CN108916911B - 一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部 - Google Patents
一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，该头部采用中心分级、预燃级双油路设计。预燃级双油路包括主油路和副油路。在燃油流量较小时，只有预燃级副油路提供燃油，使得喷嘴在小工况下具有较高的雾化质量。燃油流量较大时，预燃级主油路和副油路同时提供燃油。预燃级主油路供给的燃油通过预燃级主油路喷射孔喷射在预膜板内表面，形成油膜。该油膜在内外空气旋流的作用下发生破碎，可保证较好的雾化效果。本发明的预燃级双油路设计可使喷嘴在较宽的工况压力范围内保证较高的雾化质量，有利于燃油在燃烧室中的充分燃烧，降低了污染物的生成量。
Description
技术领域
本发明涉及低排放燃烧室头部的技术领域，特别涉及一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部。
背景技术
民用航空发动机投入使用必须满足适航条例，而适航条例中对污染物排放的要求越来越高。根据国际民航组织的规定(ICAO)，一氧化碳(CO)、未燃碳氢(UHC)、冒烟(Smoke)、氮氧化物(NOx)为航空发动机产生的主要污染物。其中，CO和UHC主要大量生成于低功率状态，Smoke和NOx主要生成于高功率状态。降低污染排放的核心是控制温度及温度的均匀性，贫油预混预蒸发(低排放)燃烧室为常用的低污染燃烧室。
离心喷嘴为压力雾化型喷嘴，它借助燃油的压力使燃油雾化。进入离心喷嘴的燃油做切向运动，在离心力的作用下，在喷嘴出口形成空心油膜。在表面波和气动力等的共同作用下，油膜失稳形成油雾。为保证燃油的调节比范围，同时受限于燃油的最大压力，离心喷嘴的设计往往基于较大的燃油流量。而在燃油流量较小时，燃油的雾化效果差，燃烧效率低，污染物生成量高。
本发明设计了一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部。此头部特点是预燃级油路分为主油路和副油路。在燃油流量较小时，只有预燃级副油路提供燃油。在燃油流量较大时，预燃级主油路和副油路同时提供燃油。预燃级双油路设计可使喷嘴在较宽的工况压力范围内保证较高的雾化质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为达到低污染燃烧的目的，需要保证不同工况下燃油的雾化质量。传统离心喷嘴的设计往往基于较大的燃油流量，而在燃油流量较小时，燃油的雾化效果差，燃烧效率低，污染物生成量高。
本发明采用的技术方案为：一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，采用中心分级、预燃级双油路的结构，主要由预燃级油杆、预燃级离心喷嘴、预膜板、预燃级旋流器、级间段、主燃级旋流器、主燃级油路连接件、主燃级外环、防回火环构成；其中，预燃级油杆由3D打印成型，内部的预燃级双油路分别是预燃级主油路和预燃级副油路，预燃级油杆末端壁面上分布有预燃级主油路喷射孔，同时预燃级油杆末端加工的内螺纹与预燃级离心喷嘴上加工的外螺纹配合，以上组成预燃级油路；预膜板焊接在预燃级旋流器上，并与级间段焊接连接为一体；级间段用于隔离预燃级和主燃级火焰，其外径具有螺纹；经机械加工完成的主燃级旋流器、主燃级油路连接件、主燃级外环、防回火环通过焊接为一体，在主燃级旋流器和主燃级油路连接件之间形成主燃级油腔；主燃级油路连接件具有内螺纹，与级间段螺纹连接，组成头部主体。
其中，预燃级油杆内含有预燃级主油路和预燃级副油路，其中预燃级主油路有效流通面积在10～200mm2之间，预燃级副油路有效流通面积在5～100mm2之间；预燃级主油路供给的燃油通过预燃级主油路喷射孔喷射在预膜板内表面，形成油膜；该油膜在内外空气旋流的作用下发生破碎，可保证较好的雾化效果；预燃级副油路供给的燃油通过预燃级离心喷嘴喷射出油滴；油滴进一步与空气旋流掺混，流动至火焰筒中参与燃烧。
其中，预燃级主油路喷射孔直径为0.4～1.2mm，喷射角度为45～90°，周向分布数量为6～24个，可以单独或同时分布在不同的轴向位置；预燃级主油路喷射孔横截面积可以保持不变、逐渐收缩或扩张；当预燃级燃油流量较小时，只有预燃级副油路供给燃油，使得喷嘴在小工况下具有较高的雾化质量；当燃油流量较大时，除预燃级副油路供给燃油外，预燃级主油路也供给燃油；预燃级副油路燃油流量与预燃级主油路燃油流量之比为1～20；预燃级主油路供给的燃油通过预燃级主油路喷射孔喷射在预膜板表面；在大工况条件下，具有较高的雾化质量；所以预燃级双油路设计可使喷嘴在较宽的工况压力范围内保证较高的雾化质量。
