一种三级分层燃烧的高温升燃烧室结构制造技术

本发明专利技术涉及一种三级分层燃烧的高温升燃烧室结构，应用于高推重比航空发动机。燃烧室的头部油气掺混器分为预燃级和主燃级，预燃级燃油通过中心直射喷嘴和预燃级预膜喷嘴进入预燃区，形成实心雾锥，增强预燃级火焰的稳定性。主燃级采用双排燃油喷射孔喷射燃油，其中内层燃油喷射孔将燃油喷入主燃级内旋流器空气通道，外层燃油喷射孔将燃油喷入主燃级外旋流器空气通道，从而在主燃级形成两个燃烧区，即内层主燃区和外层主燃区。内层主燃区的油气比大于外层主燃区，从而更容易被预燃级火焰引燃，内层主燃区进一步对外层主燃区起稳定作用。三个燃烧区之间的逐级稳燃，共同提高了高温升燃烧室的头部燃烧稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高推重比航空发动机领域，尤其涉及一种采用空气和燃油三级分层燃烧技术改善高温升燃烧室头部燃烧稳定性的燃烧室结构。
技术介绍
目前航空发动机燃烧室主要向两个方向发展，一种为低污染燃烧室，主要应用在民用航空发动机上，以燃烧效率高、污染物排放(主要为氮氧化物、一氧化碳)低为主要技术特征，其典型代表是应用于GEnx发动机的TAPS燃烧室和应用于GE9x发动机上的TAPS II燃烧室。TAPS和TAPS II燃烧室采用分级分区燃烧的理念，通过将大部分燃油喷入主燃级，实现预混和部分预混燃烧，从而降低主燃区温度，进而降低了热力型氮氧化物排放。一小部分燃油通过预燃级供入燃烧室，预燃级喷嘴一般为离心或直射喷嘴，因此预燃级一般采用扩散燃烧方式来维持燃烧室在全工况范围内的燃烧稳定性。以TAPS系列燃烧室为代表的低污染燃烧室的预燃级和主燃级采用不同的燃烧方式，属于两级分层分区燃烧技术，其燃烧室头部进气量一般为40％～50％。燃烧室发展的另一个方向是军用高温升燃烧室，提高燃烧室温升是提高发动机推重比的一种主要方法，第四代航空发动机的燃烧室温升一般超过1100℃。然而，提高燃烧室的温升必然需要大幅提升燃烧室的总油气比，这会带来燃烧室油气掺混困难、燃烧效率低、排气冒烟严重等技术难题。为了解决以上技术难题，一个简单的思路就是采用低污染燃烧室的分层分区燃烧技术，然而这会造成高温升燃烧室头部进气量高达60％～80％，从而带来主燃 级空气流量太大，预燃级难以对主燃级部分预混火焰进行有效稳定的技术挑战。针对高温升燃烧室头部空气流量大、火焰难以稳定的问题，国内外学术界进行了大量研究，普遍认可进一步细化分层分区燃烧组织是解决这一难题的技术途径，由于技术封锁的原因，国内无法进一步获得国外高温升燃烧室的技术细节。。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺点和不足，本专利技术要解决的技术问题是：针对现有采用两级分层分区燃烧技术的高温升燃烧室会面临头部空气流量较大、预燃级火焰难以对主燃级火焰有效稳定，继而严重限制了高温升燃烧室在不同燃烧负荷工况燃烧的鲁棒性的问题，本专利技术在两级分层分区燃烧技术的基础上，进一步细化主燃级和预燃级的分层燃烧组织，提出了主燃级火焰进一步分为两层、预燃级采用中心直射喷嘴与预膜喷嘴的组合喷嘴、总体为三级分层燃烧的高温升燃烧室结构，从而解决采用分层分区燃烧技术的高温升燃烧室的燃烧稳定性问题。