一种燃烧室燃油喷射与混合装置及其燃烧室的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种燃烧室燃油喷射与混合装置，包括预燃级、中间级和主燃级。预燃级包括离心喷嘴、一级旋流器、文氏管和二级旋流器；中间级包括中间供油通路、衬套、中间级旋流器和套筒，中间供油通路将燃油供给到旋流器下游位于套筒和衬套之间的空间；主燃级包括主供油通路、主燃级内壁、主燃级旋流器和主燃级外壁，主供油通路将燃油供给到旋流器下游位于主燃级内壁和主燃级外壁之间的空间；主燃级内壁的末端与套筒的末端相连接并形成一个空腔，主燃级内壁的末端设有至少一个冷却孔，上游空气进入空腔并通过冷却孔来冲击套筒的末端，由此冷却主燃级内壁的末端与套筒的末端。本发明还提供一种包括上述燃烧室燃油喷射与混合装置的燃烧室。
【专利说明】一种燃烧室燃油喷射与混合装置及其燃烧室
【技术领域】
[0001]本发明属于能源与动力燃烧装置领域，特别涉及一种航空发动机的燃烧室燃油喷射与混合装置及其燃烧室。
【背景技术】
[0002]随着大气环境问题在世界范围内受到越来越多的关注，对于航空发动机污染物排放要求更是越来越严格。下一代航空发动机产品市场需求表明，氮氧化物(NOx)的排放量比现行国际民航组织(ICAO)规定标准还要减少50%左右，同时其它排放物比如一氧化碳(CO)和未燃碳氢(UHC)均要比ICAO规定的排放指标保留一定裕度。
[0003]研究表明，控制燃烧室内的最高燃气温度和燃烧区温度均匀性，是控制NOx污染排放的关键，控制燃烧区温度的主要技术途径之一就是采用贫油预混燃烧模式。但是在地面慢车、起动点火等工作状态下，又需要燃烧区采用接近化学恰当比的扩散燃烧油气匹配方式，以保证燃烧性能，同时也能降低小功率状态下的CO和UHC排放。为了解决大功率状态下NOx排放和小功率状态下CO、UHC排放的矛盾，可以采用分级燃烧的模式，保证发动机不同功率下，燃烧室局部区域以最佳燃油空气匹配模式进行燃烧。分级燃烧技术在航空发动机燃烧室上已得到成功应用，GE公司在这一类型的低排放燃烧室方面做了较多的工作，设计了可实现贫油燃烧的燃油喷射装置用于发动机工程应用，比如:有些发动机采用的双环腔燃烧室分级燃烧技术；有些发动机采用的中心分级燃烧技术等。
[0004]由于结构紧凑、分区贫油燃烧控制NOx效果较好等优点，采用中心分级燃烧技术已是低排放燃烧室发展的趋势。但是现有的分级燃烧技术，并未能很好的解决分区之间互相影响、分级点附近燃烧效率低下等问题。而且，三级供油燃烧在燃油喷射段互相影响，油气调配要同时满足各个燃烧区的燃烧要求和排放要求实现较为困难。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是降低ICAO规定的30%推力状态下CO和UHC的排放量，解决分级燃烧中出现的30%推力状态燃烧效率偏低的问题，同时不能削弱大功率状态下的NOx排放。
[0006]根据本发明的第一个方面，提供一种燃烧室燃油喷射与混合装置，其特征在于，所述装置包括预燃级、中间级和主燃级，所述中间级环绕所述预燃级，所述主燃级环绕所述中间级，其中:
[0007]所述预燃级包括离心喷嘴、环绕所述离心喷嘴的一级旋流器、环绕所述一级旋流器的文氏管以及环绕所述文氏管的二级旋流器；
[0008]所述中间级包括中间供油通路、衬套、环绕所述衬套的中间级旋流器以及环绕所述中间级旋流器的套筒，所述中间供油通路将燃油供给到所述中间级旋流器下游位于所述套筒和所述衬套之间的空间；
[0009]所述主燃级包括主供油通路、主燃级内壁、环绕所述主燃级内壁的主燃级旋流器以及环绕所述主燃级旋流器的主燃级外壁，所述主供油通路将燃油供给到所述主燃级旋流器下游位于所述主燃级内壁和主燃级外壁之间的空间；以及
[0010]所述主燃级内壁的末端与所述套筒的末端相连接并形成一个空腔，所述主燃级内壁的末端设有至少一个冷却孔，上游空气进入所述空腔并通过所述冷却孔来冲击所述套筒的末端，由此冷却所述主燃级内壁的末端与所述套筒的末端。
[0011]其中，所述主供油通路和/或中间供油通路设有喷嘴。
[0012]其中，所述喷嘴采用压力雾化结构或者气动雾化结构。
[0013]其中，所述喷嘴包括至少一个喷射点或采用整环液膜喷射。
