燃燒室燃油噴射與混合系統及其燃燒室的製作方法
2023-05-09 20:54:41
燃燒室燃油噴射與混合系統及其燃燒室的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種燃燒室燃油噴射與混合系統及其燃燒室，該系統包括預燃級、中間級和主燃級，預燃級包括中心錐體、一級軸向旋流器、噴嘴以及二級軸向旋流器；中間級包括中間供油通路、襯套、中間級軸向旋流器以及套筒，中間供油通路將燃油供給到中間級軸向旋流器的下遊；主燃級包括主供油通路、主燃級內壁、主燃級外壁以及位於主燃級內壁和主燃級外壁之間的主燃級徑向旋流器，主供油通路將燃油供給到主燃級徑向旋流器的下遊。本發明通過改進噴油和油氣混合結構，優化燃油噴射裝置的油氣匹配，降低了燃燒室汙染排放。
【專利說明】燃燒室燃油噴射與混合系統及其燃燒室
【技術領域】
[0001]本發明屬於能源與動力燃燒裝置領域，特別是涉及一種燃燒室燃油噴射與混合系統及其燃燒室。
【背景技術】
[0002]隨著大氣環境問題在世界範圍內受到越來越多的關注，對於航空發動機汙染物排放要求也是越來越嚴格。下一代航空發動機產品市場需求表明，氮氧化物(NOx)的排放量比現行國際民航組織(ICAO)規定標準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。
[0003]研究表明，控制燃燒室內的熱燃氣溫度是控制NOx汙染排放的關鍵，控制燃燒區溫度的主要技術途徑之一就是採用貧油預混燃燒模式。但是在地面慢車、起動點火等工作狀態下，又需要局部燃燒區採用接近富油燃燒的油氣匹配方式，以維持燃燒穩定性，同時降低小功率狀態下的CO和UHC排放。為了解決大功率狀態下NOx排放和小功率狀態下CO、UHC排放的矛盾，可以採用分級燃燒的模式以保證發動機在不同功率下，燃燒室各局部區域均以其各自的最佳燃油空氣匹配模式進行燃燒。
[0004]分級燃燒技術在航空發動機燃燒室上已得到成功應用，比如:GE90發動機採用的雙環腔燃燒室分級燃燒技術；GEnx發動機採用的中心分級燃燒技術等。而採用中心分級燃燒技術由於結構緊湊、分區貧油燃燒控制NOx效果較好等優點，已是低排放燃燒室發展的趨勢。但是現有的貧油中心分級燃燒技術，仍未能很好地解決分區之間互相影響、分級點附近燃燒效率低下、主燃區油氣混合依舊不充分、不均勻和燃油霧化質量差等問題。
[0005]霧化質量可通過油珠群的平均直徑(如索太爾平均直徑SMD)和油珠群的直徑分布來表徵。霧化過程可描述為:在壓差作用下，噴嘴出口形成錐狀油膜。由於其不穩定性，油膜表面產生不穩定波，皺紋的進一步發展，導致凸起部分局部脫離，形成液片以及液絲，在表面張力作用下收縮成直徑較大的油珠。大油珠在氣流中運動時，同時受氣動力及表明張力引起的內壓力作用，前者使油珠變形，後者則使油珠保持球狀。當氣動力佔優勢時，變形的結果使大油珠分裂成小油珠，直到氣動力與內壓力達到平衡時，油珠的分裂才終止。
[0006]一般用韋伯數(破裂準則)表示作用於油珠的氣動力對內壓力的比值，如下式所示:
[0007]We = PdA u2/ σ
[0008]We-韋伯數；
[0009]Au—油珠與氣流間相對速度；
[0010]P、d和σ —分別為氣流密度、油珠直徑及燃油的表面張力。
[0011]試驗表明，當時氣動力佔優勢，大油珠碎裂成小油珠。可見，提高油氣之間的相對速度可以顯著改善霧化質量。
[0012]現有技術已經採用三級供油，但該燃油噴射裝置旋流器過多，結構過於複雜。本發明旨在通過改進噴油和油氣混合結構，優化燃油噴射裝置的油氣匹配，降低燃燒室汙染排放。
【發明內容】
[0013]為了解決上述技術問題，本發明提供一種貧油燃燒的低NOx排放燃燒室燃油噴射與混合系統及其燃燒室，採用預混、預蒸發的模式，能有效地改善燃油霧化質量，強化油氣摻混，大幅降低NOx、CO、UHC和smoke等汙染排放量。
[0014]根據本發明的第一個方面，提供一種燃燒室燃油噴射與混合系統，所述燃燒室燃油噴射與混合系統包括預燃級、中間級和主燃級，所述中間級環繞所述預燃級，所述主燃級環繞所述中間級，其中:
