一种双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双级预膜分层部分预混的高温升燃烧室结构，燃烧室内主燃区火焰分为预燃级和主燃级，分别采用扩散燃烧和燃油直接喷射燃烧，扩散燃烧和燃油直接喷射燃烧耦合实现分层部分预混燃烧。主燃级和预燃级燃油都采用通道内预膜式空气雾化技术，预燃级利用旋流和稳焰装置扩宽发动机小推力状态下的稳定工作范围和在发动机大推力状态下为双级预膜分层部分预混高温升燃烧室提供稳定的点火源，主燃级火焰利用旋流和预燃级火焰提供的高温燃气稳定火焰。预燃级喷嘴通过双级旋流预膜空气雾化改善雾化质量，主燃级喷嘴通过把燃油雾化和掺混过程分开实现油气快速均匀掺混。
【专利说明】一种双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种利用雾化和掺混分步进行的预膜空气雾化和快速油气掺混技术实现主燃区均匀燃烧的分层部分预混高温升燃烧室结构。
【背景技术】
[0002]高温升燃烧室是军用航空发动机所需要的。为满足下一代推重比12?15的军用航空发动机的气动热力性质，军用航空发动机涡轮进口温度要比现役的军用航空发动机明显提高。因此，燃烧室部件设计将向高温升高热容燃烧方向发展。现役军用航空发动机燃烧室的温升约为900°C，下一代的军用航空涡扇发动机要求燃烧室温升大致为1400°C。随着燃烧室温升的提高，燃烧室头部空气进气量相对于传统燃烧室明显增加，由20%左右增加到60%以上，将导致燃烧组织、油气匹配及掺混、壁面冷却和出口温度场质量控制等一系列难题，必须在气动热力学、燃油雾化、新结构、耐高温轻质材料等方面寻求突破。
[0003]高温升燃烧室相对于常规温升燃烧室在贫油燃烧稳定性和出口温度分布质量方面的要求不能降低，而高温升燃烧室的在大状态下的油气比更高，因此，高温度燃烧室首先面临的技术的挑战是扩宽燃烧室稳定工作范围；同时高温升燃烧室随油气比增加需要更多的空气参与燃烧，主燃区温度增加后，冷却空气量反而更少，这对燃烧室壁面冷却和出口温度分布调节提出了新的难题和挑战。
[0004]针对高温升燃烧室的技术研发，国内外都发表了一些研究方案，燃烧室头部燃烧组织是保证全面满足燃烧性能的关键。目前，分区分级燃烧技术通过在低工况时预燃级在局部燃烧和在高工况下预燃级与主燃级同时在主燃区燃烧，有望扩宽高温升燃烧室的稳定工作范围；由于技术保密原因，高温升燃烧室的相关技术公开发表的较少。现有公开的分区分级技术利用分级燃烧扩宽燃烧室稳定工作范围，同时利用主燃级贫预混燃烧用于降低Ν0Χ污染物排放。但贫预混燃烧存在热声震荡等燃烧不稳定问题，随燃烧室进口温度的增力口，燃烧不稳定性加强，不适用于压比更高的高温升燃烧室。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，采用双级预膜分层部分燃烧技术，充分结合高推重比发动机燃烧室头部进气量大的特点，预燃级采用预膜空气雾化提高燃油雾化质量，以提高低负荷工况下的燃烧稳定性，主燃级采用预膜空气雾化和燃油雾化/油气掺混分步进行实现油气快速均匀掺混，避免自燃或回火等燃烧不稳定性问题，同时在主燃区均匀燃烧避免局部高温，有利于出口温度分布质量的调控，通过主燃级旋流强度调整火焰长度，用于缩短燃烧室长度。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案:
[0007]根据本发明的一方面，提供了一种双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，包括燃烧室机匣、扩压器和火焰筒，所述扩压器设置在燃烧室机匣的进气端，所述火焰筒设置在燃烧室机匣的内腔中并与燃烧室机匣的中心轴线重合，所述火焰筒的靠近所述扩压器的一侧的端壁上设置双层预膜空气雾化喷嘴，其特征在于，
