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CN105953265B - 一种组合燃烧室 - Google Patents

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CN105953265B
CN105953265B CN201610361623.0A CN201610361623A CN105953265B CN 105953265 B CN105953265 B CN 105953265B CN 201610361623 A CN201610361623 A CN 201610361623A CN 105953265 B CN105953265 B CN 105953265B
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江平
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朱一骁
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Abstract

本发明涉及一种组合燃烧室，燃烧室头部由主燃级及预燃级组成，主燃级由单级轴向旋流器，主燃级喷嘴及文氏管组成；预燃级由双凹腔及预燃级喷嘴组成。本发明主燃级采用单油路离心喷嘴，通过压力雾化使燃油达到所需要的浓度及粒径大小尺寸分布。预燃级采用蒸发管式喷嘴，燃油通过直射式喷嘴喷到蒸发管进行一次雾化，在蒸发管中与空气剪切作用进行二次雾化及蒸发掺混。本发明通过分级燃烧，特别是预燃级与主燃级特殊的结构设计及布置方式，不仅可以达到低污染燃烧室减少污染物排放的目标，还可以解决高温升燃烧室小状态燃烧的不稳定性及大状态下的可见冒烟问题，从而拓宽高温升燃烧室的稳定工作范围。

Description

一种组合燃烧室
技术领域
本发明涉及一种组合燃烧室，主要作为航空发动机，地面及船用燃气轮机中的燃烧室。
背景技术
随着航空发动机技术进一步发展，推重比不断增加，燃烧室进口温度升高，燃烧室油气比、温升升高，对燃烧室性能的要求也逐步提高，但与此同时对燃烧室重量的限制却在进一步增加，因此，高油气比燃烧室的研制面临着诸多技术挑战：1、在更宽广的范围内稳定工作，主要解决在低功率状态下的燃烧稳定性以及高功率状态下可见排气冒烟燃烧；2、在冷却气量分配减少和冷却气品质下降的条件下，进一步保持甚至提高火焰筒的耐久性；3、大状态下减少污染物的排放；4、涡轮在极高温度的恶劣环境下正常工作，必须大幅度降低燃烧室出口温度分布系数。解决上述问题的途径可以分为两类，一类是采取合理措施优化常规的旋流稳定燃烧室，可行的措施包括燃油分级、空气分级、贫油预混和预蒸发以及多级旋流等；另一类则是在掌握基本原理的基础上探索全新的燃烧组织方式、发展新概念燃烧室，比如驻涡燃烧室(trapped vortex combustor,TVC)、超紧凑燃烧室(ultra compactcombustor,UCC)等。
另一方面，随着航空发动机技术的飞速发展、市场竞争的日益激烈和环保要求的不断严格，大飞机发动机向着费用更低、性能更高和环保特性更好的方向发展。为此，在改进发展GE90、PW4084、TRENT800等发动机和全新研制GP7200、TRENT900、GEnx和TRENT1000等发动机的同时，美国和欧盟国家独立或联合实施了一系列的预研计划，开发和验证了性能高、质量轻、可靠性高以及排放与噪声低的未来常规循环大飞机发动机技术，探索研究了更经济和环保的先进循环大飞机发动机技术，为未来大飞机发动机的研制打下了很好的技术基础。
