專利名稱：一種預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒組織方式的航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，采用該預(yù)
混預(yù)蒸發(fā)燃燒組織方式的燃燒室結(jié)構(gòu)簡單，在保證燃燒室高效穩(wěn)定工作的同時，能夠降低燃燒的污染排放。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)燃燒室的基本性能和結(jié)構(gòu)分布已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，但是對于現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)燃燒室來說，仍在存在大量的難題和挑戰(zhàn)，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新概念的發(fā)展應(yīng)用才是保證其持續(xù)進(jìn)步的源泉。 現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)燃燒室的主要發(fā)展趨勢是低污染燃燒。航空發(fā)動機(jī)燃燒室必須滿足日益嚴(yán)格的航空發(fā)動機(jī)污染排放標(biāo)準(zhǔn)。目前采用的CAEP4(Committee on AviationEnvironmentalProtection)標(biāo)準(zhǔn)的要求已經(jīng)非常嚴(yán)格，特別是對N0x污染排放要求，而隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，以后的要求將更為嚴(yán)格。 美國航空發(fā)動機(jī)的兩個著名公司GE和PW對低污染燃燒室已經(jīng)著手研究，GE首先研發(fā)了雙環(huán)腔低污染燃燒DAC(用于GE90和CFM56) ， PW公司采用了類RQL(富油燃燒-快熄-貧油燃燒，Rich burn-Quench-Lean burn，簡稱RQL)低污染燃燒室TALON II(用于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃燒室方面，GE公司采用LDM(Lean DirectMixingCombustion,貧油直接混合燃燒室)技術(shù)為其GEnx發(fā)動機(jī)研制的TAPS(TwinAn皿larPremixing Swirler)低污染燃燒室。該燃燒室已經(jīng)進(jìn)入整機(jī)驗(yàn)證階段，即將取證，在臺架全環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證中，N0x污染排放比CAEP2排放標(biāo)準(zhǔn)降低了 50% 。 PW公司繼續(xù)采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃燒室為TALON X，采用的頭部形式是PW公司發(fā)展的空氣霧化噴嘴，燃燒室為單環(huán)腔，在V2500發(fā)動機(jī)扇型試驗(yàn)段上的試驗(yàn)結(jié)果比CAEP2標(biāo)準(zhǔn)降低了50%。 Rolls-Royce公司采用LDM技術(shù)發(fā)展的低污染燃燒室是ANTLE，該燃燒室是一個單環(huán)腔分級燃燒室，其NOx污染排放比CAEP2標(biāo)準(zhǔn)降低了 50% ，用于其新一代發(fā)動機(jī)湍達(dá)1000。
而不管是何種先進(jìn)的低污染燃燒室，其關(guān)鍵技術(shù)就是降低NOX (氮氧化物)、C0 ( —氧化碳)、UHC(未燃碳?xì)浠衔?和冒煙的燃燒技術(shù)，核心問題是降低燃燒區(qū)的溫度、同時使燃燒區(qū)溫度場均勻，即整體和局部的當(dāng)量比控制，而主燃區(qū)當(dāng)量比的均勻性又主要取決于燃油霧化和油氣摻混的均勻性。 本發(fā)明是針對航空發(fā)動機(jī)低污染燃燒的新方法。根據(jù)NOx與CO產(chǎn)生的機(jī)理及試驗(yàn)結(jié)果可知燃燒室的主燃區(qū)當(dāng)量比在0. 6 0. 8范圍內(nèi)產(chǎn)生的NOx與CO(UHC和CO的排放規(guī)律類似)很少?；诖嗽?，要兼顧NOx與CO、UHC的排放量都處于低值范圍，應(yīng)考慮兩個因素其一是主燃區(qū)的平均當(dāng)量比，其二是主燃區(qū)平均當(dāng)量比的均勻性，并且在所有航空發(fā)動機(jī)的工作情況下都應(yīng)如此。而主燃區(qū)當(dāng)量比的均勻性又主要取決于燃油霧化和油氣摻混的均勻性。這主要取決于兩方面一是燃油顆粒直徑分布的均勻性，即SMD的分布均勻性；二則是燃油油霧濃度分布的均勻性。從燃燒方式講，應(yīng)采用均勻的預(yù)混燃燒，達(dá)到主燃區(qū)當(dāng)量比均勻性要求以降低污染排放。
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目前的常規(guī)燃燒方式無法降低NOx、 CO和UHC。原因是目前燃燒室的設(shè)計方法所決定的。對于常規(guī)燃燒室來說，在高功率狀態(tài)時，由于采用液霧擴(kuò)散燃燒方式，燃燒區(qū)局部當(dāng)量比總是在1附近，遠(yuǎn)超過上述低污染燃燒所需當(dāng)量比范圍要求，此時雖然CO和UHC的排放低，但N0x的排放達(dá)到最大。在低功率狀態(tài)時，燃燒區(qū)當(dāng)量比又很低，遠(yuǎn)低于上述低污染燃燒所需當(dāng)量比區(qū)間，此時雖然N0x排放低，但CO和UHC排放又很高。