结焦。其原理在于，承上所述的，发明人完成本发明的过程中发现，导致燃油喷嘴发生结焦的重要原因之一为集油环受到与之连接的金属的喷嘴外壳的热传导的热量，即热侧金属的导热而结焦，通过集油环本体以及燃油喷口与喷嘴外壳为非接触的结构，减少从喷嘴外壳对油路的导热量，延长热传导的距离，避免燃油结焦。如图2所示的，燃油喷口14与喷嘴外壳6的相对位置的结构可以是，燃油喷口14的喷射方向为轴向，绕集油环5的中心线沿周向分布，喷嘴外壳6的轴向端壁具有通过孔15，燃油喷口14穿过通过控15，与通过孔15非接触。参考图3以及图5，集油环本体7的安装固定结构可以是，燃油喷嘴包括连接件19，连接件19具有第一导热长度，连接件19分别与集油环本体7、喷嘴外壳6连接，使得集油环5固定安装，并且集油环本体7与喷嘴外壳6之间导热距离为第一导热长度，如此实现集油环本体7与喷嘴外壳6的非接触，并且集油环5仍可安装固定。第一导热长度的具体值，根据不同型号的燃油喷嘴而调整，可以通过实际的测试得到，只需要满足第一导热长度足够长，而避免燃油结焦即可。可以理解到，连接件19虽然是单独介绍的，但其可以是单独成型，与集油环本体7通过焊接等连接结构固定连接，或是连接件19与集油环本体7一体成型，可以通过例如铸造、增材制造的一体成型方法实现。

继续参考图4A以及图4B，在一些实施例中，燃油喷嘴还包括隔板9，位于集油环本体7与喷嘴外壳6的径向内壁61之间，如此的有益效果在于，可以进一步地防止燃油结焦。其原理在于，承上所述的，导致燃油喷嘴发生结焦的另一重要原因为为了吹扫燃油喷嘴中残余燃油的吹扫气，在燃油喷嘴运行时对燃油喷嘴的加热，通过隔板9的设置，消除从径向内壁61的气孔8进入的热的吹扫气的对集油环的直接冲击，降低对流换热效果，进而降低燃油结焦风险。

继续参考图4A以及图4B，在一些实施例中，集油环5还具有隔热腔12，隔热腔12开设于集油环本体7的内部，与油路100相邻。还可以结合参考图6所示的，为了更加清楚地示意隔热腔12与油路的结构，图6将集油环本体7与喷嘴外壳6省去。如图6所示的，主油路10在集油环5的内部为两路(可以理解到，不以此为限，例如也可为一路)，并向轴向前端(即高温燃气侧)伸出燃油喷口14，燃油从主油路进口16进入主油路10后从燃油喷口14喷出。即隔热腔12与油路100的相对位置可以是隔热腔12位于油路100靠近燃油喷嘴的一侧，即图4A以及图4B所示隔热腔12位于主油路10、副油路11的的轴向前侧。副油路11在集油环5中靠近主油路10布置，以增强相互换热，燃油从副油路进口17进入副油路，从副油路出口18流出，在集油环的圆心位置的出口(未图示)喷出，进入预燃级。隔热腔12为封闭式，布置在主油路10、副油路11外侧，并避开燃油喷口14伸出的位置。若使用增材制造技术加工隔热腔12，需在上下各布置一个吹粉孔，以吹出闭式隔热腔中的加工粉末。隔热腔12的存在使得集油环5中油路100内的燃油与隔热腔12热侧金属固壁的接触面积大大减小，同时由于空气的热阻比金属大，减小了燃油受到的热量，减小了集油环中燃油的结焦风险。另外，隔热腔的设置，使得集油环油路外侧的换热形式由强迫对流换热转变为自然对流换热，同时，隔热腔的存在延长了隔热腔外侧热壁面与油路之间的传热路径，降低了集油环热侧固壁对油路的导热量，进一步减小了集油环内油路的结焦风险。

