CN101737802B - 中心空腔稳火切向燃烧室 - Google Patents

Abstract

中心空腔稳火切向燃烧室，是由分流式扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、中心空腔后台阶预燃级、外环钝体火焰稳定器主燃级、内环钝体火焰稳定器主燃级、燃油供给系统、内火焰筒、外火焰筒和出口支板构成。带偏转角的气流经分流式扩压器扩压进入燃烧室内部；所述的中心空腔预燃级由后台阶、顶板、喷嘴、切向槽内环和切向槽外环构成，预燃级中利用后台阶产生的低速回流区稳定火焰；所述的内、外环钝体火焰稳定器主燃级由内、外两环带偏转角的钝体稳定器构成，内、外环钝体火焰稳定器内喷射出的高温高压燃油与空气混合被预燃级点燃，并在钝体后的低速区稳定燃烧；所述出口支板安装在内火焰筒和外火焰筒出口之间，与燃烧室轴线有夹角，燃烧室出口燃气具有偏转角。本发明保证稳定燃烧提供动力的同时，实现切向流动，切向燃烧；简化了结构，减小了燃烧室的重量。

Description

中心空腔稳火切向燃烧室

技术领域

本发明是一种切向进气、燃烧、排气的燃气轮机燃烧室，在保证切向流动、燃烧的同时，使得燃烧室乃至整个燃气轮机长度缩短，结构紧凑，重量减小。

背景技术

现代燃气轮机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代燃气轮机燃烧室来说，仍在存在一些难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。

常规燃气轮机燃烧室其燃烧组织形式是在气流主要沿轴向流动的基础上利用主燃区的局部低速回流区形成连续点火源稳定燃烧，并采用适当供油方式雾化燃油，空气分股进入火焰筒可以保证主燃区接近恰当油气比，从而保证稳定高效燃烧。由此可见，常规燃烧室内的燃烧组织主要是在轴向流动的基础上构建的，为了获得较好的流动损失特性，要求其进出口气流均沿轴向流动，因此导向叶片对于常规燃烧室来说是必不可少的部件。

传统的燃气轮机，一般由环形压缩系统、燃烧系统和环形的涡轮膨胀系统构成。空气经压缩系统进入燃烧室与燃油混合形成油气混合物燃烧，然后再进入涡轮的环形通道。空气在进入燃烧室前，经压缩系统即压气机压缩，在压气机转子和静子的作用下，空气在压气机内以一定切向速度的回转运动，其气流角度相对于燃气轮机的轴线大约30°到55°，该气流角度的大小与整个燃气轮机的转速有很大关系。压缩空气在进入燃烧室时，压气机出口整流叶片会将其整流变直，压缩空气相对于燃气轮机轴线的角度为0°，(即平行与燃气轮机的纵轴)。压缩空气在燃烧室内与燃油混合形成混合物燃烧后，燃气仍沿燃气轮机轴线方向流动，而后进入涡轮。进入涡轮前，燃气在涡轮导向器的作用下，改变流动方向，再次形成带有一定切向速度的回转运动，一般气流角度相对于燃气轮机的轴线约为70°。

气流折转角度势必会形成一定的迎角，而这种迎角又是向转子叶片提供机械力以便向涡轮段第一级转子赋予旋转驱动力所需要的。但是这种气流角度的分配也为燃气轮机尤其是燃烧室带了许多问题和缺陷。压气机出口的空气具有一定的角度，在30°到55°范围内，空气在进入燃烧室前不断地被整流(角度回到0°)，而后进入到燃烧室参与燃烧，之后进入涡轮时再次改变方向，形成的角度大约70°。这种流经燃气轮机的空气流动倾斜角的不断改变要求压气机出口整流叶片和涡轮进口导向器产生强大的气动力，而这种气动方对燃气轮机整体效能是特别有害的。

此外，迫于航空燃气轮机的尺寸和重量减小的压力，常规燃烧室的长度也随之大大缩短，而燃油的雾化、蒸发、掺混以及燃烧均沿轴向进行，过短的燃烧室长度势必会影响到燃烧效率和出口温度分布。而且，常规燃烧室中的轴向燃烧组织形式使压气机出口气流的切向动量没有很好的加以利用，这在未来先进燃烧室技术中需要考虑。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种中心空腔稳火切向燃烧室，保证燃烧在切向条件下的稳定燃烧，联焰以及预燃级与主燃级的匹配，以实现紧凑结构，简化结构，减小燃烧室乃至整个燃气轮机长度和重量的目的。

