CN117329543A - 一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，涉及燃烧室技术领域。包括旋流杯和偏心进气式预燃室；旋流杯一端套设在压力旋流式燃油雾化喷嘴上，另一端延伸至偏心进气式预燃室的进口处；偏心进气式预燃室包括45°扩张段和预燃室平直段；预燃室平直段连接在45°扩张段远离旋流杯的一端；45°扩张段上设置有三级偏心进气孔。本发明具有强径向扩散性的特点，能够与其周围布置的离散主燃级头部进行充分地传热传质，从而轻易地点燃主燃级并协助主燃级在贫油状态下稳定燃烧。

Description

一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部 结构

技术领域

本发明涉及燃烧室技术领域，具体为一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构。

背景技术

现有航空发动机燃烧室头部结构方案中，多采用中心分级式头部结构，其特点为：

1、整体呈圆形；

2、预燃级位于中心且在径向上占有较大的尺寸，通常采用旋流杯-文氏管类型的燃烧组织模式；

3、主燃级以单/多级轴向/径向旋流器的结构模式环绕在预燃级周围，在径向上所占尺寸较小，依靠旋流器叶片通道内设置多个离散的横向燃油喷射孔的形式组织燃烧。

在此种中心分级式燃烧室头部结构下，由于预燃级在径向上所占尺寸较大，因此并不需要很强的径向扩散性就能够轻易引燃主燃级。

近年来，对于地面/船舶重型燃气轮机，为了降低其NO_x和碳烟等污染物排放，多喷嘴贫油燃烧的燃烧组织技术被提出且受到广泛认可。此种多喷嘴燃烧室头部结构的特点为：整体形状并不严格限定，可以根据喷嘴的数量和布置方式进行调整；主燃级通常为彼此之间相互独立的多个头部，每个主燃级头部通过单独的气动结构（旋流器等）组织燃烧并互相联焰。因此，相较于中心分级式燃烧室头部结构，多喷嘴式燃烧室头部结构下的每个主燃级所占面积更大，面积利用率更低。由于上述主燃级的特点，多喷嘴式燃烧室头部结构下的预燃级头部所占的面积相比中心分级式燃烧室头部结构要小很多。在预燃级本身所占面积较小的情况下，想要收获预-主燃级之间良好的联焰（换热换质）效果，使预燃级能够轻易地引燃主燃级和协助主燃级稳定火焰，便需要对预燃级的燃烧组织结构布局和径向扩散性提出了更高的要求。

因此，如何提供一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，具有强径向扩散性的特点，能够与其周围布置的离散主燃级头部进行充分地传热传质，从而轻易地点燃主燃级并协助主燃级在贫油状态下稳定燃烧。

为达上述目的，本发明提供了一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，包括：旋流杯和偏心进气式预燃室；

所述旋流杯一端套设在压力旋流式燃油雾化喷嘴上，另一端延伸至偏心进气式预燃室的进口处；

所述偏心进气式预燃室包括45°扩张段和预燃室平直段；所述预燃室平直段连接在所述45°扩张段远离旋流杯的一端；所述45°扩张段上设置有三级偏心进气孔。

进一步的，三级偏心进气孔为沿轴向分三排设置的偏心进气孔，每排偏心进气孔入口处的半径呈现逐级扩张，且扩张幅度一致；每排之间距离一致，每个偏心进气孔的孔径一致，孔长一致。

进一步的，偏心进气孔的孔径d = 2mm，偏心距为e = 12mm~23mm之间。

进一步的，所述预燃室平直段的周向均布有多个预燃室壁面冷却孔。

进一步的，所述旋流杯包括内旋流叶片、内文氏管、外旋流叶片和外文氏管；所述内旋流叶片环绕在所述压力旋流式燃油雾化喷嘴的周向，所述内文氏管套设在所述内旋流叶片上，且与所述内旋流叶片之间设置有间隙；所述外旋流叶片连接在所述内文氏管远离所述内旋流叶片的一端，所述外文氏管一端套设在内文氏管上，另一端延伸至偏心进气式预燃室的进口处。

