CN115127119A - 环形燃烧室及其分级燃油喷嘴和抑制振荡燃烧的方法 - Google Patents

Abstract

环形燃烧室分级燃油喷嘴包括预燃级燃油喷口以及多个主燃级燃油喷口，多个主燃级燃油喷口环绕所述预燃级燃油喷口设置，多个主燃级燃油喷口的直径具有多个规格，相同直径规格的主燃级燃油喷口在周向上间隔分布，使得不同主燃级燃油喷口的燃油从喷射位置到达火焰峰面的飞行时间不均匀分布，从而达到消除和抑制振荡燃烧的效果。还提供一种环形燃烧室和一种抑制环形燃烧室振荡燃烧的方法。

Description

环形燃烧室及其分级燃油喷嘴和抑制振荡燃烧的方法

技术领域

本发明涉及航空发动机的燃烧系统，具体涉及分级燃烧室的燃油喷嘴。

背景技术

随着大气环境问题在世界范围内受到越来越多的关注，对于航空发动机污染物排放要求也是越来越严苛。下一代航空发动机产品市场需求表明，氮氧化物(NOx)的排放量比现行国际民航组织(ICAO)规定标准CAEP6要进一步减少45％～60％左右。

常采用中心分级贫油燃烧室以有效的降低NOx的排放。这种燃烧室使用一种分级喷嘴，在小状态下仅有预燃级喷嘴供油，大状态下主燃级喷嘴和预燃级喷嘴共同供油，通过这种分级供油的方式，保证点火、慢车等小状态下的燃烧稳定性和起飞、爬升等大状态下的NOx排放性能。这种组织燃烧方式容易发生燃烧振荡的风险，即在运行过程出现某一频率的压力脉动超出可接受的范围。一旦发生燃烧振荡，可能造成发动机性能衰退甚至结构损坏。

当燃烧室热释放脉动与入口空气压力脉动之间的相位差小于1/4周期时，燃烧室热释放脉动与入口空气压力脉动之间产生耦合，导致燃烧振荡。耦合过程为如下过程：燃烧室内热释放脉动导致燃烧室内部压力和速度的脉动，燃烧室内压力和速度脉动导致燃烧室入口压力和速度的脉动，燃烧室入口压力速度和脉动导致进入燃烧室的空气流量和燃料流量脉动，燃烧室内空气流量和燃料流量脉动导致燃烧室内油气比脉动，油气比脉动进一步导致热释放脉动，形成一个反馈回路，激发燃烧振荡。燃烧不稳定性控制的一种有效手段便是抑制和削弱这种耦合过程。可以通过调节热释放脉动与入口压力脉动之间的相位差，或者两者之间的延迟时间，使得两者之间的相位差大于1/4周期，从而避免耦合和燃烧振荡。

通常，燃烧室入口压力脉动以一定的频率以声速+流动速度向下游传播，传播速度大概500～700m/s，从燃烧室入口传播至火焰峰面的时间大概0.14ms～0.2ms；燃料脉动则以对流速度向下游传播，对流速度大概50～100m/s，从燃料喷射位置传播至火焰峰面的时间大概1ms～2ms；燃烧室入口脉动从燃料喷射位置传播至火焰峰面的时间大概是从燃烧室入口传播至火焰峰面时间的一半，大概0.07ms～0.1ms，大概是燃料脉动传播时间的1/10；因此，热释放脉动与入口压力脉动之间的相位差取决于燃料从燃料喷口喷射出后流动至火焰峰面的飞行时间。

燃料飞行时间主要取决于燃料喷射位置到火焰峰面的距离、速度以及飞行轨迹。一般的，可以通过调节主燃级预混通道的长度、流动速度和旋流数来改变压力脉动与热释放脉动之间的相位差，从而改变燃烧室的燃烧振荡特性。