其中，预燃级主油路流量数为5～15，预燃级副油路流量数为1～5；在方案设计中，保证预燃级主油路和预燃级副油路流量数相匹配，从而达到雾化的最优效果。
其中，预膜板进口内径为18～24mm，外径为19～28mm，可以设计预膜板内外空气流量的分配；预膜板出口内径为10～14mm，出口外径为11～18mm；改变了预膜板内外空气流速，以适应不同调节比范围，改变喷嘴后的流场结构，进而改变雾化及掺混效果。
其中，预膜板进出口面积收缩比为0.2～0.6；预膜板出口翻边角度为-45°～60°；预膜板内外表面为流线型设计，减小了空气流动的阻力，防止了流动分离的发生，保证了良好的雾化效果。
其中，预膜板沿轴向的长度为8～15mm，导致了预膜板出口处油膜厚度的变化，进而改变了油膜的破碎过程，对雾化及掺混效果造成影响。
其中，在方案设计中，保证预燃级主油路喷射孔大小、数量、角度与预膜板长度、进出口直径、出口翻边角度相匹配，以强化雾化过程。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)不同的燃油流量下雾化效果好。该头部采用了预燃级双油路结构设计，在燃油流量较小时，只有预燃级副油路提供燃油，使得喷嘴在小工况下具有较高的雾化质量。在燃油流量较大时，预燃级主油路和副油路同时提供燃油。预燃级主油路供给的燃油通过预燃级主油路喷射孔喷射在预膜板内表面，形成油膜。该油膜在内外空气旋流的作用下发生破碎，可保证较好的雾化效果。
(2)结构可变性灵活。预燃级主油路喷射孔数量、大小、角度可以灵活变化，可以单独或同时分布在不同的轴向位置。预膜板进出口直径和长度也可以灵活改变，以保证良好的雾化效果。
(3)成本低廉。预膜板结构简单，课通过机械加工方式生产，与预燃级旋流器的连接方式为焊接，生产成本低廉。
附图说明
图1为本发明的预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部的结构示意图；
图2为本发明的预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部的正等侧视图；
图3为本发明的预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部的示意图，其中，图3(a)为左视图，图3(b)为后视图，图3(c)为前视图；
图4为本发明的预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部的预燃级主油路喷射孔正等侧视图，其中，图4(a)为基准方案，图4(b)为变孔角度方案，图4(c)为变孔径方案，图4(d)为变孔数量方案；
图5为本发明的预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部的预燃级主油路喷射孔剖视图，其中，图5(a)为基准方案，图5(b)为变孔角度方案，图5(c)为变孔径方案，图5(d)为变孔数量方案；
图6为本发明的预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部的变预膜板长度示意图，其中，图6(a)为基准方案，图6(b)为变预膜板长度方案；
图7为本发明的预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部的预膜板结构图，其中，图7(a)为正等侧视图，图7(b)为正视图，图7(c)为剖视图；
图中：1为预燃级油杆，2为预燃级离心喷嘴，3为预膜板，4为预燃级旋流器，5为级间段，6为主燃级旋流器，7为主燃级油路连接件，8为主燃级外环，9为防回火环，10为预燃级主油路，11为预燃级副油路，12为预燃级主油路喷射孔，13为主燃级油腔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明：