[0015]所述預燃級包括中心錐體、環繞所述中心錐體的一級軸向旋流器、環繞所述一級軸向旋流器並具有噴口的噴嘴以及環繞所述噴嘴的二級軸向旋流器；
[0016]所述中間級包括中間供油通路、襯套、環繞所述襯套的中間級軸向旋流器以及環繞所述中間級軸向旋流器的套筒，所述中間供油通路將燃油供給到所述中間級軸向旋流器的下遊，所述套筒的末端設有擋濺盤；
[0017]所述主燃級包括主供油通路、主燃級內壁、主燃級外壁以及位於所述主燃級內壁和所述主燃級外壁之間的主燃級徑向旋流器，所述主供油通路將燃油供給到所述主燃級徑向旋流器的下遊；以及
[0018]所述主燃級內壁的末端與所述套筒的擋濺盤相連接並形成一個空腔，所述主燃級內壁的末端設有至少一個冷卻孔，上遊空氣進入所述空腔並通過所述冷卻孔來衝擊所述套筒的擋濺盤，由此冷卻所述主燃級內壁的末端與所述套筒的擋濺盤。
[0019]其中，所述主燃級還包括位於所述主燃級內壁和所述主燃級外壁之間的主燃級軸向旋流器。
[0020]其中，所述噴嘴是預膜式空氣霧化噴嘴。
[0021]其中，所述主供油通路和/或中間供油通路設有直射式噴嘴。
[0022]其中，所述直射式噴嘴的噴射方向與所述直射式噴嘴的端面之間的夾角為20°?80°。優選地，所述直射式噴嘴的噴射方向與所述直射式噴嘴的端面之間的夾角為30°。
[0023]其中，所述直射式噴嘴設有擴展式噴口。所述噴口的直徑為所述直射式噴嘴的直徑的1.5?2倍。
[0024]其中，所述預燃級、所述中間級和所述主燃級內壁(19)通過焊接形成一個整體。
[0025]根據本發明的第二個方面，提供一種燃燒室，其包括前述的燃燒室燃油噴射與混合系統。
[0026]有益效果:
[0027]1.本發明結構簡單緊湊，採用了多級旋流器，充分利用各級旋流器產生的旋流達到霧化三股噴射燃油的目的。
[0028]2.三級供油的油路均可隨燃油管路一併拆裝，可以高效地檢查油路工作狀況。其中，預燃級油路選用預膜式空氣霧化噴嘴，燃油經過狹長的縫隙後形成較均勻的油膜從預液膜噴口噴出，油膜兩側分別是一級軸向旋流器和二級軸向旋流器所形成的旋流氣流，在其剪切作用下霧化。採用預膜式空氣霧化噴嘴，燃油霧化調節方便，並且能改善噴嘴的防積碳性能。[0029]3.主燃級油路和中間級油路採用了直射式噴嘴，燃油從直射式噴嘴噴出，燃油直射式噴嘴採用了非傳統的垂直端面的方向噴出，而是與噴口所在端面成一角度，加強了燃油與空氣的剪切作用，強化了主燃級的油氣摻混作用，改善了主燃級和中間級的燃油霧化質量。
[0030]4.主燃級和中間級油路採用的直射式噴嘴對噴嘴出口端面進行了擴展設計，以便於加工。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為根據本發明的燃燒室燃油噴射與混合系統的第一實施例的結構示意圖；
[0032]圖2為根據本發明的燃燒室燃油噴射與混合系統的第二實施例的結構示意圖；
[0033]圖3為主燃級燃油與空氣混合相對速度的示意圖；
[0034]圖4為根據本發明的燃燒室燃油噴射與混合系統的安裝示意圖。
[0035]附圖標記說明
[0036]I配合面2配合面
[0037]3主燃級徑向旋流器 4壁面
[0038]5壁面6主供油通路
·[0039]7噴嘴8中間供油通路
[0040]9中間級軸向旋流器 10噴嘴
[0041]11套筒12噴嘴
[0042]13中心錐體14 一級軸向旋流器
[0043]15 二級軸向旋流器16噴口
[0044]17襯套18主燃級外壁
[0045]19主燃級內壁20冷卻孔
[0046]21擋濺盤22主燃級通道
[0047]23主燃級軸向旋流器 24空氣速度方向
[0048]25燃油速度方向
【具體實施方式】
[0049]首先介紹本【技術領域】的一些術語，其中:旋流器:使氣流發生旋轉的結構；分級燃燒:分為軸向分級、徑向分級和中心分級，為降低排放所採用的燃燒策略；噴嘴:燃油噴射霧化裝置；燃油霧化:利用噴嘴把液態燃料變成油珠群的過程；韋伯數We:作用於油珠的氣動力對表面張力的比值，當We高於某一臨界韋伯數(約12到14左右)時，油珠無法穩定存在而將發生碎裂。