进一步的，所述外旋流叶片的旋向与所述三级偏心进气孔的旋向一致，与所述内旋流叶片的旋向相反。

进一步的，还包括旋流杯固定盖板，所述旋流杯固定盖板通过螺钉固定安装在所述偏心进气式预燃室的端部。

进一步的，所述压力旋流式燃油雾化喷嘴远离旋流杯的一端安装有油路转接头。

本发明的有益效果在于：

本发明设置有旋流杯和偏心进气式预燃室，具有强径向扩散性的特点，通过在45°扩张段上设置三级偏心进气孔，能够与其周围布置的离散主燃级头部进行充分地传热传质，从而轻易地点燃主燃级并协助主燃级在贫油状态下稳定燃烧。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本发明偏心进气孔的结构示意图；

图4为本发明的流场仿真结果示意图。

1、偏心进气式预燃室； 1-1、45°扩张段；1-2、预燃室平直段；1-3、三级渐进式偏心进气孔；1-4、预燃室壁面冷却孔；2、旋流杯；2-1、内旋流叶片；2-2、内文氏管；2-3、外旋流叶片；2-4、外文氏管；3、压力旋流式燃油雾化喷嘴；4、油路转接头；5、旋流杯固定盖板；6、螺钉。

具体实施方式

为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，结合附图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能。

如图1-图3所示，本发明提供了一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，包括：旋流杯2和偏心进气式预燃室1；

所述旋流杯2一端套设在压力旋流式燃油雾化喷嘴3上，另一端延伸至偏心进气式预燃室1的进口处；

偏心进气式预燃室1的主要功能是接续旋流杯2开展进一步的流场组织，配合三级渐进式偏心进气孔1-3使得气流在预燃室出口处实现强径向扩散，从而能够更好地与主燃级部分进行换热换质，协助主燃级点火和稳定燃烧。所述偏心进气式预燃室1包括45°扩张段1-1和预燃室平直段1-2；所述预燃室平直段1-2连接在所述45°扩张段1-1远离旋流杯2的一端，45°扩张段1-1自旋流杯2出口处沿45°角母线进行径向扩张，而后保持内径不变承接预燃室平直段1-2；所述45°扩张段1-1上设置有三级偏心进气孔。所述预燃室平直段1-2的周向均布有多个预燃室壁面冷却孔1-4。压力旋流式燃油雾化喷嘴3的作用是利用供油差压实现燃油的初步雾化，并且在出口处形成空心锥状的油雾分布，在空心油雾锥的末端燃油在油压的作用下充分雾化的同时进入到内、外双级反向旋流气的剪切区域内，受剪切作用进一步发生气动雾化。

将预燃级头部进气分为两部分，一部分通过双级反旋轴向旋流杯2，另一部分通过三级渐进式偏心进气孔1-3，进入预燃级燃烧区参与燃烧。旋流杯2与三级偏心进气孔之间的气量分配比例，在本实施例中为2:3左右，根据不同的工程技术需求，此比例也可适当调整。

本实施例中，三级偏心进气孔为沿轴向分三排设置的偏心进气孔，每排偏心进气孔入口处的半径（关于轴心）呈现逐级扩张，且扩张幅度一致；每排之间距离一致，每个偏心进气孔的孔径一致，孔长（钻孔部分壁厚）一致。偏心进气孔的孔径d = 2mm，偏心距为e =12mm~23mm之间。