如图1、图2、图3所示，为本发明实施例所述的一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，采用了中心分级和预燃级双油路的设计特点，主要由预燃级油杆1、预燃级离心喷嘴2、预膜板3、预燃级旋流器4、级间段5、主燃级旋流器6、主燃级油路连接件7、主燃级外环8、防回火环9构成。预膜板3焊接在预燃级旋流器4上，并与级间段5焊接连接为一体。级间段5用于隔离预燃级和主燃级火焰，其外径具有螺纹。经机械加工完成的主燃级旋流器6、主燃级油路连接件7、主燃级外环8、防回火环9通过焊接为一体，在主燃级旋流器6和主燃级油路连接件7之间形成主燃级油腔13。主燃级油路连接件7具有内螺纹，与级间段5螺纹连接，组成头部主体。预燃级油杆1插入预燃级旋流器4中，预燃级油杆内部的双油路分别是预燃级主油路10和预燃级副油路11。预燃级油杆1末端壁面上分布有预燃级主油路喷射孔12，同时预燃级油杆1末端加工的内螺纹与预燃级离心喷嘴2上加工的外螺纹配合。从预燃级离心喷嘴2喷射出的油雾与预膜板3内部空气掺混。从预燃级主油路喷射孔12喷射出的燃油冲击预膜板3内表面，形成油膜。该油膜在预膜板3内外空气旋流的作用下发生破碎，形成油滴，进一步与空气掺混。两部分燃油随空气旋流对流至火焰筒中发生燃烧，形成扩散火焰。主燃级油腔13中的燃油经过主燃级叶片上的孔进行喷射，随空气向下游运动过程中不断掺混，形成均匀的油气混合物，对流至火焰筒中发生燃烧，形成部分预混火焰。以上形成预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，预燃级为扩散火焰，主燃级为部分预混火焰。
预燃级主油路有效流通面积在10～80mm2之间，预燃级副油路有效流通面积在1～20mm2之间。预燃级主油路供给的燃油通过预燃级主油路喷射孔喷射在预膜板内表面，形成油膜。该油膜在内外空气旋流的作用下发生破碎，可保证较好的雾化效果。预燃级副油路供给的燃油通过预燃级离心喷嘴喷射出油滴。油滴进一步与空气旋流掺混，流动至火焰筒中参与燃烧。
当预燃级燃油流量较小时，只有预燃级副油路供给燃油，使得喷嘴在小工况下具有较高的雾化质量。当燃油流量较大时，除预燃级副油路供给燃油外，预燃级主油路也供给燃油。预燃级副油路燃油流量与预燃级主油路燃油流量之比为1～20。预燃级主油路供给的燃油通过预燃级主油路喷射孔喷射在预膜板表面。预燃级主油路喷射孔直径为0.4～1.2mm，喷射角度为45～90°，周向分布数量为6～24个，可以单独或同时分布在不同的轴向位置。预燃级主油路喷射孔横截面积可以保持不变、逐渐收缩或扩张。在大工况条件下，具有较高的雾化质量。所以预燃级双油路设计可使喷嘴在较宽的工况压力范围内保证较高的雾化质量。预燃级主油路流量数为5～15，预燃级副油路流量数为1～5。在方案设计中，保证预燃级主油路和预燃级副油路流量数相匹配，从而达到雾化的最优效果。
如图4、图5所示，预燃级油杆1末端加工的内螺纹与预燃级离心喷嘴2上加工的外螺纹配合，预燃级油杆1末端壁面上分布有预燃级主油路喷射孔12。预燃级主油路喷射孔12的大小、角度、数量可以灵活改变，使得设计方案可使喷嘴在较宽的工况压力范围内保证较高的雾化质量，保证了燃油充分燃烧，降低了污染物的生成量。a为基准方案，喷射孔数量为12个，直径0.5mm，喷射角度90°；b为变孔角度方案，其中喷射孔数量为12个，直径0.5mm，喷射角度45°；c为变孔径方案，喷射孔数量为12个，直径1.0mm，喷射角度90°；d为变孔数量方案，喷射孔数量为24个，直径0.5mm，喷射角度90°；
如图6所示，预燃级旋流器4在某一圆周上加工有槽，预膜板3放置在预燃级旋流器4周向槽内，通过焊接连为一体。预燃级油杆1通过预燃级旋流器4中心，将预燃级离心喷嘴2伸入预膜板3内，保证了预燃级主油路喷射孔12喷射的燃油可以落在预膜板3的内表面。预膜板3沿轴向的长度可以改变，a为基准方案，轴向长度13mm；b为变预膜板长度方案,轴向长度8mm。
如图7所示，预膜板3内、外表面为光滑的曲面，防止了气体沿内、外表面流动过程中发生分离。预膜板3内表面形成的油膜，逐渐运动至出口，在内、外表面空气的作用下失稳形成液雾。可以改变预膜板3进出口直径，进而改变空气旋流沿预膜板3内、外表面的运动，该设计充分利用了空气旋流的气动力作用，无论燃油流量如何改变，燃油的雾化效果均能保持较高水平。
预膜板进口内径为18～24mm，外径为19～28mm，可以设计预膜板内外空气流量的分配。预膜板出口内径为10～14mm，出口外径为11～18mm。改变了预膜板内外空气流速，以适应不同调节比范围，改变喷嘴后的流场结构，进而改变雾化及掺混效果。预膜板进出口面积收缩比为0.2～0.6。预膜板出口翻边角度为-45°～60°；预膜板内外表面为流线型设计，减小了空气流动的阻力，防止了流动分离的发生，保证了良好的雾化效果。预膜板沿轴向的长度为8～15mm，导致了预膜板出口处油膜厚度的变化，进而改变了油膜的破碎过程，对雾化及掺混效果造成影响。
