一種可拓寬穩(wěn)定工作范圍的回流燃燒室的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)回流燃燒室的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可拓寬穩(wěn)定工作范圍的回流燃燒室。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展要求作為部件之一的燃燒室需要在更為寬泛的工況范圍內(nèi)進(jìn)行工作。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率和推力的不斷提高，燃燒室需要在高工況下以很高的油氣比可靠工作，還必須保證在低工況下以很低的油氣比能夠穩(wěn)定工作。高油氣比意味著燃燒室燃?xì)鉁囟鹊纳?，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，出口溫度場(chǎng)必須更為均勻。而低工況低油氣比下穩(wěn)定工作則要求燃燒室內(nèi)存在富油的區(qū)域以保證在燃油較少時(shí)燃燒室不會(huì)熄火，富油意味著燃燒室內(nèi)溫度存在不均勻性。高工況和低工況之間出口溫度場(chǎng)的均勻性矛盾是寬工作范圍燃燒室必須解決的難題。
[0003]回流環(huán)形燃燒室在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟。許多現(xiàn)役或發(fā)展中的發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)都使用回流環(huán)形燃燒室。如加拿大普惠公司的PT6系列、JT15D發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)霍尼韋爾T53、T55系列發(fā)動(dòng)機(jī)，法國(guó)賽峰所屬透博梅卡公司的TM333、RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)，德國(guó)慕尼黑發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪聯(lián)合公司、法國(guó)透博梅卡公司和英國(guó)羅爾斯羅伊斯公司聯(lián)合組成的合資企業(yè)研制生產(chǎn)的MTR390、美國(guó)輕型直升機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司(LHTEC)聯(lián)合公司研制的T800發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于回流燃燒室來說，由于發(fā)動(dòng)機(jī)總體流路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局，回流燃燒室內(nèi)外環(huán)形通道內(nèi)的空氣流量和流速相差較大，外環(huán)腔氣流與火焰筒內(nèi)主流的流向相反，而內(nèi)環(huán)腔氣流與火焰筒內(nèi)主流的流向相同，導(dǎo)致進(jìn)入火焰筒內(nèi)的補(bǔ)燃摻混射流不對(duì)稱，小孔的流量系數(shù)和空氣流量分配與直流燃燒室有所不同。氣流沿火焰筒管長(zhǎng)度(從頭部算起)逆向流動(dòng)，外環(huán)腔氣流靜壓緩慢下降，而直流燃燒室是逐漸上升的，但回流內(nèi)環(huán)腔沿火焰筒管長(zhǎng)度氣流靜壓緩慢上升。此外，逆向平行流中壁面孔流量系數(shù)比平行同向流中的要大。這些都是流動(dòng)不對(duì)稱和火焰筒壁內(nèi)外逆向流動(dòng)帶來的影響。流動(dòng)的不對(duì)稱性會(huì)影響火焰筒頭部燃燒的穩(wěn)定性，同時(shí)會(huì)使得出口溫度分布品質(zhì)的惡化。
