新型燃油雾化装置及具有其的火焰筒头部结构的制作方法

本发明涉及燃气涡轮发动机燃烧室技术领域，特别地，涉及一种新型燃油雾化装置。此外，发明还涉及一种具有该新型燃油雾化装置的火焰筒头部结构。

背景技术：

燃油雾化装置是燃气涡轮发动机燃烧室的重要组成部件，每个涡轮动力机械至少有一个喷嘴提供燃油，并在雾化装置的作用下形成油雾场燃烧，燃油雾化装置工作性能的好坏直接影响燃烧室的点熄火性能、燃烧性能和污染排放性能等。

图1为目前正在应用的一种燃油雾化装置，该燃油雾化装置由喷嘴和稳定器构成，稳定器与火焰筒通过焊接方式固定，稳定器为碗状钝体结构，通过稳定器的空气有三股，气流i从窄缝中进入主燃区，在稳定器下游形成回流区；气流ⅱ经斜孔流出，这部分空气用来对稳定器内壁面进行冷却和吹除积碳；气流ⅲ主要用于防止喷嘴端面积碳。该燃油雾化装置的燃油雾化质量主要取决于喷嘴的设计性能，不能满足高温升燃烧室对主燃区浓度场的要求。

正在应用的这种燃油雾化装置主要存在以下缺陷：一是该燃油雾化装置中采用的这种稳定器形成的回流区方式限制了其进气量不能很多，否则会使回流区的速度较高，进而影响点火性能和小状态的燃烧效率，但也因为进气量少，也会导致火焰筒头部(10)积碳严重，主燃区也容易生成大量烟粒子，造成排气污染；二是该燃油雾化装置中的稳定器是与火焰筒焊接为一体，喷嘴插入稳定器中心孔，火焰筒和燃烧室机匣由于温度不同产生的膨胀量的差值只能由喷嘴安装座和喷嘴杆之间采用滑动结构补偿，而喷嘴安装座和喷嘴杆之间采用滑动结构最大的缺点是容易产生漏气，且燃烧室压力越高，漏气量越大；三是燃油雾化质量主要取决于喷嘴的设计性能，不能满足高温升燃烧室对主燃区浓度场的要求。

技术实现要素：

本发明提供了一种新型燃油雾化装置及具有其的火焰筒头部结构，以解决现有的火焰筒头部结构存在的火焰筒头部积碳严重、喷嘴与稳定器之间存在燃油泄漏、及不能满足高温升燃烧室对主燃区浓度场的要求的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型燃油雾化装置，包括：用于与火焰筒头部固定的涡流器固定组件，涡流器固定组件为两端连通的空心筒状，其内通道中设有涡流器组件，涡流器组件与涡流器固定组件之间装设有安装限位环，安装限位环用于使涡流器组件相对涡流器固定组件浮动安装，涡流器组件为两端连通的空心筒状，其内通道的进流端插设有燃油喷嘴；涡流器组件的壁面中设有第一旋流孔组，第一旋流孔组用于将外部的气流引入其内通道中，并形成沿周向高速旋转流动的高速旋转气流，进而使高速旋转气流将由燃油喷嘴喷射的燃油剪切成粒径微小的油滴，以实现燃油的雾化；涡流器固定组件的壁面中设有第二旋流孔组，第二旋流孔组用于将外部的气流引入火焰筒头部的通道中，并形成沿周向旋转并紧贴火焰筒头部内壁面流动的旋转覆盖气膜。

进一步地，涡流器组件包括内外套合设置并固定成一体的一级旋流器和二级旋流器；第一旋流孔组包括布设于一级旋流器上的第一斜切孔、布设于二级旋流器上的第二斜切孔、布设于一级旋流器内的第一空气流道、及布设于一级旋流器和二级旋流器之间的第二空气流道；第一斜切孔连通一级旋流器的外周壁和第一空气流道，以用于将外部气流引入第一空气流道，并形成沿周向高速旋转流动的第一高速旋转气流；第二斜切孔连通二级旋流器的外周壁和第二空气流道，第二空气流道沿轴向延伸并连通至一级旋流器的出流端，第二斜切孔与第二空气流道配合，将外部气流引入第二空气流道中，并形成沿周向高速旋转流动的第二高速旋转气流；第二高速旋转气流的旋向与第一高速旋转气流的旋向相反，以用于配合将由燃油喷嘴喷射的燃油剪切成粒径微小的油滴。

