專利名稱：對(duì)沖火焰燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用對(duì)沖火焰燃燒組織方式的航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，采用該對(duì)沖
火焰燃燒組織方式的燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在保證燃燒室高效穩(wěn)定工作的同時(shí)，能夠降低燃燒 的污染排放。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的基本性能和結(jié)構(gòu)分布已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，但是對(duì)于 現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室來(lái)說(shuō)，仍在存在大量的難題和挑戰(zhàn)，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新概念 的發(fā)展應(yīng)用才是保證其持續(xù)進(jìn)步的源泉。 現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要發(fā)展趨勢(shì)是低污染燃燒。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室必須 滿足日益嚴(yán)格的航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放標(biāo)準(zhǔn)。目前采用的CAEP4(Committee on Aviation EnvironmentalProtection)標(biāo)準(zhǔn)的要求已經(jīng)非常嚴(yán)格，特別是對(duì)N0x污染排放要求，而隨 著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，以后的要求將更為嚴(yán)格。 美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)著名公司GE和PW對(duì)低污染燃燒室已經(jīng)著手研究，GE首先 研發(fā)了雙環(huán)腔低污染燃燒DAC(用于GE90和CFM56) ， PW公司采用了類RQL(富油燃燒-快 熄-貧油燃燒，Rich burn-Quench-Lean burn，簡(jiǎn)稱RQL)低污染燃燒室TALON II (用 于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃燒室方面，GE公司采用LDM(Lean Direct MixingCombustion,貧油直接混合燃燒室)技術(shù)為其GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)研制的TAPS (Twin An皿larPremixing Swirler)低污染燃燒室。該燃燒室已經(jīng)進(jìn)入整機(jī)驗(yàn)證階段，即將取證， 在臺(tái)架全環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證中，N0x污染排放比CAEP2排放標(biāo)準(zhǔn)降低了 50%。 PW公司繼續(xù)采用RQL 方式提出了降低N0x污染排放的低污染燃燒室為TALON X，采用的頭部形式是PW公司發(fā)展 的空氣霧化噴嘴，燃燒室為單環(huán)腔，在V2500發(fā)動(dòng)機(jī)扇型試驗(yàn)段上的試驗(yàn)結(jié)果比CAEP2標(biāo)準(zhǔn) 降低了 50%。 Rolls-Royce公司采用L匿技術(shù)發(fā)展的低污染燃燒室是ANTLE，該燃燒室是一 個(gè)單環(huán)腔分級(jí)燃燒室，其N0x污染排放比CAEP2標(biāo)準(zhǔn)降低了 50 % ，用于其新一代發(fā)動(dòng)機(jī)湍達(dá) 1000。 而不管是何種先進(jìn)的低污染燃燒室，其關(guān)鍵技術(shù)就是降低N0X(氮氧化物)、C0( — 氧化碳)、UHC(未燃碳?xì)浠衔?和冒煙的燃燒技術(shù)，核心問(wèn)題是降低燃燒區(qū)的溫度、同時(shí) 使燃燒區(qū)溫度場(chǎng)均勻，即整體和局部的當(dāng)量比控制，而主燃區(qū)當(dāng)量比的均勻性又主要取決 于燃油霧化和油氣摻混的均勻性。 本發(fā)明是針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低污染燃燒的新方法。根據(jù)N0X與CO產(chǎn)生的機(jī)理及試 驗(yàn)結(jié)果可知燃燒室的主燃區(qū)當(dāng)量比在0. 6 0. 8范圍內(nèi)產(chǎn)生的N0X與C0(UHC和CO的排 放規(guī)律類似)很少?；诖嗽?，要兼顧NOx與CO、UHC的排放量都處于低值范圍，應(yīng)考慮 兩個(gè)因素其一是主燃區(qū)的平均當(dāng)量比，其二是主燃區(qū)平均當(dāng)量比的均勻性，并且在所有航 空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況下都應(yīng)如此。而主燃區(qū)當(dāng)量比的均勻性又主要取決于燃油霧化和油氣 摻混的均勻性。這主要取決于兩方面一是燃油顆粒直徑分布的均勻性，即SMD的分布均勻 性；二則是燃油油霧濃度分布的均勻性。從燃燒方式講，應(yīng)采用均勻的預(yù)混燃燒，達(dá)到主燃區(qū)當(dāng)量比均勻性要求以降低污染排放。 目前的常規(guī)燃燒方式無(wú)法降低NOpCO和UHC。原因是目前燃燒室的設(shè)計(jì)方法所決 定的。對(duì)于常規(guī)燃燒室來(lái)說(shuō)，在高功率狀態(tài)時(shí)，由于采用液霧擴(kuò)散燃燒方式，燃燒區(qū)局部當(dāng) 量比總是在1附近，遠(yuǎn)超過(guò)上述低污染燃燒所需當(dāng)量比范圍要求，此時(shí)雖然CO和UHC的排 放低，但N0x的排放達(dá)到最大。在低功率狀態(tài)時(shí)，燃燒區(qū)當(dāng)量比又很低，遠(yuǎn)低于上述低污染 燃燒所需當(dāng)量比區(qū)間，此時(shí)雖然N0x排放低，但CO和UHC排放又很高。另外，由于常規(guī)燃燒 室普遍采用擴(kuò)散燃燒方式，局部當(dāng)量比非常不均勻，因此對(duì)于常規(guī)燃燒室來(lái)說(shuō)，無(wú)法滿足在 整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)的低污染要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用對(duì)沖火焰燃燒組織
