一种基于自激发扫掠振荡燃油喷嘴的中心分级燃烧室的制作方法

1.本发明属于航空发动机中心分级燃烧室方案技术领域，尤其涉及燃气轮机主燃烧室燃油喷射与雾化技术。


背景技术：

2.民用航空发动机燃烧室主要需求是降低污染排放，军用航空发动机燃烧室的主要需求是提高出口温度，这两者的燃烧组织发展趋势都是采用中心分级燃烧室，即燃烧室的每个头部中心是预燃级火焰，周围是主燃级火焰，如图1所示。预燃级一般包含一个离心式压力喷嘴，一个或者一对径向旋流器，旋流器用来提高燃油的雾化性能，并形成非预混火焰，预燃级主要用来在各种发动机工况下稳定火焰。主燃级含有一个轴向旋流器，以及一系列周向均匀分布的直射式燃油喷射孔。主燃级的燃油在一个环形通道内与旋流空气混合，完成预混合和预蒸发的过程，进入火焰筒内后形成主燃级火焰。
3.航空发动机的主要污染排放物包括：氮氧化物(nox)，一氧化碳(co)，未燃碳氢(uhc)和冒烟(smoke)等，其中主要考虑降低氮氧化物排放。氮氧化物(nox)主要由热力型机理控制，燃烧区温度过高会使nox排放急剧增加。因此低排放燃烧室设计的关键在于降低头部燃烧区当量比，同时提高油气混合物均匀性，避免出现局部高温区。综上所述，现代低排放燃烧室的核心技术之一就是快速而均匀的燃油掺混，从而为火焰筒提供更加均匀的油气混合物。
4.对于军用高温升燃烧室，其最大的技术挑战在于提高燃烧室出口温度分布均匀性，以减少高温燃气对涡轮叶片的冲击，提高发动机寿命。要提高出口温度分布均匀性，减少局部高温区，同样需要提高主燃级油气混合均匀性。
5.因此，主燃级燃油的掺混是决定燃烧室排放和出口温度分布的关键。目前已有的几款著名的航空发动机燃烧室，基本都采用简单圆孔的直射式喷孔，主要利用圆孔喷嘴产生的直射式液柱与横向气流的剪切作用使燃油破碎雾化，如采用壁面径向喷射加辅助空气伴流、壁面径向喷射加预膜板及预膜喷射。预膜喷射存在结构复杂、在大喷嘴上难以实施的问题。而前两种壁面径向喷射方案，燃油的穿透深度受动量比控制，在大工况下，穿透深度大，燃油与主燃级旋流的掺混更强烈，但径向分布均匀度依然不够好；但在小工况下，燃油流量小，动量比低，往往容易出现穿透深度不足，影响燃油混合；另外，部分燃油容易贴附在通道内壁面，造成结焦或自燃回火。因此，目前已有的燃油喷射都主要采用简单圆孔直射式喷嘴，燃油的掺混均匀性还有很大的提升空间。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种基于自激发扫掠振荡燃油喷嘴的中心分级燃烧室，在主燃级一圈的扇形喷嘴设计成不同流量、不同油雾张角或不同扫射频率等，以取得更好的燃油混合效果，同时抑制燃烧不稳定性。本发明的目的通过以下方案实现：
7.本发明一方面提供了一种基于自激发扫掠振荡燃油喷嘴的中心分级燃烧室，包括:内部具有空腔的外壳体、与所述外壳体同轴设置的主燃级及与所述外壳体同轴设置的预燃级；所述主燃级设置于所述外壳体的内部，所述主燃级主体部与所述外壳体的内壁面之间设置有主燃级旋流器，并形成一级旋流通道，所述主燃级主体部内部还设置有环形的燃油通道，所述燃油通道适于与输油管连接；所述主体部背向来流的方向设置有若干与所述燃油通道连通的自激发扫掠振荡燃油喷嘴，所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴适于向所述一级旋流通道喷射振荡油液；所述预燃级，包括能够使得通过预燃级的来流产生旋转的一组或两组旋流器。
8.进一步地，所述预燃级包括二级旋流器及中心旋流器，所述二级旋流器及中心旋流器将通过所述预燃级的来流形成旋转方向相反的两个旋流。