45°扩张段1-1是旋流杯2出口流道轮廓组织的主体，其作用有二，一是为三级偏心进气孔的设置提供合适的工程空间，使得三级偏心进气孔的入口半径可以不断增加，以实现流动的切向速度随半径不断增加的目的。二是剥夺旋流杯2出口处角涡回流空间的扩张结构，有利于抑制火焰振荡。预燃室平直段1-2的功能是将预燃级的火焰根部燃烧区与主燃级未开启使进入的冷空气隔离开，为预燃级火焰根部的燃烧提供一个相对独立的空间，使其在点火时能够免受主燃级未燃空气的影响，防止预燃级火焰被主燃级的冷气吹熄。预燃室壁面冷却孔1-4的功能是分配较少的气量对预燃室平直段1-2壁面进行均匀覆盖式冷却，同时保证开孔方向与当地气流流向大致相同，以免对流场主体结构造成干扰。

旋流杯2的功能是在预燃室内部营造一个小尺寸的核心回流区，用于在旋流杯2出口处和预燃室内组织预燃级点火和稳定火焰，为预燃级的二次扩张火焰结构提供一个强有力的火焰根部。所述旋流杯2包括内旋流叶片2-1、内文氏管2-2、外旋流叶片2-3和外文氏管2-4；所述内旋流叶片2-1环绕在所述压力旋流式燃油雾化喷嘴3的周向，所述内文氏管2-2套设在所述内旋流叶片2-1上，且与所述内旋流叶片2-1之间设置有间隙；所述外旋流叶片2-3连接在所述内文氏管2-2远离所述内旋流叶片2-1的一端，所述外文氏管2-4一端套设在内文氏管2-2上，另一端延伸至偏心进气式预燃室1的进口处。在本发明中内旋流叶片2-1的旋向与流动结构中的主流旋向相反，用以将此部分进气营造成旋流气，与外旋流叶片2-3出口处的旋流气在切向上形成反向剪切，从而使处于剪切区的油雾颗粒受切向形变作用而迅速破碎，进一步雾化。内文氏管2-2配合内旋流叶片2-1，对内旋流通道出口处的旋流气施加流道收缩作用，根据动量守恒和角动量守恒原理，此部分气流的轴向流速和切向速度均会大幅增加，而后在内文氏管2-2出口处遭遇流道突扩，失去壁面限制的强旋流空气会因为向心力小于离心力而向外扩张，与外旋流气发生剧烈的剪切和掺混。外旋流叶片2-3的旋向与三级偏心进气孔的旋向一致，与内旋流叶片2-1的旋向相反，外旋流通道进气量相较内旋流通道的气量更多，此部分气量是用于在预燃室内部营造火焰根部核心回流区的主体部分，同时也兼具与内旋流气反向旋转制造剪切区促进燃油雾化的功能。外文氏管2-4是整个旋流杯2的流道轮廓的主体，配合外旋流叶片2-3，根据动量守恒和角动量守恒原理，以旋流-收缩-扩张的结构形式组织回流区流场的生成，由于旋转流动所需的向心力而形成指向旋转中心的压力梯度，使得旋转中心也是负压中心，在扩张段经历了因旋流离心而扩张的气流，在扩张至一定的径向位置处时，负压中心所提供的向心吸引力超过了此时的离心力，因此在轴向向下游流动的同时径向上向旋转中心折返，从而在整体上呈现为回流，用于稳定火焰的回流区由此产生。

燃油雾化部分的设计，采用标准化的压力旋流式燃油雾化喷嘴3配合双级反旋轴向旋流器的结构，其位于旋流杯2的中心。其雾化原理是压力离心喷嘴产生的空心锥状初始油雾在本实施例中的位置布局下能够刚好进入到内、外旋流通道出口处两股旋向相反的气流的交汇处。两股气流在切向上发生剧烈的剪切掺混作用，使得被裹挟在其中的油雾受剪切而进一步破碎，充分雾化。

本发明还包括旋流杯固定盖板5，所述旋流杯固定盖板5通过螺钉6固定安装在所述偏心进气式预燃室1的端部。流杯固定盖板通过螺钉6将旋流杯2与偏心进气式预燃室1进行绑定和定位，同时在径向上为旋流杯2的安装提供一定的浮动量。

