一种带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部的制作方法

本公开涉及航空燃气轮机燃烧室技术领域，尤其涉及一种带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部。

背景技术：

随着航空发动机技术的逐渐进步，发动机燃烧室更多的采用分级燃烧的组织方式，以达到高温升或低排放的目的。分级燃烧中，预燃级大多采用扩散燃烧方式，主燃级大多采用预混燃烧方式。这种类型燃烧室，国内外申请了多项相关专利，如美国ge公司申请的美国专利申请号6363726、6389815等，中国的北京航空航天大学申请的专利201210335832.x、201310250022.9、201410584846.4、201810472110.6等。

主燃级油量主要从主燃级喷出，至后在轴向旋流叶片产生的旋流气流的作用下，发生燃油油滴破碎、蒸发、油气混合等过程，在燃烧室内形成混合气进行预混燃烧。因此，主燃级燃油破碎雾化过程是影响燃烧性能和排放系能的关键因素之一。主燃级直喷喷射匹配预膜板的形式是提高燃油雾化效果的有效方式之一。已公开的预膜板大多为圆柱或圆锥型预膜板，如中国专利申请号201610860748.8所示结构；或为叶片预膜板，如中国专利申请号201810472110.6所示结构；均具有一定的改善燃油雾化的作用，但仍有进一步研究和改进的空间。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部。

根据本公开的一个方面，一种带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部，包括：预燃级、和套在所述预燃级外的主燃级；

所述主燃级包括内环、和套在所述内环外的套筒；

所述内环具有多个沿周向分布的喷孔；

所述内环和所述套筒之间形成环状的气道；

所述气道内由前至后依次设有轴向旋流叶片和卷流预膜板；

所述轴向旋流叶片设置有多个，多个所述轴向旋流叶片沿周向布置；

所述卷流预膜板呈环状，所述卷流预膜板由多个分段圆弧沿周向排列而成；

所述喷孔正对所述卷流预膜板的弧脊设置，且任意相邻两个所述喷孔之间有两个所述分段圆弧；

所述弧脊前后端的径向高度均大于所述内环外表面的半径，且小于所述套筒内表面的半径。

根据本公开的至少一个实施方式，所述卷流预膜板的前端连接至所述轴向旋流叶片的尾端。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括：多个筋板；

每个所述筋板内外两侧分别连接至所述卷流预膜板和所述套筒。

根据本公开的至少一个实施方式，所述筋板和所述轴向旋流叶片一体成型。

根据本公开的至少一个实施方式，所述筋板的内侧连接至所述卷流预膜板的弧脊处。

根据本公开的至少一个实施方式，任意相邻的两个所述筋板之间有两个所述分段圆弧。

根据本公开的至少一个实施方式，所述分段圆弧前后端直径不相等。

根据本公开的至少一个实施方式，所述卷流预膜板的轴向长度为轴向旋流叶片的轴向长度的20％到300％。

根据本公开的至少一个实施方式，所述卷流预膜板的厚度为轴向旋流叶片的厚度的20％到100％。

根据本公开的至少一个实施方式，所述预燃级包括：预燃级喷嘴、一级旋流组件、和二级旋流组件；

所述预燃级喷嘴与所述一级旋流组件连接；

所述一级旋流组件与所述二级旋流组件连接；

所述二级旋流组件连接至所述内环。

本发明的有益效果为：

燃油从喷孔喷出后，在射流流动和空气旋流的共同作用下运动，在气道形成一次空间雾化，至后，燃油恰好会运动到卷流预膜板的弧脊处，被弧脊均匀分流成两束油束，两束油束分别沿卷流预膜板的圆弧形成既有卷流又有旋流的三维流动，动量大的燃油沿圆弧返回气道中央，形成二次空间雾化，动量小的燃油未脱离卷流预膜板，在卷流预膜板上形成油膜，并向卷流预膜板后端运动，从而形成油膜破碎雾化，提高雾化质量；与现有技术相比，本发明使得燃油与空气形成旋流和卷流的综合效果，改善燃油空间分布，进一步促进了主燃级燃油雾化、蒸发和油气混合过程，从而改善预混效果，提高燃烧室的燃烧性能和排放性能。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的实施方式的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部的示意图。