9.进一步地，所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴包括收缩口、振荡腔体及喷口；所述收缩口与所述燃油通道通过导油孔导通，燃油从所述导油孔进入所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴，并经过所述收缩口后燃油加速进入所述振荡腔体，所述收缩口与振荡腔体的一端连接，所述喷口与振荡腔体的另一端连接；所述振荡腔体内以所述收缩口及喷口的中心点连线为对称轴，对称设置有两隔断体，两所述隔断体将所述振荡腔体隔断为位于中部的燃油振荡部及分布于两侧的两个燃油回流部。
10.进一步地，所述主燃级包括外级间段及内级间段；所述外级间段包括圆形壳体、设置于所述圆形壳体的外侧面的所述主燃级旋流器、设置于所述圆形壳体的一端部的向圆形壳体的轴线延伸的导油凸缘；所述导油凸缘背离来流的方向设有若干所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴，导油凸缘上还设置有与所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴相对应的若干导油孔；所述内级间段的最大外径小于所述圆形壳体的内径，且所述内级间段的端部适于与所述导油凸缘抵接，从而形成与若干所述导油孔贯通的圆环形的所述燃油通道。
11.进一步地，所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴为设置于导油凸缘背离来流方向表面上的凹槽，所述预燃级设置有圆环形第一遮挡件，所述第一遮挡件适于封闭所述凹槽背离来流方向的开口。
12.进一步地，所述预燃级包括预燃级燃油喷射装置，所述预燃级燃油喷射装置包括预燃级燃油喷嘴、中心旋流器以及用于将所述预燃级燃油喷嘴连接至所述中心旋流器中部的燃油喷嘴安装环。
13.进一步地，所述预燃级包括前端旋流部，所述前端旋流部包括所述第一遮挡件、位于所述第一遮挡件表面且面向来流方向的凸台、位于所述凸台面向来流方向表面的二级旋流器。
14.进一步地，所述预燃级燃油喷射装置包括用于与所述二级旋流器抵接的定位面，所述中心旋流器设置于所述定位面的远离所述二级旋流器的侧面。
15.进一步地，所述二级旋流器及中心旋流器呈现为斜齿状，所述二级旋流器及中心旋流器将来流向中心分级燃烧室的轴线引导。
16.进一步地，还包括用于封闭所述燃油通道面向来流方向环形开口的第二遮挡件；所述第二遮挡件上设置有适于与输油管连接的槽口，输油管的油液适于通过所述槽口进入所述燃油通道。
17.进一步地，还包括通过接头与主燃级的燃油通道连通的输油管。
18.相比于现有技术本发明的优势在于：本发明提供了一种基于自激发扫掠振荡燃油喷嘴的中心分级燃烧室，包括内部具有空腔的外壳体、与所述外壳体同轴设置的主燃级及与所述外壳体同轴设置的预燃级。并使用环形燃油通道连接多个自激发扫掠振荡燃油喷嘴，所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴适于向所述一级旋流通道喷射振荡油液。燃油通过自激发扫掠振荡燃油喷嘴呈扇形输出，并被经过旋流通道的旋转来流分散，能够大幅提高燃油的雾化性能和空间分布均匀性。同时由于适于输出振荡油液的自激发扫掠振荡燃油喷嘴需要具有较为复杂腔体的结构，采用原有油路必然会增加中心分级燃烧室的结构复杂度。因此，本发明通过在主燃级的主体部内部还设置环形的燃油通道，并将燃油通道与输油管连接及自激发扫掠振荡燃油喷嘴连通，实现了紧凑、小型化的结构设计。
附图说明
19.附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
20.图1为传统中心分级燃烧室示意图；
21.图2为本发明的基于自激发扫掠振荡燃油喷嘴的中心分级燃烧室；
22.图3为图2中心分级燃烧室爆炸示意图；
23.图4为图2中心分级燃烧室沿对称面的剖面图；
24.图5为图4中a处的放大示意图；
25.图6为图3中前端旋流部详细示意图；