[0008]所述双层预膜空气雾化喷嘴的周向外侧设置有与所述火焰筒端壁连接的头部挡板，所述双层预膜空气雾化喷嘴的伸入火焰筒内部的一侧与一环形导流板连接，所述双层预膜空气雾化喷嘴包括主燃级组件和预燃级组件，其中，
[0009]所述预燃级组件包括由内向外依次设置的中心导流锥、一级空气旋流器、一级空气旋流器通道外壳体、二级空气旋流器通道内壳体、二级空气旋流器、二级旋流器流道外壳体、三级空气旋流器和三级空气旋流器外壳体，其中，
[0010]所述一级空气旋流器通道外壳体和二级空气旋流器通道内壳体组成的环形筒体中设置预燃级燃油通道，在所述预燃级燃油通道中设置有预燃级燃油旋流器，所述预燃级燃油通道的进口端与预燃级燃油管连通、出口端设置有环形燃油喷射口，经所述环形燃油喷射口流出的燃油在所述一级空气旋流器通道外壳体的内侧壁面上形成油膜，然后在一级旋流空气和二级旋流空气的作用下进行预膜空气雾化；
[0011]所述主燃级组件位于所述预燃级组件的外圈并和所述预燃级组件同轴，包括由内向外依次设置的四级空气旋流器、四级空气旋流器流道外壳体、五级空气旋流器流道内壳体、五级空气旋流器、五级旋流器外壳体和六级空气旋流器，其中，
[0012]所述四级空气旋流器流道外壳体和五级空气旋流器流道内壳体组成的环形筒体中设置主燃级燃油通道，在所述主燃级燃油通道中设置有主燃级燃油旋流器，所述主燃级燃油通道的进口端与主燃级燃油管连通、出口端设置有主燃级燃油喷射口，主燃级燃油在所述主燃级燃油旋流器的作用下经所述主燃级燃油喷射口流出后形成环形的均匀薄油膜，在四级和五级旋流空气的共同作用下快速雾化，之后与六级旋流空气掺混，形成均匀的油气混合物，进入主燃区进行燃烧。
[0013]优选的，所述燃烧室机匣包括燃烧室外机匣和燃烧室内机匣。
[0014]优选的，所述火焰筒包括火焰筒外筒和火焰筒内筒。
[0015]优选的，所述一级空气旋流器通道外壳体和二级空气旋流器通道内壳体的形状基本保持一致，均包括进口段和出口段，且出口段的直径小于进口段的直径。
[0016]优选的，所述一级空气旋流器设置在所述中心导流锥和一级空气旋流器通道外壳体的进口段之间。
[0017]优选的，所述二级空气旋流器设置在所述二级空气旋流器通道内壳体的出口段和二级旋流器流道外壳体的进口段之间，所述二级旋流器流道外壳体的出口段呈直径逐渐缩小的锥形。
[0018]优选的，所述三级空气旋流器设置在所述二级旋流器流道外壳体的进口段和三级空气旋流器流道外壳体的进口段之间，所述三级空气旋流器流道外壳体的出口段呈直径突扩的喇叭形，所述三级空气旋流器用于冷却三级旋流器流道外壳体，预燃级火焰稳定在三级旋流器外壳体突扩形成的低速区内。
[0019]优选的，所述六级空气旋流器为径向进气，其左侧壁的下底面与所述五级旋流器外壳体的内壁面平齐，其右侧壁的轴线与燃烧室机匣的中心轴线重合。
[0020]优选的，所述四级空气旋流器和五级空气旋流器的安装位置在轴向位置上较所述二级空气旋流器和三级空气旋流器的安装位置靠近所述扩压器。
[0021]优选的，所述一级空气旋流器和二级空气旋流器旋向相反，三级空气旋流器和第二级空气旋流器旋向相同。
[0022]优选的，所述四级空气旋流器和五级空气旋流器旋向相反，六级空气旋流器和五级空气旋流器旋向相反，以有利于主燃级燃油雾化和油气快速掺混。
[0023]优选的，所述预燃级和主燃级燃油分别控制。
[0024]优选的，所述三级旋流器采用强旋流，使三级旋流空气紧贴三级旋流器外壳体扩口段内壁面，以保证冷却效果，叶片相对于中心轴的倾向角度为50?75°，三级旋流器外侧壁面扩口段角度在10?30°之间。
[0025]优选的，所述双级预膜空气雾化喷嘴主燃级燃油分配比例为60?90%。
[0026]优选的，所述燃烧室头部进气量占总气量的60-90%。
