CN117329546A - 一种中心分级燃油喷射燃烧室头部及一种燃气涡轮发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发动机领域，具体涉及一种中心分级燃油喷射燃烧室头部及一种燃气涡轮发动机，包括预燃级和主燃级；预燃级包括预燃级燃油管和预燃级空气流道；预燃级燃油管设于燃烧室头部中心，预燃级燃油管端部设有预燃级燃油喷嘴；预燃级空气流道环绕预燃级燃油管设置，预燃级空气流道内设有预燃级旋流器；主燃级包括主燃级燃油管和主燃级空气流道；主燃级空气流道内设有主燃级第一旋流器和主燃级第二旋流器；主燃级燃油管连有主燃级燃油喷孔，主燃级燃油喷孔朝向主燃级第二旋流器设置。与现有技术相比，本发明解决现有技术中主燃级采用的弱旋流不利于燃油雾化和油气掺混而强旋流又容易引起燃烧振荡的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于发动机领域，具体涉及一种中心分级燃油喷射燃烧室头部及一种燃气涡轮发动机。
背景技术
环境意识的提高使燃烧过程中污染物排放的减少成为航空发动机及燃气轮机研制中的主要挑战之一。为了获得更低的NOx排放，同时不增加尾气中二氧化碳和未燃烧烃类的浓度，利用贫油预混预蒸发和富油猝熄贫油燃烧等的低排放燃烧形式，在燃气轮机及航空发动机中得到了广泛的研究和应用。现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，其趋势是燃烧室轴向长度不断缩短、燃烧室头部高度不断加大，呈短环形发展。无论是军用航空发动机还是民用航空发动机，燃烧室头部进气量大，燃烧组织的主要环节基本在燃烧室头部径向距离实现，这一气动设计的关键在于油气组织匹配，后者对燃烧效率、出口温度分布、污染排放、燃烧稳定性等有很大的影响。
为了适应宽广的工作范围，燃烧室采用在头部多处进气、多处喷射燃油(燃油分级喷射及单级多位置喷射)，形成多重旋流火焰。一种典型的技术方案是中心空气分级、燃烧室头部中心设置预燃级、中心外缘设置主燃级，从而实现小推力工况时采用中心预燃级喷射较小流量燃油以扩散燃烧模式工作，保证燃烧效率和点火性能等需求；在中大推力工况时采用预燃级和主燃级同时喷射燃油，其中大部分燃油通过主燃级喷射进燃烧室后以部分预混燃烧模式工作，从而控制火焰温度以降低氮氧化物(NOx)排放和改善出口温度分布。
根据当前最新研究结果，为了避免燃烧室出现大幅燃烧振荡，一般将主燃级出口气流设计为弱旋流模式，如专利CN106678875A的一种主燃级采用喷油管供油的低排放燃烧室以及专利CN108916911A公开的一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部。但是，主燃级内部的弱旋流不利于主燃级内部燃油雾化以及油气掺混。另一方面，现有技术的空气分级的技术方案，为适应不同工况下运行的燃烧室设计带来极大挑战，需要兼顾多重空气旋流的相互匹配、以及燃油与空气的局部化学当量状态。
因此，需要一种既可以保持燃烧室主燃级出口弱旋流，又可以提高燃油雾化及油气掺混的主燃级燃烧组织形式的燃烧室，实现低NOx排放与抑制振荡燃烧。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种中心分级燃油喷射燃烧室头部及一种燃气涡轮发动机，以解决现有技术中主燃级采用的弱旋流不利于燃油雾化和油气掺混而强旋流又容易引起燃烧振荡的缺陷，通过预燃级和主燃级的空气流动匹配，实现燃烧室在不同工况下的气动与燃烧稳定性，提高燃烧室的燃烧效率，从而降低燃气涡轮发动机的油耗，提升燃气涡轮发动机运行的低排放、稳定性以及可靠性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，包括预燃级和主燃级；
所述的预燃级设置于燃烧室头部中心，所述的主燃级环绕于预燃级设置；
所述的预燃级包括预燃级燃油管和预燃级空气流道；所述的预燃级燃油管设置于燃烧室头部的中心，预燃级燃油管的端部设有预燃级燃油喷嘴；所述的预燃级空气流道环绕于预燃级燃油管设置，预燃级空气流道内设有用于形成强旋流的预燃级旋流器；
