CN116557909A - 低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构 - Google Patents

低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构 Download PDF

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CN116557909A CN202310710824.7A CN202310710824A CN116557909A CN 116557909 A CN116557909 A CN 116557909A CN 202310710824 A CN202310710824 A CN 202310710824A CN 116557909 A CN116557909 A CN 116557909A
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Abstract

本发明公开了低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，包括冷却环腔，所述冷却环腔设置于旋流器中，且旋流器设置于低污染中心分级燃烧室中；冷却环腔中设有级间冷却进气通道，级间冷却进气通道的输入端设有级间环缝入口I口,冷却环腔的一侧设有H壁面、L壁面和P壁面，且H壁面、L壁面和P壁面均指代套筒的一段壁面。本结构可使得下一步与主燃级旋流气量更好地掺混燃烧，使得主燃级燃烧区域贫油燃烧更为均匀，在接近贫油熄火边界的当量比下燃烧，主燃区温度低，停留时间短，NOx的排放会保持在非常低的水平，同时最大可能地避免了回火问题。

Description

低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构
技术领域
本发明涉及冷却环腔技术领域，更具体地说，本发明涉及低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构。
背景技术
先进民用航空发动机低污染燃烧室由于低油耗和低排放的双重需求，尤其是新的排放标准对NOx排放日趋严苛的排放要求，使得先进民用航空发动机头部需要采用更加贫油的燃烧模式，大量空气从火焰筒头部进入，减少或取消火焰筒壁上各大孔进气量。
在设计旋流器时，主预燃级间一般选用如说明书附图3、说明书附图4所示的结构，说明书附图3中标记圆圈部分为喷油点位置，此结构容易在主燃级燃油喷口处积炭。查阅文献可知，套筒扩张角可以控制预燃级回流区的大小与形状，从而控制预燃级与主燃级之间的相互作用，并进一步地控制燃烧室性能，然而随着套筒扩张角的逐渐增大，与高温燃气直接接触的套筒内部壁面面积将迅速增大，相应需要冷却的面积也会增大，因此，说明书附图3、说明书附图4中原有传统结构会导致套筒壁面温度梯度过高，严重时甚至可能会烧蚀旋流器。
因此我们提出了低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构来解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，包括冷却环腔，所述冷却环腔设置于旋流器中，且旋流器设置于低污染中心分级燃烧室中；
冷却环腔中设有级间冷却进气通道，级间冷却进气通道的输入端设有级间环缝入口I口,冷却环腔的一侧设有H壁面、L壁面和P壁面，且H壁面、L壁面和P壁面均指代套筒的一段壁面；
H壁面、L壁面和P壁面上设有A排孔、B排孔、C排孔、M排孔和N排孔；
级间冷却进气通道中设有K线，级间冷却进气通道的一侧设有D线和E线，E线的一侧设有F线、G线和J线，J线与F线均平行于K线，X线与G线均平行于P壁面；
主燃级燃油喷口中心位于P壁面的中心位置。
本结构可使得下一步与主燃级旋流气量更好地掺混燃烧，使得主燃级燃烧区域贫油燃烧更为均匀，在接近贫油熄火边界的当量比下燃烧，主燃区温度低，停留时间短，NOx的排放会保持在非常低的水平，同时最大可能地避免了回火问题。
在一个优选地实施方式中，H内指代H壁面的内壁面，H外指代H壁面的外壁面，L内指代L壁面的内壁面，L外指代L壁面的外壁面，P内指代P壁面的内壁面，P外指代P壁面的外壁面。
在一个优选地实施方式中，A排孔、B排孔、C排孔、M排孔和N排孔均指代冷却环腔的出气孔道；
其中A排孔、B排孔和C排孔为套筒扩张冷却气量的出气孔道；
M排孔和N排孔为级间预混气量的出气孔道。
在一个优选地实施方式中，：M排孔和N排孔交叉排列，每排54孔，孔直径为0.55mm。
在一个优选地实施方式中，A排孔、B排孔和C排孔交叉排列，每排90孔，孔直径为0.55mm。
在一个优选地实施方式中，虚线K线为级间冷却进气通道中心轴线，K线距离旋流器中心轴线高度R＝18.4624mm，K线距离上下两侧的R线和T线高度一致。
在一个优选地实施方式中，若延长D线上端与E线相连接为X线，则K线与X线相交于X线的中点；
若延长D线下端则会与H外相交于H外的左端点；
若延长F线右端则会与P内相交于P内的下端点，若延长J线右端则会与P外相交于P外的上端点。