本发明的技术解决方案：中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：由分流式扩压器(10)、燃烧室外机匣(12)、燃烧室内机匣(11)、中心空腔后台阶预燃级(44)、外环钝体火焰稳定器主燃级(50)、内环钝体火焰稳定器主燃级(51)、燃油供给系统(48)、内火焰筒(20)、外火焰筒(19)和出口支板(21)构成；所述的中心空腔后台阶预燃级(44)由顶板(24)、后台阶(16)、喷嘴(15)、切向槽内环(17)和切向槽外环(14)构成，顶板(24)与后台阶(16)沿所在圆周周向连接，喷嘴(15)安置在后台阶(16)的径向端面上，切向槽内环(17)和切向槽外环(14)分别安置在后台阶(16)和顶板(24)的以发动机轴线为轴的圆周内侧和外侧，切向槽内环(17)、切向槽外环(14)、后台阶(16)和顶板(24)四者形成剖面为半封闭矩形的周向的预燃级空腔(30)，空气经切向槽内外环切向进气槽(25)进入预燃级空腔(30)切向流动，利用后台阶(16)产生的低速回流区稳定火焰；所述的外环钝体火焰稳定器主燃级(50)和内环钝体火焰稳定器主燃级(51)共同组成主燃级，外环钝体火焰稳定器主燃级(50)和内环钝体火焰稳定器主燃级(51)分别由外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)组成，外环钝体火焰稳定器主燃级(50)和内环钝体火焰稳定器主燃级(51)两者结构相同，外环钝体火焰稳定器(13)安置在切向槽外环(14)的外侧壁面和外火焰筒(20)内壁面之间，外环钝体火焰稳定器(13)的前缘与切向槽外环(14)的前缘齐平，内环钝体火焰稳定器(18)安置在切向槽内环(17)的内侧壁面和内火焰筒(19)外壁面之间，内环钝体火焰稳定器(18)的前缘与切向槽外环(17)的前缘齐平，外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)安装时与发动机轴线有偏转角；燃油供给系统(48)由喷嘴安装座(45)、液态燃油管(46)和高温高压燃油管(47)构成，燃油供给系统(48)通过喷嘴安装座(45)与燃烧室外机匣(12)相连，液态燃油管向喷嘴(15)供给液态燃油，高温高压燃油管(47)供给高温高压燃油，与顶板(24)连接，经顶板(24)、后台阶(16)、切向槽外环(17)和切向槽内环(14)的高温高压供油孔(52)向外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)内供给高温高压燃油，从外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)内喷射出的主燃级高温高压燃油(34)与空气混合被中心空腔后台阶预燃级(44)引燃，并在钝体后的低速区稳定燃烧；所述出口支板(21)安置在内火焰筒(20)和外火焰筒(19)的出口处，且出口支板(21)与燃烧室轴线有夹角，燃烧后燃烧室出口燃气具有偏转角。

所述中心空腔后台阶预燃级(44)的空气分配占全部燃烧气量的5％～20％，外环钝体火焰稳定器主燃级(50)和内环钝体火焰稳定器主燃级(51)的空气分配占全部燃烧气量的60％～90％；整个燃烧室共有12～18个预燃级，单个预燃级周期扇形角20°～30°。

所述的分流式扩压器(10)由两个分流片将气流分为三股气流，即中心气流(2)、外环气流(54)和内环气流(55)，使气流均匀散布到燃烧室头部，分流式扩压器(10)的三股出口气流向上折转。

所述的中心空腔后台阶预燃级(44)的切向槽内环(17)和切向槽外环(14)开有切向槽内外环切向进气槽(25)，切向槽内外环切向进气槽(25)与圆周切线夹角15°～30°，切向槽内外环切向槽宽度(38)为1.0mm～1.5mm，切向槽内外环切向气流(4)经切向槽内外环切向进气槽(25)进入中心空腔后台阶预燃级(44)内部的预燃级空腔(30)形成切向气流，切向槽外环(14)流量占中心空腔后台阶预燃级(44)的20％～50％，切向槽内环(17)流量占中心空腔后台阶预燃级(44)的20％～50％。

