專利名稱：一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)低污染燃燒室，特別是一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周 向分級(jí)低污染燃燒室。采用該方案的燃燒室燃燒穩(wěn)定性大幅度提高，同時(shí)可以顯著降低污 染物排放。
背景技術(shù)：
民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越受到更加嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的限制。當(dāng)前采用的 CAEP6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放比目前在役發(fā)動(dòng)機(jī)的平均排放水平低60%。針對(duì) 工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)則更為嚴(yán)格，要求達(dá)到百萬分之一的排放濃度。日益嚴(yán)格的污染 物排放標(biāo)準(zhǔn)也在促使人們進(jìn)一步探索更加有效的低污染燃燒組織形式。
GE發(fā)動(dòng)機(jī)公司提出了一種低污染燃燒室方案-TAPS (Twin Annular PremixingSwirler)，被認(rèn)為是目前技術(shù)成熟度最高的低污染燃燒技術(shù)。其燃燒室頭部 主要包括值班級(jí)和主燃級(jí)，主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)分別供油，實(shí)現(xiàn)分區(qū)燃燒。該低污染燃燒室 方案的主要發(fā)明人 Hukam Chand Mongia 在文獻(xiàn)(TAPS-A 4th Generation Propulsion CombustorTechnology for Low Emissions AIAA Paper 2003—2657)中指出，TAPS 方案 在慢車等低工況下僅值班級(jí)工作，在起飛、爬升和巡航等高工況下兩級(jí)同時(shí)工作，高工況下 值班級(jí)燃油比例為5% 10%，同時(shí)該方案的燃燒室火焰筒壁面上無主燃孔及摻混孔，僅 有火焰筒冷卻氣流經(jīng)過。GE公司針對(duì)該技術(shù)申請(qǐng)了 20多項(xiàng)美國專利，如US 6354072, US 6363726、US 6367262、US 6381964、US 6389815、US 6418726、US 6453660、US 6484489、 US 6865889、US7762073等。這些專利在TAPS燃燒室基準(zhǔn)型號(hào)上或針對(duì)值班級(jí)進(jìn)行優(yōu) 化，或針對(duì)主燃級(jí)旋流進(jìn)氣裝置進(jìn)行改進(jìn)，但是空氣流量及燃油流量在值班級(jí)和主燃級(jí) 之間的分配基本未變。所有上述專利均聲稱實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)的低污染燃燒要 求。但是美國密西根大學(xué)由James F. Driscoll教授領(lǐng)導(dǎo)的TAPS研究團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)研究表 明(Unsteady Aspectsof Lean Premixed-Prevaporized(LPP) Gas Turbine Combustors Flame—FlameInteractions，AIAA 2010—1148 ；Instantaneous Flow Structures in a Reacting GasTurbine Combustor, AIAA 2008—4683 ；Vortex-shedding and mixing layer effects onperiodic flashback in a lean premixed prevaporized gas turbine combustor，Proceedings of the Combustion Institute)，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換時(shí)，值 班級(jí)和主燃級(jí)供油比例的改變，會(huì)導(dǎo)致值班級(jí)和主燃級(jí)旋流通道的空氣流量分配改變，進(jìn) 而導(dǎo)致火焰筒內(nèi)各燃燒子區(qū)當(dāng)量比偏離設(shè)計(jì)值和燃燒不穩(wěn)定的產(chǎn)生等不利影響，此外該團(tuán) 隊(duì)的試驗(yàn)及數(shù)值結(jié)果顯示TAPS方案在主燃級(jí)和值班級(jí)之間存在著一定高度的臺(tái)階，臺(tái)階 后產(chǎn)生的臺(tái)階渦能夠支持巡航工況下主燃級(jí)的貧油預(yù)混穩(wěn)定燃燒，但是該漩渦的強(qiáng)度和大 小很大程度上受主燃級(jí)和值班級(jí)氣流速度差的影響，在外界氣流條件改變的情況下，該漩 渦對(duì)強(qiáng)度和大小也會(huì)隨之改變，進(jìn)而也會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生。GE公司的最新專 利US7762073中，則大幅度更改了值班級(jí)和主燃級(jí)之間的空氣流量和燃油流量分配，該專 利在值班級(jí)套筒擴(kuò)張段增加了一圈值班級(jí)周向多點(diǎn)直射式空氣霧化噴嘴，值班級(jí)所增加的燃油使得燃燒室值班級(jí)空氣流量比例可以從燃燒室總氣量的10%到30%變化，值班級(jí) 周向多點(diǎn)直射式空氣霧化噴嘴的供油量可以大于、等于或者小于值班級(jí)主噴嘴，并且該專 利指出當(dāng)值班級(jí)多點(diǎn)直射式空氣霧化噴嘴噴嘴供油比例增多時(shí)，燃燒室的污染物排放性 能更好。這樣的改進(jìn)方式實(shí)際上是在以犧牲部分TAPS技術(shù)的低污染排放能力為代價(jià)來 獲得較高的燃燒穩(wěn)定性。目前國內(nèi)低污染燃燒室方案主要集中在北京航空航天大學(xué)熱動(dòng) 力工程研究所，以林宇震、劉高恩等知名教授帶領(lǐng)的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)在低污染燃燒室概念設(shè)計(jì)和 工程應(yīng)用上有了諸多創(chuàng)新，并申請(qǐng)了諸多專利，如ZL200810104686. 3、ZL200810105061. 9、 20081010562. 3、200810104684. 4，上述4種低污染燃燒方案主燃級(jí)均采用了徑向旋流葉片 為主燃級(jí)霧化提供進(jìn)氣條件，專利200910238793. χ,201010101574. χ和201010034141. 7則 是為改進(jìn)主燃級(jí)霧化混合的性能，將蒸發(fā)管的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)概念引入到主燃級(jí)設(shè)計(jì)中。這些 方案在特定的燃燒室設(shè)計(jì)點(diǎn)，如巡航狀態(tài)，可以做到很低的污染物排放，但是在進(jìn)行工況轉(zhuǎn) 換時(shí)，由于燃油比例的改變同樣會(huì)導(dǎo)致與TAPS方案一樣的燃燒室燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象的產(chǎn) 生，故在實(shí)際應(yīng)用中同樣需要通過犧牲低污染排放能力來獲得穩(wěn)定的燃燒性能。
燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象通常發(fā)生在貧油預(yù)混燃燒條件下，故而在目前常規(guī)化學(xué)恰當(dāng)比主 燃區(qū)燃燒室中并不常見。但是未來為了滿足日益嚴(yán)格的航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，必然 要求燃燒室主燃區(qū)更加貧油，燃燒室設(shè)計(jì)者將會(huì)越來越頻繁的碰到燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。此外 燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象這一課題也是目前低污染燃燒室設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的 周向分級(jí)低污染燃燒室，該燃燒室在進(jìn)一步降低低污染物排放的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)低的燃燒穩(wěn) 定性也得到增強(qiáng)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒 室，所述燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用空氣分級(jí)配合燃油分級(jí)的低污染燃燒組織方式，燃燒氣 量全部由火焰筒頭部(68)的值班級(jí)(23)、中間級(jí)04)和主燃級(jí)0 供應(yīng)，燃油供應(yīng)按 照發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況及穩(wěn)定低污染燃燒需要控制向火焰筒頭部(68)的值班級(jí)(23)、中間級(jí) (24)和主燃級(jí)0 供應(yīng)燃油的比例；所述燃燒室由前置擴(kuò)壓器(16)、燃燒室外機(jī)匣(17)、 燃燒室內(nèi)機(jī)匣(18)、燃油供應(yīng)組件(19)、火焰筒頭部(68)、火焰筒外壁00)和火焰筒內(nèi)壁 (21)組成，前置擴(kuò)壓器(16)與燃燒室外機(jī)匣(17)和燃燒室內(nèi)機(jī)匣(18)相連，火焰筒外壁 (20)和火焰筒內(nèi)壁在燃燒室外機(jī)匣(17)和燃燒室內(nèi)機(jī)匣(18)組成的空間內(nèi)沿徑向 分布，火焰筒頭部(68)通過頭部端壁06)與火焰筒外壁00)和火焰筒內(nèi)壁相連，燃 油供應(yīng)組件(19)通過燃油管路基座(6 與燃燒室外機(jī)匣(17)固定；所述火焰筒頭部(68) 由值班級(jí)(23)、中間級(jí)04)、主燃級(jí)0 和頭部端壁06)組成；所述值班級(jí)由值班級(jí) 離心噴嘴(31)、值班級(jí)旋流組件(27)、值班級(jí)套筒(34)和值班級(jí)端壁(3 組成，利用值班 級(jí)旋流組件(XT)形成值班級(jí)燃燒區(qū)(8)用于穩(wěn)定火焰，值班級(jí)在啟動(dòng)狀態(tài)下單獨(dú)工 作，在其余工況下與中間級(jí)04)或與中間級(jí)04)和主燃級(jí)0 共同工作；所述值班級(jí)旋 流組件(XT)由值班級(jí)內(nèi)旋流器(觀)、值班級(jí)文氏管( )、值班級(jí)外旋流器(30)組成，值班 級(jí)內(nèi)旋流器08)同軸地套在值班級(jí)離心噴嘴(31)外圍，并通過值班級(jí)文氏管內(nèi)壁面卡槽 (32)固定，再利用值班級(jí)文氏管外壁面卡槽(3 固定值班級(jí)外旋流器(30)從而形成值班級(jí)旋流組件07)整體，值班級(jí)沿徑向由內(nèi)到外依次安裝有與頭部軸線同軸的值 班級(jí)離心噴嘴(31)、值班級(jí)旋流組件(XT)和值班級(jí)套筒(34)，值班級(jí)旋流組件(XT)和值 班級(jí)套筒(34)通過值班級(jí)端壁(3 連接形成值班級(jí)整體，值班級(jí)通過值班級(jí)套 筒尾緣(36)與中間級(jí)04)連接；所述中間級(jí)04)由位于同一軸向截面內(nèi)同一圓周上沿周 向均勻分布的多個(gè)中間級(jí)旋流組件G2)和中間級(jí)安裝基座Gl)組成，該圓周的圓心位于 頭部軸線03)上，中間級(jí)安裝基座Gl)上開有與中間級(jí)旋流組件G2)數(shù)目相同的中間級(jí) 旋流組件安裝孔(44)，單個(gè)中間級(jí)旋流組件0 由中間級(jí)直射式噴嘴(45)、中間級(jí)旋流器 (46)和中間級(jí)文氏管07)組成，中間級(jí)直射式噴嘴G5)與中間級(jí)旋流器G6)為一體化設(shè) 計(jì)，且中間級(jí)旋流器G6)被中間級(jí)文氏管卡槽G8)固定，并隨中間級(jí)文氏管G7) —起內(nèi) 嵌入中間級(jí)旋流組件安裝孔G4)內(nèi)形成中間級(jí)04)整體，中間級(jí)外壁面09)上開有多排 中間級(jí)斜切孔(50)，為主燃級(jí)05)提供切向氣流，中間級(jí)04)利用中間級(jí)端壁(51)與主 燃級(jí)05)連接，中間級(jí)04)所需燃油由中間級(jí)直射式噴嘴G5)噴出后，打在中間級(jí)文氏 管G7)內(nèi)壁面上形成油膜，該油膜受流經(jīng)中間級(jí)旋流器G6)的旋流空氣剪切作用，形成霧 化良好的旋流混氣，被值班級(jí)04)火焰引燃并在中間級(jí)下游形成與多個(gè)中間級(jí)旋流組件 (42)數(shù)目相同的多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)回流區(qū)(7)，中間級(jí)04)在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車低功率工況下與 值班級(jí)—起工作，起到調(diào)節(jié)燃燒區(qū)的局部當(dāng)量比以實(shí)現(xiàn)高效低污染燃燒的作用，而在 發(fā)動(dòng)機(jī)起飛、爬升和巡航高功率工況下，中間級(jí)旋流組件0 所形成的多旋流中間穩(wěn)焰級(jí) 回流區(qū)(7)起到強(qiáng)化穩(wěn)定主燃級(jí)貧油預(yù)混燃燒火焰的作用；所述主燃級(jí)0 由位于同一軸 向截面內(nèi)同一圓周上沿周向均勻分布的多個(gè)主燃級(jí)旋流組件(52)、主燃級(jí)預(yù)混腔(53)和 主燃級(jí)端壁(54)組成，該圓周的圓心位于頭部軸線G3)上，主燃級(jí)預(yù)混腔(53)上開有多 個(gè)主燃級(jí)旋流組件安裝孔(55)，且安裝孔(5 數(shù)目與主燃級(jí)旋流組件(5 數(shù)目一致，單個(gè) 主燃級(jí)旋流組件(5 由主燃級(jí)直射式噴嘴(56)、主燃級(jí)旋流器(57)和主燃級(jí)文氏管(58) 組成，其中主燃級(jí)直射式噴嘴(56)和主燃級(jí)旋流器(57)為一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)主燃級(jí)旋流器(57)被主燃級(jí)文氏管卡槽(59)固定，并隨主燃級(jí)文氏管(58)—起內(nèi)嵌入主燃級(jí)旋流組件 安裝孔(55)，主燃級(jí)預(yù)混腔(5 的壁面上開有多排主燃級(jí)預(yù)混腔壁面斜切孔(60)，所述斜 切孔(60)與中間級(jí)壁面斜切孔(50)數(shù)目和位置沿徑向一一對(duì)應(yīng)，一起為主燃級(jí)0 提供 對(duì)沖氣流，主燃級(jí)端壁(54)沿周向方向上開有多排主燃級(jí)端壁進(jìn)氣孔(61)，主燃級(jí)預(yù)混腔 (53)與主燃級(jí)端壁(54)采用焊接的方式連接，形成的主燃級(jí)0 整體通過螺栓與頭部端 壁06)連接，主燃級(jí)0 所需燃油從主燃級(jí)直射式噴嘴(56)噴出后，打在主燃級(jí)文氏管(58)壁面上形成油膜，該油膜受經(jīng)過主燃級(jí)旋流器(57)的旋流空氣剪切作用進(jìn)行初次霧 化，隨后進(jìn)入主燃級(jí)預(yù)混腔(53)，受到從主燃級(jí)預(yù)混腔壁面斜切孔(60)和中間級(jí)壁面斜切 孔(50)進(jìn)入的對(duì)沖氣流作用，形成二次混合，預(yù)混預(yù)蒸發(fā)良好的混氣在主燃級(jí)0 下游被 值班級(jí)燃燒區(qū)(8)引燃，同時(shí)被多旋流中間級(jí)燃燒區(qū)(7)強(qiáng)化穩(wěn)定，形成穩(wěn)定燃燒的貧油燃 燒的主燃級(jí)燃燒區(qū)(6)，由于主燃級(jí)0 消耗了大部分燃油，故整個(gè)燃燒室的污染物排放 水平很低。
