一種可拓寬穩(wěn)定工作范圍的回流燃燒室的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動機回流燃燒室的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可拓寬穩(wěn)定工作范圍的回流燃燒室。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動機的不斷發(fā)展要求作為部件之一的燃燒室需要在更為寬泛的工況范圍內(nèi)進行工作。隨著發(fā)動機功率和推力的不斷提高，燃燒室需要在高工況下以很高的油氣比可靠工作，還必須保證在低工況下以很低的油氣比能夠穩(wěn)定工作。高油氣比意味著燃燒室燃氣溫度的升高，為保證發(fā)動機的可靠性，出口溫度場必須更為均勻。而低工況低油氣比下穩(wěn)定工作則要求燃燒室內(nèi)存在富油的區(qū)域以保證在燃油較少時燃燒室不會熄火，富油意味著燃燒室內(nèi)溫度存在不均勻性。高工況和低工況之間出口溫度場的均勻性矛盾是寬工作范圍燃燒室必須解決的難題。
[0003]回流環(huán)形燃燒室在航空發(fā)動機中應用廣泛，技術(shù)成熟。許多現(xiàn)役或發(fā)展中的發(fā)動機，特別是小型航空發(fā)動機都使用回流環(huán)形燃燒室。如加拿大普惠公司的PT6系列、JT15D發(fā)動機，美國霍尼韋爾T53、T55系列發(fā)動機，法國賽峰所屬透博梅卡公司的TM333、RTM322發(fā)動機，德國慕尼黑發(fā)動機渦輪聯(lián)合公司、法國透博梅卡公司和英國羅爾斯羅伊斯公司聯(lián)合組成的合資企業(yè)研制生產(chǎn)的MTR390、美國輕型直升機渦輪發(fā)動機公司(LHTEC)聯(lián)合公司研制的T800發(fā)動機。對于回流燃燒室來說，由于發(fā)動機總體流路設(shè)計和結(jié)構(gòu)布局，回流燃燒室內(nèi)外環(huán)形通道內(nèi)的空氣流量和流速相差較大，外環(huán)腔氣流與火焰筒內(nèi)主流的流向相反，而內(nèi)環(huán)腔氣流與火焰筒內(nèi)主流的流向相同，導致進入火焰筒內(nèi)的補燃摻混射流不對稱，小孔的流量系數(shù)和空氣流量分配與直流燃燒室有所不同。氣流沿火焰筒管長度(從頭部算起)逆向流動，外環(huán)腔氣流靜壓緩慢下降，而直流燃燒室是逐漸上升的，但回流內(nèi)環(huán)腔沿火焰筒管長度氣流靜壓緩慢上升。此外，逆向平行流中壁面孔流量系數(shù)比平行同向流中的要大。這些都是流動不對稱和火焰筒壁內(nèi)外逆向流動帶來的影響。流動的不對稱性會影響火焰筒頭部燃燒的穩(wěn)定性，同時會使得出口溫度分布品質(zhì)的惡化。
[0004]單油路壓力離心噴噴嘴被廣泛用于各種回流燃燒室火焰筒頭部，如PT6系列、PW200、JT15D、ATF3，空氣霧化噴嘴至適用于帶有空氣旋流器的火焰筒頭部，如PLT27、T800、PLT27、GAM500，蒸發(fā)管式噴嘴只適用于無空氣旋流器的火焰筒頭部，如RTM322、T53、T55系列、TM333、TM319。單油路離心噴嘴的點火性能較好，但低油壓下霧化差，因此要求供油壓力高，噴嘴流量數(shù)會設(shè)計得比較小，流量數(shù)偏小會導致大工況燃油流量較大時下油壓過高，一方面會造成油路的密封設(shè)計上的困難，另一方面供給油泵的工作油壓的上限限制會使得燃油流量有一個上限值。因此單油路離心噴嘴的供油流量較小，造成上限調(diào)節(jié)范圍較窄，從而使得燃燒室大工況時燃油流量較小?？諝忪F化噴嘴在低油壓下工作性能較好，但在空氣壓降較低是霧化質(zhì)量差，點火性能差。蒸發(fā)管式噴嘴發(fā)煙少，對燃油變化不敏感，但其穩(wěn)定燃燒范圍窄，點火性能差，大工況下霧化質(zhì)量差。隨著燃燒室所需的穩(wěn)定工作范圍的擴大，上述三種供油霧化方式可能無法滿足燃燒室設(shè)計的需要。