所述的中心空腔后台阶预燃级(44)的顶板(24)开有与预燃级空腔(30)内气流切向流动方向相反的多个顶板切向进气孔(26)，顶板切向进气孔(26)与发动机轴线夹角15°～30°，顶板切向孔直径(41)为0.5mm～1.0mm，开孔数65～135，孔进气增强后台阶(16)后的预燃级空腔内回流区(32)，流量为中心空腔后台阶预燃级(44)流量的10％～50％。

所述中心空腔后台阶预燃级(44)的喷嘴(15)安置在后台阶(16)径向端面上，与所在轴向截面夹角为5°～60°。

所述的中心空腔后台阶预燃级(44)的顶板(24)、后台阶(16)、切向槽外环(17)、切向槽内环(14)均开有高温高压供油孔(52)，孔径0.4mm～1mm；高温高压燃油管(47)与后台阶(16)连接，后台阶(16)、顶板(24)、切向槽外环(17)和切向槽内环(14)的高温高压供油孔(52)相互连通；燃油供给系统(48)经高温高压供油孔(52)向外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)内供给稳定器内高温高压燃油(53)。

所述外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)安装时与发动机轴线的偏转角为10°～60。

所述的外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)为空心结构，外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)壁面沿径向开单排或多排多个钝体火焰稳定器燃油喷口(27)，所述钝体火焰稳定器燃油喷口(27)的孔径为0.5mm～1mm，主燃级高温高压燃油(34)经钝体火焰稳定器燃油喷口(27)从外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)向外喷出，开孔选择在距通道出口占通道长度的10％～20％的位置。

所述燃烧室的内火焰筒(11)和外火焰筒(12)的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。

所述的燃烧室出口支板(21)与燃烧室轴线的夹角为5°～70°；所述出口支板(21)个数为24～48个。

本发明的原理：本发明中心空腔稳火切向燃烧室，是由分流式扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、中心空腔后台阶预燃级、外环钝体火焰稳定器主燃级、内环钝体火焰稳定器主燃级、燃油供给系统、内火焰筒、外火焰筒和出口支板构成。带偏转角的气流经分流式扩压器扩压进入燃烧室内部；所述的中心空腔预燃级由后台阶、顶板、喷嘴、切向槽内环和切向槽外环构成，预燃级中利用后台阶产生的低速回流区稳定火焰；所述的内、外环钝体火焰稳定器主燃级由内、外两环带偏转角的钝体稳定器构成，内、外环钝体火焰稳定器内喷射出的高温高压燃油与空气混合被中心空腔后台阶预燃级点燃，并在钝体后的低速区稳定燃烧；所述出口支板安装在内火焰筒和外火焰筒出口之间，与燃烧室轴线有夹角，燃烧室出口燃气具有偏转角。本发明利用进入中心空腔后台阶预燃级空腔的气流的切向流动，在后台阶的作用下在周向形成多个回流区，用以产生周向上的多个稳定火源。再引燃内、外环钝体稳定器主燃级后的油气混合气，在钝体后的低速区内稳定燃烧。利用在燃烧室内的切向流动，使气流在燃烧室内的驻留时间增长，从而可以缩短燃烧室长度。采用切向进、排气可省去压气机最后一级导叶及涡轮进口导向器，并且取消了传统燃烧室的头部设计，简化了燃烧室内部的结构，同时使得整个燃气轮机结构紧凑，长度缩短，重量减少。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明利用中心空腔稳火的后台阶预燃级，以及内外环钝体火焰稳定器主燃级，采用较为简单的结构形式，实现了切向流动，切向燃烧，在较小的燃烧室长度下，实现更长的燃烧室内气流的驻留时间，使得燃气轮机结构紧凑，长度减小，重量降低；

