一種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)。燃燒室的頭部油氣摻混器分為預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)，預(yù)燃級(jí)燃油通過中心直射噴嘴和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴進(jìn)入預(yù)燃區(qū)，形成實(shí)心霧錐，增強(qiáng)預(yù)燃級(jí)火焰的穩(wěn)定性。主燃級(jí)采用雙排燃油噴射孔噴射燃油，其中內(nèi)層燃油噴射孔將燃油噴入主燃級(jí)內(nèi)旋流器空氣通道，外層燃油噴射孔將燃油噴入主燃級(jí)外旋流器空氣通道，從而在主燃級(jí)形成兩個(gè)燃燒區(qū)，即內(nèi)層主燃區(qū)和外層主燃區(qū)。內(nèi)層主燃區(qū)的油氣比大于外層主燃區(qū)，從而更容易被預(yù)燃級(jí)火焰引燃，內(nèi)層主燃區(qū)進(jìn)一步對(duì)外層主燃區(qū)起穩(wěn)定作用。三個(gè)燃燒區(qū)之間的逐級(jí)穩(wěn)燃，共同提高了高溫升燃燒室的頭部燃燒穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用空氣和燃油三級(jí)分層燃燒技術(shù)改善高溫升燃燒室頭部燃燒穩(wěn)定性的燃燒室結(jié)構(gòu)。【背景技術(shù)】
[0002]目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主要向兩個(gè)方向發(fā)展，一種為低污染燃燒室，主要應(yīng)用在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，以燃燒效率高、污染物排放(主要為氮氧化物、一氧化碳)低為主要技術(shù)特征，其典型代表是應(yīng)用于GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的TAPS燃燒室和應(yīng)用于GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上的TAPS II燃燒室。TAPS和TAPS II燃燒室采用分級(jí)分區(qū)燃燒的理念，通過將大部分燃油噴入主燃級(jí)，實(shí)現(xiàn)預(yù)混和部分預(yù)混燃燒，從而降低主燃區(qū)溫度，進(jìn)而降低了熱力型氮氧化物排放。一小部分燃油通過預(yù)燃級(jí)供入燃燒室，預(yù)燃級(jí)噴嘴一般為離心或直射噴嘴，因此預(yù)燃級(jí)一般采用擴(kuò)散燃燒方式來維持燃燒室在全工況范圍內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性。以TAPS系列燃燒室為代表的低污染燃燒室的預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)采用不同的燃燒方式，屬于兩級(jí)分層分區(qū)燃燒技術(shù)，其燃燒室頭部進(jìn)氣量一般為40 %?50 %。
[0003]燃燒室發(fā)展的另一個(gè)方向是軍用高溫升燃燒室，提高燃燒室溫升是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的一種主要方法，第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室溫升一般超過ll〇〇°C。然而，提高燃燒室的溫升必然需要大幅提升燃燒室的總油氣比，這會(huì)帶來燃燒室油氣摻混困難、燃燒效率低、 排氣冒煙嚴(yán)重等技術(shù)難題。為了解決以上技術(shù)難題，一個(gè)簡(jiǎn)單的思路就是采用低污染燃燒室的分層分區(qū)燃燒技術(shù)，然而這會(huì)造成高溫升燃燒室頭部進(jìn)氣量高達(dá)60 %?80%，從而帶來主燃級(jí)空氣流量太大，預(yù)燃級(jí)難以對(duì)主燃級(jí)部分預(yù)混火焰進(jìn)行有效穩(wěn)定的技術(shù)挑戰(zhàn)。
[0004]針對(duì)高溫升燃燒室頭部空氣流量大、火焰難以穩(wěn)定的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界進(jìn)行了大量研究，普遍認(rèn)可進(jìn)一步細(xì)化分層分區(qū)燃燒組織是解決這一難題的技術(shù)途徑，由于技術(shù)封鎖的原因，國(guó)內(nèi)無法進(jìn)一步獲得國(guó)外高溫升燃燒室的技術(shù)細(xì)節(jié)。。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對(duì)現(xiàn)有采用兩級(jí)分層分區(qū)燃燒技術(shù)的高溫升燃燒室會(huì)面臨頭部空氣流量較大、預(yù)燃級(jí)火焰難以對(duì)主燃級(jí)火焰有效穩(wěn)定，繼而嚴(yán)重限制了高溫升燃燒室在不同燃燒負(fù)荷工況燃燒的魯棒性的問題， 本發(fā)明在兩級(jí)分層分區(qū)燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)的分層燃燒組織， 提出了主燃級(jí)火焰進(jìn)一步分為兩層、預(yù)燃級(jí)采用中心直射噴嘴與預(yù)膜噴嘴的組合噴嘴、總體為三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，從而解決采用分層分區(qū)燃燒技術(shù)的高溫升燃燒室的燃燒穩(wěn)定性問題。