26.图7为图3中外级间段详细示意图；
27.图8为图7外级间段正视图；
28.图9为图8中b处放大示意图；
29.图10中(a)直射式喷嘴注入燃油示意图；(b)自激发扫掠振荡燃油喷嘴注入燃油示意图；
30.图11为图3中预燃级燃油喷射装置详细示意图；
31.图12为气流通过图2中心分级燃烧室的示意图。
32.其中，1、输油管；2、外壳体；3、前端旋流部；31、第一遮挡件；32、凸台；33、二级旋流器；4、外级间段；41、圆形壳体；42、主燃级旋流器；43、导油凸缘；44、导油孔；45、自激发扫掠振荡燃油喷嘴；451、收缩口；452、振荡腔体；453、喷口；454、隔断体；455、燃油回流部；5、内级间段；6、预燃级燃油喷射装置；61、预燃级燃油喷嘴；62、定位面；63、中心旋流器；64、导向体；65、燃油喷嘴安装环；7、第二遮挡件；81、燃油通道；91、第一来流；92、第二来流；93、第三来流。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施方式对本发明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，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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发明。
35.参见说明书附图2
‑
3，本发明提供了一种基于自激发扫掠振荡燃油喷嘴45的中心分级燃烧室。从功能上划分，中心分级燃烧室主要包括输油管1、外壳体2、主燃级及预燃级。从结构具体结构上划分，所述主燃级又包括外级间段4、内级间段5及第二遮挡件7，所述预燃级又包括了前端旋流部3及预燃级燃油喷射装置6。从附图3可知，外壳体2、前端旋流部3、外级间段4、内级间段5、预燃级燃油喷射装置6及第二遮挡件7依次嵌套或连接可形成图2中的中心分级燃烧室。
36.首先从功能划分上阐述本发明方案。参见附图4，外壳体2呈现套筒状，其内部具有贯穿的空腔，优选地，外壳体2呈现为中心轴旋转对称。所述外壳体2在迎接来流的方向直径大于背离来流方向的直径，从而外壳体2能够在一定的程度上提高来流的流动速度。
37.主燃级与预燃级与外壳体2同轴，即与所述中心轴同轴。主燃级的主体部的直径小于外壳体2的内径，从而在主燃级主体部的表面与外壳体2的内壁间限定出一级旋流通道。主燃级还包括适于设置在该一级旋流通道中的主燃级旋流器42。参见附图12，第一来流91通过主燃级旋流器42后将会产生沿第一方向的旋转。
38.参见附图5，所述主燃级主体部内部还设置有环形的燃油通道81，具体地，通过主体部的内壁和外壁间隔设置从而形成夹层结构，中部间隔的空间即为燃油通道81。主体部背向来流的侧面上设置有若干自激发扫掠振荡燃油喷嘴45。优选地，若干自激发扫掠振荡燃油喷嘴45沿着轴线的周向均匀设置。燃油通道81的一端应当与输油管1连接，另一端与所述若干自激发扫掠振荡燃油喷嘴45连接。从而输油管1的油液进入燃油通道81后，迅速沿着环形的燃油通道81布满整个通道，并从燃油通道81与自激发扫掠振荡燃油喷嘴45连接处均匀地进入所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴45。
39.自激发扫掠振荡燃油喷嘴45适于向所述一级旋流通道喷射振荡油液。主燃级旋流器42后部产生高速的旋流在遇到自激发扫掠振荡燃油喷嘴45产生的扇状油液后，能够迅速地将油液吹散。而为了对油液和气体的进一步混合，预燃级通常还包括对来流产生旋转的旋流器。从而能够将油液和来流气体进一步混合。
40.参见附图12，预燃级包括二级旋流器33及中心旋流器63。第二来流92进入二级旋流器33后将产生第二方向的旋转；第三来流93进入中心旋流器63后产生第三方向的旋转。当第二方向和第三方向相反时，能够进一步将空气与预燃级油液混合。