[0027]本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构中，主燃级和预燃级燃油组件都充分利用高推重比发动机燃烧室头部燃烧进气量相对于传统燃烧室增加的特点，采用通道内预膜空气雾化喷嘴，耦合扩散燃烧和燃油直接喷射燃烧形成分层部分预混燃烧，扩宽燃烧室稳定工作范围，同时提高高温升燃烧室出口温度分布质量；预燃级火焰采用三级旋流器和火焰稳定器稳定火焰，旋向相反的第一级空气旋流器和第二级空气旋流器利用剪切力雾化已经预膜的燃油，三级旋流器冷却预燃级火焰外侧的火焰稳定器；主燃级火焰采用燃油直接喷射方式燃烧，燃油雾化过程与油气掺混过程分开进行，燃油经主燃级燃油通道、主燃级燃油旋流器和主燃级燃油喷射口形成环形薄油膜，燃油在第四级旋流空气和第五级旋流空气的作用下进行预膜空气雾化，随后，在主燃级旋流器出口处，雾化的油气混合物和第六级旋流器中的旋流空气进行快速混合，主燃级采用这种雾化方式可以避免燃烧不稳定性，并且可以提高油气掺混质量，有利于高温升燃烧室出口温度分布的调控。
[0028]本发明的原理:双级预膜分层部分预混高温升燃烧室基于分层部分预混燃烧组织原理实现分区分级燃烧，预燃级采用预膜空气雾化提高燃油雾化质量，以提高小状态下的燃烧稳定性，主燃级采用燃油雾化和油气掺混分步进行的预膜空气雾化技术实现油气快速均匀掺混，避免自燃或回火等燃烧不稳定性，同时掺混均匀的主燃级油气混合物在主燃区均匀燃烧，有利于燃烧室出口温度分布的调控，并利用中心预燃级稳定主燃级火焰，通过主燃级旋流强度调整火焰长度和火焰形态，用于缩短燃烧室长度。
[0029]本发明与现有技术相比所具有的优点:
[0030](1)本发明采用分层部分预混燃烧组织技术，充分结合高推重比发动机燃烧室头部进气量较多的特点，耦合了双级预膜燃油分级雾化，实现分区分级燃烧。
[0031](2)预燃级燃油采用预膜式空气雾化提高雾化质量，结合旋流和稳焰装置扩宽发动机小推力状态下的贫油燃烧稳定工作范围，同时在发动机大推力状态，预燃级为主燃级提供稳定的点火源。
[0032](3)主燃级燃油雾化采用燃油雾化和掺混过程分步的方法实现预膜空气雾化和快速油/气掺混，避免了贫预混燃烧的燃烧不稳定性问题。
[0033](4)本发明中主燃级油气快速均匀掺混可以避免主燃区局部高温区的产生，利于燃烧室出口温度品质调控，同时利用主燃级旋流调整火焰形态和火焰长度，缩短燃烧室长度。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构剖视图；
[0035]图2是本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室火焰筒结构剖视图；
[0036]图3是本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室头部结构剖视图；
[0037]图4是本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室主燃级燃油喷嘴结构剖视图。
【具体实施方式】
[0038]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对发明型进一步详细说明。
[0039]图1是本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构剖视图，采用双级预膜的分层部分预混燃烧组织方案和短环形结构方案，包括燃烧室外机匣1、燃烧室内机匣2、扩压器3、点火器4、火焰筒外筒5、火焰筒内筒6、头部挡板7、导流板8和双层预膜空气雾化喷嘴9。
[0040]图2是本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室火焰筒结构剖视图，主燃区火焰分为预燃级火焰和主燃级火焰，燃油分别通过主燃级喷嘴和预燃级喷嘴进入燃烧室，预燃级采用扩散燃烧，用于扩宽燃烧室贫油燃烧稳定工作范围，主燃级采用贫油直接喷射燃烧，用于改善主燃区温度分布的均匀性，从而提高燃烧室出口温度质量。