另外，由于常規(guī)燃燒室普遍采用擴(kuò)散燃燒方式，局部當(dāng)量比非常不均勻，因此對于常規(guī)燃燒室來說，無法滿足在整個發(fā)動機(jī)工作范圍內(nèi)的低污染要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題提供一種采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒組織方式的航空發(fā)動機(jī)燃燒室，該燃燒室在滿足航空發(fā)動機(jī)的工作條件下，能有效的降低航空發(fā)動機(jī)燃燒室燃燒的污染排放，包括N0x、冒煙、CO及UHC，且結(jié)構(gòu)簡單。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級燃燒的概念設(shè)計，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級和主燃級供入，預(yù)燃級采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒組織方式，主燃級采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒組織方式，冷卻氣和摻混氣從火焰筒供入。預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室主要由分流式擴(kuò)壓器、燃燒室外機(jī)匣、燃燒室內(nèi)機(jī)匣、燃油噴嘴、火焰筒頭部、火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁組成?；鹧嫱差^部由預(yù)燃級和主燃級組成預(yù)燃級包括預(yù)燃級旋流器組件、預(yù)燃級噴嘴、預(yù)燃級頭部端壁和預(yù)燃級頭部內(nèi)導(dǎo)流板，預(yù)燃級利用由預(yù)燃級旋流器組件進(jìn)入燃燒室的旋流空氣產(chǎn)生的低速回流區(qū)穩(wěn)定火焰，預(yù)燃級旋流器組件通過預(yù)燃級頭部端壁與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)相連接，預(yù)燃級噴嘴位于預(yù)燃級旋流器組件內(nèi)，并與預(yù)燃級旋流器組件同軸；主燃級包括主燃級噴嘴、主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段、主燃級頭部整體端壁和主燃級頭部整體導(dǎo)流板，主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段由主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)、主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)壓板、主燃級噴嘴浮動外環(huán)、主燃級噴嘴浮動外環(huán)壓板、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)、主燃級出口導(dǎo)流支撐組成，主燃級噴嘴和主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)位于主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)和主燃級噴嘴浮動外環(huán)之間，并與預(yù)燃級噴嘴同軸，主燃級噴嘴采用在同一圓周上設(shè)置多個噴射點(diǎn)的多點(diǎn)噴射方式，主燃級所需的燃油由主燃級噴嘴噴出后，首先在主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)的氣流作用下霧化形成油氣混合氣，然后流入預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段，油氣混合氣在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段中蒸發(fā)，并與空氣進(jìn)一步摻混，在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段的出口處形成均勻的油氣混合氣射流進(jìn)入火焰筒，在預(yù)燃級火焰的引燃下進(jìn)行燃燒。燃油噴嘴由預(yù)燃級噴嘴、主燃級噴嘴和燃油噴嘴座組成，預(yù)燃級噴嘴和主燃級噴嘴都連接在燃油噴嘴座上，并通過燃油噴嘴座與燃燒室外機(jī)匣相連。 本發(fā)明的原理是一般而言，航空發(fā)動機(jī)燃燒室低污染排放的實(shí)現(xiàn)主要就是通過兩方面，一是控制整個燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)域的總體當(dāng)量比范圍；二則是控制燃燒室內(nèi)整個燃燒區(qū)域的燃燒均勻性，即當(dāng)量比均勻性，因?yàn)榫植扛挥投鴮?dǎo)致的局部當(dāng)量比過大也會大大增加發(fā)動機(jī)的污染排放。根據(jù)上述原理并且考慮到航空發(fā)動機(jī)燃燒室的工作特點(diǎn)，本發(fā)明采用分級燃燒的設(shè)計思想，使燃燒用氣分別從預(yù)燃級和主燃級供入燃燒室，并將燃油進(jìn)行分級供入，控制燃油在燃燒區(qū)內(nèi)的當(dāng)量比在航空發(fā)動機(jī)不同工作狀態(tài)下都在低污染燃燒區(qū)內(nèi)，從而達(dá)到降低燃燒污染排放物的目的。預(yù)燃級在慢車等小狀態(tài)下啟動，保持小狀態(tài)時燃燒區(qū)的當(dāng)量比落在上述低污染燃燒當(dāng)量比區(qū)間內(nèi)，并且使燃燒的穩(wěn)定性好，容易啟動。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在大狀態(tài)時才啟動主燃級，主燃級采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒組織方式，控制燃燒區(qū)的
當(dāng)量比在上述低污染燃燒當(dāng)量比區(qū)間。采用上述低污染燃燒室，可確保航空發(fā)動機(jī)燃燒室
