本實(shí)用新型涉及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

背景技術(shù)：

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，但是仍然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)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要發(fā)展趨勢是低污染燃燒。民用航空發(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CAEP6(Committee on Aviation Environmental Protection)標(biāo)準(zhǔn)對污染排放物的規(guī)定已經(jīng)非常嚴(yán)格，特別是對NOx(氮氧化物)污染物的排放要求,而最新的CAEP8標(biāo)準(zhǔn)提出了將NOx的排放在CAEP6的排放標(biāo)準(zhǔn)上降低15％。隨著航空業(yè)的迅猛發(fā)展和人們環(huán)保意識的不斷提高，未來對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室污染排放會提出更高的要求。

美國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)著名公司GE和PW早已著手研究低污染燃燒室。GE首先研發(fā)了雙環(huán)腔低污染燃燒室DAC(用于GE90和CFM56)，PW公司采用了RQL(富油燃燒-淬熄-貧油燃燒，Rich burn-Quench-Lean burn，簡稱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 Mixing Combustion，貧油直接混合燃燒)技術(shù)為其GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)研制了TAPS(Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃燒室,該燃燒室在臺架全環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證中，NOx污染排放比CAEP2排放標(biāo)準(zhǔn)降低了50％。GE公司申請了多項(xiàng)美國專利：申請?zhí)?363726、6389815、6354072、6418726、0178732、6381964和6389815，所有這些專利文獻(xiàn)都是預(yù)燃級采用擴(kuò)散燃燒、主燃級采用預(yù)混燃燒的燃燒組織方式，目的是降低污染指數(shù)最大的大工況下的NOx排放。PW公司繼續(xù)采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃燒室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LDM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)腔分級燃燒室，其NOx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。

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NOx、CO(一氧化碳)、UHC(未燃碳?xì)浠衔?和冒煙的燃燒技術(shù)，核心問題是降低燃燒區(qū)的溫度，同時(shí)使燃燒區(qū)溫度場均勻，即控制整體和局部的當(dāng)量比，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。

目前的常規(guī)燃燒室無法降低NOx、CO和UHC排放，這是由于目前燃燒室的設(shè)計(jì)方案所導(dǎo)致的。對于常規(guī)燃燒室來說，在大狀態(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NOx的排放達(dá)到最大；在小狀態(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NOx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)量比不均勻，因此對于常規(guī)燃燒室來說，無法滿足在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)的低污染要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，本實(shí)用新型運(yùn)用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒技術(shù)，提供了一種主燃級采用單層預(yù)膜徑向兩級反向旋流的低污染燃燒室。

本實(shí)用新型燃燒室采用分級燃燒的模式，預(yù)燃級在中心，采用擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒相結(jié)合的方式，在保證燃燒室穩(wěn)定燃燒的同時(shí)，降低小工況下的污染排放；主燃級在預(yù)燃級外圍，采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒的方式，主要用于降低大工況下的污染排放，從而降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)LTO循環(huán)的污染排放。

本實(shí)用新型是針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)低污染燃燒的新方法。根據(jù)NOx與CO產(chǎn)生的機(jī)理及試驗(yàn)結(jié)果可知：燃燒室主燃區(qū)的當(dāng)量比在0.6～0.8范圍內(nèi)產(chǎn)生的NOx與CO(UHC和CO的排放規(guī)律類似)很少。基于此原理，要兼顧NOx與CO、UHC的排放量都處于低值范圍，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，并且在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的所有工作情況下都應(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。