所述的主燃级包括主燃级燃油管和主燃级空气流道；所述的主燃级空气流道内依次设有用于形成强旋流的主燃级第一旋流器和用于形成弱旋流的主燃级第二旋流器；所述的主燃级燃油管连接有主燃级燃油喷孔，所述的主燃级燃油喷孔朝向主燃级第二旋流器设置。
优选地，所述的预燃级空气流道的端部设有预燃级渐缩渐扩喷管，所述的预燃级燃油喷嘴位于预燃级渐缩渐扩喷管的收缩段末端，且预燃级燃油喷嘴朝向扩张段设置。预燃级渐缩渐扩喷管的设置有效加速空气流动，进而提高了预燃级内空气和燃油的雾化效果，并可加速预燃级液雾和主燃级液雾的混合。
优选地，所述的预燃级燃油喷嘴为离心式喷嘴。在预燃级空气流道内采取强旋流，并采用单油路直接喷射的离心喷嘴，有助于预燃级形成的液雾在强旋流带动下与主燃级弱旋流产生的液雾充分混合，形成单一的液雾场，进而形成单一的燃烧火焰，实现更加均匀的火焰温度，降低NOx排放，提高燃烧稳定性并降低碳烟排放。
优选地，所述的弱旋流的旋流数小于0.7，所述的强旋流的旋流数大于0.8。通过在主燃级第二旋流器设置弱旋流(旋流数小于0.7)，预燃级旋流器设置强旋流(旋流数大于0.8)，形成单一的燃烧火焰，实现更加均匀的火焰温度，降低NOx排放，提高燃烧稳定性。同时，燃烧室头部内的流场不随工况变化而发生大的改变，能够提高燃烧室头部对不同发动机推力的适应性，实现宽工况下的稳定燃烧。
优选地，所述的预燃级的燃油流量为总燃油流量的10-50％，所述的主燃级的燃油流量为总燃油流量的50-90％。
优选地，所述的主燃级的空气流量为总空气流量的80-95％。大部分空气通过主燃级空气流道流出，达到进入燃烧室头部空气流量的80-95％，使得燃烧室头部内形成单一的流场且不随工况变化而发生大的改变，实现宽工况下的稳定燃烧。
优选地，所述的主燃级空气流道为L型结构，所述的主燃级第一旋流器设置于主燃级空气流道的转折处，使得燃级室头部更加紧凑，流动损失更小。
优选地，所述的主燃级第一旋流器相对于燃烧室头部呈径向设置，所述的主燃级第二旋流器相对于燃烧室头部呈轴向设置。
本发明第二方面公开了一种燃气涡轮发动机，包括燃油总管、火焰筒以及如上任一所述的燃烧室头部；
所述的燃油总管与预燃级燃油管和主燃级燃油管相连通；
所述的火焰筒与预燃级空气流道和主燃级空气流道相连通。
优选地，所述的火焰筒靠近头部的内部设有挡板，所述的燃烧室头部设置于挡板朝向火焰筒头部一侧的壁面上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)该燃烧室头部通过在主燃级设置主燃级第一旋流器和主燃级第二旋流器，同时在主燃级第二旋流器进行燃油的横向喷射，以撞击主燃级第二旋流器的叶片，形成预膜雾化，实现了在主燃级的燃油喷射前，通过调节主燃级第一旋流器形成的强旋流，提高空气和喷射燃油的强混合，提高燃油撞击主燃级第二旋流器叶片的速度，形成更加均匀的燃油雾化效果。通过在主燃级第二旋流器采用预膜雾化形式，配合主燃级第二旋流器的弱旋流，可以在改善主燃级燃油雾化、形成更加均匀液雾的情况下，避免由于主燃级强旋流而导致的燃烧振荡现象的产生。
(2)该燃烧室头部通过在主燃级第二旋流器采用预膜雾化结构，可在中低工况下借助空气剪切力增强空气雾化效果，实现更宽工况的主燃级开启策略。结合主燃级第一旋流器在主燃级出口形成可控的油气分布区间，易于调节燃烧室出口温度分布，抑制振荡燃烧的产生，降低碳烟排放。
(3)该燃烧室头部通过在主燃级第二旋流器形成弱旋流，预燃级旋流器形成强旋流，并在预燃级设置单油路直接喷射的离心式喷嘴，有助于预燃级液雾在强旋流带动下与主燃级的弱旋流产生的液雾充分混合，形成单一的液雾场，进而形成单一的燃烧火焰，实现更加均匀的火焰温度，降低NOx排放，提高燃烧稳定性，降低碳烟排放。
(4)该燃烧室头部通过主燃级和预燃级的燃油喷嘴的组合，大部分空气通过主燃级流道进入燃烧室头部，达到进入燃烧室头部空气流量的80％-95％，使得燃烧室头部内形成单一的流场且不随工况变化而发生大的改变，实现宽工况下的稳定燃烧。通过预燃级和主燃级的空气流动匹配，实现燃烧室在不同工况下的气动与燃烧稳定性、提高燃烧室的燃烧效率，从而降低燃气涡轮发动机的油耗，提升燃气涡轮发动机运行的低排放、稳定性以及可靠性。