[0004]單油路壓力離心噴噴嘴被廣泛用于各種回流燃燒室火焰筒頭部，如PT6系列、PW200、JT15D、ATF3，空氣霧化噴嘴至適用于帶有空氣旋流器的火焰筒頭部，如PLT27、T800、PLT27、GAM500，蒸發(fā)管式噴嘴只適用于無空氣旋流器的火焰筒頭部，如RTM322、T53、T55系列、TM333、TM319。單油路離心噴嘴的點(diǎn)火性能較好，但低油壓下霧化差，因此要求供油壓力高，噴嘴流量數(shù)會(huì)設(shè)計(jì)得比較小，流量數(shù)偏小會(huì)導(dǎo)致大工況燃油流量較大時(shí)下油壓過高，一方面會(huì)造成油路的密封設(shè)計(jì)上的困難，另一方面供給油泵的工作油壓的上限限制會(huì)使得燃油流量有一個(gè)上限值。因此單油路離心噴嘴的供油流量較小，造成上限調(diào)節(jié)范圍較窄，從而使得燃燒室大工況時(shí)燃油流量較小?？諝忪F化噴嘴在低油壓下工作性能較好，但在空氣壓降較低是霧化質(zhì)量差，點(diǎn)火性能差。蒸發(fā)管式噴嘴發(fā)煙少，對(duì)燃油變化不敏感，但其穩(wěn)定燃燒范圍窄，點(diǎn)火性能差，大工況下霧化質(zhì)量差。隨著燃燒室所需的穩(wěn)定工作范圍的擴(kuò)大，上述三種供油霧化方式可能無法滿足燃燒室設(shè)計(jì)的需要。
[0005]中國(guó)的北京航空航天大學(xué)對(duì)回流燃燒室申請(qǐng)了 201310244865.8專利，采用傳統(tǒng)的單油路旋流杯式空氣霧化噴嘴，保留了主燃孔設(shè)計(jì)，省去了燃燒的摻混孔。通過翻邊主燃孔使內(nèi)外環(huán)氣流對(duì)切射入火焰筒，與頭部氣流旋向一致，增強(qiáng)氣液混合以達(dá)到降低排放的目的。傳統(tǒng)的單油路設(shè)計(jì)使得燃燒室的穩(wěn)定工作范圍較窄，無摻混孔的設(shè)計(jì)則可能使燃燒室的出口溫度分布品質(zhì)惡化。
[0006]以上技術(shù)背景說明回流燃燒室在穩(wěn)定工作范圍的擴(kuò)展方面可以有改進(jìn)的空間。本發(fā)明為針對(duì)拓寬燃燒室的穩(wěn)定工作范圍并保證其出口溫度分布均勻性的新技術(shù)。采用壓力離心霧化+預(yù)旋預(yù)膜空氣霧化的混合霧化方式，通過主副雙油路的燃料供給方式，解決小工況和大工況下燃料的霧化問題。使用帶有缺口帽罩的的外環(huán)火焰筒主燃孔和摻混孔，保證火焰筒頭部火焰的穩(wěn)定性，并有利于出口溫度分布的均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種可拓寬穩(wěn)定工作范圍的燃燒技術(shù)應(yīng)用于回流燃燒室。該技術(shù)在拓寬燃燒室穩(wěn)定工作范圍的同時(shí)，保證了出口溫度分布的均勻性。
[0008]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種可拓寬穩(wěn)定工作范圍的回流燃燒室，包括環(huán)形燃燒室機(jī)匣、擴(kuò)壓器與環(huán)形火焰筒，環(huán)形火焰筒由火焰筒頭部端壁、設(shè)置在火焰筒頭部端壁上的頭部霧化裝置、火焰筒外壁、火焰筒內(nèi)壁和大彎管壁組成；火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁上都設(shè)置有主燃孔和摻混孔，頭部端壁、火焰筒外壁、火焰筒內(nèi)壁和大彎管壁存在冷卻結(jié)構(gòu)，燃料供給采用主副雙油路方式；頭部霧化裝置采用中心壓力離心霧化方式霧化副油路燃料，中心軸向外圍采用先預(yù)旋后預(yù)膜空氣霧化的混合霧化方式霧化主油路燃料；火焰筒外壁上的主燃孔和摻混孔外圍設(shè)置有帶有缺口形狀的帽罩。
[0009]其中，燃燒室火焰筒頭部霧化裝置沿周向均勻分布，個(gè)數(shù)范圍為12?24個(gè)。
[0010]其中，火焰筒外壁上的主燃孔和內(nèi)壁上的主燃孔、外壁上的摻混孔和內(nèi)壁上的摻混孔與火焰筒頭部端壁的軸向距離相同，且沿著火焰筒外壁和內(nèi)壁均勻排布。
[0011]其中，全環(huán)主燃孔和摻混孔的個(gè)數(shù)可以為火焰筒頭部霧化裝置個(gè)數(shù)的2倍、3倍或者4倍，周向排布沿著火焰筒頭部霧化裝置軸線對(duì)稱。
