CN117803950A - 一种中心分级燃烧室的喷油装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心分级燃烧室的喷油装置，包括喷油器本体；所述喷油器本体为环状；所述喷油器本体沿圆周方向均匀设有多个喷嘴，任意相邻两所述喷嘴之间均设有一个漏油孔；所述漏油孔与相邻的两所述喷嘴均连通。本发明能够实现受限空间尺寸约束下的多个自激扫掠燃油喷嘴与中心分级主燃烧室头部的结构集成和加工实现，并使特征喉道尺寸增大50％以上。

Description

一种中心分级燃烧室的喷油装置

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种中心分级燃烧室的喷油装置。

背景技术

专利US6253782提出了一种无反馈通道流体振荡器结构，其含有两个进口，一个出口和一个射流耦合腔。当流体以稳定的流量，通过两个进口进入到耦合腔后，由于射流在空腔内部的不稳定性，经过内部复杂的耦合效应和涡系演变，即可在出口以高频扫掠振荡形式喷出。当工作介质为液体时，则可在出口处形成扫射型的液柱或者扇形的液面。

本发明人的关联专利申请CN113464982A，首次将双反馈通道自激扫掠液体喷射装置用于航空发动机中心分级主燃烧室内的燃油喷射，利用此装置产生的高频动态扫掠效果，大幅提高燃油在来流中的空间散布均匀度，从而降低NOx、碳烟等污染物排放，改善燃烧室出口温度畸变，最终实现提升发动机性能的目的。但是，采用CN113464982A中公开的结构，在实际应用中，存在以下问题：

主燃级所在的空间有限，可用于布置自激扫掠喷嘴流道的空间更是有限，对自激扫掠喷嘴流道的尺寸限制极为苛刻。其布置自激扫掠喷嘴流道的底板圆环内外半径差一般不大于10mm，比如内径一般不小于40mm，外径一般不大于60mm，同时需要在此圆环上形成10～20个燃油喷嘴流道。要将双反馈自激扫掠式燃油喷嘴内部复杂的流道结构集成到如此紧凑的燃烧室头部主燃级内部，同时还要保证与预燃级油路、气路以及主燃级旋流气路不发生干涉，整体流动结构与原始结构相当，每个喷嘴的喷射流量数、扫掠频率等参数保持一致，这无疑对耦合自激扫掠喷嘴结构的燃烧室头部设计提出了巨大的挑战。

以CN 113464982A中公开的结构为例，其在底板圆环上形成了12个自激扫掠喷嘴流道，圆环宽度仅为8mm，即内外径差为16mm。采用双反馈式自激扫掠燃油喷嘴，喷嘴流道本身的高度(从进口截面到出口截面)至少是其喉道宽度的12倍，喉道宽度作为其流道内部的最小尺寸，一般不能小于0.5mm，则其高度H则至少大于6mm，一般的则会大于7mm，考虑到还要在进口处预留直径至少3倍以上喉道宽度的漏油孔，流道靠近挡环一侧还需预留1mm的焊接接触面，即圆环宽度需大于6+1.5+1＝8.5mm才能够布置一个特征尺寸为0.5mm的双反馈通道自激扫掠喷嘴流道。

为了突出自激扫掠喷嘴的优势，一般的会将自激扫掠喷嘴进口喉道特征尺寸设计的更大，从而在保证雾化和散布效果的基础上，降低喷嘴数量。并且，自激扫掠喷嘴流道尺寸越大，加工的尺寸精度越高，成本越低，并且越不容易发生燃油的结焦积碳问题。

综上所述，如何在不增加燃烧室头部结构整体尺寸，不改变旋流器位置和尺寸，不改变喷油孔的分布的前提下，使其喉道尺寸大幅的增加，是本领域亟待解决的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种中心分级燃烧室的喷油装置，以解决现有技术中的不足，它能够实现受限空间尺寸约束下的多个自激扫掠燃油喷嘴与中心分级主燃烧室头部的结构集成和加工实现，并使特征喉道尺寸增大50％以上。