进一步地，一级旋流器呈空心筒状，其外周壁上设有外凸且呈环形的连接凸缘，燃油喷嘴沿轴向由一级旋流器的进流端插入第一空气流道中；第一斜切孔的数量为多个，多个第一斜切孔布设于连接凸缘的进流侧；多个第一斜切孔沿一级旋流器的周向呈螺旋状依次间隔排布，且各第一斜切孔的进流端和出流端分别连通一级旋流器的外周壁和内周壁。

进一步地，二级旋流器呈空心筒状，其进流端与连接凸缘的出流侧焊接固定，且二级旋流器与一级旋流器沿径向间隔安装，以形成轴筒状的第二空气流道；第二斜切孔的数量为多个，多个第二斜切孔沿二级旋流器的周向呈螺旋状依次间隔排布，且第二斜切孔的旋向与第一斜切孔的旋向相反，并各第二斜切孔的进流端和出流端分别连通二级旋流器的外周壁和第二空气流道。

进一步地，涡流器固定组件的内周壁设有内凹且呈环形的安装环槽；二级旋流器的外周壁上设有外凸且呈环形的安装凸缘，安装凸缘沿径向插入对应设置的安装环槽中；安装限位环为弹性挡圈，弹性挡圈装设于二级旋流器的外圆上，且沿轴向卡紧于安装凸缘的进流侧和安装环槽的内环面之间，以用于将安装凸缘沿轴向卡紧于安装环槽中，进而使涡流器组件相对涡流器固定组件浮动安装。

进一步地，涡流器固定组件包括内外套合设置且可拆卸式连接的安装衬套和固定环，涡流器组件浮动安装于安装衬套的内通道中，固定环用于与火焰筒头部的内壁面焊接固定，以安装涡流器固定组件；第二旋流孔组包括布设于安装衬套上的第三斜切孔、及布设于安装衬套和二级旋流器之间的第三空气流道；第三斜切孔连通安装衬套的外周壁和第三空气流道，第三空气流道沿轴向延伸并连通至安装衬套的出流端，第三斜切孔与第三空气流道配合，将外部气流引入安装衬套出流端的内通道中，并形成沿周向旋转并紧贴火焰筒头部内壁面流动的旋转覆盖气膜。

进一步地，固定环呈空心环状，其外环面用于与火焰筒头部的内壁面焊接固定；安装衬套呈空心筒状，其外环面与固定环的内环面螺纹连接，且安装衬套与二级旋流器沿径向间隔安装，以形成轴筒状的第三空气流道；第三斜切孔的数量为多个，多个第三斜切孔沿安装衬套的周向呈螺旋状依次间隔排布，且各第三斜切孔的进流端和出流端分别连通安装衬套的外周壁和第三空气流道。

进一步地，涡流器固定组件还包括用于防止安装衬套松动的防松垫圈；防松垫圈装设于安装衬套的外圆上，且沿轴向卡紧于安装衬套和固定环之间。

根据本发明的另一方面，还提供了一种火焰筒头部结构，包括：呈筒状的火焰筒头部、及装设于火焰筒头部内通道中的如上述中任一项的新型燃油雾化装置。

进一步地，火焰筒头部包括呈空心筒状的头部筒体、及连接于头部筒体内通道中且呈环形的安装环壁；新型燃油雾化装置装设于安装环壁的通道中，且新型燃油雾化装置的涡流器固定组件的外周壁与安装环壁的内环面焊接固定；安装环壁上设有供外部气流进入头部筒体内侧的发散孔，发散孔用于将外部气流引入头部筒体的内侧，并形成周向旋转并紧贴头部筒体内壁面流动的覆盖加强气膜，以使覆盖加强气膜与新型燃油雾化装置射出的旋转覆盖气膜配合作用，加强对头部筒体内壁面的保护。

