CN203671655U - 一种燃烧室燃油喷射与混合系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃烧室燃油喷射与混合系统，包含预燃级装置和主燃级装置，主燃级装置包括：主燃级轴向旋流器（12）和主燃级径向旋流器（18）；主燃级轴向旋流器（12）；在主燃级轴向旋流器的内壁上设置直射式喷嘴（16）,在主燃级轴向旋流器的外壁（15）的末端设置外圆弧面（27），在发动机大功率运行的状态下，从直射式喷嘴（16）的喷口喷出的燃油能在所述外圆弧面（27）上形成油膜。本实用新型的燃烧室燃油喷射与混合系统，预混预蒸发的主燃级能够实现低污染燃烧，有效降低污染排放水平并确保航空发动机燃烧室的稳定性，能够降低燃烧室的掺混用气量并可以降低燃烧室头部结构的复杂性及重量。
Description
技术领域
本实用新型涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种燃烧室燃油喷射与混合系统。
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，其它排放物包括一氧化碳（CO）、未燃碳氢（UHC）和烟雾(Smoke)排放值同样需要进一步降低。研究表明，控制燃烧室内的燃烧反应温度是控制NOx污染排放的关键，而控制燃烧反应温度的主要技术途径之一就是采用贫油预混燃烧模式。但是在地面慢车、起动点火等工作状态下，又需要局部燃烧区采用富油燃烧的油气匹配方式，以维持燃烧稳定性，同时降低小功率状态下的CO和UHC排放。
为了缓解大功率状态下NOx排放和小功率状态下CO、UHC排放的矛盾，一般采用分级燃烧的模式，分级燃烧技术在航空发动机燃烧室上已得到成功应用，而采用中心分级燃烧技术由于结构紧凑、分区贫油燃烧控制NOx效果较好等优点，已是低排放燃烧室发展的趋势。但是现有的贫油中心分级燃烧技术，仍未能很好地解决分区后各反应区之间互相影响、中等工况燃烧效率低下、主燃区油气混合依旧不充分、不均匀等问题。现有的头部中心分级的燃油喷射系统在中等工况时（如进场状态），主燃级已开始供油，但此时主燃级的供油量较小，使得主燃级的油气当量比很低，这使得燃烧室的效率较低，达不到发动机的要求。此外，在大工况时，主燃级供油量较大，燃油喷射速度较高，使得主燃级预混通道内的雾化的均匀性较差，这使得燃烧室的出口温度分布质量不高。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种燃烧室燃油喷射与混合系统，能有效控制NOX生成并具有较高的燃烧效率。
一种燃烧室燃油喷射与混合系统，燃烧室头部沿径向由内到外依次包含预燃级装置和设置在所述预燃级装置外围的主燃级装置，其特征在于：所述主燃级装置包括：主燃级轴向旋流器；在所述主燃级轴向旋流器的内壁上设置直射式喷嘴,在所述主燃级轴向旋流器的外壁的末端设置外圆弧面，其中，在发动机大功率运行的状态下，从所述直射式喷嘴的喷口喷出的燃油能在所述外圆弧面上形成油膜。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述主燃级装置还包括：收敛的主燃级气流出口通道。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述主燃级装置还包括：沿径向设置在所述主燃级轴向旋流器外侧的主燃级径向旋流器；主燃级径向旋流器的前侧壁与所述主燃级轴向旋流器的外壁连接，所述主燃级径向旋流器的后侧壁的后部与所述主燃级轴向旋流器内壁的后部围成所述主燃级气流出口通道；其中，所述主燃级轴向旋流器的内壁的后部向外扩张，并且所述主燃级径向旋流器的后侧壁的后部向内收敛。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述主燃级气流出口通道出口的下壁面和上壁面都平行于燃烧室头部的中心线。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述直射式喷嘴沿周向对称设置在所述主燃级轴向旋流器的内壁上，并位于所述主燃级轴向旋流器叶片通道中；其中，每个叶片通道对应设置一个所述直射式喷嘴。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述直射式喷嘴的喷口到所述主燃级轴向旋流器入口的轴向距离为所述主燃级轴向旋流器轴向长度的1/4-4/5。