(2)采用中心空腔稳火的后台阶预燃级，取消了燃气轮机燃烧室常用的旋流杯进气的头部设计，在达到相同的火焰稳定性的同时，简化了燃烧室的结构；

(3)钝体火焰稳定器主燃级，单个稳定器上开孔喷射，适应不同压力温度的燃料喷射，并且多点喷射改善了出口温度周向分布和径向分布；

(4)火焰筒不采用掺混孔设计，简化了火焰筒结构。

附图说明

图1是本发明在燃气轮机上的工作示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是燃烧室内部结构示意图

图4是预燃级内部结构顶视图；

图5是预燃级内外切向槽示意图

图6是预燃级顶板主视示意图；

图7是预燃级顶板俯视示意图；

图8是钝体火焰稳定器示意图；

图9是主燃级火焰稳定器通道示意图；

图10是出口支板示意图；

图11是预燃级主燃级整环示意图。

图中：1.燃烧室进口气流，2.中心气流，3.钝体火焰稳定器主燃级气流，4.切向槽内外环切向气流，5.预燃级喷射燃油，6.钝体火焰稳定器主燃级燃烧区域，7.中心空腔后台阶预燃级燃烧区域，8.火焰筒内部气流，9.燃烧室出口气流，10.分流式扩压器，11.燃烧室内机匣，12.燃烧室外机匣，13.外环钝体火焰稳定器，14.切向槽外环，15.喷嘴，16.后台阶，17.切向槽内环，18.内环钝体火焰稳定器，19.外火焰筒，20.内火焰筒，21出口支板，22.燃烧室出口，23.燃烧室进口，24.顶板，25.切向槽内外环切向进气槽，26.顶板切向进气孔，27.钝体火焰稳定器燃油喷口，30.预燃级空腔，31.预燃级空腔内周向气流，32.预燃级空腔内回流区，33.顶板切向进气，34.主燃级高温高压燃油，44.中心空腔后台阶预燃级，45.喷嘴安装座，46.液态燃油管，47.高温高压燃油管，48.燃油供给系统，49.火焰筒冷却孔，50.外环钝体火焰稳定器主燃级，51内环钝体火焰稳定器主燃级，52.高温高压供油孔，53.钝体稳定器内高温高压燃油，54.外环气流，55.内环气流，56.钝体火焰稳定器压力面，57.钝体火焰稳定器吸力面。

对应图中结构，涉及以下关键尺寸：28.中心空腔预燃级单个周期扇形角，29.钝体火焰稳定器安装角，35.后台阶高度，36.顶板周向长度，37.切向槽内外环切向角度，38.切向槽内外环切向槽宽度，39切向槽内外环切向槽周期角，40.顶板切向孔角度，41.顶板切向孔直径，42.钝体火焰稳定器出口宽度，43.钝体火焰稳定器出口轴向长度。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明的燃烧室由分流式扩压器10、燃烧室外机匣12、燃烧室内机匣11、中心空腔后台阶预燃级44、外环钝体火焰稳定器主燃级50、内环钝体火焰稳定器主燃级51、燃油供给系统48、内火焰筒19、外火焰筒20、和出口支板21构成。

本发明设计的燃烧室采用分级燃烧的概念，燃烧用气全部从中心空腔后台阶预燃级44，外环钝体火焰稳定器主燃级50和内环钝体火焰稳定器主燃级51供入，不采用传统的掺混孔。中心空腔后台阶预燃级44采用中心空腔后台阶环形结构，利用后台阶回流区稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级高温高压燃油与空气半预混利用内外两环钝体火焰稳定器后低速区组织燃烧，冷却气由火焰筒供入。

本燃烧室包含两个燃烧区域——中心空腔后台阶预燃级燃烧区域7和钝体火焰稳定器主燃级燃烧区域6，中心空腔后台阶预燃级燃烧区域7的外边界是切向槽外环14，内边界是切向槽内环17，钝体火焰稳定器主燃级燃烧区域6的外边界是外火焰筒12，内边界是内火焰筒11，中心空腔后台阶预燃级燃烧区域7沿燃烧室轴线向后延伸与钝体火焰稳定器主燃级燃烧区域6相交。中心空腔后台阶预燃级44位于外环钝体火焰稳定器主燃级50和内环钝体火焰稳定器主燃级51之间，外环钝体火焰稳定器主燃级50和内环钝体火焰稳定器主燃级51又位于外火焰筒19和内火焰筒20之间，燃烧室最外侧和最内侧为燃烧室外机匣12和燃烧室内机匣11。外火焰筒19和内火焰筒20还安排有冷却，冷却方式可以采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，用于冷却火焰筒壁面，保证燃烧室的寿命。在具体实施方案中，外火焰筒19和内火焰筒20冷却方式采用发散冷却，在外火焰筒19和内火焰筒20开有发散冷却孔49，发散冷却孔49示意如图1所示。