方式的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，該燃燒室在滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件下，能有效的降低航空
發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒的污染排放，包括NOx、冒煙、CO及UHC，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案對(duì)沖火焰燃燒室燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級(jí)燃燒的
概念設(shè)計(jì)，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)供入，預(yù)燃級(jí)采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒
組織方式，主燃級(jí)采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)結(jié)合對(duì)沖火焰燃燒組織方式，冷卻氣和摻混氣從火焰筒
供入。對(duì)沖火焰燃燒室主要由分流式擴(kuò)壓器、燃燒室外機(jī)匣、燃燒室內(nèi)機(jī)匣、燃油噴嘴、頭
部預(yù)燃級(jí)、火焰筒外壁主燃級(jí)、火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)、火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁組成。頭部預(yù)
燃級(jí)包括預(yù)燃級(jí)旋流器組件、預(yù)燃級(jí)噴嘴和預(yù)燃級(jí)頭部端壁，頭部預(yù)燃級(jí)利用由預(yù)燃級(jí)旋
流器組件進(jìn)入燃燒室的旋流空氣產(chǎn)生的低速回流區(qū)穩(wěn)定火焰，預(yù)燃級(jí)旋流器組件通過(guò)預(yù)燃
級(jí)頭部端壁與火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁相連接，預(yù)燃級(jí)噴嘴位于預(yù)燃級(jí)旋流器組件內(nèi)，并
與預(yù)燃級(jí)旋流器組件同軸；火焰筒外壁主燃級(jí)和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)共同組成主燃級(jí)，兩者
結(jié)構(gòu)完全相同，火焰筒外壁主燃級(jí)或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)包括主燃級(jí)噴嘴、主燃級(jí)旋流器組
件和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段，主燃級(jí)噴嘴位于主燃級(jí)旋流器組件內(nèi)，并與主燃級(jí)旋流器組件同軸，主
燃級(jí)所需的燃油由主燃級(jí)噴嘴噴出后，在經(jīng)過(guò)主燃級(jí)旋流器組件的氣流作用下霧化形成油
氣混合氣，然后流入預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段，油氣混合氣在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段中蒸發(fā)，并與空氣進(jìn)一步摻
混，在火焰筒外壁主燃級(jí)或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)的出口處形成均勻的油氣混合氣射流，從火
焰筒外壁主燃級(jí)和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)進(jìn)入火焰筒的兩股均勻的油氣混合氣射流在火焰筒
內(nèi)相遇，形成對(duì)沖射流，在頭部預(yù)燃級(jí)火焰的引燃下形成對(duì)沖火焰。預(yù)燃級(jí)噴嘴和主燃級(jí)噴
嘴都連接在燃油噴嘴上，并通過(guò)燃油噴嘴與燃燒室外機(jī)匣相連。 本發(fā)明的原理是一般而言，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室低污染排放的實(shí)現(xiàn)主要就是通過(guò) 兩方面，一是控制整個(gè)燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)域的總體當(dāng)量比范圍；二則是控制燃燒室內(nèi)整個(gè)燃 燒區(qū)域的燃燒均勻性，即當(dāng)量比均勻性，因?yàn)榫植扛挥投鴮?dǎo)致的局部當(dāng)量比過(guò)大也會(huì)大大 增加發(fā)動(dòng)機(jī)的污染排放。根據(jù)上述原理并且考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的工作特點(diǎn)，本發(fā)明 采用分級(jí)燃燒的設(shè)計(jì)思想，使燃燒用氣分別從頭部預(yù)燃級(jí)和對(duì)沖火焰主燃級(jí)供入燃燒室， 并將燃油進(jìn)行分級(jí)供入，控制燃油在燃燒區(qū)內(nèi)的當(dāng)量比在航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)下都在 低污染燃燒區(qū)內(nèi)，從而達(dá)到降低燃燒污染排放物的目的。預(yù)燃級(jí)在慢車等小狀態(tài)下啟動(dòng)，保 持小狀態(tài)時(shí)燃燒區(qū)的當(dāng)量比落在上述低污染燃燒當(dāng)量比區(qū)間內(nèi)，并且使燃燒的穩(wěn)定性好， 容易啟動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在大狀態(tài)時(shí)才啟動(dòng)主燃級(jí)，主燃級(jí)采用對(duì)沖火焰燃燒組織方式，控制燃燒區(qū)的當(dāng)量比在上述低污染燃燒當(dāng)量比區(qū)間。采用上述低污染燃燒室，可確保航空發(fā)
