一种燃烧室燃油喷射与混合装置及包括该装置的燃烧室

摘要

本发明提供一种燃烧室燃油喷射与混合装置，包括预燃级、中间级和主燃级。预燃级包括中心锥体、一级旋流器、预膜式喷嘴和二级旋流器；中间级包括中间供油通路、衬套、中间级旋流器和套筒，燃油供给到中间级旋流器下游位于套筒和衬套之间的空间；主燃级包括主供油通路、主燃级内壁、主燃级旋流器和主燃级外壁，燃油供给到主燃级旋流器下游位于主燃级内壁和主燃级外壁之间的空间；主燃级内壁末端与套筒末端相连接并在套筒和主燃级内壁之间形成空腔，主燃级内壁末端设有冷却孔，上游空气进入空腔并穿过冷却孔来冲击套筒的末端，冷却主燃级内壁末端与套筒末端。本发明还提供了一种包括上述装置的燃烧室。

说明书

技术领域

本发明属于能源与动力燃烧装置领域，特别涉及一种航空发动机的燃 烧室燃油喷射与混合装置及包括该装置的燃烧室。

背景技术

随着大气环境问题在世界范围内受到越来越多的关注，对于航空发动 机污染物排放要求也日趋严格。下一代航空发动机产品市场需求表明，氮 氧化物(NOx)的排放量比现行国际民航组织(ICAO)规定标准还要减少 50％左右，同时其他排放物比如一氧化碳(CO)和未燃碳氢(UHC)均要 低于ICAO规定的标准。

研究表明，控制燃烧室内的燃气温度是控制NOx污染排放的关键，控 制燃烧区温度的主要技术途径之一就是采用贫油燃烧模式。但是在地面慢 车、起动点火等工作状态下，又需要燃烧区采用接近富油燃烧的油气匹配 方式，以保证燃烧性能，同时降低小功率状态下的CO和UHC排放。为了 解决大功率状态下NOx排放和小功率状态下CO、UHC排放的矛盾，可以 采用分级燃烧的形式，保证发动机不同功率下，燃烧室局部区域以最佳燃 油空气匹配模式进行燃烧。

分级燃烧技术在航空发动机燃烧室上已得到成功应用，GE公司在这一 类型的低排放燃烧室方面做了较多的工作，设计了可实现贫油燃烧的燃油 喷射装置用于发动机工程应用，比如：有些发动机采用的双环腔燃烧室分 级燃烧技术；有些发动机采用的中心分级燃烧技术，该技术采用三级供油、 五级旋流器。

由于结构紧凑、分区贫油燃烧控制NOx效果较好等优点，采用中心分 级燃烧技术已是低排放燃烧室发展的趋势。但是现有的分级燃烧技术，并 未能很好的解决分级燃烧技术中面临的分级状态点NOx排放和CO、UHC 排放性能的矛盾，而且采用的旋流器过多，导致结构较为复杂。

发明内容

因此，提供一种结构简单紧凑、既能有效降低关键污染物NOx的排放 量、又能降低低工况下CO、UHC的排放量的燃烧室燃油喷射与混合装置 将是有利的。

根据本发明的第一个方面，提供一种燃烧室燃油喷射与混合装置，所 述装置包括预燃级、环绕所述预燃级的中间级和环绕所述中间级的主燃级， 其中：

所述预燃级包括中心锥体、环绕所述中心锥体的一级旋流器、环绕所 述一级旋流器的预膜式喷嘴以及环绕所述预膜式喷嘴的二级旋流器；

所述中间级包括中间供油通路、衬套、环绕所述衬套的中间级旋流器 以及环绕所述中间级旋流器的套筒，所述中间供油通路将燃油供给到所述 中间级旋流器下游位于所述套筒和所述衬套之间的空间；