中心空腔后台阶预燃级44包括喷嘴15，顶板24，后台阶16，切向槽外环14和切向槽内环17；顶板24与后台阶16沿所在圆周周向连接，可以采用焊接或者通过机械加工整体成型，喷嘴15直接插入在后台阶16的径向端面的切向孔内，切向槽内环17和切向槽外环14分别安置在后台阶16和顶板24的以发动机轴线为轴的圆周内侧和外侧，可以采用焊接或者螺栓连接，四者形成剖面为半封闭矩形的周向的预燃级空腔30。

外环钝体火焰稳定器主燃级50和内环钝体火焰稳定器主燃级51构成主燃级，外环钝体火焰稳定器13通过焊接或者螺栓连接与切向槽外环14的外侧壁面连接，再通过螺栓连接与外火焰筒20内壁面连接，保证外环钝体火焰稳定器13的前缘与切向槽外环14的前缘齐平；内环钝体火焰稳定器18通过焊接或者螺栓连接与切向槽内环17的内侧壁面连接，再通过螺栓连接与内火焰筒19外壁面连接，保证内环钝体火焰稳定器18的前缘与切向槽外环17的前缘齐平，外环钝体火焰稳定器13和内环钝体火焰稳定器18安装时保证其中弧线与发动机轴线有偏转角。

安装时先将中心空腔后台阶预燃级44与外环钝体火焰稳定器主燃级50和内环钝体火焰稳定器主燃级51整体安装，然后推入火焰筒中与火焰筒壁通过螺栓固定。出口支板21与外火焰筒19和内火焰筒20通过螺栓连接，保证其中弧线与发动机轴线有偏转角。燃油供给系统49作为一个整体，从燃烧室外机匣12的开口处伸入燃烧室，将液态燃油管46与喷嘴15通过螺纹连接，高温高压燃油管47通过螺纹连接与顶板24连接，从而完成燃烧室的安装。

在燃气轮机压气机出口，气流一般是带一定偏转角的，典型的燃气轮机压气机出口气流速度与发动机轴线的角度为30°～55°。燃烧室进口气流1以一定切向速度进入燃烧室，经分流式扩压器气流分为三股，即中心气流2、外环气流54和内环气流53。分流式扩压器10的两个分流片采用等动量矩设计叶型，保证扩压减速并且不使气流发生分离。扩压后的气流一部分经过切向槽内环14和切向槽外环17上的切向槽内外环切向进气槽25进入预燃级空腔30，形成较强的预燃级空腔内周向流动31。经过后台阶16，由于气流卷吸作用，形成预燃级空腔内回流区32。预燃级喷射燃油5喷射进入预燃级空腔30，在预燃级空腔内回流区32内与空气混合扩散燃烧。通过中心空腔后台阶预燃级44的顶板切向孔26，顶板切向进气33进入预燃级空腔30，增强预燃级空腔回流区32的流动，在预燃级空腔回流区32内恰当的低速条件和油气比保证了中心空腔后台阶预燃级燃烧区域7内的稳定燃烧，为燃烧室提供了稳定的火源。中心空腔后台阶预燃级44的分布数根据所需工作状态设计，切向燃烧可改善火焰筒内的周向温度分布。钝体火焰稳定器主燃级气流3以一定的切向角度由外环钝体火焰稳定器13、内环钝体火焰稳定器18通道进入火焰筒内部，钝体稳定器内高温高压燃油53从火焰稳定器内部供出，燃油经钝体火焰稳定器喷口27喷出，主燃级高温高压燃油34射流与钝体火焰稳定器主燃级主燃级气流3混合形成油气混合物，被预燃级火焰点燃形成主燃级火焰在外环钝体火焰稳定器13和内环钝体火焰稳定器18后部的钝体火焰稳定器主燃级燃烧区域6内稳定燃烧。外环钝体火焰稳定器13和内环钝体火焰稳定器18的分布数根据所需工作状态设计，保证燃烧室出口23温度分布要求。燃气经出口支板21以一定的切向角度排出燃烧室，出口支板21的个数和角度根据涡轮的进气角度和叶片个数决定。