本发明提供了一种中心分级燃烧室的喷油装置，其中：包括喷油器本体；

所述喷油器本体为环状；

所述喷油器本体沿圆周方向均匀设有多个喷嘴，任意相邻两所述喷嘴之间均设有一个漏油孔；所述漏油孔与相邻的两所述喷嘴均连通。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：所述喷油器本体包括第一底板、喷油板和第二底板；

所述第一底板、所述喷油板和所述第二底板同轴设置，且依次固定连接；

所述喷油板上设有油道，所述第一底板与所述第二底板从两侧封堵所述喷油板，以形成所述喷嘴和所述漏油孔；

所述第一底板上设有环形安装槽，所述环形安装槽与所述漏油孔连通。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：所述第一底板与所述喷油板一体成型，所述漏油孔正对所述环形安装槽。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：所述漏油孔的中心位于相邻两个喷嘴中心线形成夹角的等分线上，且漏油孔的直径大于所述喷嘴的喉道宽度的3倍。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：连通所述漏油孔与所述喷嘴的通道的最小宽度大于所述喷嘴的喉道宽度。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：所述喷嘴为无反馈通道自激扫掠喷嘴或双反馈通道自激扫掠喷嘴。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：所述喷嘴为无反馈通道自激扫掠喷嘴时，连接所述漏油孔与所述喷嘴的通道沿靠近所述喷嘴的方向宽度逐渐变小。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：所述喷嘴的喉道的宽度为0.4到0.8毫米。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：所述喷嘴为双反馈通道自激扫掠喷嘴时，所述喷嘴的进口处到油道内侧壁的距离大于该所述喷嘴的喉道宽度的1.5倍。

如上所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其中，可选的是：所述喷嘴的数量为6到24个。

与现有技术相比，本发明能够实现受限空间尺寸约束下的多个自激扫掠燃油喷嘴与中心分级主燃烧室头部的结构集成和加工实现，通过将喷嘴与漏油孔间隔设置，即，将喷嘴与对应的漏油孔由现有技术中的沿径向布置，改进为喷嘴与漏油孔沿圆周方向的间隔布置，在喷油装置尺寸相同的情况下，能够将喷嘴的尺寸等比放大，使特征喉道尺寸增大50％以上，在一些较佳的方案中，能够将特征喉道尺寸增加75％。特征喉道尺寸的增加，能够可大幅降低喷嘴加工成本，增加喷嘴流道成型精度。

附图说明

图1是本发明提出的喷油板与第一底板的安装结构示意图；

图2是图1中结构在另一视角下的示意图；

图3是本发明提出的喷油器本体的剖示图；

图4是本发明实施例1提出的喷嘴分布结构示意图；

图5是在相同尺寸约束下，实施例1中的方案与现有技术中自激扫掠喷嘴流道和漏油孔尺寸对比示意图；

图6是实施例1中漏油孔及自激扫掠喷嘴流道的燃油流向示意图；

图7是实施例2中提出的无反馈通道自激扫掠喷嘴结构喷油器的示意图；

图8是在相同约束尺寸下，采用不同尺寸无反馈结构自激扫掠喷嘴的底板环流道结构；

图9是自激扫掠喷嘴已有耦合方案与本专利耦合方案下的特征尺寸对比；

图10是本发明实施例2提出的参数化的无反馈通道自激扫掠喷嘴结构示意图。

附图标记说明：

1－喷油器本体，2－喷嘴，3－漏油孔；

11－第一底板，12－喷油板，13－第二底板；

111－环形安装槽。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

实施例1

请参照图1到图6，本实施例提出了一种中心分级燃烧室的喷油装置，其中，包括喷油器本体1。喷油器本体1用于连接外部燃油通道，向燃料室内喷油。

在本实施例中，所述喷油器本体1为环状。在具体实施时，所述喷油器本体1由其一端面进油，从外侧面喷油。

具体地，所述喷油器本体1沿圆周方向均匀设有多个喷嘴2，任意相邻两所述喷嘴2之间均设有一个漏油孔3；所述漏油孔3与相邻的两所述喷嘴2均连通。请参照图5和图6，在所述喷油器本体1上，喷嘴2与漏油孔3间隔设置，将现有的喷嘴2与漏油孔3的径向设置改为，沿圆周方向的间隔设置，节约了径向上的空间，可以将喷嘴2等比例放大，从而能够增大特征喉道尺寸，在某型号的结构中，喷嘴2的喉道尺寸可以由现有技术中的0.4毫米增加到0.7毫米，使喷嘴的喉道尺寸增加了75％以上，可大幅降低喷嘴加工成本，增加喷嘴流道成型精度。同时，也能够增大漏油孔3的尺寸。