動(dòng)機(jī)燃燒室在所有的工作狀態(tài)下，燃燒區(qū)的當(dāng)量比都控制在低污染燃燒的區(qū)間內(nèi)，同時(shí)可
以通過(guò)控制主燃級(jí)油霧均勻度、混合度和蒸發(fā)度來(lái)控制燃燒區(qū)的當(dāng)量比均勻度，從而達(dá)到
航空發(fā)動(dòng)機(jī)低污染燃燒室污染排放低、穩(wěn)定性好的性能要求。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)如下 (1)本發(fā)明的燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級(jí)燃燒的概念設(shè)計(jì)，燃燒用氣量全部由 預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)供入，冷卻氣和摻混氣從火焰筒供入，增加燃燒室功效的同時(shí)簡(jiǎn)化燃燒室 結(jié)構(gòu)。 (2)本發(fā)明的主燃級(jí)采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)結(jié)合對(duì)沖火焰的燃燒組織方式。預(yù)混預(yù)蒸發(fā) 可以使燃油與空氣混合均勻，形成均勻的油氣混合氣射流。對(duì)沖火焰具有燃燒快速穩(wěn)定的 特點(diǎn)。當(dāng)兩股均勻的油氣混合氣射流對(duì)沖相遇被點(diǎn)燃后形成對(duì)沖火焰，油氣混合氣可以在 極短的時(shí)間內(nèi)燃燒完全。同時(shí)主燃級(jí)對(duì)沖火焰也可以將預(yù)燃級(jí)的擴(kuò)散火焰沒(méi)有完全燃燒的 UHC和C0燃燒干凈，從而降低燃燒室的污染排放。 (3)本發(fā)明的預(yù)燃級(jí)采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒組織方式，主燃級(jí)采用預(yù)混預(yù) 蒸發(fā)結(jié)合對(duì)沖火焰的燃燒組織方式，這種組合燃燒模式可以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在寬廣 的工作范圍內(nèi)高效穩(wěn)定的工作，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)燃燒室低污染排放。


圖1為本發(fā)明的工作示意圖；
圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖3為本發(fā)明的頭部預(yù)燃級(jí)旋流器組件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的頭部預(yù)燃級(jí)旋流器組件結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖5為本發(fā)明的主燃級(jí)旋流器組件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明的主燃級(jí)旋流器組件結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖7為本發(fā)明的具體實(shí)施方案之一單頭部模塊結(jié)構(gòu)示意(m = 1); 圖8為本發(fā)明的具體實(shí)施方案之一擬用的噴嘴示意(m = 1); 圖9為本發(fā)明的具體實(shí)施方案之二單頭部模塊結(jié)構(gòu)示意(m = 2); 圖10為本發(fā)明的具體實(shí)施方案之二擬用的噴嘴示意(m = 2)。 圖中1.燃燒室進(jìn)口氣流，2.分流式擴(kuò)壓器出口氣流，3.燃燒室外環(huán)腔氣流，4.燃
燒室內(nèi)環(huán)腔氣流，5.頭部預(yù)燃級(jí)燃燒區(qū)域，6.對(duì)沖火焰主燃級(jí)燃燒區(qū)域，7.燃燒室出口氣
流，8.分流式擴(kuò)壓器，9.燃燒室外機(jī)匣，IO.燃燒室內(nèi)機(jī)匣，ll.預(yù)燃級(jí)頭部端壁，12.擋濺
盤，13.火焰筒外壁，14.火焰筒內(nèi)壁，15.火焰筒外壁摻混孔，16.火焰筒內(nèi)壁摻混孔，17.燃
油噴嘴，18.預(yù)燃級(jí)旋流器組件，19.主燃級(jí)旋流器組件，20.預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段，21.火焰筒外壁
帽罩，22.火焰筒內(nèi)壁帽罩，23.預(yù)燃級(jí)噴嘴，24.主燃級(jí)噴嘴，25.預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器，26.預(yù)
燃級(jí)一級(jí)旋流器壓板，27.預(yù)燃級(jí)二級(jí)旋流器，28.主燃級(jí)噴嘴安裝座，29.主燃級(jí)旋流器，
30.主燃級(jí)旋流器壓板，31.主燃級(jí)旋流器安裝座，32.火焰筒外壁主燃級(jí)，33.火焰筒內(nèi)壁
主燃級(jí)，34.頭部預(yù)燃級(jí)氣流，35.頭部預(yù)燃級(jí)，36.發(fā)散冷卻孔。
具體實(shí)施例方式
