CN104329689A - 一种采用旋流叶片尾缘预膜雾化方式的燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用旋流叶片尾缘预膜雾化方式的燃烧室。该燃烧室包括：燃烧室火焰筒；中心级油气混合组件；主燃级油气混合组件，安装于所述燃烧室火焰筒的前端，所述中心级油气混合组件的外围，包括：主燃级旋流通道；N个楔形旋流叶片，沿同一方向倾斜固定于主燃级旋流通道内；M个叶片内部油路，分别设置于至少一部分的所述楔形旋流叶片内，每一叶片内部油路的前端连接主燃级油腔，其末端延伸至所述楔形旋流叶片的尾缘，其中，M≤N。本发明中，旋流叶片为楔形，在旋流叶片尾缘形成速度梯度，由旋流叶片尾缘流出的燃油液膜在该速度梯度的作用下，迅速剪切雾化，油气掺混距离短，有利于缩短火焰长度和火焰筒长度。
Description
技术领域
本发明涉及发动机燃烧室技术领域，尤其涉及一种采用旋流叶片尾缘预膜雾化油气混合方式的燃烧室。
背景技术
为了进一步减小民用航空发动机对高空大气层的影响，国际民航组织对民用航空发动机的污染物排放(尤其是NOx)的要求越来越严格。研究发现，氮氧化物倾向于在燃烧室的高温区域大量形成，因此目前降低燃烧室污染物排放的主要措施是避免燃烧区内出现局部高温。当今主流的低污染燃烧室技术包括贫油预混预蒸发(Lean Premixed-Prevaporized combustor，简称LPP)、贫油直接喷射(Lean Direct Injection，简称LDI)和富燃-淬熄-贫燃(Rich burn-Quick quench-Lean burn，简称RQL)，其中前两项属于贫油低污染技术，后一个属于富油低污染技术。两类低污染技术都是通过控制燃烧区域的油气比，使其远离产生高温的化学恰当比，从而建立均匀、温度相对较低的燃烧区。
然而，无论是贫油低污染技术，还是富油低污染技术，燃烧区域油气掺混的均匀性直接影响燃烧后的温度场分布，进而影响整个燃烧室的污染物排放。雾化效果好、掺混均匀的油气混合装置是低污染燃烧室的核心关键技术。GE公司基于LPP的概念提出了双环预混旋流器(Twin AnnularPremixing Swirler，简称TAPS)燃烧室方案，并将其在GE90和GEnx发动机上进行应用，取得了巨大成功；最新发展的TAPS II燃烧室计划应用于更为先进的LEAP发动机。为了实现TAPS燃烧室的高效油气掺混，GE公司研究了多种形式的油气掺混装置，并为其申请了的多项专利：US0178732、US6354072、US6363726、US6381964、US6389815、US6418726和US6453660等。图1为美国专利US6389815提供的TAPS燃烧室的剖面示意图。请参照图1，该油气混合组件采用分级方案，包括中心级和主燃级。中心级采用喷嘴122配合文氏管的结构，文氏管内外分别有一级旋流器；外侧主燃级采用主燃级旋流空气194和燃油横向喷射孔172实现油气的快速混合，降低主燃区温度。设计状态下，大部分燃油和空气通过主燃级进入燃烧室实现雾化、掺混，并以预混燃烧方式释放热量、降低污染物排放。
中国的北京航空航天大学在低污染燃烧室方面也申请了多项专利。其中，中国专利200710178394.X和200810105062.3提出了一种在旋流器叶片尾部或径向旋流器转弯段进行燃油横向喷射的燃烧室。该燃烧室与TAPS燃烧室属于一类，但是将喷射孔位置提前；中国专利201010101574.X提出的带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，主燃级燃油采用径向直接喷射的方式喷入预混预蒸发环管。
然而，对于上述的多个燃烧室来讲，均是在燃油横向喷入主燃级旋流空气，燃油的破碎雾化主要依赖于旋转空气的气动力，这种雾化方式一般油气掺混距离较长，需要精确控制相关参数才能达到理想的掺混效果，不利于缩短火焰长度和火焰筒长度。此外，在低燃油流量的情况下，由于燃油的初始动量较小，在旋流空气的作用下，燃油将会沿壁面流动，导致燃油结焦等后果。