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种三级分层燃烧的高温升燃烧室结构，包括扩压器、燃烧室机匣、火焰筒、供油杆和头部油气掺混器，所述的扩压器位于燃烧室机匣的气流来流方向的前端；所述的燃烧室机匣包括燃烧室内机匣和燃烧室外机匣，两者均为环形；所述的火焰筒为环形，设置在燃烧室机匣内，并与燃烧室机匣同轴，包括火焰筒外环和火焰筒内环；所述的头部油气掺混器安装于气流来流方向的火焰筒前端壁，包括位于中心的预燃级组件和位于所述预燃级组件外围的主燃级组件，其特征在于：所述的预燃级组件包括由内到外、同轴布置的中心直射喷嘴、预燃级 内旋流器、预燃级预膜喷嘴、预燃级外旋流器和预燃级收敛扩张段，其中，所述的中心直射喷嘴包括圆柱段和圆锥段，燃油从圆锥段后端面以一定角度喷出，所述的预燃级内旋流器设置于中心直射喷嘴圆柱段的外围；所述的预燃级预膜喷嘴包括预燃级预膜喷嘴内壁、预燃级预膜喷嘴外壁以及形成于两者之间的一环腔结构，所述预燃级预膜喷嘴内壁和预燃级预膜喷嘴外壁均包括一圆柱段和一向内收缩的圆锥段，所述的预燃级预膜喷嘴外壁的圆锥段的轴向长度大于预燃级预膜喷嘴内壁的圆锥段的轴向长度，从而在所述预燃级预膜喷嘴内壁和预燃级预膜喷嘴外壁的圆锥段之间形成一预燃级预膜唇口；所述的预燃级预膜喷嘴内壁与中心直射喷嘴外表面构成了预燃级内旋流器的气流通道，该气流通道的出口直径小于入口直径；所述的预燃级收敛扩张段包括沿轴向依次布置的收敛段、缓慢扩张段和快速扩张段；所述的预燃级预膜喷嘴外壁与预燃级收敛扩张段的收敛段构成了预燃级外旋流器的空气通道，该通道的出口直径小于入口直径；所述的主燃级组件包括由内到外环形布置的主燃级内旋流器、主燃级油腔、主燃级外旋流器，其中，所述的主燃级内旋流器设置于主燃级内旋流空气通道中，所述主燃级内旋流空气通道设置于所述预燃级组件的外围，其内壁面和外壁面均为环形结构，主燃级内旋流空气通道的内壁面包括圆柱段和圆锥段，所述的主燃级内旋流器设置于主燃级内旋流空气通道的圆柱段上，所述主燃级内旋流空气通道的出口直径大于进口直径；所述的主燃级外旋流器设置于主燃级外旋流空气通道中，所述主燃级外旋流空气通道包括内壁面和外壁面；所述的主燃级油腔呈环形，由所述主燃级内旋流空气通道的外壁面和主燃级外旋流空气通道的内壁面包围而成，主燃级油腔尾部由两个圆锥面组成，在两个圆锥面上均设置有一定数量的燃油喷射孔，分别向主燃级外旋流空气通道和主燃级内旋流空气通道内喷射燃油；所述的头部油气掺混器的主燃级组件与预燃级组件之间在径向上存在一定径向间隔，在此径向间隔上布置有冷却空气孔。优选地，所述主燃级外旋流器为径向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述主燃级外旋流空气通道的内壁面和外壁面均包括一径向段和一水平段，径向旋流器的叶片设置于主燃级外旋流空气通道内壁面和外壁面的径向段之间的空间中，气流首先径向进入主燃级外旋流空气通道，之后轴向流出。优选地，所述主燃级外旋流器为轴向旋流器，包括一定数量的直叶片。优选地，所述的预燃级内旋流器和预燃级外旋流器以及所述的主燃级内旋流器均为轴向旋流器，均包括一定数量的直叶片。优选地，所述的主燃级外旋流空气通道的外壁面向外延伸形成一主燃级螺纹安装边，所述的头部油气掺混器通过所述主燃级螺纹安装边设置在火焰筒前端壁上。本专利专利技术的三级分层燃烧的高温升燃烧室结构中，空气经过四级旋流器进入火焰筒内部，燃油经过中心直射喷嘴、预燃级预膜喷嘴、主燃级油腔尾部的两排燃油喷射孔供入火焰筒，参与油气掺混和燃烧。