一種燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng),包含預(yù)燃級裝置和主燃級裝置,主燃級裝置包括:主燃級軸向旋流器(12)和主燃級徑向旋流器(18);主燃級軸向旋流器(12);在主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁上設(shè)置直射式噴嘴(16),在主燃級軸向旋流器的外壁(15)的末端設(shè)置外圓弧面(27),在發(fā)動機大功率運行的狀態(tài)下,從直射式噴嘴(16)的噴口噴出的燃油能在所述外圓弧面(27)上形成油膜。本實用新型的燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng),預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的主燃級能夠?qū)崿F(xiàn)低污染燃燒,有效降低污染排放水平并確保航空發(fā)動機燃燒室的穩(wěn)定性,能夠降低燃燒室的摻混用氣量并可以降低燃燒室頭部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及重量。
【專利說明】一種燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及航空發(fā)動機【技術(shù)領(lǐng)域】,尤其涉及一種燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著大氣環(huán)境問題在世界范圍內(nèi)受到越來越多的關(guān)注,對于航空發(fā)動機污染物排放要求也是越來越嚴苛。下一代航空發(fā)動機產(chǎn)品市場需求表明,氮氧化物(NOx)的排放量比現(xiàn)行國際民航組織(ICA0)規(guī)定標準CAEP6要進一步減少45%?60%左右,其它排放物包括一氧化碳(CO)、未燃碳氫(UHC)和煙霧(Smoke)排放值同樣需要進一步降低。研究表明,控制燃燒室內(nèi)的燃燒反應(yīng)溫度是控制NOx污染排放的關(guān)鍵,而控制燃燒反應(yīng)溫度的主要技術(shù)途徑之一就是采用貧油預(yù)混燃燒模式。但是在地面慢車、起動點火等工作狀態(tài)下,又需要局部燃燒區(qū)采用富油燃燒的油氣匹配方式,以維持燃燒穩(wěn)定性,同時降低小功率狀態(tài)下的CO和UHC排放。
[0003]為了緩解大功率狀態(tài)下NOx排放和小功率狀態(tài)下CO、UHC排放的矛盾,一般采用分級燃燒的模式,分級燃燒技術(shù)在航空發(fā)動機燃燒室上已得到成功應(yīng)用,而采用中心分級燃燒技術(shù)由于結(jié)構(gòu)緊湊、分區(qū)貧油燃燒控制NOx效果較好等優(yōu)點,已是低排放燃燒室發(fā)展的趨勢。但是現(xiàn)有的貧油中心分級燃燒技術(shù),仍未能很好地解決分區(qū)后各反應(yīng)區(qū)之間互相影響、中等工況燃燒效率低下、主燃區(qū)油氣混合依舊不充分、不均勻等問題?,F(xiàn)有的頭部中心分級的燃油噴射系統(tǒng)在中等工況時(如進場狀態(tài)),主燃級已開始供油,但此時主燃級的供油量較小,使得主燃級的油氣當量比很低,這使得燃燒室的效率較低,達不到發(fā)動機的要求。此外,在大工況時,主燃級供油量較大,燃油噴射速度較高,使得主燃級預(yù)混通道內(nèi)的霧化的均勻性較差,這使得燃燒室的出口溫度分布質(zhì)量不高。
實用新型內(nèi)容
[0004]有鑒于此,本實用新型要解決的一個技術(shù)問題是提供一種燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng),能有效控制NOX生成并具有較高的燃燒效率。
[0005]一種燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng),燃燒室頭部沿徑向由內(nèi)到外依次包含預(yù)燃級裝置和設(shè)置在所述預(yù)燃級裝置外圍的主燃級裝置,其特征在于:所述主燃級裝置包括:主燃級軸向旋流器;在所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁上設(shè)置直射式噴嘴,在所述主燃級軸向旋流器的外壁的末端設(shè)置外圓弧面,其中,在發(fā)動機大功率運行的狀態(tài)下,從所述直射式噴嘴的噴口噴出的燃油能在所述外圓弧面上形成油膜。
[0006]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,所述主燃級裝置還包括:收斂的主燃級氣流出口通道。