在所有的工作狀態(tài)下，燃燒區(qū)的當(dāng)量比都控制在低污染燃燒的區(qū)間內(nèi)，同時可以通過控制
主燃級油霧均勻度、混合度和蒸發(fā)度來控制燃燒區(qū)的當(dāng)量比均勻度，從而達(dá)到航空發(fā)動機(jī)
低污染燃燒室污染排放低、穩(wěn)定性好的性能要求。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)如下 (1)本發(fā)明的燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級燃燒的概念設(shè)計，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級和主燃級供入，火焰筒沒有主燃孔，冷卻氣和摻混氣從火焰筒供入，增加燃燒室功效的同時簡化燃燒室結(jié)構(gòu)。
(2)本發(fā)明的主燃級采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的燃燒組織方式。預(yù)混預(yù)蒸發(fā)可以使燃油與
空氣混合均勻，形成均勻的油氣混合氣射流。當(dāng)這股均勻的油氣混合氣射流相遇被點(diǎn)燃后，
油氣混合氣可以在極短的時間內(nèi)燃燒完全，從而降低燃燒室的污染排放。
(3)本發(fā)明的預(yù)燃級采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒組織方式，主燃級采用預(yù)混預(yù)
蒸發(fā)燃燒組織方式，這種組合燃燒模式可以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)燃燒室在寬廣的工作范圍內(nèi)高
效穩(wěn)定的工作，同時可以實(shí)現(xiàn)燃燒室低污染排放。


圖l為本發(fā)明的工作示意圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖3為本發(fā)明的火焰筒頭部結(jié)構(gòu)剖視圖；圖4為本發(fā)明的主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段組件結(jié)構(gòu)剖視圖；圖6為本發(fā)明的主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)和主燃級出口導(dǎo)流支撐結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)和主燃級出口導(dǎo)流支撐結(jié)構(gòu)剖視圖；圖8為本發(fā)明的預(yù)燃級組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明的預(yù)燃級組件結(jié)構(gòu)剖視圖；圖10為本發(fā)明的預(yù)燃級旋流器組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明的預(yù)燃級旋流器組件結(jié)構(gòu)剖視圖；圖12為本發(fā)明的具體實(shí)施方案火焰筒結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為本發(fā)明采用的燃油噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖；圖14為本發(fā)明采用的主燃級噴嘴結(jié)構(gòu)剖視圖；圖15為本發(fā)明采用的主燃級噴嘴噴射點(diǎn)布置示意圖。圖中1.燃燒室進(jìn)口氣流，2.火焰筒頭部氣流，3.燃燒室外環(huán)腔氣流，4.燃燒室內(nèi)
環(huán)腔氣流，5.燃燒室出口氣流，6.預(yù)燃級燃燒區(qū)域，7.主燃級燃燒區(qū)域，8.分流式擴(kuò)壓器，9.燃燒室外機(jī)匣，IO.燃燒室內(nèi)機(jī)匣，ll.燃油噴嘴，12.主燃級頭部整體端壁，13.主燃級頭部整體導(dǎo)流板，14.火焰筒頭部，15.火焰筒外壁，16.火焰筒內(nèi)壁，17.火焰筒外壁摻混孔，18.火焰筒內(nèi)壁摻混孔，19.發(fā)散冷卻孔，20.預(yù)燃級，21.主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段，22.預(yù)燃級旋流器組件，23.預(yù)燃級頭部端壁，24.預(yù)燃級頭部導(dǎo)流板，25.預(yù)燃級一級旋流器，26.預(yù)燃級一級旋流器壓板，27.預(yù)燃級二級旋流器，28.主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)，29.主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)，30.主燃級出口導(dǎo)流支撐，31.主燃級噴嘴浮動外環(huán)壓板，32.主燃級噴嘴浮動外環(huán)，33.主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)壓板，34.主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)，35.預(yù)燃級噴嘴，36.主燃級噴嘴，37.主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)，38.燃油噴嘴座，39.主燃級。
具體實(shí)施例方式
