一种预燃级采用双层轴向旋流器的低排放燃烧室的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低排放燃烧室，特别涉及一种预燃级采用双层轴向旋流器的低排放燃烧室。
【背景技术】
[0002]航空发动机，是一种高度复杂和精密的热力机械，为航空器提供飞行所需动力的发动机。作为飞机的心脏，被誉为“工业之花”，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性。航空发动机可以按用途简单地分类为民用航空发动机和军用航空发动机。相对于军用航空发动机而言，民用航空发动机在低油耗、低排放、低噪声方面有着更为严格的要求。其中低排放主要需要依然优化燃烧室设计来实现。
[0003]现代民用航空发动机的主要污染排放物包括:氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃碳氢(UHC)和冒烟(Smoke)等，其排放特点为集中在以机场为中心的区域，影响对机场及其附近区域的人员健康，甚至可能造成能见度降低等危害。四种主要的排放物中，一氧化碳(CO)，未燃碳氢(UHC)和冒烟(Smoke)主要受燃烧反应的完全程度影响，燃烧越充分，燃烧区温度越高，其排放量越低；而氮氧化物(NOx)又主要由热力型NOx机理控制，燃烧区温度过高会使NOx排放急剧增加。因此这两类排放物存在相互矛盾，难以平衡的问题。研究发现，当燃烧室头部当量比在0.6?0.8时，能够较好地兼顾两种排放物，因此现在航空发动机燃烧室主要朝着贫油燃烧方向发展；在降低头部整理当量比的同时，提高燃油掺混的均匀程度至关重要，否则燃烧区容易出现接近恰当比的热点区域，从而是NOx排放难以控制。综上所述，现代低排放燃烧室的核心技术就是，在保持头部贫油燃烧的同时，加强燃油的雾化蒸发，从而为火焰筒提供更加均匀的油气混合物。
[0004]对于大工况(起飞、巡航)而言，进口空气流量大、速度高、压力和温度均比小工况(慢车)要高，这给燃油的雾化蒸发带来很大的好处，因此燃烧室在大工况下的低排放问题相对比较容易解决。而在小工况时，一般只有预燃级单独工作。此时存在燃油掺混问题存在诸多挑战:一方面喷嘴流量小，燃油压力低，喷嘴产生的油雾本身就存在着雾化较差、分布不均匀的情况；另一方面，空气流量小、速度低，空气和燃油的动量比小，预燃级旋流空气对于油雾的破碎和掺混能力较弱。因此燃油的雾化蒸发以及液雾和空气的掺混是小工况下低排放问题的关键。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:针对现有低排放燃烧室在小工况时燃油雾化较差，燃烧效率和低排放难以平衡的问题，采用分级燃烧的模式，主燃级采用预混燃烧，预燃级采用双层轴向旋流器，加强小工况下对燃油的雾化和掺混，从而在保证稳定燃烧的情况下，提高燃烧室在小工况下的燃烧性能，降低污染排放。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案为:一种预燃级采用双层轴向旋流器的低排放燃烧室，其特征在于:采用单环腔结构，主要结构包括扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、火焰筒和燃烧室头部；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，冷却用空气从火焰筒上的冷却孔进入；燃烧室头部与火焰筒连接，并固定在燃烧室机匣上，主燃级安装于预燃级外围，并与预燃级和离心喷嘴共轴；燃烧室采用分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级，主燃级为预混燃烧，燃油通过主燃级燃油供应路喷出形成主燃级油雾，并在主燃级通道内完成掺混；所述预燃级可以有两种结构形式，分别是收缩突扩型预燃级或收缩扩张型预燃级；所述收缩突扩型预燃级由预燃级内旋流器、预燃级外旋流器、预燃级分隔板、级间段组成；所述收缩扩张型预燃级由预燃级内旋流器、预燃级外旋流器、预燃级分隔板、预燃级收缩段、预燃级扩张段组成；燃油从离心喷嘴喷出，形成预燃级油雾，空气从内外两级旋流器进入预燃级，形成内旋流和外旋流，旋流在预燃级收缩通道中加速，在预燃级喉道处达到最大速度；分隔板使两股旋流更够保持各自的流动，避免了过早接触而损耗动量；在两股旋流的冲击和剪切作用下，燃油得到充分雾化，与旋流空气形成均匀混合物进入燃烧室；预燃级产生的旋流在预燃级下游产生合理的回流区以稳定燃烧。
[0007]其中，所述收缩突扩型预燃级的预燃级内旋流器叶片角度为10?70°，预燃级外旋流器叶片角度为10?70°，内外两级旋流器的空气流量之比为0.05?0.8，分隔板直径与预燃级喉道直径之比为0.3?0.9，预燃级喉道直径与主燃级内径之比为0.3?0.9，喷嘴到预燃级端壁距离与预燃级喉道直径之比为0.1?I ;在级间段上开有周向分布的冷却孔，直径为0.3?2_，数量为15?70个。
[0008]其中，所述收缩扩张型预燃级的预燃级内旋流器叶片角度为10?70°，预燃级外旋流器叶片角度为10?70°，内外两级旋流器的空气流量之比为0.05?0.8，预燃级喉道直径与主燃级内径之比为0.3?0.9，预燃级平直段长度与预燃级扩张段长度之比为O?0.5，预燃级扩张段长度与扩张段出口直径的比值为0.15?0.6，扩张段角度为30°?120° ;在预燃级扩张段上开有周向分布的冷却孔，直径为0.3?2_，数量为15?70个。
[0009]其中，所述主燃级采用的旋流器结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器，主燃级外径和主燃级内径之比为0.5?1.5，主燃级外径与火焰筒直径之比为0.4?
