一种具有气动导流与防回火结构的中心分级低排放燃烧室头部的制作方法

本发明涉及低排放燃烧室头部的技术领域，特别涉及一种具有气动导流与防回火结构的低排放燃烧室头部。

背景技术

航空工业被誉为工业之冠，而航空发动机更是飞机的“心脏”。航空发动机是知识和技术密集型、产品和工艺高度精密型的高综合性产品，其设计和制造水平代表了一个国家整体的工业水平。在民用航空发动机的发展过程中，环保性要求得到人们越来越多的关注，进而对低排放燃烧室的需求逐渐增加，对其设计要求也越来越高。

随着国际上控制污染排放的相关法律法规不管出台，民用航空发动机燃烧室排放必须满足其要求。根据国际民航组织(icao)的规定，一氧化碳(co)、未燃碳氢(uhc)、冒烟(smoke)、氮氧化物(nox)为航发的主要污染物。其中，co和uhc主要大量生成于低功率状态，smoke和nox主要生成于高功率状态。因此，应该将燃烧区域温度控制在1700k～1900k的窗口内，以降低4种污染物的生成量。降低污染排放的核心是控制温度及温度的均匀性，关键是改进燃烧室结构和供气供油的方式，贫油预混预蒸发(低排放)燃烧室为常用的低污染燃烧室，但点火性能较差，且在高工况下容易回火。

综上所述，本发明设计了一种具有气动导流与防回火结构的低排放燃烧室头部，此头部特点一是具有气动导流的作用，可优化点火性能，降低了污染物的排放。特点二是具有防回火的作用，预防回火造成的结构失效和破坏。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：优化贫油预混预蒸发(低排放)燃烧室点火性能，同时防止高工况下回火现象的发生。现有低排放燃烧室主要通过改变燃烧室结构，如设计主燃级通道出口的翻边角度实现导流的目的。但导流的效果受到工况的影响，不同工况下的气流张角相差较大。

本发明采用的技术方案为：本发明一种具有气动导流与防回火结构的中心分级低排放燃烧室头部，采用了气动导流、防回火设计。主要结构包括预燃级油杆、主燃级旋流器、主燃级外环、主燃级油路连接件、防回火环、级间段、预燃级旋流器。

预燃级油杆用以供给预燃级燃油。主燃级油路连接件、主燃级旋流器、主燃级外环、防回火环以焊接的方式连接，连接结构间形成了主燃级通道和外环通道。外环通道由外环导流孔和外环狭缝组成。流经外环通道的空气首先通过外环导流孔对防回火环对流冷却，随后通过外环狭缝沿径向进入主燃级通道，有效预防了回火现象的发生，故该设计具有防回火功能。同时，在主燃级油路连接件上加工有内螺纹，可以和级间段上的外螺纹的配合。预燃级旋流器与级间段通过焊接的方式连接，连接结构间形成了预燃级通道和级间段通道。流经级间段通道的空气先通过级间段导流孔冲击冷却级间段的壁面，随后沿级间段狭缝进入主燃级通道。由于该部分空气流量大，可以有效增大主燃级通道中油气混合物的流动张角，故该设计具有气动导流的功能。

其中，级间段导流孔直径为0.4～4.0mm，其中心线距离头部轴线14.5～17.5mm，在周向的分布数量为18～72个，在径向的分布为1～3排，级间段导流孔通道沿轴向的长度变化范围是2～14mm，截面形状可以为圆形或者矩形，截面面积在轴向上可以保持不变、逐渐收缩、逐渐扩张或三种变化形状的组合。

其中，外环导流孔直径为0.4～1.2mm，其中心线相距头部轴线33.0～34.5mm，其在周向的分布数量为16～96个，沿径向分布为1～2排，外环导流孔通道截面形状可以为圆形或者矩形，截面面积在轴向上可以保持不变、逐渐收缩、逐渐扩张或三种变化的组合。