如圖1和圖2所示，本發(fā)明設(shè)計的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級燃燒的概念設(shè)計，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級和主燃級供入，預(yù)燃級采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒組織方式，主燃級采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的燃燒組織方式，冷卻氣和摻混氣從火焰筒供入。本燃燒室包含兩個燃燒區(qū)域——預(yù)燃級燃燒區(qū)域6和主燃級燃燒區(qū)域7，兩個燃燒區(qū)域共用相同的內(nèi)外邊界，燃燒區(qū)域的外邊界是火焰筒外壁15，燃燒區(qū)域的內(nèi)邊界是火焰筒內(nèi)壁16，環(huán)形的火焰筒外壁15和火焰筒內(nèi)壁16位于環(huán)形的燃燒室外機(jī)匣9和燃燒室內(nèi)機(jī)匣10之間。在火焰筒外壁15上安排有火焰筒外壁摻混孔17，在火焰筒內(nèi)壁16上安排有火焰筒內(nèi)壁摻混孔18，摻混用氣通過火焰筒外壁摻混孔17和火焰筒內(nèi)壁摻混孔18進(jìn)入燃燒室，用于調(diào)節(jié)燃燒室出口溫度分布?；鹧嫱餐獗?5和火焰筒內(nèi)壁16還安排有冷卻，冷卻方式可以采用氣膜冷卻、發(fā)散冷卻或復(fù)合冷卻方式，用于冷卻火焰筒壁面，保證燃燒室的壽命。在具體實(shí)施方案中，火焰筒外壁15和火焰筒內(nèi)壁16的冷卻方式采用發(fā)散冷卻，在火焰筒外壁15和火焰筒內(nèi)壁16開有發(fā)散冷卻孔19，發(fā)散冷卻孔19的示意如圖1和圖2所示。
在預(yù)燃級燃燒區(qū)域6的上游是火焰筒頭部14，火焰筒頭部14包括預(yù)燃級20和主燃級39，火焰筒頭部14如圖3所示。 主燃級39包括主燃級噴嘴36、主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)37、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21、主燃級頭部整體端壁12和主燃級頭部整體導(dǎo)流板13。主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21通過主燃級頭部整體端壁12與火焰筒外壁15和火焰筒內(nèi)壁13相連接，連接方式可以是焊接或螺紋或螺栓。主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21如圖4和圖5所示，由主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)34、主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)壓板33、主燃級噴嘴浮動外環(huán)32、主燃級噴嘴浮動外環(huán)壓板31、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)28和主燃級出口導(dǎo)流支撐30組成。主燃級出口導(dǎo)流支撐30 —方面起連接主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)28的作用，另一方面起調(diào)整經(jīng)過主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21氣流出口角度的作用。主燃級出口導(dǎo)流支撐30的葉片數(shù)量0《p《30，沿主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29的出口圓周均布，葉片的安裝角度為-90度 90度之間。具體實(shí)施方案，如圖4、圖5、圖6和圖7所示。安裝時，首先將主燃級出口導(dǎo)流支撐30與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29相連接，可采用的連接方式是整體制造或螺紋或螺栓或焊接；然后將二者的組合件，插入主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)30中，在保證主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)30同軸的前提下，使用整體制造或螺紋或螺栓或焊接的連接方式進(jìn)行連接；在保證主燃級噴嘴浮動外環(huán)壓板31與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)28同軸的同時，采用焊接或螺紋或螺栓連接的方式，使主燃級噴嘴浮動外環(huán)壓板31與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)28連接在一起，并且將主燃級噴嘴浮動外環(huán)32夾在主燃級噴嘴浮動外環(huán)壓板31與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)28之間；在保證主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)壓板33與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29同軸的同時，采用焊接或螺紋或螺栓連接的方式，使主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)壓板33與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29連接在一起，并且將主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)34夾在主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)壓板33與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29之間；在上述安裝步驟完成后，主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21的安裝完成。