发明内容
本发明提供一种组合燃烧室，其主燃级与预燃级的特殊结构及布置方式使得组合燃烧室预燃级的流动基本不受主燃级的影响，不仅使得组合燃烧室的火焰稳定性能优于传统的旋流燃烧室及传统的驻涡燃烧室而且这样使得在主燃级供入燃油时，燃气的四周都有高温的燃气及火焰，使燃烧性能进一步提高。而且将预燃级凹腔与帽罩进行一体化设计，使得组合燃烧室的结构更紧凑，空间利用率更高。
本发明采用如下技术方案：一种组合燃烧室，包括扩压器、内机匣、外机匣、供油系统、高能点火电嘴和火焰筒，所述火焰筒与内机匣和外机匣形成燃烧室的内外环道；火焰筒头部由主燃级和预燃级组成；
所述主燃级包括若干个一级轴向主燃级旋流器、文氏管和主燃级燃油喷嘴，所述一级轴向主燃级旋流器均匀设置于火焰筒头部中心部位，相邻主燃级旋流器之间通过联焰板固定连接；
所述预燃级包括预燃级外凹腔、预燃级内凹腔和预燃级燃油喷嘴，所述预燃级外凹腔是由位于主燃级旋流器外侧的火焰筒头部的火焰筒壁突出形成的腔体结构，所述预燃级内凹腔是由位于主燃级旋流器内侧的火焰筒头部的火焰筒壁突出形成的腔体结构；所述预燃级外凹腔和预燃级内凹腔由一个轴向截面为直线的圆环壁和一个轴向截面为弧形的弧形环壁一端一体式连接组成，所述圆环壁正对主燃级旋流器、且垂直于联焰板；
所述预燃级外凹腔和预燃级内凹腔的圆环壁上开设有若干个内侧进气口，弧形环壁上开设有若干个外侧进气口；其中内侧进气孔既起到与预燃级燃油掺混从而达到合理的油气比又起到冷却凹腔前壁面及蒸发管的作用。外侧进气孔一方面起到辅助内进气孔在凹腔中形成稳定的回流区另一方面起到冷却凹腔下游的火焰筒壁的作用。
所述高能点火电嘴设置于预燃级外凹腔外侧。所述预燃级的高温燃气，通过联焰板将火焰从外凹腔中传递到内凹腔中，这样在大状态下当主燃级供燃油时，主燃级的燃气四周都会有高温燃气及火焰，使得大状态下主燃级的燃油燃烧的更充分。
进一步的，所述预燃级燃油喷嘴是蒸发管式喷嘴。
进一步的，所述蒸发管式喷嘴由直射式喷嘴、进气鱼嘴和蒸发腔组成，所述进气鱼嘴是与弧形环壁一体化设计成的鱼嘴形进气口，这样整个蒸发管式喷嘴与凹腔的相对位置使得整个蒸发管喷嘴在除点火状态外的大部分状态都具有较高的温度，有利于燃油的蒸发。直射式喷嘴喷出的燃油与进气嘴中的空气相切，使得燃油进行二次雾化，有利于燃油进一步地蒸发。
进一步的，所述供油系统包括预燃级供油系统、主燃级供油系统和旋流器；所述预燃级供油系统包括：预燃级外凹腔燃油总管进口、预燃级外凹腔燃油总管、预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴、预燃级蒸发管式喷嘴蒸发腔、预燃级内凹腔燃油总管进口、预燃级内凹腔燃油总管、预燃级蒸发管式喷嘴混气喷孔；燃油从直射式喷嘴喷入预燃级蒸发管式喷嘴进气鱼嘴中进行一次雾化并与进入预燃级蒸发管式喷嘴中的空气相切进行二次雾化掺混，混气在预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中与预燃级蒸发管式喷嘴蒸发腔中进一步蒸发掺混并从预燃级蒸发管式喷嘴混气喷孔中喷出与进入凹腔中的空气进行掺混达到所需要的当量比；其中：进入进气鱼嘴中的空气与燃油的当量比要控制范围使混气即不能自燃也不会发生回火。
进一步的，所述内侧进气口距离凹腔弧形环壁段3到5毫米，所述外侧进气口在轴向位置与主燃级旋流器出口齐平。这种设计方式有利于在预燃级外凹腔内形成稳定的预燃级外凹腔回流区；在预燃级内凹腔内形成稳定的预燃级内凹腔回流区。