[0012]其中，火焰筒外壁上的主燃孔和摻混孔外圍設(shè)置有帶有缺口形狀的帽罩，其缺口朝向背對(duì)空氣來流方向，帽罩形狀可以是球形、圓柱形、圓錐形或者長(zhǎng)方體形，缺口形狀可以是矩形、圓形或者是其他特殊形狀。
[0013]其中，主燃孔和摻混孔的形狀可以是圓形、矩形、三角形、多邊形或者其他形狀。
[0014]其中，頭部霧化裝置所采用中心壓力霧化方式由副油路單油路離心噴嘴實(shí)現(xiàn)；頭部霧化裝置中心軸向外圍所采用的先預(yù)旋后預(yù)膜空氣霧化的混合霧化方式由主油路預(yù)旋預(yù)膜空氣霧化噴嘴實(shí)現(xiàn)；頭部霧化裝置還包括供油桿、內(nèi)旋流組件和外旋流組件。
[0015]其中，副油路單油路離心噴嘴包括供油路內(nèi)環(huán)油路和離心噴嘴組件組成；主油路預(yù)旋預(yù)膜空氣霧化噴嘴包括供油路外環(huán)油路、內(nèi)旋流組件前端的第一環(huán)形集油腔，通過內(nèi)旋流組件上設(shè)置有圓形長(zhǎng)通孔連通的第二環(huán)形集油腔、旋流槽、旋流槽之間貫通的第三環(huán)形集油腔，文氏管。
[0016]其中，頭部霧化裝置在頭部端壁上的安裝方式可以是焊接、頭部定位環(huán)固定或螺紋連接。
[0017]其中，內(nèi)旋流組件的結(jié)構(gòu)形式可以是軸向孔、軸向槽道、徑向孔、徑向槽道、斜切孔、斜切槽道，或者是上述任意結(jié)構(gòu)形式的組合形式，旋流數(shù)可以在0.1至2.0之間變化；外旋流組件的結(jié)構(gòu)形式可以是徑向孔，徑向槽道，徑向直葉片或者徑向曲葉片，旋流數(shù)在0.1-2.0 之間。
[0018]本發(fā)明的原理:如圖1-5所示，環(huán)形燃燒室機(jī)匣I與環(huán)形火焰筒3成單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，高壓空氣通過燃燒室機(jī)匣前端的環(huán)形擴(kuò)壓器2進(jìn)入燃燒室環(huán)腔，火焰筒3由火焰筒頭部端壁4、頭部霧化裝置5、火焰筒外壁6，火焰筒內(nèi)壁7和大彎管壁8組成；火焰筒外壁6和火焰筒內(nèi)壁7上都設(shè)置有主燃孔9、摻混孔10和冷卻結(jié)構(gòu)11。環(huán)腔內(nèi)空氣經(jīng)由頭部霧化裝置5、主燃孔9、摻混孔10和火焰筒冷卻結(jié)構(gòu)11進(jìn)入火焰筒3內(nèi)部?；鹧嫱?內(nèi)空氣與燃料充分混合燃燒，高溫燃?xì)饨?jīng)過主燃孔9補(bǔ)燃和摻混孔10摻混冷卻之后由火焰筒出口進(jìn)入渦輪。擴(kuò)壓器2流出的空氣經(jīng)過兩個(gè)180°轉(zhuǎn)彎之后離開燃燒室。頭部霧化裝置5采用中心壓力離心霧化副油路燃料+中心軸向外圍先預(yù)旋后預(yù)膜空氣霧化主油路燃料的雙油路混合霧化方式?；鹧嫱餐獗?上的主燃孔9和摻混孔10存在有缺口形狀的帽罩12，可以使得主燃孔9和摻混孔10進(jìn)氣方式產(chǎn)生變化，避免了外環(huán)腔空氣經(jīng)過大孔之后流向火焰筒3頭部，影響燃燒穩(wěn)定性，保證內(nèi)外孔射流對(duì)稱性，有利于出口燃?xì)鉁囟确植嫉木鶆蛐浴ｋp油路的頭部霧化裝置5的使用可以拓寬回流燃燒室的穩(wěn)定工作范圍，并顯著改善大工況下頭部的霧化和燃燒性能，同樣有利于改善出口燃?xì)鉁囟确植嫉木鶆蛐浴?br>[0019]所述燃燒室火焰筒頭部霧化裝置5沿周向均勻分布，個(gè)數(shù)為12-24個(gè)。頭部霧化裝置所分配的空氣流量為燃燒室總進(jìn)氣量的10% -70%?；鹧嫱餐獗?主燃孔9與內(nèi)壁7主燃孔9、火焰筒外壁6摻混孔10與內(nèi)壁7摻混孔10與火焰筒頭部霧化裝置5的軸向距離相同，且沿著火焰筒內(nèi)外環(huán)形壁面均勻排布。全環(huán)主燃孔9的個(gè)數(shù)可以為火焰筒頭部霧化裝置5個(gè)數(shù)的2倍、3倍或者4倍，周向排布沿著頭部霧化裝置5中心