本发明具有以下有益效果：

本发明的新型燃油雾化装置中，通过使外部气流形成沿周向高速旋转流动的高速旋转气流，再通过该高速旋转气流对由燃油喷嘴喷射的燃油进行剪切，从而使燃油形成粒径微小的油滴，进而实现燃油的雾化，燃油雾化粒径微小、雾化效果好，从而可以有效改善燃烧室头部气流结构和燃油浓度分布，保证燃烧室在宽广工作状态下具有良好的点熄火性能、良好的出口温度场以及低污染排放性能，从而使本发明的装置更好地适用于高温升、低排放的燃烧室；本发明的新型燃油雾化装置中，通过在涡流器组件与涡流器固定组件之间设置安装限位环，以使涡流器组件相对涡流器固定组件浮动安装，从而有效补偿燃油喷嘴的中心与火焰筒头部固定的涡流器固定组件的中心两者由于热膨胀不一而产生的偏差，进而减小因偏心导致的燃油雾化恶化，且该浮动安装设计也可将燃油喷嘴与涡流器组件配合间隙设计值选取较小值，进而减小燃气泄露；本发明的新型燃油雾化装置中，通过使外部气流在火焰筒头部壁面处形成沿周向旋转流动的旋转覆盖气膜，该旋转覆盖气膜紧贴火焰筒头部的内壁面，从而对火焰筒头部的内壁面进行保护，有效隔绝燃油油滴与高温头部壁面接触，有利于防止头部积碳形成，本方案冷却效果好，可最大限度的实现对火焰筒头部的热防护，减小了变形、烧蚀、裂纹发生的可能性，提高了火焰筒头部寿命与可靠性，且旋转覆盖气膜离开火焰筒头部壁面后与燃油均匀混合并发生燃烧反应，进一步提高空气利用率，同时减小局部高油气比区域，有利于降低污染排放。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术的燃油雾化装置的剖视主视结构示意图；

图2是本发明优选实施例的新型燃油雾化装置的空间结构示意图；

图3是本发明优选实施例的新型燃油雾化装置的剖视主视结构示意图；

图4是图3中a-a向剖视结构示意图；

图5是图3中b-b向剖视结构示意图；

图6是图3中c-c向剖视结构示意图；

图7是本发明优选实施例的火焰筒头部结构的空间剖视结构示意图；

图8是图7的f1向视图；

图9为图7的部分剖视结构示意图。

图例说明

10、火焰筒头部；101、发散孔；11、头部筒体；12、安装环壁；20、涡流器固定组件；202、第三斜切孔；203、第三空气流道；21、安装衬套；22、固定环；23、防松垫圈；30、涡流器组件；301、第一斜切孔；302、第二斜切孔；303、第一空气流道；304、第二空气流道；31、一级旋流器；311、连接凸缘；32、二级旋流器；321、安装凸缘；40、安装限位环；50、燃油喷嘴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图2和图3，本发明的优选实施例提供了一种新型燃油雾化装置，包括：用于与火焰筒头部10固定的涡流器固定组件20，涡流器固定组件20为两端连通的空心筒状，其内通道中设有涡流器组件30，涡流器组件30与涡流器固定组件20之间装设有安装限位环40，安装限位环40用于使涡流器组件30相对涡流器固定组件20浮动安装，涡流器组件30为两端连通的空心筒状，其内通道的进流端插设有燃油喷嘴50。涡流器组件30的壁面中设有第一旋流孔组，第一旋流孔组用于将外部的气流引入其内通道中，并形成沿周向高速旋转流动的高速旋转气流，进而使高速旋转气流将由燃油喷嘴50喷射的燃油剪切成粒径微小的油滴，以实现燃油的雾化。涡流器固定组件20的壁面中设有第二旋流孔组，第二旋流孔组用于将外部的气流引入火焰筒头部10的通道中，并形成沿周向旋转并紧贴火焰筒头部10内壁面流动的旋转覆盖气膜。