进一步的，从压气机出口的空气经扩压器减速增压后进入燃烧室分成三股,一部分进入燃烧室的外环道、一部分进入燃烧室的内环道、一部分经过头部的旋流器进入燃烧室；
外环道气流分为六部分：(1)从预燃级外凹腔内侧进气口进入外凹腔；(2)从预燃级外凹腔外侧进气口进入外凹腔；(3)进入预燃级外凹腔蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中并与燃油形成一定当量比的混气再进入外凹腔中；(4)从火焰筒壁上的冷却孔进入火焰筒中；(5)从火焰筒上的主燃孔中进入火焰筒,切断并协助形成主燃级回流区；(6)从火焰筒上的掺混孔中进入火焰筒,与高温燃气进行掺混调节出口温度场；
内环道气流分为六部分：(1)从预燃级内凹腔内侧进气口进入内凹腔；(2)从预燃级内凹腔外侧进气口进入内凹腔；(3)进入预燃级内凹腔蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中并与燃油形成一定当量比的混气再进入内凹腔中；(4)从火焰筒壁上的冷却孔进入火焰筒中对火焰筒壁进行冷却；(5)从火焰筒上的主燃孔中进入火焰筒,切断并协助形成主燃级回流区；(6)从火焰筒上的掺混孔中进入火焰筒,与高温燃气进行掺混调节出口温度场。
进一步的，所述主燃级旋流器叶片安装角在30度到45度之间，叶片数量在8到12个之间，旋流数在0.45到0.8之间。
进一步的，所述组合燃烧室为全环形结构。
进一步的，在发动机启动时，高能点火电嘴释放具有数焦耳能量的电火花，将可燃混合气点燃，并在凹腔中的回流区作用下形成稳定的火焰；在联焰板所在轴截面，即主流堵塞轴截面，外凹腔内的已燃高温混气流向联焰板与内凹腔中的未燃混气汇合并点燃内凹腔的未燃混气；小状态时只有凹腔供油,当大状态时主流供油并与经过旋流器的主流空气形成主流燃气,主流燃气在双凹腔的尾焰和联焰板后的高温燃气所形成的固定的点火源的作用下引燃,当主流被点燃后,从主流新进入在混气在主流回流区,凹腔尾焰,联焰板后的高温燃气的共同作用下稳定燃烧,主燃区的高温燃气与掺混空气进行掺混流出火焰筒并进一步冲击涡轮。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明组合燃烧室，是一种分级燃烧室，由于预燃级与主燃级的特殊的结构与位置设计,可以实现更宽工况下的高效低排放燃烧；在常规燃烧室中，空气通过旋流器后产生回流区，高温燃气在回流区作用下向上游点燃新鲜可燃混气，因此回流区充当了稳定点火源的作用。组合燃烧室则采用了分级分区燃烧的概念，预燃级由火焰筒头部经过特殊设计而形成的内外双凹腔组成，通过合理组织进入凹腔内的空气，使凹腔内形成稳定的漩涡流动结构，同时供入燃油，由于预燃级内旋涡驻定，因此其在各种工况下都可以稳定燃烧；主燃级(主流)空气通过头部的旋流器进入主燃烧区，旋流器起强化掺混及火焰稳定的作用，两个旋流器之间的火焰筒壁所形成的联焰板用来传播火焰使主燃级(主流)能够顺利被预燃级火焰点燃。在小状态下，仅预燃级供油，主燃级(主流)不供油；在大状态下，预燃级、主燃级(主流)同时供油工作。
(2)本发明组合燃烧室，由于预燃级与主燃级的特殊的结构与位置设计,使得预燃级中的空气流动状态和火焰的稳定性几乎不受主燃级的流动影响,从而提高点火性能，拓宽火焰稳定范围；
(3)在高推重比或者低排放发动机中，利用组合燃烧室组织高效稳定的燃烧，并且有效降低冒烟和气态污染物的排放；
(4)本发明的组合燃烧室燃油系统更加简单，燃烧室头部更加紧凑，大幅度缩短了燃烧室的轴向长度。
附图说明
图1为本发明组合燃烧室的全环结构示意图。
图2为图1所示组合燃烧室的局部剖视图。