[0014]其中，所述预燃级、所述中间级和所述主燃级内壁通过焊接和/或整体铸造形成一个整体，并且与所述主燃级旋流器轴向浮动配合。
[0015]根据本发明的第二个方面，提供一种燃烧室，包括前述的燃烧室燃油喷射与混合装置。
[0016]本发明的有益效果:
[0017]1.结构简单紧凑，采用了四级旋流器，三个燃烧区独立供油，油气匹配非常方便，燃油调节自如。
[0018]2.按照发动机不同功率的需求，从中心沿径向方向排布了预燃级、中间级、主燃级等3级独立分区供油。 其中，主燃级和中间级分别采用直射式多点燃油喷射或整环液膜喷射设计，燃油喷入旋流器产生的旋转气流中，雾化效果好。
[0019]3.三级供油之间互相影响较小，避免在燃烧室分级状态点附近产生局部不利于燃烧的油气混合区，可以在较宽工作范围内很好地解决分级燃烧技术中面临的分级状态点NOx排放和CO、UHC排放性能的矛盾。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面结合附图详细描述根据本发明的优选实施例，其中:
[0021]图1示出了根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合装置的优选实施例的剖视图；
[0022]图2示出了图1中燃烧室燃油喷射与混合装置的装配示意图。
[0023]附图标记说明
[0024]I配合面2配合面
[0025]3主燃级旋流器 4壁面
[0026]5壁面6主供油通路
[0027]7喷嘴8中间供油通路
[0028]9中间级旋流器 10喷嘴
[0029]11套筒12离心喷嘴
[0030]13文氏管14 一级旋流器
[0031]15 二级旋流器16喷孔
[0032]17衬套18主燃级外壁
[0033]19主燃级内壁20冷却孔
[0034]21末端22主燃级通道【具体实施方式】
[0035]首先介绍本【技术领域】的一些术语，其中:
[0036]旋流器:使气体产生切向速度进行旋转流动的装置；
[0037]文氏管:加速气流防止回火的环形筒状结构，将燃油液雾打在文氏管壁面上形成液膜辅助雾化；
[0038]分级燃烧:指燃油、空气分区混合燃烧，在不同区域进行燃烧；
[0039]喷嘴:燃油雾化的装置；
[0040]燃油雾化:利用喷嘴把液态燃料变成油珠群的过程；
[0041]化学恰当比:燃油和空气按照完全燃烧的比例分配；
[0042]贫油:燃油比例小于化学恰当比混合比例，即空气过剩，燃油偏少；
[0043]预混燃烧:燃油与空气在燃烧之前进行均匀混合的燃烧方式；
[0044]扩散燃烧:燃油喷入燃烧区一边雾化混合一边与空气接触并进行化学反应的燃烧方式。
[0045]参见图1和图2所示，根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合装置采用由燃油喷嘴系统和旋流器构成的燃油喷射、油气混合系统，并按照中心分级的排布设有3级独立分区供油。整个装置通过安装配合面I和配合面2与燃烧室火焰筒头部端壁的转接段和挡溅盘连接。
[0046]图1示出了整个装置沿中心轴线的剖视图。燃烧室燃油喷射与混合装置包括预燃级、中间级和主燃级，中间级环绕预燃级，主燃级环绕中间级。
[0047]预燃级采用旋流杯结构空气雾化喷嘴，包括离心喷嘴12、环绕离心喷嘴12的一级旋流器14、环绕一级旋流器14的文氏管13以及环绕文氏管13的二级旋流器15。燃油从离心喷嘴12的喷孔16喷出形成锥形喷雾打在文氏管13壁面上，并在内侧的一级旋流器14和外侧的二级旋流器15的旋转气流剪切作用下雾化并喷入燃烧室。
[0048]中间级包括中间供油通路8、衬套17、环绕衬套17的中间级旋流器9以及环绕中间级旋流器9的套筒11，中间供油通路8与燃油系统连接，将燃油供给到中间级旋流器9下游位于套筒11和衬套17之间的空间。燃油从喷嘴10喷入衬套17的壁面与套筒11之间形成的通道内，在中间级旋流器9的出口形成的旋转气流作用下雾化喷入燃烧室。供油方式采用周向中心对称布置的多点喷射或采用整环液膜喷射。
[0049]主燃级包括主供油通路6、主燃级内壁19、环绕主燃级内壁19的主燃级旋流器3以及环绕主燃级旋流器3的主燃级外壁18，主燃级内壁19和主燃级外壁18之间形成主燃级通道22，主供油通路6与燃油系统连接，将燃油供给到主燃级旋流器3下游的主燃级通道22中。燃油喷射采用周向中心对称布置的多点喷射或采用整环液膜喷射的喷嘴7，喷入的燃油在主燃级旋流器3出口形成的旋转气流作用下雾化喷入燃烧室。