本实施例中，所述压力旋流式燃油雾化喷嘴3远离旋流杯2的一端安装有油路转接头4。油路转接头4的作用是将油路与压力旋流式燃油雾化喷嘴3进行连接和密封，同时帮助喷嘴与实验件其他部分进行定位。

本发明的设计思路及工作原理如下：

①首先利用小尺寸、小气量的旋流杯，在预燃室内营造一个小尺寸的回流区，使得预燃级火焰能够在预燃室内不受主燃级气流干扰地点燃并稳定燃烧。

②由于旋流杯所营造的回流区闭合过早（即回流区下止点过于靠近上游），导致预燃级流场在预燃室出口处的径向扩散性不佳，不能很好地与主燃级燃烧区域进行换热换质，协助主燃级进行点火和稳焰。

③因此，在旋流杯之后的45°角扩张段设置较大气量的三级偏心进气孔结构，偏心进气孔进气方向尽量与旋流杯出口处气流旋向平行，以此实现不扰乱预燃室内部小回流区流动结构的同时，在小回流区流动外侧包裹三层旋流强度更强（并且是逐级增强）的旋转伴随流动（个中原理参见角动量公式）。

④在预燃室内的很短的轴向距离内，上述小回流区和外部三层旋转伴流并不能实现完全掺混，因此在预燃室出口处各层气流的界限依然较为明显，体现在切向速度沿径向仍存在阶跃性突变。此现象带来的效果是，在预燃室出口处，外层的强旋伴流骤然失去预燃室内壁面的反作用压力限制，内层相对弱旋负压中心所提供的向心力小于外层高速旋转产生的离心力，导致外层气流在预燃室出口处被剧烈甩向外围的主燃级燃烧区。

⑤又由于预燃室出口处各层气流并未掺混均匀，因此④中所述现象在预燃室出口处发生得富有层次感。不同层的气流所受的离心力大小不同，自身的轴向速度也不同，因此在流出预燃室进入火焰筒后的流动轨迹也不相同。最外层旋流强度最高的气流所受离心力最大，沿径向扩散最快。靠内层的旋转伴流所受离心力较小，沿径向扩散较慢，扩散至离心力与向心力相平衡的径向位置处开始发生回流，从而在火焰筒内营造出一个尺度更大、回流强度更弱的回流区。

⑥上述结论⑤中所述现象皆有利于组织燃烧，其中外层气流的强扩散性有助于预燃级协助主燃级点火和稳定燃烧。而在火焰筒内营造大尺度的回流区则有利于燃烧室的宏观燃烧组织，有利于燃烧室整体火焰稳定。

偏心进气孔几何结构参数如表1所示：

表1

旋流杯的几何结构参数如表2所示：

表2

偏心进气式预燃室的几何结构参数如表3所示：

表3

进气流动过程一维简化分析：

1）基本假设：

①由于偏心进气孔的孔径只有d = 2mm，而偏心距为e = 12mm~23mm之间，可以简化认为偏心进气孔过孔流通截面各处的偏心距均同于孔轴线处的偏心距。

②偏心进气孔进气过孔流通截面上沿孔轴的动量通量与偏心距的乘积成为进气后总流动角动量通量的一部分。

③有回流区存在的流动截面，其流动的角动量通量方向与轴向平行，其切向速度分量在半径较小的范围内呈现随半径增加而线性增加的分布，而在其他径向位置呈均匀分布。

④在此预燃级头部结构及其下游区域所营造的流场中，仅有旋流杯和偏心进气孔处为节流截面，并且流经上述两处节流部分时，空气的压降均为3%。

2）流动过程中的角动量守恒：

预燃级头部结构的进气主要分为两部分，其一是旋流杯入口处内、外两级轴向旋流器的进气；其二是三级偏心距逐渐增加的偏心进气孔处的进气。旋流杯部分进气带来的角动量通量为：

其中下标inner表示内旋流通道，下标outer表示外旋流通道，、/>、/>分别表示积分截面上级径向位置r处的空气密度、轴向速度分量、切向速度分量，此处假设所研究的积分截面的任一等半径环面上的轴向速度和切向速度矢量均相等。下标x代表旋流杯部分，L为角动量符号。