(5)该燃烧室头部通过在预燃级空气流道设置预燃级渐缩渐扩喷管，加速了空气流动，提高了预燃级内空气和燃油的雾化效果，加速预燃级液雾和主燃级液雾的混合。同时，预燃级仅在点火工况时需适当提高油气比，其余状态可保持恒定供油，因而预燃级燃油控制策略简单；且点火工况时，预燃级液雾配合单一的燃烧室流场，实现液雾快速达到壁面，提高了点火性能。
(6)该燃烧室头部通过将主燃级第一旋流器设为径向旋流器、第二旋流器设为轴向旋流器，使得主燃级结构更加紧凑，流动损失更小，并可防止燃油与空气形成的混合物在燃烧室发生振荡燃烧时的燃气回流。
附图说明
图1为燃气涡轮发动机的结构示意图；
图2为燃烧室头部的结构剖视示意图；
图3为燃烧室头部的结构正视示意图；
图4为主燃级的局部结构剖视示意图；
图中：1-燃油总管；2-燃烧室头部；3-空气气流；4-火焰筒；5-预燃级旋流器；6-预燃级渐缩渐扩喷管；7-主燃级燃油管；8-主燃级空气流道；9-主燃级第一旋流器；10-主燃级第二旋流器；11-主燃级燃油；12-火焰；13-预燃级燃油管；14-预燃级燃油喷嘴；15-预燃级空气流道；16-预燃级燃油；17-主燃级燃油喷孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种中心分级燃油喷射燃烧室头部2，如图1-4所示，包括预燃级和主燃级；
所述的预燃级设置于燃烧室头部2中心，所述的主燃级环绕于预燃级设置；
所述的预燃级包括预燃级燃油管13和预燃级空气流道15；所述的预燃级燃油管13设置于燃烧室头部2的中心，预燃级燃油管13的端部设有预燃级燃油喷嘴14；所述的预燃级空气流道15环绕于预燃级燃油管13设置，预燃级空气流道15内设有用于形成强旋流的预燃级旋流器5；
所述的主燃级包括主燃级燃油管7和主燃级空气流道8；所述的主燃级空气流道8内依次设有用于形成强旋流的主燃级第一旋流器9和用于形成弱旋流的主燃级第二旋流器10；所述的主燃级燃油管7连接有主燃级燃油喷孔17，所述的主燃级燃油喷孔17朝向主燃级第二旋流器10设置。
更具体地，本实施例中：
如图2和图3所示，该燃烧室头部2由位于中心的预燃级以及环绕设置与预燃级外部的主燃级共同构成。预燃级进一步由预燃级空气流道15和预燃级燃油管13构成，主燃级进一步由主燃级空气流道8和主燃级燃油管7构成。
预燃级燃油管13设置于中心位置，预燃级空气流道15环绕于预燃级燃油管13设置。预燃级空气流道15内设置有预燃级旋流器5，用于形成强旋流气流；在预燃级空气流道15的末端还设置有预燃级渐缩渐扩喷管6，具有类似沙漏的两段宽、中间细的结构，使通过其收缩段的气流能够明显加速。预燃级燃油管13的端部连接有预燃级燃油喷嘴14，且该预燃级燃油喷嘴14采用离心式喷嘴；更进一步，该预燃级燃油喷嘴14的燃油喷出位置位于预燃级渐缩渐扩喷管6中收缩段的末端并朝向扩张段设置，有助于预燃级中燃油与空气的混合及雾化效果。
主燃级空气流道8设置为L型结构，在转折处设置有呈径向的主燃级第一旋流器9，使得空气由燃烧室头部2径向进气并随后在主燃级第一旋流器9的导向和旋流作用下转化为轴向移动。在主燃级空气流道8内、主燃级第一旋流器9的下游位置还设置有轴向布置的主燃级第二旋流器10，其中，主燃级第一旋流器9形成强旋流，而主燃级第二旋流器10形成弱旋流。主燃级燃油管7连接有主燃级燃油喷孔17，该主燃级燃油喷孔17朝向主燃级第二旋流器10的叶片设置，形成横向喷射。主燃级内燃油的横向喷射撞击主燃级第二旋流器10叶片形成预膜雾化，结合主燃级第一旋流器9形成的强旋流气流，能够有效提高空气和喷射燃油的强混合，提高燃油撞击主燃级第二旋流器10叶片的速度，形成更加均匀的燃油雾化效果；并且，由于主燃级第二旋流器10形成弱旋流气流，可以在改善主燃级燃油11雾化形成更加均匀液雾的情况下，避免由于主燃级强旋流而导致的燃烧振荡现象的产生。
该燃烧室头部2通过在主燃级第二旋流器10形成弱旋流，预燃级旋流器5形成强旋流，并在预燃级设置单油路直接喷射的离心喷嘴以及预燃级渐缩渐扩喷管6；有助于预燃级液雾在强旋流带动下和主燃级弱旋流产生的液雾充分混合，形成单一的液雾场，进而形成单一的燃烧火焰12，实现更加均匀的火焰12温度，降低NOx排放，提高燃烧稳定性，降低碳烟排放。
