一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室制造技术

本发明专利技术涉及一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，其头部油气掺混器分为预燃级、内层主燃级和外层主燃级三层，相应的头部燃烧区域也分为预燃区、内层主燃区和外层主燃区。经过主燃级内层燃油喷射孔喷入主燃级内旋流器空气通道的燃油在预燃级收敛扩张段外表面吸热并迅速蒸发，从而以气态的形式进入内层主燃区参与掺混和燃烧。因此，本发明专利技术利用主燃级燃油预热预蒸发技术和头部三级分层分区燃烧技术，进一步降低分级燃烧室的污染物排放。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空发动机燃烧室
，尤其涉及一种利用主燃级燃油预热预蒸发的三级分层燃烧技术降低污染物排放的部分预混燃烧室。
技术介绍
目前，发展航空发动机低污染燃烧室的主要技术途径就是增强燃烧室内的空气和燃油混合程度，如贫油预混预蒸发燃烧室通过燃油分级实现大部分燃油与空气的预混预蒸发，并以贫油预混或部分预混的燃烧模式完成燃烧；贫油多点喷射燃烧室通过增加燃烧室头部燃油喷嘴的数目，增大燃油与空气的接触面积，从而改善燃油和空气混合质量，降低氮氧化物的排放。燃油和空气分级是提高燃烧室内油气混合质量的主要方式。TAPS燃烧室是最具代表性的低污染燃烧室，其采用燃油分级的概念，一小部分燃油经中心喷嘴喷入燃烧室预燃级，并以扩散燃烧方式燃烧，保证燃烧室的低功率燃烧稳定性；大部分燃油经多点喷射孔横向喷入主燃级空气通道，在空气的作用下发生雾化、混合和蒸发，以贫油预混燃烧方式降低污染物排放。由此可见，TAPS燃烧室属于LPP概念的低污染燃烧室，在TAPSI燃烧室技术的基础上，通过精心组织燃油雾化和掺混过程，GE公司发展了TAPSII低污染燃烧室，应用于GE9X发动机。Rolls-Royce公司的LeanBurn燃烧室进一步细化了燃油和空气分级策略，其预燃级和主燃级分别包括两级空气旋流器和一个预膜式燃油雾化喷嘴，利用预膜喷嘴与内外两级旋流空气的相互作用提高油气混合质量。从以上分析可以看出，优化燃油和空气混合过程是进一步降低燃烧室污染物排放的关键。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提高燃烧室头部的油气掺混质量，进一步降低燃烧室的污染物排放。针对该技术问题，本专利技术旨在提供一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，主燃级火焰进一步分为两层燃烧，并且主燃级部分燃油进行预热预蒸发，以气态燃料方式参与掺混和燃烧，从而提高主燃级油气混合质量，降低燃烧室的污染物排放。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，包括火焰筒和头部油气掺混器，所述头部油气掺混器设置在所述火焰筒的前端壁，包括位于所述头部油气掺混器中心的预燃级组件和位于外围的主燃级组件，所述预燃级组件将流经预燃级的燃油和空气掺混并进入预燃区燃烧，所述主燃级组件将流经主燃级的燃油和空气掺混并进入主燃区燃烧，其特征在于：--所述预燃级组件包括由内到外、同轴布置的预燃级中心锥体、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两者之间的预燃级环腔，所述预燃级环腔的前部形成预燃级油腔，后部形成一狭缝式预燃级预膜段；所述的预燃级中心锥体和预燃级预膜喷嘴内壁构成了预燃级内旋流器空气通道；所述的预燃级预膜喷嘴外壁和预燃级收敛扩张段构成了预燃级外旋流器空气通道；在所述预燃级预膜段内设置有预燃级燃油旋流器，预燃级燃油在所述预燃级燃油旋流器的旋转作用下，在预燃级预膜喷嘴出口形成油膜，所述油膜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，之后进入所述预燃区燃烧，预燃区燃烧时，预燃级收敛扩张段的壁面受到加热；--所述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，所述预燃级收敛扩张段和主燃级内旋流器外壁之间的空间构成主燃级内旋流器的空气通道；所述主燃级外旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁之间的空间构成主燃级外旋流器的空气通道；所述主燃级油腔呈环形，由主燃级内旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁包围而成，在主燃级内旋流器外壁上设置主燃级内层燃油喷射孔