一種貧油預混預蒸發燃燒室頭部的製作方法
2023-04-24 14:29:21 3
本發明屬於航空發動機領域，涉及一種預燃級單油路離心噴嘴和主燃級直射式噴嘴的低排放燃燒室頭部。
背景技術：
國際民航組織在80年代就頒布了「環境保護標準」和「航空發動機排放」條例，並不斷修訂完善，目前已開始執行CAEP 6排放標準。各大航空發動機公司和研究機構均把控制汙染物排放作為重要課題進行研究。由於汙染排放是適航取證對民機發動機的強制性要求，歐美的幾家國際知名航空發動機公司針對越來越嚴厲的排放要求，實施了先進民用發動機研製計劃，掌握了低排放燃燒室的關鍵技術。GE公司研製的燃燒室採用最新的雙環預混旋流(TAPS)組織燃燒技術，已用於Leap-X發動機上，其NOx汙染排放比CAEP 6低47.7％。PW公司採用RQL技術發展的TALON X燃燒室在PW1000G發動機上，預計NOx汙染排放比CAEP 6低40％。RR公司採用ANTLE計劃發展的LDIS低汙染燃燒室，其NOx汙染排放比CAEP 2標準降低了50％。
所有先進低排放燃燒室的降低汙染排放的能力，在很大程度上要歸功於先進頭部組織燃燒的技術設計。據相關資料顯示，針對貧油低排放燃燒室，由於空氣分區燃油分級燃燒的需要，大部分先進的低排放燃燒室噴嘴主要由預燃級噴嘴(離心式)和主燃級直射式噴嘴組成。
GE公司的TAPS燃燒室就已申請了多項美國專利，專利號為US006354072B1、US006381964B1、US006389815B1等的低排放燃燒室頭部專利提出的技術方案是：預燃級由離心噴嘴、兩級軸向渦流器、文氏管和套筒構成，主燃級由直射式噴嘴和一級或兩級徑向渦流器構成。頭部結構比較複雜，頭部大噴嘴由預燃級單油路離心噴嘴和主燃級直射式噴嘴組成。針對TAPS燃燒室噴嘴特殊功能和結構要求，申請了一種「壓控燃油噴嘴」(Controlled Pressure Fuel Nozzle，CPFN)，見專利US 6955040 B1和US 7036302 B2。其最大的特點就是通過微小燃油壓力變化信號來控制燃燒室流量，並且主燃級噴嘴分為兩級，每級噴嘴的噴孔位于波形曲線上。北京航空航天大學和中國燃氣渦輪研究院也申請了多種貧油部分預混預蒸發燃燒室的專利，如專利CN101169252A、CN101275751A、CN101275750A、CN202032612U、CN202032613U和CN202082953U等，在這些專利中並沒有詳細說明噴嘴的相關結構及特點。NOx是航空發動機燃燒室設計人員需要重點考慮的汙染物之一，在航空發動機中，NOx主要由燃燒區火焰溫度和燃氣停留時間決定。目前已有低汙染燃燒室採用中心分級的貧油預混預蒸發技術來降低汙染排放，這種低排放燃燒室的頭部分為預燃級和環繞預燃級外的主燃級組成，這種頭部組織燃燒技術在工程應用中顯示出了巨大的潛力。
技術實現要素：
本發明的目的：提供一種能夠保證燃燒室性能並且降低汙染排放的貧油預混預蒸發燃燒室頭部。
本發明的技術方案是：頭部方案採DIPME(Rich/Lean Direct Injection and Lean Partial Pre-Mixing&Pre-Evaporation)中心分級的混合燃燒模式，在啟動小狀態時，預燃級採用富油直接噴射(Rich Direct Injection)燃燒模式，通過預燃級離心噴嘴和預燃級軸向渦流器構成的預燃級實現局部富油，該種組織燃燒方式介於預混燃燒與擴散燃燒之間；在大狀態下，預燃級採用貧油直接噴射(Lean Direct Injection)燃燒模式，主燃級採用貧油預混預蒸發(Lean Pre-Mixing&Pre-Evaporation)燃燒模式，是中心燃燒區起到穩定火焰作用，燃燒區當量比控制在0.5～0.65之間，燃燒區溫度控制範圍1700～1900K，同時控制高溫火焰的停留時間，從而有效的控制NOx和CO的生成量。主燃級由一級斜向渦流器和壓力直射燃油噴嘴組成，首先噴嘴內外的油壓形成一次燃油霧化，同時斜向渦流器形成的剪切氣流使得主燃級燃油充分霧化，同時與來流空氣進行良好的預混。主燃級出口採用收斂通道，加速氣流防止回火。主燃級斜向渦流器採用強旋流，達到良好霧化效果。
具體結構為：