[0007]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,所述主燃級裝置還包括:沿徑向設(shè)置在所述主燃級軸向旋流器外側(cè)的主燃級徑向旋流器;主燃級徑向旋流器的前側(cè)壁與所述主燃級軸向旋流器的外壁連接,所述主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁的后部與所述主燃級軸向旋流器內(nèi)壁的后部圍成所述主燃級氣流出口通道;其中,所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁的后部向外擴張,并且所述主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁的后部向內(nèi)收斂。
[0008]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,所述主燃級氣流出口通道出口的下壁面和上壁面都平行于燃燒室頭部的中心線。
[0009]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,所述直射式噴嘴沿周向?qū)ΨQ設(shè)置在所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁上,并位于所述主燃級軸向旋流器葉片通道中;其中,每個葉片通道對應(yīng)設(shè)置一個所述直射式噴嘴。
[0010]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,所述直射式噴嘴的噴口到所述主燃級軸向旋流器入口的軸向距離為所述主燃級軸向旋流器軸向長度的1/4-4/5。
[0011]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,所述直射式噴嘴為貫穿所述主燃級軸向旋流器內(nèi)壁的斜孔,所述直射式噴嘴的軸線與所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁形成30° -90° 夾角。
[0012]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,所述預(yù)燃級包括:離心噴嘴、一級軸向旋流器、二級軸向旋流器和文氏管;所述一級軸向旋流器、所述二級軸向旋流器沿徑向由內(nèi)到外依次設(shè)置在所述離心噴嘴的外圍;所述文氏管設(shè)置在所述一級軸向旋流器和所述二級軸向旋流器之間。
[0013]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,在所述預(yù)燃級裝置和主燃級裝置之間設(shè)置套筒;由所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁與所述套筒圍成冷卻腔;所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁的末端為向內(nèi)彎曲的結(jié)構(gòu),并設(shè)有多個冷卻孔;所述套筒的末端具有前延伸段,所述前延伸段正對所述冷卻孔;所述冷卻腔中的空氣通過所述冷卻孔流過并沖擊到所述前延伸段上。
[0014]根據(jù)本實用新型的一個實施例,進一步的,所述一級軸向旋流器和所述二級軸向旋流器的葉片角度都為30° -60° ;所述主燃級軸向旋流器的葉片的角度為30° -70°,所述主燃級徑向旋流器的葉片角度為30° -60°。
[0015]本實用新型的燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng),預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的主燃級能夠?qū)崿F(xiàn)低污染燃燒,有效降低污染排放水平并確保航空發(fā)動機燃燒室的穩(wěn)定性,在中等工況下能有效控制NOX生成的同時保持有較高的燃燒效率,能夠降低燃燒室的摻混用氣量并可以降低燃燒室頭部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及重量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1A為根據(jù)本實用新型的燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng)的一個實施例的示意圖;
[0018]圖1B為根據(jù)本實用新型的燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng)的一個實施例的主燃級裝置局部示意圖;其中:1 一離心噴嘴,2 —一級軸向旋流器,3 —二級軸向旋流器,4 一文氏管,5 —文氏管出口處的內(nèi)壁面,6 —套筒,7 —側(cè)壁,8 —冷卻孔,9 一前延伸段,10 一主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁,12 —主燃級軸向旋流器,15 —主燃級軸向旋流器的外壁,16 —直射式噴嘴,17 —第一氣流通道,18 —主燃級徑向旋流器,19 一第二氣流通道,20 —主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁,21 一主燃級徑向旋流器的前側(cè)壁,22 一下壁面,24 一上壁面,25 一第二壁面,26 —第一壁面,27 —外圓弧面。