该燃烧室头部2通过预燃级燃油喷嘴14和主燃级燃油喷孔17的组合，大部分空气通过主燃级空气流道8进入燃烧室头部2，达到进入空气总流量的80％-95％，使得燃烧室头部2内能够形成单一的流场，并且该流场不会随工况变化而发生大的改变，进而能够实现宽工况下的稳定燃烧。
进一步如图1所示，一种燃气涡轮发动机，包括燃油总管1、火焰筒4以及如上所述的燃烧室头部2。其中，燃油总管1分别与主燃级燃油管7和预燃级燃油管13相连接，将燃油分配至主燃级和预燃级；燃烧室头部2的末端与火焰筒4内部相连通，即，燃烧在火焰筒4内发生。火焰筒4内靠近头部的位置设置有挡板，燃烧室头部2安装在该挡板朝向头部的一侧表面上，进而进入火焰筒4开口的空气气流3会完全通过燃烧室头部2，该空气气流3来源于上游压气机的输出。
结合图1-3，该燃气涡轮发动机在实际使用时，通过燃油总管1按设定比例将燃油分配给预燃级燃油管13和主燃级燃油管7：预燃级燃油管13内的预燃级燃油16流向预燃级燃油喷嘴14；主燃级燃油管7内的主燃级燃油11则流向主燃级燃油喷孔17。来自压气机的空气气流3由火焰筒4头部捕捉并流至燃烧室头部2后，分别分配至预燃级空气流道15和主燃级空气流道8：进入预燃级空气流道15的空气气流3在预燃级旋流器5和预燃级渐缩渐扩喷管6的作用下实现气流加速，并与预燃级燃油喷嘴14喷射而出预燃级燃油16充分混合；进入主燃级空气流道8的空气气流3在经过主燃级第一旋流器9并流经主燃级第二旋流器10时，与主燃级燃油喷孔17喷射而出的主燃级燃油11相混合并实现预膜雾化。随后由主燃级流出的液雾与预燃级流出的液雾在火焰筒4内部发生混合并燃烧，形成单一的燃烧室火焰12。
在中、大工况下(例如爬升、起飞、巡航等)，主燃级开启，预燃级燃油16流量所占比例约为10％，主燃级燃油11流量所占比例约为90％。此时预燃级液雾在预燃级强旋流下快速通过中心回流区与主燃级弱旋流液雾充分混合后燃烧，形成单一火焰12。
在中低工况下(例如慢车等)，主燃级也可开启，预燃级燃油16流量所占比例约为30-50％，主燃级燃油11流量所占比例约为50％-70％。此时，主燃级弱旋流液雾在预膜雾化作用下得到充分雾化后与预燃级强旋流液雾混合，形成单一火焰12。
综上，本实施例的燃烧室头部2以及设置有该燃烧室头部2的燃气涡轮发动机具有如下优势：
1、通过在主燃级设置强旋流的主燃级第一旋流器9，在主燃级空气流道8中形成强剪切流动，提高主燃级燃油11撞击主燃级第二旋流器10叶片形成的预膜雾化效果。通过设置主燃级第二旋流器10，可根据燃烧室火焰筒4实际燃烧情况与火焰筒4几何特征进行中等旋流强度或弱旋流强度设计，实现更加灵活的燃烧室火焰12温度均匀分布，降低NOx，抑制振荡燃烧。2、通过预燃级燃油喷嘴14和主燃级燃油喷孔17的组合，大部分空气通过主燃级空气流道8进入燃烧室头部2，通过在主燃级第二旋流器10设置中、弱旋流(旋流数小于0.7)，预燃级旋流器5设置强旋流(旋流数大于0.8)，形成单一的燃烧火焰12，实现更加均匀的火焰12温度，降低NOx排放，提高燃烧稳定性。同时，燃烧室头部2内的流场不随工况变化而发生大的改变，可提高燃烧室头部2对不同发动机推力的适应性，实现宽工况下的稳定燃烧。
3、通过在主燃级第二旋流器10处采取主燃级燃油11的预膜雾化形式，实现良好的燃油雾化效果，提高燃烧室头部2的温度分布均匀性，降低NOx。并且可在中低工况下借助空气剪切力增强空气雾化效果，实现更宽工况的主燃级开启策略。结合主燃级第一旋流器9在主燃级出口形成可控的油气分布区间，易于调节燃烧室头部2出口温度分布并抑制振荡燃烧的产生。
4、通过在预燃级空气流道15设置预燃级渐缩渐扩喷管6，加速了空气通过时的流动速度，提高了预燃级内空气和燃油的雾化效果，实现减少NOx排放的目的。同时，预燃级仅在点火工况时适当提高油气比，其余状态可保持恒定供油，预燃级燃油16的控制策略简单。
5、该燃烧室头部2通过在主燃级第一旋流器9设置为径向旋流器、主燃级第二旋流器10设置为轴向旋流器，使得主燃级结构更加紧凑，流动损失更小，并可防止燃油与空气形成的混合物在燃烧室火焰筒4发生振荡燃烧时的燃气回流。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，其特征在于，包括预燃级和主燃级；