在一个优选地实施方式中，主燃级燃油喷口中心两侧分别交叉布置M排孔和N排孔，M排孔和N排孔的孔中心轴线与J线平行，且分别位于P内的1/3和2/3处。
在一个优选地实施方式中，级间冷却气量从级间环缝入口I口进入，A排、B排和C排孔的孔中心轴线均与所在壁面垂直。
本发明的技术效果和优点：
1、主燃级燃油喷口中心位于P壁面的中心位置，其两侧分别交叉布置M排孔和N排孔，M排孔和N排孔的孔中心轴线与J线平行，且分别位于P内的1/3和2/3处。这一设计解决了燃油喷口处容易积炭的问题，且由于主燃级燃油分配占比较多，该部分气量起到了预混预蒸发的作用，使得在与主燃级旋流气量相遇前主燃级燃油与级间预混气量的油气混合物处于一种接近于气态燃料的空间分布非常均匀的状态。查阅文献可知，相比于液态燃料燃烧，气体燃料在相同火焰温度下的NOx排放水平明显更低。因此，这一设计可使得下一步与主燃级旋流气量更好地掺混燃烧，使得主燃级燃烧区域贫油燃烧更为均匀，在接近贫油熄火边界的当量比下燃烧，主燃区温度低，停留时间短，NOx的排放会保持在非常低的水平，同时最大可能地避免了回火问题。
2、级间冷却气量在套筒扩张角位置周向交叉布置，这一设计解决了套筒扩张角逐渐增大带来的高温冷却问题，使得套筒壁面温度梯度大大降低，避免了旋流器套筒被高温烧蚀。如图1所示，级间冷却气量从级间环缝入口I口进入，A排孔、B排孔和C排孔的孔中心轴线均与所在壁面垂直，A排孔位于所在壁面H的中心位置，B排孔和C排孔分别位于所在壁面L的1/3和2/3等分处位置，以保证套筒壁面的充分冷却。其次级间环缝入口I口进入的级间冷却气量出口在环腔内X线中心位置处，其与各排孔径向错开，使得引入的冷却气体冲击冷却H壁面和L壁面，并在环形腔体内从各排孔被引出至主燃区，形成贴壁气膜，通过发散冷却的方式冷却套筒扩张角处各壁面，提高了冷却气的冷却效率，充分挖掘利用了级间冷却气的潜在冷却能力。在保持级间冷却气量不变的情况下，降低了中心分级旋流器的壁面温度，延长了零件的使用寿命，增强了可靠性，降低了成本。在保持旋流器壁面温度不变的情况下，可降低级间冷却所用的冷却气，将其分配至他处，优化燃烧室性能。
附图说明
图1为本发明的级间冷却环腔结构；
图2为本发明的级间冷却环腔结构草图；
图3为本发明的中心分级旋流器中心截面；
图4为本发明的中心分级旋流器侧视图；
图5为本发明的低污染中心分级燃烧室结构设计图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
参照图1-5，低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，以所设计的先进低污染中心分级燃烧室为例，选用工况为巡航工况，选择环形燃烧室，头部个数为20个，单头部环形燃烧室的研究工况、结构限制尺寸、总体气量分配以及中心分级旋流器结构参数如表1、表2、表3和表4所示。
表1总体性能方案的研究工况
表2总体性能方案的结构限制尺寸
表3燃烧室总体布局进气分配
表4中心分级旋流器结构参数
计算燃烧室倾角：
由于有20％的涡轮冷却气量不参与燃烧，则
可用空气量qm3.1＝2.12625×80％＝1.701kg/s，
因此火焰筒各气量占可用空气量比例如表5所示：
表5火焰筒各气量占可用空气量比例
计算火焰筒有效面积：
式中，qm3.1＝1.701kg/s，ΔPL--火焰筒的压力降，为火焰筒进口总压Pt3.1减去火焰筒出口静压P4；
ΔPL＝1752990Pa×3.5％＝61354.65Pa；
在设计工况下，从NOx排放的角度出发，一般希望主燃级当量比在0.6-0.8的贫油燃烧区间，而从燃烧稳定性的角度出发则希望主燃级贫油预混燃烧的当量比大于0.5。
因此，设计主预燃级燃油分配比例为90％和10％，主燃级当量比为：
在设计旋流器时，主预燃级间一般选用如说明书附图3、说明书附图4所示的结构，说明书附图3中标记圆圈部分为喷油点位置，此结构容易在主燃级燃油喷口处积炭。查阅文献可知，套筒扩张角可以控制预燃级回流区的大小与形状，从而控制预燃级与主燃级之间的相互作用，并进一步地控制燃烧室性能。然而随着套筒扩张角的逐渐增大，与高温燃气直接接触的套筒内部壁面面积将迅速增大，相应需要冷却的面积也会增大，因此，说明书附图3、说明书附图4中原有传统结构会导致套筒壁面温度梯度过高，严重时甚至可能会烧蚀旋流器。
因此本专利针对原有传统中心分级旋流器结构以上不足，设计了如图1所示的主预燃级间冷却环腔结构，已知级间冷却气量占可用空气量比例为3.5％。
其中，设计气流在进入环腔后分为两股：
其中一股气流在主燃级燃油喷嘴周侧交叉布置，气量占比1％，称作级间预混气量；
另一股气流在第二级旋流器外径一侧扩张段处即套筒扩张角处位置布置，气量占比2.5％，称作套筒扩张冷却气量。
在设计级间冷却环腔结构时，图1中级间冷却进气入口I口流量系数初始取值为0.7；
则通过1786.2183×3.5％＝62.5176mm2＝0.7×Ain；
计算得级间冷却进气入口面积Ain＝89.3109mm2；
测得级间冷却进气通道中心轴线(即图2中K线)距离旋流器中心轴线高度R＝18.4624mm；