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述直射式喷嘴为贯穿所述主燃级轴向旋流器内壁的斜孔，所述直射式喷嘴的轴线与所述主燃级轴向旋流器的内壁形成30°-90°夹角。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述预燃级包括：离心喷嘴、一级轴向旋流器、二级轴向旋流器和文氏管；所述一级轴向旋流器、所述二级轴向旋流器沿径向由内到外依次设置在所述离心喷嘴的外围；所述文氏管设置在所述一级轴向旋流器和所述二级轴向旋流器之间。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，在所述预燃级装置和主燃级装置之间设置套筒；由所述主燃级轴向旋流器的内壁与所述套筒围成冷却腔；所述主燃级轴向旋流器的内壁的末端为向内弯曲的结构，并设有多个冷却孔；所述套筒的末端具有前延伸段，所述前延伸段正对所述冷却孔；所述冷却腔中的空气通过所述冷却孔流过并冲击到所述前延伸段上。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述一级轴向旋流器和所述二级轴向旋流器的叶片角度都为30°-60°；所述主燃级轴向旋流器的叶片的角度为30°-70°，所述主燃级径向旋流器的叶片角度为30°-60°。
本实用新型的燃烧室燃油喷射与混合系统，预混预蒸发的主燃级能够实现低污染燃烧，有效降低污染排放水平并确保航空发动机燃烧室的稳定性，在中等工况下能有效控制NOX生成的同时保持有较高的燃烧效率，能够降低燃烧室的掺混用气量并可以降低燃烧室头部结构的复杂性及重量。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A为根据本实用新型的燃烧室燃油喷射与混合系统的一个实施例的示意图；
图1B为根据本实用新型的燃烧室燃油喷射与混合系统的一个实施例的主燃级装置局部示意图；其中：1－离心喷嘴，2－一级轴向旋流器，3－二级轴向旋流器，4－文氏管，5－文氏管出口处的内壁面，6－套筒，7－侧壁，8－冷却孔，9－前延伸段，10－主燃级轴向旋流器的内壁，12－主燃级轴向旋流器，15－主燃级轴向旋流器的外壁，16－直射式喷嘴，17－第一气流通道，18－主燃级径向旋流器，19－第二气流通道，20－主燃级径向旋流器的后侧壁，21－主燃级径向旋流器的前侧壁，22－下壁面，24－上壁面，25－第二壁面，26－第一壁面，27－外圆弧面。
具体实施方式
下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。下面结合图和实施例对本实用新型的技术方案进行多方面的描述。
下文为了叙述方便，下文中所称的“左”、“右”、“上”、“下”等与附图本身的左、右、上、下等方向一致。
如图1A、1B所示，采用单环腔中心分级的燃烧组织策略，燃烧室头部沿径向由内到外依次包含预燃级装置和设置在预燃级装置外围的主燃级装置。主燃级装置包括：主燃级轴向旋流器12和主燃级径向旋流器18。主燃级轴向旋流器12和主燃级径向旋流器18向主燃级装置中输入气流。
在主燃级轴向旋流器的内壁10上设置一个或多个直射式喷嘴16的喷口，在主燃级轴向旋流器的外壁15的末端设置外圆弧面27，在发动机大功率运行的状态下，从直射式喷嘴16的喷口喷出的燃油能在所述外圆弧面27上形成油膜。
根据本实用新型的一个实施例，外圆弧面27可以设置在主燃级轴向旋流器12叶片出口至主燃级轴向旋流器的外壁15的末端。叶片出口指叶片靠近主燃级轴向旋流器的气流出口的一端。
根据本实用新型的一个实施例，主燃级的直射式喷嘴16可以位于主燃级轴向旋流器12的叶片通道中，可在主燃级轴向旋流器12的叶片通道的内壁上设置，直射式喷嘴16的喷口沿周向对称设置在主燃级轴向旋流器的内壁10上，并位于主燃级轴向旋流器12叶片通道中；其中，每个叶片通道对应设置一个所述直射式喷嘴16的喷口。
火焰筒沿径向有两个同心的环状燃烧区，可以不改变空气分配比例，通过发动机工况条件的变化改变燃油分配以改变油气比，从而控制燃烧温度。
在中等工况时，预燃级和主燃级共同工作，此时由于主燃级供油比重不大，主燃级直射式喷嘴16喷出的燃油的穿透深度不高，未接触到圆弧面27，此时主燃级的燃油主要是与通过主燃级内侧轴向旋流器12的气流进行混合，因而在主燃级出口环面，燃油沿周向较为均匀的分布在靠近出口环面内侧的区域。这种主燃级出口燃油的分布形式既能保持主燃级的贫油均匀燃烧，又能使主燃级贫油燃烧的当量比不是很低，从而能在有效控制NOX生成的同时保持有较高的燃烧效率。