[0050]下面結合附圖詳細描述本發明的具體實施例，附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。
[0051]參見圖1，示出了根據本發明的燃燒室燃油噴射與混合系統的第一實施例。本發明的低排放燃燒室燃油噴射裝置主體結構包括各路燃油噴射系統及各級旋流器，從圖中可以清晰地看出，本發明裝置採用了三路供油的方式，配置多級旋流器以促進燃料的霧化。整個裝置通過安裝配合面I和配合面2與燃燒室火焰筒頭部端壁的轉接段和擋濺盤連接。[0052]在第一實施例中，燃燒室燃油噴射與混合系統包括預燃級、中間級和主燃級，中間級環繞預燃級，主燃級環繞中間級。
[0053]預燃級包括中心錐體13、環繞中心錐體13的一級軸向旋流器14、環繞一級軸向旋流器14並具有噴口 16的噴嘴12以及環繞噴嘴12的二級軸向旋流器15。優選地，噴嘴12採用預膜式空氣霧化噴嘴，其中燃油從噴嘴12進入狹長的縫隙後形成液膜並從噴口 16噴出，油膜兩側分別是一級軸向旋流器14和二級軸向旋流器15所形成的旋流氣流，在其剪切作用下霧化，並噴入燃燒室。
[0054]中間級包括中間供油通路8、襯套17、環繞襯套17的中間級軸向旋流器9以及環繞中間級軸向旋流器9的套筒11，中間供油通路8將燃油供給到中間級軸向旋流器9的下遊，套筒11的末端設有擋濺盤21。優選地，中間供油通路8設有直射式噴嘴10，燃油從直射式噴嘴10噴入襯套17與套筒11之間形成的通道內，在中間級軸向旋流器9出口形成的旋轉氣流作用下霧化噴入燃燒室。供油方式採用周向中心對稱布置的多點噴射，中間供油通路8與燃油系統連接。優選地，直射式噴嘴的噴射方向與直射式噴嘴的端面之間的夾角為20°?80°。更優選地，直射式噴嘴的噴射方向與直射式噴嘴的端面之間的夾角為30°。
[0055]主燃級包括主供油通路6、主燃級內壁19、主燃級外壁18以及位於主燃級內壁19和主燃級外壁18之間的主燃級徑向旋流器3，主供油通路6將燃油供給到主燃級徑向旋流器3的下遊。優選地，主供油通路6設有直射式噴嘴7，燃油噴射採用周向中心對稱布置的多點噴射，噴入的燃油在主燃級徑向旋流器3出口形成的旋轉氣流作用下霧化噴入燃燒室，主供油通路6與燃油系統連接。優選地，直射式噴嘴的噴射方向與直射式噴嘴的端面之間的夾角為20°?80°。更優選地，直射式噴嘴的噴射方向與直射式噴嘴的端面之間的夾角為30。。
[0056]主燃級內壁19的末端與套筒11的末端的擋濺盤21相連接並形成一個空腔，主燃級內壁19的末端設有至少一個冷卻孔20，上遊空氣進入空腔並通過冷卻孔20來衝擊套筒11的擋濺盤21，由此冷卻主燃級內壁19的末端與所述套筒11的擋濺盤21。
[0057]參見圖2，示出了根據本發明的燃燒室燃油噴射與混合系統的第二實施例。第二實施例與第一實施例的區別只是在於在主燃級內壁19和主燃級外壁18之間還設置主燃級軸向旋流器23,從而進一步提高主燃級的燃油霧化。
[0058]在上面的實施例中，中間級和主燃級的燃油噴嘴為直射式噴嘴，該直射式噴嘴的燃油噴射方向與軸向端面形成一定的夾角，該夾角特徵為20°?80°，尤其以30°為佳。
[0059]如圖3所示，燃油速度方向24與軸向形成一定的夾角，進入旋流器的空氣速度方向24與燃油速度方向25相對角度較大，以使噴射的燃油與進入旋流器的空氣相對速度最大，達到油氣充分混合、燃油霧化質量最佳的目的。
[0060]直射式噴嘴出口處的機械加工質量對燃油霧化質量起著重要作用，而且此處容易受到機械損傷。為了使中間級與主燃級採用的直射式噴嘴不受上述問題的幹擾，直射式噴嘴設有擴展式噴口，噴口的直徑為直射式噴嘴的直徑的1.5?2倍，從而使噴嘴的霧化質量得到保障。
[0061]如圖4所示，預燃級噴嘴、中間級噴嘴、主燃級噴嘴、各級旋流器和組件連接轉接段，設計為一個採用焊接工藝的整體。該組件整體可以沿圖中箭頭所示方向安裝，安裝間隙配合面位於壁面5與壁面4之間。圖4中虛線區域是可以拆裝的組件整體，裝配時由壁面5斜坡外壁沿中心線軸向滑動導入。