分流式扩压器10的扩压比为1～3，以空气等动量矩原则设计，使进口气流1经扩压器后仍以一定得切向角度流动，各部分的流量需要满足气流均匀进入火焰筒的要求。

中心空腔后台阶预燃级44的分布数根据所需工作状态设计，同时中心空腔后台阶预燃级单个周期扇形角28和顶板周向长度36也由中心空腔后台阶预燃级44分布数决定。后台阶高度35由顶板周向长度36决定，一般设计预燃级空腔回流区32长度与顶板周向长度36相当，而预燃级空腔回流区32长度为后台阶高度35的10倍，后台阶16的堵塞比为0.3～0.4。

中心空腔后台阶预燃级空气流量占整个燃烧室空气流量的5％～20％，其中切向槽外环14进气2.8％～3.5％，切向槽内环17进气2.1％～2.8％，顶板24进气0.7％～1.4％。切向槽内外环切向槽25的分布数及切向槽内外环切向槽周期角39与切向槽内环17和切向槽外环14所需的空气流量有关，切向槽内外环切向槽宽度38为1mm～1.5mm，切向槽内外环切向角度37为15°～30°。

为了增强预燃级空腔内回流区32，顶板24开顶板切向进气孔26，顶板切向孔直径41为1mm～1.2mm，顶板开孔切向角40为30°～45°，开孔数为65～135。为保证顶板切向气流33对预燃级空腔回流区32最好的增强作用，顶板24开孔范围在从后台阶16开始的整个顶板周向长度36的60％以内。

中心空腔后台阶预燃级具有足够的喷雾张角以满足稳定的点火性能，喷嘴15的设计点油气比为0.05。

高温高压燃油管47与后台阶16通过螺纹连接，中心空腔后台阶预燃级44的顶板24、后台阶16、切向槽外环17、切向槽内环14均开有高温高压供油孔52，孔径0.4mm～1mm，高温高压燃油管47与后台阶16连接后台阶16、顶板24、切向槽外环17、切向槽内环14的高温高压供油孔52相互连通。燃油供给系统48通过高温高压燃油管47将高温高压燃油供入后台阶16内部高温高压供油孔52内，经高温高压供油孔52向外环钝体火焰稳定器13和内环钝体火焰稳定器18内供给钝体稳定器内高温高压燃油53。

外环钝体火焰稳定器主燃级50和内环钝体火焰稳定器主燃级51占燃烧室总空气流量的80％，外环钝体火焰稳定器主燃级50空气流量的48％，内环钝体火焰稳定器主燃级51占32％。外环钝体火焰稳定器13和内环钝体火焰稳定器18采用相同的等通道面积叶型的结构，内部中空，钝体稳定器内高温高压燃油53从钝体火焰稳定器内部经钝体火焰稳定器燃油喷口27喷出，根据不同压力、温度要求喷出的燃油可以为液态，也可以为气态。在主燃级高温高压燃油34和钝体火焰稳定器主燃级气流3混合形成油气混合物，充分混合的燃油和空气由中心空腔后台阶预燃级燃烧区域7的火焰加热点燃。利用钝体后形成的低速回流区，油气混合物在回流区稳定的燃烧。该结构简化了燃烧室头部结构，而且使用气态燃油喷射排除了燃油雾化对燃烧的影响，同时改善了油气混合状态，优化了燃烧室出口温度分布。

外环钝体火焰稳定器主燃级50和内环钝体火焰稳定器主燃级51的分布数根据所需的工作状态设计，外环钝体火焰稳定器13分布数较内环钝体火焰稳定器18多，其个数由预燃级空腔30的高度决定。钝体火焰稳定器出口宽度42与外环钝体火焰稳定器13和内环钝体火焰稳定器18的分布数有关，一般主燃级通道宽度与钝体火焰稳定器宽度42相当，由于内外环钝体火焰稳定器安装的圆周面直径和内外环钝体火焰稳定器分布数不同，内外环通道宽度略有不同。

钝体火焰稳定轴向长度43与钝体火焰稳定器的安装角度29有关，压气机出口气流偏转角决定钝体火焰稳定器安装角29，钝体火焰稳定器安装角29范围为10°～60°。由于钝体火焰稳定器主燃级气流3有一定的切向角度，使得整个火焰筒内的流动也具有一定的切向角度，从而在较小的火焰筒长度的情况下，增加了油气混合物在火焰筒内的驻留时间，满足了燃烧室的稳定燃烧工作，达到了了燃烧室缩短长度减少重量的目的。