图2中左边为用过内环中轴线的平面剖切图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部的示意图，图2中右边为用与内环中轴线呈一定夹角的平面剖切图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部的示意图。

图3是图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部中卷流预膜板的几何特征参数示意图。

图4是图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部中卷流预膜板及其中一种固定方式的示意图。

图5是图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部中喷孔喷射方向的示意图。

图6是图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部中卷流预膜板与现有技术中的预模板的卷流效果比较示意图，其中，图6中左边为现有技术中的预模板，图6中右边为本公开的卷流预膜板的结构示意图。

图7是图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部中卷流预膜板的卷流和旋流综合作用的示意图。

图8是图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部中卷流预膜板的另一实施方式的示意图。

图9是图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部中卷流预膜板的其中一种固定方式的示意图。

图10是图1所示的带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部中卷流预膜板的另一种固定方式的示意图。

附图标记：10-主燃级；11-内环；12-套筒；13-气道；14-轴向旋流叶片；15-卷流预膜板；151-分段圆弧；152-匹配喷孔弧脊；153-间隔弧脊；16-筋板；17-内环筋板；18-主燃级喷嘴；20-预燃级；21-预燃级喷嘴；22-一级旋流组件；23-二级旋流组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

据本公开的第一实施方式，提供了一种带有卷流预膜板结构的分级燃烧室头部，采用中心分级的结构，包括主燃级10和预燃级20，外形如图1所示。

如图2所示，主燃级10包括内环11、轴向旋流叶片14、卷流预膜板15、和套筒12，卷流预膜板15可采用多个分段圆弧151焊接形成，也可采用先进的切削工艺直接切削毛坯件成型，至后将轴向旋流叶片14与卷流预膜板15进行焊接组合，再将组合后的轴向旋流叶片14与卷流预膜板15焊接至内环11，最后再焊接套筒12，形成主燃级10。

主燃级喷嘴18插入内环11的喷孔，喷孔沿周向均匀分布，向主燃级10的气道13进行直喷，喷射燃油与气道13内的卷流预膜板15相匹配，达到改善雾化质量，改善燃烧和排放性能的效果。

主燃级10采用轴向旋流方式时，由于卷流预膜板15沿旋流气流方向布置，起到一定轴向旋流叶片14的作用，如图4所示。因此，采用本实施例中的卷流预膜板15的结构不会削弱旋流效果，反而会增强轴向旋流叶片14产生的旋流效果，可匹配不同旋流数的旋流器。

直喷喷射燃油喷到卷流预膜板15的弧脊处，会在卷流预膜板15的导流作用下分别沿弧脊两侧形成卷流效果，与现有技术相比，本实施例中的燃烧室头部更加不易在卷流预膜板15上形成局部燃油堆积现象，减小了油膜厚度，增加了油膜与空气接触面积，如图6所示。

卷流预膜板15定型的具体实施方式为：

卷流预膜板15的分段圆弧151个数应为喷孔个数的两倍。如图3所示，卷流预膜板15的几何特征参数包括：匹配喷孔弧脊152即与喷孔正对的弧脊的上游端径向高度ha1、间隔弧脊153即两个相邻喷孔之间的弧脊的上游端径向高度hb1、上游端圆弧半径r1、匹配喷孔弧脊152的下游端径向高度ha2、间隔弧脊153的下游端径向高度hb2、下游端圆弧半径r2、卷流预膜板15厚度s和卷流预膜板15轴向长度l，其中，上游端在前，下游端在后，轴向长度是指在前后方向上的距离。卷流预膜板15的圆弧段曲面是由卷流预膜板15上游端圆弧沿流线平滑过渡到下游端圆弧，经扫略形成的三维曲面，如图4所示，通过改变上述卷流预膜板15的几何特征参数即可设计出不同形状的卷流预膜板15，从而达到不同的雾化效果。

需要说明的是，上述匹配喷孔弧脊152的上游端径向高度ha1、间隔弧脊153的上游端径向高度hb1、匹配喷孔弧脊152的下游端径向高度ha2、和间隔弧脊153的下游端径向高度hb2为相应弧脊的端点到内环11的中轴线的距离，如图3所示。

