一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室的製作方法

2023-05-10 16:25:31 2

專利名稱：一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種航空發動機低汙染燃燒室，特別是一種帶多旋流中間穩焰級的周 向分級低汙染燃燒室。採用該方案的燃燒室燃燒穩定性大幅度提高，同時可以顯著降低汙 染物排放。
背景技術：
民用航空發動機越來越受到更加嚴格的汙染物排放標準的限制。當前採用的 CAEP6標準規定民用航空發動機NOx排放比目前在役發動機的平均排放水平低60%。針對 工業燃氣輪機的排放標準則更為嚴格，要求達到百萬分之一的排放濃度。日益嚴格的汙染 物排放標準也在促使人們進一步探索更加有效的低汙染燃燒組織形式。
GE發動機公司提出了一種低汙染燃燒室方案-TAPS (Twin Annular PremixingSwirler)，被認為是目前技術成熟度最高的低汙染燃燒技術。其燃燒室頭部 主要包括值班級和主燃級，主燃級和預燃級分別供油，實現分區燃燒。該低汙染燃燒室 方案的主要發明人 Hukam Chand Mongia 在文獻(TAPS-A 4th Generation Propulsion CombustorTechnology for Low Emissions AIAA Paper 2003—2657)中指出，TAPS 方案 在慢車等低工況下僅值班級工作，在起飛、爬升和巡航等高工況下兩級同時工作，高工況下 值班級燃油比例為5% 10%，同時該方案的燃燒室火焰筒壁面上無主燃孔及摻混孔，僅 有火焰筒冷卻氣流經過。GE公司針對該技術申請了 20多項美國專利，如US 6354072, US 6363726、US 6367262、US 6381964、US 6389815、US 6418726、US 6453660、US 6484489、 US 6865889、US7762073等。這些專利在TAPS燃燒室基準型號上或針對值班級進行優 化，或針對主燃級旋流進氣裝置進行改進，但是空氣流量及燃油流量在值班級和主燃級 之間的分配基本未變。所有上述專利均聲稱實現了發動機工作範圍內的低汙染燃燒要 求。但是美國密西根大學由James F. Driscoll教授領導的TAPS研究團隊的試驗研究表 明(Unsteady Aspectsof Lean Premixed-Prevaporized(LPP) Gas Turbine Combustors Flame—FlameInteractions，AIAA 2010—1148 ；Instantaneous Flow Structures in a Reacting GasTurbine Combustor, AIAA 2008—4683 ；Vortex-shedding and mixing layer effects onperiodic flashback in a lean premixed prevaporized gas turbine combustor，Proceedings of the Combustion Institute)，在發動機進行工況轉換時，值 班級和主燃級供油比例的改變，會導致值班級和主燃級旋流通道的空氣流量分配改變，進 而導致火焰筒內各燃燒子區當量比偏離設計值和燃燒不穩定的產生等不利影響，此外該團 隊的試驗及數值結果顯示TAPS方案在主燃級和值班級之間存在著一定高度的臺階，臺階 後產生的臺階渦能夠支持巡航工況下主燃級的貧油預混穩定燃燒，但是該漩渦的強度和大 小很大程度上受主燃級和值班級氣流速度差的影響，在外界氣流條件改變的情況下，該漩 渦對強度和大小也會隨之改變，進而也會導致燃燒不穩定現象的產生。GE公司的最新專 利US7762073中，則大幅度更改了值班級和主燃級之間的空氣流量和燃油流量分配，該專 利在值班級套筒擴張段增加了一圈值班級周向多點直射式空氣霧化噴嘴，值班級所增加的燃油使得燃燒室值班級空氣流量比例可以從燃燒室總氣量的10%到30%變化，值班級 周向多點直射式空氣霧化噴嘴的供油量可以大於、等於或者小於值班級主噴嘴，並且該專 利指出當值班級多點直射式空氣霧化噴嘴噴嘴供油比例增多時，燃燒室的汙染物排放性 能更好。這樣的改進方式實際上是在以犧牲部分TAPS技術的低汙染排放能力為代價來 獲得較高的燃燒穩定性。目前國內低汙染燃燒室方案主要集中在北京航空航天大學熱動 力工程研究所，以林宇震、劉高恩等知名教授帶領的學術團隊在低汙染燃燒室概念設計和 工程應用上有了諸多創新，並申請了諸多專利，如ZL200810104686. 3、ZL200810105061. 9、 20081010562. 3、200810104684. 4，上述4種低汙染燃燒方案主燃級均採用了徑向旋流葉片 為主燃級霧化提供進氣條件，專利200910238793. χ,201010101574. χ和201010034141. 7則 是為改進主燃級霧化混合的性能，將蒸發管的預混預蒸發概念引入到主燃級設計中。這些 方案在特定的燃燒室設計點，如巡航狀態，可以做到很低的汙染物排放，但是在進行工況轉 換時，由於燃油比例的改變同樣會導致與TAPS方案一樣的燃燒室燃燒不穩定等現象的產 生，故在實際應用中同樣需要通過犧牲低汙染排放能力來獲得穩定的燃燒性能。