本发明的新型燃油雾化装置工作时，燃油通过燃油喷嘴50喷入涡流器组件30的内通道中，同时外部气流一部分由涡流器组件30上的第一旋流孔组引入涡流器组件30的内通道中，且在内通道中形成沿周向高速旋转流动的高速旋转气流，该高速旋转气流对由燃油喷嘴50喷射的燃油进行高速剪切，以将燃油剪切成粒径微小的油滴，从而实现燃油的雾化；另一部分外部气流则通过涡流器固定组件20上的第二旋流孔组进入火焰筒头部10的内通道中，并该引入的气流在火焰筒头部10的内通道中形成沿周向旋转、并紧贴火焰筒头部10内壁面流动的旋转覆盖气膜，旋转覆盖气膜用于对火焰筒头部10的内壁面进行保护。

本发明的新型燃油雾化装置中，通过使外部气流形成沿周向高速旋转流动的高速旋转气流，再通过该高速旋转气流对由燃油喷嘴50喷射的燃油进行剪切，从而使燃油形成粒径微小的油滴，进而实现燃油的雾化，燃油雾化粒径微小、雾化效果好，从而可以有效改善燃烧室头部气流结构和燃油浓度分布，保证燃烧室在宽广工作状态下具有良好的点熄火性能、良好的出口温度场以及低污染排放性能，从而使本发明的装置更好地适用于高温升、低排放的燃烧室；本发明的新型燃油雾化装置中，通过在涡流器组件30与涡流器固定组件20之间设置安装限位环40，以使涡流器组件30相对涡流器固定组件20浮动安装，从而有效补偿燃油喷嘴50的中心与火焰筒头部固定的涡流器固定组件20的中心两者由于热膨胀不一而产生的偏差，进而减小因偏心导致的燃油雾化恶化，且该浮动安装设计也可选取较小的燃油喷嘴50与涡流器组件30的配合间隙，进而减小燃气泄露；本发明的新型燃油雾化装置中，通过使外部气流在火焰筒头部10壁面处形成沿周向旋转流动的旋转覆盖气膜，该旋转覆盖气膜紧贴火焰筒头部10的内壁面，从而对火焰筒头部10的内壁面进行保护，有效隔绝燃油油滴与高温头部壁面接触，有利于防止头部积碳形成，本方案冷却效果好，可最大限度的实现对火焰筒头部的热防护，减小了变形、烧蚀、裂纹发生的可能性，提高了火焰筒头部寿命与可靠性，且旋转覆盖气膜离开火焰筒头部10壁面后与燃油均匀混合并发生燃烧反应，进一步提高空气利用率，同时减小局部高油气比区域，有利于降低污染排放。

可选地，如图3所示，涡流器组件30包括内外套合设置并固定成一体的一级旋流器31和二级旋流器32。第一旋流孔组包括布设于一级旋流器31上的第一斜切孔301、布设于二级旋流器32上的第二斜切孔302、布设于一级旋流器31内的第一空气流道303、及布设于一级旋流器31和二级旋流器32之间的第二空气流道304。第一斜切孔301连通一级旋流器31的外周壁和第一空气流道303，以用于将外部气流引入第一空气流道303，并形成沿周向高速旋转流动的第一高速旋转气流，以对由燃油喷嘴50喷射的燃油进行第一次高速剪切雾化。第二斜切孔302连通二级旋流器32的外周壁和第二空气流道304，第二空气流道304沿轴向延伸并连通至一级旋流器31的出流端，第二斜切孔302与第二空气流道304配合，将外部气流引入一级旋流器31出流端的内通道中，并形成沿周向高速旋转流动的第二高速旋转气流，并与第一高速旋转气流配合对由燃油喷嘴50喷射的燃油进行第二次高速剪切雾化。第二高速旋转气流的旋向与第一高速旋转气流的旋向相反，以用于配合作用将由燃油喷嘴50喷射的燃油剪切成粒径微小的油滴，从而提高燃油的雾化效果。