【具體實施方式】
[0019]下面參照附圖對本實用新型進行更全面的描述,其中說明本實用新型的示例性實施例。下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖,對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本實用新型保護的范圍。下面結(jié)合圖和實施例對本實用新型的技術(shù)方案進行多方面的描述。
[0020]下文為了敘述方便,下文中所稱的“左”、“右”、“上”、“下”等與附圖本身的左、右、
上、下等方向一致。
[0021]如圖1A、1B所示,采用單環(huán)腔中心分級的燃燒組織策略,燃燒室頭部沿徑向由內(nèi)到外依次包含預(yù)燃級裝置和設(shè)置在預(yù)燃級裝置外圍的主燃級裝置。主燃級裝置包括:主燃級軸向旋流器12和主燃級徑向旋流器18。主燃級軸向旋流器12和主燃級徑向旋流器18向主燃級裝置中輸入氣流。
[0022]在主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁10上設(shè)置一個或多個直射式噴嘴16的噴口,在主燃級軸向旋流器的外壁15的末端設(shè)置外圓弧面27,在發(fā)動機大功率運行的狀態(tài)下,從直射式噴嘴16的噴口噴出的燃油能在所述外圓弧面27上形成油膜。
[0023]根據(jù)本實用新型的一個實施例,外圓弧面27可以設(shè)置在主燃級軸向旋流器12葉片出口至主燃級軸向旋流器的外壁15的末端。葉片出口指葉片靠近主燃級軸向旋流器的氣流出口的一端。
[0024]根據(jù)本實用新型的一個實施例,主燃級的直射式噴嘴16可以位于主燃級軸向旋流器12的葉片通道中,可在主燃級軸向旋流器12的葉片通道的內(nèi)壁上設(shè)置,直射式噴嘴16的噴口沿周向?qū)ΨQ設(shè)置在主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁10上,并位于主燃級軸向旋流器12葉片通道中;其中,每個葉片通道對應(yīng)設(shè)置一個所述直射式噴嘴16的噴口。
[0025]火焰筒沿徑向有兩個同心的環(huán)狀燃燒區(qū),可以不改變空氣分配比例,通過發(fā)動機工況條件的變化改變?nèi)加头峙湟愿淖冇蜌獗龋瑥亩刂迫紵郎囟取?br>
[0026]在中等工況時,預(yù)燃級和主燃級共同工作,此時由于主燃級供油比重不大,主燃級直射式噴嘴16噴出的燃油的穿透深度不高,未接觸到圓弧面27,此時主燃級的燃油主要是與通過主燃級內(nèi)側(cè)軸向旋流器12的氣流進行混合,因而在主燃級出口環(huán)面,燃油沿周向較為均勻的分布在靠近出口環(huán)面內(nèi)側(cè)的區(qū)域。這種主燃級出口燃油的分布形式既能保持主燃級的貧油均勻燃燒,又能使主燃級貧油燃燒的當量比不是很低,從而能在有效控制NOX生成的同時保持有較高的燃燒效率。
[0027]大工況時,即大功率運行發(fā)動機時,預(yù)燃級與主燃級全部打開,此時由于主燃級供油比重較大,主燃級燃油的穿透高度較大,能在主燃級軸向旋流器的外壁15末端的圓弧面27形成薄油膜,該薄油膜在通過主燃級軸向旋流器12與徑向旋流器18的氣流的共同剪切作用下,能保證油氣的充分混合。此時燃燒室進口條件對燃燒十分有利,主燃級燃燒效率仍可保持很高水平。這種頭部預(yù)燃級、中心級與主燃級的中心分級策略,可在大幅度降低N0X、CO、UHC和smoke的污染排放的同時兼顧燃燒室的性能。
[0028]根據(jù)本實用新型的一個實施例,主燃級裝置還包括:收斂的主燃級氣流出口通道。主燃級徑向旋流器18沿徑向設(shè)置在主燃級軸向旋流器12外側(cè)。主燃級軸向旋流器12和主燃級徑向旋流器18可以圍成主燃級氣流出口通道。主燃級徑向旋流器的前側(cè)壁21與主燃級軸向旋流器的外壁15連接,主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁20的后部與主燃級軸向旋流器內(nèi)壁10的后部圍成主燃級氣流出口通道;主燃級徑向旋流器的內(nèi)壁10的后部向外擴張,并且主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁20的后部向內(nèi)收斂。主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁10與主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁20圍成收斂的主燃級氣流出口通道,對混油氣體進行加速。
[0029]根據(jù)本實用新型的一個實施例,主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁10的后端與主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁20的后端分別形成氣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都平行于燃燒室頭部的中心線。