燃燒不穩定現象通常發生在貧油預混燃燒條件下，故而在目前常規化學恰當比主 燃區燃燒室中並不常見。但是未來為了滿足日益嚴格的航空發動機汙染物排放標準，必然 要求燃燒室主燃區更加貧油，燃燒室設計者將會越來越頻繁的碰到燃燒不穩定現象。此外 燃燒不穩定現象這一課題也是目前低汙染燃燒室設計領域的一大熱點。發明內容
本發明主要解決的問題克服現有技術的不足，提供一種帶多旋流中間穩焰級的 周向分級低汙染燃燒室，該燃燒室在進一步降低低汙染物排放的同時，發動機低的燃燒穩 定性也得到增強。
本發明所採用的技術方案是一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒 室，所述燃燒室為單環腔結構，採用空氣分級配合燃油分級的低汙染燃燒組織方式，燃燒氣 量全部由火焰筒頭部(68)的值班級(23)、中間級04)和主燃級0 供應，燃油供應按 照發動機運行工況及穩定低汙染燃燒需要控制向火焰筒頭部(68)的值班級(23)、中間級 (24)和主燃級0 供應燃油的比例；所述燃燒室由前置擴壓器(16)、燃燒室外機匣(17)、 燃燒室內機匣(18)、燃油供應組件(19)、火焰筒頭部(68)、火焰筒外壁00)和火焰筒內壁 (21)組成，前置擴壓器(16)與燃燒室外機匣(17)和燃燒室內機匣(18)相連，火焰筒外壁 (20)和火焰筒內壁在燃燒室外機匣(17)和燃燒室內機匣(18)組成的空間內沿徑向 分布，火焰筒頭部(68)通過頭部端壁06)與火焰筒外壁00)和火焰筒內壁相連，燃 油供應組件(19)通過燃油管路基座(6 與燃燒室外機匣(17)固定；所述火焰筒頭部(68) 由值班級(23)、中間級04)、主燃級0 和頭部端壁06)組成；所述值班級由值班級 離心噴嘴(31)、值班級旋流組件(27)、值班級套筒(34)和值班級端壁(3 組成，利用值班 級旋流組件(XT)形成值班級燃燒區(8)用於穩定火焰，值班級在啟動狀態下單獨工 作，在其餘工況下與中間級04)或與中間級04)和主燃級0 共同工作；所述值班級旋 流組件(XT)由值班級內旋流器(觀)、值班級文氏管( )、值班級外旋流器(30)組成，值班 級內旋流器08)同軸地套在值班級離心噴嘴(31)外圍，並通過值班級文氏管內壁面卡槽 (32)固定，再利用值班級文氏管外壁面卡槽(3 固定值班級外旋流器(30)從而形成值班級旋流組件07)整體，值班級沿徑向由內到外依次安裝有與頭部軸線同軸的值 班級離心噴嘴(31)、值班級旋流組件(XT)和值班級套筒(34)，值班級旋流組件(XT)和值 班級套筒(34)通過值班級端壁(3 連接形成值班級整體，值班級通過值班級套 筒尾緣(36)與中間級04)連接；所述中間級04)由位於同一軸向截面內同一圓周上沿周 向均勻分布的多個中間級旋流組件G2)和中間級安裝基座Gl)組成，該圓周的圓心位於 頭部軸線03)上，中間級安裝基座Gl)上開有與中間級旋流組件G2)數目相同的中間級 旋流組件安裝孔(44)，單個中間級旋流組件0 由中間級直射式噴嘴(45)、中間級旋流器 (46)和中間級文氏管07)組成，中間級直射式噴嘴G5)與中間級旋流器G6)為一體化設 計，且中間級旋流器G6)被中間級文氏管卡槽G8)固定，並隨中間級文氏管G7) —起內 嵌入中間級旋流組件安裝孔G4)內形成中間級04)整體，中間級外壁面09)上開有多排 中間級斜切孔(50)，為主燃級05)提供切向氣流，中間級04)利用中間級端壁(51)與主 燃級05)連接，中間級04)所需燃油由中間級直射式噴嘴G5)噴出後，打在中間級文氏 管G7)內壁面上形成油膜，該油膜受流經中間級旋流器G6)的旋流空氣剪切作用，形成霧 化良好的旋流混氣，被值班級04)火焰引燃並在中間級下遊形成與多個中間級旋流組件 (42)數目相同的多旋流中間穩焰級回流區(7)，中間級04)在發動機慢車低功率工況下與 值班級—起工作，起到調節燃燒區的局部當量比以實現高效低汙染燃燒的作用，而在 發動機起飛、爬升和巡航高功率工況下，中間級旋流組件0 所形成的多旋流中間穩焰級 回流區(7)起到強化穩定主燃級貧油預混燃燒火焰的作用；所述主燃級0 由位於同一軸 向截面內同一圓周上沿周向均勻分布的多個主燃級旋流組件(52)、主燃級預混腔(53)和 主燃級端壁(54)組成，該圓周的圓心位於頭部軸線G3)上，主燃級預混腔(53)上開有多 個主燃級旋流組件安裝孔(55)，且安裝孔(5 數目與主燃級旋流組件(5 數目一致，單個 主燃級旋流組件(5 由主燃級直射式噴嘴(56)、主燃級旋流器(57)和主燃級文氏管(58) 組成，其中主燃級直射式噴嘴(56)和主燃級旋流器(57)為一體化設計，同時主燃級旋流器(57)被主燃級文氏管卡槽(59)固定，並隨主燃級文氏管(58)—起內嵌入主燃級旋流組件 安裝孔(55)，主燃級預混腔(5 的壁面上開有多排主燃級預混腔壁面斜切孔(60)，所述斜 切孔(60)與中間級壁面斜切孔(50)數目和位置沿徑向一一對應，一起為主燃級0 提供 對衝氣流，主燃級端壁(54)沿周向方向上開有多排主燃級端壁進氣孔(61)，主燃級預混腔 (53)與主燃級端壁(54)採用焊接的方式連接，形成的主燃級0 整體通過螺栓與頭部端 壁06)連接，主燃級0 所需燃油從主燃級直射式噴嘴(56)噴出後，打在主燃級文氏管(58)壁面上形成油膜，該油膜受經過主燃級旋流器(57)的旋流空氣剪切作用進行初次霧 化，隨後進入主燃級預混腔(53)，受到從主燃級預混腔壁面斜切孔(60)和中間級壁面斜切 孔(50)進入的對衝氣流作用，形成二次混合，預混預蒸發良好的混氣在主燃級0 下遊被 值班級燃燒區(8)引燃，同時被多旋流中間級燃燒區(7)強化穩定，形成穩定燃燒的貧油燃 燒的主燃級燃燒區(6)，由於主燃級0 消耗了大部分燃油，故整個燃燒室的汙染物排放 水平很低。