然而，单纯通过改变主燃级预混通道长度、速度、旋流数只能使燃烧不稳定工况从这一个工况转移到另一个工况，而不能从本质上抑制燃烧振荡。举例来说，假设发生燃烧振荡的频率为500Hz，周期为2ms，初始主燃级通道设计燃料飞行时间为2ms，此时压力脉动与热释放脉动之间的相位差为零，将产生热声振荡；改进型主燃级通道设计通过降低主燃级通道流速、增加主燃级通道长度、降低旋流数的方法，使得燃料飞行时间增加至2.5ms，此时压力脉动与热释放脉动之间的相位差增加至1/4周期，将抑制燃烧振荡；然而，当发动机运行工况进一步增加，主燃级通道空气流量增加，流速增加，使得燃料飞行时间变短，当燃料飞行时间降低至2ms左右时，压力脉动与热释放脉动发生耦合，导致发动机在更高工况发生振荡。

上述详细的描述仅用作背景技术，以利于理解发明目的，但不能视为本申请的申请日前的现有技术。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种环形燃烧室分级燃油喷嘴，避免环形燃烧室出现燃烧振荡的问题。

上述环形燃烧室分级燃油喷嘴包括预燃级燃油喷口以及多个主燃级燃油喷口，所述多个主燃级燃油喷口环绕所述预燃级燃油喷口设置，所述多个主燃级燃油喷口的直径具有多个规格，相同直径规格的主燃级燃油喷口在周向上间隔分布。

在一个或多个实施方式中，具有相同直径规格的多个所述主燃级燃油喷口周向相邻分布，形成第一组合，多个所述第一组合在周向上间隔分布。

在一个或多个实施方式中，具有不同直径规格的单个所述主燃级燃油喷口周向相邻分布，形成第二组合，多个所述第二组合在周向上分布。

在一个或多个实施方式中，所述第二组合内的所述主燃级燃油喷口按照直径的增加或减少依次相邻排布。

在一个或多个实施方式中，所述第二组合内的不同直径规格的主燃级燃油喷口随机相邻排布。

在一个或多个实施方式中，所述主燃级燃油喷口的数量为所述直径规格种类数目的整数倍。

本发明的另一个目的是提供一种环形燃烧室，所述环形燃烧室使用上述环形燃烧室分级燃油喷嘴。

本发明的再一个目的是提供一种抑制环形燃烧室振荡燃烧的方法，采用上述不均匀排布主燃级燃油喷口，使大部分燃料的燃料飞行时间避开压力脉动和热释放脉动产生耦合的相位差，从而避免燃烧振荡的发生。

上述环形燃烧室分级燃油喷嘴通过使用具有不同尺寸的主燃级燃油喷口，在供油时不同直径的主燃级燃油喷口产生的燃油液滴尺寸不同，由此，各个主燃级燃油喷口液滴的燃油动量不同，从而导致各个主燃级燃油喷口燃油液滴喷射位置到火焰峰面的飞行时间不同，使得不同主燃级燃油喷口的燃油从喷射位置到达火焰峰面的飞行时间不均匀分布，使发动机任意运行工况下大部分燃料喷点的飞行时间都不在振荡频率的1/4相位差范围内，从而消除和抑制振荡燃烧。