如圖1和圖2所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的對(duì)沖火焰燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級(jí)燃燒的 概念設(shè)計(jì)，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)供入，預(yù)燃級(jí)采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒 組織方式，主燃級(jí)采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)結(jié)合對(duì)沖火焰的燃燒組織方式，冷卻氣和摻混氣從火焰 筒供入。本燃燒室包含兩個(gè)燃燒區(qū)域——頭部預(yù)燃級(jí)燃燒區(qū)域5和對(duì)沖火焰主燃級(jí)燃燒區(qū) 域6，兩個(gè)燃燒區(qū)域共用相同的內(nèi)外邊界，燃燒區(qū)域的外邊界是火焰筒外壁13，燃燒區(qū)域的 內(nèi)邊界是火焰筒內(nèi)壁14，環(huán)形的火焰筒外壁13和火焰筒內(nèi)壁14位于環(huán)形的燃燒室外機(jī)匣 9和燃燒室內(nèi)機(jī)匣10之間。在火焰筒外壁13上安排有火焰筒外壁摻混孔15，在火焰筒內(nèi) 壁14上安排有火焰筒內(nèi)壁摻混孔16，摻混用氣通過(guò)火焰筒外壁摻混孔15和火焰筒內(nèi)壁摻 混孔16進(jìn)入燃燒室，用于調(diào)節(jié)燃燒室出口溫度分布。火焰筒外壁13和火焰筒內(nèi)壁14還安 排有冷卻，冷卻方式可以采用氣膜冷卻、發(fā)散冷卻或復(fù)合冷卻方式，用于冷卻火焰筒壁面， 保證燃燒室的壽命。在具體實(shí)施方案中，火焰筒外壁13和火焰筒內(nèi)壁14冷卻方式采用發(fā)散冷卻， 在火焰筒外壁13和火焰筒內(nèi)壁14開有發(fā)散冷卻孔36，發(fā)散冷卻孔36示意如圖1和圖2所示。
在頭部預(yù)燃級(jí)燃燒區(qū)域5的上游是頭部預(yù)燃級(jí)，頭部預(yù)燃級(jí)包括預(yù)燃級(jí)旋流器組 件18、預(yù)燃級(jí)噴嘴23和預(yù)燃級(jí)頭部端壁11。預(yù)燃級(jí)旋流器組件18通過(guò)預(yù)燃級(jí)頭部端壁 11與火焰筒外壁13和火焰筒內(nèi)壁14相連接。預(yù)燃級(jí)旋流器組件18采用的旋流器的級(jí)數(shù) 1《n《5。每級(jí)旋流器可采用旋流器的結(jié)構(gòu)可以是軸向旋流器，也可以是徑向旋流器，也可 以是切向旋流器。當(dāng)預(yù)燃級(jí)旋流器組件18的級(jí)數(shù)n = 1時(shí)，可采用焊接或螺栓或螺紋的連 接方式將旋流器直接與預(yù)燃級(jí)頭部端壁11連接；當(dāng)預(yù)燃級(jí)旋流器組件18的級(jí)數(shù)1 < n《5 時(shí)，在保證各級(jí)旋流器同軸的同時(shí)，采用焊接或螺栓或螺紋的連接方式將各級(jí)旋流器先連 接成一個(gè)整體，組成預(yù)燃級(jí)旋流器組件18后再與預(yù)燃級(jí)頭部端壁11連接。在具體實(shí)施方 案中，以預(yù)燃級(jí)旋流器組件18采用二級(jí)旋流器方案為例，如圖3和圖4所示，預(yù)燃級(jí)旋流器 組件18包括預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器25、預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器壓板26和預(yù)燃級(jí)二級(jí)旋流器27。安 裝時(shí)，在保證預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器25與預(yù)燃級(jí)二級(jí)旋流器27同軸的同時(shí)，采用焊接或螺栓連 接的方式，使預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器壓板26與預(yù)燃級(jí)二級(jí)旋流器27連接在一起，并且將預(yù)燃級(jí) 一級(jí)旋流器25夾在預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器壓板26與預(yù)燃級(jí)二級(jí)旋流器27之間，使三個(gè)部件連 接成為一個(gè)整體組成預(yù)燃級(jí)旋流器組件18 ;然后采用焊接或螺紋或螺栓連接的方式將預(yù) 燃級(jí)旋流器組件18固定到預(yù)燃級(jí)頭部端壁11上；最后將預(yù)燃級(jí)頭部端壁11推入火焰筒外 壁13和火焰筒內(nèi)壁14之間，用螺栓將預(yù)燃級(jí)頭部端壁11與火焰筒外壁13和火焰筒內(nèi)壁 14固定在一起，從而完成頭部預(yù)燃級(jí)的安裝。 對(duì)沖火焰主燃級(jí)燃燒區(qū)域6是對(duì)沖火焰主燃級(jí)燃燒區(qū)域。對(duì)沖火焰主燃級(jí)由火焰 筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33組成?；鹧嫱餐獗谥魅技?jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃 級(jí)33結(jié)構(gòu)相同并且是成對(duì)的，二者相對(duì)于頭部預(yù)燃級(jí)35的中心截面對(duì)稱分布，如圖1和 圖2所示。相對(duì)于一個(gè)頭部預(yù)燃級(jí)35，火焰筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的對(duì) 數(shù)1《m《10?；鹧嫱餐獗谥魅技?jí)32的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20與火焰筒外壁13相連接，且在 火焰筒外壁13上均布；火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20與火焰筒內(nèi)壁14相連接， 且在火焰筒內(nèi)壁14上均布。每對(duì)火焰筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的出口平 面的中心線位于同一直線上。火焰筒外壁主燃級(jí)32或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33包括主燃級(jí)噴 嘴24、主燃級(jí)旋流器組件19和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20。主燃級(jí)旋流器組件19采用的旋流器的級(jí)