所述燃燒用氣量全部由火焰筒頭部(68)供入，火焰筒頭部氣流(2)佔燃燒室進口 氣流(1)的60%到80%，其餘為火焰筒冷卻氣流(9)，頭部氣流O)中值班級03)佔0% 到15%，中間級04)佔0%到15%，主燃級05)佔30%到70%，其餘為頭部冷卻氣流量。
所述值班級(23)、中間級04)和主燃級0 的燃油分級比例需要根據發動機(10)的工況條件靈活控制，啟動工況下，值班級燃油流量佔總燃油流量的100%，發動 機(10)從啟動工況轉變為慢車工況時，逐漸開啟中間級(M)，此時值班級燃油量佔總 燃油流量的0% -100%，其餘為中間級04)燃油流量，在發動機(10)起飛、爬升或巡航高 功率工況下，開啟主燃級(25)，此時值班級(23)、中間級04)和主燃級05)同時工作，此 時值班級03)燃油流量佔總燃油流量的0%-10%，中間級04)燃油流量佔總燃油流量的 0% _10%，其餘為主燃級05)燃油流量。
所述值班級文氏管09)的擴張半角、值班級套筒(34)的擴張半角和值班級離心 噴嘴(31)的噴霧半錐角GO)這三個角度相等，且均在10° -20°內變化，使得離心噴嘴 (31)的噴霧型面不會打到值班級文氏管09)或者值班級套筒(34)壁面上，從而增大液霧 的穿透深度深度，改善發動機的點火性能。
所述值班級內旋流器08)和值班級外旋流器(30)的葉片角度在20° -60°同向 變化，且值班級外旋流器(30)的葉片角度應大於或等值班級內旋流器08)的葉片角度，以 保護值班級離心噴嘴(31)的噴霧型面不會被值班級氣流打散，使得液霧的穿透深度增加， 利於提升發動機的點火性能；此外，值班級外旋流器(30)產生的旋轉氣流會包裹著值班級 內旋流燃氣，同時還會貼著值班級套筒的內表面，這就阻止了冷的值班級套筒壁面對值班 級內旋流燃氣的壁面淬熄從而降低了 CO和UHC汙染物排放，也延緩了中間級和主燃級氣流 對值班級氣流的摻混從而提高了燃燒效率。
所述中間級04)中的中間級旋流組件G2)數量10彡c彡20，中間級旋流器06) 的葉片角度和中間級文氏管G7)的擴張全形在均在30° -60°範圍變化，增大或減小這兩 個角度可以調節多旋流中間穩焰級回流區(7)的大小和強度，角度過大會造成中間級回流 區(7)強度大而長度短，使得中間級對主燃級和值班級火焰的淬熄幹擾過大，汙染物排放 增加，角度過小則會造成中間級回流區偏小，不利於穩定主燃級火焰。
所述主燃級0 中的主燃級旋流組件(5 的數量10 < m < 20，主燃級旋流器 (57)的葉片角度和主燃級文氏管(58)的擴張全形位於20° -30°範圍變化，這兩個角度應 與主燃級預混腔(5 的尺寸相適應，避免初次霧化的液霧碰壁導致霧化效果的急劇下降， 主燃級預混腔壁面斜切孔(60)和中間級斜切孔(50)的角度為-90° -90°。
所述主燃級端壁(54)沿周向開有多排主燃級端壁進氣孔(61)，用以冷卻頭部端 壁(54)和限制主燃級氣流沿燃燒室徑向的快速擴張。
所述燃油管路(6 通過供油盤(64)轉接之後，再往值班級離心噴嘴(31)、中間級 直射式噴嘴G5)和主燃級直射式噴嘴(56)供油。
所燃油供應組件(19)由燃油管路基座(62)、燃油管路(63)和供油盤(64)組成， 燃油管路(6 包括值班級油路(65)、中間級油路(66)和主燃級油路(67)，值班級離心噴 嘴(31)、中間級直射式噴嘴05)和主燃級直射式噴嘴(56)與供油盤(64)採用焊接或螺栓 與供油盤(64)連接，並通過供油盤(64)供油，燃油管路(6 通過燃油管路基座(6 與燃 燒室外機匣(17)固定。
本發明的原理從低汙染燃燒原理而言，航空發動機的低排放燃燒需要通過兩個 方面來實現第一，控制燃燒區域的總體當量比，使當量比落在低汙染燃燒所要求的當量比 區間；第二，控制燃燒區內當量比分布的均勻性，減少燃燒區內的高溫熱點區域。實現這一 要求可以通過分級燃燒和強化各級燃油霧化質量來實現。從穩定燃燒角度而言，航空發動8機通常採用旋流所產生的回流區來實現火焰的自駐定及穩定。以往單燃燒區的燃燒室由於 一個燃燒區對應一個回流區，故燃燒穩定性很高。而將單燃燒區改為多燃燒區時，外圍的貧 油難穩定的主燃級燃燒區與位於內圈穩定燃燒的值班級燃燒區存在一定的臺階，這一臺階 的存在主要由燃燒室慢車低工況的燃燒和排放要求決定的，這樣的燃燒組織形式就決定了 主燃級的燃燒穩定性將會完全受控與值班級和主燃級之間的臺階渦的大小和強度，而該臺 階渦的大小和強度在發動機的運行過程工況條件下，受值班級和主燃級的氣流條件影響過 大，在偏離設計點狀況時極易造成燃燒不穩定的產生。本發明綜合考慮低汙染及燃燒穩定 的要求，採用在值班級和主燃級之間增加多旋流中間穩焰級和改善各燃燒子區的霧化質量 的方法來同時實現燃燒室低汙染及穩定燃燒的要求。即燃燒室採用分級燃燒的設計理念， 燃燒氣量分三級分別從值班級、中間級和主燃級供入燃燒室，同時對應地將燃油供油也設 計為三級供油，並按照發動機在飛行包線內的工況條件控制燃油分級比例，精確控制燃燒 室內各燃燒子區的當量比落在低汙染燃燒的當量比區間實現低汙染燃燒對各燃燒子區總 體當量比的要求。