[0041 ] 预燃级火焰和主燃级火焰在火焰筒内轴向和径向空间分布都不同，预燃级火焰更靠近燃烧室头部和中心，主燃级火焰在预燃级火焰的外围并且沿流向靠近下流，实现燃烧室中预燃级和主燃级分区燃烧。低工况时，预燃级单独工作，大工况时，预燃级和主燃级同时工作。主燃级喷射燃油量占总燃油量的60?90%，燃烧室头部进气量占总气量的60-90%，主燃级和预燃级燃油喷嘴充分利用燃烧室头部进气量增加的特点而采用空气雾化，主燃级燃油喷嘴把燃油雾化和掺混过程分开，结合气动和结构特点实现油气快速均匀掺混。
[0042]图3是本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室头部结构剖视图，燃油喷嘴包括主燃级组件和预燃级组件，预燃级包括预燃级中心导流锥14、一级空气旋流器15、二级空气旋流器28、三级空气旋流器29、预燃级燃油通道、预燃级燃油旋流器33和预燃级燃油喷射口 20，其中，
[0043]中心导流锥14位于所述装置的中心，一级空气旋流器15设置于中心导流锥14的外侧，预燃级燃油通道、预燃级燃烧旋流器33和预燃级燃油喷射口 20位于一级空气旋流器和二级空气旋流器的中间，经环形燃油喷射口 20流出的燃油在一级空气旋流器15通道的内侧壁面上形成油膜，然后在一级旋流空气和二级旋流空气的作用下进行预膜空气雾化，三级空气旋流器位于二级空气旋流器的外侧，用于冷却三级旋流器外侧壁面23，预燃级火焰稳定在三级旋流器外侧壁面23突扩形成的低速区内。主燃级位于所述预燃级的外圈并和所述预燃级同轴，包括主燃级燃油管19、第四级空气旋流器30、第五级空气旋流器31、第六级空气旋流器32、和主燃级燃油旋流器34，主燃级燃油经旋流器34形成环形的均匀薄油膜，在旋向相反的第四级和第五级旋流器作用下预膜快速雾化，然后，雾化的油气混合物在主燃级旋流器出口与第六级旋流空气掺混，形成均匀的油气混合物。
[0044]图4是本发明的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室主燃级燃油喷嘴结构剖视图，包括第四级空气旋流器30、第五级空气旋流器31、第六级空气旋流器32、主燃级燃油旋流器34主燃级燃油通道和主燃级燃油喷射口 35等，主燃级燃油经旋流器34形成环形的均匀薄油膜，在旋向相反的第四级和第五级旋流器作用下预膜快速雾化，然后，雾化的油气混合物在主燃级旋流器出口与第六级旋流空气掺混，形成均匀的油气混合物，进入主燃区进行燃烧。
[0045]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
【权利要求】
1.一种双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，包括燃烧室机匣、扩压器和火焰筒，所述扩压器设置在燃烧室机匣的进气端，所述火焰筒设置在燃烧室机匣的内腔中并与燃烧室机匣的中心轴线重合，所述火焰筒的靠近所述扩压器的一侧的端壁上设置双层预膜空气雾化喷嘴，其特征在于， 所述双层预膜空气雾化喷嘴的周向外侧设置有与所述火焰筒端壁连接的头部挡板，所述双层预膜空气雾化喷嘴的伸入火焰筒内部的一侧与一环形导流板连接，所述双层预膜空气雾化喷嘴包括主燃级组件和预燃级组件，其中， 所述预燃级组件包括由内向外依次设置的中心导流锥、一级空气旋流器、一级空气旋流器通道外壳体、二级空气旋流器通道内壳体、二级空气旋流器、二级旋流器流道外壳体、三级空气旋流器和三级空气旋流器外壳体，其中， 所述一级空气旋流器通道外壳体和二级空气旋流器通道内壳体组成的环形筒体中设置预燃级燃油通道，在所述预燃级燃油通道中设置有预燃级燃油旋流器，所述预燃级燃油通道的进口端与预燃级燃油管连通、出口端设置有环形燃油喷射口，经所述环形燃油喷射口流出的燃油在所述一级空气旋流器通道外壳体的内侧壁面上形成油膜，然后在一级旋流空气和二级旋流空气的作用下进行预膜空气雾化； 