钝体火焰稳定器燃油喷孔27可以选择开在钝体火焰稳定器压力面56，也可以同时在钝体火焰稳定器压力面56、钝体火焰稳定器吸力面57开孔，开孔可以选择单排或者多排，单排开孔数应当大于5，开孔直径0.5mm～1.0mm。具体工作范围内的燃油流量和气流动量与喷射燃油的动量比决定了开孔数量和开孔距通道出口的轴向位置，应保证主燃级高温高压燃油34的轨迹中心在通道出口至少达到通道宽度的中心。

内火焰筒20和外火焰筒19的冷却气流量为燃烧室总流量的10％～20％，采用气膜冷却、冲击发散冷却或是其它复合冷却方式，以控制火焰筒壁温度，并防止燃烧火焰进入冷却气内，以降低CO和UHC的产生。

出口支板21采用类似涡轮导向器的扩压叶型，空心结构，内部通冷却气，出口支板21的与燃烧室轴线的夹角为5°～70°，出口支板21后的气流角度与涡轮第一级转子叶片角度一致，个数也与涡轮叶片对应，通常为24～48个。

在一个具体实施案例中，设燃烧室设计点的总油气比为0.05，燃烧室总进气有效面积约194778mm²。根据上述方法，中心空腔后台阶预燃级的分配气量占整个燃烧室进气的约7％，中心空腔后台阶预燃级燃烧区域当量比为0.73，属于贫油燃烧；外环钝体火焰稳定器主燃级分配气量占整个燃烧室进气的约48％，内环钝体火焰稳定器主燃级分配气量占整个燃烧室进气的约32％。冷却气进气分配气量约占整个燃烧室进气的13％，用以冷却内火焰筒和外火焰筒。根据配比，中心空腔后台阶预燃级进气有效面积为13634mm²，外环钝体火焰稳定器主燃级为93493mm²，内环钝体火焰稳定器主燃级为62329mm²。对于中心空腔后台阶预燃级燃，切向槽内外环切向角度为15°，切向槽内外环切向槽宽度1mm，切向槽内外环切向槽周期角5°，切向槽外环流量占中心空腔后台阶预燃级的40％，切向槽内环流量占中心空腔后台阶预燃级的40％；顶板切向孔角度15°，顶板切向孔直径1mm，开孔个数135个，顶板切向进气孔流量占中心空腔后台阶预燃级的20％。后台阶高度13.5mm，预燃级通道高度42mm，堵塞比0.32，顶板周向长度120mm，高温高压供油孔直径0.5mm。中心空腔后台阶预燃级燃沿周向均匀分布12个，中心空腔后台阶预燃级燃单个周期扇形角30°。钝体火焰稳定器出口宽度为20mm，钝体火焰稳定器轴向长度20mm，外环布置48个外环钝体火焰稳定器，内环布置36个内环钝体火焰稳定器。钝体火焰稳定器压力面开单排5个钝体火焰稳定器燃油喷口，孔直径1mm，开孔位置距通道出口的轴向距离为整个通道长度的10％。钝体火焰稳定器内通高温高压的气态燃油，钝体火焰稳定器厚度1.2mm，外环钝体火焰稳定器和内环钝体火焰稳定器安装角均为60°。出口支板安装角度65°，厚度1.2mm，个数为36个。

Claims (9)