第二实施例

第二实施例与第一实施例相同的部分，此处不再一一详细描述。

参考图7A、图7B以及图8所示的，第二实施例的隔热腔为一端封闭、一端开口的半封闭隔热腔13，半封闭隔热腔13也布置在主油路10、副油路11的外侧(可根据空间、需求等因素改变隔热腔的形状与保护面积)，并避开燃油喷口14伸出的位置。半封闭隔热腔13与隔热腔12的区别在于，半封闭隔热腔13中的空气与隔热腔外部联通，但由于进入半封闭隔热腔13需经过一段狭长通道，半封闭隔热腔13中的空气流动缓慢，可达到与封闭的隔热腔12相当的热防护效果。

第三实施例

第三实施例与第一实施例相同的部分，此处不再一一详细描述。

参考图9、图10以及图11所示的，第三实施例的燃油喷口14的喷射方向为径向，喷嘴外壳6对应燃油喷口14的通过孔位于喷嘴外壳6的径向外壁62，集油环7位于喷嘴外壳6的径向内壁61与径向外壁62之间构成的容纳空间S燃油喷口14也沿集油环中心线周向布置，但喷射方向为径向。

可以看出，通过集油环本体7以及燃油喷口14与喷嘴外壳6为非接触的结构，既实现避免燃油结焦，并且燃油喷嘴23的通用性好，燃油喷射方向既可以是轴向喷射，也可以是径向喷射，便于适配各种型号的燃烧室。

综上，采用上述实施例的燃油喷嘴的有益效果至少包括：

(1)通过集油环本体以及燃油喷口与喷嘴外壳为非接触的结构，减少从喷嘴外壳对油路的导热量，延长热传导的距离，避免燃油结焦；

(2)通过集油环本体内部开设隔热腔的结构，改变油路外侧热源对油路内燃油的加热效果，即降低油路外侧热空气与油路壁面的换热系数，并且使得外侧热壁面与油路之间的热传导距离延长，进一步较低了对油路的导热量；

(3)通过隔板的设置，消除热的吹扫气的对集油环的直接冲击，降低对流换热效果，进而降低燃油结焦风险；

(4)通过集油环本体以及燃油喷口与喷嘴外壳为非接触的结构，既实现避免燃油结焦，并且燃油喷嘴的通用性好，燃油喷射方向既可以是轴向喷射，也可以是径向喷射。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃油喷嘴，其特征在于，包括：

杆芯；

集油环，具有集油环本体、位于集油环本体内部的油路、以及凸出所述集油环本体的燃油喷口，所述油路的一端与所述杆芯固定连接，所述油路的另一端连接燃油喷口；以及

喷嘴外壳，限定容纳空间；

其中，所述集油环被容纳于所述容纳空间内，所述集油环本体以及所述燃油喷口与所述喷嘴外壳为非接触；

所述喷嘴外壳包括径向内壁以及径向外壁，所述径向内壁与径向外壁之间的间隙限定所述容纳空间，所述径向内壁具有沿周向分布的气孔，所述集油环本体与所述径向内壁之间设置有隔板；

所述燃油喷嘴还包括连接件，所述连接件具有第一导热长度，所述连接件分别与所述集油环、所述喷嘴外壳连接，使得所述集油环与所述喷嘴外壳之间导热距离为第一导热长度。

2.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述集油环还具有隔热腔，所述隔热腔开设于所述集油环的内部，与所述油路相邻。

3.如权利要求2所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述隔热腔位于所述油路的一侧，该侧为靠近所述燃油喷口的一侧。

4.如权利要求3所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述隔热腔为全封闭式样或者为半封闭式。

5.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述燃油喷口为轴向燃油喷口，所述喷嘴外壳还包括位于所述燃油喷口一端的轴向端壁，所述轴向端壁具有通过孔，所述轴向燃油喷口穿过所述通过孔，且与所述通过孔非接触。

6.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述燃油喷口为径向燃油喷口，所述喷嘴外壳的所述径向外壁具有通过孔，所述径向燃油喷口穿过所述通过孔，且与所述通过孔非接触。

7.一种燃烧室，其特征在于，包括火焰筒、机匣以及如权利要求1-6任意一项所述的燃油喷嘴，所述集油环的所述油路输出燃油在所述火焰筒燃烧，所述杆芯固定连接于所述机匣。

8.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括转子，以及如权利要求7所述的燃烧室。