则由级间冷却进气入口面积计算公式2πRh＝89.3109mm2，得级间冷却进气入口高度h＝0.769904mm。
经过多次迭代，最终确定级间冷却进气入口流量系数Cd＝0.6281，级间冷却进气入口面积Ain＝99.5299mm2，级间冷却进气入口高度h＝0.857996mm。
级间预混气量部分计算如下：
1786.2183×1％＝17.8622mm2＝0.7×Ac，Ac＝25.5174mm2；
r＝0.275mm，d＝0.55mm，πr2＝0.2376mm2；
25.5174mm2÷0.2376mm2＝108；
M排孔和N排孔交叉排列，每排54孔，孔直径为0.55mm。
套筒扩张冷却气量部分计算如下：
1786.2183×2.5％＝44.6555mm2＝0.70×Ac，Ac＝63.7936mm2；
r＝0.275mm，d＝0.55mm，πr2＝0.2376mm2；
63.7936mm2÷0.2376mm2＝270；
A排孔、B排孔和C排孔交叉排列，每排90孔，孔直径为0.55mm。
本专利所述的主预燃级间冷却环腔结构具体设计步骤如下,说明书附图1和说明书附图2中H壁面、L壁面和P壁面均指代套筒的一段壁面，壁厚均为0.5mm，H内指代H壁面的内壁面，H外指代H壁面的外壁面，L内指代L壁面的内壁面，L外指代L壁面的外壁面，P内指代P壁面的内壁面，P外指代P壁面的外壁面；
A排孔、B排孔、C排孔、M排孔和N排孔均指代冷却环腔的出气孔道；其中A排孔、B排孔和C排孔为套筒扩张冷却气量的出气孔道；M排孔和N排孔为级间预混气量的出气孔道，图2中A排孔、B排孔、C排孔、M排孔和N排孔所标的虚线为相应出气孔道在草图截面上的中心轴线。
图2中虚线K线为级间冷却进气通道中心轴线，其距离旋流器中心轴线高度为上述测得的级间冷却进气中径R＝18.4624mm，K线距离上下两侧的R线和T线高度一致，均为上述计算的级间冷却进气环缝高度h＝0.857996mm的1/2。
D线和E线在同一直线上，若延长D线上端与E线相连接为X线，则K线与X线相交于X线的中点；
若延长D线下端则会与H外相交于H外的左端点；
J线与F线均平行于K线，X线与G线均平行于P；
若延长F线右端则会与P内相交于P内的下端点，若延长J线右端则会与P外相交于P外的上端点。
本专利所设计的主预燃级间冷却环腔结构优点如下：
一是主燃级燃油喷口中心位于P壁面的中心位置，其两侧分别交叉布置M排孔和N排孔，M排孔和N排孔的孔中心轴线与J线平行，且分别位于P内的1/3和2/3处，这一设计解决了燃油喷口处容易积炭的问题，且由于主燃级燃油分配占比较多，该部分气量起到了预混预蒸发的作用，使得在与主燃级旋流气量相遇前主燃级燃油与级间预混气量的油气混合物处于一种接近于气态燃料的空间分布非常均匀的状态。查阅文献可知，相比于液态燃料燃烧，气体燃料在相同火焰温度下的NOx排放水平明显更低。因此，这一设计可使得下一步与主燃级旋流气量更好地掺混燃烧，使得主燃级燃烧区域贫油燃烧更为均匀，在接近贫油熄火边界的当量比下燃烧，主燃区温度低，停留时间短，NOx的排放会保持在非常低的水平，同时最大可能地避免了回火问题。
二是级间冷却气量在套筒扩张角位置周向交叉布置，这一设计解决了套筒扩张角逐渐增大带来的高温冷却问题，使得套筒壁面温度梯度大大降低，避免了旋流器套筒被高温烧蚀。如图1所示，级间冷却气量从级间环缝入口I口进入，A排孔、B排孔和C排孔的孔中心轴线均与所在壁面垂直，A排孔位于所在壁面H的中心位置，B排孔和C排孔分别位于所在壁面L的1/3和2/3等分处位置，以保证套筒壁面的充分冷却。其次，级间环缝入口I口进入的级间冷却气量出口在环腔内X线中心位置处，其与各排孔径向错开，使得引入的冷却气体冲击冷却H壁面和L壁面，并在环形腔体内从各排孔被引出至主燃区，形成贴壁气膜，通过发散冷却的方式冷却套筒扩张角处各壁面，提高了冷却气的冷却效率，充分挖掘利用了级间冷却气的潜在冷却能力，在保持级间冷却气量不变的情况下，降低了中心分级旋流器的壁面温度，延长了零件的使用寿命，增强了可靠性，降低了成本。在保持旋流器壁面温度不变的情况下，可降低级间冷却所用的冷却气，将其分配至他处，优化燃烧室性能。
将所设计的中心分级旋流器级间冷却环腔结构运用在所设计的低污染中心分级燃烧室中，如图5所示。
低污染中心分级燃烧室在设计前，共给定了五种研究工况，具体参数如表6所示，选用其中的巡航工况进行了基准燃烧室的设计。在不同工况下，带有级间冷却环腔结构和传统无级间冷却环腔结构的低污染中心分级燃烧室NOx排放结果对比如表7所示。通过对比可见，除标天起飞工况下两者NOx排放相近外，其余四种工况下，带有级间冷却环腔结构的低污染中心分级燃烧室NOx排放均明显低于传统无级间冷却环腔结构的低污染中心分级燃烧室。
表6低污染中心分级燃烧室的五种研究工况
表7不同工况下低污染中心分级燃烧室有无环腔结构的NOx排放结果对比
NOx排放的ppm值计算公式：
式中，molef-NOx为氮氧化物的摩尔分数，molef-H2O为气态水的摩尔分数。
NOx的排放量后处理：
式中，EI-NOx为NOx的排放指数，单位为g/kg燃料，W31c为进入火焰筒的可用空气量，αNO为火焰筒出口NO的质量分数，Wf为燃油流量，MNO分别为NO2和NO和摩尔质量。/>