图3为图1所示的组合燃烧室中的火焰筒全环示意图。
图4为本发明组合燃烧室供油系统结构示意图。
图5为本发明组合燃烧室旋流器所在截面流动及燃烧过程示意图。
图6为本发明组合燃烧室两个旋流器中间所在轴截面流动及燃烧过程示意图。
其中：
1-组合燃烧室、2-扩压器、3-外机匣、4-内机匣、5-主燃级燃油总管、6-预燃级外凹腔燃油总管、7-预燃级内凹腔燃油总管、8-喷油杆、9-主燃级燃油喷嘴、10-预燃级燃油喷嘴、11-旋流器、12-文氏管、13-预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴、14-预燃级蒸发管式喷嘴蒸发腔、15-预燃级蒸发管式喷嘴混气喷孔16-预燃级外凹腔、17-预燃级内凹腔、18-预燃级外凹腔外侧进气孔、19-预燃级外凹腔内侧进气孔、20-预燃级内凹腔外侧进气孔、21-预燃级内凹腔内侧进气孔、22-预燃级外凹腔回流区、23-预燃级内凹腔回流区、24-主燃级回流区、25-主燃级回流区、26-联焰板、27-高能点火电嘴、28-高能点火电嘴安装底座、29-火焰筒、30-主燃孔、31-掺混孔、32-冷却孔、33-外环通道、34-内环通道、35-主燃级燃油总管进口、36-预燃级外凹腔燃油总管进口、37-预燃级内凹腔燃油总管进口。
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。
请参照图1至图5所示，本发明组合燃烧室，主要由扩压器2、燃烧室外机匣3和内机匣4、头部具有双凹腔结构的火焰筒29、高能点火电嘴27、旋流器11等组成。所述组合燃烧室为全环形结构，利用经过特殊结构设计的预燃级外凹腔16与预燃级内凹腔17所形成的预燃级外凹腔回流区22和预燃级内凹腔回流区23来稳定火焰，依靠两个凹腔间的火焰筒璧所形成的联焰板26将火焰由外凹腔16传至内凹腔17及主流。
在燃烧室进口设置扩压器2，其主要功用是降低火焰筒29进口空气流速，提高进口压力，这有利于降低压力损失、组织燃烧。其中组合燃烧室的外机匣3、内机匣4是燃烧室的主要承力部件，并与火焰筒29构成了燃烧室的外环通道33和内环通道34。
预燃级外凹腔16还包括预燃级外凹腔外侧进气口18和预燃级外凹腔内侧进气口19，其中预燃级外凹腔外侧进气口18在轴向位置与旋流器11出口齐平,预燃级外凹腔内侧进气口19距离预燃级外凹腔圆弧段3到5毫米,这种设计方式有利于在预燃级外凹腔16内形成稳定的预燃级外凹腔回流区22；预燃级内凹腔17还包括预燃级内凹腔外侧进气口20和预燃级内凹腔内侧进气口21，其中预燃级内凹腔外侧进气口20在轴向位置与旋流器11出口齐平,预燃级内凹腔内侧进气口21距离预燃级内凹腔圆弧段3到5毫米,这种设计方式有利于在预燃级内凹腔17内形成稳定的预燃级内凹腔回流区23。供油系统包括预燃级供油系统、主燃级供油系统及旋流器,预燃级供油系统包括：预燃级外凹腔燃油总管进口36、预燃级外凹腔燃油总管6、预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴13、预燃级蒸发管式喷嘴蒸发腔14；预燃级内凹腔燃油总管进口37、预燃级内凹腔燃油总管7、预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴13、预燃级蒸发管式喷嘴蒸发腔14、预燃级蒸发管式喷嘴混气喷孔15；燃油从直射式喷嘴喷入预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中进行一次雾化并与进入预燃级蒸发管式喷嘴中的空气相切进行二次雾化掺混，混气在预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中与预燃级蒸发管式喷嘴蒸发腔中进一步蒸发掺混并从预燃级蒸发管式喷嘴混气喷孔中喷出与进入凹腔中的空气进行掺混达到所需要的当量比。需要说明的是：进入进气鱼嘴中的空气与燃油的当量比要控制在一定范围内,使混气既不能自燃也不会发生回火。