0.9 ο
[0010]其中，所述燃烧室头部的空气量占燃烧室总空气量的20%?80%，冷却气空气量占燃烧室总空气量的10 %?30 %，另外还可以保留燃烧室总空气量的10?30 %用于掺混，以调节燃烧室出口温度分布；其中主燃级占燃烧室头部空气量的60%?90%，预燃级占燃烧室头部空气量的10%?40%。
[0011]其中，所述火焰筒采用气膜冷却、发散冷却、冲击冷却、多斜孔冷却或复合冷却方式，以提高冷却效率，降低火焰筒壁面温度，从而延长燃烧室寿命。
[0012]本发明的工作原理:用于燃烧的空气占燃烧室总空气量的大部分，并且全部从头部进入火焰筒，从而降低了头部当量比，有利于控制燃烧区温度减少NOx的生成。燃烧组织采用中心分级方式，预燃级在中心，采用扩散燃烧和预混燃烧结合的方式，提供稳定的中心回流区以引燃主燃级；主燃级在外围，采用预混燃烧的方式，燃油在主燃级通道内雾化蒸发，从而形成均匀的混合物进入火焰筒参与燃烧。特别地，本发明预燃级采用双层轴向旋流器，旋流空气在收缩通道内加速，并在预燃级喉道处达到最大速度；分隔板使两股旋流更够保持各自的流动，避免了过早接触而损耗动量；在两股旋流的冲击和剪切作用下，燃油得到充分雾化，与旋流空气形成均匀混合物进入火焰筒；同时，预燃级产生的旋流在下游产生合理的中心回流区用以稳定燃烧。从而在保证稳定燃烧的情况下，提高燃烧室在小工况下的燃烧性能，降低污染排放。
[0013]本发明与现有技术相比具有的优点如下:
[0014](I)本发明的燃烧室采用预燃级采用双层轴向旋流器，分隔板使两股旋流更够保持各自的流动，避免了过早接触而损耗动量。在两股旋流的冲击和剪切作用下，燃油得到充分雾化，从而在保证稳定燃烧的情况下，提高燃烧室在小工况下的燃烧性能，降低污染排放；
[0015](2)本发明的燃烧室可根据实际情况选择预燃级采用收缩突扩型或者收缩扩张型，能够适用不同燃烧室结构，从而具有更好的适应性；
[0016](3)本发明采用中心分级燃烧组织模式，燃烧所需的空气全部从头部进入，从而降低了头部整体当量比，有利于控制燃烧区温度，降低污染排放。
【附图说明】
[0017]图1为发动机结构示意图；
[0018]图2为本发明的燃烧室结构示意图；
[0019]图3为本发明的燃烧室头部结构剖视图图；
[0020]图4为本发明的收缩突扩型预燃级结构示意图；
[0021]图5为本发明的收缩扩张型预燃级结构示意图；
[0022]图6为本发明的收缩突扩型预燃级装配示意图；
[0023]图7为本发明的收缩扩张型预燃级装配示意图。
[0024]图中:I低压压气机，2高压压气机，3燃烧室，4高压涡轮，5低压涡轮，6扩压器，7主燃级燃油供应路，8预燃级燃油供应路，9燃烧室外机匣，10燃烧室内机匣，11燃烧室头部，12火焰筒，13离心喷嘴，14主燃级，15主燃级油雾，16头部安装板，17挡溅盘，18预燃级油雾，19预燃级，20主燃级内径，21主燃级外径，22火焰筒直径，23预燃级内旋流器，24预燃级外旋流器，25级间段，26级间段螺纹，27冷却孔，28分隔板，29预燃级喉道，30外旋流，31内旋流，32喷嘴到预燃级端壁距离，33分隔板直径，34预燃级喉道直径，35预燃级收缩段，36预燃级扩张段，37预燃级平直段长度，38预燃级扩张段长度，39扩张段角度，40预燃级喉道直径，41扩张段出口直径，42收缩突扩型预燃级，43收缩扩张型预燃级。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0026]图1是发动机结构示意图，包括低压压气机1，高压压气机2，燃烧室3，高压涡轮4和低压涡轮5。发动机工作时，空气经过低压压气机I和高压压气机2压缩后进入燃烧室3，通过喷入燃油并组织燃烧，形成高温高压的燃气，冲击高压涡轮4和低压涡轮5，从