发明内容
(一)要解决的技术间题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种采用旋流叶片尾缘预膜雾化方式的油气混合燃烧室，以提高油气掺混效果，缩短火焰长度和火焰筒长度。
(二)技术方案
本发明采用旋流叶片尾缘预膜雾化方式的燃烧室包括：燃烧室火焰筒(18)，其后端开口；中心级油气混合组件，安装于所述燃烧室火焰筒(18)的前端；主燃级油气混合组件，安装于所述燃烧室火焰筒(18)的前端，所述中心级油气混合组件的外围，包括：主燃级旋流通道；N个楔形旋流叶片，沿同一方向倾斜固定于主燃级旋流通道内；M个叶片内部油路，分别设置于至少一部分的所述楔形旋流叶片内，每一叶片内部油路的前端连接主燃级油腔，其末端延伸至所述楔形旋流叶片的尾缘，其中，M≤N。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明采用旋流叶片尾缘预膜雾化方式的燃烧室具有以下有益效果：
(1)旋流叶片为楔形，其压力面和吸力面流程不同，导致压力面和吸力面气流压力和速度均不相同，从而在旋流叶片尾缘形成速度梯度，由旋流叶片尾缘流出的燃油液膜在该速度梯度的作用下，迅速剪切雾化，油气掺混距离短，有利于缩短火焰长度和火焰筒长度；
(2)由旋流叶片尾缘流出的燃油液膜和气流方向相同，通道内高速旋转的气流会增加燃油液膜的动量，从而使燃油伴随气流流动，避免了燃油沿壁面流动和燃油结焦；
(3)中心级采用扩散燃烧方式，可以为主燃级油气混合物提供持续的点火源，并对主燃级的部分预混燃烧起稳定作用，有效的扩宽了燃烧室的稳定工作范围；
(4)主燃级高效快速的油气掺混，可以在主燃烧区形成均匀的温度场分布，大大改善燃烧室出口的温度分布品质，提高其后的涡轮叶片的使用寿命。
附图说明
图1为美国专利US6389815提供的TAPS燃烧室的剖面示意图；
图2为根据本发明实施例采用旋流叶片尾缘预膜雾化油气混合方式的燃烧室的总体结构图；
图3为图2所示燃烧室中心级油气混合组件的三维图；
图4A为图2所示燃烧室中主燃级油气混合组件中旋流叶片的结构图；
图4B为图4A所示旋流叶片沿A-A向的剖视放大图；
图5为图2所示燃烧室中主燃级油气混合组件中旋流叶片的三维图。
【本发明主要元件符号说明】
1-中心压力雾化喷嘴； 2-中心级燃油；
3-第一级旋流器； 4、6-旋流空气；
5-第二级旋流器； 7-文氏管；
8-中心锥； 9-主燃级供油管；
10-主燃级油腔； 11-主燃级燃油；
12-主燃级旋流器； 13-主燃级空气；
14-主燃级旋流器前壁； 15-楔形旋流叶片；
16-主燃级旋流器后壁； 17-燃烧室火焰筒前端；
18-燃烧室火焰筒； 19-主燃级供油段油路；
20-主燃级预膜段油路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明提出了一种采用旋流叶片尾缘预膜雾化油气混合方式的燃烧室，通过在旋流叶片尾缘形成液膜，并利用旋流叶片吸力面和压力面速度梯度对液膜进行剪切实现快速破碎，实现在较短的距离内完成油气掺混。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种旋流叶片尾缘预膜雾化的燃烧室。图2为根据本发明实施例采用旋流叶片尾缘预膜雾化的油气混合方式的燃烧室总体结构图。请参照图2，本实施例油气混合燃烧室包括：
燃烧室火焰筒1 8，其后端开口；
中心级油气混合组件，安装于燃烧室火焰筒18的前端；
主燃级油气混合组件，安装于燃烧室火焰筒18的前端，中心级油气混合组件的外围，与中心级油气混合组件同轴安装，包括：
主燃级旋流通道；
N个楔形旋流叶片15，沿同一方向倾斜固定于主燃级旋流通道内；