在旋流器叶片通道截面，可以简化假设任意位置处的切向速度均为过孔速度矢量在切向方向上的分量，则上式可以定量表达为：

其中，Rii表示内旋流通道内半径，Rio表示内旋流通道外半径，Roi表示外旋流通道内半径，Roo表示外旋流通道外半径，表示内旋流叶片与轴向所成角度，/>表示外旋流叶片与轴向所成角度。

由于偏心进气孔的直径很小（2mm），所以可以简化假设每个切向孔流通截面内各处相对于预燃级头部轴线的偏心距都相同。在外部空气通过偏心进气孔流入预燃室前端的过程中，其过孔流通动量可以沿切向和径向两个方向分解，切向部分将转化为角动量，径向部分会在与主流空气交汇后转化为主流空气的一部分轴向动量。在本结构中，偏心进气孔分为三个梯级逐级向主流供气，每一级的偏心距不同。偏心进气孔部分进气带来的角动量通量为：

其中，k表示偏心进气孔的级数编号，共三级；表示第k级偏心进气孔的相对于轴线的偏心距，对于同一级偏心进气孔，它们的/>均相同；n表示每一级偏心进气孔的周向等距分布个数；/>为单个偏心进气孔的流通截面积。下标T表示偏心进气孔部分。

图4显示了预燃级头部结构下的流场仿真结果，其中色阶表示轴向速度分布，白色实线为回流区边界。

本发明设置有旋流杯和偏心进气式预燃室，具有强径向扩散性的特点，通过在45°扩张段上设置三级偏心进气孔，能够与其周围布置的离散主燃级头部进行充分地传热传质，从而轻易地点燃主燃级并协助主燃级在贫油状态下稳定燃烧。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，其特征在于，包括：旋流杯和偏心进气式预燃室；

所述旋流杯一端套设在压力旋流式燃油雾化喷嘴上，另一端延伸至偏心进气式预燃室的进口处；

所述偏心进气式预燃室包括45°扩张段和预燃室平直段；所述预燃室平直段连接在所述45°扩张段远离旋流杯的一端；所述45°扩张段上设置有三级偏心进气孔。

2.如权利要求1所述的一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，其特征在于，三级偏心进气孔为沿轴向分三排设置的偏心进气孔，每排偏心进气孔入口处的半径呈现逐级扩张，且扩张幅度一致；每排之间距离一致，每个偏心进气孔的孔径一致，孔长一致。

3.如权利要求2所述的一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，其特征在于，偏心进气孔的孔径d = 2mm，偏心距为e = 12mm~23mm之间。

4.如权利要求1所述的一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，其特征在于，所述预燃室平直段的周向均布有多个预燃室壁面冷却孔。

5.如权利要求1所述的一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，其特征在于，所述旋流杯包括内旋流叶片、内文氏管、外旋流叶片和外文氏管；所述内旋流叶片环绕在所述压力旋流式燃油雾化喷嘴的周向，所述内文氏管套设在所述内旋流叶片上，且与所述内旋流叶片之间设置有间隙；所述外旋流叶片连接在所述内文氏管远离所述内旋流叶片的一端，所述外文氏管一端套设在内文氏管上，另一端延伸至偏心进气式预燃室的进口处。

6.如权利要求5所述的一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，其特征在于，所述外旋流叶片的旋向与所述三级偏心进气孔的旋向一致，与所述内旋流叶片的旋向相反。

7.如权利要求1或6所述的一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，其特征在于，还包括旋流杯固定盖板，所述旋流杯固定盖板通过螺钉固定安装在所述偏心进气式预燃室的端部。

8.如权利要求1或6所述的一种基于渐进式偏心进气的强径向扩散式燃烧室预燃级头部结构，其特征在于，所述压力旋流式燃油雾化喷嘴远离旋流杯的一端安装有油路转接头。