将漏油孔3的位置改为喷嘴2之间，也使得漏油孔3的位置在径向上向外作了移动。漏油孔3的位置在径向上的改变，也能够使漏油孔3的面积增大，有利于减少漏油孔3本身对于油液的阻力。在另一方面，将漏油孔3的位置在径向方向上向外移动，能够使漏油孔3在径向方向上的内外两侧预留足够的空间来连接主燃级集油腔。能够避免在主燃级集油腔内设计台阶面以适应漏油孔3，能够使主燃级集油腔的加工更加方便。

在具体设计时，为了便于加工制造，所述喷油器本体1包括第一底板11、喷油板12和第二底板13。即，将喷油器本体1由第一底板11、喷油板12和第二底板13分别制成相应的造型后，再焊接在一起，形成一个整体。

所述第一底板11、所述喷油板12和所述第二底板13同轴设置，且依次固定连接。所述喷油板12上设有油道，所述第一底板11与所述第二底板13从两侧封堵所述喷油板12，以形成所述喷嘴2和所述漏油孔3；所述第一底板11上设有环形安装槽111，所述环形安装槽111与所述漏油孔3连通。具体地，第一环形安装槽111设置在远离所述喷油板12的一侧，所述第一环形安装槽111的底部设有通孔；所述第一底板11靠近所述喷油板12的一侧设有凸起的挡环，所述挡环用于在与喷油板12配合时，从内侧封堵油道。燃油通过主燃级进油管进入环形的主燃级集油腔，通过第一底板11上的漏油孔3，从并进入相临的两个喷嘴，由于挡环的限制，燃油只能通过喷嘴的出口，向主燃级气流通道内喷出。其中第一底板11和挡环可单独加工成型，然后进行组合焊接装配后，再与集油腔等零组件组合装配。在具体实施时，第二底板13可以是一个单独环形板件，也可以其他部件的端面，即，不单独加工一个第二底板13，而是将第一底板11与喷油板12焊接后，再与其他部件的端面连接，以形成喷油器本体。

所述喷油板12被加工成喷嘴及油道外廓造型的结构。当与第一底板11及第二底板13焊接后，形成喷嘴、漏油孔及连接喷嘴和漏油孔的通道。

在具体实施时，所述第一底板11与所述喷油板12一体成型，所述漏油孔3正对所述环形安装槽111。即，漏油孔3与环形安装槽111直接连通。

所述环形安装槽111内直径较大的圆周面，用于对集油腔外环进行定位，所述环形安装槽111直径较小的圆周面用于对集油腔内环进行定位。在具体实施时，第二底板13位于喷油器本体1的背风面。这样的设计有以下好处，一是侧面均为平面，结构紧凑、便于加工；二是相比外凸的定位方法，通过环形安装槽111进行定位的方法更节省空间和重量；三是环形安装槽111与集油腔定位安装后，更易通过焊接手段固定连接；四是集油腔挡环与外环之间的空间直接与漏油孔连通，使得进入每个漏油孔的燃油更加均匀。