其中，预燃级燃油的一部分通过中心直射喷嘴直接喷射进入预燃区，另一部分预燃级燃油经过预燃级预膜喷嘴在预燃级预膜喷嘴外壁的尾缘形成油膜，并在预燃级内旋流器和预燃级外旋流器旋转气流的剪切作用下雾化，与中心直射喷嘴喷射出的燃油形成雾化良好的实心雾锥，一起参与预燃级油气掺混；主燃级油腔内的主燃级燃油经过主燃级油腔尾部的两排燃油喷射孔分别向上喷入主燃级外旋流器空气通道和向下喷入主燃级内旋流器空气通道，在横向射流 空气的作用下雾化并与主燃级空气掺混，通过控制向下喷射的内层燃油喷射孔和向上喷射的外层燃油喷射孔的开孔面积比，就可控制进入主燃级内旋流器和主燃级外旋流器空气通道内的燃油流量之比，从而将主燃区分为内层主燃区和外层主燃区。优选的，所述预燃级内旋流器的气流旋转方向与预燃级外旋流器的气流旋转方向相同或相反。优选的，所述的预燃级外旋流器的气流旋转方向与主燃级内旋流器的气流旋转方向相同或相反。优选的，所述的主燃级外旋流器的气流旋转方向与主燃级内旋流器的气流旋转方向相同或相反。优选的，所述的预燃级收缩扩张段的扩张段长度与头部油气掺混器的轴向长度之比在0.3～0.5之间；主燃级油腔尾部的两排燃油喷射孔距主燃级外旋流器前侧壁面的轴向距离与主燃级轴向长度之比在0.4～0.7之间；主燃级组件与预燃级组件之间的径向间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三级分层燃烧的高温升燃烧室结构，包括扩压器、燃烧室机匣、火焰筒、供油杆和头部油气掺混器，所述的扩压器位于燃烧室机匣的气流来流方向的前端；所述的燃烧室机匣包括燃烧室内机匣和燃烧室外机匣，两者均为环形；所述的火焰筒为环形，设置在燃烧室机匣内，并与燃烧室机匣同轴，包括火焰筒外环和火焰筒内环；所述的头部油气掺混器安装于气流来流方向的火焰筒前端壁，包括位于中心的预燃级组件和位于所述预燃级组件外围的主燃级组件，其特征在于：所述的预燃级组件包括由内到外、同轴布置的中心直射喷嘴、预燃级内旋流器、预燃级预膜喷嘴、预燃级外旋流器和预燃级收敛扩张段，其中，所述的中心直射喷嘴包括圆柱段和圆锥段，燃油从圆锥段后端面以一定角度喷出，所述的预燃级内旋流器设置于中心直射喷嘴圆柱段的外围；所述的预燃级预膜喷嘴包括预燃级预膜喷嘴内壁、预燃级预膜喷嘴外壁以及形成于两者之间的一环腔结构，所述预燃级预膜喷嘴内壁和预燃级预膜喷嘴外壁均包括一圆柱段和一向内收缩的圆锥段，所述的预燃级预膜喷嘴外壁的圆锥段的轴向长度大于预燃级预膜喷嘴内壁的圆锥段的轴向长度，从而在所述预燃级预膜喷嘴内壁和预燃级预膜喷嘴外壁的圆锥段之间形成一预燃级预膜唇口；所述的预燃级预膜喷嘴内壁与中心直射喷嘴外表面构成了预燃级内旋流器的气流通道，该气流通道的出口直径小于入口直径；所述的预燃级收敛扩张段包括沿轴向依次布置的收敛段、缓慢扩张段和快速扩张段；所述的预燃级预膜喷嘴外壁与预燃级收敛扩张段的收敛段构成了预燃级 外旋流器的空气通道，该通道的出口直径小于入口直径；所述的主燃级组件包括由内到外环形布置的主燃级内旋流器、主燃级油腔、主燃级外旋流器，其中，所述的主燃级内旋流器设置于主燃级内旋流空气通道中，所述主燃级内旋流空气通道设置于所述预燃级组件的外围，其内壁面和外壁面均为环形结构，主燃级内旋流空气通道的内壁面包括圆柱段和圆锥段，所述的主燃级内旋流器设置于主燃级内旋流空气通道内壁面的圆柱段上，所述主燃级内旋流空气通道的出口直径大于进口直径；所述的主燃级外旋流器设置于主燃级外旋流空气通道中，所述主燃级外旋流空气通道包括内壁面和外壁面；所述的主燃级油腔呈环形，由所述主燃级内旋流空气通道的外壁面和主燃级外旋流空气通道的内壁面包围而成，主燃级油腔尾部由两个圆锥面组成，在两个圆锥面上均设置有一定数量的燃油喷射孔，分别向主燃级外旋流空气通道和主燃级内旋流空气通道内喷射燃油；所述的头部油气掺混器的主燃级组件与预燃级组件之间在径向上存在一定径向间隔，在此径向间隔上布置有冷却空气孔。...