預(yù)燃級20包括預(yù)燃級旋流器組件22、預(yù)燃級噴嘴35、預(yù)燃級頭部端壁23、預(yù)燃級頭部導(dǎo)流板24，預(yù)燃級20如圖8和圖9所示。預(yù)燃級旋流器組件22通過預(yù)燃級頭部端壁23與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29相連接。預(yù)燃級頭部端壁23與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29的連接方式可采用整體制造或螺紋或螺栓或焊接的方式。預(yù)燃級旋流器組件22采用的旋流器的級數(shù)1《n《5。每級旋流器可采用旋流器的結(jié)構(gòu)可以是軸向旋流器，也可以是徑向旋流器，也可以是切向旋流器。當(dāng)預(yù)燃級旋流器組件22的級數(shù)n = 1時，可采用焊接或螺栓或螺紋的連接方式將旋流器直接與預(yù)燃級頭部端壁23連接；當(dāng)預(yù)燃級旋流器組件18的級數(shù)1 < n《5時，在保證各級旋流器同軸的同時，采用焊接或螺栓或螺紋的連接方式將各級旋流器先連接成一個整體，組成預(yù)燃級旋流器組件22后再與預(yù)燃級頭部端壁23連接。在具體實(shí)施方案中，以預(yù)燃級旋流器組件22采用二級旋流器方案為例，如圖10和圖11所示，預(yù)燃級旋流器組件22包括預(yù)燃級一級旋流器25、預(yù)燃級一級旋流器壓板26和預(yù)燃級二級旋流器27。安裝時，首先采用整體制造或螺紋或螺栓或焊接的方式將預(yù)燃級頭部端壁23與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29連接在一起；然后將預(yù)燃級頭部導(dǎo)流板24采用螺紋或螺栓或焊接的方式與預(yù)燃級頭部端壁23相連接；在保證預(yù)燃級一級旋流器25與預(yù)燃級二級旋流器27同軸的同時，采用焊接或螺紋或螺栓連接的方式，使預(yù)燃級一級旋流器壓板26與預(yù)燃級二級旋流器27連接在一起，并且將預(yù)燃級一級旋流器25夾在預(yù)燃級一級旋流器壓板26與預(yù)燃級二級旋流器27之間，使三個部件連接成為一個整體組成預(yù)燃級旋流器組件22 ;然后采用焊接或螺紋或螺栓連接的方式將預(yù)燃級旋流器組件22固定到預(yù)燃級頭部端壁23上，通過預(yù)燃級頭部端壁23將預(yù)燃級旋流器組件22與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)29固定在一起，將預(yù)燃級旋流器組件22與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21連接固定在一起，從而完成預(yù)燃級旋流器組件22的安裝。 在主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21與預(yù)燃級旋流器組件22安裝完成后，在對應(yīng)位置插入主燃級噴嘴36和預(yù)燃級噴嘴35，從而完成火焰筒頭部14的安裝。 如圖1和圖2所示，預(yù)燃級噴嘴35與主燃級噴嘴36都安裝在燃油噴嘴座38上，組合成一個整體的燃油噴嘴ll，在完成火焰筒頭部14的安裝后，從燃燒室外機(jī)匣9的開口處伸入燃燒室中，插入對應(yīng)位置，從而完成燃燒室的安裝。預(yù)燃級噴嘴35可以是壓力霧化噴嘴，也可以是氣動霧化噴嘴，也可以是組合式噴嘴。預(yù)燃級噴嘴35與預(yù)燃級一級旋流器25相對應(yīng)，并且預(yù)燃級噴嘴35的軸線與預(yù)燃級一級旋流器25的軸線相重合。主燃級噴嘴36和主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)37位于主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)34和主燃級噴嘴浮動外環(huán)32之間，并與預(yù)燃級噴嘴35同軸。主燃級噴嘴36采用在同一圓周上設(shè)置多個噴射點(diǎn)的多點(diǎn)噴射方式，如圖15所示，噴射點(diǎn)的幾何形狀可以是圓形、矩形、噴射點(diǎn)的個數(shù)0 < n《300，單個噴射點(diǎn)的噴射線與預(yù)燃級噴嘴35的軸線間的夾角范圍為-90度 90度之間。主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)37起初步霧化和散布從主燃級噴嘴36噴射出的燃油的作用，采用軸向葉片式結(jié)構(gòu)，葉片的安裝角度為-90度 90度之間，葉片的數(shù)量0《m《300。主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)37可以存在也可以不存在當(dāng)其存在時，可以單獨(dú)存在于主燃級噴嘴36的內(nèi)環(huán)，也可以單獨(dú)存在于主燃級噴嘴36的外環(huán)，也可以同時存在于主燃級噴嘴36的內(nèi)環(huán)和外環(huán)。主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)37與主燃級噴嘴36的連接方式可以采用整體制造或焊接或螺紋或螺栓的形式。
8