请参照图5和图6所述，本发明组合燃烧室的工作原理为：从压气机出口的空气经扩压器2减速增压后进入燃烧室分成三股,一部分进入燃烧室的外环、一部分进入燃烧室的内环、一部分经过头部的旋流器进入燃烧室。外环道气流分为六部分：(1)从预燃级外凹腔内侧进气口进入外凹腔；(2)从预燃级外凹腔外侧进气口进入外凹腔；(3)进入预燃级外凹腔蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中并与燃油形成一定当量比的混气再进入外凹腔中；(4)从火焰筒壁上的冷却孔进入火焰筒中；(5)从火焰筒上的主燃孔中进入火焰筒,切断主流并协助旋流器形成主燃级回流区；(6)从火焰筒上的掺混孔中进入火焰筒,与高温燃气进行掺混调节出口温度场；内环道气流分为六部分：(1)从预燃级内凹腔内侧进气口进入内凹腔；(2)从预燃级内凹腔外侧进气口进入内凹腔；(3)进入预燃级内凹腔蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中并与燃油形成一定当量比的混气再进入内凹腔中；(4)从火焰筒壁上的冷却孔进入火焰筒中对火焰筒壁进行冷却；(5)从火焰筒上的主燃孔中进入火焰筒,切断主流并协助旋流器形成主燃级回流区；(6)从火焰筒上的掺混孔中进入火焰筒,与高温燃气进行掺混调节出口温度场。
参照图5所示，在无联焰板的轴截面，即主流流通截面，从凹腔内侧进气孔和凹腔外侧进气孔进入凹腔的空气，在凹腔内形成稳定的预燃级回流区。同时，从预燃级(凹腔)蒸发管式喷嘴混气喷孔喷出的油气与从凹腔内侧进气孔进入凹腔内的空气掺混，形成一定范围内的当量比的可燃混合气。在外凹腔外侧设置高能点火电嘴，在发动机启动时，高能点火电嘴释放具有数焦耳能量的电火花，将可燃混合气点燃，并在凹腔中的回流区作用下形成稳定的火焰。参照图6所示，在联焰板所在轴截面，即主流堵塞轴截面，外凹腔内的已燃高温混气流向联焰板与内凹腔中的未燃混气汇合并点燃内凹腔的未燃混气。小状态时只有凹腔供油,当大状态时主流供油并与经过旋流器的主流空气形成主流燃气,主流燃气在双凹腔的尾焰和联焰板后的高温燃气所形成的固定的点火源的作用下引燃,当主流被点燃后,从主流新进入在混气在主流回流区,凹腔尾焰,联焰板后的高温燃气的共同作用下稳定燃烧,主燃区的高温燃气与掺混空气进行掺混流出火焰筒并进一步冲击涡轮。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种组合燃烧室，包括扩压器(2)、内机匣(3)、外机匣(4)、供油系统、高能点火电嘴和火焰筒，所述火焰筒与内机匣和外机匣形成燃烧室的内外环道；其特征在于，火焰筒头部由主燃级和预燃级组成；
所述主燃级包括若干个一级轴向主燃级旋流器(11)、文氏管(12)和主燃级燃油喷嘴(9)，所述一级轴向主燃级旋流器(11)均匀设置于火焰筒头部中心部位，相邻主燃级旋流器(11)之间通过联焰板(26)固定连接；
所述预燃级包括预燃级外凹腔(16)、预燃级内凹腔(17)和预燃级燃油喷嘴(10)，所述预燃级外凹腔(16)是由位于主燃级旋流器外侧的火焰筒头部的火焰筒壁突出形成的腔体结构，所述预燃级内凹腔(17)是由位于主燃级旋流器内侧的火焰筒头部的火焰筒壁突出形成的腔体结构；所述预燃级外凹腔(16)和预燃级内凹腔(17)由一个轴向截面为直线的圆环壁和一个轴向截面为弧形的弧形环壁一端一体式连接组成，所述圆环壁正对主燃级旋流器、且垂直于联焰板；