7數(shù)1《p《5，與預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20連接后組成火焰筒外壁主燃級(jí)32或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí) 33。每級(jí)旋流器可采用旋流器的結(jié)構(gòu)可以是軸向旋流器，也可以是徑向旋流器，也可以是切 向旋流器。當(dāng)主燃級(jí)旋流器組件19的級(jí)數(shù)n = 1時(shí)，可采用焊接或螺栓或螺紋的連接方式 將旋流器直接與預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20連接；當(dāng)主燃級(jí)旋流器組件19的級(jí)數(shù)1 < p《5時(shí)，在 保證各級(jí)旋流器同軸的同時(shí)，采用焊接或螺栓或螺紋的連接方式將各級(jí)旋流器先連接成一 個(gè)整體，各級(jí)旋流器先連接成一個(gè)整體，組成主燃級(jí)旋流器組件19后再與預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20 連接。在具體實(shí)施方案中，以主燃級(jí)旋流器組件19采用一級(jí)旋流器方案為例，如圖5和圖 6所示，主燃級(jí)旋流器組件19包括主燃級(jí)旋流器29、主燃級(jí)旋流器壓板30和主燃級(jí)旋流器 安裝座31。安裝時(shí)，先將預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20焊接在火焰筒外壁13或火焰筒內(nèi)壁14上；在保 證主燃級(jí)旋流器29與主燃級(jí)旋流器安裝座30同軸的同時(shí)，采用焊接或螺栓連接的方式，將 主燃級(jí)旋流器壓板30與主燃級(jí)旋流器安裝座31連接在一起，并且將主燃級(jí)旋流器29夾在 主燃級(jí)旋流器壓板30與主燃級(jí)旋流器安裝座31之間，使三個(gè)部件連接成為一個(gè)整體組成 主燃級(jí)旋流器組件19 ;然后利用螺紋或螺栓連接方式將主燃級(jí)旋流器組件19與焊接在火 焰筒外壁13或火焰筒內(nèi)壁14上的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20連接在一起，從而完成火焰筒外壁主燃 級(jí)32或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的安裝。 如圖1和圖2所示，預(yù)燃級(jí)噴嘴23和主燃級(jí)噴嘴24作為一個(gè)整體，組合成燃油噴 嘴17，在完成頭部預(yù)燃級(jí)和對(duì)沖火焰主燃級(jí)的安裝后，從燃燒室外機(jī)匣9的開口處伸入燃 燒室，插入對(duì)應(yīng)旋流器組件中心位置，從而完成燃燒室的安裝。預(yù)燃級(jí)噴嘴23和主燃級(jí)噴 嘴24可以是壓力霧化噴嘴，也可以是氣動(dòng)霧化噴嘴，也可以是組合式噴嘴。預(yù)燃級(jí)噴嘴23 與預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器25相對(duì)應(yīng)，并且預(yù)燃級(jí)噴嘴23的軸線與預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器25的軸線 相重合。主燃級(jí)噴嘴24的個(gè)數(shù)與采用的主燃級(jí)旋流器29的個(gè)數(shù)相同，每個(gè)主燃級(jí)噴嘴24 對(duì)應(yīng)于一個(gè)主燃級(jí)旋流器29，且主燃級(jí)噴嘴24的軸線與主燃級(jí)旋流器29的軸線相重合。
燃燒室進(jìn)口氣流1進(jìn)入燃燒室后，經(jīng)過(guò)分流式擴(kuò)壓器8的減速擴(kuò)壓后形成分流式 擴(kuò)壓器出口氣流2。分流式擴(kuò)壓器出口氣流2分為三股頭部預(yù)燃級(jí)氣流34、和燃燒室內(nèi)環(huán) 腔氣流4，以滿足燃燒室各部分對(duì)空氣流量的需求，合理組織燃燒室內(nèi)流場(chǎng)，便于高效穩(wěn)定 的組織燃燒。 頭部預(yù)燃級(jí)氣流34占全部燃燒氣量的10% 40%，全部由頭部預(yù)燃級(jí)35供入燃 燒室，除了 5% 15%的頭部預(yù)燃級(jí)氣流34被用于預(yù)燃級(jí)頭部端壁11的冷卻外，其余全部 由預(yù)燃級(jí)旋流器組件18供入，用于預(yù)燃級(jí)燃油的霧化和燃燒。頭部預(yù)燃級(jí)35所需燃油經(jīng) 預(yù)燃級(jí)噴嘴23噴出后，被來(lái)自預(yù)燃級(jí)旋流器組件18的空氣旋流剪切破碎，形成油霧，然后 進(jìn)入由預(yù)燃級(jí)旋流器組件18的空氣旋流形成的低速回流區(qū)——預(yù)燃級(jí)燃燒區(qū)域5形成擴(kuò) 散燃燒。預(yù)燃級(jí)噴嘴23可以是壓力霧化噴嘴，也可以是氣動(dòng)霧化噴嘴，也可以是組合式噴 嘴，預(yù)燃級(jí)噴嘴23的選擇依靠燃油在預(yù)燃級(jí)噴嘴23結(jié)合來(lái)自預(yù)燃級(jí)旋流器組件18的空氣 旋流的共同作用下的霧化和散布效果決定霧化和散布效果越好，油霧分布越均勻，越利于 在預(yù)燃級(jí)燃燒區(qū)域5內(nèi)組織高效穩(wěn)定低污染的燃燒。 燃燒室外環(huán)腔氣流3包括火焰筒外壁主燃級(jí)32所需用氣，火焰筒外壁13的冷卻 用氣和火焰筒外壁摻混孔15的摻混用氣。燃燒室內(nèi)環(huán)腔氣流4包括火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33 所需用氣，火焰筒內(nèi)壁14的冷卻用氣和火焰筒內(nèi)壁摻混孔16的摻混用氣。為保證火焰筒 外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的進(jìn)氣量基本相同，在設(shè)計(jì)時(shí)保持燃燒室外環(huán)腔氣流3的流量與燃燒室內(nèi)環(huán)腔氣流4的流量基本相同，并保持火焰筒內(nèi)、外壁面的冷卻和摻混 用氣的流量基本相同。