1.中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：由分流式扩压器(10)、燃烧室外机匣(12)、燃烧室内机匣(11)、中心空腔后台阶预燃级(44)、外环钝体火焰稳定器主燃级(50)、内环钝体火焰稳定器主燃级(51)、燃油供给系统(48)、内火焰筒(20)、外火焰筒(19)和出口支板(21)构成；所述的中心空腔后台阶预燃级(44)由顶板(24)、后台阶(16)、喷嘴(15)、切向槽内环(17)和切向槽外环(14)构成，顶板(24)与后台阶(16)沿与发动机轴线垂直的截面上的圆周周向连接，喷嘴(15)安置在后台阶(16)的径向端面上，切向槽内环(17)和切向槽外环(14)分别安置在后台阶(16)和顶板(24)的以发动机轴线为轴的圆周内侧和外侧，切向槽内环(17)、切向槽外环(14)、后台阶(16)和顶板(24)四者形成剖面为半封闭矩形的周向的预燃级空腔(30)，所述的中心空腔后台阶预燃级(44)的切向槽内环(17)和切向槽外环(14)开有切向槽内外环切向进气槽(25)，空气经切向槽内外环切向进气槽(25)进入预燃级空腔(30)切向流动，利用后台阶(16)产生的低速回流区稳定火焰；所述的外环钝体火焰稳定器主燃级(50)和内环钝体火焰稳定器主燃级(51)共同组成主燃级，外环钝体火焰稳定器主燃级(50)和内环钝体火焰稳定器主燃级(51)分别由外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)组成，外环钝体火焰稳定器主燃级(50)和内环钝体火焰稳定器主燃级(51)两者结构相同，外环钝体火焰稳定器(13)安置在切向槽外环(14)的外侧壁面和外火焰筒(20)内壁面之间，外环钝体火焰稳定器(13)的前缘与切向槽外环(14)的前缘齐平，内环钝体火焰稳定器(18)安置在切向槽内环(17)的内侧壁面和内火焰筒(19)外壁面之间，内环钝体火焰稳定器(18)的前缘与切向槽外环(17)的前缘齐平，外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)安装时与发动机轴线有偏转角；燃油供给系统(48)由喷嘴安装座(45)、液态燃油管(46)和高温高压燃油管(47)构成，燃油供给系统(48)通过喷嘴安装座(45)与燃烧室外机匣(12)相连，液态燃油管向喷嘴(15)供给液态燃油，高温高压燃油管(47)供给高温高压燃油，与顶板(24)连接，经顶板(24)、后台阶(16)、切向槽外环(17)和切向槽内环(14)均开有高温高压供油孔(52)向外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)内供给高温高压燃油，从外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)内喷射出的主燃级高温高压燃油(34)与空气混合被中心空腔后台阶预燃级(44)引燃，并在外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)后的低速区稳定燃 烧；所述出口支板(21)安置在内火焰筒(20)和外火焰筒(19)的出口处，且出口支板(21)与燃烧室轴线有夹角，燃烧后燃烧室出口燃气具有偏转角。

2.根据权利要求1所述的中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：所述中心空腔后台阶预燃级(44)的空气分配占全部燃烧气量的5％～20％，外环钝体火焰稳定器主燃级(50)和内环钝体火焰稳定器主燃级(51)的空气分配占全部燃烧气量的60％～90％；整个燃烧室共有12～18个中心空腔后台阶预燃级(44)，中心空腔预燃级单个周期扇形角(28)为20°～30°。

3.根据权利要求1所述的中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：所述的分流式扩压器(10)由两个分流片将气流分为三股气流，即中心气流(2)、外环气流(54)和内环气流(55)，使气流均匀散布到燃烧室头部，分流式扩压器(10)的三股出口气流向上折转。

4.根据权利要求2所述的中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：所述的中心空腔后台阶预燃级(44)的顶板(24)开有与预燃级空腔(30)内气流切向流动方向相反的多个顶板切向进气孔(26)，顶板切向进气孔(26)与发动机轴线夹角15°～30°，顶板切向孔直径(41)为0.5mm～1.0mm，开孔数65～135，顶板切向进气孔(26)进气增强后台阶(16)后的预燃级空腔内回流区(32)，流量为中心空腔后台阶预燃级(44)流量的10％～50％。

5.根据权利要求1所述的中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：所述中心空腔后台阶预燃级(44)的喷嘴(15)安置在后台阶(16)径向端面上，与所在轴向截面夹角为5°～60°。

6.根据权利要求1所述的中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：所述高温高压供油孔(52)，孔径0.4mm～1mm；高温高压燃油管(47)与后台阶(16)连接，后台阶(16)、顶板(24)、切向槽外环(17)和切向槽内环(14)的高温高压供油孔(52)相互连通；燃油供给系统(48)经高温高压供油孔(52)向外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)内供给稳定器内高温高压燃油(53)。

7.根据权利要求1所述的中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：所述外环钝体火焰稳定器(13)和内环钝体火焰稳定器(18)安装时与发动机轴线的偏转角为10°～60°。

8.根据权利要求1所述的中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：所述燃烧室的内火焰筒(11)和外火焰筒(12)的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。 

9.根据权利要求1所述的中心空腔稳火切向燃烧室，其特征在于：所述的燃烧室出口支板(21)与燃烧室轴线的夹角为5°～70°；所述出口支板(21)个数为24～48个。 

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