本可选方案中，如图3和图4所示，一级旋流器31呈空心筒状，其外周壁上设有外凸且呈环形的连接凸缘311，燃油喷嘴50沿轴向由一级旋流器31的进流端插入第一空气流道303中。第一斜切孔301的数量为多个，多个第一斜切孔301布设于连接凸缘311的进流侧。多个第一斜切孔301沿一级旋流器31的周向呈螺旋状依次间隔排布，且各第一斜切孔301的进流端和出流端分别连通一级旋流器31的外周壁和内周壁。本可选方案中，第一斜切孔301开孔采用电火花加工，成本低、经济性好、且加工质量好、效率高；通过使多个第一斜切孔301沿一级旋流器31的周向呈螺旋状依次间隔排布，从而使由第一斜切孔301引入的气流在第一空气流道303中形成沿周向高速旋转的第一高速旋转气流。

本可选方案中，如图3和图5所示，二级旋流器32呈空心筒状，其进流端与连接凸缘311的出流侧焊接固定，且二级旋流器32与一级旋流器31沿径向间隔安装，以形成轴筒状的第二空气流道304。本可选方案中，通过二级旋流器32的进流端和连接凸缘311形成止口结构，二级旋流器32和一级旋流器31两者通过该止口结构定位焊接，焊后同心度好、整体质量高。第二斜切孔302的数量为多个，多个第二斜切孔302沿二级旋流器32的周向呈螺旋状依次间隔排布，且第二斜切孔302的旋向与第一斜切孔301的旋向相反，并各第二斜切孔302的进流端和出流端分别连通二级旋流器32的外周壁和第二空气流道304。本可选方案中，第二斜切孔302开孔采用电火花加工，成本低、经济性好、且加工质量好、效率高；通过使多个第二斜切孔302沿二级旋流器32的周向呈螺旋状依次间隔排布，且第二斜切孔302的出流端连通沿轴向延伸的第二空气流道304，从而使经过第二斜切孔302和第二空气流道304作用后引出的气流可在二级旋流器32的内通道中形成沿周向高速旋转的第二高速旋转气流，并该第二高速旋转气流的旋向与第一高速旋转气流的旋向相反，通过使旋向相反的两股高速旋转气流对燃油的相互剪切作用，进而使燃油的雾化粒径更小，燃油雾化效果更好，且使燃油的雾化质量并不完全取决于燃油喷嘴的设计性能。

可选地，如图2和图3所示，涡流器固定组件20的内周壁设有内凹且呈环形的安装环槽。二级旋流器32的外周壁上设有外凸且呈环形的安装凸缘321，安装凸缘321沿径向插入对应设置的安装环槽中。安装限位环40为弹性挡圈，弹性挡圈装设于二级旋流器32的外圆上，且沿轴向卡紧于安装凸缘321的进流侧和安装环槽的内环面之间，以用于将安装凸缘321沿轴向卡紧于安装环槽中，进而使涡流器组件30相对涡流器固定组件20浮动安装，浮动安装设置结构简单、容易实施；且采用弹性挡圈沿轴向固定涡流器组件30，维护性好，易于性能调试。

可选地，如图2和图3所示，涡流器固定组件20包括内外套合设置且可拆卸式连接的安装衬套21和固定环22，涡流器组件30浮动安装于安装衬套21的内通道中，固定环22用于与火焰筒头部10的内壁面焊接固定，以安装涡流器固定组件20。第二旋流孔组包括布设于安装衬套21上的第三斜切孔202、及布设于安装衬套21和二级旋流器32之间的第三空气流道203。第三斜切孔202连通安装衬套21的外周壁和第三空气流道203，第三空气流道203沿轴向延伸并连通至安装衬套21的出流端，第三斜切孔202与第三空气流道203配合，将外部气流引入安装衬套21出流端的内通道中，并形成沿周向旋转并紧贴火焰筒头部10内壁面流动的旋转覆盖气膜。