其中，级间段狭缝气动导流的角度可以与轴向呈50～90°，以达到较好的气动导流效果；外环狭缝气流角度与轴向呈60～90°，有效预防了回火的发生；级间段狭缝气动导流的角度与外环狭缝气流角度相匹配，使得气动导流与防回火效果最优化。

其中，级间段狭缝沿轴向的宽度为1.0～4.0mm，沿径向的高度为4.0～10.0mm，其通道截面形状可以为圆形或者多边形，截面面积沿径向可以保持不变、逐渐收缩、逐渐扩张或三种变化的组合；外环狭缝沿轴向的宽度为1.0～9.0mm，沿径向的高度为1.0～3.5mm，其通道截面形状可以为圆形或者多边形，截面面积沿径向可以保持不变、逐渐收缩、逐渐扩张或三种变化的组合；外环导流孔和外环狭缝的设计相匹配，级间段导流孔与级间段狭缝设计相匹配，使得压降最小。

其中，级间段狭缝与外环狭缝可以分布在轴向的相同位置或不同位置；级间段狭缝中心线与外环狭缝的中心线之间的距离为0～20mm；通过级间段狭缝与外环狭缝的空气量之比可以为1.0～10.0。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)点火性能优良。该头部采用了气动导流的结构设计，使得主燃级油气混合物流动张角变大，点火性能更加优良，同时减少了污染物的生成量。

(2)头部可靠性高。该头部采用防回火设计，防止回火造成的结构失效和破坏。在不同工况条件下，均可以稳定工作。

(3)结构可变性灵活。级间段导流孔和外环导流孔的直径、数量、位置，级间段导流孔通道和外环导流孔通道的截面形状和截面面积，级间段狭缝与外环狭缝的宽度及相对位置可以根据需要调整设计，具有较宽的适用范围。

(4)成本低廉。结构零部件均通过机械加工方式生产，连接方式为螺纹连接和焊接，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的具有气动导流与防回火结构的中心分级低排放燃烧室头部的结构示意图；

图2为本发明的具有气动导流与防回火结构的中心分级低排放燃烧室头部的正等侧图；

图3为本发明的具有气动导流与防回火结构的中心分级低排放燃烧室头部的主、预燃级空气通道示意图，其中图3(a)为正等侧图，图3(b)为后视图；

图4为本发明的具有气动导流与防回火结构的中心分级低排放燃烧室头部的主燃级外环示意图，其中图4(a)为后视图，图4(b)为剖视图；

图5为本发明的具有气动导流与防回火结构的中心分级低排放燃烧室头部的级间段示意图，其中图5(a)为后视图，图5(b)为剖视图；

图中：1为预燃级油杆，2为预燃级旋流器，3为级间段，4为主燃级油路连接件，5为主燃级旋流器，6为主燃级外环，7为防回火环。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明：

如图1、图2所示，本实例所述的一种具有气动导流与防回火结构的中心分级低排放燃烧室头部结构，采用了气动导流、防回火设计。整体采用不锈钢材料。其中，预燃级油杆经机械加工制成，为预燃级提供燃油。主燃级旋流器5与主燃级外环6以焊接的方式连接，构成主燃级空气通道；主燃级旋流器5与主燃级油路连接件4进行焊接，两结构间形成的空腔为主燃级油腔。主燃级外环6与防回火环8进行焊接，两结构间形成的通道为外环狭缝8。另外，在主燃级油路连接件4上加工有内螺纹，可以与级间段3上的外螺纹的配合。预燃级旋流器2与级间段通过焊接的方式连接。

如图3所示，流经头部结构的空气通道主要有四条：主燃级通道12、外环通道13、预燃级通道14和级间段通道15。第一部分空气流入预燃级通道14，经预燃级旋流器2，与预燃级油杆1喷射的油雾进行掺混，随后流动至火焰筒中参与燃烧，形成预燃级扩散火焰。第二部分空气流入主燃级通道12，流经主燃级旋流器5，与旋流器壁面上燃油孔喷射出的燃油进行掺混，形成较均匀的油气混合物，流动至火焰筒中参与燃烧，构成主燃级预混火焰。第三部分空气流入级间段通道15，流经级间段导流孔11对级间段3进行壁面冷却，随后通过级间段狭缝10进入主燃级通道12，对主燃级通道12中的油气混合物进行导流，使得旋流张角变大，点火性能更加优良，同时减少了污染物的生成量。第四部分空气流入外环通道13，流经外环导流孔9，对防回火环进行冷却，随后通过外环狭缝8进入主燃级通道12，径向速度的存在有效预防了回火现象的发生。