大工况时，即大功率运行发动机时，预燃级与主燃级全部打开，此时由于主燃级供油比重较大，主燃级燃油的穿透高度较大，能在主燃级轴向旋流器的外壁15末端的圆弧面27形成薄油膜，该薄油膜在通过主燃级轴向旋流器12与径向旋流器18的气流的共同剪切作用下，能保证油气的充分混合。此时燃烧室进口条件对燃烧十分有利，主燃级燃烧效率仍可保持很高水平。这种头部预燃级、中心级与主燃级的中心分级策略，可在大幅度降低NOX、CO、UHC和smoke的污染排放的同时兼顾燃烧室的性能。
根据本实用新型的一个实施例，主燃级装置还包括：收敛的主燃级气流出口通道。主燃级径向旋流器18沿径向设置在主燃级轴向旋流器12外侧。主燃级轴向旋流器12和主燃级径向旋流器18可以围成主燃级气流出口通道。主燃级径向旋流器的前侧壁21与主燃级轴向旋流器的外壁15连接，主燃级径向旋流器的后侧壁20的后部与主燃级轴向旋流器内壁10的后部围成主燃级气流出口通道；主燃级径向旋流器的内壁10的后部向外扩张，并且主燃级径向旋流器的后侧壁20的后部向内收敛。主燃级轴向旋流器的内壁10与主燃级径向旋流器的后侧壁20围成收敛的主燃级气流出口通道，对混油气体进行加速。
根据本实用新型的一个实施例，主燃级轴向旋流器的内壁10的后端与主燃级径向旋流器的后侧壁20的后端分别形成气流出口通道出口的下壁面22和上壁面24。下壁面22和上壁面24都平行于燃烧室头部的中心线。
根据本实用新型的一个实施例，位于主燃级轴向旋流器12的叶片出口与下壁面22之间的为第一壁面26，第一壁面26向外扩张。位于主燃级径向旋流器18的叶片出口与上壁面24之间的为第二壁面25，第二壁面25向内收敛。第一壁面26与第二壁面25构成收敛的气流出口通道，可以加速输出主燃级气流出口通道的气流。
根据本实用新型的一个实施例，主燃级轴向旋流器的外壁15与第二壁面25构成收敛的第一气流通道17。外圆弧面27与第一壁面26构成收敛的第二气流通道19。通过主燃级径向旋流器18的气流以及通过主燃级轴向旋流器12的气流分别在这两个通道内加速，以增强该气流对主燃级油膜的剪切作用，从而提高燃油雾化效果。
本实用新型中的“前端”、“后端”或“末端”等为相对于燃烧室头部为前或后。
根据本实用新型的一个实施例，直射式喷嘴16的喷口与主燃级轴向旋流器12入口的轴向距离为主燃级轴向旋流器12轴向长度的1/4-4/5。直射式喷嘴16为贯穿主燃级轴向旋流器的内壁10的筒壁的斜孔，直射式喷嘴16的轴线与主燃级轴向旋流器12的叶片通道的内壁形成30°-90°夹角13。
根据本实用新型的一个实施例，主燃级轴向旋流器12的叶片的角度为30°-70°，主燃级径向旋流器18的叶片的角度为30°-60°。
根据本实用新型的一个实施例，预燃级包括：离心喷嘴1、一级轴向旋流器2、二级轴向旋流器3和文氏管4。一级轴向旋流器2、二级轴向旋流器3沿径向由内到外依次设置在离心喷嘴1的外围。
文氏管4设置在一级轴向旋流器2和二级轴向旋流器3之间，文氏管出口处的内壁面5为收缩扩张型面，其中，收缩扩张型面中部的直径小于收缩扩张型面两端的直径。
燃油从离心式喷嘴1喷出，在接触到文氏管的内壁面5时形成一层薄油膜，该薄油膜在文氏管4的唇口喷出，油膜两侧分别是一级轴向旋流器2、二级轴向旋流器3所形成的旋流气流，在其剪切作用下雾化，并喷入燃烧室。
根据本实用新型的一个实施例，在预燃级装置和主燃级装置之间设置套筒6。主燃级轴向旋流器的内壁10的末端为向内弯曲的结构，主燃级轴向旋流器的内壁10的末端具有与套筒6固定的固定部，末端还设有多个冷却孔8。
套筒6的侧壁7向上收拢，套筒6的末端具有前延伸段9，前延伸段9正对着冷却孔8。由主燃级轴向旋流器的内壁10与套筒6围成冷却腔。冷却腔中的空气通过冷却孔8流过并冲击到前延伸段9上。
根据本实用新型的一个实施例，一级轴向旋流器2和二级轴向旋流器3的叶片的角度为30°-60°。
根据本实用新型的一个实施例，一级轴向旋流器2和二级轴向旋流器3的旋向可以同向也可以异向，主燃级轴向旋流器12与主燃级径向旋流器18的旋向可以同向也可以异向。
本实用新型的燃烧室燃油喷射与混合系统，针对燃烧室头部中心分级的策略，设计了燃烧室单腔结构头部的主燃级与预燃级，有以下优点：
1.本实用新型采用中心分级燃烧概念，预燃级提供稳火源，保证整个燃烧室工作的稳定性和安全性，预混预蒸发的主燃级实现低污染燃烧；这种燃烧组织方式在能够有效降低污染排放水平的同时可确保航空发动机燃烧室的稳定性；