在具体实施时，所述漏油孔3的中心位于相邻两个喷嘴2中心线形成夹角的等分线上，在具体实施时，以过漏油孔3的中心线及喷油器本体1的中心线的面为对称面，漏油孔3两侧的通道对称。燃油进入漏油孔后，其流动方向与喷嘴的流道所在平面垂直，流体改变其流动方向过程会损失动压头，因此应尽量降低燃油在漏油孔3内的速度。假设其进口喉道的宽度T，深S＝T，所需流量对应的燃油速度为U，则在漏油孔内的流速为UT²/0.785D²，此部分的动能则会全部损失。为此，将漏油孔3的直径大于所述喷嘴2的喉道宽度的3倍。如果D＞3T，则漏油孔带来的流动损失对应流速则小于喷嘴喉道流速的1/7，压力损失则小于理想压力的1/49，此时可认为无影响。传统构型的自激扫掠喷嘴，燃油需要从下方进口流入，再通过顶端的出口喷出，因此一般在进口入构造漏油孔。而通过在相邻喷嘴中间构造漏油孔，再通过引流通道进入喷嘴进口部分，不仅可以大幅增加漏油孔的大小，显著降低由于流动方向改变而带来的压力损失，可以显著节省其需要的空间。以CN113464982A中公开的结构为例，在保证漏油孔的直径大于4T的条件下，仅仅采用中间布置漏油孔的办法，就可以使喷嘴特征尺寸从0.4mm增大到0.5mm，增加了25％。为了进一步增大喷嘴特征尺寸，可以进一步选用无反馈通道自激扫掠喷嘴。这将在实施2中作进一步说明，本实施例采用双反馈通道自激扫掠喷嘴。

请参照图5和图6，在具体实施时，为了保证便于加工及焊接，自激扫掠喷嘴流道所在的平面，除喷射出口位置外，主流道距离喷嘴底板外环和内环两侧的距离W1和W2需满足不小于喉道的宽度T，即，挡环的径向尺寸不小于喉道的宽度。以保证加工、装配、焊接过程的工艺性。优选的，W1＝W2＞1mm。

为了减少燃油的流动损失，连通所述漏油孔3与所述喷嘴2的通道的最小宽度大于所述喷嘴2的喉道宽度。具体地，从漏油孔至喷嘴进口喉道处，采用弧形曲线构造燃油流路，流路最窄处的宽度为H2，喷嘴进口处距离流路边界为H1，需满足H2＞T，H1＞1.5T。即，所述喷嘴2的进口处到油道内侧壁的距离大于该所述喷嘴2的喉道宽度的1.5倍。否则，此处两股速度相反的射流交汇后在转折90度的流动，必然会引起流动损失的大幅增加。在满足H2大于T，H1大于1.5T条件下，此部分的流动损失对应流速小于喷嘴喉道流速的1/10。较佳地，所述喷嘴2为无反馈通道自激扫掠喷嘴2时，连接所述漏油孔3与所述喷嘴2的通道沿靠近所述喷嘴2的方向宽度逐渐变小。在本实施例中，以CN113464982A中公开的结构为例，所述喷嘴2的喉道的宽度为0.5毫米。

所述喷嘴2的数量为6到24个。在具体实施时，喷嘴2的数量为7、8、9个、10个、11个、12个、13个、14个或15、16、17、18、19、20、21、22、23个。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上所作的进一步改进，相同之处不再赘述，以下仅对不同之处予以说明。

请参照图7到图10，本实施例采用无反馈通道自激扫掠喷嘴结构。无反馈通道自激扫掠喷嘴含有两个进口，即，图10中的两个进口，一个耦合腔和一个出口，两个射流在耦合腔内的相互作用，在出口就能实现自激发的扫掠射流。通过特殊的设计，在相同的喉道宽度条件下，无反馈通道的主流道高度H可比双反馈通道构型的自激扫掠喷嘴降低30％，这为自激扫掠喷嘴在中心分级燃烧室头部的集成创造了极为有利的条件。同时，在相同的喉道宽度条件下，无反馈通道构型的工作频率在相同的进出口压降条件下，可提高50％以上，在1MPa压降下，即可达到2kHz以上，远远超过了燃烧室内的燃烧脉动频率，更加不易引发燃烧振荡现象。