，在主燃级外旋流器内壁上设置主燃级外层燃油喷射孔，所述主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔用于分别向主燃级内旋流器和主燃级外旋流器的空气通道内喷射燃油，其中，所述主燃级内层燃油喷射孔将燃油喷射到预燃级收敛扩张段的外表面，并吸收预燃级收敛扩张段外表面和主燃级内旋流器空气通道内空气的热量，实现燃油完全或部分蒸发并与空气掺混，所述主燃级外层燃油喷射孔将燃油喷入主燃级外旋流器空气通道中，在横向射流空气的作用下雾化并与空气掺混，控制向主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔的喷油量，使得主燃级内旋流器空气通道内的燃空当量比大于主燃级外旋流器空气通道内的燃空当量比，将主燃区分为内层主燃区和外层主燃区，且内层主燃区的燃空当量比大于外层主燃区，以提高主燃级的燃烧稳定性并降低燃烧室的污染物排放。优选地，所述预燃级内旋流器是轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述预燃级内旋流器空气通道的出口直径小于入口直径。优选地，所述预燃级外旋流器为轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述预燃级外旋流器空气通道的出口直径小于入口直径。优选地，所述主燃级外旋流器为轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述主燃级外旋流器空气通道的出口直径小于进口直径。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在轴向上设置于预燃级内旋流器下游，在径向上设置于预燃级预膜喷嘴外侧。优选的，所述的预燃级燃油旋流器为6-8个旋流孔，孔的直径为Φ0.3-0.5mm，旋转角度10-40度，旋转方向与预燃级内旋流器气流旋转方向相同或相反。优选的，所述的预燃级收敛扩张段为文丘里管结构，包括收敛段、喉部和扩张段，其喉部处位于预燃级预膜喷嘴下游。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尺寸之比在0.3～0.5之间。优选的，所述的主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔的个数均为10-30之间。优选的，所述的主燃级内层燃油喷射孔直径在0.3～0.5mm之间，所述的主燃级外层燃油喷射孔直径在0.4-0.7mm之间。优选的，所述的头部油气掺混器预燃级的空气流量占头部总进气量的8％～15％，所述的头部油气掺混器主燃级空气流量占头部总进气量的40％～70％，所述的预燃级内旋流器空气流量占预燃级空气流量的30％～50％，所述的主燃级内旋流器的空气流量占主燃级空气流量的35％～55％。优选的，所述的头部油气掺混器的预燃级当量比范围为1.2-1.8之间，所述的内层主燃区当量比范围为0.6-0.8之间，所述的外层主燃区的当量比范围为0.4-0.7之间。本专利技术的主燃级燃油预热预蒸发三级分层部分预混燃烧室，空气经过四级旋流器进入火焰筒内部，燃油经过预燃级预膜喷嘴、主燃级的两排燃油喷射孔供入火焰筒，参与油气掺混和燃烧。其中，预燃级燃油经过预燃级预膜喷嘴形成油膜，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；主燃级油腔内的主燃级燃油经过主燃级的两排燃油喷射孔分别喷入主燃级外旋流器空气通道和主燃级内旋流器空气通道，其中，喷入主燃级外旋流器空气通道的燃油在横向射流空气的作用下雾化并与主燃级空气掺混，而喷入主燃级内旋流器空气通道内的燃油与预燃级收敛扩张段外表面发生碰撞，并吸收预燃级收敛扩张段表面热量和主燃级内旋流器空气通道内空气的热量，实现燃油完全或部分蒸发，从而以气态燃料形式参与掺混过程。控制向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，包括火焰筒和头部油气掺混器，所述头部油气掺混器设置在所述火焰筒的前端壁，包括位于中心的预燃级组件和位于外围的主燃级组件，所述预燃级组件将流经预燃级的燃油和空气掺混并进入预燃区燃烧，所述主燃级组件将流经主燃级的燃油和空气掺混并进入主燃区燃烧，其特征在于：‑‑所述预燃级组件包括由内到外、同轴布置的预燃级中心锥体、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两者之间的预燃级环腔，所述预燃级环腔的前部形成预燃级油腔，后部形成一狭缝式预燃级预膜段；所述的预燃级中心锥体和预燃级预膜喷嘴内壁构成了预燃级内旋流器空气