其中火焰筒外壁主燃級(jí)32或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33所需用氣占全部 燃燒用氣量的30% 45%，火焰筒外壁13或火焰筒內(nèi)壁14的冷卻氣占燃燒室進(jìn)口氣流1 的5% 20%，火焰筒外壁摻混孔15或火焰筒內(nèi)壁摻混孔16的摻混用氣占燃燒室進(jìn)口氣 流1的5% 20%。 火焰筒外壁主燃級(jí)32或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33包括主燃級(jí)噴嘴24、主燃級(jí)旋流器 組件19和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20 ;主燃級(jí)所需的燃油由主燃級(jí)噴嘴24噴出后，在經(jīng)過(guò)主燃級(jí)旋 流器組件19的氣流作用下霧化形成油氣混氣，然后流入預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20，霧化后的油氣混 氣在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20中進(jìn)一步霧化和散布，在火焰筒外壁主燃級(jí)32或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí) 33的出口處形成均勻的油氣混合氣射流，從火焰筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33 進(jìn)入火焰筒的兩股均勻的油氣混合氣射流在火焰筒內(nèi)相遇，形成對(duì)沖射流。因?yàn)槭且詢晒?流量和流速都基本相同的均勻油氣混合氣射流形成的對(duì)沖射流，此時(shí)在頭部預(yù)燃級(jí)火焰的 引燃下將油氣混合氣點(diǎn)燃，在對(duì)沖射流的相撞截面會(huì)形成兩個(gè)駐定的平面火焰，這兩個(gè)駐 定的平面火焰具有良好的穩(wěn)定性。主燃級(jí)噴嘴24可以是壓力霧化噴嘴，也可以是氣動(dòng)霧化 噴嘴，也可以是組合式噴嘴，主燃級(jí)噴嘴24的選擇依靠燃油在主燃級(jí)噴嘴24、來(lái)自主燃級(jí) 旋流器組件19的霧化空氣和來(lái)自預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段20的霧化摻混氣流的共同作用下，在預(yù)混 預(yù)蒸發(fā)段20出口形成的油氣混合氣的均勻程度決定形成的油氣混合氣越均勻，越利于在 對(duì)沖火焰主燃級(jí)燃燒區(qū)域6內(nèi)組織快速高效穩(wěn)定低污染的燃燒。 相對(duì)于一個(gè)頭部預(yù)燃級(jí)35，火焰筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的對(duì)數(shù) 1《m《10。在具體實(shí)施方案中以m二 1和m = 2為例，如圖7、8、9和IO所示。圖7為火 焰筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的對(duì)數(shù)m = 1時(shí)火焰筒結(jié)構(gòu)示意，圖8為此時(shí) 采用的燃油噴嘴17的結(jié)構(gòu)示意。圖9為火焰筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的 對(duì)數(shù)m = 2時(shí)火焰筒結(jié)構(gòu)示意，圖10為此時(shí)采用的燃油噴嘴17的結(jié)構(gòu)示意。如圖7所示， 當(dāng)m = 1時(shí)，火焰筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33的中心截面與頭部預(yù)燃級(jí)35的 中心截面位于同一平面內(nèi)，此時(shí)采用的燃油噴嘴17如圖8所示，預(yù)燃級(jí)噴嘴23和主燃級(jí)噴 嘴24分別與預(yù)燃級(jí)一級(jí)旋流器25和主燃級(jí)旋流器29 —一相對(duì)。如圖9所示，當(dāng)m = 2時(shí)， 火焰筒外壁主燃級(jí)32和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)33沿頭部預(yù)燃級(jí)35的中心截面對(duì)稱布置在火 焰筒上，此時(shí)采用的燃油噴嘴17如圖10所示，預(yù)燃級(jí)噴嘴23和主燃級(jí)噴嘴24分別與預(yù)燃 級(jí)一級(jí)旋流器25和主燃級(jí)旋流器29 —一相對(duì)。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低功率狀態(tài)時(shí)，燃燒 室只有頭部預(yù)燃級(jí)35供油，對(duì)沖火焰主燃級(jí)此時(shí)相當(dāng)于常規(guī)燃燒室的中心主燃孔只有空 氣經(jīng)過(guò)而不供油，控制此時(shí)的油氣比在貧油范圍，在頭部預(yù)燃級(jí)燃燒區(qū)5內(nèi)形成擴(kuò)散燃燒， 從而保證了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室可靠的穩(wěn)定性和起動(dòng)特性，并降低CO和UHC污染排放。當(dāng)航空發(fā) 動(dòng)機(jī)工作在高功率狀態(tài)時(shí)，頭部預(yù)燃級(jí)35和對(duì)沖火焰主燃級(jí)同時(shí)供油，頭部預(yù)燃級(jí)35在頭 部預(yù)燃級(jí)燃燒區(qū)5內(nèi)形成擴(kuò)散燃燒，對(duì)沖火焰主燃級(jí)在頭部預(yù)燃級(jí)下游形成對(duì)沖火焰主燃 級(jí)燃燒區(qū)域6。對(duì)沖火焰形成的兩個(gè)駐定的平面火焰具有良好的穩(wěn)定性， 一方面可以將主燃 級(jí)的油氣混氣快速的較好的燃燒干凈減少N0x的生成，另一方面可以將預(yù)燃級(jí)未燒完的CO 和UHC燃燒干凈。由此可見對(duì)沖火焰燃燒室在航空發(fā)動(dòng)機(jī)寬廣的工作范圍內(nèi)在保證高效穩(wěn) 定燃燒的同時(shí)能有效的降低燃燒室的污染排放，在摻混孔氣流的輔助下也可以獲得較好的 出口溫度分布性能。