2.本实用新型采用的主燃级的分级雾化策略，在中等工况下能在有效控制NOX生成的同时保持有较高的燃烧效率；
3.燃烧室头部的油气混合更加充分均匀，可以对燃烧室出口温度分布起到很好的调节作用，降低燃烧室的掺混用气量；
4.本实用新型燃烧室采用单环腔燃烧室结构，头部包含主燃级与预燃级俩级油路，在控制燃烧室NOX排放的同时降低燃烧室头部结构的复杂性及重量。
本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种燃烧室燃油喷射与混合系统，燃烧室头部沿径向由内到外依次包含预燃级装置和设置在所述预燃级装置外围的主燃级装置，其特征在于：
所述主燃级装置包括：主燃级轴向旋流器（12）；在主燃级轴向旋流器的内壁（10）上设置直射式喷嘴（16）,在主燃级轴向旋流器的外壁（15）的末端设置外圆弧面（27），其中，在发动机大功率运行的状态下，从所述直射式喷嘴（16）的喷口喷出的燃油能在所述外圆弧面（27）上形成油膜。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述主燃级装置还包括：收敛的主燃级气流出口通道。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：
所述主燃级装置还包括：沿径向设置在所述主燃级轴向旋流器（12）外侧的主燃级径向旋流器（18）；
主燃级径向旋流器的前侧壁（21）与所述主燃级轴向旋流器的外壁（15）连接，所述主燃级径向旋流器的后侧壁（20）的后部与所述主燃级轴向旋流器的内壁（10）的后部围成所述主燃级气流出口通道；
其中，所述主燃级轴向旋流器的内壁（10）的后部向外扩张，并且所述主燃级径向旋流器的后侧壁（20）的后部向内收敛。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：
所述主燃级气流出口通道出口的下壁面（22）和上壁面（24）都平行于燃烧室头部的中心线。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述直射式喷嘴（16）沿周向对称设置在所述主燃级轴向旋流器的内壁（10）上，并位于所述主燃级轴向旋流器（12）叶片通道中；其中，每个叶片通道对应设置一个所述直射式喷嘴（16）。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述直射式喷嘴（16）的喷口到所述主燃级轴向旋流器（12）入口的轴向距离为所述主燃级轴向旋流器（12）轴向长度的1/4-4/5。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述直射式喷嘴（16）为贯穿所述主燃级轴向旋流器（12）内壁的斜孔，所述直射式喷嘴（16）的轴线与所述主燃级轴向旋流器的内壁形成30°-90°夹角。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述预燃级包括：离心喷嘴（1）、一级轴向旋流器（2）、二级轴向旋流器（3）和文氏管（4）；
所述一级轴向旋流器（2）、所述二级轴向旋流器（3）沿径向由内到外依次设置在所述离心喷嘴（1）的外围；所述文氏管（4）设置在所述一级轴向旋流器（2）和所述二级轴向旋流器（3）之间。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：
在所述预燃级装置和主燃级装置之间设置套筒（6）；由所述主燃级轴向旋流器的内壁（10）与所述套筒（6）围成冷却腔；所述主燃级轴向旋流器的内壁（10）的末端为向内弯曲的结构，并设有多个冷却孔（8）；所述套筒（6）的末端具有前延伸段（9），所述前延伸段（9）正对所述冷却孔（8）；所述冷却腔中的空气通过所述冷却孔（8）流过并冲击到所述前延伸段（9）上。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于：
所述一级轴向旋流器（2）和所述二级轴向旋流器（3）的叶片角度都为30°-60°；
所述主燃级轴向旋流器（12）的叶片角度为30°-70°，所述主燃级径向旋流器（18）的叶片角度为30°-60°。
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