燃燒室進(jìn)口氣流1進(jìn)入燃燒室后，經(jīng)過分流式擴(kuò)壓器8的減速擴(kuò)壓后分為三股火焰筒頭部氣流2、燃燒室外環(huán)腔氣流3和燃燒室內(nèi)環(huán)腔氣流4，以滿足燃燒室各部分對空氣流量的需求，合理組織燃燒室內(nèi)流場，便于高效穩(wěn)定的組織燃燒。 火焰筒頭部氣流2全部為燃燒用氣，占燃燒室進(jìn)口氣流1的40% 80%，除了0% 25%的火焰筒頭部氣流2被用于預(yù)燃級頭部端壁23和主燃級頭部整體端壁12的冷卻外，其余分別由預(yù)燃級20和主燃級39供入，用于預(yù)燃級20和主燃級39對應(yīng)燃油的霧化和燃燒，預(yù)燃級20所需氣量占全部燃燒氣量的10 % 40 % ，其余由主燃級39供入。預(yù)燃級20所需燃油經(jīng)預(yù)燃級噴嘴35噴出后，被來自預(yù)燃級旋流器組件22的空氣旋流剪切破碎，形成油霧，然后進(jìn)入由預(yù)燃級旋流器組件22的空氣旋流形成的低速回流區(qū)——預(yù)燃級燃燒區(qū)域6形成擴(kuò)散燃燒。預(yù)燃級噴嘴35可以是壓力霧化噴嘴，也可以是氣動霧化噴嘴，也可以是組合式噴嘴，預(yù)燃級噴嘴35的選擇依靠燃油在預(yù)燃級噴嘴35結(jié)合來自預(yù)燃級旋流器組件22的空氣旋流的共同作用下的霧化和散布效果決定霧化和散布效果越好，油霧分布越均勻，越利于在預(yù)燃級燃燒區(qū)域6內(nèi)組織高效穩(wěn)定低污染的燃燒。主燃級39所需的燃油經(jīng)主燃級噴嘴36噴出后，首先在經(jīng)過主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)37的氣流作用下霧化形成油氣混氣，然后流入主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21，霧化后的油氣混氣在主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21中進(jìn)一步霧化和散布，在主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21的出口處形成均勻的油氣混合氣射流，該油氣混合氣射流在預(yù)燃級火焰的引燃下被點(diǎn)燃，形成主燃級燃燒區(qū)域7。主燃級噴嘴36采用在同一圓周上設(shè)置多個噴射點(diǎn)的多點(diǎn)噴射方式，噴射點(diǎn)的幾何形狀可以是圓形、矩形、噴射點(diǎn)的個數(shù)0 < n《300，單個噴射點(diǎn)的噴射線與預(yù)燃級噴嘴35的軸線間的夾角范圍為_90度 90度之間。主燃級噴嘴36噴射點(diǎn)的形狀、個數(shù)和角度的選擇依靠燃油在主燃級噴嘴
36、 來自主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)37的霧化空氣和來自主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21的霧化摻混氣流的共同作用下，在主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21出口形成的油氣混合氣的均勻程度決定形成的油氣混合氣越均勻，越利于在主燃級燃燒區(qū)域7內(nèi)組織快速高效穩(wěn)定低污染的燃燒。
燃燒室外環(huán)腔氣流3包括火焰筒外壁13的冷卻用氣和火焰筒外壁摻混孔15的摻混用氣。燃燒室內(nèi)環(huán)腔氣流4包括火焰筒內(nèi)壁14的冷卻用氣和火焰筒內(nèi)壁摻混孔16的摻混用氣。其中火焰筒外壁13或火焰筒內(nèi)壁14的冷卻氣占燃燒室進(jìn)口氣流1的0% 20%，火焰筒外壁摻混孔15或火焰筒內(nèi)壁摻混孔16的摻混用氣占燃燒室進(jìn)口氣流1的10% 30%。 具體實(shí)施方案的燃燒室整體結(jié)構(gòu)和燃油噴嘴結(jié)構(gòu)如圖12、圖13、圖14和圖15所示。圖12為火焰筒結(jié)構(gòu)示意，圖13為此時采用的燃油噴嘴11的結(jié)構(gòu)示意，圖14為主燃級噴嘴36的結(jié)構(gòu)剖視圖，圖15為主燃級噴嘴36噴射點(diǎn)布置示意圖。如圖12所示，火焰筒頭部14通過主燃級頭部整體端壁12與火焰筒外壁15與火焰筒內(nèi)壁16相連接。火焰筒頭部14由預(yù)燃級20和主燃級39組成主燃級39包括主燃級噴嘴36、主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)
37、 主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21、主燃級頭部整體端壁12和主燃級頭部整體導(dǎo)流板13，主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21如圖4和圖5所示；預(yù)燃級20包括預(yù)燃級旋流器組件22、預(yù)燃級噴嘴35、預(yù)燃級頭部端壁23、預(yù)燃級頭部導(dǎo)流板24，預(yù)燃級旋流器組件22如圖10和ll所示。預(yù)燃級旋流器組件22與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21同軸，此時采用的燃油噴嘴11如圖13所示，預(yù)燃級噴嘴35與預(yù)燃級一級旋流器25相對，主燃級噴嘴36與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21對應(yīng)。當(dāng)航空發(fā)動機(jī)工作在低功率狀態(tài)時，燃燒室只有預(yù)燃級20供油，主燃級39只有空氣經(jīng)過而不供油，控制此時的油氣比在貧油范圍，在預(yù)燃級燃燒區(qū)6內(nèi)形成擴(kuò)散燃燒，從而保證了發(fā) 動機(jī)燃燒室可靠的穩(wěn)定性和起動特性，并降低CO和UHC污染排放。當(dāng)航空發(fā)動機(jī)工作在高 功率狀態(tài)時，預(yù)燃級20和主燃級39同時供油，預(yù)燃級20在預(yù)燃級燃燒區(qū)6內(nèi)形成擴(kuò)散燃 燒，主燃級39在預(yù)燃級燃燒區(qū)6的外圍形成主燃級燃燒區(qū)域7。主燃級39采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā) 方式，一方面可以將主燃級39的所需的燃油在主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段21內(nèi)快速均勻的混合 形成油氣混合氣，該混合氣進(jìn)入火焰筒后可以快速的較好的燃燒干凈，從而減少NOx的生 成，另一方面可以將預(yù)燃級未燒完的CO和UHC燃燒干凈。由此可見預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室在航 空發(fā)動機(jī)寬廣的工作范圍內(nèi)在保證高效穩(wěn)定燃燒的同時能有效的降低燃燒室的污染排放， 在摻混孔氣流的輔助下也可以獲得較好的出口溫度分布性能。