權(quán)利要求
對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級(jí)燃燒方式，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)供入，預(yù)燃級(jí)采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰燃燒組織方式，主燃級(jí)采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)結(jié)合對(duì)沖火焰的燃燒組織方式，冷卻氣和摻混氣從火焰筒供入，所述對(duì)沖火焰燃燒室主要由分流式擴(kuò)壓器(8)、燃燒室外機(jī)匣(9)、燃燒室內(nèi)機(jī)匣(10)、燃油噴嘴(17)、頭部預(yù)燃級(jí)(35)、火焰筒外壁主燃級(jí)(32)、火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)、火焰筒外壁(13)和火焰筒內(nèi)壁(14)組成；頭部預(yù)燃級(jí)(35)包括預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18)、預(yù)燃級(jí)噴嘴(23)和預(yù)燃級(jí)頭部端壁(11)，頭部預(yù)燃級(jí)(35)利用由預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18)進(jìn)入燃燒室的旋流空氣產(chǎn)生的低速回流區(qū)穩(wěn)定火焰，預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18)通過(guò)預(yù)燃級(jí)頭部端壁(11)與火焰筒外壁(13)和火焰筒內(nèi)壁(14)相連接，預(yù)燃級(jí)噴嘴(23)位于預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18)內(nèi)，并與預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18)同軸；火焰筒外壁主燃級(jí)(32)和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)共同組成主燃級(jí)，兩者結(jié)構(gòu)完全相同，火焰筒外壁主燃級(jí)(32)或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)包括主燃級(jí)噴嘴(24)、主燃級(jí)旋流器組件(19)和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(20)，主燃級(jí)噴嘴(24)位于主燃級(jí)旋流器組件(19)內(nèi)，并與主燃級(jí)旋流器組件(19)同軸，主燃級(jí)所需的燃油由主燃級(jí)噴嘴(24)噴出后，在經(jīng)過(guò)主燃級(jí)旋流器組件(19)的氣流作用下霧化形成油氣混合氣，然后流入預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(20)，油氣混合氣在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(20)中蒸發(fā)并與空氣進(jìn)一步摻混，在火焰筒外壁主燃級(jí)(32)或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)的出口處形成均勻的油氣混合氣射流，從火焰筒外壁主燃級(jí)(32)和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)進(jìn)入火焰筒的兩股均勻的油氣混合氣射流在火焰筒內(nèi)相遇，形成對(duì)沖射流，在頭部預(yù)燃級(jí)火焰的引燃下形成對(duì)沖火焰；預(yù)燃級(jí)噴嘴(23)和主燃級(jí)噴嘴(24)均連接在燃油噴嘴(17)上，并通過(guò)燃油噴嘴(17)與燃燒室外機(jī)匣(9)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述頭部預(yù)燃級(jí)(35)的空氣 分配占全部燃燒氣量的10% 40%，火焰筒外壁主燃級(jí)(32)和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)共 同組成的主燃級(jí)的空氣分配占全部燃燒氣量的60% 90%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述的分流式擴(kuò)壓器(8)將 燃燒室進(jìn)口氣流(1)分為三股頭部預(yù)燃級(jí)氣流(34)、燃燒室外環(huán)腔氣流(3)和燃燒室內(nèi) 環(huán)腔氣流(4)，以滿足燃燒室各部分對(duì)空氣流量的需求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述預(yù)燃級(jí)噴嘴(23)和主燃 級(jí)噴嘴(24)為壓力霧化噴嘴、氣動(dòng)霧化噴嘴或組合式噴嘴。