一种多级旋流组合式空气雾化燃油喷嘴装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明适用于航空发动机高温升高油气比燃烧室，涉及一种多级旋流组合式空气雾化燃油喷嘴装置。
【背景技术】
[0002]军用航空发动机推重比越来越高，要求不断提高燃烧室的温升。高温升与高油气比相对应，在高油气比环境下，若采用常规旋流杯式油气混合方案，由于主燃孔和掺混孔进气，实际参与头部燃烧的空气量较少，使得头部当量比将远远超过1，大功率下燃烧室出现严重的冒烟现象。然而，航空发动机排气不可见冒烟是环境保护的要求，更是军用发动机的战术要求。因为排气冒烟意味着很多炽热的细微碳粒子，这些炽热碳粒子会触发远红外，而许多空空导弹装有远红外制导装置。因此，在高温升燃烧室中，为解决排气可见冒烟问题，需要大大增加头部进气量，去掉主燃孔进气，减少甚至消除掺混孔进气。当头部气量较多时，如果仍采用常规燃烧室单路供油方案，存在低功率下燃烧不稳定问题，解决该问题的方法是采用类似于低污染燃烧室TAPS (Twin Annual Premixing Swirler)的供油方案，即在低功率下仅靠中心值班级供油保证燃烧稳定性的要求，大功率下值班级和主燃级同时供油，满足高温升燃烧室排气不可见冒烟的要求。
[0003]参考TAPS解决方案，北京航空航天大学申请了几项关于一体化燃油喷射的低污染燃烧室专利，申请号分别为 200810104684.4^200810104686.3 和 200810105061.9，这些专利的主要特点在于主燃级旋流器类型和燃油喷射方式上的差异。如在申请号为200810104684.4和200810105061.9的专利中，主燃级采用一级径向旋流器结构，燃油沿轴向向主燃级预混通道内喷射，不同之处在于主燃级直射式空气雾化喷嘴的位置。申请号为200810104686.3的专利主燃级为一级轴向旋流器，主燃级燃油喷射点的位置位于主燃级内环、主燃级叶片中间或主燃级外环。这些专利提出了燃烧室头部结构及油气混合方案能够满足头部进气量较少油气比相对较低的低污染燃烧室的设计要求，但对于大头部进气量高油气比环境下的高温升燃烧室，主燃级旋流器级数较少，旋流组织较为单一，难以实现燃烧室头部高效快速的油气混合。
[0004]在GE公司申请的一些专利中，采用主燃级强旋流值班级弱旋流设计，使燃烧室内回流由主燃级来主导，这样的设计思路对于高油气比环境下的高温升燃烧室，气量占多的外围主燃级空气对燃油较富中心值班级的作用较弱，使得值班级油气混合不均匀，不利于燃烧室出口温度分布的改善。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:克服上述现有技术的不足，采用多级组合式旋流器结构来加强头部燃油与空气的混合，避免燃烧室出口可见冒烟；采用值班级强旋流主燃级弱旋流的设计思路，由值班旋流来主导燃烧室回流，加强值班级油气混合，从而改善燃烧室出口温度分布。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种多级旋流组合式空气雾化燃油喷嘴装置，应用于高温升高油气比燃烧室，所述燃烧室为直流型单环腔结构，包括头部旋流器和火焰筒，其特征在于:所述头部旋流器包括中心值班级单元和外围主燃级单元，其中:
[0007]-所述中心值班级单元包括由内到外且同轴布置的中心导流锥体、值班级内级轴向旋流器、值班级油膜喷嘴和值班级外级轴向旋流器，其中，
[0008]所述中心导流锥体包括位于气流进口侧的圆柱段和靠近气流出口侧的圆锥段，所述值班级内级轴向旋流器套设于所述中心导流锥体的圆柱段上；
[0009]所述值班级油膜喷嘴为带有夹层的环形套筒结构，包括依次连接的进口段、过渡段和出口段，其中进口段的尺寸大于出口段的尺寸；