[0030]根據(jù)本實用新型的一個實施例,位于主燃級軸向旋流器12的葉片出口與下壁面22之間的為第一壁面26,第一壁面26向外擴張。位于主燃級徑向旋流器18的葉片出口與上壁面24之間的為第二壁面25,第二壁面25向內(nèi)收斂。第一壁面26與第二壁面25構(gòu)成收斂的氣流出口通道,可以加速輸出主燃級氣流出口通道的氣流。
[0031]根據(jù)本實用新型的一個實施例,主燃級軸向旋流器的外壁15與第二壁面25構(gòu)成收斂的第一氣流通道17。外圓弧面27與第一壁面26構(gòu)成收斂的第二氣流通道19。通過主燃級徑向旋流器18的氣流以及通過主燃級軸向旋流器12的氣流分別在這兩個通道內(nèi)加速,以增強該氣流對主燃級油膜的剪切作用,從而提高燃油霧化效果。
[0032]本實用新型中的“前端”、“后端”或“末端”等為相對于燃燒室頭部為前或后。
[0033]根據(jù)本實用新型的一個實施例,直射式噴嘴16的噴口與主燃級軸向旋流器12入口的軸向距離為主燃級軸向旋流器12軸向長度的1/4-4/5。直射式噴嘴16為貫穿主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁10的筒壁的斜孔,直射式噴嘴16的軸線與主燃級軸向旋流器12的葉片通道的內(nèi)壁形成30° -90°夾角13。
[0034]根據(jù)本實用新型的一個實施例,主燃級軸向旋流器12的葉片的角度為30° -70°,主燃級徑向旋流器18的葉片的角度為30° -60°。
[0035]根據(jù)本實用新型的一個實施例,預(yù)燃級包括:離心噴嘴1、一級軸向旋流器2、二級軸向旋流器3和文氏管4。一級軸向旋流器2、二級軸向旋流器3沿徑向由內(nèi)到外依次設(shè)置在離心噴嘴I的外圍。
[0036]文氏管4設(shè)置在一級軸向旋流器2和二級軸向旋流器3之間,文氏管出口處的內(nèi)壁面5為收縮擴張型面,其中,收縮擴張型面中部的直徑小于收縮擴張型面兩端的直徑。
[0037]燃油從離心式噴嘴I噴出,在接觸到文氏管的內(nèi)壁面5時形成一層薄油膜,該薄油膜在文氏管4的唇口噴出,油膜兩側(cè)分別是一級軸向旋流器2、二級軸向旋流器3所形成的旋流氣流,在其剪切作用下霧化,并噴入燃燒室。
[0038]根據(jù)本實用新型的一個實施例,在預(yù)燃級裝置和主燃級裝置之間設(shè)置套筒6。主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁10的末端為向內(nèi)彎曲的結(jié)構(gòu),主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁10的末端具有與套筒6固定的固定部,末端還設(shè)有多個冷卻孔8。
[0039]套筒6的側(cè)壁7向上收攏,套筒6的末端具有前延伸段9,前延伸段9正對著冷卻孔8。由主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁10與套筒6圍成冷卻腔。冷卻腔中的空氣通過冷卻孔8流過并沖擊到前延伸段9上。
[0040]根據(jù)本實用新型的一個實施例,一級軸向旋流器2和二級軸向旋流器3的葉片的角度為30° -60。。
[0041]根據(jù)本實用新型的一個實施例,一級軸向旋流器2和二級軸向旋流器3的旋向可以同向也可以異向,主燃級軸向旋流器12與主燃級徑向旋流器18的旋向可以同向也可以異向。
[0042]本實用新型的燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng),針對燃燒室頭部中心分級的策略,設(shè)計了燃燒室單腔結(jié)構(gòu)頭部的主燃級與預(yù)燃級,有以下優(yōu)點:
[0043]1.本實用新型采用中心分級燃燒概念,預(yù)燃級提供穩(wěn)火源,保證整個燃燒室工作的穩(wěn)定性和安全性,預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的主燃級實現(xiàn)低污染燃燒;這種燃燒組織方式在能夠有效降低污染排放水平的同時可確保航空發(fā)動機燃燒室的穩(wěn)定性;
[0044]2.本實用新型采用的主燃級的分級霧化策略,在中等工況下能在有效控制NOX生成的同時保持有較高的燃燒效率;
[0045]3.燃燒室頭部的油氣混合更加充分均勻,可以對燃燒室出口溫度分布起到很好的調(diào)節(jié)作用,降低燃燒室的摻混用氣量;
[0046]4.本實用新型燃燒室采用單環(huán)腔燃燒室結(jié)構(gòu),頭部包含主燃級與預(yù)燃級倆級油路,在控制燃燒室NOX排放的同時降低燃燒室頭部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及重量。