所述的预燃级设置于燃烧室头部(2)中心，所述的主燃级环绕于预燃级设置；
所述的预燃级包括预燃级燃油管(13)和预燃级空气流道(15)；所述的预燃级燃油管(13)设置于燃烧室头部(2)的中心，预燃级燃油管(13)的端部设有预燃级燃油喷嘴(14)；所述的预燃级空气流道(15)环绕于预燃级燃油管(13)设置，预燃级空气流道(15)内设有用于形成强旋流的预燃级旋流器(5)；
所述的主燃级包括主燃级燃油管(7)和主燃级空气流道(8)；所述的主燃级空气流道(8)内依次设有用于形成强旋流的主燃级第一旋流器(9)和用于形成弱旋流的主燃级第二旋流器(10)；所述的主燃级燃油管(7)连接有主燃级燃油喷孔(17)，所述的主燃级燃油喷孔(17)朝向主燃级第二旋流器(10)设置。
2.根据权利要求1所述的一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，其特征在于，所述的预燃级空气流道(15)的端部设有预燃级渐缩渐扩喷管(6)，所述的预燃级燃油喷嘴(14)位于预燃级渐缩渐扩喷管(6)的收缩段末端，且预燃级燃油喷嘴(14)朝向扩张段设置。
3.根据权利要求1所述的一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，其特征在于，所述的预燃级燃油喷嘴(14)为离心式喷嘴。
4.根据权利要求1所述的一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，其特征在于，所述的弱旋流的旋流数小于0.7，所述的强旋流的旋流数大于0.8。
5.根据权利要求1所述的一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，其特征在于，所述的预燃级的燃油流量为总燃油流量的10-50％，所述的主燃级的燃油流量为总燃油流量的50-90％。
6.根据权利要求1所述的一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，其特征在于，所述的主燃级的空气流量为总空气流量的80-95％。
7.根据权利要求1所述的一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，其特征在于，所述的主燃级空气流道(8)为L型结构，所述的主燃级第一旋流器(9)设置于主燃级空气流道(8)的转折处。
8.根据权利要求7所述的一种中心分级燃油喷射燃烧室头部，其特征在于，所述的主燃级第一旋流器(9)相对于燃烧室头部呈径向设置，所述的主燃级第二旋流器(10)相对于燃烧室头部呈轴向设置。
9.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括燃油总管(1)、火焰筒(4)以及如权利要求1-8任一所述的燃烧室头部(2)；
所述的燃油总管(1)与预燃级燃油管(13)和主燃级燃油管(7)相连通；
所述的火焰筒(4)与预燃级空气流道(15)和主燃级空气流道(8)相连通。
10.根据权利要求9所述的一种燃气涡轮发动机，其特征在于，所述的火焰筒(4)靠近头部的内部设有挡板，所述的燃烧室头部(2)设置于挡板朝向火焰筒(4)头部一侧的壁面上。
Priority Applications (1)
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| CN202311418942.7A CN117329546A (zh) | 2023-10-30 | 2023-10-30 | 一种中心分级燃油喷射燃烧室头部及一种燃气涡轮发动机 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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2023
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