所述主燃级包括主供油通路、主燃级内壁、环绕所述主燃级内壁的主 燃级旋流器以及环绕所述主燃级旋流器的主燃级外壁，所述主供油通路将 燃油供给到所述主燃级旋流器下游位于所述主燃级内壁和主燃级外壁之间 的空间；以及

所述主燃级内壁的末端与所述套筒的末端相连接并在所述套筒和所述 主燃级内壁之间形成一个空腔，所述主燃级内壁的末端设有至少一个冷却 孔，上游空气进入所述空腔并穿过所述冷却孔来冲击所述套筒的末端，由 此冷却所述主燃级内壁的末端与所述套筒的末端。

在本发明的该方面，具有如下有益效果：

1.结构简单紧凑：采用四级旋流器和三级独立供油，从中心沿径向方 向排布预燃级、中间级、主燃级结构，充分利用各级旋流器产生的旋流达 到雾化三股喷射燃油的目的，优化了油气匹配，分区贫油燃烧控制关键污 染物NOx的效果较好。

2.预燃级油路选用预膜式喷嘴，能够改善喷嘴防积碳性能，并获得较 高的低工况性能，降低CO、UHC排放量。

3.通过上游空气来冷却主燃级和中间级之间的转接段，从而可有效延 长本发明装置的使用寿命。

优选地，所述主供油通路和/或中间供油通路设有喷嘴。

进一步优选地，所述喷嘴采用压力雾化结构或者气动雾化结构。

再进一步优选地，所述喷嘴包括至少一个喷射点或采用整环液膜喷射。 主燃级和中间级分别采用直射式多点燃油喷射或整环液膜喷射设计，燃油 喷入旋流器产生的旋转气流中，雾化效果好。

优选地，所述预燃级、所述中间级和所述主燃级内壁通过焊接形成一 个整体，并且与所述主燃级旋流器轴向浮动配合。该组件整体可以沿轴向 中心线方向移动进行拆装，从而三级供油的油路均可随喷嘴壳体一并拆装， 可以有效的检查油路工作状况。

进一步优选地，所述主燃级内壁具有安装用导向斜坡壁面和与所述导 向斜坡壁面紧邻设置的径向扩大壁面，所述径向扩大壁面与所述主燃级旋 流器的固定壁面轴向浮动配合。导向斜坡壁面的设置方便组件整体沿中心 线轴向滑动导入。

根据本发明的第二个方面，提供一种燃烧室，包括前述的燃烧室燃油 喷射与混合装置。该燃烧室具有根据本发明的第一个方面的装置的一切有 益效果。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面 将会得到清晰地阐述。

附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结 合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元 件：

图1示出了根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合装置的优选实施例的 剖视图；

图2示出了图1中燃烧室燃油喷射与混合装置的装配示意图。

附图标记说明

1第一配合面        2第二配合面

3主燃级旋流器      4固定壁面

5径向扩大壁面      51导向斜坡壁面

6主供油通路        7喷嘴

8中间供油通路      9中间级旋流器

1 0喷嘴              11套筒

12预膜式喷嘴        121缝隙

1 3中心锥体          14一级旋流器

1 5二级旋流器        1 6预液膜喷口

1 7衬套              1 8主燃级外壁

1 9主燃级内壁        20冷却孔

21末端              22主燃级通道

具体实施方式

首先介绍本技术领域的一些术语，其中：

旋流器：使气体产生旋转射流的装置；

分级燃烧：一种燃烧策略，分为轴向分级燃烧和径向分级燃烧，指燃 油、空气分区混合燃烧，在不同区域进行燃烧；

喷嘴：燃油喷射及雾化的装置；

燃油雾化：利用喷嘴把液态燃料变成油珠群的过程；

参见图1和图2所示，根据本发明的燃烧室燃油喷射与混合装置采用 由燃油喷嘴系统和旋流器构成的燃油喷射、油气混合系统，并按照中心分 级的排布设有3级独立分区供油。整个装置通过安装第一配合面1和第二 配合面2与燃烧室火焰筒头部端壁的转接段和挡溅盘连接。