本可选方案中，如图3和图6所示，固定环22呈空心环状，其外环面用于与火焰筒头部10的内壁面焊接固定。安装衬套21呈空心筒状，其外环面与固定环22的内环面螺纹连接，且安装衬套21与二级旋流器32沿径向间隔安装，以形成轴筒状的第三空气流道203。第三斜切孔202的数量为多个，多个第三斜切孔202沿安装衬套21的周向呈螺旋状依次间隔排布，且各第三斜切孔202的进流端和出流端分别连通安装衬套21的外周壁和第三空气流道203。本可选方案中，第三斜切孔202开孔采用电火花加工，成本低、经济性好、且加工质量好、效率高；通过使多个第三斜切孔202沿安装衬套21的周向呈螺旋状依次间隔排布，且第三斜切孔202的出流端连通沿轴向延伸的第三空气流道203，从而使经过第三斜切孔202和第三空气流道203作用后引出的气流可在火焰筒头部10壁面处形成沿周向旋转流动的旋转覆盖气膜，该旋转覆盖气膜紧贴火焰筒头部10的内壁面前移，从而对火焰筒头部10的内壁面进行保护，有效隔绝燃油油滴与高温头部壁面接触，有利于防止头部积碳形成，并可最大限度的实现对火焰筒头部的热防护，减小了变形、烧蚀、裂纹发生的可能性，提高了火焰筒头部寿命与可靠性。

优选地，如图2所示，涡流器固定组件20还包括用于防止安装衬套21松动的防松垫圈23。防松垫圈23装设于安装衬套21的外圆上，且沿轴向卡紧于安装衬套21和固定环22之间。

参照图7，本发明的优选实施例提供了一种火焰筒头部结构，包括呈筒状的火焰筒头部10、及装设于火焰筒头部10内通道中的如上述中任一项的新型燃油雾化装置。由于本发明的火焰筒头部结构中，装设有如上述中任一项的新型燃油雾化装置，故而本发明的火焰筒头部结构中，燃油雾化粒径微小、雾化效果好，从而可以有效改善燃烧室头部气流结构和燃油浓度分布，保证燃烧室在宽广工作状态下具有良好的点熄火性能、良好的出口温度场以及低污染排放性能，从而使本发明的结构更好地适用于高温升、低排放的燃烧室；还可有效补偿燃油喷嘴50的中心与火焰筒头部固定的涡流器固定组件20的中心两者由于热膨胀不一而产生的偏差，进而减小因偏心导致的燃油雾化恶化，且将使燃油喷嘴50插入涡流器组件30的深度加深，进而减小燃气泄露；且可对火焰筒头部10的内壁面进行保护，有效隔绝燃油油滴与高温头部壁面接触，有利于防止头部积碳形成，冷却效果好，可最大限度的实现对火焰筒头部的热防护，减小了变形、烧蚀、裂纹发生的可能性，提高了火焰筒头部寿命与可靠性，且旋转覆盖气膜离开火焰筒头部10壁面后与燃油均匀混合并发生燃烧反应，进一步提高空气利用率，同时减小局部高油气比区域，有利于降低污染排放。

可选地，如图7、图8和图9所示，火焰筒头部10包括呈空心筒状的头部筒体11、及连接于头部筒体11内通道中且呈环形的安装环壁12。新型燃油雾化装置装设于安装环壁12的通道中，且新型燃油雾化装置的涡流器固定组件20的外周壁与安装环壁12的内环面焊接固定。安装环壁12上设有供外部气流进入头部筒体11内侧的发散孔101，发散孔101用于将外部气流引入头部筒体11的内侧，并形成周向旋转并紧贴头部筒体11内壁面流动的覆盖加强气膜，以使覆盖加强气膜与新型燃油雾化装置射出的旋转覆盖气膜配合作用，加强对头部筒体11内壁面的保护。本可选方案中，通过在安装环壁12上开设发散孔101，并使由发散孔101引入头部筒体11内侧的气流形成周向旋转并紧贴头部筒体11内壁面流动的覆盖加强气膜，并该覆盖加强气膜与新型燃油雾化装置射出的旋转覆盖气膜配合作用，进而加强对头部筒体11内壁面的保护。实际设计时，通过使发散孔101的开孔角度与涡流器出口旋流方向最大限度保持一致，从而形成贴壁性较高的覆盖加强气膜，加强对头部筒体11内壁面的保护。本发明结构中，采用单层壁结构安装环壁12，使火焰筒头部10结构更为简单、维护成本低；相对于仅采用燃油雾化装置出口处气流对头部筒体11内壁面进行冲击冷却，本发明方案中采用发散冷却结构进一步降低对冷却空气的消耗，有利于燃烧室设计人员进一步优化火焰筒气量分配，提高燃烧室性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。