M个叶片内部油路，分别设置于至少一部分的楔形旋流叶片内，其前端连接主燃级油腔，其末端延伸至所述楔形旋流叶片的尾缘；
其中，主燃级旋流空气由主燃级旋流通道楔形旋流叶片之间的通道进入，在楔形旋流叶片的吸力面和压力面尾缘之间产生气流速度梯度；进入叶片内部油路的燃油由楔形旋流叶片尾缘流出，并在上述气流速度梯度的作用下被剪切雾化，并与主燃级旋流空气掺混后进入燃烧室火焰筒18内。
本实施例中，中心级油气混合组件与主燃级油气混合组件的燃油分配比例介于1／9-1／4之间，空气分配比例介于1／7-1／4之间。
本实施例采用旋流叶片尾缘预膜雾化的油气混合方式的燃烧室油气掺混距离短，有利于缩短火焰长度和火焰筒长度。此外，由旋流叶片尾缘流出的燃油油膜和气流方向相同，具有速度梯度的气流会增加燃油油膜的动量，从而避免了燃油沿壁面流动和燃油结焦
以下对本实施例采用旋流叶片尾缘预膜雾化方式的燃烧室的各个组成部分进行详细说明。
燃烧室火焰筒
请参照图2，燃烧室火焰筒18呈筒状，其前端17安装中心级油气混合组件和主燃级油气混合组件，其后端开口。由中心级油气混合组件和主燃级油气混合组件进入的油气混合物在该燃烧室火焰筒18内充分燃烧。燃烧后产生的高温燃气由其后端排出，用于驱动涡轮等部件。
中心级油气混合组件
图3为图2所示燃烧室中心级油气混合组件的三维图。请参照图2和图3，中心级油气混合组件包括：中心级油路和中心级气路。
中心级油路包括：中心压力雾化喷嘴1。中心级燃油由中心压力雾化喷嘴1喷出，喷雾锥角为60°～90°。
中心级气路包括：文氏管7，设置于中心压力雾化喷嘴1的外围；中心锥8，设置于文氏管7的外围；第一级旋流器3，设置于文氏管7和中心压力雾化喷嘴1之间；第二级旋流器5，设置于文氏管7和中心锥8之间，其中，第一级旋流器3和第二级旋流器5的旋转方向相反。
中心级两级旋流器(3、5)均为叶片式旋流器，其旋流叶片为楔形叶片，但不限于楔形叶片，旋流叶片数目为6-12。旋流叶片通过焊接方式固定于预设位置。文氏管几何结构以及其与中心压力雾化喷嘴的相对位置等参数以便于在其出口边缘形成液膜为准。中心锥的锥角为10°-25°。
本实施例中，中心级空气通过第一级旋流器3和第二级旋流器5反向旋转进入由中心锥8所包围的空间。中心级燃油由中心压力雾化喷嘴1喷出，大部分在文氏管7的尾缘形成油膜，并在内外两级反向旋转空气(4、
6)剪切作用下破碎；小部分燃油直接喷入旋流空气中，两者共同进入燃烧室火焰筒18。由于油气掺混距离较短，因此中心级一般采用扩散燃烧方式。中心级所形成扩散火焰稳定于文氏管出口边缘，并为主燃级火焰源源不断的输送热量和自由基，对其燃烧起稳定作用。
主燃级油气混合组件
主燃级油气混合组件设置于燃烧室火焰筒18的前端，中心级油气混合组件的外围，与中心级油气混合组件同轴安装。
图4A为图2所示燃烧室中主燃级油气混合组件中旋流叶片的结构图。图4B为图4A所示旋流叶片沿A-A向的剖视放大图。图5为图2所示油气混合燃烧室中主燃级油气混合组件中旋流叶片的三维图。
请参照图2、图4A、图4B和图5，主燃级旋流通道由主燃级旋流器前壁14和主燃级旋流器后壁16包围而成。楔形旋流叶片15固定于主燃级旋流通道内，与主旋流器前壁14和主旋流器后壁16采用焊接方式连接。楔形旋流叶片的个数N为8-15个。
主燃级旋流器12为径向旋流器，但不限于径向旋流器。该主燃级旋流器与中心级油气混合组件中心级气路的第二级旋流器2的旋流方向相同。
N个楔形旋流叶片所在的平面与燃烧室火焰筒18的中心轴线垂直。N个楔形旋流叶片沿同一方向倾斜固定于主燃级旋流通道内，倾斜的方向与径向所成的角度介于30°～50°之间，合理设计该角度可以控制主燃级空气13旋流强度，优选地，该倾斜方向与径向呈40度。
由于楔形旋流叶片倾斜设置，从而在楔形旋流叶片15的长流程侧形成吸力面，在其短流程侧形成压力面。主燃级旋流空气进入由主燃级前壁14、主燃级后壁16和楔形旋流叶片15构成的旋流空气通道，并在楔形旋流叶片15的吸力面和压力面尾缘之间产生速度梯度。