所述预燃级外凹腔(16)和预燃级内凹腔(17)的圆环壁上开设有若干个内侧进气口(19、21)，弧形环壁上开设有若干个外侧进气口(18、20)；
所述高能点火电嘴设置于预燃级外凹腔外侧。
2.根据权利要求1所述的一种组合燃烧室，其特征在于，所述预燃级燃油喷嘴(10)是蒸发管式喷嘴。
3.根据权利要求2所述的一种组合燃烧室，其特征在于，所述蒸发管式喷嘴由直射式喷嘴、进气鱼嘴(13)和蒸发腔(14)组成，所述进气鱼嘴(13)是与弧形环壁一体化设计成的鱼嘴形进气口。
4.根据权利要求3所述的一种组合燃烧室，其特征在于，所述供油系统包括预燃级供油系统、主燃级供油系统和旋流器；所述预燃级供油系统包括：预燃级外凹腔燃油总管进口(36)、预燃级外凹腔燃油总管(6)、预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴(13)、预燃级蒸发管式喷嘴蒸发腔(14)、预燃级内凹腔燃油总管进口(37)、预燃级内凹腔燃油总管(7)、预燃级蒸发管式喷嘴混气喷孔(15)；燃油从直射式喷嘴喷入预燃级蒸发管式喷嘴进气鱼嘴中进行一次雾化并与进入预燃级蒸发管式喷嘴中的空气剪切进行二次雾化掺混，混气在预燃级蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中与预燃级蒸发管式喷嘴蒸发腔中进一步蒸发掺混并从预燃级蒸发管式喷嘴混气喷孔中喷出与进入凹腔中的空气进行掺混达到所需要的当量比。
5.根据权利要求1所述的一种组合燃烧室，其特征在于，所述内侧进气口(19、21)距离凹腔弧形环壁段3到5毫米，所述外侧进气口(18、20)在轴向位置与主燃级旋流器(11)出口齐平。
6.根据权利要求1所述的一种组合燃烧室，其特征在于，从压气机出口的空气经扩压器减速增压后进入燃烧室分成三股,一部分进入燃烧室的外环道、一部分进入燃烧室的内环道、一部分经过头部的旋流器进入燃烧室；
外环道气流分为六部分：(1)从预燃级外凹腔内侧进气口进入外凹腔；(2)从预燃级外凹腔外侧进气口进入外凹腔；(3)进入预燃级外凹腔蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中并与燃油形成一定当量比的混气再进入外凹腔中；(4)从火焰筒壁上的冷却孔进入火焰筒中；(5)从火焰筒上的主燃孔中进入火焰筒,切断并协助形成主燃级回流区；(6)从火焰筒上的掺混孔中进入火焰筒,与高温燃气进行掺混调节出口温度场；
内环道气流分为六部分：(1)从预燃级内凹腔内侧进气口进入内凹腔；(2)从预燃级内凹腔外侧进气口进入内凹腔；(3)进入预燃级内凹腔蒸发管式喷嘴的进气鱼嘴中并与燃油形成一定当量比的混气再进入内凹腔中；(4)从火焰筒壁上的冷却孔进入火焰筒中对火焰筒壁进行冷却；(5)从火焰筒上的主燃孔中进入火焰筒,切断并协助形成主燃级回流区；(6)从火焰筒上的掺混孔中进入火焰筒,与高温燃气进行掺混调节出口温度场。
7.根据权利要求1所述的一种组合燃烧室，其特征在于，所述主燃级旋流器(11)叶片安装角在30度到45度之间，叶片数量在8到12个之间，旋流数在0.45到0.8之间。
8.根据权利要求1所述的一种组合燃烧室，其特征在于，所述组合燃烧室为全环形结构。
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