【技术特征摘要】
1.一种三级分层燃烧的高温升燃烧室结构，包括扩压器、燃烧室机匣、火焰筒、供油杆和头部油气掺混器，所述的扩压器位于燃烧室机匣的气流来流方向的前端；所述的燃烧室机匣包括燃烧室内机匣和燃烧室外机匣，两者均为环形；所述的火焰筒为环形，设置在燃烧室机匣内，并与燃烧室机匣同轴，包括火焰筒外环和火焰筒内环；所述的头部油气掺混器安装于气流来流方向的火焰筒前端壁，包括位于中心的预燃级组件和位于所述预燃级组件外围的主燃级组件，其特征在于：所述的预燃级组件包括由内到外、同轴布置的中心直射喷嘴、预燃级内旋流器、预燃级预膜喷嘴、预燃级外旋流器和预燃级收敛扩张段，其中，所述的中心直射喷嘴包括圆柱段和圆锥段，燃油从圆锥段后端面以一定角度喷出，所述的预燃级内旋流器设置于中心直射喷嘴圆柱段的外围；所述的预燃级预膜喷嘴包括预燃级预膜喷嘴内壁、预燃级预膜喷嘴外壁以及形成于两者之间的一环腔结构，所述预燃级预膜喷嘴内壁和预燃级预膜喷嘴外壁均包括一圆柱段和一向内收缩的圆锥段，所述的预燃级预膜喷嘴外壁的圆锥段的轴向长度大于预燃级预膜喷嘴内壁的圆锥段的轴向长度，从而在所述预燃级预膜喷嘴内壁和预燃级预膜喷嘴外壁的圆锥段之间形成一预燃级预膜唇口；所述的预燃级预膜喷嘴内壁与中心直射喷嘴外表面构成了预燃级内旋流器的气流通道，该气流通道的出口直径小于入口直径；所述的预燃级收敛扩张段包括沿轴向依次布置的收敛段、缓慢扩张段和快速扩张段；所述的预燃级预膜喷嘴外壁与预燃级收敛扩张段的收敛段构成了预燃级 外旋流器的空气通道，该通道的出口直径小于入口直径；所述的主燃级组件包括由内到外环形布置的主燃级内旋流器、主燃级油腔、主燃级外旋流器，其中，所述的主燃级内旋流器设置于主燃级内旋流空气通道中，所述主燃级内旋流空气通道设置于所述预燃级组件的外围，其内壁面和外壁面均为环形结构，主燃级内旋流空气通道的内壁面包括圆柱段和圆锥段，所述的主燃级内旋流器设置于主燃级内旋流空气通道内壁面的圆柱段上，所述主燃级内旋流空气通道的出口直径大于进口直径；所述的主燃级外旋流器设置于主燃级外旋流空气通道中，所述主燃级外旋流空气通道包括内壁面和外壁面；所述的主燃级油腔呈环形，由所述主燃级内旋流空气通道的外壁面和主燃级外旋流空气通道的内壁面包围而成，主燃级油腔尾部由两个圆锥面组成，在两个圆锥面上均设置有一定数量的燃油喷射孔，分别向主燃级外旋流空气通道和主燃级内旋流空气通道内喷射燃油；所述的头部油气掺混器的主燃级组件与预燃级组件之间在径向上存在一定径向间隔，在此径向间隔上布置有冷却空气孔。2.根据权利要求1所述的燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金虎，陈浩，刘存喜，刘富强，徐纲，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11