Claims (9)

1.低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于；包括冷却环腔，所述冷却环腔设置于旋流器中，且旋流器设置于低污染中心分级燃烧室中；
冷却环腔中设有级间冷却进气通道，级间冷却进气通道的输入端设有级间环缝入口I口,冷却环腔的一侧设有H壁面、L壁面和P壁面，且H壁面、L壁面和P壁面均指代套筒的一段壁面；
H壁面、L壁面和P壁面上设有A排孔、B排孔、C排孔、M排孔和N排孔；
级间冷却进气通道中设有K线，级间冷却进气通道的一侧设有D线和E线，E线的一侧设有F线、G线和J线，J线与F线均平行于K线，X线与G线均平行于P壁面；
主燃级燃油喷口中心位于P壁面的中心位置。
2.根据权利要求1所述的低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于：H内指代H壁面的内壁面，H外指代H壁面的外壁面，L内指代L壁面的内壁面，L外指代L壁面的外壁面，P内指代P壁面的内壁面，P外指代P壁面的外壁面。
3.根据权利要求1所述的低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于：A排孔、B排孔、C排孔、M排孔和N排孔均指代冷却环腔的出气孔道；
其中A排孔、B排孔和C排孔为套筒扩张冷却气量的出气孔道；
M排孔和N排孔为级间预混气量的出气孔道。
4.根据权利要求3所述的低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于：M排孔和N排孔交叉排列，每排54孔，孔直径为0.55mm。
5.根据权利要求3所述的低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于：A排孔、B排孔和C排孔交叉排列，每排90孔，孔直径为0.55mm。
6.根据权利要求1所述的低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于：虚线K线为级间冷却进气通道中心轴线，K线距离旋流器中心轴线高度R＝18.4624mm，K线距离上下两侧的R线和T线高度一致。
7.根据权利要求1所述的低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于：若延长D线上端与E线相连接为X线，则K线与X线相交于X线的中点；
若延长D线下端则会与H外相交于H外的左端点；
若延长F线右端则会与P内相交于P内的下端点，若延长J线右端则会与P外相交于P外的上端点。
8.根据权利要求1所述的低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于：主燃级燃油喷口中心两侧分别交叉布置M排孔和N排孔，M排孔和N排孔的孔中心轴线与J线平行，且分别位于P内的1/3和2/3处。
9.根据权利要求1所述的低污染中心分级燃烧室级间冷却环腔结构，其特征在于：级间冷却气量从级间环缝入口I口进入，A排、B排和C排孔的孔中心轴线均与所在壁面垂直。
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