所述燃燒用氣量全部由火焰筒頭部(68)供入，火焰筒頭部氣流(2)占燃燒室進(jìn)口 氣流(1)的60%到80%，其余為火焰筒冷卻氣流(9)，頭部氣流O)中值班級(jí)03)占0% 到15%，中間級(jí)04)占0%到15%，主燃級(jí)05)占30%到70%，其余為頭部冷卻氣流量。
所述值班級(jí)(23)、中間級(jí)04)和主燃級(jí)0 的燃油分級(jí)比例需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)(10)的工況條件靈活控制，啟動(dòng)工況下，值班級(jí)燃油流量占總?cè)加土髁康?00%，發(fā)動(dòng) 機(jī)(10)從啟動(dòng)工況轉(zhuǎn)變?yōu)槁嚬r時(shí)，逐漸開啟中間級(jí)(M)，此時(shí)值班級(jí)燃油量占總 燃油流量的0% -100%，其余為中間級(jí)04)燃油流量，在發(fā)動(dòng)機(jī)(10)起飛、爬升或巡航高 功率工況下，開啟主燃級(jí)(25)，此時(shí)值班級(jí)(23)、中間級(jí)04)和主燃級(jí)05)同時(shí)工作，此 時(shí)值班級(jí)03)燃油流量占總?cè)加土髁康?%-10%，中間級(jí)04)燃油流量占總?cè)加土髁康?0% _10%，其余為主燃級(jí)05)燃油流量。
所述值班級(jí)文氏管09)的擴(kuò)張半角、值班級(jí)套筒(34)的擴(kuò)張半角和值班級(jí)離心 噴嘴(31)的噴霧半錐角GO)這三個(gè)角度相等，且均在10° -20°內(nèi)變化，使得離心噴嘴 (31)的噴霧型面不會(huì)打到值班級(jí)文氏管09)或者值班級(jí)套筒(34)壁面上，從而增大液霧 的穿透深度深度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能。
所述值班級(jí)內(nèi)旋流器08)和值班級(jí)外旋流器(30)的葉片角度在20° -60°同向 變化，且值班級(jí)外旋流器(30)的葉片角度應(yīng)大于或等值班級(jí)內(nèi)旋流器08)的葉片角度，以 保護(hù)值班級(jí)離心噴嘴(31)的噴霧型面不會(huì)被值班級(jí)氣流打散，使得液霧的穿透深度增加， 利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能；此外，值班級(jí)外旋流器(30)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流會(huì)包裹著值班級(jí) 內(nèi)旋流燃?xì)?，同時(shí)還會(huì)貼著值班級(jí)套筒的內(nèi)表面，這就阻止了冷的值班級(jí)套筒壁面對(duì)值班 級(jí)內(nèi)旋流燃?xì)獾谋诿娲阆◤亩档土?CO和UHC污染物排放，也延緩了中間級(jí)和主燃級(jí)氣流 對(duì)值班級(jí)氣流的摻混從而提高了燃燒效率。
所述中間級(jí)04)中的中間級(jí)旋流組件G2)數(shù)量10彡c彡20，中間級(jí)旋流器06) 的葉片角度和中間級(jí)文氏管G7)的擴(kuò)張全角在均在30° -60°范圍變化，增大或減小這兩 個(gè)角度可以調(diào)節(jié)多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)回流區(qū)(7)的大小和強(qiáng)度，角度過大會(huì)造成中間級(jí)回流 區(qū)(7)強(qiáng)度大而長度短，使得中間級(jí)對(duì)主燃級(jí)和值班級(jí)火焰的淬熄干擾過大，污染物排放 增加，角度過小則會(huì)造成中間級(jí)回流區(qū)偏小，不利于穩(wěn)定主燃級(jí)火焰。
所述主燃級(jí)0 中的主燃級(jí)旋流組件(5 的數(shù)量10 < m < 20，主燃級(jí)旋流器 (57)的葉片角度和主燃級(jí)文氏管(58)的擴(kuò)張全角位于20° -30°范圍變化，這兩個(gè)角度應(yīng) 與主燃級(jí)預(yù)混腔(5 的尺寸相適應(yīng)，避免初次霧化的液霧碰壁導(dǎo)致霧化效果的急劇下降， 主燃級(jí)預(yù)混腔壁面斜切孔(60)和中間級(jí)斜切孔(50)的角度為-90° -90°。
所述主燃級(jí)端壁(54)沿周向開有多排主燃級(jí)端壁進(jìn)氣孔(61)，用以冷卻頭部端 壁(54)和限制主燃級(jí)氣流沿燃燒室徑向的快速擴(kuò)張。
所述燃油管路(6 通過供油盤(64)轉(zhuǎn)接之后，再往值班級(jí)離心噴嘴(31)、中間級(jí) 直射式噴嘴G5)和主燃級(jí)直射式噴嘴(56)供油。
所燃油供應(yīng)組件(19)由燃油管路基座(62)、燃油管路(63)和供油盤(64)組成， 燃油管路(6 包括值班級(jí)油路(65)、中間級(jí)油路(66)和主燃級(jí)油路(67)，值班級(jí)離心噴 嘴(31)、中間級(jí)直射式噴嘴05)和主燃級(jí)直射式噴嘴(56)與供油盤(64)采用焊接或螺栓 與供油盤(64)連接，并通過供油盤(64)供油，燃油管路(6 通過燃油管路基座(6 與燃 燒室外機(jī)匣(17)固定。
本發(fā)明的原理從低污染燃燒原理而言，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的低排放燃燒需要通過兩個(gè) 方面來實(shí)現(xiàn)第一，控制燃燒區(qū)域的總體當(dāng)量比，使當(dāng)量比落在低污染燃燒所要求的當(dāng)量比 區(qū)間；第二，控制燃燒區(qū)內(nèi)當(dāng)量比分布的均勻性，減少燃燒區(qū)內(nèi)的高溫?zé)狳c(diǎn)區(qū)域。實(shí)現(xiàn)這一 要求可以通過分級(jí)燃燒和強(qiáng)化各級(jí)燃油霧化質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。從穩(wěn)定燃燒角度而言，航空發(fā)動(dòng)8機(jī)通常采用旋流所產(chǎn)生的回流區(qū)來實(shí)現(xiàn)火焰的自駐定及穩(wěn)定。以往單燃燒區(qū)的燃燒室由于 一個(gè)燃燒區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)回流區(qū)，故燃燒穩(wěn)定性很高。而將單燃燒區(qū)改為多燃燒區(qū)時(shí)，外圍的貧 油難穩(wěn)定的主燃級(jí)燃燒區(qū)與位于內(nèi)圈穩(wěn)定燃燒的值班級(jí)燃燒區(qū)存在一定的臺(tái)階，這一臺(tái)階 的存在主要由燃燒室慢車低工況的燃燒和排放要求決定的，這樣的燃燒組織形式就決定了 主燃級(jí)的燃燒穩(wěn)定性將會(huì)完全受控與值班級(jí)和主燃級(jí)之間的臺(tái)階渦的大小和強(qiáng)度，而該臺(tái) 階渦的大小和強(qiáng)度在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程工況條件下，受值班級(jí)和主燃級(jí)的氣流條件影響過 大，在偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)狀況時(shí)極易造成燃燒不穩(wěn)定的產(chǎn)生。本發(fā)明綜合考慮低污染及燃燒穩(wěn)定 的要求，采用在值班級(jí)和主燃級(jí)之間增加多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)和改善各燃燒子區(qū)的霧化質(zhì)量 的方法來同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒室低污染及穩(wěn)定燃燒的要求。即燃燒室采用分級(jí)燃燒的設(shè)計(jì)理念， 燃燒氣量分三級(jí)分別從值班級(jí)、中間級(jí)和主燃級(jí)供入燃燒室，同時(shí)對(duì)應(yīng)地將燃油供油也設(shè) 計(jì)為三級(jí)供油，并按照發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行包線內(nèi)的工況條件控制燃油分級(jí)比例，精確控制燃燒 室內(nèi)各燃燒子區(qū)的當(dāng)量比落在低污染燃燒的當(dāng)量比區(qū)間實(shí)現(xiàn)低污染燃燒對(duì)各燃燒子區(qū)總 體當(dāng)量比的要求。