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，包括擴(kuò)壓器、燃燒室機(jī)匣、火焰筒、供油桿和頭部油氣摻混器，所述的擴(kuò)壓器位于燃燒室機(jī)匣的氣流來流方向的前端;所述的燃燒室機(jī)匣包括燃燒室內(nèi)機(jī)匣和燃燒室外機(jī)匣，兩者均為環(huán)形;所述的火焰筒為環(huán)形，設(shè)置在燃燒室機(jī)匣內(nèi)，并與燃燒室機(jī)匣同軸，包括火焰筒外環(huán)和火焰筒內(nèi)環(huán);所述的頭部油氣摻混器安裝于氣流來流方向的火焰筒前端壁，包括位于中心的預(yù)燃級(jí)組件和位于所述預(yù)燃級(jí)組件外圍的主燃級(jí)組件，其特征在于:
[0008]所述的預(yù)燃級(jí)組件包括由內(nèi)到外、同軸布置的中心直射噴嘴、預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器、 預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴、預(yù)燃級(jí)外旋流器和預(yù)燃級(jí)收斂擴(kuò)張段，其中，
[0009]所述的中心直射噴嘴包括圓柱段和圓錐段，燃油從圓錐段后端面以一定角度噴出，所述的預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器設(shè)置于中心直射噴嘴圓柱段的外圍；
[0010]所述的預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴包括預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁、預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁以及形成于兩者之間的一環(huán)腔結(jié)構(gòu)，所述預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁均包括一圓柱段和一向內(nèi)收縮的圓錐段，所述的預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁的圓錐段的軸向長(zhǎng)度大于預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁的圓錐段的軸向長(zhǎng)度，從而在所述預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁的圓錐段之間形成一預(yù)燃級(jí)預(yù)膜唇口；
[0011]所述的預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁與中心直射噴嘴外表面構(gòu)成了預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器的氣流通道，該氣流通道的出口直徑小于入口直徑；
[0012]所述的預(yù)燃級(jí)收斂擴(kuò)張段包括沿軸向依次布置的收斂段、緩慢擴(kuò)張段和快速擴(kuò)張段；
[0013]所述的預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁與預(yù)燃級(jí)收斂擴(kuò)張段的收斂段構(gòu)成了預(yù)燃級(jí)外旋流器的空氣通道，該通道的出口直徑小于入口直徑；
[0014]所述的主燃級(jí)組件包括由內(nèi)到外環(huán)形布置的主燃級(jí)內(nèi)旋流器、主燃級(jí)油腔、主燃級(jí)外旋流器，其中，[〇〇15]所述的主燃級(jí)內(nèi)旋流器設(shè)置于主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道中，所述主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道設(shè)置于所述預(yù)燃級(jí)組件的外圍，其內(nèi)壁面和外壁面均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道的內(nèi)壁面包括圓柱段和圓錐段，所述的主燃級(jí)內(nèi)旋流器設(shè)置于主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道的圓柱段上，所述主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道的出口直徑大于進(jìn)口直徑；
[0016]所述的主燃級(jí)外旋流器設(shè)置于主燃級(jí)外旋流空氣通道中，所述主燃級(jí)外旋流空氣通道包括內(nèi)壁面和外壁面；