41.参见附图9，所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴45包括收缩口451、振荡腔体452及喷口453；所述收缩口451与所述燃油通道81通过导油孔44导通，燃油从所述导油孔44进入所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴45，并经过所述收缩口451后燃油加速进入所述振荡腔体452，所述收缩口451与振荡腔体452的一端连接，所述喷口453与振荡腔体452的另一端连接。
42.所述振荡腔体452内以所述收缩口451及喷口453的中心点连线为对称轴，对称设置有两隔断体454，两所述隔断体454将所述振荡腔体452隔断为位于中部的气体振荡部及分布于两侧的两个燃油回流部455。所述燃油回流部455进行形成了反馈通道。所述隔断体454呈“l”形，隔断体454的两个直角边与振荡腔体452的两侧壁形成所述燃油回流部455。所述“l”形的底边接近所述收缩口451。所述燃油经过所述隔断体454时，向隔断体454的竖边扩散，并形成了漩涡。两侧的漩涡难以完全相等，因此必然存在旋转较强烈的漩涡，促使主燃油向旋转较强烈的漩涡一侧偏转，并经一步加强该侧漩涡的强度，而使得另外一侧的漩
涡强度减弱。同时由于主燃油贴近一侧流动，使得靠近该侧的燃油回流部455的出口处压力较低，主燃油经过该燃油回流部455的入口时，由于压力差的作用，将导致更多的油液从该侧的燃油回流部455流动至回流部出口处，并补偿该处的压力，推动该处的主流离开该侧漩涡。当主燃油向另外一侧偏转较大角度时，另外一侧的漩涡在旋转强度上将占优势，使得主燃油被迅速吸引向另一侧偏摆。重复以上的过程，实现了在喷口453处输出高频摆动的射流。
43.所述喷口453与所述振荡腔体452通过喉孔连接，具体地通过喉孔的设置，能够将在所述第一振荡腔里扩散了的流体进行收缩，由于在振荡腔体452里，主流体已经出现了偏摆，从所述喉孔中射出的射流将延续着振荡腔体452中主流体的方向。喷口453的外端大于与喉孔的连接端，具体而言形成了喇叭状的开口。与所述喷口453一致，喇叭状的开口能够增大气流摆动的空间。
44.通常地，燃油与空气的混合均匀程度将决定了燃烧的充分程度及质量。自激发扫掠振荡燃油喷嘴45能够在高速横向气流作用下将燃油在较大空间内散布并与空气均匀混合，从而有效提高燃烧效率。采用直接的燃油雾化导致燃油注入效率低(附图10a)，而采用摆动式的燃油注入方式，通常需要引入机械控制结构或电磁控制机构，增加了发动机的复杂度。本发明创造性地引入了自激发扫掠振荡的自激发扫掠振荡燃油喷嘴45，在高压油液的注入下，利用自激发的振荡腔产生高频率的扫掠式振荡油液输出(附图10b)，而不需要增加机械运动结构或电磁结构。
45.参见附图3，为了便于机械加工和装配，所述主燃级又包括外级间段4、内级间段5及第二遮挡件7，所述中心级又包括了前端旋流部3及预燃级燃油喷射装置6。
46.参见附图7
‑
8，所述外级间段4包括圆形壳体41、设置于所述圆形壳体41的外侧面的所述主燃级旋流器42、设置于所述圆形壳体41的一端部的向圆形壳体41的轴线延伸的导油凸缘43。由于以上结构较为简单，可以直接通过铸造及机加工获得该结构件。同时，在导油凸缘43背离来流的方向上，能够通过铣削的方式在表面依形状直接加工上述自激发扫掠振荡燃油喷嘴45，上述自激发扫掠振荡燃油喷嘴45呈现为凹槽。并通过钻床在自激发扫掠振荡燃油喷嘴45的末端开设与自激发扫掠振荡燃油喷嘴45数量相对应的导油孔44。
47.参见附图3，内级间段5的目的是为了形成主燃级的内壁面，其不需其他附属功能结构，因此具有规整的、呈圆筒状的主体结构。内级间段5的最大外径小于所述圆形壳体41的内径，且所述内级间段5的端部适于与所述导油凸缘43抵接，从而形成与若干所述导油孔44贯通的圆环形燃油通道81。