主燃级油路主要由燃级供油管9、主燃级油腔10以及主旋流器前壁14上的油孔和楔形旋流叶片15内部油路的供油段油路19和预膜段油路20构成。
楔形旋流叶片15整体上较厚，其最薄处的厚度也应大于0.5mm，从而便于在楔形旋流叶片内部加工内部油路。M条叶片内部油路分别设置于上述N个楔形旋流叶片中至少一部分的楔形旋流叶片内。其中，M≤N，也就是说明，并不是所有的楔形旋流叶片中均开设有内部油路。一般而言，具有内部油路的楔形旋流叶片数M为4-8个。主燃级旋流器前壁14上的油孔数目与开有内部油路的楔形旋流叶片个数相对应。
请参照图4B，楔形旋流叶片内部的叶片内部油路分为相互垂直的两段：供油段油路19和预膜段油路20。
供油段油路19连接至主燃级旋流器前壁14上的圆柱形油孔，并进而连接至主燃级油腔10。其中，主燃级油腔10是环形油腔。
预膜段油路20与供油段油路19连通，并向楔形旋流叶片15的尾缘延伸，预膜段油路20的横截面为矩形并沿燃油流动方向不断扩张。在楔形旋流叶片的尾缘，预膜段油路20的末端，横截面矩形的宽度介于0.2mm～0.4mm之间，高度介于2mm～4mm之间。
供给主燃级油气混合组件的燃油通过主燃级供油管9进入主燃级油腔10内。该燃油通过主旋流器前壁14上的油孔进入楔形旋流叶片15内部油路。由于预膜段(21)横截面为矩形并沿流动方向不断扩张，燃油在不断扩张过程中流动面积不断增大，形成油膜，从叶片尾缘流出。由于楔形旋流叶片的吸力面和压力面之间存在气流速度梯度，该油膜在上述气流速度梯度的作用下被剪切雾化，并与旋流空气掺混后进入燃烧室火焰筒18内。
该主燃级油气混合组件中，由于楔形旋流叶片两侧空气速度梯度的剪切作用可以有效雾化叶片尾缘形成的液膜，并与空气实现高效掺混，有效缩短油气掺混距离。此外，在主燃级燃油刚刚打开时，尽管供油压力较低，在旋流叶片压力面和吸力面气流作用下，仍然能够实现有效雾化，避免了燃油横向喷射存在的燃油沿壁面流动的问题。由于主燃级油气混合物采用预混燃烧方式，可以在主燃烧区形成均匀的温度场分布，可以大大改善燃烧室出口的温度分布品质，提高其后的涡轮叶片的使用寿命。
本实施例油气混合燃烧室的工作方式如下：(1)当总燃油流量较小时，只有中心级压力雾化喷嘴工作，主燃级油路不工作，保证中心级油气混合组件良好的燃油雾化效果，改善燃烧室在低负荷工况下的点火和贫油熄火性能；(2)随着供油压力的增大，燃油流量也较大，当供油压力大于某一个阈值后，主燃级油路打开供油，此时中心级油气混合组件和主燃级油气混合组件共同工作，大部分燃油通过主燃级油路喷入，并与主燃级空气提前混合，在燃烧室内进行部分预混燃烧，改善燃烧室的温度场并降低污染物排放；中心级油路喷入少量燃油，进行扩散燃烧，对主燃级火焰起稳定作用。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)中心级油气混合组件两级旋流器和主燃级旋流器还可以是轴向旋流器形式；
(2)中心级油气混合组件还可以由中心喷嘴，及设置于该中心喷嘴外围的单级旋流器配合而成，而不采用文氏管结构；
(3)除矩形之外，旋流叶片内部油路预膜段21的横截面还可以为椭圆形等各种形状，只要沿流动方向不断扩张，使流动面积不断增大即可。
综上所述，本发明所提出的旋流叶片尾缘预膜雾化的油气混合组件可以在保证燃烧室低负荷稳定燃烧边界的同时，缩短主燃级油气掺混距离并改善掺混效果，有利于降低燃烧室的污染物排放和优化燃烧室出口温度场品质。本发明所提出的旋流叶片尾缘预膜雾化的油气混合组件可应用于民用航空发动机低污染燃烧室。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。
Claims (12)
1.一种采用旋流叶片尾缘预膜雾化油气混合方式的燃烧室，其特征在于，包括：
燃烧室火焰筒(18)，其后端开口；
中心级油气混合组件，安装于所述燃烧室火焰筒(18)的前端；