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18) 采用的旋流器的級(jí)數(shù)1《n《5 ;每級(jí)旋流器采用旋流器的結(jié)構(gòu)是軸向旋流器，或是徑向旋 流器，或是切向旋流器；當(dāng)預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18)的級(jí)數(shù)n = 1時(shí)，旋流器直接與預(yù)燃級(jí)頭 部端壁(11)連接；當(dāng)預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18)的級(jí)數(shù)1 < n《5時(shí)，各級(jí)旋流器先連接成一 個(gè)整體，組成預(yù)燃級(jí)旋流器組件(18)后再與預(yù)燃級(jí)頭部端壁(11)連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述火焰筒外壁主燃級(jí)(32) 和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)是成對(duì)出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)于一個(gè)頭部預(yù)燃級(jí)(35)，火焰筒外壁主燃級(jí) (32)和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)的對(duì)數(shù)l《m《10 ;火焰筒外壁主燃級(jí)(32)的預(yù)混預(yù)蒸發(fā) 段(20)與火焰筒外壁(13)相連接，且在火焰筒外壁(13)上均布；火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33) 的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(20)與火焰筒內(nèi)壁(14)相連接，且在火焰筒內(nèi)壁(14)上均布；每對(duì)火焰 筒外壁主燃級(jí)(32)和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)的出口平面的中心線位于同一直線上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述主燃級(jí)旋流器組件(19)采用的旋流器的級(jí)數(shù)1《p《5，與預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(20)連接后組成火焰筒外壁主燃級(jí) (32)或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33);每級(jí)旋流器可采用旋流器的結(jié)構(gòu)是軸向旋流器，或是徑向 旋流器，或是切向旋流器；當(dāng)主燃級(jí)旋流器組件(19)的級(jí)數(shù)n = 1時(shí)，旋流器直接與預(yù)混預(yù) 蒸發(fā)段(20)連接；當(dāng)主燃級(jí)旋流器組件(19)的級(jí)數(shù)1 < p《5時(shí)，各級(jí)旋流器先連接成一 個(gè)整體，組成主燃級(jí)旋流器組件(19)后再與預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(20)連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或6或7或8所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述的主燃級(jí) 噴嘴(24)的霧化氣液比的范圍為3 ll，主燃級(jí)噴嘴(24)供入的燃油霧化所需空氣全部 由主燃級(jí)旋流器組件(19)供入，火焰筒外壁主燃級(jí)(32)或火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)(33)的剩余 氣量由預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段(20)供入，用于霧化后的燃油的蒸發(fā)和摻混。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于所述燃燒室的火焰筒外壁 (13)和火焰筒內(nèi)壁(14)的冷卻方式采用氣膜冷卻、發(fā)散冷卻或復(fù)合冷卻方式，以對(duì)壁面溫 度進(jìn)行控制延長(zhǎng)火焰筒的壽命。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的對(duì)沖火焰燃燒室，其特征在于在所述的火焰筒外壁(13) 后部設(shè)置有火焰筒外壁摻混孔(15)，在所述的火焰筒內(nèi)壁(14)后部設(shè)置有火焰筒內(nèi)壁摻 混孔(16)，摻混用氣分別火焰筒外壁摻混孔(15)和火焰筒內(nèi)壁摻混孔(16)進(jìn)入火焰筒，以 控制燃燒室出口溫度分布。
全文摘要
一種對(duì)沖火焰燃燒室，燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用分級(jí)燃燒的概念設(shè)計(jì)，燃燒用氣量全部由預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)供入，預(yù)燃級(jí)采用旋流穩(wěn)定的擴(kuò)散燃燒組織方式，主燃級(jí)采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)結(jié)合對(duì)沖火焰的燃燒組織方式。燃燒室主要由分流式擴(kuò)壓器、燃燒室外機(jī)匣、燃燒室內(nèi)機(jī)匣、燃油噴嘴、頭部預(yù)燃級(jí)、火焰筒外壁主燃級(jí)、火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)、火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁組成。頭部預(yù)燃級(jí)利用由預(yù)燃級(jí)旋流器組件進(jìn)入燃燒室的旋流空氣產(chǎn)生的低速回流區(qū)穩(wěn)定火焰；主燃級(jí)分為火焰筒外壁主燃級(jí)和火焰筒內(nèi)壁主燃級(jí)，由主燃級(jí)射入的均勻的油氣混合氣在火焰筒內(nèi)相沖，從而形成對(duì)沖射流，在預(yù)燃級(jí)火焰的引燃下形成對(duì)沖火焰。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)的同時(shí)能有效的降低污染排放。
文檔編號(hào)F23R3/04GK101694301SQ20091009315
公開日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者劉高恩, 張弛, 林宇震, 林陽(yáng), 許全宏 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué);