CN209213923U - 航空发动机及其燃烧室 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃烧室以及包括其的航空发动机。其中，所述燃烧室包括周向分布的多个燃烧室头部以及点火电嘴，所述多个燃烧室头部的每一个包括位于中心的预燃级燃油喷射装置以及位于外侧的主燃级燃油喷射装置；在所述多个燃烧室头部中，与所述点火电嘴最接近的燃烧室头部还包括：中间级燃油喷射装置，位于所述主燃级与预燃级之间，包括中间级燃油喷嘴和空气流路，所述中间级燃油喷嘴朝向所述点火电嘴设置。所述燃烧室以及航空发动机至少包括改善点火联焰性能、稳定火焰以及结构简单紧凑以及燃油经济性好、排放低等优点。

Description

航空发动机及其燃烧室

技术领域

本实用新型涉及航空发动机及其燃烧室。

背景技术

由于航空发动机污染排放的限制越来越严苛，从未来航空发动机产品发展趋势来看，氮氧化物(NOx)的排放量应比现行国际民航组织(ICAO)规定标准CAEP/6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。国际民航组织正在规划将微粒(PM)和二氧化碳(CO2)也纳入到未来被限定的排放物。

控制燃烧室的NOx排放主要通过控制燃烧室内的温度来实现，而控制燃烧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，以保证发动机在各种工况下燃烧室各局部区域均以接近各自最佳燃油空气匹配模式进行高效稳定的燃烧反应。

燃烧分级技术在降级污染排放的同时，也会带来一些问题，比如在30％进场状态下通常会只让一部分燃烧室的头部处于工作状态，这就导致整个环形的燃烧室出口温度分布出现局部的热点，导致燃烧室出口温度分布不均匀，严重时还可能导致涡轮叶片的失效。

分级燃烧技术在航空发动机燃烧室上已得到成功应用，比如：GE90发动机采用的双环腔燃烧室分级燃烧技术；GEnx发动机采用的中心分级燃烧技术等。采用这种中心分级贫油燃烧的组织方式，可以有效地控制NOx，CO，UHC 等污染排放物，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，基本采用燃油喷点在周向均布的方式，但发明人发现，这种均布的喷射方式仍未能很好地解决分级点附近燃烧效率低下、油气混合依旧不充分、不均匀以及出口温度分布不均等问题。同时，对于长寿命、低排放燃烧室，需要同时考虑到燃烧室低排放以及燃烧室出口温度分布的要求，对于一般中心分级燃烧室，通常为了降低污染排放要求主燃级油气混合的越均匀越好，但混合均匀的油气，极易导致振荡燃烧。

综上，本领域需要解决分级点附近燃烧效率低下、油气混合不充分、不均匀以及出口温度分布不均等问题，解决降低污染排放和振荡燃烧之间的矛盾，因此需提出新的燃烧室结构以组织燃烧，在降低NOx、CO、UHC和SMOKE 等污染排放的同时有效地抑制振荡燃烧和改善点火性能。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种燃烧室。

本实用新型的一个目的是提供一种航空发动机。

根据本实用新型一个方面的一种燃烧室，包括周向分布的多个燃烧室头部以及点火电嘴，所述多个燃烧室头部的每一个包括位于中心的预燃级燃油喷射装置以及位于外侧的主燃级燃油喷射装置；在所述多个燃烧室头部中，与所述点火电嘴最接近的燃烧室头部还包括：中间级燃油喷射装置，位于所述主燃级与预燃级之间，包括中间级燃油喷嘴和空气流路，所述中间级燃油喷嘴朝向所述点火电嘴设置。

在所述燃烧室的实施例中，具有所述中间级燃油喷射装置的燃烧室头部的周向位置对应燃烧室的点火电嘴的周向位置。

在所述燃烧室的实施例中，所述中间级燃油喷嘴与点火电嘴的距离相比于所述主燃级燃油喷射装置以及所述预燃级燃油喷射装置的燃油喷嘴与点火电嘴的距离更近。

在所述燃烧室的实施例中，所述中间级燃油喷嘴的燃油喷射方向与轴向的角度α为5°<α<60°。

在所述燃烧室的实施例中，所述燃油喷射方向所在直线与所述点火电嘴相交。

在所述燃烧室的实施例中，所述中间级燃油喷嘴包括位于其中心的喷射通道以及周向围绕所述喷射通道设置的空气流道。

在所述燃烧室的实施例中，所述主燃级燃油喷射装置还包括主燃级通道以及主燃级旋流器，所述主燃级旋流器用于产生旋转气流将其喷嘴喷出的燃油雾化，所述主燃级通道用于提供雾化的燃油与空气预混合的空间；所述预燃级燃油喷射装置还包括预燃级旋流器，用于产生旋转气流将预燃级喷嘴喷出的燃油雾化。