48.进一步地，自激发扫掠振荡燃油喷嘴45的长度方向是沿着导油凸缘43的径向分布，而导油孔44需要设置在自激发扫掠振荡燃油喷嘴45的末端。为了保障油液的迅速分布，内级间段5主体部分的直径大于内级间段5与导油凸缘43接触部分的直径，形成台阶状。
49.参见附图6，所述前端旋流部3包括所述第一遮挡件31、位于所述第一遮挡件31表面且面向来流方向的凸台32、位于所述凸台32面向来流方向表面的二级旋流器33。参见附图5，第一遮挡件31适于封闭所述凹槽背离来流方向的开口，从而使得油液只能通过导油孔44进入所述自激发扫掠振荡燃油喷嘴45，并从自激发扫掠振荡燃油喷嘴45的喷口453喷出。
50.值得注意的是，第一遮挡件31、凸台32及二级旋流器33都为圆环形通道。其中部避空，以便于二级旋流器33及中心旋流器63的气流顺利通过。二级旋流器33通过铣床加工，形
成斜齿形结构，从而实现对气流旋转方向引导。
51.参见附图11，预燃级燃油喷射装置6，所述预燃级燃油喷射装置6包括用于与所述二级旋流器33抵接的定位面62、设置于所述定位面62的远离所述二级旋流器33的侧面的中心旋流器63、位于所述中心旋流器63迎向来流方向侧面的预燃级燃油喷嘴61以及导向体64。具体地，所述预燃级燃油喷嘴61通过燃油喷嘴安装环65与中心旋流器63连接。预燃级燃油喷嘴61与在面向来流的方向上与另一输油管道连接，油液通过预燃级燃油喷嘴61的中部通孔向中心旋流器63的中部喷射油液。预燃级燃油喷嘴61喷射的油液遇到中心旋流器输出的旋转气流，将得到充分的分散及混合。
52.所述中心旋流器63和导向体64分别位于定位面62的两个侧面上。中心旋流器63、定位面62、导向体64均是圆环形结构。中心旋流器63上的斜齿结构通过铣削获得。来流通过中心旋流器63后向中心旋流器63的中心汇聚，并且通过所述导向器向中心分级燃烧室末端流动。所述导向体64能够将二级旋流器33和中心旋流器63产生的旋转气流先进行分离。待两股旋转气流稳定旋转后再碰撞混合至一起，油液与空气的混合程度进一步提高。
53.参见附图3，第二遮挡件7上设置有适于与输油管1连接的槽口，输油管1的油液适于通过所述槽口进入所述燃油通道81。输油管1通过接头与主燃级的燃油通道81连通。
54.本发明的燃油通过自激发扫掠振荡燃油喷嘴45呈扇形输出，并被经过旋流通道的旋转来流分散，能够大幅提高燃油的雾化性能和空间分布均匀性。同时由于适于输出振荡油液的自激发扫掠振荡燃油喷嘴45需要具有较为复杂腔体的结构，采用原有油路必然会增加中心分级燃烧室的结构复杂度。本发明从加工制造的角度，将中心分级燃烧室的部件分解为若干易于加工的模块，实现了燃油通道81与输油管1连接及自激发扫掠振荡燃油喷嘴45连通，还不增加系统复杂度。本发明的中心分级燃烧室与现有中心分级燃烧室相比较，还具有结构紧凑、小型化的特点。
55.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技术的至少一个实施例/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。
56.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。在本技术的描述中，“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。
57.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发明，而并非是对本发明的范围进行限定。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发明的范围内。