一種貧油預混預蒸發主燃燒室頭部，所述頭部包括：預燃級噴嘴(10)、預燃級渦流器(18)、主燃級噴嘴(15)和主燃級渦流器(17)；預燃級噴嘴(10)是單油路離心噴嘴，預燃級噴嘴(10)包括噴嘴殼體(11)和旋流芯(16)；在旋流芯(16)上開設有3條旋嚮導油槽，燃油噴出時是旋向的；預燃級渦流器(18)為軸向渦流器；主燃級噴嘴(15)是直射式噴嘴，主燃級噴嘴(15)包括集油腔(13)和噴油孔(14)，噴油孔(14)與主燃級噴嘴的主油路環(12)連通；主燃級渦流器(17)為斜向渦流器；
其特徵在於：所述主燃級的噴油孔(14)的開孔方向相對於主燃燒室中心線垂直，主燃級渦流器(17)的出氣方向與主燃燒室中心線方向夾角為30°～60°；主燃級渦流器(17)的葉片安裝角度在30°～45°之間，所述葉片數量為10～16片，所述葉片收斂角度為90°，所述葉片擴張段角度為90°～150°。
進一步的，所述的貧油預混預蒸發主燃燒室頭部，其特徵在於所述主燃級噴嘴(15)的噴油孔(14)數目與主燃級渦流器(17)的葉片數目相同且噴油孔(14)均勻環布。
進一步的，所述主燃級噴嘴(15)的噴油孔(14)數目為8～16，噴油孔(14)的直徑為0.5～0.7mm。
還提供一種貧油預混預蒸發燃燒室(9)，所述的燃燒室(9)包括擴壓器(1)、外機匣(7)、內機匣(2)、噴嘴(3)、燃燒室頭部(4)、火焰筒(8)和電嘴，根據需要火焰筒上有摻混孔(6)，所述燃燒室頭部(4)為上述的結構。
本發明的有益效果是：一種航空發動機貧油預混預蒸發低汙染燃燒室頭部，由預燃級軸向渦流器、預燃級離心噴嘴、主燃級斜向渦流器、主燃級直射式噴嘴組成。主燃級斜向渦流器設計結構方便拆卸，噴嘴孔加工難度小，在工藝上易實現。該頭部設計能夠既能保證燃燒性能和汙染排放特性，又能不影響燃燒室出口溫度場品質。
附圖說明
圖1為低排放燃燒室示意圖；
圖2為一種貧油預混預蒸發燃燒室方案示意圖；
其中：擴壓器(1)、內機匣(2)、噴嘴(3)、燃燒室頭部(4)、摻混孔(6)、外機匣(7)、火焰筒(8)、預燃級噴嘴(10)、噴嘴殼體(11)、主油路環(12)、集油腔(13)、噴油孔(14)、主燃級噴嘴(15)、旋流芯(16)、主燃級渦流器(17)、預燃級渦流器(18)、套筒(19)。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例子詳細介紹本發明。
參見圖1和圖2，提供了一種貧油預混預蒸發主燃燒室頭部，所述頭部包括：預燃級噴嘴(10)、預燃級渦流器(18)、主燃級噴嘴(15)和主燃級渦流器(17)；預燃級噴嘴(10)是單油路離心噴嘴，預燃級噴嘴(10)包括噴嘴殼體(11)和旋流芯(16)；在旋流芯(16)上開設有3條旋嚮導油槽，燃油噴出時是旋向的；預燃級渦流器(18)為軸向渦流器；主燃級噴嘴(15)是直射式噴嘴，主燃級噴嘴(15)包括集油腔(13)和噴油孔(14)，噴油孔(14)與主燃級噴嘴的主油路環(12)連通；主燃級渦流器(17)為斜向渦流器；
其特徵在於：所述主燃級的噴油孔(14)的開孔方向相對於主燃燒室中心線垂直，主燃級渦流器(17)的出氣方向與主燃燒室中心線方向夾角為30°～60°；主燃級渦流器(17)的葉片安裝角度在30°～45°之間，所述葉片數量為10～16片，所述葉片收斂角度為90°，所述葉片擴張段角度為90°～150°。
進一步的，所述的貧油預混預蒸發主燃燒室頭部，其特徵在於所述主燃級噴嘴(15)的噴油孔(14)數目與主燃級渦流器(17)的葉片數目相同且噴油孔(14)均勻環布。
進一步的，所述主燃級噴嘴(15)的噴油孔(14)數目為8～16，噴油孔(14)的直徑為0.5～0.7mm。
還提供一種貧油預混預蒸發燃燒室(9)，所述的燃燒室(9)包括擴壓器(1)、外機匣(7)、內機匣(2)、噴嘴(3)、燃燒室頭部(4)、火焰筒(8)和電嘴，根據需要火焰筒上有摻混孔(6)，所述燃燒室頭部(4)為上述的結構。
預燃級噴嘴為離心式噴嘴，主要由套筒(19)、旋流芯(16)和副噴嘴殼體(11)構成，在旋流芯(16)上開有3條旋流槽，從而使燃油產生旋轉動量從噴口中噴射而出，與空氣流接觸能夠得到較好的霧化。