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，其中：

图1是航空发动机的结构示意图；

图2是环形燃烧室的结构示意图；

图3是环形燃烧室分级燃油喷嘴的结构示意图；

图4是环形燃烧室分级燃油喷嘴的示意图；

图5是环形燃烧室分级燃油喷嘴的第一实施方式的示意图；

图6是环形燃烧室分级燃油喷嘴的第二实施方式的示意图；

图7是环形燃烧室分级燃油喷嘴的第三实施方式的示意图；

图8是环形燃烧室分级燃油喷嘴的第四实施方式的示意图。

符号标记说明

1低压压气机

2高压压气机

3环形燃烧室

4高压涡轮

5低压涡轮

300扩压器

302燃烧室外机匣

304燃烧室内机匣

306火焰筒外环

308火焰筒内环

310环形燃烧室分级燃油喷嘴

340高压涡轮导叶

312主燃级油路

314预燃级油路

316主燃级

318预燃级

320主燃级集油环腔

321预燃级集油环腔

322预燃级燃油喷嘴

324主燃级直射喷雾

328主燃级外侧旋流器

330主燃级内侧旋流器

326预燃级锥形喷雾

332预燃级级内侧旋流器

334预燃级级外侧旋流器

350主燃级燃油喷口

352预燃级燃油喷口

350A、350B、350C、350D、350E直径规格

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。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，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。

如图1所示的航空发动机包括低压压气机1、高压压气机2、环形燃烧室3、高压涡轮4和低压涡轮5。该航空发动机工作时，来流经过低压压气机1压缩后，进入高压压气机2，高压空气再进入环形燃烧室3中与燃料燃烧，燃烧后形成的高温高压燃气进入到高压涡轮4和低压涡轮5，通过涡轮做功分别驱动高压压气机2和低压压气机1。

环形燃烧室3的放大图可参考图2。环形燃烧室3包含扩压器300、燃烧室外机匣302、燃烧室内机匣304、火焰筒外环306、火焰筒内环308和环形燃烧室分级燃油喷嘴310，并与高压涡轮导叶340相连。高压压气机2的来流空气从扩压器300经过降速扩压后进入环形燃烧室3内部。环形燃烧室3的机匣在来流空气的流动方向上位于扩压器300下游，其包含燃烧室外机匣302和燃烧室内机匣304，燃烧室外机匣302和燃烧室内机匣304构成了环形燃烧室3的外轮廓，并且，如图1所示，与前后的高压压气机2和高压涡轮4连接。

火焰筒在来流空气的流动方向上位于扩压器300下游，并且位于燃烧室外机匣302和燃烧室内机匣304包围的空间内，其包含火焰筒外环306和火焰筒内环308。多个环形燃烧室分级燃油喷嘴310沿着环形燃烧室3的单环腔结构的周向方向均匀布置，例如环形燃烧室分级燃油喷嘴310的数量为10～60个，周向分布在单环腔内，空气来流经过扩压器300后经由环形燃烧室分级燃油喷嘴310进入火焰筒。

环形燃烧室分级燃油喷嘴310采用中心分级结构。如图3所示，环形燃烧室分级燃油喷嘴310包含主燃级316、预燃级318、主燃级油路312和预燃级油路314。主燃级316与预燃级318同轴地布置，预燃级318在中心，主燃级316布置在预燃级318外围。以上具有中心分级燃烧结构的环形燃烧室3与中国专利CN110657455A中公开的一致，其相关内容也全部引用于此。

主燃级油路312与主燃级集油环腔320相连，主燃级集油环腔320内的燃油通过主燃级集油环腔320上的主燃级燃油喷口350喷射到主燃级预混预蒸发通道，形成主燃级直射喷雾324，在主燃级外侧旋流器328和主燃级内侧旋流器330两股旋流的剪切作用下破碎雾化形成主燃级气动雾化油雾，与空气进行掺混形成较均匀的油气混合物，实现预混预蒸发燃烧。

预燃级油路314与预燃级燃油喷嘴322相连，预燃级燃油喷嘴322大致位于预燃级318的径向中心，预燃级燃油从预燃级燃油喷嘴322端部的预燃级燃油喷口352喷出，形成预燃级锥形喷雾326，与预燃级级内侧旋流器332和预燃级级外侧旋流器334两股旋流空气混合后在下游形成预燃级火焰，实现扩散燃烧或半预混半扩散燃烧。