[0050]主燃级内壁19的末端20与套筒11的末端21相连接并形成一个空腔，主燃级内壁19的末端20设有至少一个冷却孔20，上游空气进入空腔并通过冷却孔20来冲击套筒11的末端21，由此冷却主燃级内壁19的末端20与套筒11的末端21，即，冷却主燃级和中间级之间的转接段。
[0051]在一些实施例中，喷嘴7或10可采用压力雾化结构或者气动雾化结构，并包括至少一个喷射点或采用整环液膜喷射。[0052]如图2所示，燃油喷射装置的预燃级、中间级、主燃级的各级旋流器和组件连接转接段以及主燃级内壁被设计为采用焊接和/或整体铸造形成一个整体。该组件整体可以沿中心线方向移动进行拆装，与主燃级旋流器轴向浮动配合，安装间隙配合面位于壁面5与最外侧的主燃级旋流器3的壁面4之间。图中虚线区域是可以拆装的组件整体，装配时由壁面5的斜坡外壁沿中心线从左向右轴向滑动导入。
[0053]本发明按照发动机不同功率的需求，中心径向方向排布了预燃级、中间级、主燃级等3级独立分区供油。3级供油之间互相影响较小，避免在燃烧室分级状态点附近产生局部不利于燃烧的油气混合区，可以在较宽工作范围内很好的解决分级燃烧技术中面临的分级状态点NOx排放和CO、UHC排放性能的矛盾。
[0054]本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种燃烧室燃油喷射与混合装置，其特征在于，所述装置包括预燃级、中间级和主燃级，所述中间级环绕所述预燃级，所述主燃级环绕所述中间级，其中: 所述预燃级包括离心喷嘴(12)、环绕所述离心喷嘴(12)的一级旋流器(14)、环绕所述一级旋流器(14)的文氏管(13)以及环绕所述文氏管(13)的二级旋流器(15)； 所述中间级包括中间供油通路(8)、衬套(17)、环绕所述衬套(17)的中间级旋流器(9)以及环绕所述中间级旋流器(9)的套筒(11)，所述中间供油通路(8)将燃油供给到所述中间级旋流器(9)下游位于所述套筒(11)和所述衬套(17)之间的空间； 所述主燃级包括主供油通路出)、主燃级内壁(19)、环绕所述主燃级内壁(19)的主燃级旋流器(3)以及环绕所述主燃级旋流器(3)的主燃级外壁(18)，所述主供油通路(6)将燃油供给到所述主燃级旋流器(3)下游位于所述主燃级内壁(19)和主燃级外壁(18)之间的空间；以及 所述主燃级内壁(19)的末端与所述套筒(11)的末端(21)相连接并形成一个空腔，所述主燃级内壁(19)的末端设有至少一个冷却孔(20)，上游空气进入所述空腔并通过所述冷却孔(20)来冲击所述套筒(11)的末端(21)，由此冷却所述主燃级内壁(19)的末端与所述套筒(11)的末端(21)。
2.根据权利要求1所述的燃烧室燃油喷射与混合装置，其特征在于，所述主供油通路(6)和/或中间供油通路⑶设有喷嘴(7，10)。
3.根据权利要求2所述的燃烧室燃油喷射与混合装置，其特征在于，所述喷嘴(7，10)采用压力雾化结构或者气动雾化结构。
4.根据权利要求3所述的燃烧室燃油喷射与混合装置，其特征在于，所述喷嘴(7，10)包括至少一个喷射点或采用整环液膜喷射。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的燃烧室燃油喷射与混合装置，其特征在于，所述预燃级、所述中间级和所述主燃级内壁(19)通过焊接和/或整体铸造形成一个整体，并且与所述主燃级旋流器(3)轴向浮动配合。
6.一种燃烧室，其特征在于，包括根据权利要求1到5中任一项所述的燃烧室燃油喷射与混合装置。
【文档编号】F23R3/02GK103629696SQ201210306279
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月24日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】朱英, 曾庆林, 鄂亚佳 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司