[0005]中國的北京航空航天大學對回流燃燒室申請了 201310244865.8專利，采用傳統(tǒng)的單油路旋流杯式空氣霧化噴嘴，保留了主燃孔設(shè)計，省去了燃燒的摻混孔。通過翻邊主燃孔使內(nèi)外環(huán)氣流對切射入火焰筒，與頭部氣流旋向一致，增強氣液混合以達到降低排放的目的。傳統(tǒng)的單油路設(shè)計使得燃燒室的穩(wěn)定工作范圍較窄，無摻混孔的設(shè)計則可能使燃燒室的出口溫度分布品質(zhì)惡化。
[0006]以上技術(shù)背景說明回流燃燒室在穩(wěn)定工作范圍的擴展方面可以有改進的空間。本發(fā)明為針對拓寬燃燒室的穩(wěn)定工作范圍并保證其出口溫度分布均勻性的新技術(shù)。采用壓力離心霧化+預旋預膜空氣霧化的混合霧化方式，通過主副雙油路的燃料供給方式，解決小工況和大工況下燃料的霧化問題。使用帶有缺口帽罩的的外環(huán)火焰筒主燃孔和摻混孔，保證火焰筒頭部火焰的穩(wěn)定性，并有利于出口溫度分布的均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種可拓寬穩(wěn)定工作范圍的燃燒技術(shù)應用于回流燃燒室。該技術(shù)在拓寬燃燒室穩(wěn)定工作范圍的同時，保證了出口溫度分布的均勻性。
[0008]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種可拓寬穩(wěn)定工作范圍的回流燃燒室，包括環(huán)形燃燒室機匣、擴壓器與環(huán)形火焰筒，環(huán)形火焰筒由火焰筒頭部端壁、設(shè)置在火焰筒頭部端壁上的頭部霧化裝置、火焰筒外壁、火焰筒內(nèi)壁和大彎管壁組成；火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁上都設(shè)置有主燃孔和摻混孔，頭部端壁、火焰筒外壁、火焰筒內(nèi)壁和大彎管壁存在冷卻結(jié)構(gòu)，燃料供給采用主副雙油路方式；頭部霧化裝置采用中心壓力離心霧化方式霧化副油路燃料，中心軸向外圍采用先預旋后預膜空氣霧化的混合霧化方式霧化主油路燃料；火焰筒外壁上的主燃孔和摻混孔外圍設(shè)置有帶有缺口形狀的帽罩。
[0009]其中，燃燒室火焰筒頭部霧化裝置沿周向均勻分布，個數(shù)范圍為12?24個。
[0010]其中，火焰筒外壁上的主燃孔和內(nèi)壁上的主燃孔、外壁上的摻混孔和內(nèi)壁上的摻混孔與火焰筒頭部端壁的軸向距離相同，且沿著火焰筒外壁和內(nèi)壁均勻排布。
[0011]其中，全環(huán)主燃孔和摻混孔的個數(shù)可以為火焰筒頭部霧化裝置個數(shù)的2倍、3倍或者4倍，周向排布沿著火焰筒頭部霧化裝置軸線對稱。
[0012]其中，火焰筒外壁上的主燃孔和摻混孔外圍設(shè)置有帶有缺口形狀的帽罩，其缺口朝向背對空氣來流方向，帽罩形狀可以是球形、圓柱形、圓錐形或者長方體形，缺口形狀可以是矩形、圓形或者是其他特殊形狀。