如图4所示的一种用于环形燃烧室3的环形燃烧室分级燃油喷嘴310，包括预燃级燃油喷口352以及多个主燃级燃油喷口350。预燃级燃油喷口352设置在环形燃烧室分级燃油喷嘴310的中心位置，多个主燃级燃油喷口350环绕预燃级燃油喷口352设置。多个主燃级燃油喷口350的直径具有多个规格，相同直径规格的主燃级燃油喷口350在周向上间隔分布，可有效抑制环形燃烧室的震荡燃烧。

进一步的，主燃级燃油喷口350的数量为直径规格种类数目的整数倍，优选总数量为8～30个，实现主燃级燃油喷口350的规律排布。通过在周向上设置不同直径规格的主燃级燃油喷口350，因此供油时不同直径的喷口产生的燃油液滴尺寸不同，使得不同喷口的燃油从喷射位置到达火焰峰面的飞行时间不均匀分布，从而有效消除和抑制振荡燃烧。

较佳的，具有不同直径规格的单个主燃级燃油喷口350周向相邻分布，形成第二组合，多个第二组合在周向上分布。具体可参考图5所示的第一实施方式，环形燃烧室分级燃油喷嘴310的主燃级燃油喷口350具有2种不同的直径规格350A、350B，该环形燃烧室分级燃油喷嘴310上共有2的整数倍个主燃级燃油喷口350。具有不同直径规格350A、350B的单个主燃级燃油喷口350周向相邻分布，形成第二组合380，多个第二组合380在周向上分布。通过将中心分级喷嘴上主燃级喷口设计为非均匀直径，可以提供多种尺寸的燃油液滴，有效抑制振荡燃烧。

又如在图6所示的第二实施方式中，环形燃烧室分级燃油喷嘴310的主燃级燃油喷口350具有5种不同的直径规格350A、350B、350C、350D、350E，环形燃烧室分级燃油喷嘴310上优选为5的整数倍个主燃级燃油喷口350。具有不同直径规格350A、350B、350C、350D、350E的单个主燃级燃油喷口350周向相邻分布，形成第二组合380，多个第二组合380在周向上分布。通过在环形燃烧室分级燃油喷嘴310上设置五种直径类型的主燃级燃油喷口350，强化了各个喷口液滴的燃油动量之间的差异，同时拓宽了主燃级的工作范围，进一步抑制了震荡燃烧，使得燃烧室内的氮氧化物排放量降低、出口温度分布更均匀。

在上述实施方式的基础之上，第二组合380内的主燃级燃油喷口350按照直径的增加或减少依次相邻排布。例如主燃级燃油喷口350A、350B、350C、350D、350E的直径依次减小，在图5中第二组合380即以顺时针方向，按照直径的增加依次布置主燃级燃油喷口350A、350B、350C、350D、350E，或以逆时针方向，按照直径的减少，依次布置主燃级燃油喷口350E、350D、350C、350B、350A。

在其它实施方式中，也可以是第二组合380内的不同直径规格的主燃级燃油喷口350随机相邻排布。也即，第二组合380内主燃级燃油喷口350的分布是随机的，从而使得周向分布的相邻各个主燃级喷口提供不同尺寸的燃油液滴，有效抑制振荡燃烧，降低氮氧化物(NOx)的排放量。

较佳的，具有相同直径规格的多个主燃级燃油喷口350周向相邻分布，形成第一组合，多个第一组合在周向上间隔分布。参考图7所示，在环形燃烧室分级燃油喷嘴的第三实施方式中，主燃级燃油喷口350具有2种不同的直径规格350A、350B，且该环形燃烧室分级燃油喷嘴310上共有2的整数倍个主燃级燃油喷口350。具有相同直径规格350A的两个主燃级燃油喷口350周向相邻分布，形成第一组合360，具有相同直径规格350B的两个主燃级燃油喷口350周向相邻分布，形成第一组合360’，多个第一组合360、360’在周向上间隔分布。