[0017]所述的主燃級(jí)油腔呈環(huán)形，由所述主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道的外壁面和主燃級(jí)外旋流空氣通道的內(nèi)壁面包圍而成，主燃級(jí)油腔尾部由兩個(gè)圓錐面組成，在兩個(gè)圓錐面上均設(shè)置有一定數(shù)量的燃油噴射孔，分別向主燃級(jí)外旋流空氣通道和主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道內(nèi)噴射燃油；
[0018]所述的頭部油氣摻混器的主燃級(jí)組件與預(yù)燃級(jí)組件之間在徑向上存在一定徑向間隔，在此徑向間隔上布置有冷卻空氣孔。
[0019]優(yōu)選地，所述主燃級(jí)外旋流器為徑向旋流器，包含一定數(shù)量的直葉片，所述主燃級(jí)外旋流空氣通道的內(nèi)壁面和外壁面均包括一徑向段和一水平段，徑向旋流器的葉片設(shè)置于主燃級(jí)外旋流空氣通道內(nèi)壁面和外壁面的徑向段之間的空間中，氣流首先徑向進(jìn)入主燃級(jí)外旋流空氣通道，之后軸向流出。
[0020]優(yōu)選地，所述主燃級(jí)外旋流器為軸向旋流器，包括一定數(shù)量的直葉片。
[0021]優(yōu)選地，所述的預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器和預(yù)燃級(jí)外旋流器以及所述的主燃級(jí)內(nèi)旋流器均為軸向旋流器，均包括一定數(shù)量的直葉片。
[0022]優(yōu)選地，所述的主燃級(jí)外旋流空氣通道的外壁面向外延伸形成一主燃級(jí)螺紋安裝邊，所述的頭部油氣摻混器通過所述主燃級(jí)螺紋安裝邊設(shè)置在火焰筒前端壁上。本專利發(fā)明的三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)中，空氣經(jīng)過四級(jí)旋流器進(jìn)入火焰筒內(nèi)部，燃油經(jīng)過中心直射噴嘴、預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴、主燃級(jí)油腔尾部的兩排燃油噴射孔供入火焰筒，參與油氣摻混和燃燒。其中，預(yù)燃級(jí)燃油的一部分通過中心直射噴嘴直接噴射進(jìn)入預(yù)燃區(qū)，另一部分預(yù)燃級(jí)燃油經(jīng)過預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴在預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁的尾緣形成油膜，并在預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器和預(yù)燃級(jí)外旋流器旋轉(zhuǎn)氣流的剪切作用下霧化，與中心直射噴嘴噴射出的燃油形成霧化良好的實(shí)心霧錐，一起參與預(yù)燃級(jí)油氣摻混;主燃級(jí)油腔內(nèi)的主燃級(jí)燃油經(jīng)過主燃級(jí)油腔尾部的兩排燃油噴射孔分別向上噴入主燃級(jí)外旋流器空氣通道和向下噴入主燃級(jí)內(nèi)旋流器空氣通道，在橫向射流空氣的作用下霧化并與主燃級(jí)空氣摻混，通過控制向下噴射的內(nèi)層燃油噴射孔和向上噴射的外層燃油噴射孔的開孔面積比，就可控制進(jìn)入主燃級(jí)內(nèi)旋流器和主燃級(jí)外旋流器空氣通道內(nèi)的燃油流量之比，從而將主燃區(qū)分為內(nèi)層主燃區(qū)和外層主燃區(qū)。
[0023]優(yōu)選的，所述預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向與預(yù)燃級(jí)外旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向相同或相反。
[0024]優(yōu)選的，所述的預(yù)燃級(jí)外旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向與主燃級(jí)內(nèi)旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向相同或相反。
[0025]優(yōu)選的，所述的主燃級(jí)外旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向與主燃級(jí)內(nèi)旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向相同或相反。
[0026]優(yōu)選的，所述的預(yù)燃級(jí)收縮擴(kuò)張段的擴(kuò)張段長(zhǎng)度與頭部油氣摻混器的軸向長(zhǎng)度之比在0.3?0.5之間；主燃級(jí)油腔尾部的兩排燃油噴射孔距主燃級(jí)外旋流器前側(cè)壁面的軸向距離與主燃級(jí)軸向長(zhǎng)度之比在0.4?0.7之間；主燃級(jí)組件與預(yù)燃級(jí)組件之間的徑向間隔尺寸與主燃級(jí)螺紋安裝邊外徑之比在0.05?0.1之間。