值班級在啟動工況下工作，保持值班級當量比在富油低汙染燃燒當量比 區間，兩級軸向旋流配合文氏管的組合結構形成的穩定低速回流區用於整個燃燒室的穩定 燃燒，富油當量比設計的值班級可以獲得良好的燃燒室啟動特性和穩定燃燒能力，同時燃 燒效率高、熱力NOx排放少，值班級富油燃燒的產物CO和UHC等會在向火焰筒下遊的運行 過程中被中間級和主燃級的氣流迅速摻混氧化，最終到達火焰筒出口的為低汙染物排放的 燃氣。中間級採用位於同一軸向截面圓周上的多個單級軸向旋流配合文氏管組合結構，不 僅可以使得中間級的油氣混合更均勻，同時可以在值班級和主燃級之間形成主動穩定的多 旋流中間級穩焰燃燒區。當發動機工況過渡到慢車時，開啟中間級，中間級與值班級共同 工作，控制中間級的當量比在富油低汙染燃燒當量比區間，降低熱力NOx排放，由於此時值 班級和中間級的當量比都不是太大，富油產物CO和UHC等很容易就被主燃級的氣流快速摻 混氧化，最終到燃燒室出口處汙染物排放很小，實現慢車工況下的低汙染燃燒。增加的中間 級，在啟動狀態不會影響到值班級的低汙染高效燃燒狀態，在慢車狀態時中間級與值班級 一起供油供氣，使得慢車燃燒區的當量比不至於過大而影響出口溫度分布，而在起飛、爬升 和巡航等高功率狀態，中間級的多旋流穩焰回流燃燒區可以幫助主燃級穩定火焰，實現主 燃級火焰的主動穩定，消除發動機工況轉換所帶來的燃燒不穩定現象。主燃級採用多個單 級軸向旋流配合文氏管組合結構進行強化油氣混合，隨後初步混合的油氣在主燃級預混腔 中進行二次混合，混合均勻的貧油混氣在火焰筒內實現貧油預混預蒸發燃燒，降低燃燒室 汙染物排放，由於主燃級火焰被中間級主動穩定，故主燃級可以設計得非常貧油，這就充分 利用了預混預蒸發燃燒方式的低汙染燃燒能力。採用上述低汙染燃燒室，可以保證燃燒室 在保持低汙染物排放能力的同時，發動機在飛行包線內進行大幅度工況轉換時燃燒穩定性 也得到增強。
本發明與現有技術相比的優點在於
(1)本發明增加了帶多旋流的中間穩焰級，改變TAPS方案中被動臺階渦為旋流控 制的主動渦，能夠提高主燃級火焰的燃燒穩定性。
(2)值班級採用兩級軸向旋流配合文氏管的組合結構，形成的低速回流區可以支 持燃燒室的穩定燃燒，中間級採用位於同一軸向截面內同一圓周上沿周向分布的多個單級 軸向旋流配合文氏管組合結構在值班級燃燒區和主燃級燃燒區之間形成主動穩定的多旋流中間級穩焰燃燒區，用於實現主燃級火焰的主動穩定，主燃級採用位於同一軸向截面內 同一圓周上沿周向分布的多個單級軸向旋流配合文氏管組合結構強化油氣混合的貧油預 混預蒸發燃燒方式，降低燃燒室汙染物排放，火焰筒壁面上僅有冷卻氣流供入；
(3)本發明的中間穩焰級增大了頭部進氣面積，使得燃燒室進行工況轉換時各級 旋流空氣流量變化幅度較常規設計減小，能夠增強燃燒室進行大幅度工況轉換的能力。
(4)本發明的中間級採用位於同一軸向截面的多個單級軸向旋流配合文氏管組合 結構，可以使得中間級的油氣混合更均勻。
(5)本發明的中間穩焰級，在慢車工況下與值班級共同工作，降低了 TAPS方案低 工況下值班級燃燒區的當量比，使得主燃級的氣流很容易就能夠將值班級和中間級的富油 產物氧化，並且可以改善出口溫度分布品質。
(6)本發明的主燃級採用旋流葉片和文氏管結構進行輔助霧化，之後進入主燃級 預混腔與主燃級氣流進行二次霧化、摻混，使得主燃級油氣混合均勻性得到改善，降低燃燒 室汙染物排放。


圖1為發動機結構示意圖2為本發明的燃燒室工作示意圖3為本發明的燃燒室結構示意圖4為本發明的火焰筒頭部結構圖5為本發明值班級結構示意圖，其中圖5-a為沿空氣流向示意圖，圖5_b為逆空 氣流向示意圖，圖中箭頭指向為空氣流動方向；
圖6為本發明值班級結構剖視圖7為本發明中間級結構示意圖，其中圖7-a為沿空氣流向示意圖，圖7_b為逆空 氣流向示意圖，圖中箭頭指向為空氣流動方向；
圖8為本發明中間級結構剖視圖9為本發明主燃級結構示意圖，其中圖9-a為沿空氣流向示意圖，圖9_b為逆空 氣流向示意圖，圖中箭頭指向為空氣流動方向；
圖10為本發明主燃級結構剖視圖11為本發明燃油組件剖視圖中1.燃燒室進口氣流，2.火焰筒頭部氣流，3.燃燒室外環腔氣流，4.燃燒室內 環腔氣流，5.火焰筒出口氣流，6.主燃級燃燒區，7.多旋流中間穩焰級燃燒區，8.值班級燃 燒區，9.火焰筒冷卻氣流，10.發動機，11.低壓壓氣機，12.高壓壓氣機，13.燃燒室，14.高 壓渦輪，15.低壓渦輪，16.前置擴壓器，17.燃燒室外機匣，18.燃燒室內機匣，19.燃油供應 組件，20.火焰筒外壁，21.火焰筒內壁，22.火焰筒冷卻孔，23.值班級，24.中間級，25.主 燃級，26.頭部端壁，27.值班級旋流組件，28.值班級內旋流器，29.值班級文氏管，30.值班 級外旋流器，31.值班級離心噴嘴，32.值班級文氏管內壁面卡槽，33.值班級文氏管外壁面 卡槽，34.值班級套筒，35.值班級端壁，36.值班級套筒尾緣，37.值班級噴霧張角，38.文 氏管擴張段張角，39.套筒擴張角，40.值班級噴霧，41.中間級安裝基座，42.中間級旋流組 件，43.頭部軸線，44.中間級旋流組件安裝孔，45.中間級直射式噴嘴，46.中間級旋流器，47.中間級文氏管，48.中間級文氏管卡槽，49.中間級外壁面，50.中間級斜切孔，51.中間 級端壁，52.主燃級旋流組件，53.主燃級預混腔，54.主燃級端壁，55.主燃級旋流組件安裝 孔，56.主燃級直射式噴嘴，57.主燃級旋流器，58.主燃級文氏管，59.主燃級文氏管卡槽， 60.主燃級預混腔壁面斜切孔，61.主燃級端壁進氣孔，62.燃油管路基座、63.燃油管路， 64.供油盤，65.值班級油路，66.中間級油路67.主燃級油路，68.火焰筒頭部。