據(jù)此，一種主燃級采用單層預(yù)膜徑向兩級反向旋流的低污染燃燒室，該低污染燃燒室采用單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，由燃燒室外機(jī)匣和燃燒室內(nèi)機(jī)匣構(gòu)成燃燒室外輪廓，外界空氣通過擴(kuò)壓器進(jìn)入；火焰筒外壁、火焰筒內(nèi)壁和燃燒室頭部組成燃燒區(qū)域，燃燒用空氣全部由燃燒室頭部進(jìn)入火焰筒，摻混空氣由火焰筒外壁上的摻混孔射入；采用中心分級燃燒方案，分為預(yù)燃級和主燃級，燃油噴嘴供給燃燒室所有燃油，主燃級通過頭部整體端壁與火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁固定，預(yù)燃級則通過級間段與主燃級聯(lián)接，并與主燃級同心；所述主燃級由主燃級內(nèi)旋流器、主燃級外旋流器、主燃級預(yù)膜板、頭部整體端壁及頭部整體導(dǎo)流片組成；主燃級燃油通過主燃級燃油管路進(jìn)入主燃級燃油集油腔，隨后進(jìn)入主燃級燃油輸油孔，通過主燃級燃油噴孔噴入主燃級預(yù)膜板內(nèi)通道，部分燃油形成主燃級直噴油霧，部分燃油打到預(yù)膜板上形成均勻油膜，在主燃級預(yù)膜板內(nèi)通道和預(yù)膜板外通道的兩股反向旋流剪切作用下破碎霧化形成主燃級氣動(dòng)霧化油霧，兩股油霧進(jìn)一步與空氣發(fā)生摻混形成較均勻的油氣混合物，均勻的油氣混合物進(jìn)入火焰筒進(jìn)行預(yù)混燃燒。

進(jìn)一步的，所述預(yù)燃級采用的旋流器的級數(shù)為1≤n≤5；每級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)燃級的級數(shù)n＝1時(shí)，旋流器直接與級間段連接；當(dāng)預(yù)燃級的級數(shù)1<n≤5時(shí)，各級旋流器先連接成一個(gè)整體，再與燃級頭部端壁連接。

進(jìn)一步的，所述的主燃級采用兩級反向旋流器結(jié)構(gòu)，每級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，兩級旋流器徑向布置，大大增強(qiáng)了油氣摻混均勻性。

進(jìn)一步的，所述的主燃級燃油采用周向離散橫噴，部分燃油形成主燃級直噴油霧，部分燃油打在主燃級預(yù)膜板上形成油膜，增加了周向均勻性，在主燃級預(yù)膜板內(nèi)通道和預(yù)膜板外通道反向旋流剪切作用下破碎霧化形成主燃級氣動(dòng)霧化油霧。

進(jìn)一步的，所述主燃級預(yù)膜板中心剖面的內(nèi)側(cè)型線包括但不限于直線、曲線或多段線。

進(jìn)一步的，所述的主燃級燃油噴孔開口的幾何形狀是圓形或矩形或橢圓形，噴孔軸線在噴孔開口所在平面上的投影與頭部軸線方向的夾角為0°～60°，噴孔軸線在過噴孔開口中心的頭部中軸面上的投影與頭部軸線方向的夾角為20°～90°。

進(jìn)一步的，所述的燃油噴嘴供應(yīng)燃燒室所需的全部燃油，主燃級燃油占總?cè)加土康谋壤秊?0％～90％。

進(jìn)一步的，所述的燃燒室頭部沿周向均勻布置，個(gè)數(shù)為10～60個(gè)，燃燒室頭部的空氣量占燃燒室總空氣量的20％～80％，其中主燃級占頭部空氣量的60％～90％，預(yù)燃級占頭部空氣量的10％～40％。

進(jìn)一步的，所述燃燒室的火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁的冷卻方式采用氣膜冷卻、發(fā)散冷卻或復(fù)合冷卻方式，以對壁面溫度進(jìn)行控制延長火焰筒的壽命。