上述卷流预膜板15的几何特征参数中，匹配喷孔弧脊152的上游端径向高度ha1、间隔弧脊153的上游端径向高度hb1、匹配喷孔弧脊152的下游端径向高度ha2、间隔弧脊153的下游端径向高度hb2均大于内环11外表面的半径，且小于套筒12内表面的半径。在一个实施例中，如图8所示，一种变端面圆弧半径设计方案，这里r1与r2不相等，r1为8mm，r2为12mm。

在一个实施方式中，卷流预膜板15的轴向长度为轴向旋流叶片14的轴向长度的20％到300％。卷流预膜板15对旋流空气也具有旋流导向作用，卷流预膜板15的轴向长度越长，越有利产生旋流，油膜形成卷流的运动更充分，但同时，油膜在卷流预膜板15上的停留时间也越长。因此，通过改变卷流预膜板15的轴向长度，会影响旋流和卷流效果，以及油膜停留时间，从而影响雾化效果。

在一个实施方式中，卷流预膜板15的厚度为轴向旋流叶片14的厚度的20％到100％。改变卷流预膜板15的厚度可以改变卷流预膜板15的刚性，在气流和油束的冲击作用下，卷流预膜板15发生不同程度的震动，从而可影响油膜破碎过程。

喷孔与卷流预膜板15匹配的具体实施方式为：

喷孔与卷流预膜板15的弧脊正对，喷孔沿周向均匀分布在内环11上，相隔一个卷流预膜板15的弧脊，布置一个喷孔，并使之与弧脊匹配，如图3和图6所示。实现喷孔与弧脊匹配的一种方法是，喷孔位置在主燃级10轴向旋流叶片14安装线即轴向旋流叶片14与内环11外表面的交线上，这样保证了喷孔轴线与卷流预膜板15的弧脊相交。燃油从喷孔喷出后，在射流流动和空气旋流的共同作用下运动，在气道13内形成一次空间雾化；至后，燃油恰好会运动到卷流预膜板15的匹配喷孔弧脊152处，被匹配喷孔弧脊152均匀分流成两束油束，两束油束分别沿卷流预膜板15的圆弧形成既有卷流又有旋流的三维流动，动量大的燃油沿圆弧返回气道13中央，形成二次空间雾化，动量小的燃油未脱离卷流预膜板15，在卷流预膜板15上形成油膜，并向卷流预膜板15的下游端运动，从而形成油膜破碎雾化，提高雾化质量，如图6所示。

喷孔的喷射方向可以是轴向旋流叶片14所在平面内的任意方向，可以是向前倾斜，或者向后倾斜，或者垂直于气流流动方向。但喷射方向应与卷流预膜板15匹配，即需保证燃油能够喷射到卷流预膜板15的匹配喷孔弧脊152上，避免燃油未接触卷流预膜板15而直接喷出气道13，如图5所示。

卷流预膜板15固定的具体实施方式为：

卷流预膜板15的固定方式，可以是，端面固定，即卷流预膜板15前端面与轴向旋流叶片14的后端面进行焊接固定，这种方案预膜板只固定了其前端，如图9所示；也可以是，筋板16固定，即在套筒12内表面焊接与轴向旋流叶片14平行的筋板16，利用筋板16与卷流预膜板15焊接固定，可以将轴向旋流叶片14与筋板16作为一体，如图2所示；也可以在焊接固定卷流预膜板15时，减少筋板16的数量，如图10所示。

在保证喷孔与卷流预膜板15的弧脊匹配的情况下，卷流预膜板15的固定焊接位置可以是周向任意位置，但在弧脊处进行焊接较为方便，如图7、9、10所示，均在弧脊处进行的端面固定或筋板16固定。

预燃级20可采用现有技术实现，在一个实施方式中，预燃级20可包括预燃级喷嘴21、一级旋流组件22、和二级旋流组件23，预燃级喷嘴21与一级旋流组件22通过螺纹连接，一级旋流组件22与二级旋流组件23通过螺纹或焊接连接，如图2所示。图2中，一级旋流组件22采用斜切式进气、二级旋流组件23采用径向旋流进气，但其他进气方式亦可，本公开不对预燃级20的旋流进气方式有特别要求。

主燃级10与预燃级20连接是通过预燃级20二级旋流组件23与内环筋板17进行螺纹连接或焊接，如图2所示，从而形成主燃级10采用轴向旋流且带有卷流预膜板15结构的分级燃烧室头部。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。