具體實施方式
圖1是一個發動機10的示意圖。發動機10包括低壓壓氣機11，高壓壓氣機12，燃 燒室13，高壓渦輪14和低壓渦輪15。發動機10工作時，空氣經過低壓壓氣機11壓縮後， 再進入高壓壓氣機12，高壓空氣進入到本發明所述燃燒室13中燃燒，燃油噴射系統向高壓 氣流中噴射燃油，在所述燃燒室13中進行充分有效燃燒，形成的高溫高壓燃氣，進入到高 壓渦輪14和低壓渦輪15，從而推動渦輪做功。
圖2是本發明設計的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室的工作 示意圖，圖3為燃燒室的詳細結構，該燃燒室為單環腔結構，採用採用空氣分級配合燃油分 級的低汙染燃燒組織方式。燃燒用燃燒氣量全部由值班級、中間級和主燃級供應，燃油供應 按發動機運行工況及低汙染燃燒需要控制向值班級、中間級和主燃級供應燃油的比例，值 班級採用兩級軸向旋流配合文氏管的組合結構形成的擴散燃燒方式支持燃燒室的穩定燃 燒，中間級採用多個單級軸向旋流配合文氏管組合結構在值班級燃燒區和主燃級燃燒區之 間形成主動穩定的多旋流中間級穩焰燃燒區，用於實現主燃級火焰的主動穩定，主燃級採 用多個單級軸向旋流配合文氏管組合結構強化油氣混合的貧油預混預蒸發燃燒方式，降低 燃燒室汙染物排放，火焰筒壁面上僅有冷卻氣流供入，無主燃孔及摻混孔。本燃燒室包括三 個燃燒區——值班級燃燒區8、中間級燃燒區7和主燃級燃燒區6，燃燒區的外邊界為火焰 筒外壁20，內邊界為火焰筒內壁21，環形的火焰筒內壁21和火焰筒外壁20在環形的燃燒 室內機匣18和外機匣17之間沿徑向分布。在火焰筒內壁21和火焰筒外壁20上僅開有冷 卻孔22，用於冷卻火焰筒壁面，保證燃燒室的壽命，冷卻孔的示意圖如圖3所示。
為滿足發動機10在飛行包線的全部工況內都實現低汙染燃燒，需要精心設計燃 燒室13內各燃燒子區的當量比，保持各燃燒子區的總當量比落在低汙染排放區間和局部 當量比均勻。如圖3所示，從高壓壓氣機12過來的氣流經過燃燒室前置擴壓器1減速增壓 之後分成三股，其中氣流2約佔進口氣流1的60%到80%，其餘為火焰筒冷卻流量9。氣流 2為燃燒室全部燃燒氣量和頭部端壁冷卻氣量，頭部氣流2中值班級23佔0 %到15 %，中間 級對佔0%到15%，主燃級25佔30%到70%，其餘為頭部冷卻氣流量。值班級23、中間級 對和主燃級25的燃油分級比例則要根據發動機10的工況條件靈活控制。在發動機10啟動 工況下，僅值班級23工作，值班級23佔總燃油流量的100% ；發動機10從啟動工況轉變為 慢車工況時，逐漸開啟中間級24，此時值班級23燃油佔總燃油流量的0%到100%，其餘為 中間級燃油流量；在發動機起飛或爬升等高功率工況下，再開啟主燃級25，此時值班級23、 中間級M和主燃級25同時工作，此時值班級23燃油流量佔總燃油流量的0%到10%，中 間級M燃油流量佔總燃油流量的0%到10%，其餘為主燃級25燃油流量。
如圖4所示，在火焰筒燃燒區的上遊是火焰筒頭部68，火焰筒頭部68由值班級 23，中間級對，主燃級25和頭部端壁26組成。
如圖5和圖6所示。值班級23由值班級離心噴嘴31、值班級旋流組件27、值班級 套筒34和值班級端壁35組成。值班級旋流組件27由值班級內旋流器觀、值班級文氏管 四、值班級外旋流器30組成，其連接形式為值班級內旋流器觀同軸地套在值班級離心噴嘴 外圍31，通過值班級文氏管內壁面卡槽32固定，再利用值班級文氏管外壁面卡槽33固定值 班級外旋流器30，從而形成值班級旋流組件27整體，值班級27沿徑向由內到外依次安裝有 與頭部軸線43同軸的值班級離心噴嘴31、值班級旋流組件27和值班級套筒34，值班級旋 流組件27和值班級套筒34通過值班級端壁35連接形成值班級23整體，值班級23通過值 班級套筒尾緣36與中間級M連接。值班級內旋流器觀和值班級外旋流器30的葉片角度 在20°到60°同向變化，且值班級外旋流30的葉片角度大於或等於值班級內旋流器觀的 葉片角度。由於值班級文氏管四安裝在值班級內旋流器觀和值班級外旋流器30之間，故 進入值班級23的氣流在經過值班級旋流組件27後會形成兩股同向旋轉射流，同時由於值 班級外旋流器30的葉片角度大於值班級內旋流器觀的葉片角度，值班級外旋流會貼著值 班級套筒34內壁面旋轉流動，值班級內旋流則被包裹在值班級外旋流面，兩股氣流為分層 流動。由於值班級文氏管四的收擴作用，使得值班級內旋流器觀以較小的葉片角度就可 以在火焰筒內形成強大的值班級回流用於穩定燃燒，值班級外旋流空氣一部分為值班級燃 燒區提供新鮮空氣，另外一部分氣量則可以起到防止值班級套筒壁面對值班級燃燒區8火 焰的淬熄作用，值班級外旋流包裹在值班級火焰的外側，還可以延緩中間級M和主燃級25 氣流對值班級火焰淬熄作用，使得值班級燃燒區8的燃燒效率提高，同時CO和UHC排放少。 從值班級離心噴嘴31噴出的值班級燃油噴霧40的張角，值班級文氏管四和值班級套筒34 的張角應保持近似相等，並且三者的半角均在10°到20°變化，這樣的噴霧型面設計配合 分層流動的值班級兩級旋流，可以保證離心噴嘴的噴霧型面不被值班級氣流破壞，使液霧 的穿透深度增加，利於提升發動機的點火性能，值班級文氏管四和值班級套筒34的擴張角 度較小則是為了延緩中間級M和主燃級25氣流對值班級火焰淬熄作用，使得值班級燃燒 區8的燃燒效率提高，同時CO和UHC排放少。值班級23在啟動狀態下單獨工作，在其餘工 況下與中間級M或與中間級M和主燃級25共同工作