進(jìn)一步的，在所述的火焰筒外壁后部設(shè)置有火焰筒外壁摻混孔，在所述的火焰筒內(nèi)壁后部設(shè)置有火焰筒內(nèi)壁摻混孔，摻混用氣分別從火焰筒外壁摻混孔和火焰筒內(nèi)壁摻混孔進(jìn)入火焰筒，以控制燃燒室出口溫度分布。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)本實(shí)用新型主燃級采用具有型面特征的預(yù)膜板，燃油的周向均勻性更好；徑向布置的兩級旋流器旋流方向相反，反向旋流對油膜的剪切作用更強(qiáng)，對燃油混合擴(kuò)散效果更好，油氣混合更加均勻，預(yù)蒸發(fā)效果更好，有利于均勻燃燒，降低燃燒室的污染排放；

(2)本實(shí)用新型采用單環(huán)腔燃燒室結(jié)構(gòu)，燃燒用空氣全部由頭部供入，火焰筒上只有摻混孔和必要的冷卻孔，具有模塊化特征，簡化了燃燒室結(jié)構(gòu)，預(yù)混預(yù)蒸發(fā)圓管結(jié)構(gòu)簡單，易于加工；主燃級結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配；

(3)本實(shí)用新型采用分級燃燒概念，預(yù)燃級提供穩(wěn)定火源，主燃級實(shí)現(xiàn)低污染燃燒，在降低污染排放的同時(shí)可確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的穩(wěn)定性。

附圖說明

本實(shí)用新型的上述的以及其他的特征、性質(zhì)和優(yōu)勢將通過下面結(jié)合附圖和實(shí)施例的描述而變得更加明顯，其中：

圖1是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的燃燒室結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖3是本實(shí)用新型的燃燒室頭部結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖4是本實(shí)用新型的預(yù)燃級結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖5是本實(shí)用新型的主燃級結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖6是本實(shí)用新型的主燃級預(yù)膜板內(nèi)表面型線示意圖；

其中附圖標(biāo)記的含義為：1是低壓壓氣機(jī)，2是高壓壓氣機(jī)，3是燃燒室，4是高壓渦輪，5是低壓渦輪，6是燃燒室外機(jī)匣，7是燃燒室內(nèi)機(jī)匣，8是火焰筒外壁，9是火焰筒內(nèi)壁，10是擴(kuò)壓器，11是火焰筒外壁摻混孔，12是火焰筒內(nèi)壁摻混孔，13是燃燒室頭部，14是主燃級，15是預(yù)燃級，16是燃油噴嘴，17是預(yù)燃級油霧，18是主燃級直噴油霧，19是主燃級氣動(dòng)霧化油霧，20是預(yù)燃級內(nèi)旋流器，21是預(yù)燃級外旋流器，22是主燃級外壁，23是預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段，24是主燃級內(nèi)旋流器，25是主燃級外旋流器，26是主燃級預(yù)膜板，27是預(yù)燃級噴油嘴安裝孔，28是預(yù)燃級內(nèi)旋流文氏管，29是預(yù)燃級安裝邊，30是級間段，31是主燃級噴油嘴進(jìn)油孔，32是主燃級燃油集油腔，33是主燃級燃油輸油孔，34是主燃級燃油噴孔，35是預(yù)燃級噴油嘴，36是主燃級燃油管路，37是預(yù)燃級燃油管路，38是主燃級預(yù)膜板內(nèi)通道，39是主燃級預(yù)膜板外通道，40是頭部整體端壁，41是頭部整體導(dǎo)流片。

具體實(shí)施方式

圖1是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)動(dòng)機(jī)包括低壓壓氣機(jī)1、高壓壓氣機(jī)2、燃燒室3、高壓渦輪4和低壓渦輪5。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣經(jīng)過低壓壓氣機(jī)1壓縮后，進(jìn)入高壓壓氣機(jī)2，高壓空氣再進(jìn)入燃燒室3中與燃油燃燒，燃燒后形成的高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)入到高壓渦輪4和低壓渦輪5，通過渦輪做功分別驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)2和低壓壓氣機(jī)1。