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權(quán)利要求
預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級燃燒方式，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級和主燃級供入，預(yù)燃級采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒組織方式，主燃級采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒組織方式，冷卻氣和摻混氣從火焰筒供入；所述預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室主要由分流式擴(kuò)壓器(8)、燃燒室外機(jī)匣(9)、燃燒室內(nèi)機(jī)匣(10)、燃油噴嘴(11)、火焰筒頭部(14)、火焰筒外壁(15)和火焰筒內(nèi)壁(16)組成；火焰筒頭部(14)由預(yù)燃級(20)和主燃級(39)組成預(yù)燃級(20)包括預(yù)燃級旋流器組件(22)、預(yù)燃級噴嘴(35)、預(yù)燃級頭部端壁(23)和預(yù)燃級頭部內(nèi)導(dǎo)流板(24)，預(yù)燃級(20)利用由預(yù)燃級旋流器組件(22)進(jìn)入燃燒室的旋流空氣產(chǎn)生的低速回流區(qū)穩(wěn)定火焰，預(yù)燃級旋流器組件(22)通過預(yù)燃級頭部端壁(23)與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(29)相連接，預(yù)燃級噴嘴(35)位于預(yù)燃級旋流器組件(22)內(nèi)，并與預(yù)燃級旋流器組件(22)同軸；主燃級(39)包括主燃級噴嘴(36)、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(21)、主燃級頭部整體端壁(12)和主燃級頭部整體導(dǎo)流板(13)，主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(21)由主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)(34)、主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)壓板(33)、主燃級噴嘴浮動外環(huán)(32)、主燃級噴嘴浮動外環(huán)壓板(31)、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(29)、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)(28)、主燃級出口導(dǎo)流支撐(30)組成，主燃級噴嘴(36)位于主燃級噴嘴浮動內(nèi)環(huán)(34)和主燃級噴嘴浮動外環(huán)(32)之間，并與燃油噴嘴(11)中的預(yù)燃級噴嘴(35)同軸，主燃級噴嘴(36)采用在同一圓周上設(shè)置多個噴射點(diǎn)的多點(diǎn)噴射方式，主燃級(39)所需的燃油由主燃級噴嘴噴(36)出后，流入預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(21)，油氣混合氣在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(21)中蒸發(fā)，并與空氣進(jìn)一步摻混，在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(21)的出口處形成均勻的油氣混合氣射流進(jìn)入火焰筒，在預(yù)燃級火焰的引燃下進(jìn)行燃燒；所述燃油噴嘴(11)由預(yù)燃級噴嘴(35)、主燃級噴嘴(36)和燃油噴嘴座(38)組成，預(yù)燃級噴嘴(35)和主燃級噴嘴(36)均連接在燃油噴嘴座(38)上，并通過燃油噴嘴座(38)與燃燒室外機(jī)匣(9)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述的分流式擴(kuò)壓器(8) 將燃燒室進(jìn)口氣流(1)分為三股火焰筒頭部氣流(2)、燃燒室外環(huán)腔氣流(3)和燃燒室內(nèi) 環(huán)腔氣流(4)，以滿足燃燒室各部分對空氣流量的需求。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述預(yù)燃級噴嘴(35)為壓 力霧化噴嘴、氣動霧化噴嘴或組合式噴嘴。
4 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述預(yù)燃級旋流器組件 (22)采用的旋流器的級數(shù)1《n《5 ;每級旋流器采用旋流器的結(jié)構(gòu)是軸向旋流器，或是徑 向旋流器，或是切向旋流器；當(dāng)預(yù)燃級旋流器組件(22)的級數(shù)n = 1時，旋流器直接與預(yù)燃 級頭部端壁(23)連接；當(dāng)預(yù)燃級旋流器組件(22)的級數(shù)1 < n《5時，各級旋流器先連接 成一個整體，組成預(yù)燃級旋流器組件(22)后再與預(yù)燃級頭部端壁(23)連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述主燃級出口導(dǎo)流支撐 (30) —方面起連接主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(29)與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)(28)的作 