如圖7和圖8所示，中間級M由位於同一軸向截面內同一圓周上沿周向均勻分布 的多個中間級旋流組件42和中間級安裝基座41組成，該圓周的圓心位於頭部軸線43上， 中間級安裝基座41上開有與中間級旋流組件42數目相同的中間級旋流組件安裝孔44，單 個中間級旋流組件42由中間級直射式噴嘴45、中間級旋流器46和中間級文氏管47組成， 中間級直射式噴嘴45與中間級旋流器46為一體化設計，且中間級旋流器46被中間級文氏 管卡槽48固定，並隨中間級文氏管47—起內嵌入中間級旋流組件安裝孔44形成中間級M 整體，中間級外壁面49上開有中間級斜切孔50，為主燃級25提供切向氣流，中間級M利 用中間級端壁51與主燃級25連接。中間級旋流組件42總共數目10<c<20，對應中間 級直射式噴嘴45、中間級文氏管47和中間級旋流組件安裝孔44數目也在10 < c < 20變 化，且數目一樣。中間級旋流器46葉片角度在30°到60°變化，中間級旋流器46的葉片 角度不能過大和過小，葉片角過大會造成中間級回流區強度大而長度短，對主燃級和值班 級火焰的淬熄幹擾過大，使得汙染物排放增加，葉片角過小則會造成中間級回流區偏小，不 利於穩定主燃級火焰。中間級所需燃油由中間級直射式噴嘴45噴出後，打在中間級文氏管 47壁面上形成油膜，該油膜受流經中間級旋流器46的旋流空氣剪切作用，形成霧化良好的旋流混氣，被值班級23火焰引燃並在中間級M下遊形成與多個中間級旋流組件數目相同 的10 < c < 20個多旋流中間穩焰級回流區，中間級油氣混合物在中間穩焰級燃燒區7內 進行擴散燃燒，中間級M在發動機慢車等低功率工況下與值班級23 —起工作，起到調節燃 燒區的局部當量比以實現高效低汙染燃燒，而在發動機起飛、爬升和巡航等高功率工況下， 中間級旋流組件42所形成的多旋流中間穩焰級燃燒區7則可以起到強化穩定主燃級25貧 油預混燃燒火焰的作用；
如圖9和圖10所示，主燃級25由位於位於同一軸向截面內同一圓周上沿周向均 勻分布的10 < m < 20個主燃級旋流組件52、主燃級預混腔53和主燃級端壁M組成，該圓 周的圓心位於頭部軸線43上，主燃級預混腔53沿頭部軸線43截面開有個與主燃級旋流組 件52數目一致的主燃級旋流組件安裝孔55。單個主燃級旋流組件52由主燃級直射式噴 嘴56、主燃級旋流器57和主燃級文氏管58組成，其中主燃級直射式噴嘴56和主燃級旋流 器58為一體化設計，同時主燃級旋流器57被主燃級文氏管卡槽59固定，並隨主燃級文氏 管58 —起內嵌入主燃級旋流組件安裝孔55，主燃級預混腔53壁面開有主燃級預混腔壁面 斜切孔60，該斜切孔與中間級斜切孔50 —起為主燃級提供對衝氣流，主燃級端壁M沿周 向方向上開有多排主燃級端壁進氣孔61，主燃級預混腔53與主燃級端壁M採用焊接的方 式連接，形成的主燃級25整體通過螺栓與頭部端壁沈連接，主燃級25所需燃油從主燃級 直射式噴嘴56噴出後，打在主燃級文氏管壁面上形成油膜，該油膜受經過主燃級旋流器57 的旋流空氣剪切作用進行初次霧化，隨後進入主燃級預混腔53，受到從主燃級預混腔壁面 斜切孔60和中間級斜切50孔進入的對衝氣流作用，形成二次混合，預混預蒸發良好的混氣 在主燃級25下遊被值班級火焰引燃，同時被多旋流中間穩焰級強化穩定，形成穩定燃燒的 貧油燃燒的主燃級燃燒區6。主燃級旋流器57的葉片角度和主燃級文氏管58的擴張全形 位於20°到30°變化，且應與主燃級預混腔53的尺寸相適應，避免初次霧化的液霧碰壁， 導致霧化效果的急劇下降，主燃級預混腔壁面斜切孔60和中間級斜切孔50的角度為-90° 到90°變化，調整該角度可以改變主燃級二次摻混的效果。由於主燃級25消耗了大部分燃 油，以及中間級多旋流穩焰級的穩定火焰，使得主燃級M可以設計得非常貧油，充分利用 預混預蒸發技術的低汙染物排放能力；主燃級端壁M沿周向開有多排主燃級端壁進氣孔 61，用以冷卻頭部端壁沈和限制主燃級氣流沿燃燒室徑向的快速擴張。通過主燃級端壁進 氣孔61的氣流可以包裹在主燃級氣流的外側，可以冷卻頭部端壁，同時避免主燃級火焰碰 到冷的頭部端壁26壁面，減小淬熄作用從而降低汙染物排放。此外由於從主燃級25出來 的氣流旋流強度較弱，包裹主燃級外側的氣流可以限制主燃級氣流沿徑向的快速擴張，增 強主燃級火焰的剛性。
如圖3和圖11所示，燃油供應組件19由燃油管路基座62、燃油管路63和供油盤 64組成，燃油管路63包括值班級油路65、中間級油路66和主燃級油路67，值班級離心噴嘴 31、中間級直射式噴嘴45和主燃級直射式噴嘴56通過螺紋與供油盤64連接，通過供油盤 64供油，燃油管路63通過燃油管路基座62與燃燒室外機匣17固定。
本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。
權利要求