所述主燃级组件位于所述预燃级组件的外圈并和所述预燃级组件同轴，包括由内向外依次设置的四级空气旋流器、四级空气旋流器流道外壳体、五级空气旋流器流道内壳体、五级空气旋流器、五级旋流器外壳体和六级空气旋流器，其中， 所述四级空气旋流器流道外壳体和五级空气旋流器流道内壳体组成的环形筒体中设置主燃级燃油通道，在所述主燃级燃油通道中设置有主燃级燃油旋流器，所述主燃级燃油通道的进口端与主燃级燃油管连通、出口端设置有主燃级燃油喷射口，主燃级燃油在所述主燃级燃油旋流器的作用下经所述主燃级燃油喷射口流出后形成环形的均匀薄油膜，在四级和五级旋流空气的共同作用下快速雾化，之后与六级旋流空气掺混，形成均匀的油气混合物，进入主燃区进行燃烧。
2.根据权利要求1所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述一级空气旋流器通道外壳体和二级空气旋流器通道内壳体的形状基本保持一致，均包括进口段和出口段，且出口段的直径小于进口段的直径。优选地，所述一级空气旋流器设置在所述中心导流锥和一级空气旋流器通道外壳体的进口段之间。
3.根据权利要求1或2所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述二级空气旋流器设置在所述二级空气旋流器通道内壳体的出口段和二级旋流器流道外壳体的进口段之间，所述二级旋流器流道外壳体的出口段呈直径逐渐缩小的锥形。
4.根据上述权利要求所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述三级空气旋流器设置在所述二级旋流器流道外壳体的进口段和三级空气旋流器流道外壳体的进口段之间，所述三级空气旋流器流道外壳体的出口段呈直径突扩的喇叭形，所述三级空气旋流器用于冷却三级旋流器流道外壳体，预燃级火焰稳定在三级旋流器外壳体突扩形成的低速区内。
5.根据上述权利要求所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述六级空气旋流器为径向进气，其左侧壁的下底面与所述五级旋流器外壳体的内壁面平齐，其右侧壁的轴线与燃烧室机匣的中心轴线重合。
6.根据上述权利要求所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述四级空气旋流器和五级空气旋流器的安装位置在轴向位置上较所述二级空气旋流器和三级空气旋流器的安装位置靠近所述扩压器。
7.根据上述权利要求所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述一级空气旋流器和二级空气旋流器旋向相反，三级空气旋流器和第二级空气旋流器旋向相同。
8.根据上述权利要求所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述四级空气旋流器和五级空气旋流器旋向相反，六级空气旋流器和五级空气旋流器旋向相反，以有利于主燃级燃油雾化和油气快速掺混。
9.根据上述权利要求所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述三级旋流器采用强旋流，使三级旋流空气紧贴三级旋流器外壳体扩口段内壁面，以保证冷却效果，叶片相对于中心轴的倾向角度为50?75°，三级旋流器外侧壁面扩口段角度在10?30°之间。
10.根据上述权利要求所述的双级预膜分层部分预混高温升燃烧室结构，其特征在于，所述双级预膜空气雾化喷嘴主燃级燃油分配比例为60?90%。优选的，所述燃烧室头部进气量占总气量的60-90%。
【文档编号】F23R3/26GK104406196SQ201410645127
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】刘存喜, 杨金虎, 刘富强, 阮昌龙, 穆勇, 徐纲 申请人:中国科学院工程热物理研究所