[0027]優(yōu)選的，所述的主燃級(jí)兩排燃油噴射孔的直徑在0.3?0.8_之間。
[0028]優(yōu)選的，所述的主燃級(jí)油腔尾部的兩排燃油噴射孔燃油噴射角度與所在圓錐面法線呈-30°?+30°。
[0029]優(yōu)選的，所述的頭部油氣摻混器的預(yù)燃級(jí)的空氣流量占頭部總進(jìn)氣量的8%? 15%，所述的頭部油氣摻混器的主燃級(jí)空氣流量占頭部總進(jìn)氣量的60%?80%，所述的預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器空氣流量占預(yù)燃級(jí)空氣流量的30%?50 %，所述的主燃級(jí)內(nèi)旋流器的空氣流量占主燃級(jí)空氣流量的35%?55%。
[0030]優(yōu)選的，所述的頭部油氣摻混器的預(yù)燃級(jí)燃油總流量占燃燒室總供油量的15%? 25%，主燃級(jí)燃油流量占燃燒室總供油量的75%?85%，所述的預(yù)燃級(jí)中心直射噴嘴的燃油流量占預(yù)燃級(jí)供油量的30%?50%，所述的主燃級(jí)油腔尾部的內(nèi)層燃油噴射孔的燃油流量占主燃級(jí)燃油總流量的50%_70%。[〇〇31]本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明所涉及的一種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，其頭部油氣摻混器分為中心的預(yù)燃級(jí)和外圍的主燃級(jí)。其中，預(yù)燃級(jí)空氣通過預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器和預(yù)燃級(jí)外旋流器進(jìn)入預(yù)燃區(qū)，預(yù)燃級(jí)燃油通過中心直射噴嘴和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴進(jìn)入預(yù)燃區(qū)，中心直射噴嘴的燃油直接噴入預(yù)燃區(qū)，預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴形成的油膜在預(yù)燃級(jí)兩級(jí)旋流器的剪切作用下霧化。中心直射噴嘴和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴噴出的燃油在預(yù)燃區(qū)形成霧化均勻的實(shí)心霧錐，有利于預(yù)燃級(jí)火焰的穩(wěn)定;并且，由于預(yù)燃級(jí)燃油噴射采用了預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴，這大大提高了噴嘴調(diào)節(jié)比，使預(yù)燃級(jí)能夠在較寬燃油流量范圍內(nèi)保持較高的霧化質(zhì)量， 這同樣有利于維持燃燒穩(wěn)定。
[0032]主燃級(jí)空氣通過同軸布置的主燃級(jí)內(nèi)旋流器和主燃級(jí)外旋流器進(jìn)入主燃區(qū)，燃油通過位于主燃級(jí)油腔尾部的兩排燃油噴射孔分別噴入主燃級(jí)內(nèi)旋流器和主燃級(jí)外旋流器的空氣通道，控制主燃級(jí)內(nèi)層燃油噴射孔與主燃級(jí)外層燃油噴射孔的開孔面積之比，從而在主燃級(jí)內(nèi)旋流器空氣通道和主燃級(jí)外旋流器空氣通道內(nèi)形成不同油氣比(當(dāng)量比)的油氣摻混物，進(jìn)而形成內(nèi)層主燃區(qū)和外層主燃區(qū)，為了保證主燃級(jí)火焰的穩(wěn)定性，一般內(nèi)層主燃區(qū)的油氣比大于外層主燃區(qū)的油氣比。通過以上方式，在主燃區(qū)形成兩級(jí)分層燃燒，從而提高主燃級(jí)的燃燒穩(wěn)定性。
[0033]采用三級(jí)分層燃燒技術(shù)的高溫升燃燒室在工作時(shí)的燃油控制規(guī)律如下:在慢車及以下的低負(fù)荷工況，燃油只供入到預(yù)燃級(jí)的中心直射噴嘴和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴，在預(yù)燃區(qū)形成霧化良好的實(shí)心霧錐，從而改善預(yù)燃級(jí)火焰的穩(wěn)定性;在慢車以上直到大車的高負(fù)荷工況，預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)同時(shí)供油，由于主燃級(jí)內(nèi)層燃油噴射孔的燃油流量大于主燃級(jí)的外層燃油噴射孔流量，因此內(nèi)層主燃區(qū)的油氣比大于外層主燃區(qū)的油氣比，預(yù)燃區(qū)的火焰能夠較好的引燃并穩(wěn)定內(nèi)層主燃區(qū)內(nèi)的較富油氣混合物，內(nèi)層主燃區(qū)的火焰進(jìn)一步對(duì)外層主燃區(qū)的較貧火焰起到穩(wěn)定作用，達(dá)到通過三級(jí)分層燃燒來改善高溫升燃燒室火焰穩(wěn)定性的目的。