1. 一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵在於所述燃燒室為單 環腔結構，採用空氣分級配合燃油分級的低汙染燃燒組織方式，燃燒氣量全部由火焰筒頭 部(68)的值班級(23)、中間級04)和主燃級0 供應，燃油供應按照發動機運行工況及 穩定低汙染燃燒需要控制向火焰筒頭部(68)的值班級(23)、中間級04)和主燃級05)供 應燃油的比例；所述燃燒室由前置擴壓器(16)、燃燒室外機匣(17)、燃燒室內機匣(18)、燃 油供應組件(19)、火焰筒頭部(68)、火焰筒外壁00)和火焰筒內壁組成，前置擴壓器 (16)與燃燒室外機匣(17)和燃燒室內機匣(18)相連，火焰筒外壁00)和火焰筒內壁 在燃燒室外機匣(17)和燃燒室內機匣(18)組成的空間內沿徑向分布，火焰筒頭部(68)通 過頭部端壁06)與火焰筒外壁00)和火焰筒內壁相連，燃油供應組件(19)通過燃 油管路基座(62)與燃燒室外機匣(17)固定；所述火焰筒頭部(68)由值班級(23)、中間級 (M)、主燃級0 和頭部端壁06)組成；所述值班級由值班級離心噴嘴(31)、值班 級旋流組件(27)、值班級套筒(34)和值班級端壁(3 組成，利用值班級旋流組件(XT)形 成值班級燃燒區(8)用於穩定火焰，值班級在啟動狀態下單獨工作，在其餘工況下與 中間級04)或與中間級04)和主燃級0 共同工作；所述值班級旋流組件(XT)由值班 級內旋流器(觀)、值班級文氏管( )、值班級外旋流器(30)組成，值班級內旋流器08)同 軸地套在值班級離心噴嘴(31)外圍，並通過值班級文氏管內壁面卡槽(3 固定，再利用值 班級文氏管外壁面卡槽(3 固定值班級外旋流器(30)從而形成值班級旋流組件(XT)整 體，值班級03)沿徑向由內到外依次安裝有與頭部軸線G3)同軸的值班級離心噴嘴(31)、 值班級旋流組件(XT)和值班級套筒(34)，值班級旋流組件(XT)和值班級套筒(34)通過值 班級端壁(3 連接形成值班級整體，值班級03)通過值班級套筒尾緣(36)與中間 級04)連接；所述中間級04)由位於同一軸向截面內同一圓周上沿周向均勻分布的多個 中間級旋流組件G2)和中間級安裝基座Gl)組成，該圓周的圓心位於頭部軸線G3)上， 中間級安裝基座Gl)上開有與中間級旋流組件G2)數目相同的中間級旋流組件安裝孔 (44)，單個中間級旋流組件0 由中間級直射式噴嘴(45)、中間級旋流器06)和中間級 文氏管G7)組成，中間級直射式噴嘴0 與中間級旋流器G6)為一體化設計，且中間級 旋流器G6)被中間級文氏管卡槽G8)固定，並隨中間級文氏管G7) —起內嵌入中間級旋 流組件安裝孔G4)內形成中間級04)整體，中間級外壁面09)上開有多排中間級斜切孔 (50)，為主燃級(25)提供切向氣流，中間級(24)利用中間級端壁(51)與主燃級(25)連接， 中間級04)所需燃油由中間級直射式噴嘴0 噴出後，打在中間級文氏管G7)內壁面上 形成油膜，該油膜受流經中間級旋流器G6)的旋流空氣剪切作用，形成霧化良好的旋流混 氣，被值班級04)火焰引燃並在中間級下遊形成與多個中間級旋流組件0 數目相同的 多旋流中間穩焰級回流區(7)，中間級04)在發動機慢車等低功率工況下與值班級03) 一起工作，起到調節燃燒區的局部當量比以實現高效低汙染燃燒的作用，而在發動機起飛、 爬升和巡航高功率工況下，中間級旋流組件0 所形成的多旋流中間穩焰級回流區(7)起 到強化穩定主燃級貧油預混燃燒火焰的作用；所述主燃級0 由位於同一軸向截面內同 一圓周上沿周向均勻分布的多個主燃級旋流組件(52)、主燃級預混腔(5 和主燃級端壁 (54)組成，該圓周的圓心位於頭部軸線G3)上，主燃級預混腔(53)上開有多個主燃級旋流 組件安裝孔(55)，且安裝孔(5 數目與主燃級旋流組件(5 數目一致，單個主燃級旋流組 件(5 由主燃級直射式噴嘴(56)、主燃級旋流器(57)和主燃級文氏管(58)組成，其中主燃級直射式噴嘴(56)和主燃級旋流器(57)為一體化設計，同時主燃級旋流器(57)被主燃 級文氏管卡槽(59)固定，並隨主燃級文氏管(58) —起內嵌入主燃級旋流組件安裝孔(55)， 主燃級預混腔(5 的壁面上開有多排主燃級預混腔壁面斜切孔(60)，所述斜切孔(60)與 中間級壁面斜切孔(50)數目和位置沿徑向一一對應，一起為主燃級0 提供對衝氣流，主 燃級端壁(54)沿周向方向上開有多排主燃級端壁進氣孔(61)，主燃級預混腔(5 與主燃 級端壁(54)採用焊接的方式連接，形成的主燃級0 整體通過螺栓與頭部端壁06)連 接，主燃級0 所需燃油從主燃級直射式噴嘴(56)噴出後，打在主燃級文氏管(58)壁面 上形成油膜，該油膜受經過主燃級旋流器(57)的旋流空氣剪切作用進行初次霧化，隨後進 入主燃級預混腔(53)，受到從主燃級預混腔壁面斜切孔(60)和中間級壁面斜切孔(50)進 入的對衝氣流作用，形成二次混合，預混預蒸發良好的混氣在主燃級0 下遊被值班級燃 燒區(8)引燃，同時被多旋流中間級燃燒區(7)強化穩定，形成穩定燃燒的貧油燃燒的主燃 級燃燒區(6)，由於主燃級0 消耗了大部分燃油，故整個燃燒室的汙染物排放水平很低。
2.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵 在於所述燃燒用氣量全部由火焰筒頭部(68)供入，火焰筒頭部氣流O)佔燃燒室進口氣 流(1)的60%到80%，其餘為火焰筒冷卻氣流(9)，頭部氣流O)中值班級03)佔0%到 15%，中間級04)佔O%到15%，主燃級05)佔30%到70%，其餘為頭部冷卻氣流量。