在方案设计中，保证预燃级主油路喷射孔大小、数量、角度与预膜板长度、进出口直径、出口翻边角度相匹配，以强化雾化过程。
Claims (7)
1.一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，其特征在于：采用中心分级、预燃级双油路的结构，主要由预燃级油杆(1)、预燃级离心喷嘴(2)、预膜板(3)、预燃级旋流器(4)、级间段(5)、主燃级旋流器(6)、主燃级油路连接件(7)、主燃级外环(8)、防回火环(9)构成；其中，预燃级油杆(1)由3D打印成型，内部的预燃级双油路分别是预燃级主油路(10)和预燃级副油路(11)，预燃级油杆(1)末端壁面上分布有预燃级主油路喷射孔(12)，同时预燃级油杆(1)末端加工的内螺纹与预燃级离心喷嘴(2)上加工的外螺纹配合，预燃级主油路(10)、预燃级副油路(11)和预燃级主油路喷射孔(12)组成预燃级油路；预膜板(3)焊接在预燃级旋流器(4)上，并与级间段(5)焊接连接为一体；级间段(5)用于隔离预燃级和主燃级火焰，其外径具有螺纹；经机械加工完成的主燃级旋流器(6)、主燃级油路连接件(7)、主燃级外环(8)、防回火环(9)通过焊接为一体，在主燃级旋流器(6)和主燃级油路连接件(7)之间形成主燃级油腔(13)；主燃级油路连接件(7)具有内螺纹，与级间段(5)螺纹连接，组成头部主体。
2.根据权利要求1所述的一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，其特征在于：预燃级油杆(1)内含有预燃级主油路(10)和预燃级副油路(11)，其中预燃级主油路(10)有效流通面积在10～200mm2之间，预燃级副油路(11)有效流通面积在5～100mm2之间；预燃级主油路(10)供给的燃油通过预燃级主油路喷射孔(12)喷射在预膜板(3)内表面，形成油膜；该油膜在内外空气旋流的作用下发生破碎，可保证较好的雾化效果；预燃级副油路(11)供给的燃油通过预燃级离心喷嘴(2)喷射出油滴；油滴进一步与空气旋流掺混，流动至火焰筒中参与燃烧。
3.根据权利要求1所述的一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，其特征在于：预燃级主油路喷射孔(12)直径为0.4～1.2mm，喷射角度为45～90°，周向分布数量为6～24个，可以单独或同时分布在不同的轴向位置；预燃级主油路喷射孔(12)横截面积可以保持不变、逐渐收缩或扩张；当预燃级燃油流量较小时，只有预燃级副油路(11)供给燃油，使得喷嘴在小工况下具有较高的雾化质量；当燃油流量较大时，除预燃级副油路(11)供给燃油外，预燃级主油路(10)也供给燃油；预燃级副油路(11)燃油流量与预燃级主油路(10)燃油流量之比为1～20；预燃级主油路(10)供给的燃油通过预燃级主油路喷射孔(12)喷射在预膜板(3)表面；在大工况条件下，具有较高的雾化质量；所以预燃级双油路设计可使喷嘴在较宽的工况压力范围内保证较高的雾化质量。
4.根据权利要求1所述的一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，其特征在于：预膜板(3)进口内径为18～24mm，外径为19～28mm，可以设计预膜板(3)内外空气流量的分配；预膜板(3)出口内径为10～14mm，出口外径为11～18mm；改变了预膜板(3)内外空气流速，以适应不同调节比范围，改变喷嘴后的流场结构，进而改变雾化及掺混效果。
5.根据权利要求1所述的一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，其特征在于：预膜板(3)进出口面积收缩比为0.2～0.6；预膜板(3)出口翻边角度为-45°～60°；预膜板(3)内外表面为流线型设计，减小了空气流动的阻力，防止了流动分离的发生，保证了良好的雾化效果。
6.根据权利要求1所述的一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，其特征在于：预膜板(3)沿轴向的长度为8～15mm，导致了预膜板(3)出口处油膜厚度的变化，进而改变了油膜的破碎过程，对雾化及掺混效果造成影响。
7.根据权利要求1所述的一种预燃级采用预膜板结构的中心分级低排放燃烧室头部，其特征在于：保证预燃级主油路喷射孔(12)大小、数量、角度与预膜板长度、进出口直径、出口翻边角度相匹配，以强化雾化过程。
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