如圖2所示，燃燒室3采用單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，燃燒室外機(jī)匣6和燃燒室內(nèi)機(jī)匣7構(gòu)成了燃燒室的外輪廓，并與前后的高壓壓氣機(jī)2和高壓渦輪4連接。高壓壓氣機(jī)2的來流空氣從擴(kuò)壓器10經(jīng)過降速擴(kuò)壓后進(jìn)入燃燒室，在火焰筒外壁8、火焰筒內(nèi)壁9和燃燒室頭部13所包圍的空間內(nèi)與燃油完成燃燒。在外摻混孔11和內(nèi)摻混孔12以前的區(qū)域?yàn)槿紵齾^(qū)，摻混空氣從摻混孔進(jìn)入由火焰筒外壁8、火焰筒內(nèi)壁9圍成的火焰筒，與燃燒區(qū)的高溫燃?xì)鈸交?，使出口溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。燃燒室頭部13包括主燃級14、預(yù)燃級15以及燃油噴嘴16，燃燒室頭部13采用中心分級結(jié)構(gòu)，預(yù)燃級15在中心，主燃級14在預(yù)燃級15外圍。主燃級14通過頭部整體端壁40與火焰筒外壁8和火焰筒內(nèi)壁9焊接固定，而預(yù)燃級15由級間段30與主燃級14固定聯(lián)接，燃油噴嘴16供給全部燃油。頭部整體導(dǎo)流片41焊接在頭部整體端壁40上，使其與火焰筒內(nèi)的高溫燃?xì)夥珠_，以保護(hù)結(jié)構(gòu)完整性。

圖3是單獨(dú)顯示燃燒室頭部13的剖視圖，主燃級14和預(yù)燃級15按照同心的方式布置在一起，預(yù)燃級15在中心，主燃級14布置在預(yù)燃級15外圍。燃燒室頭部13沿周向均勻布置，個(gè)數(shù)為10～60個(gè)，其空氣量占燃燒室總空氣量的20％～80％，其中主燃級14占頭部空氣量的60％～90％，預(yù)燃級15占頭部空氣量的10％～40％。預(yù)燃級噴油嘴40為壓力霧化噴嘴、氣動(dòng)霧化噴嘴或組合式噴嘴。

在圖4中，預(yù)燃級15采用了雙旋流器結(jié)構(gòu)，包括預(yù)燃級內(nèi)旋流器20、預(yù)燃級外旋流器21、預(yù)燃級內(nèi)旋流文氏管28及級間段30，四者焊接在一起，預(yù)燃級內(nèi)旋流器20和預(yù)燃級內(nèi)旋流文氏管28串接，預(yù)燃級外旋流器21套在預(yù)燃級內(nèi)旋流文氏管28的外圍，級間段30連接預(yù)燃級外旋流器21和主燃級14。預(yù)燃級油霧17利用預(yù)燃級內(nèi)旋流文氏管28進(jìn)一步霧化。

如圖5所示，主燃級14包括主燃級內(nèi)旋流器24、主燃級外旋流器25、主燃級預(yù)膜板26、頭部整體端壁40及頭部整體導(dǎo)流片41，所有部件均焊接在一起。主燃級燃油，通過主燃級燃油噴孔34噴入主燃級預(yù)膜板內(nèi)通道38，部分燃油形成主燃級直噴油霧18，部分燃油打到預(yù)膜板26上形成均勻油膜，在主燃級預(yù)膜板內(nèi)通道38和預(yù)膜板外通道39兩股反向旋轉(zhuǎn)的旋流剪切作用下破碎霧化形成主燃級氣動(dòng)霧化油霧19，兩股油霧與空氣進(jìn)行摻混形成較均勻的油氣混合物。

如圖6所示，主燃級預(yù)膜板26中心剖面的內(nèi)側(cè)線型為弧線、多段折線或與頭部軸線成一角度的直線。

以上所述，僅為本實(shí)用新型中的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實(shí)用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的包含范圍之內(nèi)，因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。