[0034]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn):[〇〇35](1)本發(fā)明所涉及的一種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，其預(yù)燃級(jí)采用中心直射噴嘴和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴同時(shí)供油，匹配兩級(jí)空氣旋流器，可以使預(yù)燃級(jí)在較為寬廣的燃油流量范圍內(nèi)形成霧化良好的實(shí)心霧錐，從而有效提高預(yù)燃級(jí)的燃燒穩(wěn)定性。[〇〇36](2)本發(fā)明所涉及的一種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，其主燃級(jí)采用位于主燃級(jí)油腔尾部的兩排燃油噴射孔供油，其中主燃級(jí)內(nèi)層燃油噴射孔噴出的燃油與主燃級(jí)內(nèi)旋流器的空氣混合，主燃級(jí)外層燃油噴射孔噴出的燃油與主燃級(jí)外旋流器的空氣混合。 控制主燃級(jí)內(nèi)層燃油噴射孔與主燃級(jí)外層燃油噴射孔的開孔面積比例，就能在主燃級(jí)內(nèi)層和主燃級(jí)外層形成較富的內(nèi)層主燃區(qū)和較貧的外層主燃區(qū)，較富的內(nèi)層主燃區(qū)更容易被預(yù)燃級(jí)火焰引燃并穩(wěn)定，這提高了主燃級(jí)的燃燒穩(wěn)定性。
[0037](3)本發(fā)明所涉及的一種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，預(yù)燃區(qū)能夠形成在寬廣范圍內(nèi)有效穩(wěn)定的預(yù)燃級(jí)火焰，進(jìn)而預(yù)燃級(jí)火焰能對(duì)內(nèi)層主燃區(qū)火焰進(jìn)行有效穩(wěn)定， 內(nèi)層主燃區(qū)火焰對(duì)外層主燃區(qū)火焰起穩(wěn)定作用，從內(nèi)到外，層層穩(wěn)定，有效提高了高溫升燃燒室的頭部燃燒穩(wěn)定性。【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明的三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖2是本發(fā)明的三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)的頭部油氣摻混器的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖3是頭部油氣摻混器的預(yù)燃級(jí)組件結(jié)構(gòu)圖；[0041 ]圖4是頭部油氣摻混器的主燃級(jí)組件結(jié)構(gòu)圖；
[0042]圖5是頭部油氣摻混器的主燃級(jí)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0043]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，以下所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不因此而限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。[〇〇44]需要說明的是，附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“頂”、“底”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0045]如圖1所示，本發(fā)明的三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置于燃燒室頭部的擴(kuò)壓器1、燃燒室內(nèi)機(jī)匣2、燃燒室外機(jī)匣3、燃燒室出口 4、燃油供油桿5、火焰筒外環(huán)6、火焰筒內(nèi)環(huán)7和頭部油氣摻混器8。通過擴(kuò)壓器1進(jìn)入燃燒室的空氣分為三股，一股從火焰筒外環(huán)6進(jìn)入燃燒室，用于冷卻火焰筒外環(huán)6; —股從火焰筒內(nèi)環(huán)7進(jìn)入燃燒室，用于冷卻火焰筒內(nèi)環(huán)7;其余空氣全部從頭部油氣摻混器8進(jìn)入火焰筒參與燃燒。燃油經(jīng)過燃油供油桿5供入頭部油氣摻混器8,在頭部油氣摻混器8的組織下，燃油與空氣分區(qū)摻混并燃燒，產(chǎn)生的高溫燃?xì)饨?jīng)由燃燒室出口 4流出。
[0046]圖2為頭部油氣摻混器8的一種結(jié)構(gòu)示意圖，頭部油氣摻混器8包括預(yù)燃級(jí)組件12 和主燃級(jí)組件13。其中，預(yù)燃級(jí)組件12將流經(jīng)預(yù)燃級(jí)的燃油和空氣摻混并進(jìn)入預(yù)燃區(qū)9燃燒，主燃級(jí)組件13將流經(jīng)主燃級(jí)的空氣和燃油摻混并進(jìn)入內(nèi)層主燃區(qū)10和外層主燃區(qū)11進(jìn)行燃燒。
[0047]圖3為頭部油氣摻混器8的預(yù)燃級(jí)組件12的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，包括中心直射噴嘴14,預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器15,預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴16,預(yù)燃級(jí)預(yù)膜唇口 18,預(yù)燃級(jí)外旋流器17,預(yù)燃級(jí)收斂擴(kuò)張段19。其中，中心直射噴嘴14噴出的中心霧錐20直接進(jìn)入預(yù)燃區(qū)9,預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴16噴出的燃油在流經(jīng)預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器15和預(yù)燃級(jí)外旋流器17的空氣剪切作用下霧化，形成預(yù)膜霧錐21，中心霧錐20與預(yù)膜霧錐21相結(jié)合形成霧化良好的實(shí)心霧錐，從而有利于預(yù)燃級(jí)火焰的穩(wěn)定可靠燃燒。預(yù)燃級(jí)收斂擴(kuò)張段19包括收斂段191、緩慢擴(kuò)張段192和快速擴(kuò)張段 193,其中緩慢擴(kuò)張段192和快速擴(kuò)張段193用于引導(dǎo)預(yù)燃級(jí)火焰向外擴(kuò)張，從而穩(wěn)定內(nèi)層主燃區(qū)10中的火焰。[〇〇48]圖4為頭部油氣摻混器8的主燃級(jí)組件13的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，包括主燃級(jí)內(nèi)旋流器23,主燃級(jí)外旋流器25,以及位于兩者之間的主燃級(jí)油腔24,主燃級(jí)螺紋安裝邊26,主燃級(jí)外層燃油噴射孔27和主燃級(jí)內(nèi)層燃油噴射孔29。其中，主燃級(jí)內(nèi)旋流器23為軸向旋流器(氣流方向軸向)，包括若干數(shù)量徑向直葉片，主燃級(jí)外旋流器25為徑向旋流器(氣流方向徑向)，包括若干數(shù)量軸向直葉片。主燃級(jí)油腔24位于主燃級(jí)內(nèi)旋流器23和主燃級(jí)外旋流器25之間，具體形狀依結(jié)構(gòu)而定。主燃級(jí)油腔24尾緣由兩個(gè)圓錐面構(gòu)成，圓錐面上設(shè)置有兩排燃油噴射孔，分別是向主燃級(jí)內(nèi)旋流器23空氣通道內(nèi)噴射燃油的主燃級(jí)內(nèi)層燃油噴射孔29,以及向主燃級(jí)外旋流器25空氣通道內(nèi)噴射燃油的主燃級(jí)外層燃油噴射孔27。內(nèi)層燃油噴射孔29噴射的內(nèi)層多點(diǎn)噴射燃油30在流經(jīng)主燃級(jí)內(nèi)旋流器23的空氣橫向射流作用下被霧化，外層燃油噴射孔27噴射的外層多點(diǎn)噴射燃油28在流經(jīng)主燃級(jí)外旋流器25的空氣作用下霧化?？刂浦魅技?jí)內(nèi)層燃油噴射孔29和外層燃油噴射孔27的燃油量，就可以控制內(nèi)層主燃區(qū)10的油氣比大于外層主燃區(qū)11的油氣比，從而提高主燃級(jí)的燃燒穩(wěn)定性。主燃級(jí)組件13與預(yù)燃級(jí)組件12之間存在一定徑向間隔，其上布置有冷卻孔22,用于冷卻此處壁面。主燃級(jí)螺紋安裝邊 26用于將頭部油氣摻混器8與火焰筒外環(huán)6和火焰筒內(nèi)環(huán)7之間連接。
[0049]圖5為本發(fā)明所涉及的頭部油氣摻混器8主燃級(jí)13的另一種實(shí)現(xiàn)方式，與圖4所示實(shí)現(xiàn)方式的區(qū)別主要在于，圖4中主燃級(jí)外旋流器25采用徑向旋流器的結(jié)構(gòu)形式，而圖5中主燃級(jí)外旋流器25’采用軸向旋流器結(jié)構(gòu)。對(duì)比圖4中主燃級(jí)油腔24,圖5中的主燃級(jí)油腔 24’的結(jié)構(gòu)也有相應(yīng)更改，從而適應(yīng)雙級(jí)軸向旋流器的結(jié)構(gòu)布局。
[0050]當(dāng)燃燒室工作于低功率狀態(tài)時(shí)，只有預(yù)燃級(jí)組件12的中心直射噴嘴14和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴16供油，主燃級(jí)油腔24、24’不供油，此時(shí)預(yù)燃級(jí)形成的實(shí)心霧錐使預(yù)燃級(jí)火焰穩(wěn)定在預(yù)燃區(qū)9。當(dāng)燃燒室功率升高時(shí)，主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)同時(shí)供油，主燃級(jí)內(nèi)層燃油噴射孔29和外層燃油噴射孔27形成的內(nèi)層多點(diǎn)噴射燃油30和外層多點(diǎn)噴射燃油28在與空氣摻混過程中，形成內(nèi)層主燃區(qū)10和外層主燃區(qū)11。預(yù)燃區(qū)9對(duì)內(nèi)層主燃區(qū)10起到穩(wěn)燃作用，內(nèi)層主燃區(qū)10對(duì)外層主燃區(qū)11起到穩(wěn)定作用。
[0051]此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實(shí)施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發(fā)明專利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡(jiǎn)單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種三級(jí)分層燃燒的高溫升燃燒室結(jié)構(gòu)，包括擴(kuò)壓器、燃燒室機(jī)匣、火焰筒、供油桿 和頭部油氣摻混器，所述的擴(kuò)壓器位于燃燒室機(jī)匣的氣流來流方向的前端;所述的燃燒室 機(jī)匣包括燃燒室內(nèi)機(jī)匣和燃燒室外機(jī)匣，兩者均為環(huán)形;所述的火焰筒為環(huán)形，設(shè)置在燃燒 室機(jī)匣內(nèi)，并與燃燒室機(jī)匣同軸，包括火焰筒外環(huán)和火焰筒內(nèi)環(huán);所述的頭部油氣摻混器安 裝于氣流來流方向的火焰筒前端壁，包括位于中心的預(yù)燃級(jí)組件和位于所述預(yù)燃級(jí)組件外 圍的主燃級(jí)組件，其特征在于:所述的預(yù)燃級(jí)組件包括由內(nèi)到外、同軸布置的中心直射噴嘴、預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器、預(yù)燃級(jí) 預(yù)膜噴嘴、預(yù)燃級(jí)外旋流器和預(yù)燃級(jí)收斂擴(kuò)張段，其中，所述的中心直射噴嘴包括圓柱段和圓錐段，燃油從圓錐段后端面以一定角度噴出，所 述的預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器設(shè)置于中心直射噴嘴圓柱段的外圍；所述的預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴包括預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁、預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁以及形成于兩 者之間的一環(huán)腔結(jié)構(gòu)，所述預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁均包括一圓柱段和 一向內(nèi)收縮的圓錐段，所述的預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁的圓錐段的軸向長(zhǎng)度大于預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴 嘴內(nèi)壁的圓錐段的軸向長(zhǎng)度，從而在所述預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁和預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁的圓 錐段之間形成一預(yù)燃級(jí)預(yù)膜唇口；所述的預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴內(nèi)壁與中心直射噴嘴外表面構(gòu)成了預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器的氣流通 道，該氣流通道的出口直徑小于入口直徑；所述的預(yù)燃級(jí)收斂擴(kuò)張段包括沿軸向依次布置的收斂段、緩慢擴(kuò)張段和快速擴(kuò)張段；所述的預(yù)燃級(jí)預(yù)膜噴嘴外壁與預(yù)燃級(jí)收斂擴(kuò)張段的收斂段構(gòu)成了預(yù)燃級(jí)外旋流器的 空氣通道，該通道的出口直徑小于入口直徑；所述的主燃級(jí)組件包括由內(nèi)到外環(huán)形布置的主燃級(jí)內(nèi)旋流器、主燃級(jí)油腔、主燃級(jí)外 旋流器，其中，所述的主燃級(jí)內(nèi)旋流器設(shè)置于主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道中，所述主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道 設(shè)置于所述預(yù)燃級(jí)組件的外圍，其內(nèi)壁面和外壁面均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道 的內(nèi)壁面包括圓柱段和圓錐段，所述的主燃級(jí)內(nèi)旋流器設(shè)置于主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道內(nèi)壁 面的圓柱段上，所述主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道的出口直徑大于進(jìn)口直徑；所述的主燃級(jí)外旋流器設(shè)置于主燃級(jí)外旋流空氣通道中，所述主燃級(jí)外旋流空氣通道 包括內(nèi)壁面和外壁面；所述的主燃級(jí)油腔呈環(huán)形，由所述主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道的外壁面和主燃級(jí)外旋流空 氣通道的內(nèi)壁面包圍而成，主燃級(jí)油腔尾部由兩個(gè)圓錐面組成，在兩個(gè)圓錐面上均設(shè)置有 一定數(shù)量的燃油噴射孔，分別向主燃級(jí)外旋流空氣通道和主燃級(jí)內(nèi)旋流空氣通道內(nèi)噴射燃 油；所述的頭部油氣摻混器的主燃級(jí)組件與預(yù)燃級(jí)組件之間在徑向上存在一定徑向間隔， 在此徑向間隔上布置有冷卻空氣孔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述主燃級(jí)外旋流器為徑向旋流 器，包含一定數(shù)量的直葉片，所述主燃級(jí)外旋流空氣通道的內(nèi)壁面和外壁面均包括一徑向 段和一水平段，徑向旋流器的葉片設(shè)置于主燃級(jí)外旋流空氣通道內(nèi)壁面和外壁面的徑向段 之間的空間中，氣流首先徑向進(jìn)入主燃級(jí)外旋流空氣通道，之后軸向流出，或，所述主燃級(jí)外旋流器為軸向旋流器，包括一定數(shù)量的直葉片。3.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器和預(yù)燃 級(jí)外旋流器以及所述的主燃級(jí)內(nèi)旋流器均為軸向旋流器，均包括一定數(shù)量的直葉片。4.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的主燃級(jí)外旋流空氣通道 的外壁面向外延伸形成一主燃級(jí)螺紋安裝邊，所述的頭部油氣摻混器通過所述主燃級(jí)螺紋 安裝邊設(shè)置在火焰筒前端壁上。5.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器的氣流旋 轉(zhuǎn)方向與預(yù)燃級(jí)外旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向相同或相反;所述的預(yù)燃級(jí)外旋流器的氣流旋轉(zhuǎn) 方向與主燃級(jí)內(nèi)旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向相同或相反;所述的主燃級(jí)外旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方 向與主燃級(jí)內(nèi)旋流器的氣流旋轉(zhuǎn)方向相同或相反。6.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的預(yù)燃級(jí)收縮擴(kuò)張段的擴(kuò) 張段長(zhǎng)度與頭部油氣摻混器的軸向長(zhǎng)度之比在〇.3?0.5之間；主燃級(jí)油腔尾部的兩排燃油 噴射孔距主燃級(jí)外旋流器前側(cè)壁面的軸向距離與主燃級(jí)軸向長(zhǎng)度之比在0.4?0.7之間；主 燃級(jí)與預(yù)燃級(jí)之間的徑向間隔尺寸與主燃級(jí)螺紋安裝邊外徑之比在0.05?0.1之間。7.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的主燃級(jí)油腔尾部的兩排 燃油噴射孔的直徑在〇.3?0.8_之間。8.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的主燃級(jí)油腔尾部的兩排 燃油噴射孔燃油噴射角度與所在圓錐面法線呈-30°?+30°。9.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的頭部油氣摻混器的預(yù)燃 級(jí)的空氣流量占頭部總進(jìn)氣量的8%?15%，所述的頭部油氣摻混器的主燃級(jí)空氣流量占 頭部總進(jìn)氣量的60%?80%，所述的預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器空氣流量占預(yù)燃級(jí)空氣流量的30%? 50%，所述的主燃級(jí)內(nèi)旋流器的空氣流量占主燃級(jí)空氣流量的35%?55%。10.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的頭部油氣摻混器的預(yù)燃 級(jí)燃油總流量占燃燒室總供油量的15%?25%，主燃級(jí)燃油流量占燃燒室總供油量的75% ?85%，所述的預(yù)燃級(jí)中心直射噴嘴的燃油流量占預(yù)燃級(jí)供油量的30%?50 %，所述的主 燃級(jí)油腔尾部的內(nèi)層燃油噴射孔的燃油流量占主燃級(jí)燃油總流量的50%?70%。
【文檔編號(hào)】F23R3/26GK106091013SQ201610395947
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日 公開號(hào)201610395947.6, CN 106091013 A, CN 106091013A, CN 201610395947, CN-A-106091013, CN106091013 A, CN106091013A, CN201610395947, CN201610395947.6
【發(fā)明人】楊金虎, 陳浩, 劉存喜, 劉富強(qiáng), 徐綱
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所