本发明涉及旋流燃烧器的技术领域，特别涉及一种预燃级采用冷却防积碳结构的低排放燃烧室头部。
背景技术
目前，先进航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低排放燃烧室及高温升燃烧室，对于民用航空，低排放燃烧室是重点发展方向。随着空气污染越来越严重，国际污染排放标准也日益严格，民用航空发动机燃烧室必须满足新的污染排放标准。航空业的迅猛发展和人们环保意识的不断提高，未来将会对先进燃气轮机燃烧室污染排放提出更严苛的要求。
燃烧室采用中心分级燃烧组织方式，主燃级为预混燃烧，用旋流器加强燃油空气掺混，可降低大工况下燃烧室的污染物排放；预燃级采用扩散燃烧，有较好的点熄火性能。中心分级燃烧室是现今低排放燃烧室的主要发展方向之一。
除低污染排放外，航空发动机燃烧室头部部件长期在高温高压环境中工作，为了防止头部部件热变形以及喷嘴过热积碳，需要喷嘴及其相应部件进行热防护。
综上所述，本发明立足于工程实际应用，设计了一种预燃级采用冷却防积碳结构的中心分级燃烧室头部。此头部预燃级采用冷却防积碳结构，可冷却喷嘴部件，防止过热变形；且可将涡破碎上止点吹向下游，防止预燃级喷嘴结焦积碳。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：针对燃油喷嘴过热结焦积碳和污染排放的问题，提出了一种预燃级具有冷却防积碳的低排放燃烧室头部。所述头部的预燃级在离心喷嘴与预燃级旋流器内环之间引入一股空气，该空气能冷却喷嘴及其相关部件，防止热变形影响喷嘴性能；该空气能将喷嘴后涡破碎上止点吹向下游，防止喷嘴出口结焦积碳。该头部主预燃级采用中心分级的结构方式，预燃级具有冷却结构，为扩散燃烧，主燃级为预混燃烧，能够改善燃烧室点熄火性能，降低污染排放。
本发明采用的技术方案为：一种预燃级采用冷却防积碳结构的低排放燃烧室头部，预燃级采用了冷却防积碳结构和头部主、预燃级采用中心分级的结构。头部由主燃级、预燃级和级间段构成一种预燃级采用冷却防积碳结构的低排放燃烧室头部，其中预燃级包括预燃级管道安装座、冷却空气通道、预燃级帽罩、预燃级离心喷嘴、预燃级旋流器叶片；预燃级管道安装座、冷却空气通道、预燃级离心喷嘴与预燃级帽罩采用螺纹依次连接，形成具有冷却防积碳结构的预燃级喷嘴；预燃级旋流器叶片与级间段采用焊接方式连接，与预燃级喷嘴采用几何接触约束连接，其组合可优化整个预燃级的雾化性能；主燃级防回火环与主燃级套筒焊接，再与主燃级旋流器叶片端壁焊接形成整个主燃级；主燃级、预燃级与级间段分别采用螺纹方式连接，形成具有预燃级冷却防积碳结构的中心分级低排放燃烧室头部。
其中，预燃级帽罩周向开5～30个冷却进气孔，孔径0.5～3mm，与帽罩径向成60°～120°，预燃级帽罩与预燃级管道安装座采用螺纹连接形成预燃级冷却空气通道。该空气可冷却预燃级喷嘴组件，将喷嘴后的涡破碎上止点吹向下游，防止喷嘴结焦积碳。
其中，预燃级可通过调整旋流器叶片内径(10～20mm)改变冷却空气通道(环形宽度0～10mm)，以改变冷却空气流速，来改善喷嘴冷却防积碳的效果，也可改变喷嘴后的流场结构。
其中，预燃级由带冷却防积碳结构喷嘴、轴向旋流器叶片、级间段组成，可调节轴向旋流器叶片旋流数0.2-1.2，来改善流场结构、温度分布、燃烧效率及污染排放。
其中，预燃级旋流叶片周向均布5～15个、厚度为0.5～2mm的叶片，其中叶片高度为5～15mm，叶片与轴线角度为30°～60°，用于形成旋流空气。
本发明的工作原理：所述头部采用中心分级的结构方式设计主燃级与预燃级，能够有效降低燃烧室污染排放。所述头部的预燃级在预燃级旋流器与离心喷嘴之间引入了一股冷却空气，能够冷却预燃级喷嘴，且该空气会将喷嘴后的涡破碎上止点吹向下游，防止喷嘴出口过热结焦积碳。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)采用了具有冷却结构的预燃级喷嘴结构，可以冷却喷嘴及其组件，防止热变形导致的预燃级喷嘴性能恶化；改善流场结构，可以将涡破碎上止点向喷嘴下游移动，防止喷嘴结焦积碳；利于轴向旋流器强化离心喷嘴液滴剪切破碎，改善其雾化性能。
(2)头部采用中心分级的方式组织燃烧，主燃级为预混燃烧，预燃级为扩散燃烧，可有效降低污染物排放，且能保证头部点熄火性能。
(3)本发明结构简单，加工装配方便，而且主、预燃级的旋流数可以任何方式进行组合。主预燃级的旋流数可以根据实际需要进行调整，可以调整流场和火焰结构，适用于不同的燃烧设备。