通道；所述的预燃级预膜喷嘴外壁和预燃级收敛扩张段构成了预燃级外旋流器空气通道；在所述预燃级预膜段内设置有预燃级燃油旋流器，预燃级燃油在所述预燃级燃油旋流器的旋转作用下，在预燃级预膜喷嘴出口形成油膜，所述油膜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，之后进入所述预燃区燃烧，预燃区燃烧时，预燃级收敛扩张段的壁面受到加热；‑‑所述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，所述预燃级收敛扩张段和主燃级内旋流器外壁之间的空间构成主燃级内旋流器的空气通道；所述主燃级外旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁之间的空间构成主燃级外旋流器的空气通道；所述主燃级油腔呈环形，由主燃级内旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁包围而成，在主燃级内旋流器外壁上设置主燃级内层燃油喷射孔，在主燃级外旋流器内壁上设置主燃级外层燃油喷射孔，所述主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔用于分别向主燃级内旋流器和主燃级外旋流器的空气通道内喷射燃油，其中，所述主燃级内层燃油喷射孔将燃油喷射到预燃级收敛扩张段的外表面，并吸收预燃级收敛扩张段外表面和主燃级内旋流器空气通道内空气的热量，实现燃油完全或部分蒸发并与空气掺混，所述主燃级外层燃油喷射孔将燃油喷入主燃级外旋流器空气通道中，在横向射流空气的作用下雾化并与空气掺混，控制向主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔的喷油量，使得主燃级内旋流器空气通道内的燃空当量比大于主燃级外旋流器空气通道内的燃空当量比，将主燃区分为内层主燃区和外层主燃区，且控制内层主燃区的燃空当量比大于外层主燃区，同时预燃区的燃空当量比大于内层主燃区。...

【技术特征摘要】
1.一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，包括火焰筒和头部油气掺混器，所述头部油气掺混器设置在所述火焰筒的前端壁，包括位于中心的预燃级组件和位于外围的主燃级组件，所述预燃级组件将流经预燃级的燃油和空气掺混并进入预燃区燃烧，所述主燃级组件将流经主燃级的燃油和空气掺混并进入主燃区燃烧，其特征在于：--所述预燃级组件包括由内到外、同轴布置的预燃级中心锥体、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两者之间的预燃级环腔，所述预燃级环腔的前部形成预燃级油腔，后部形成一狭缝式预燃级预膜段；所述的预燃级中心锥体和预燃级预膜喷嘴内壁构成了预燃级内旋流器空气通道；所述的预燃级预膜喷嘴外壁和预燃级收敛扩张段构成了预燃级外旋流器空气通道；在所述预燃级预膜段内设置有预燃级燃油旋流器，预燃级燃油在所述预燃级燃油旋流器的旋转作用下，在预燃级预膜喷嘴出口形成油膜，所述油膜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，之后进入所述预燃区燃烧，预燃区燃烧时，预燃级收敛扩张段的壁面受到加热；--所述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，所述预燃级收敛扩张段和主燃级内旋流器外壁之间的空间构成主燃级内旋流器的空气通道；所述主燃级外旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁之间的空间构成主燃级外旋流器的空气通道；所述主燃级油腔呈环形，由主燃级内旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁包围而成，在主燃级内旋流器外壁上设置主燃级内层燃油喷射孔，在主燃级外旋流器内壁上设置主燃级外层燃油喷射孔，所述主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔用于分别向主燃级内旋流器和主燃级外旋流器的空气通道内喷射燃油，其中，所述主燃级内层燃油喷射孔将燃油喷射到预燃级收敛扩张段的外表面，并吸收预燃级收敛扩张段外表面和主燃级内旋流器空气通道内空气的热量，实现燃油完全或...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金虎，刘存喜，刘富强，穆勇，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