主燃级油气混合组件，安装于所述燃烧室火焰筒(18)的前端，所述中心级油气混合组件的外围，包括：
主燃级旋流通道；
N个楔形旋流叶片，沿同一方向倾斜固定于主燃级旋流通道内；
M个叶片内部油路，分别设置于至少一部分的所述楔形旋流叶片内，每一叶片内部油路的前端连接主燃级油腔，其末端延伸至所述楔形旋流叶片的尾缘，其中，M≤N。
2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级油气混合组件中：
主燃级旋流空气由所述楔形旋流叶片之间的主燃级旋流通道进入，在所述楔形旋流叶片的吸力面和压力面尾缘之间产生气流速度梯度；进入所述叶片内部油路的燃油由所述楔形旋流叶片尾缘流出，并在所述气流速度梯度的作用下被剪切雾化，并与主燃级旋流空气掺混后进入所述燃烧室火焰筒(18)内。
3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述叶片内部油路包括：供油段油路(19)和预膜段油路(20)，其中：
所述供油段油路(19)直接或间接连接至主燃级油腔(10)；
所述预膜段油路(20)与所述供油段油路(19)连通，并向楔形旋流叶片(15)的尾缘延伸，其横截面沿燃油流动方向不断扩张。
4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述预膜段油路(20)的横截面为矩形或椭圆形。
5.根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述楔形旋流叶片(15)最薄处的厚度大于0.5mm；
所述预膜段油路(20)的横截面为矩形，该矩形的宽度介于0.2mm～0.4mm之间，高度介于2mm～4mm之间。
6.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级旋流通道由主燃级旋流器前壁(14)和主燃级旋流器后壁(16)包围而成；
所述主燃级旋流器前壁(14)上对应开设叶片内部油路的楔形旋流叶片上方设置油孔，所述叶片内部油路通过该油孔连接至主燃级油腔(10)。
7.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级油气混合组件中，N个楔形旋流叶片倾斜的方向与径向所成的角度介于30°～50°之间。
8.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级油气混合组件中：8≤N≤15，4≤M≤8。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述中心级油气混合组件包括：
中心级油路，包括：中心压力雾化喷嘴，沿所述燃烧室火焰筒(18)的中心轴线设置；
中心级气路，设置于所述中心压力雾化喷嘴的外围，用于产生旋流气体，将由中心压力雾化喷嘴喷出燃油进行破碎处理。
10.根据权利要求9所述的燃烧室，其特征在于，所述中心级油气混合组件中的中心级气路包括：
文氏管(7)，设置于所述中心压力雾化喷嘴(1)的外围；
中心锥(8)，设置于所述文氏管(7)的外围；
第一级旋流器(3)，设置于所述文氏管(7)和中心压力雾化喷嘴(1)之间；
第二级旋流器(5)，设置于所述文氏管(7)和中心锥(8)之间，其中，所述第一级旋流器(3)和第二级旋流器(5)的旋转方向相反。
11.根据权利要求9所述的燃烧室，其特征在于，所述第一级旋流器(3)和第二级旋流器(5)均为叶片式旋流器，其旋流叶片为楔形叶片，旋流叶片数目为6-12。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述中心级油气混合组件与所述主燃级油气混合组件的燃油分配比例介于1／9-1／4之间，空气分配比例介于1／7-1／4之间。
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