为了在不增加燃烧室头部结构整体尺寸，不改变旋流器位置和尺寸，不改变喷油孔的分布的前提下，进一步使其喉道尺寸大幅增加，本实施例中，对喷嘴作了进一步设计。

请参照图10，具体地，此喷嘴为一个半径为R0的半圆形，以其圆心为原点向内腔形成张角为α的扩张角，在于半圆外廓相交处构造两个进口通道。α扩张角边线作为中心线，分别向两侧平移J/2的距离，则构造出宽度为J的进口通道。进口通道沿中心线向外扩展的距离为L1，在L1距离内保持流道宽度为J1，在L1外侧可根据漏油孔位置自由设计流道。半圆平直边缘线向下平移H1的距离，形成新的喷嘴内腔边界。喷嘴内腔中心线分别向两侧平移T/2，则可在此下边界与中心线相交处构造宽度为T的出口喉道，在出口喉道向外形成角度为β的扩张角，其高度为H2。在下边界与平移直线处进行半径为R1的倒角。上述无反馈通道自激扫掠喷嘴结构各尺寸满需足：2＜R0/T＜8，且0.2＜H1/T＜4，且0.5＜H2/T＜3，且0.5＜L1/T＜2且60°＜α＜150°，且(α－β)＞20°且(R0+H1+H2)/T＜10。在上述尺寸约束下，此无反馈通道自激扫掠喷嘴能够在出口顺利产生自激发的扫掠振荡喷射流，同时能够在燃烧室头部要求的相同喉道尺寸约束下，大幅降低喷嘴的尺寸，或者在相同流量数和空间尺寸约束下，大幅提高喷嘴喉道尺寸，降低喷嘴数量。

通过上述结构，以CN113464982A中公开的结构为例，能够使原尺寸为0.4毫米的喷嘴喉道尺寸提高至0.7毫米。当然，根据实际需要，也可以等比例缩放，以使喷嘴喉道尺寸介于0.4到0.8毫米之间。

需要指出的是，对于双反馈通道自激扫掠喷嘴，其喉道为喷嘴的进口处，对于无反馈通道自激扫掠喷嘴为喷嘴出口的最小处。

需要指出的是，附图中所显示的尺寸标记，是为了便于结合本申请文字部分阅读，其中的数值仅仅是指某一种型号的结构，并不限定本申请所提出的方案的实际尺寸。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：包括喷油器本体(1)；

所述喷油器本体(1)为环状；

所述喷油器本体(1)沿圆周方向均匀设有多个喷嘴(2)，任意相邻两所述喷嘴(2)之间均设有一个漏油孔(3)；所述漏油孔(3)与相邻的两所述喷嘴(2)均连通。

2.根据权利要求1所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：所述喷油器本体(1)包括第一底板(11)、喷油板(12)和第二底板(13)；

所述第一底板(11)、所述喷油板(12)和所述第二底板(13)同轴设置，且依次固定连接；

所述喷油板(12)上设有油道，所述第一底板(11)与所述第二底板(13)从两侧封堵所述喷油板(12)，以形成所述喷嘴(2)和所述漏油孔(3)；

所述第一底板(11)上设有环形安装槽(111)，所述环形安装槽(111)与所述漏油孔(3)连通。

3.根据权利要求2所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：所述第一底板(11)与所述喷油板(12)一体成型，所述漏油孔(3)正对所述环形安装槽(111)。

4.根据权利要求3所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：所述漏油孔(3)的中心位于相邻两个喷嘴(2)中心线形成夹角的等分线上，且漏油孔(3)的直径大于所述喷嘴(2)的喉道宽度的3倍。

5.根据权利要求1所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：连通所述漏油孔(3)与所述喷嘴(2)的通道的最小宽度大于所述喷嘴(2)的喉道宽度。

6.根据权利要求1所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：所述喷嘴(2)为无反馈通道自激扫掠喷嘴(2)或双反馈通道自激扫掠喷嘴(2)。

7.根据权利要求6所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：所述喷嘴(2)为无反馈通道自激扫掠喷嘴(2)时，连接所述漏油孔(3)与所述喷嘴(2)的通道沿靠近所述喷嘴(2)的方向宽度逐渐变小。

8.根据权利要求7所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：所述喷嘴(2)的喉道的宽度为0.4到0.8毫米。

9.根据权利要求6所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：所述喷嘴(2)为双反馈通道自激扫掠喷嘴时，所述喷嘴(2)的进口处到油道内侧壁的距离大于该所述喷嘴(2)的喉道宽度的1.5倍。

10.根据权利要求1－9任一项所述的中心分级燃烧室的喷油装置，其特征在于：所述喷嘴(2)的数量为6到24个。