附图说明
图1为本发明的预燃级采用冷却防积碳结构的低排放燃烧室头部的结构示意图；
图2为本发明的预燃级整体装配的结构示意图；
图3为本发明的具有冷却结构的预燃级喷嘴的结构示意图，其中，图3(a)为轴向全剖视图，图3(b)为三维视图，图3(c)为三维零件组装示意图；
图4为本发明的预燃级旋流叶片结构示意图；
图5为本发明的头部级间段结构示意图，其中，图5(a)为流向方向正视图，图5(b)为轴向全剖视图；
图6位本发明的主燃级装配结构示意图；
图7位本发明的主燃级旋流器整体结构示意图，其中，图7(a)为主燃级喷油孔局部放大图，图7(b)为轴向全剖视图，图7(c)为三维视图；
图8位本发明的主燃级套筒及防回火环结构示意图。
图中：1为预燃级管道安装座，2为冷却空气通道，3为预燃级帽罩，4为预燃级离心喷嘴，5为预燃级旋流器叶片，6为文氏管，7为级间段，8为主燃级防回火环，9为主燃级套筒，10为主燃级油路连接件，11为主燃级旋流器叶片，12为主燃级油路通道，13为主燃级烟斗。14为预燃级帽罩冷却孔，15为预燃级旋流器叶片内径，16为预燃级旋流器叶片宽度，17为预燃级叶片高度，18为级间段冷却孔，19为主燃级喷油孔与气流方向所成角度，20为主燃级喷油孔，21为套筒内环出口倾斜角度。
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所示，为本发明实施例所述的一种预燃级采用冷却防积碳结构的低排放燃烧室头部，采用了中心分级方式的组织燃烧，主要由预燃级管道安装座1、冷却空气通道2、预燃级帽罩3、预燃级离心喷嘴4、预燃级旋流器叶片5、文史管6、级间段7、主燃级防回火环8、主燃级套筒9、主燃级油路连接件10、主燃级旋流器叶片11、主燃级级油路通道12、主燃级烟斗13等构成。其中预燃级管道安装座1、冷却空气通道2、预燃级帽罩3及预燃级离心喷嘴4采用螺纹连接，形成具有冷却防积碳结构的预燃级喷嘴；预燃级旋流器叶片5与级间段7采用焊接方式连接，与预燃级喷嘴配合可优化整个预燃级的雾化性能，燃油成一定锥角喷入燃烧室内；主燃级燃油由主燃级烟斗13进入，从主燃级旋流器叶片11法向喷出，与主燃级旋流空气进行掺混，形成均匀的掺混气；主燃级防回火环8、主燃级套筒9与主燃级旋流器叶片11焊接形成整个主燃级；主燃级油路连接件10、主燃级旋流器叶片11与主燃级烟斗13焊接形成具有主燃级油路通道12及主燃级喷油孔20的主燃级旋流器；主燃级、预燃级与级间段采用螺纹连接的方式，形成具有预燃级冷却防积碳结构的中心分级低排放燃烧室头部，预燃级为扩散火焰，主燃级为预混火焰。
如图2所示，整个预燃级由预燃级管道安装座1、冷却空气通道2、预燃级帽罩3、预燃级离心喷嘴4、预燃级旋流器叶片5及级间段6组成。可通过调整预燃级旋流器叶片内径15(10～20mm)改变冷却空气通道2(环形宽度0～10mm)，以改变冷却空气流速，来改善喷嘴冷却防积碳的效果，也可改变喷嘴后的流场结构。
如图3所示，预燃级管道安装座1、预燃级帽罩3、预燃级离心喷嘴4螺纹连接形成预燃级喷嘴。其中预燃级帽罩3周向开孔5～30个预燃级帽罩冷却孔14，孔径0.5～3.0mm，与帽罩径向成60°～120°，与预燃级管道安装座1形成环形冷却空气通道2，冷却空气从周向小孔进入，经过环形通道，从离心喷嘴附近喷出，冷却喷嘴组件，且将涡破碎上止点吹向下游。
如图4所示，预燃级旋流器叶片5具有沿周向均布5～15个、厚度16为0.5～2mm的旋流叶片，叶片高度17为5～15mm，叶片与轴线角度为30°～60°，形成旋流空气，可以调节轴向旋流器叶片旋流数，改变预燃级喷嘴附近气流剪切强度，从而调整燃油雾化、流场结构、温度分布、燃烧效率及污染排放。
如图5所示，级间段7径向均布有级间段冷却孔18，数目为10～36个，孔径为0.5～1.5mm，用于冷却级间段部件，防止其变形。级间段7与主燃级油路连接件10内径用螺纹连接，从而连接主、预燃级形成完整头部。
如图6、7所示，主燃级烟斗13、主燃级油路连接件10和主燃级旋流器叶片11焊接形成主燃级燃油通道12。其中主燃级旋流器叶片11周向均布10～30个，并通过焊接与主燃级套筒9连接，在每个主燃级叶片法向上均开有主燃级喷油孔20，使燃油与旋流空气气流角度19(70°～100°)喷出，与主燃级旋流空气剪切掺混均匀，提高主燃级雾化掺混性能，降低大工况下头部排放。
如图8所示，主燃级套筒9与主燃级防回火环8采用焊接方式连接。