[0047]本實用新型的描述是為了示例和描述起見而給出的,而并不是無遺漏的或者將本實用新型限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本實用新型的原理和實際應(yīng)用,并且使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解本實用新型從而設(shè)計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種燃燒室燃油噴射與混合系統(tǒng),燃燒室頭部沿徑向由內(nèi)到外依次包含預(yù)燃級裝置和設(shè)置在所述預(yù)燃級裝置外圍的主燃級裝置,其特征在于: 所述主燃級裝置包括:主燃級軸向旋流器(12);在主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁(10)上設(shè)置直射式噴嘴(16),在主燃級軸向旋流器的外壁(15)的末端設(shè)置外圓弧面(27),其中,在發(fā)動機大功率運行的狀態(tài)下,從所述直射式噴嘴(16)的噴口噴出的燃油能在所述外圓弧面(27)上形成油膜。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于: 所述主燃級裝置還包括:收斂的主燃級氣流出口通道。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于: 所述主燃級裝置還包括:沿徑向設(shè)置在所述主燃級軸向旋流器(12)外側(cè)的主燃級徑向旋流器(18); 主燃級徑向旋流器的前側(cè)壁(21)與所述主燃級軸向旋流器的外壁(15)連接,所述主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁(20)的后部與所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁(10)的后部圍成所述主燃級氣流出口通道; 其中,所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁(10)的后部向外擴張,并且所述主燃級徑向旋流器的后側(cè)壁(20)的后部向內(nèi)收斂。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其特征在于: 所述主燃級氣流出口通道出口的下壁面(22)和上壁面(24)都平行于燃燒室頭部的中心線。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于: 所述直射式噴嘴(16)沿周向?qū)ΨQ設(shè)置在所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁(10)上,并位于所述主燃級軸向旋流器(12)葉片通道中;其中,每個葉片通道對應(yīng)設(shè)置一個所述直射式噴嘴(16)。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于: 所述直射式噴嘴(16)的噴口到所述主燃級軸向旋流器(12)入口的軸向距離為所述主燃級軸向旋流器(12)軸向長度的1/4-4/5。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于: 所述直射式噴嘴(16)為貫穿所述主燃級軸向旋流器(12)內(nèi)壁的斜孔,所述直射式噴嘴(16)的軸線與所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁形成30° -90°夾角。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于: 所述預(yù)燃級包括:離心噴嘴(1)、一級軸向旋流器(2)、二級軸向旋流器(3)和文氏管(4); 所述一級軸向旋流器(2)、所述二級軸向旋流器(3)沿徑向由內(nèi)到外依次設(shè)置在所述離心噴嘴(I)的外圍;所述文氏管(4)設(shè)置在所述一級軸向旋流器(2)和所述二級軸向旋流器(3)之間。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng),其特征在于: 在所述預(yù)燃級裝置和主燃級裝置之間設(shè)置套筒(6);由所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁(10)與所述套筒(6)圍成冷卻腔;所述主燃級軸向旋流器的內(nèi)壁(10)的末端為向內(nèi)彎曲的結(jié)構(gòu),并設(shè)有多個冷卻孔(8);所述套筒(6)的末端具有前延伸段(9),所述前延伸段(9)正對所述冷卻孔(8);所述冷卻腔中的空氣通過所述冷卻孔(8)流過并沖擊到所述前延伸段(9)上。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng),其特征在于:所述一級軸向旋流器(2)和所述二級軸向旋流器(3)的葉片角度都為30° -60° ; 所述主燃級軸向旋 流器(12)的葉片角度為30° -70°,所述主燃級徑向旋流器(18)的葉片角度為30° -60°。
【文檔編號】F23R3/28GK203671655SQ201320889440
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】吳昊, 鄂亞佳 申請人:中航商用航空發(fā)動機有限責任公司