[0013]其中，主燃孔和摻混孔的形狀可以是圓形、矩形、三角形、多邊形或者其他形狀。
[0014]其中，頭部霧化裝置所采用中心壓力霧化方式由副油路單油路離心噴嘴實現(xiàn)；頭部霧化裝置中心軸向外圍所采用的先預旋后預膜空氣霧化的混合霧化方式由主油路預旋預膜空氣霧化噴嘴實現(xiàn)；頭部霧化裝置還包括供油桿、內(nèi)旋流組件和外旋流組件。
[0015]其中，副油路單油路離心噴嘴包括供油路內(nèi)環(huán)油路和離心噴嘴組件組成；主油路預旋預膜空氣霧化噴嘴包括供油路外環(huán)油路、內(nèi)旋流組件前端的第一環(huán)形集油腔，通過內(nèi)旋流組件上設(shè)置有圓形長通孔連通的第二環(huán)形集油腔、旋流槽、旋流槽之間貫通的第三環(huán)形集油腔，文氏管。
[0016]其中，頭部霧化裝置在頭部端壁上的安裝方式可以是焊接、頭部定位環(huán)固定或螺紋連接。
[0017]其中，內(nèi)旋流組件的結(jié)構(gòu)形式可以是軸向孔、軸向槽道、徑向孔、徑向槽道、斜切孔、斜切槽道，或者是上述任意結(jié)構(gòu)形式的組合形式，旋流數(shù)可以在0.1至2.0之間變化；外旋流組件的結(jié)構(gòu)形式可以是徑向孔，徑向槽道，徑向直葉片或者徑向曲葉片，旋流數(shù)在0.1-2.0 之間。
[0018]本發(fā)明的原理:如圖1-5所示，環(huán)形燃燒室機匣I與環(huán)形火焰筒3成單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，高壓空氣通過燃燒室機匣前端的環(huán)形擴壓器2進入燃燒室環(huán)腔，火焰筒3由火焰筒頭部端壁4、頭部霧化裝置5、火焰筒外壁6，火焰筒內(nèi)壁7和大彎管壁8組成；火焰筒外壁6和火焰筒內(nèi)壁7上都設(shè)置有主燃孔9、摻混孔10和冷卻結(jié)構(gòu)11。環(huán)腔內(nèi)空氣經(jīng)由頭部霧化裝置5、主燃孔9、摻混孔10和火焰筒冷卻結(jié)構(gòu)11進入火焰筒3內(nèi)部?；鹧嫱?內(nèi)空氣與燃料充分混合燃燒，高溫燃氣經(jīng)過主燃孔9補燃和摻混孔10摻混冷卻之后由火焰筒出口進入渦輪。擴壓器2流出的空氣經(jīng)過兩個180°轉(zhuǎn)彎之后離開燃燒室。頭部霧化裝置5采用中心壓力離心霧化副油路燃料+中心軸向外圍先預旋后預膜空氣霧化主油路燃料的雙油路混合霧化方式?；鹧嫱餐獗?上的主燃孔9和摻混孔10存在有缺口形狀的帽罩12，可以使得主燃孔9和摻混孔10進氣方式產(chǎn)生變化，避免了外環(huán)腔空氣經(jīng)過大孔之后流向火焰筒3頭部，影響燃燒穩(wěn)定性，保證內(nèi)外孔射流對稱性，有利于出口燃氣溫度分布的均勻性。雙油路的頭部霧化裝置5的使用可以拓寬回流燃燒室的穩(wěn)定工作范圍，并顯著改善大工況下頭部的霧化和燃燒性能，同樣有利于改善出口燃氣溫度分布的均勻性。
[0019]所述燃燒室火焰筒頭部霧化裝置5沿周向均勻分布，個數(shù)為12-24個。頭部霧化裝置所分配的空氣流量為燃燒室總進氣量的10% -70%?；鹧嫱餐獗?主燃孔9與內(nèi)壁7主燃孔9、火焰筒外壁6摻混孔10與內(nèi)壁7摻混孔10與火焰筒頭部霧化裝置5的軸向距離相同，且沿著火焰筒內(nèi)外環(huán)形壁面均勻排布。全環(huán)主燃孔9的個數(shù)可以為火焰筒頭部霧化裝置5個數(shù)的2倍、3倍或者4倍，周向排布沿著頭部霧化裝置5中心