值班級(jí)在啟動(dòng)工況下工作，保持值班級(jí)當(dāng)量比在富油低污染燃燒當(dāng)量比 區(qū)間，兩級(jí)軸向旋流配合文氏管的組合結(jié)構(gòu)形成的穩(wěn)定低速回流區(qū)用于整個(gè)燃燒室的穩(wěn)定 燃燒，富油當(dāng)量比設(shè)計(jì)的值班級(jí)可以獲得良好的燃燒室啟動(dòng)特性和穩(wěn)定燃燒能力，同時(shí)燃 燒效率高、熱力NOx排放少，值班級(jí)富油燃燒的產(chǎn)物CO和UHC等會(huì)在向火焰筒下游的運(yùn)行 過程中被中間級(jí)和主燃級(jí)的氣流迅速摻混氧化，最終到達(dá)火焰筒出口的為低污染物排放的 燃?xì)?。中間級(jí)采用位于同一軸向截面圓周上的多個(gè)單級(jí)軸向旋流配合文氏管組合結(jié)構(gòu)，不 僅可以使得中間級(jí)的油氣混合更均勻，同時(shí)可以在值班級(jí)和主燃級(jí)之間形成主動(dòng)穩(wěn)定的多 旋流中間級(jí)穩(wěn)焰燃燒區(qū)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況過渡到慢車時(shí)，開啟中間級(jí)，中間級(jí)與值班級(jí)共同 工作，控制中間級(jí)的當(dāng)量比在富油低污染燃燒當(dāng)量比區(qū)間，降低熱力NOx排放，由于此時(shí)值 班級(jí)和中間級(jí)的當(dāng)量比都不是太大，富油產(chǎn)物CO和UHC等很容易就被主燃級(jí)的氣流快速摻 混氧化，最終到燃燒室出口處污染物排放很小，實(shí)現(xiàn)慢車工況下的低污染燃燒。增加的中間 級(jí)，在啟動(dòng)狀態(tài)不會(huì)影響到值班級(jí)的低污染高效燃燒狀態(tài)，在慢車狀態(tài)時(shí)中間級(jí)與值班級(jí) 一起供油供氣，使得慢車燃燒區(qū)的當(dāng)量比不至于過大而影響出口溫度分布，而在起飛、爬升 和巡航等高功率狀態(tài)，中間級(jí)的多旋流穩(wěn)焰回流燃燒區(qū)可以幫助主燃級(jí)穩(wěn)定火焰，實(shí)現(xiàn)主 燃級(jí)火焰的主動(dòng)穩(wěn)定，消除發(fā)動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)換所帶來的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。主燃級(jí)采用多個(gè)單 級(jí)軸向旋流配合文氏管組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化油氣混合，隨后初步混合的油氣在主燃級(jí)預(yù)混腔 中進(jìn)行二次混合，混合均勻的貧油混氣在火焰筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒，降低燃燒室 污染物排放，由于主燃級(jí)火焰被中間級(jí)主動(dòng)穩(wěn)定，故主燃級(jí)可以設(shè)計(jì)得非常貧油，這就充分 利用了預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒方式的低污染燃燒能力。采用上述低污染燃燒室，可以保證燃燒室 在保持低污染物排放能力的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行包線內(nèi)進(jìn)行大幅度工況轉(zhuǎn)換時(shí)燃燒穩(wěn)定性 也得到增強(qiáng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)本發(fā)明增加了帶多旋流的中間穩(wěn)焰級(jí)，改變TAPS方案中被動(dòng)臺(tái)階渦為旋流控 制的主動(dòng)渦，能夠提高主燃級(jí)火焰的燃燒穩(wěn)定性。
(2)值班級(jí)采用兩級(jí)軸向旋流配合文氏管的組合結(jié)構(gòu)，形成的低速回流區(qū)可以支 持燃燒室的穩(wěn)定燃燒，中間級(jí)采用位于同一軸向截面內(nèi)同一圓周上沿周向分布的多個(gè)單級(jí) 軸向旋流配合文氏管組合結(jié)構(gòu)在值班級(jí)燃燒區(qū)和主燃級(jí)燃燒區(qū)之間形成主動(dòng)穩(wěn)定的多旋流中間級(jí)穩(wěn)焰燃燒區(qū)，用于實(shí)現(xiàn)主燃級(jí)火焰的主動(dòng)穩(wěn)定，主燃級(jí)采用位于同一軸向截面內(nèi) 同一圓周上沿周向分布的多個(gè)單級(jí)軸向旋流配合文氏管組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化油氣混合的貧油預(yù) 混預(yù)蒸發(fā)燃燒方式，降低燃燒室污染物排放，火焰筒壁面上僅有冷卻氣流供入；
(3)本發(fā)明的中間穩(wěn)焰級(jí)增大了頭部進(jìn)氣面積，使得燃燒室進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換時(shí)各級(jí) 旋流空氣流量變化幅度較常規(guī)設(shè)計(jì)減小，能夠增強(qiáng)燃燒室進(jìn)行大幅度工況轉(zhuǎn)換的能力。
(4)本發(fā)明的中間級(jí)采用位于同一軸向截面的多個(gè)單級(jí)軸向旋流配合文氏管組合 結(jié)構(gòu)，可以使得中間級(jí)的油氣混合更均勻。
(5)本發(fā)明的中間穩(wěn)焰級(jí)，在慢車工況下與值班級(jí)共同工作，降低了 TAPS方案低 工況下值班級(jí)燃燒區(qū)的當(dāng)量比，使得主燃級(jí)的氣流很容易就能夠?qū)⒅蛋嗉?jí)和中間級(jí)的富油 產(chǎn)物氧化，并且可以改善出口溫度分布品質(zhì)。
(6)本發(fā)明的主燃級(jí)采用旋流葉片和文氏管結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助霧化，之后進(jìn)入主燃級(jí) 預(yù)混腔與主燃級(jí)氣流進(jìn)行二次霧化、摻混，使得主燃級(jí)油氣混合均勻性得到改善，降低燃燒 室污染物排放。


圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的燃燒室工作示意圖3為本發(fā)明的燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明的火焰筒頭部結(jié)構(gòu)圖5為本發(fā)明值班級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖5-a為沿空氣流向示意圖，圖5_b為逆空 氣流向示意圖，圖中箭頭指向?yàn)榭諝饬鲃?dòng)方向；
圖6為本發(fā)明值班級(jí)結(jié)構(gòu)剖視圖7為本發(fā)明中間級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖7-a為沿空氣流向示意圖，圖7_b為逆空 氣流向示意圖，圖中箭頭指向?yàn)榭諝饬鲃?dòng)方向；
圖8為本發(fā)明中間級(jí)結(jié)構(gòu)剖視圖9為本發(fā)明主燃級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖9-a為沿空氣流向示意圖，圖9_b為逆空 氣流向示意圖，圖中箭頭指向?yàn)榭諝饬鲃?dòng)方向；
圖10為本發(fā)明主燃級(jí)結(jié)構(gòu)剖視圖11為本發(fā)明燃油組件剖視圖中1.燃燒室進(jìn)口氣流，2.火焰筒頭部氣流，3.燃燒室外環(huán)腔氣流，4.燃燒室內(nèi) 環(huán)腔氣流，5.火焰筒出口氣流，6.主燃級(jí)燃燒區(qū)，7.多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)燃燒區(qū)，8.值班級(jí)燃 燒區(qū)，9.火焰筒冷卻氣流，10.發(fā)動(dòng)機(jī)，11.低壓壓氣機(jī)，12.高壓壓氣機(jī)，13.燃燒室，14.高 壓渦輪，15.低壓渦輪，16.前置擴(kuò)壓器，17.燃燒室外機(jī)匣，18.燃燒室內(nèi)機(jī)匣，19.燃油供應(yīng) 組件，20.火焰筒外壁，21.火焰筒內(nèi)壁，22.火焰筒冷卻孔，23.值班級(jí)，24.中間級(jí)，25.主 燃級(jí)，26.頭部端壁，27.值班級(jí)旋流組件，28.值班級(jí)內(nèi)旋流器，29.值班級(jí)文氏管，30.值班 級(jí)外旋流器，31.值班級(jí)離心噴嘴，32.值班級(jí)文氏管內(nèi)壁面卡槽，33.值班級(jí)文氏管外壁面 卡槽，34.值班級(jí)套筒，35.值班級(jí)端壁，36.值班級(jí)套筒尾緣，37.值班級(jí)噴霧張角，38.文 氏管擴(kuò)張段張角，39.套筒擴(kuò)張角，40.值班級(jí)噴霧，41.中間級(jí)安裝基座，42.中間級(jí)旋流組 件，43.頭部軸線，44.中間級(jí)旋流組件安裝孔，45.中間級(jí)直射式噴嘴，46.中間級(jí)旋流器，47.中間級(jí)文氏管，48.中間級(jí)文氏管卡槽，49.中間級(jí)外壁面，50.中間級(jí)斜切孔，51.中間 級(jí)端壁，52.主燃級(jí)旋流組件，53.主燃級(jí)預(yù)混腔，54.主燃級(jí)端壁，55.主燃級(jí)旋流組件安裝 孔，56.主燃級(jí)直射式噴嘴，57.主燃級(jí)旋流器，58.主燃級(jí)文氏管，59.主燃級(jí)文氏管卡槽， 60.主燃級(jí)預(yù)混腔壁面斜切孔，61.主燃級(jí)端壁進(jìn)氣孔，62.燃油管路基座、63.燃油管路， 64.供油盤，65.值班級(jí)油路，66.中間級(jí)油路67.主燃級(jí)油路，68.火焰筒頭部。
具體實(shí)施方式
圖1是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括低壓壓氣機(jī)11，高壓壓氣機(jī)12，燃 燒室13，高壓渦輪14和低壓渦輪15。發(fā)動(dòng)機(jī)10工作時(shí)，空氣經(jīng)過低壓壓氣機(jī)11壓縮后， 再進(jìn)入高壓壓氣機(jī)12，高壓空氣進(jìn)入到本發(fā)明所述燃燒室13中燃燒，燃油噴射系統(tǒng)向高壓 氣流中噴射燃油，在所述燃燒室13中進(jìn)行充分有效燃燒，形成的高溫高壓燃?xì)?，進(jìn)入到高 壓渦輪14和低壓渦輪15，從而推動(dòng)渦輪做功。
圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室的工作 示意圖，圖3為燃燒室的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，該燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用采用空氣分級(jí)配合燃油分 級(jí)的低污染燃燒組織方式。燃燒用燃燒氣量全部由值班級(jí)、中間級(jí)和主燃級(jí)供應(yīng)，燃油供應(yīng) 按發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況及低污染燃燒需要控制向值班級(jí)、中間級(jí)和主燃級(jí)供應(yīng)燃油的比例，值 班級(jí)采用兩級(jí)軸向旋流配合文氏管的組合結(jié)構(gòu)形成的擴(kuò)散燃燒方式支持燃燒室的穩(wěn)定燃 燒，中間級(jí)采用多個(gè)單級(jí)軸向旋流配合文氏管組合結(jié)構(gòu)在值班級(jí)燃燒區(qū)和主燃級(jí)燃燒區(qū)之 間形成主動(dòng)穩(wěn)定的多旋流中間級(jí)穩(wěn)焰燃燒區(qū)，用于實(shí)現(xiàn)主燃級(jí)火焰的主動(dòng)穩(wěn)定，主燃級(jí)采 用多個(gè)單級(jí)軸向旋流配合文氏管組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化油氣混合的貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒方式，降低 燃燒室污染物排放，火焰筒壁面上僅有冷卻氣流供入，無主燃孔及摻混孔。本燃燒室包括三 個(gè)燃燒區(qū)——值班級(jí)燃燒區(qū)8、中間級(jí)燃燒區(qū)7和主燃級(jí)燃燒區(qū)6，燃燒區(qū)的外邊界為火焰 筒外壁20，內(nèi)邊界為火焰筒內(nèi)壁21，環(huán)形的火焰筒內(nèi)壁21和火焰筒外壁20在環(huán)形的燃燒 室內(nèi)機(jī)匣18和外機(jī)匣17之間沿徑向分布。在火焰筒內(nèi)壁21和火焰筒外壁20上僅開有冷 卻孔22，用于冷卻火焰筒壁面，保證燃燒室的壽命，冷卻孔的示意圖如圖3所示。
為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)10在飛行包線的全部工況內(nèi)都實(shí)現(xiàn)低污染燃燒，需要精心設(shè)計(jì)燃 燒室13內(nèi)各燃燒子區(qū)的當(dāng)量比，保持各燃燒子區(qū)的總當(dāng)量比落在低污染排放區(qū)間和局部 當(dāng)量比均勻。如圖3所示，從高壓壓氣機(jī)12過來的氣流經(jīng)過燃燒室前置擴(kuò)壓器1減速增壓 之后分成三股，其中氣流2約占進(jìn)口氣流1的60%到80%，其余為火焰筒冷卻流量9。氣流 2為燃燒室全部燃燒氣量和頭部端壁冷卻氣量，頭部氣流2中值班級(jí)23占0 %到15 %，中間 級(jí)對(duì)占0%到15%，主燃級(jí)25占30%到70%，其余為頭部冷卻氣流量。值班級(jí)23、中間級(jí) 對(duì)和主燃級(jí)25的燃油分級(jí)比例則要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)10的工況條件靈活控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)10啟動(dòng) 工況下，僅值班級(jí)23工作，值班級(jí)23占總?cè)加土髁康?00% ；發(fā)動(dòng)機(jī)10從啟動(dòng)工況轉(zhuǎn)變?yōu)?慢車工況時(shí)，逐漸開啟中間級(jí)24，此時(shí)值班級(jí)23燃油占總?cè)加土髁康?%到100%，其余為 中間級(jí)燃油流量；在發(fā)動(dòng)機(jī)起飛或爬升等高功率工況下，再開啟主燃級(jí)25，此時(shí)值班級(jí)23、 中間級(jí)M和主燃級(jí)25同時(shí)工作，此時(shí)值班級(jí)23燃油流量占總?cè)加土髁康?%到10%，中 間級(jí)M燃油流量占總?cè)加土髁康?%到10%，其余為主燃級(jí)25燃油流量。
如圖4所示，在火焰筒燃燒區(qū)的上游是火焰筒頭部68，火焰筒頭部68由值班級(jí) 23，中間級(jí)對(duì)，主燃級(jí)25和頭部端壁26組成。
如圖5和圖6所示。值班級(jí)23由值班級(jí)離心噴嘴31、值班級(jí)旋流組件27、值班級(jí) 套筒34和值班級(jí)端壁35組成。值班級(jí)旋流組件27由值班級(jí)內(nèi)旋流器觀、值班級(jí)文氏管 四、值班級(jí)外旋流器30組成，其連接形式為值班級(jí)內(nèi)旋流器觀同軸地套在值班級(jí)離心噴嘴 外圍31，通過值班級(jí)文氏管內(nèi)壁面卡槽32固定，再利用值班級(jí)文氏管外壁面卡槽33固定值 班級(jí)外旋流器30，從而形成值班級(jí)旋流組件27整體，值班級(jí)27沿徑向由內(nèi)到外依次安裝有 與頭部軸線43同軸的值班級(jí)離心噴嘴31、值班級(jí)旋流組件27和值班級(jí)套筒34，值班級(jí)旋 流組件27和值班級(jí)套筒34通過值班級(jí)端壁35連接形成值班級(jí)23整體，值班級(jí)23通過值 班級(jí)套筒尾緣36與中間級(jí)M連接。值班級(jí)內(nèi)旋流器觀和值班級(jí)外旋流器30的葉片角度 在20°到60°同向變化，且值班級(jí)外旋流30的葉片角度大于或等于值班級(jí)內(nèi)旋流器觀的 葉片角度。由于值班級(jí)文氏管四安裝在值班級(jí)內(nèi)旋流器觀和值班級(jí)外旋流器30之間，故 進(jìn)入值班級(jí)23的氣流在經(jīng)過值班級(jí)旋流組件27后會(huì)形成兩股同向旋轉(zhuǎn)射流，同時(shí)由于值 班級(jí)外旋流器30的葉片角度大于值班級(jí)內(nèi)旋流器觀的葉片角度，值班級(jí)外旋流會(huì)貼著值 班級(jí)套筒34內(nèi)壁面旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，值班級(jí)內(nèi)旋流則被包裹在值班級(jí)外旋流面，兩股氣流為分層 流動(dòng)。由于值班級(jí)文氏管四的收擴(kuò)作用，使得值班級(jí)內(nèi)旋流器觀以較小的葉片角度就可 以在火焰筒內(nèi)形成強(qiáng)大的值班級(jí)回流用于穩(wěn)定燃燒，值班級(jí)外旋流空氣一部分為值班級(jí)燃 燒區(qū)提供新鮮空氣，另外一部分氣量則可以起到防止值班級(jí)套筒壁面對(duì)值班級(jí)燃燒區(qū)8火 焰的淬熄作用，值班級(jí)外旋流包裹在值班級(jí)火焰的外側(cè)，還可以延緩中間級(jí)M和主燃級(jí)25 氣流對(duì)值班級(jí)火焰淬熄作用，使得值班級(jí)燃燒區(qū)8的燃燒效率提高，同時(shí)CO和UHC排放少。 從值班級(jí)離心噴嘴31噴出的值班級(jí)燃油噴霧40的張角，值班級(jí)文氏管四和值班級(jí)套筒34 的張角應(yīng)保持近似相等，并且三者的半角均在10°到20°變化，這樣的噴霧型面設(shè)計(jì)配合 分層流動(dòng)的值班級(jí)兩級(jí)旋流，可以保證離心噴嘴的噴霧型面不被值班級(jí)氣流破壞，使液霧 的穿透深度增加，利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能，值班級(jí)文氏管四和值班級(jí)套筒34的擴(kuò)張角 度較小則是為了延緩中間級(jí)M和主燃級(jí)25氣流對(duì)值班級(jí)火焰淬熄作用，使得值班級(jí)燃燒 區(qū)8的燃燒效率提高，同時(shí)CO和UHC排放少。值班級(jí)23在啟動(dòng)狀態(tài)下單獨(dú)工作，在其余工 況下與中間級(jí)M或與中間級(jí)M和主燃級(jí)25共同工作
如圖7和圖8所示，中間級(jí)M由位于同一軸向截面內(nèi)同一圓周上沿周向均勻分布 的多個(gè)中間級(jí)旋流組件42和中間級(jí)安裝基座41組成，該圓周的圓心位于頭部軸線43上， 中間級(jí)安裝基座41上開有與中間級(jí)旋流組件42數(shù)目相同的中間級(jí)旋流組件安裝孔44，單 個(gè)中間級(jí)旋流組件42由中間級(jí)直射式噴嘴45、中間級(jí)旋流器46和中間級(jí)文氏管47組成， 中間級(jí)直射式噴嘴45與中間級(jí)旋流器46為一體化設(shè)計(jì)，且中間級(jí)旋流器46被中間級(jí)文氏 管卡槽48固定，并隨中間級(jí)文氏管47—起內(nèi)嵌入中間級(jí)旋流組件安裝孔44形成中間級(jí)M 整體，中間級(jí)外壁面49上開有中間級(jí)斜切孔50，為主燃級(jí)25提供切向氣流，中間級(jí)M利 用中間級(jí)端壁51與主燃級(jí)25連接。中間級(jí)旋流組件42總共數(shù)目10<c<20，對(duì)應(yīng)中間 級(jí)直射式噴嘴45、中間級(jí)文氏管47和中間級(jí)旋流組件安裝孔44數(shù)目也在10 < c < 20變 化，且數(shù)目一樣。中間級(jí)旋流器46葉片角度在30°到60°變化，中間級(jí)旋流器46的葉片 角度不能過大和過小，葉片角過大會(huì)造成中間級(jí)回流區(qū)強(qiáng)度大而長度短，對(duì)主燃級(jí)和值班 級(jí)火焰的淬熄干擾過大，使得污染物排放增加，葉片角過小則會(huì)造成中間級(jí)回流區(qū)偏小，不 利于穩(wěn)定主燃級(jí)火焰。中間級(jí)所需燃油由中間級(jí)直射式噴嘴45噴出后，打在中間級(jí)文氏管 47壁面上形成油膜，該油膜受流經(jīng)中間級(jí)旋流器46的旋流空氣剪切作用，形成霧化良好的旋流混氣，被值班級(jí)23火焰引燃并在中間級(jí)M下游形成與多個(gè)中間級(jí)旋流組件數(shù)目相同 的10 < c < 20個(gè)多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)回流區(qū)，中間級(jí)油氣混合物在中間穩(wěn)焰級(jí)燃燒區(qū)7內(nèi) 進(jìn)行擴(kuò)散燃燒，中間級(jí)M在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車等低功率工況下與值班級(jí)23 —起工作，起到調(diào)節(jié)燃 燒區(qū)的局部當(dāng)量比以實(shí)現(xiàn)高效低污染燃燒，而在發(fā)動(dòng)機(jī)起飛、爬升和巡航等高功率工況下， 中間級(jí)旋流組件42所形成的多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)燃燒區(qū)7則可以起到強(qiáng)化穩(wěn)定主燃級(jí)25貧 油預(yù)混燃燒火焰的作用；
如圖9和圖10所示，主燃級(jí)25由位于位于同一軸向截面內(nèi)同一圓周上沿周向均 勻分布的10 < m < 20個(gè)主燃級(jí)旋流組件52、主燃級(jí)預(yù)混腔53和主燃級(jí)端壁M組成，該圓 周的圓心位于頭部軸線43上，主燃級(jí)預(yù)混腔53沿頭部軸線43截面開有個(gè)與主燃級(jí)旋流組 件52數(shù)目一致的主燃級(jí)旋流組件安裝孔55。單個(gè)主燃級(jí)旋流組件52由主燃級(jí)直射式噴 嘴56、主燃級(jí)旋流器57和主燃級(jí)文氏管58組成，其中主燃級(jí)直射式噴嘴56和主燃級(jí)旋流 器58為一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)主燃級(jí)旋流器57被主燃級(jí)文氏管卡槽59固定，并隨主燃級(jí)文氏 管58 —起內(nèi)嵌入主燃級(jí)旋流組件安裝孔55，主燃級(jí)預(yù)混腔53壁面開有主燃級(jí)預(yù)混腔壁面 斜切孔60，該斜切孔與中間級(jí)斜切孔50 —起為主燃級(jí)提供對(duì)沖氣流，主燃級(jí)端壁M沿周 向方向上開有多排主燃級(jí)端壁進(jìn)氣孔61，主燃級(jí)預(yù)混腔53與主燃級(jí)端壁M采用焊接的方 式連接，形成的主燃級(jí)25整體通過螺栓與頭部端壁沈連接，主燃級(jí)25所需燃油從主燃級(jí) 直射式噴嘴56噴出后，打在主燃級(jí)文氏管壁面上形成油膜，該油膜受經(jīng)過主燃級(jí)旋流器57 的旋流空氣剪切作用進(jìn)行初次霧化，隨后進(jìn)入主燃級(jí)預(yù)混腔53，受到從主燃級(jí)預(yù)混腔壁面 斜切孔60和中間級(jí)斜切50孔進(jìn)入的對(duì)沖氣流作用，形成二次混合，預(yù)混預(yù)蒸發(fā)良好的混氣 在主燃級(jí)25下游被值班級(jí)火焰引燃，同時(shí)被多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)強(qiáng)化穩(wěn)定，形成穩(wěn)定燃燒的 貧油燃燒的主燃級(jí)燃燒區(qū)6。主燃級(jí)旋流器57的葉片角度和主燃級(jí)文氏管58的擴(kuò)張全角 位于20°到30°變化，且應(yīng)與主燃級(jí)預(yù)混腔53的尺寸相適應(yīng)，避免初次霧化的液霧碰壁， 導(dǎo)致霧化效果的急劇下降，主燃級(jí)預(yù)混腔壁面斜切孔60和中間級(jí)斜切孔50的角度為-90° 到90°變化，調(diào)整該角度可以改變主燃級(jí)二次摻混的效果。由于主燃級(jí)25消耗了大部分燃 油，以及中間級(jí)多旋流穩(wěn)焰級(jí)的穩(wěn)定火焰，使得主燃級(jí)M可以設(shè)計(jì)得非常貧油，充分利用 預(yù)混預(yù)蒸發(fā)技術(shù)的低污染物排放能力；主燃級(jí)端壁M沿周向開有多排主燃級(jí)端壁進(jìn)氣孔 61，用以冷卻頭部端壁沈和限制主燃級(jí)氣流沿燃燒室徑向的快速擴(kuò)張。通過主燃級(jí)端壁進(jìn) 氣孔61的氣流可以包裹在主燃級(jí)氣流的外側(cè)，可以冷卻頭部端壁，同時(shí)避免主燃級(jí)火焰碰 到冷的頭部端壁26壁面，減小淬熄作用從而降低污染物排放。此外由于從主燃級(jí)25出來 的氣流旋流強(qiáng)度較弱，包裹主燃級(jí)外側(cè)的氣流可以限制主燃級(jí)氣流沿徑向的快速擴(kuò)張，增 強(qiáng)主燃級(jí)火焰的剛性。
如圖3和圖11所示，燃油供應(yīng)組件19由燃油管路基座62、燃油管路63和供油盤 64組成，燃油管路63包括值班級(jí)油路65、中間級(jí)油路66和主燃級(jí)油路67，值班級(jí)離心噴嘴 31、中間級(jí)直射式噴嘴45和主燃級(jí)直射式噴嘴56通過螺紋與供油盤64連接，通過供油盤 64供油，燃油管路63通過燃油管路基座62與燃燒室外機(jī)匣17固定。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征在于所述燃燒室為單 環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用空氣分級(jí)配合燃油分級(jí)的低污染燃燒組織方式，燃燒氣量全部由火焰筒頭 部(68)的值班級(jí)(23)、中間級(jí)04)和主燃級(jí)0 供應(yīng)，燃油供應(yīng)按照發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況及 穩(wěn)定低污染燃燒需要控制向火焰筒頭部(68)的值班級(jí)(23)、中間級(jí)04)和主燃級(jí)05)供 應(yīng)燃油的比例；所述燃燒室由前置擴(kuò)壓器(16)、燃燒室外機(jī)匣(17)、燃燒室內(nèi)機(jī)匣(18)、燃 油供應(yīng)組件(19)、火焰筒頭部(68)、火焰筒外壁00)和火焰筒內(nèi)壁組成，前置擴(kuò)壓器 (16)與燃燒室外機(jī)匣(17)和燃燒室內(nèi)機(jī)匣(18)相連，火焰筒外壁00)和火焰筒內(nèi)壁 在燃燒室外機(jī)匣(17)和燃燒室內(nèi)機(jī)匣(18)組成的空間內(nèi)沿徑向分布，火焰筒頭部(68)通 過頭部端壁06)與火焰筒外壁00)和火焰筒內(nèi)壁相連，燃油供應(yīng)組件(19)通過燃 油管路基座(62)與燃燒室外機(jī)匣(17)固定；所述火焰筒頭部(68)由值班級(jí)(23)、中間級(jí) (M)、主燃級(jí)0 和頭部端壁06)組成；所述值班級(jí)由值班級(jí)離心噴嘴(31)、值班 級(jí)旋流組件(27)、值班級(jí)套筒(34)和值班級(jí)端壁(3 組成，利用值班級(jí)旋流組件(XT)形 成值班級(jí)燃燒區(qū)(8)用于穩(wěn)定火焰，值班級(jí)在啟動(dòng)狀態(tài)下單獨(dú)工作，在其余工況下與 中間級(jí)04)或與中間級(jí)04)和主燃級(jí)0 共同工作；所述值班級(jí)旋流組件(XT)由值班 級(jí)內(nèi)旋流器(觀)、值班級(jí)文氏管( )、值班級(jí)外旋流器(30)組成，值班級(jí)內(nèi)旋流器08)同 軸地套在值班級(jí)離心噴嘴(31)外圍，并通過值班級(jí)文氏管內(nèi)壁面卡槽(3 固定，再利用值 班級(jí)文氏管外壁面卡槽(3 固定值班級(jí)外旋流器(30)從而形成值班級(jí)旋流組件(XT)整 體，值班級(jí)03)沿徑向由內(nèi)到外依次安裝有與頭部軸線G3)同軸的值班級(jí)離心噴嘴(31)、 值班級(jí)旋流組件(XT)和值班級(jí)套筒(34)，值班級(jí)旋流組件(XT)和值班級(jí)套筒(34)通過值 班級(jí)端壁(3 連接形成值班級(jí)整體，值班級(jí)03)通過值班級(jí)套筒尾緣(36)與中間 級(jí)04)連接；所述中間級(jí)04)由位于同一軸向截面內(nèi)同一圓周上沿周向均勻分布的多個(gè) 中間級(jí)旋流組件G2)和中間級(jí)安裝基座Gl)組成，該圓周的圓心位于頭部軸線G3)上， 中間級(jí)安裝基座Gl)上開有與中間級(jí)旋流組件G2)數(shù)目相同的中間級(jí)旋流組件安裝孔 (44)，單個(gè)中間級(jí)旋流組件0 由中間級(jí)直射式噴嘴(45)、中間級(jí)旋流器06)和中間級(jí) 文氏管G7)組成，中間級(jí)直射式噴嘴0 與中間級(jí)旋流器G6)為一體化設(shè)計(jì)，且中間級(jí) 旋流器G6)被中間級(jí)文氏管卡槽G8)固定，并隨中間級(jí)文氏管G7) —起內(nèi)嵌入中間級(jí)旋 流組件安裝孔G4)內(nèi)形成中間級(jí)04)整體，中間級(jí)外壁面09)上開有多排中間級(jí)斜切孔 (50)，為主燃級(jí)(25)提供切向氣流，中間級(jí)(24)利用中間級(jí)端壁(51)與主燃級(jí)(25)連接， 中間級(jí)04)所需燃油由中間級(jí)直射式噴嘴0 噴出后，打在中間級(jí)文氏管G7)內(nèi)壁面上 形成油膜，該油膜受流經(jīng)中間級(jí)旋流器G6)的旋流空氣剪切作用，形成霧化良好的旋流混 氣，被值班級(jí)04)火焰引燃并在中間級(jí)下游形成與多個(gè)中間級(jí)旋流組件0 數(shù)目相同的 多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)回流區(qū)(7)，中間級(jí)04)在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車等低功率工況下與值班級(jí)03) 一起工作，起到調(diào)節(jié)燃燒區(qū)的局部當(dāng)量比以實(shí)現(xiàn)高效低污染燃燒的作用，而在發(fā)動(dòng)機(jī)起飛、 爬升和巡航高功率工況下，中間級(jí)旋流組件0 所形成的多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)回流區(qū)(7)起 到強(qiáng)化穩(wěn)定主燃級(jí)貧油預(yù)混燃燒火焰的作用；所述主燃級(jí)0 由位于同一軸向截面內(nèi)同 一圓周上沿周向均勻分布的多個(gè)主燃級(jí)旋流組件(52)、主燃級(jí)預(yù)混腔(5 和主燃級(jí)端壁 (54)組成，該圓周的圓心位于頭部軸線G3)上，主燃級(jí)預(yù)混腔(53)上開有多個(gè)主燃級(jí)旋流 組件安裝孔(55)，且安裝孔(5 數(shù)目與主燃級(jí)旋流組件(5 數(shù)目一致，單個(gè)主燃級(jí)旋流組 件(5 由主燃級(jí)直射式噴嘴(56)、主燃級(jí)旋流器(57)和主燃級(jí)文氏管(58)組成，其中主燃級(jí)直射式噴嘴(56)和主燃級(jí)旋流器(57)為一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)主燃級(jí)旋流器(57)被主燃 級(jí)文氏管卡槽(59)固定，并隨主燃級(jí)文氏管(58) —起內(nèi)嵌入主燃級(jí)旋流組件安裝孔(55)， 主燃級(jí)預(yù)混腔(5 的壁面上開有多排主燃級(jí)預(yù)混腔壁面斜切孔(60)，所述斜切孔(60)與 中間級(jí)壁面斜切孔(50)數(shù)目和位置沿徑向一一對(duì)應(yīng)，一起為主燃級(jí)0 提供對(duì)沖氣流，主 燃級(jí)端壁(54)沿周向方向上開有多排主燃級(jí)端壁進(jìn)氣孔(61)，主燃級(jí)預(yù)混腔(5 與主燃 級(jí)端壁(54)采用焊接的方式連接，形成的主燃級(jí)0 整體通過螺栓與頭部端壁06)連 接，主燃級(jí)0 所需燃油從主燃級(jí)直射式噴嘴(56)噴出后，打在主燃級(jí)文氏管(58)壁面 上形成油膜，該油膜受經(jīng)過主燃級(jí)旋流器(57)的旋流空氣剪切作用進(jìn)行初次霧化，隨后進(jìn) 入主燃級(jí)預(yù)混腔(53)，受到從主燃級(jí)預(yù)混腔壁面斜切孔(60)和中間級(jí)壁面斜切孔(50)進(jìn) 入的對(duì)沖氣流作用，形成二次混合，預(yù)混預(yù)蒸發(fā)良好的混氣在主燃級(jí)0 下游被值班級(jí)燃 燒區(qū)(8)引燃，同時(shí)被多旋流中間級(jí)燃燒區(qū)(7)強(qiáng)化穩(wěn)定，形成穩(wěn)定燃燒的貧油燃燒的主燃 級(jí)燃燒區(qū)(6)，由于主燃級(jí)0 消耗了大部分燃油，故整個(gè)燃燒室的污染物排放水平很低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征 在于所述燃燒用氣量全部由火焰筒頭部(68)供入，火焰筒頭部氣流O)占燃燒室進(jìn)口氣 流(1)的60%到80%，其余為火焰筒冷卻氣流(9)，頭部氣流O)中值班級(jí)03)占0%到 15%，中間級(jí)04)占O%到15%，主燃級(jí)05)占30%到70%，其余為頭部冷卻氣流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征 在于所述值班級(jí)(23)、中間級(jí)04)和主燃級(jí)05)的燃油分級(jí)比例需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)(10) 的工況條件靈活控制，啟動(dòng)工況下，值班級(jí)燃油流量占總?cè)加土髁康?00%，發(fā)動(dòng)機(jī) (10)從啟動(dòng)工況轉(zhuǎn)變?yōu)槁嚬r時(shí)，逐漸開啟中間級(jí)(M)，此時(shí)值班級(jí)燃油量占總 燃油流量的0% -100%，其余為中間級(jí)04)燃油流量，在發(fā)動(dòng)機(jī)(10)起飛、爬升或巡航高 功率工況下，開啟主燃級(jí)(25)，此時(shí)值班級(jí)(23)、中間級(jí)04)和主燃級(jí)05)同時(shí)工作，同 時(shí)值班級(jí)03)燃油流量占總?cè)加土髁康腛%-10%，中間級(jí)04)燃油流量占總?cè)加土髁康?0% _10%，其余為主燃級(jí)05)燃油流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征 在于所述值班級(jí)文氏管09)的擴(kuò)張半角、值班級(jí)套筒(34)的擴(kuò)張半角和值班級(jí)離心噴嘴 (31)的噴霧半錐角00)這三個(gè)角度相等，且均在10° -20°內(nèi)變化，使得值班級(jí)離心噴嘴 (31)的噴霧不會(huì)打到值班級(jí)文氏管09)或者值班級(jí)套筒(34)壁面上，從而增大液霧的穿 透深度深度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征 在于所述值班級(jí)內(nèi)旋流器08)和值班級(jí)外旋流器(30)的葉片角度在20° -60°同向變 化，且值班級(jí)外旋流器(30)的葉片角度應(yīng)大于或等值班級(jí)內(nèi)旋流器08)的葉片角度，以保 護(hù)值班級(jí)離心噴嘴(31)的噴霧型面不會(huì)被值班級(jí)氣流打散，使得液霧的穿透深度增加，利 于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能，此外，值班級(jí)外旋流器(30)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流會(huì)包裹著值班級(jí)內(nèi) 旋流燃?xì)猓瑫r(shí)還會(huì)貼著值班級(jí)套筒的內(nèi)表面，這就阻止了冷的值班級(jí)套筒壁面對(duì)值班級(jí) 內(nèi)旋流燃?xì)獾谋诿娲阆◤亩档土?CO和UHC污染物排放，也延緩了中間級(jí)和主燃級(jí)氣流對(duì) 值班級(jí)氣流的摻混從而提高了燃燒效率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征 在于所述中間級(jí)04)中的中間級(jí)旋流組件G2)數(shù)量10 < c < 20，中間級(jí)旋流器06)的葉片角度和中間級(jí)文氏管G7)的擴(kuò)張全角在均在30° -60°范圍變化，增大或減小這兩 個(gè)角度可以調(diào)節(jié)多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)回流區(qū)(7)的大小和強(qiáng)度，角度過大會(huì)造成中間級(jí)回流 區(qū)(7)強(qiáng)度大而長度短，使得中間級(jí)對(duì)主燃級(jí)和值班級(jí)火焰的淬熄干擾過大，污染物排放 增加，角度過小則會(huì)造成中間級(jí)回流區(qū)偏小，不利于穩(wěn)定主燃級(jí)火焰。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征 在于所述主燃級(jí)0 中的主燃級(jí)旋流組件(5 的數(shù)量IOSmS 20，主燃級(jí)旋流器(57) 的葉片角度和主燃級(jí)文氏管(58)的擴(kuò)張全角位于20° -30°范圍變化，這兩個(gè)角度應(yīng)與主 燃級(jí)預(yù)混腔(5 的尺寸相適應(yīng)，避免初次霧化的液霧碰壁導(dǎo)致霧化效果的急劇下降，主燃 級(jí)預(yù)混腔壁面斜切孔(60)和中間級(jí)斜切孔(50)的角度為-90° -90°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征 在于所述主燃級(jí)端壁(54)沿周向開有多排主燃級(jí)端壁進(jìn)氣孔(61)，用以冷卻頭部端壁 (54)和限制主燃級(jí)氣流沿燃燒室徑向的快速擴(kuò)張。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特征 在于所述燃油管路(63)通過供油盤(64)轉(zhuǎn)接之后，再往值班級(jí)離心噴嘴(31)、中間級(jí)直 射式噴嘴G5)和主燃級(jí)直射式噴嘴(56)供油。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，其特 征在于所燃油供應(yīng)組件(19)由燃油管路基座(62)、燃油管路(6 和供油盤(64)組成， 燃油管路(6 包括值班級(jí)油路(65)、中間級(jí)油路(66)和主燃級(jí)油路(67)，值班級(jí)離心噴 嘴(31)、中間級(jí)直射式噴嘴05)和主燃級(jí)直射式噴嘴(56)與供油盤(64)采用焊接或螺栓 與供油盤(64)連接，并通過供油盤(64)供油，燃油管路(6 通過燃油管路基座(6 與燃 燒室外機(jī)匣(17)固定。
全文摘要
一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級(jí)的周向分級(jí)低污染燃燒室，燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，采用空氣分級(jí)配合燃油分級(jí)的低污染燃燒組織方式，燃燒氣量全部由值班級(jí)、中間級(jí)和主燃級(jí)供應(yīng)，燃油分級(jí)供應(yīng)比例按發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況及穩(wěn)定的低污染燃燒需要進(jìn)行精確控制。值班級(jí)采用兩級(jí)軸向旋流配合文氏管的組合結(jié)構(gòu)，形成的低速回流區(qū)可以支持燃燒室的穩(wěn)定燃燒；中間級(jí)采用位于同一軸向截面內(nèi)同一圓周上沿周向均勻分布的多個(gè)單級(jí)軸向旋流配合文氏管組合結(jié)構(gòu)，形成的中間穩(wěn)焰級(jí)燃燒區(qū)用于強(qiáng)化穩(wěn)定主燃級(jí)火焰；主燃級(jí)采用位于同一軸向截面內(nèi)同一圓周上沿周向均勻分布的多個(gè)單級(jí)軸向旋流配合文氏管組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化油氣混合的貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒方式，進(jìn)而大幅度降低污染物排放。
文檔編號(hào)F23R3/20GK102032598SQ20101059126
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者孫佰剛, 張珊珊, 張莉涓, 李鋒, 楊暉 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)