[0062]本發明中所述具體實施案例僅為本發明的較佳實施案例而已，並非用來限定本發明的實施範圍。即凡依本發明申請專利範圍的內容所作的等效變化與修飾，都屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述燃燒室燃油噴射與混合系統包括預燃級、中間級和主燃級，所述中間級環繞所述預燃級，所述主燃級環繞所述中間級，其中: 所述預燃級包括中心錐體(13)、環繞所述中心錐體(13)的一級軸向旋流器(14)、環繞所述一級軸向旋流器(14)並具有噴口(16)的噴嘴(12)以及環繞所述噴嘴(12)的二級軸向旋流器(15); 所述中間級包括中間供油通路(8)、襯套(17)、環繞所述襯套(17)的中間級軸向旋流器(9)以及環繞所述中間級軸向旋流器(9)的套筒(11)，所述中間供油通路⑶將燃油供給到所述中間級軸向旋流器(9)的下遊，所述套筒(11)的末端設有擋濺盤(21)； 所述主燃級包括主供油通路出)、主燃級內壁(19)、主燃級外壁(18)以及位於所述主燃級內壁(19)和所述主燃級外壁(18)之間的主燃級徑向旋流器(3)，所述主供油通路(6)將燃油供給到所述主燃級徑向旋流器(3)的下遊；以及 所述主燃級內壁(19)的末端與所述套筒(11)的擋濺盤(21)相連接並形成一個空腔，所述主燃級內壁(19)的末端設有至少一個冷卻孔(20)，上遊空氣進入所述空腔並通過所述冷卻孔(20)來衝擊所述套筒(11)的擋濺盤(21)，由此冷卻所述主燃級內壁(19)的末端與所述套筒(11)的擋濺盤(21)。
2.根據權利要求1所述的燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述主燃級還包括位於所述主燃級內壁(19)和所述主燃級外壁(18)之間的主燃級軸向旋流器(23)。
3.根據權利要求1或2所述的燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述噴嘴(12)是預膜式空氣霧化噴嘴。
4.根據權利要求1或2所述的燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述主供油通路(6)和/或中間供油通路⑶設有直射式噴嘴(7，10)。
5.根據權利要求4所述的燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述直射式噴嘴(7.10)的噴射方向與所述直射式噴嘴(7，10)的端面之間的夾角為20°?80°。
6.根據權利要求5所述的燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述直射式噴嘴(7.10)的噴射方向與所述直射式噴嘴(7，10)的端面之間的夾角為30°。
7.根據權利要求6所述的燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述直射式噴嘴(7.10)設有擴展式噴口。
8.根據權利要求7所述的燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述噴口的直徑為所述直射式噴嘴(7，10)的直徑的1.5?2倍。
9.根據權利要求1所述的燃燒室燃油噴射與混合系統，其特徵在於，所述預燃級、所述中間級和所述主燃級內壁(19)通過焊接形成一個整體。
10.一種燃燒室，其特徵在於，包括根據權利要求1到9中任一項所述的燃燒室燃油噴射與混合系統。
【文檔編號】F23R3/38GK103851647SQ201210513169
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月4日 優先權日:2012年12月4日
【發明者】範仁鈺, 毛榮海 申請人:中航商用航空發動機有限責任公司