第一组合360中相同直径规格主燃级燃油喷口350的数目不限于上述实施方式，可由工作人员根据燃烧室实际工作需求设计。例如在图8所示的第四实施方式中，主燃级燃油喷口350具有2种不同的直径规格350A、350B，且该环形燃烧室分级燃油喷嘴310上共有2的整数倍个主燃级燃油喷口350。具有相同直径规格350A的5个主燃级燃油喷口350周向相邻分布，形成第一组合360；具有相同直径规格350B的五个主燃级燃油喷口350周向相邻分布，形成第一组合360’，多个第一组合360’和360在周向上间隔分布，从而导致各个喷口燃油液滴喷射位置到火焰峰面的飞行时间不同，使得不同喷口的燃油从喷射位置到达火焰峰面的飞行时间不均匀分布，使发动机任意运行工况下大部分燃料喷点的飞行时间都不在振荡频率的1/4相位差范围内，从而消除和抑制振荡燃烧。

上述环形燃烧室分级燃油喷嘴310的涉及方案的在制造上容易实现，结构简单，工艺成熟，可靠性高。

结合上述对环形燃烧室分级燃油喷嘴310的介绍，还可以理解到一种环形燃烧室3，环形燃烧室3采用上述环形燃烧室分级燃油喷嘴310，能够在发动机任意运行工况下达到消除和抑制振荡燃烧的效果，从而产生较少氮氧化物的排放，以满足排放标准，同时使得燃烧室的出口温度分布更均匀，有效提高燃烧室的燃烧效率。

此外，还可以理解到一种抑制环形燃烧室振荡燃烧的方法，该方法采用不均匀排布主燃级喷口，使大部分燃料的燃料飞行时间避开压力脉动和热释放脉动产生耦合的相位差，从而避免燃烧振荡的发生。上述方法采用不均匀排布主燃级喷口，保证发动机在任意运行工况下大部分燃料喷点的飞行时间都不在振荡频率的1/4相位差范围内，因此使得采用贫预混燃烧方式的环形燃烧室的发动机在任意工况下均不发生燃烧振荡，拓宽主燃级工作范围，使得环形燃烧室排放降低、出口温度分布更均匀，消除安全隐患，保证发动机经济性和安全性。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，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。例如主燃级燃油喷口的形状和具体数目、主燃级燃油喷口的直径类型等，均可以在实际燃烧过程中根据燃烧最佳效果布置。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.环形燃烧室分级燃油喷嘴，包括预燃级燃油喷口；以及

多个主燃级燃油喷口，环绕所述预燃级燃油喷口设置；其特征在于，

所述多个主燃级燃油喷口的直径具有多个规格，相同直径规格的主燃级燃油喷口在周向上间隔分布。

2.如权利要求1所述的环形燃烧室分级燃油喷嘴，其特征在于，具有相同直径规格的多个所述主燃级燃油喷口周向相邻分布，形成第一组合，多个所述第一组合在周向上间隔分布。

3.如权利要求1所述的环形燃烧室分级燃油喷嘴，其特征在于，具有不同直径规格的单个所述主燃级燃油喷口周向相邻分布，形成第二组合，多个所述第二组合在周向上分布。

4.如权利要求3所述的环形燃烧室分级燃油喷嘴，其特征在于，所述第二组合内的所述主燃级燃油喷口按照直径的增加或减少依次相邻排布。

5.如权利要求3所述的环形燃烧室分级燃油喷嘴，其特征在于，所述第二组合内的不同直径规格的主燃级燃油喷口随机相邻排布。

6.如权利要求1所述的环形燃烧室分级燃油喷嘴，其特征在于，所述主燃级燃油喷口的数量为所述直径规格种类数目的整数倍。

7.环形燃烧室，其特征在于，使用如权利要求1至6任一项所述的环形燃烧室分级燃油喷嘴。

8.抑制环形燃烧室振荡燃烧的方法，其特征在于，采用不均匀排布主燃级燃油喷口，使大部分燃料的燃料飞行时间避开压力脉动和热释放脉动产生耦合的相位差，从而避免燃烧振荡的发生。

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