在所述燃烧室的实施例中，第一油路，与所述主燃级燃油喷射装置的喷嘴相连，用于向其供油；第二油路，包括主路与支路，分别与所述预燃级燃油喷射装置以及中间级燃油喷射装置的喷嘴相连，并分别用于向两者供油。

根据本实用新型的另一方面的一种航空发动机，包括以上任意一项所述的燃烧室。

本实用新型的进步效果至少包括下列之一：

1.采用了中心分级燃烧策略，可以根据实际的推力需求，选择其中的一级或多级工作来满足推力的需要；

2.中间级处于主燃级和预燃级之间，中间级燃烧产生的热量可以被主燃级和预燃级利用，可以在燃烧室起动时改善点火联焰性能，以及在中低工况下起到稳定火焰的作用；

3.中间级可以采用直接喷射的方式，在地面或者高空点火状态可以辅助点火，有利于提高点火性能，同时点火电嘴对应的两个燃烧室头部进行局部的加富可以改善相邻头部之间的联焰；

4.中间级在中低工况下的稳定火焰作用，可以取消在进场状态下的主油的周向分级，达到优化进场状态下的出口温度分布；

5.结构简单紧凑，中间级燃油喷射装置的油路可以作为预燃级油路的分支，燃油可以从预燃级喷射装置的油路引流，最大程度简化燃油管路的构造。

6.不同工况下发动机运行稳定，燃油经济性好，排放降低。

附图说明

本实用新型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是燃烧室头部的一种实施例的结构剖视示意图。

图2是根据图1的燃烧室头部的中间级燃油喷嘴的结构示意图。

图3是根据图1的燃烧室头部的A-A向示意图。

图4是燃烧室头部的分布的一种实施例的结构示意图。

图5是中间级燃油喷射装置与点火电嘴的位置关系的一种实施例的示意图。

部分附图标记说明：

2-主燃级通道

3-主燃级旋流器

4-主燃级燃油喷嘴

5-中间级空气流路

6-中间级燃油喷嘴

7-预燃级旋流器

8-预燃级燃油喷嘴

11至26-燃烧室头部

32、33-点火电嘴

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，并非是对本实用新型的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，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实用新型保护范围的限制。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。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“一些实施例”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。

在下述实施例中，以航空发动机的燃烧室为燃烧室的示例。参考图1、图 3以及图4，在一些实施例中，燃烧室10包括周向分布的多个燃烧室头部11 至26，以及点火电嘴32、33，如图1所示，燃烧室头部包括位于中心预燃级燃油喷射装置(以下简称预燃级)和位于外侧的主燃级燃油喷射装置(以下简称主燃级)；预燃级也常称为值班级，通常处于常开状态，用于起动和增加火焰稳定性能，一些实施例中，预燃级如图1所示，可以包括预燃级旋流器7和预燃级喷嘴8；预燃级燃油喷嘴8将液态燃油喷入燃烧室，在预燃级旋流器7 的作用下边蒸发边燃烧，预燃级主要以扩散燃烧的方式起到稳定火焰的作用。而主燃级通常在低工况下关闭，在其它工况下开启为燃烧室提供主要能量的一级，主燃级如图1所示可以包括主燃级通道2，主燃级旋流器3，主燃级燃油喷嘴4；主燃级的燃油喷射采用周向多点喷射，喷射点周向均布，喷入的燃油在主燃级旋流器3出口形成的旋转气流作用下雾化蒸发，并经过主燃级通道 22进入燃烧室。容易理解的，主燃级与预燃级还存在其它类型的具体结构以及部件，不以上述介绍为限。

继续参考图1、图3以及图4，与所述点火电嘴32、33最接近的燃烧室头部，即图4所示的燃烧室头部16、21，除了主燃级、预燃级以外，还包括中间级燃油喷射装置(以下简称中间级)，位于主燃级与预燃级之间，包括中间级燃油喷嘴6以及中间级空气流路5，如图5所示，燃烧室头部16的中间级燃油喷嘴6朝向点火电嘴设置，即喷嘴6喷射出的燃油朝向点火电嘴运动，而非远离点火电嘴。如此设置的有益效果在于，中间级处于主燃级和预燃级之间，中间级燃烧产生的热量可以被主燃级和预燃级利用，可以在燃烧室起动时改善点火联焰性能，以及在中低工况下起到稳定火焰的作用；具体地，同时，中间级可以采用直接喷射的方式，在地面或者高空点火状态可以辅助点火，有利于提高点火性能。对于燃烧室整体的燃烧反应而言，点火电嘴最接近的两个燃烧室头部16、21设置中间级，可以进行局部的加富改善相邻头部之间的联焰。同时，中间级在中低工况下的稳定火焰作用，可以取消在进场状态下的主油的周向分级，达到优化进场状态下的出口温度分布。

如图4以及图5所示，在一些实施例中，点火电嘴最接近的燃烧室头部的结构的例子可以是点火电嘴32、33与燃烧室头部16、21两者的周向位置对应，仅在图4所示的径向以及图5所示的轴向的位置不同。如此可以使得中间级燃油喷嘴6更为接近点火电嘴32，进一步增强燃油液滴穿透至点火电嘴附近的能力。