级间段导流孔直径为0.4～4.0mm，其中心线距离头部轴线14.5～17.5mm，在周向的分布数量为18～72个，在径向的分布为1～3排。此外，级间段导流孔通道沿轴向的长度变化范围是2～14mm，截面形状可以为圆形或者矩形，截面面积在轴向上可以保持不变、逐渐收缩、逐渐扩张或三种变化形状的组合。流经级间段通道的空气最终流入主燃级通道，使得主燃级通道中油气混合物的流动张角增加。该种气动导流结构设计，使得主燃级点火性能更加优良，同时减少了污染物的生成量。

外环导流孔直径为0.4～1.2mm，其中心线相距头部轴线33.0～34.5mm，其在周向的分布数量为16～96个，沿径向分布为1～2排。此外，外环导流孔通道截面形状可以为圆形或者矩形，截面面积在轴向上可以保持不变、逐渐收缩、逐渐扩张或三种变化的组合。流经外环通道的空气最终流入主燃级通道。由于壁面处存在壁面边界层，边界层内流动速度较低，火焰易发生回火。该部分空气沿径向流入主燃级通道，打断了边界层的发展，破坏了回火条件，防止了回火现象的发生。

级间段狭缝气动导流的角度可以与轴向呈50～90°，以达到较好的气动导流效果。外环狭缝气流角度与轴向呈60～90°，有效预防了回火的发生。级间段狭缝气动导流的角度与外环狭缝气流角度相匹配，使得气动导流与防回火效果最优化。

级间段狭缝沿轴向的宽度为1.0～4.0mm，沿径向的高度为4.0～10.0mm，其通道截面形状可以为圆形或者多边形，截面面积沿径向可以保持不变、逐渐收缩、逐渐扩张或三种变化的组合。外环狭缝沿轴向的宽度为1.0～9.0mm，沿径向的高度为1.0～3.5mm，其通道截面形状可以为圆形或者多边形，截面面积沿径向可以保持不变、逐渐收缩、逐渐扩张或三种变化的组合。外环导流孔和外环狭缝的设计相匹配，级间段导流孔与级间段狭缝设计相匹配，使得压降最小。

如图4所示，主燃级外环6使得流经的空气分为进入主燃级通道12、外环通道13。由于防回火7环紧挨火焰，长期受到火焰的辐射，同时防回火7较薄，内部温度梯度大，易发生翘曲变形。流经外环导流孔9的空气对防回火环进行冲击冷却，降低了防回火7的温度，保证了头部结构的可靠性。该部分空气随后通过外环狭缝8进入主燃级通道12，打断了边界层的发展，破坏了回火条件，防止回火造成的结构失效和破坏，使得头部结构可以长期稳定工作。

如图5所示，级间段3使得流经的空气分为进入预燃级通道14和级间段通道15。级间段存在台阶回流区，回流区中流动速度较低，高温的已燃气体与未燃气体掺混，使得未燃气体被引燃，从而该处可以形成火焰的稳火点，所以此处温度较高，存在较大的热应力。流经级间段导流孔11的空气对级间段3的壁面进行冷却，降低了级间段3的壁面温度，使得热应力减小。该部分空气随后通过级间段狭缝10进入主燃级通12道，使得主燃级通道12中油气混合物流动张角变大，气动导流设计使得主燃级点火性能更加优良，同时减少了污染物的生成量。

级间段狭缝与外环狭缝可以分布在轴向的相同位置或不同位置。级间段狭缝中心线与外环狭缝的中心线之间的距离为0～20mm。通过级间段狭缝与外环狭缝的空气量之比可以为1.0～10.0。