图1示出了整个装置沿中心轴线的剖视图。燃烧室燃油喷射与混合装 置包括预燃级、中间级和主燃级，中间级环绕预燃级，主燃级环绕中间级。

在本实施方式中，预燃级采用预膜式喷嘴12，包括中心锥体13、环绕 中心锥体13的一级旋流器14、环绕一级旋流器14的预膜式喷嘴12以及 环绕预膜式喷嘴12的二级旋流器15。其中，燃油从预膜式喷嘴12进入狭 长的缝隙1 21，然后形成液膜从预液膜喷口1 6喷出，油膜两侧分别是第一 级旋流器14和第二级旋流器15所形成的旋流气流，因而油膜在旋流气流 的剪切作用下雾化，并喷入燃烧室。

中间级包括中间供油通路8、衬套17、环绕衬套1 7的中间级旋流器9 以及环绕中间级旋流器9的套筒11，中间供油通路8将燃油供给到中间级 旋流器9下游位于套筒11和衬套17之间的空间。其中，来自中间供油通 路8的燃油从直射式喷嘴10喷入衬套17与套筒11之间形成的通道(即空 间)内，在中间旋流器9出口形成的旋转气流作用下雾化喷入燃烧室。供 油方式采用周向中心对称布置的多点喷射，中间供油通路8与燃油系统连 接。

主燃级包括主供油通路6、主燃级内壁19、环绕主燃级内壁19的主燃 级旋流器3以及环绕主燃级旋流器3的主燃级外壁18，主供油通路6将燃 油供给到主燃级旋流器3下游位于主燃级内壁19和主燃级外壁18之间的 空间。其中，外围的主燃级通道22由主燃级外壁18和主燃级内壁19组成， 通道进口安置主燃级旋流器3，燃油喷射采用周向中心对称布置的多点喷 射直射式喷嘴7，喷入的燃油在旋流器3出口形成的旋转气流作用下雾化 喷入燃烧室。主供油通路6与燃油系统连接。

主燃级内壁19的末端与套筒11的末端21相连接，并在套筒11和主 燃级内壁19之间形成一个空腔，主燃级内壁19的末端设有至少一个冷却 孔20，上游空气进入该空腔并穿过冷却孔20来冲击套筒11的末端21，由 此冷却主燃级内壁19的末端与套筒11的末端21，即冷却主燃级和中间级 之间转接段。

在一些实施方式中，喷嘴7或10可采用压力雾化结构或者气动雾化结 构，并包括至少一个喷射点或采用整环液膜喷射。

如图2所示，在本实施方式中，燃油喷射装置的预燃级、中间级、主 燃级的各级旋流器和组件连接转接段，设计为一个采用焊接工艺的整体。 该组件整体可以沿中心线方向移动从而进行拆装，与主燃级旋流器3轴向 浮动配合从而可实现整体快速装拆，安装间隙配合面位于径向扩大壁面5 与最外侧的主燃级旋流器3的固定壁面4之间。图中虚线区域是可以拆装 的组件整体，装配时由径向扩大壁面5的安装用导向斜坡壁面51沿中心线 从左向右轴向滑动导入，这种配合可实现组件整体和主燃级旋流器3之间 的快速安装和拆卸。其中，图2中箭头方向为安装方向，拆卸方向与安装 方向相反。

本发明按照发动机不同功率的需求，中心径向方向排布了预燃级、中 间级、主燃级共3级独立分区供油。3级供油之间互相影响较小，避免在 燃烧室分级状态点附近产生局部不利于燃烧的油气混合区，可以在较宽工 作范围内很好的解决分级燃烧技术中面临的分级状态点NOx排放和CO、 UHC排放性能的矛盾。

本发明中所述具体实施方式仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用 来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效 变化与修饰，都属于本发明的保护范围。