参考图1以及图5，在一些实施例中，中间级燃油喷嘴6与点火电嘴的距离相比于主燃级燃油喷嘴4以及所述预燃级燃油喷嘴8与点火电嘴32的距离更近，如此也可以达到进一步增强燃油液滴穿透至点火电嘴附近的能力的技术效果。

如图2所示，在一些实施例中，中间级燃油喷嘴6的燃油喷射方向与轴向的角度α为5°<α<60°，如此设置的有益效果在于可以更为充分地将中间级燃烧产生的热量被主燃级以及预燃级利用。进一步地，在一些实施例中，如图 5所示，燃油喷射方向的例子可以是，燃油喷射方向所在直线L₁与点火电嘴 32相交，如此达到更加的液滴穿透效果。

继续参考图2，在一些是实例中，中间级燃油喷嘴6包括位于其中心的喷射通道64以及周向围绕喷射通道64设置的空气流道63，燃油从喷射通道64 喷出，如此设置的有益效果在于，而空气流道63可以在喷射通道64的周向引入辅助雾化的空气，辅助燃油的雾化，并有利于在喷嘴压降比较小的情况下的燃油液滴的穿透，可以辅助液滴穿透的更远。

另外，在一些实施例中，如图1所示，燃烧室的供油管路的例子可以是，供油管路包括与主燃级燃油喷嘴4相连并向其供油的第一油路41以及第二油路，第二油路包括分别与预燃级燃油喷嘴8相连并向其供油的主路81以及与以及中间级燃油喷嘴6相连并向其供油的支路61。采用将中间级的供油油路可作为预燃级供油油路的分支的结构，即中间级燃油喷嘴6的燃油可以从预燃级油路引流，最大程度简化燃油管路的构造，降低了燃油管路的复杂性。

综上，采用上述实施例的燃烧室以及航空发动机的有益效果至少包括：

1.采用了中心分级燃烧策略，可以根据实际的推力需求，选择其中的一级或多级工作来满足推力的需要；

2.中间级处于主燃级和预燃级之间，中间级燃烧产生的热量可以被主燃级和预燃级利用，可以在燃烧室起动时改善点火联焰性能，以及在中低工况下起到稳定火焰的作用；

3.中间级可以采用直接喷射的方式，在地面或者高空点火状态可以辅助点火，有利于提高点火性能，同时点火电嘴对应的两个燃烧室头部进行局部的加富可以改善相邻头部之间的联焰；

4.中间级在中低工况下的稳定火焰作用，可以取消在进场状态下的主油的周向分级，达到优化进场状态下的出口温度分布；

5.结构简单紧凑，中间级燃油喷射装置的油路可以作为预燃级油路的分支，燃油可以从预燃级喷射装置的油路引流，最大程度简化燃油管路的构造。

6.不同工况下发动机运行稳定，燃油经济性好，排放降低。

本实用新型虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃烧室，包括周向分布的多个燃烧室头部以及点火电嘴，所述多个燃烧室头部的每一个包括位于中心的预燃级燃油喷射装置以及位于外侧的主燃级燃油喷射装置；其特征在于，在所述多个燃烧室头部中，与所述点火电嘴最接近的燃烧室头部还包括：

中间级燃油喷射装置，位于所述主燃级与预燃级之间，包括中间级燃油喷嘴和空气流路，所述中间级燃油喷嘴朝向所述点火电嘴设置。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，具有所述中间级燃油喷射装置的燃烧室头部的周向位置对应燃烧室的点火电嘴的周向位置。

3.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述中间级燃油喷嘴与点火电嘴的距离相比于所述主燃级燃油喷射装置以及所述预燃级燃油喷射装置的燃油喷嘴与点火电嘴的距离更近。

4.如权利要求2或3所述的燃烧室，其特征在于，所述中间级燃油喷嘴的燃油喷射方向与轴向的角度α为5°<α<60°。

5.如权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述燃油喷射方向所在直线与所述点火电嘴相交。

6.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述中间级燃油喷嘴包括位于其中心的喷射通道以及周向围绕所述喷射通道设置的空气流道。

7.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，

所述主燃级燃油喷射装置还包括主燃级通道以及主燃级旋流器，所述主燃级旋流器用于产生旋转气流将其喷嘴喷出的燃油雾化，所述主燃级通道用于提供雾化的燃油与空气预混合的空间；

所述预燃级燃油喷射装置还包括预燃级旋流器，用于产生旋转气流将预燃级喷嘴喷出的燃油雾化。

8.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，还包括：

第一油路，与所述主燃级燃油喷射装置的喷嘴相连，用于向其供油；

第二油路，包括主路与支路，分别与所述预燃级燃油喷射装置以及中间级燃油喷射装置的喷嘴相连，并分别用于向两者供油。

9.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的燃烧室。