3.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵 在於所述值班級(23)、中間級04)和主燃級05)的燃油分級比例需要根據發動機(10) 的工況條件靈活控制，啟動工況下，值班級燃油流量佔總燃油流量的100%，發動機 (10)從啟動工況轉變為慢車工況時，逐漸開啟中間級(M)，此時值班級燃油量佔總 燃油流量的0% -100%，其餘為中間級04)燃油流量，在發動機(10)起飛、爬升或巡航高 功率工況下，開啟主燃級(25)，此時值班級(23)、中間級04)和主燃級05)同時工作，同 時值班級03)燃油流量佔總燃油流量的O%-10%，中間級04)燃油流量佔總燃油流量的 0% _10%，其餘為主燃級05)燃油流量。
4.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵 在於所述值班級文氏管09)的擴張半角、值班級套筒(34)的擴張半角和值班級離心噴嘴 (31)的噴霧半錐角00)這三個角度相等，且均在10° -20°內變化，使得值班級離心噴嘴 (31)的噴霧不會打到值班級文氏管09)或者值班級套筒(34)壁面上，從而增大液霧的穿 透深度深度，改善發動機的點火性能。
5.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵 在於所述值班級內旋流器08)和值班級外旋流器(30)的葉片角度在20° -60°同向變 化，且值班級外旋流器(30)的葉片角度應大於或等值班級內旋流器08)的葉片角度，以保 護值班級離心噴嘴(31)的噴霧型面不會被值班級氣流打散，使得液霧的穿透深度增加，利 於提升發動機的點火性能，此外，值班級外旋流器(30)產生的旋轉氣流會包裹著值班級內 旋流燃氣，同時還會貼著值班級套筒的內表面，這就阻止了冷的值班級套筒壁面對值班級 內旋流燃氣的壁面淬熄從而降低了 CO和UHC汙染物排放，也延緩了中間級和主燃級氣流對 值班級氣流的摻混從而提高了燃燒效率。
6.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵 在於所述中間級04)中的中間級旋流組件G2)數量10 < c < 20，中間級旋流器06)的葉片角度和中間級文氏管G7)的擴張全形在均在30° -60°範圍變化，增大或減小這兩 個角度可以調節多旋流中間穩焰級回流區(7)的大小和強度，角度過大會造成中間級回流 區(7)強度大而長度短，使得中間級對主燃級和值班級火焰的淬熄幹擾過大，汙染物排放 增加，角度過小則會造成中間級回流區偏小，不利於穩定主燃級火焰。
7.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵 在於所述主燃級0 中的主燃級旋流組件(5 的數量IOSmS 20，主燃級旋流器(57) 的葉片角度和主燃級文氏管(58)的擴張全形位於20° -30°範圍變化，這兩個角度應與主 燃級預混腔(5 的尺寸相適應，避免初次霧化的液霧碰壁導致霧化效果的急劇下降，主燃 級預混腔壁面斜切孔(60)和中間級斜切孔(50)的角度為-90° -90°。
8.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵 在於所述主燃級端壁(54)沿周向開有多排主燃級端壁進氣孔(61)，用以冷卻頭部端壁 (54)和限制主燃級氣流沿燃燒室徑向的快速擴張。
9.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特徵 在於所述燃油管路(63)通過供油盤(64)轉接之後，再往值班級離心噴嘴(31)、中間級直 射式噴嘴G5)和主燃級直射式噴嘴(56)供油。
10.根據權利要求1所述的一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，其特 徵在於所燃油供應組件(19)由燃油管路基座(62)、燃油管路(6 和供油盤(64)組成， 燃油管路(6 包括值班級油路(65)、中間級油路(66)和主燃級油路(67)，值班級離心噴 嘴(31)、中間級直射式噴嘴05)和主燃級直射式噴嘴(56)與供油盤(64)採用焊接或螺栓 與供油盤(64)連接，並通過供油盤(64)供油，燃油管路(6 通過燃油管路基座(6 與燃 燒室外機匣(17)固定。
全文摘要
一種帶多旋流中間穩焰級的周向分級低汙染燃燒室，燃燒室為單環腔結構，採用空氣分級配合燃油分級的低汙染燃燒組織方式，燃燒氣量全部由值班級、中間級和主燃級供應，燃油分級供應比例按發動機運行工況及穩定的低汙染燃燒需要進行精確控制。值班級採用兩級軸向旋流配合文氏管的組合結構，形成的低速回流區可以支持燃燒室的穩定燃燒；中間級採用位於同一軸向截面內同一圓周上沿周向均勻分布的多個單級軸向旋流配合文氏管組合結構，形成的中間穩焰級燃燒區用於強化穩定主燃級火焰；主燃級採用位於同一軸向截面內同一圓周上沿周向均勻分布的多個單級軸向旋流配合文氏管組合結構強化油氣混合的貧油預混預蒸發燃燒方式，進而大幅度降低汙染物排放。
文檔編號F23R3/20GK102032598SQ20101059126
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者孫佰剛, 張珊珊, 張莉涓, 李鋒, 楊暉 申請人:北京航空航天大學