[0010]所述值班级油膜喷嘴的内壁面和中心导流锥体之间的空间构成第一气流通道，该气流通道进口段的直径大于其出口段的直径；
[0011]所述值班级油膜喷嘴中的夹层构成值班级供油通道，所述夹层包括基本位于所述值班级油膜喷嘴进口段上的值班级油腔以及位于所述值班级油膜喷嘴过渡段和出口段上的值班级油路，该值班级油路一端与所述值班级油腔联通，另一端与设置在所述值班级油膜喷嘴出口段内壁面上的狭缝联通，该狭缝构成值班级油膜喷口 ；
[0012]所述值班级外级轴向旋流器套设于所述值班级油膜喷嘴的出口段上；
[0013]—所述外围主燃级单元包括过渡环形套筒、环形主燃级供油板、外围环形套筒、主燃级内级轴向旋流器和主燃级外级径向旋流器，其中，
[0014]所述过渡环形套筒套设在所述值班级油膜喷嘴的出口段上，二者之间设置所述值班级外级轴向旋流器，所述过渡环形套筒内壁面构成第二气流通道，所述过渡环形套筒进口段的内壁面和所述值班级油膜喷嘴出口段的外壁面之间的空间构成第二气流通道的进口段，该气流通道的出口段与中心轴线具有一定的夹角；所述过渡环形套筒超出所述值班级油膜喷嘴之外的内壁面部分构成第二气流通道的扩张段；
[0015]所述环形主燃级供油板包括设置于其内圆周处的主燃级分层隔板、位于其背侧的主燃级油腔和位于其外侧表面且与所述主燃级油腔连通的主燃级燃油喷射孔；所述主燃级内级轴向旋流器设置于所述过渡环形套筒进口段和所述主燃级分层隔板之间的第三气流通道中；所述主燃级外级径向旋流器设置于所述环形主燃级供油板和所述外围环形套筒之间的第四气流通道中；
[0016]所述主燃级内级轴向旋流器和主燃级外级径向旋流器之间由所述主燃级分层隔板隔开；所述外围环形套筒的内壁面构成主燃级预混通道。
[0017]本发明的多级旋流组合式空气雾化燃油喷嘴装置中，中心值班级单元采用两级旋流器结构，包括与中心导流锥体同轴布置的值班级内级轴向旋流器和值班级外级轴向旋流器；值班级燃油进入值班级油腔，流过值班级油路后形成周向均匀分布的油膜，油膜受到值班级内级轴向旋流器和值班级外级轴向旋流器旋流剪切作用，在值班级扩张通道内形成值班级油雾。外围主燃级单元采用两级组合式旋流器结构，包括主燃级内级轴向旋流器和主燃级外级径向旋流器，内外级旋流器之间用主燃级分层隔板隔开。主燃级燃油进入主燃级油腔，主燃级油腔中的燃油通过主燃级燃油喷射孔向主燃级外级径向旋流器叶片通道下游直接喷射，形成多股主燃级燃油射流，先后受到主燃级内外两级反向旋转旋流空气的雾化混合作用，在主燃级预混通道中形成均匀分布的油气混合物，最后再进入燃烧区中燃烧，达到改善高温升燃烧室内油气混合的目的。
[0018]优选地，所述值班级内级轴向旋流器的气流旋转方向与值班级外级轴向旋流器的气流旋转方向相同或相反。
[0019]优选地，所述主燃级内级轴向旋流器的气流旋转方向与值班级外级轴向旋流器的气流旋转方向相同或相反，主燃级外级径向旋流器的气流旋转方向与主燃级内级轴向旋流器的气流旋转方向垂直。
[0020]优选地，所述主燃级燃油喷射孔位于主燃级外级径向旋流器叶片通道下游，主燃级外级径向旋流器叶片通道数目为主燃级燃油喷射孔数目的整数倍，主燃级燃油喷射孔沿圆周均勾分布。
[0021]优选地，所述主燃级燃油喷射孔孔径范围在0.4mm?1.2mm之间，。
[0022]优选地，所述主燃级燃油喷射孔径向高度与主燃级分层隔板径向高度的比值在1.1?1.3范围内。
[0023]优选地，所述主燃级分层隔板长度与主燃级燃油喷射孔距主燃级旋流器出口的比值在O?0.5范围内。
[0024]优选地，所述中心值班级单元的气量占燃烧室总进气量的10% -20%，外围主燃级单元的气量占燃烧室总进气量的65% -75%，值班级内级轴向旋流器气量占中心值班级单元气量的30% _70%，主燃级内级轴向旋流器气量占外围主燃级单元气量的20% -80%。
[0025]优选地，用于燃烧所需气量全部从头部旋流器进入，火焰筒上没有主燃孔和掺混孔，只有冷却孔。