用，另一方面起調(diào)整經(jīng)過主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(21)氣流出口角度的作用；主燃級出口導(dǎo)流 支撐(30)的葉片數(shù)量0《p《30，沿主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(29)的出口圓周均布，葉片 的安裝角度為_90 90度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述主燃級噴嘴(36)與預(yù) 燃級噴嘴(35)同軸，采用在同一圓周上設(shè)置多個噴射點(diǎn)的多點(diǎn)噴射方式，噴射點(diǎn)的幾何形 狀可以是圓形、矩形、噴射點(diǎn)的個數(shù)0 < n《300，單個噴射點(diǎn)的噴射線與預(yù)燃級噴嘴(35)的軸線間的夾角為-90 90度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述主燃級噴嘴(36)可以安裝主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)(37)，對從主燃級噴嘴(36)噴射出的燃油起初步霧化和散布的作用；主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)(37)采用軸向葉片式結(jié)構(gòu)，葉片的安裝角度為-90 90度，葉片的數(shù)量0《m《300 ;主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)(37)可以單獨(dú)存在于主燃級噴嘴(36)的內(nèi)環(huán)，也可以單獨(dú)存在于主燃級噴嘴(36)的外環(huán)，也可以同時存在于主燃級噴嘴(36)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)；安裝時，主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)(37)與主燃級噴嘴(36)先連接在一起組成一個整體，二者的連接方式可以采用整體制造或焊接或螺紋或螺栓的形式。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求7所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述燃燒室的燃燒用氣全部由火焰筒頭部(14)供入，空氣分配占燃燒室進(jìn)口氣流的40% 80% :預(yù)燃級頭部端壁23和主燃級頭部整體端壁(12)的冷卻所需氣量占全部燃燒氣量的0% 25%，預(yù)燃級(20)所需氣量占全部燃燒氣量的10% 40%，其余由主燃級(39)的主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)(37)和主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(21)供入。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述燃燒室的火焰筒外壁(15)和火焰筒內(nèi)壁(16)的冷卻方式采用氣膜冷卻、發(fā)散冷卻或復(fù)合冷卻方式，以對壁面溫度進(jìn)行控制延長火焰筒的壽命。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于在所述的火焰筒外壁(15)后部設(shè)置有火焰筒外壁摻混孔(17)，在所述的火焰筒內(nèi)壁(16)后部設(shè)置有火焰筒內(nèi)壁摻混孔(18)，摻混用氣分別從火焰筒外壁摻混孔(17)和火焰筒內(nèi)壁摻混孔(18)進(jìn)入火焰筒，以控制燃燒室出口溫度分布。
全文摘要
一種預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級燃燒的概念設(shè)計，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級和主燃級供入，預(yù)燃級采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒組織方式，主燃級采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒組織方式。燃燒室主要由分流式擴(kuò)壓器、燃燒室外機(jī)匣、燃燒室內(nèi)機(jī)匣、燃油噴嘴、預(yù)燃級、主燃級、火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁組成。預(yù)燃級利用由預(yù)燃級旋流器組件進(jìn)入燃燒室的旋流空氣產(chǎn)生的低速回流區(qū)穩(wěn)定火焰；主燃級所需的燃油由主燃級噴嘴噴出后，首先在主燃級噴嘴預(yù)膜空氣環(huán)的氣流作用下霧化形成油氣混合氣，然后流入預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段中蒸發(fā)，并與空氣進(jìn)一步摻混，在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段的出口處形成均勻的油氣混合氣射流進(jìn)入火焰筒，在預(yù)燃級火焰的引燃下進(jìn)行燃燒。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，在保證航空發(fā)動機(jī)正常工作狀態(tài)的同時能有效的降低污染排放。
文檔編號F23R3/58GK101709884SQ20091023879
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者劉高恩, 張弛, 林宇震, 林陽, 許全宏 申請人:北京航空航天大學(xué)