燃烧室头部、燃烧室、燃气涡轮发动机及燃烧控制方法与流程

1.本发明涉及燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种燃烧室头部、燃烧室、燃气涡轮发动机及燃烧控制方法。


背景技术：

2.现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，其趋势是燃烧室轴向长度不断缩短、燃烧室头部高度不断加大，呈短环形发展。无论是军用航空发动机还是民用航空发动机，燃烧室头部进气量大，燃烧组织的主要环节基本在燃烧室头部径向距离实现，这一气动设计的关键在于油气组织匹配，后者对燃烧效率、出口温度分布、污染排放、燃烧稳定性等有很大的影响。
3.为了适应宽广的工作范围(燃烧室进口温度高至900k，进口压力高至40atm)，燃烧室采用在头部多处进气、多处喷射燃油(燃油分级喷射及单级多位置喷射)，形成多重旋流火焰。一种典型的技术方案是中心空气分级、燃烧室头部中心设置预燃级、中心外缘设置主燃级，从而实现小推力工况时采用中心预燃级喷射较小流量燃油以扩散燃烧模式工作，保证燃烧效率和点火性能等需求；在中大推力工况时采用预燃级和主燃级同时喷射燃油，其中大部分燃油通过主燃级喷射进燃烧室后以部分预混燃烧模式工作，从而控制火焰温度以降低氮氧化物(nox)排放和改善出口温度分布。
4.但是，发明人发现，现有技术的空气分级的技术方案，为适应不同工况下运行的燃烧室设计带来极大挑战，需要兼顾多重空气旋流的相互匹配、以及燃油与空气的局部化学当量状态，例如：小推力下时外层旋流空气会阻碍中心喷嘴向外喷射燃油；大推力下分级火焰相互影响带来的出口温度分布不均匀、振荡燃烧等问题。
5.因此，本领域需要一种燃烧室头部，以优化燃烧室头部的气流运动，以提高燃烧室在不同工况下的气动与燃烧稳定性、提高燃烧室的燃烧效率，从而降低燃气涡轮发动机的油耗，提升燃气涡轮发动机运行的稳定性以及可靠性。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的在于提供一种燃烧室头部。
7.本发明的另一个目的在于提供一种燃烧室。
8.本发明的又一个目的在于提供一种燃气涡轮发动机。
9.本发明的再一个目的在于提供一种燃烧控制方法。
10.根据本发明一个方面的一种燃烧室头部，包括：
11.主燃级，包括主燃级喷嘴以及主燃级通道，所述主燃级通道提供第一空气流路；预燃级，包括预燃级喷嘴；以及级间段，包括级间段壁面，其两端分别连接所述主燃级与所述预燃级，所述级间段提供第二空气流路；其中，所述预燃级喷嘴为离心式喷嘴；所述主燃级通道设置有主燃级旋流器，所述主燃级喷嘴的喷油方向朝向所述主燃级旋流器；进入所述燃烧室头部的空气的大部分经过第一空气流路与燃油掺混，其余小部分经过第二空气流路
冷却所述预燃级喷嘴以及所述级间段壁面。
12.在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述主燃级通道的出口端位于所述预燃级喷嘴的出口端的下游，所述级间段壁面的一端连接所述预燃级喷嘴的出口端，另一端连接所述主燃级通道的出口端，构成从所述级间段壁面的上游端至下游端扩口的锥形壁面。
13.在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述级间段的壁面具有多个冷却孔；所述多个冷却孔排列构成沿轴向分布的多个冷却孔圈，每个冷却孔圈的冷却孔绕所述预燃级的轴线分布。
14.在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述主燃级喷嘴包括集油腔以及喷射孔，所述喷射孔的喷射方向对准所述主燃级旋流体的旋流叶片。
15.在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述喷射孔位于所述集油腔的外壁，所述集油腔的外壁提供所述主燃级通道的内壁；所述第二空气流路包括所述集油腔的内壁与所述预燃级喷嘴之间提供的第一冷却空气流路，提供冷却所述级间段壁面的气源。
16.在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述预燃级喷嘴包括喷嘴旋流芯、包围所述喷嘴旋流芯的喷嘴外壳，以及包围所述喷嘴外壳的喷嘴罩盖，所述级间段壁面的一端与所述喷嘴罩盖连接；所述第二空气流路包括所述喷嘴外壳与所述喷嘴罩盖之间提供的第二冷却流路，提供冷却所述预燃级喷嘴的气源。
17.在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述燃烧室头部还包括主燃级油管以及预燃级油管，所述主燃级油管连接所述主燃级喷嘴，所述预燃级油管连接所述预燃级喷嘴。
18.根据本发明另一个方面的一种燃烧室，包括以上任意一项所述的燃烧室头部。
19.根据本发明又一个发明的一种燃气涡轮发动机，包括以上任意一项所述的燃烧室头部
20.根据本发明再一个方面的一种燃烧控制方法，用于燃气涡轮发动机的燃烧室，包括：
21.将大部分空气经过燃烧室头部外围的主燃级通道组织形成空气旋流作为燃烧进气，将小部分空气经过燃烧室头部的级间段用于预燃级喷嘴以及主燃级与预燃级之间的级间壁的冷却；
22.主燃级喷嘴向所述主燃级通道内喷射燃油，预燃级喷嘴直接向火焰筒喷入燃油。
23.在所述燃烧控制方法的一个或多个实施例中，在中小工况下，所述预燃级喷嘴喷出燃油在中心回流区与主燃级空气进行混合燃烧，所述主燃级喷嘴喷出的燃油打在主燃级通道的旋流器叶片，在叶片表面形成燃油液膜，在叶片出口末端进行二次雾化，在主燃级出口形成油气混合物，随后进入中心回流区进行燃烧；在大工况下，所述预燃级喷嘴喷出燃油在中心回流区与主燃级空气进行混合燃烧，所述主燃级喷嘴喷出的燃油直接雾化蒸发，在主燃级通道内形成油气混合物，随后进入中心回流区进行燃烧。
24.本发明的有益效果包括但不限于以下之一或者组合：
25.1.主燃级通道设置旋流器而预燃级直接喷射燃油的结构，使得大部分空气仅从主燃级旋流器进入火焰筒，在火焰筒形成唯一的一个占主导作用的回流区结构，避免了多重旋流器进气带来的空气旋流与空气旋流之间的剪切与脉动特征，使得中心回流区结构简
单、流动稳定。
26.2.减少了头部多重旋流形成的剪切层与脱落涡，可消除由于流动脉动引发的振荡燃烧。
27.3.主燃级头部唯一的有效进气面积仅为主燃级，并且纵向贯穿距离不受主燃级喷嘴流量数、压降的影响，易于将本方案根据切实的发动机推力级进行缩放，减少了进行模拟仿真、试验的次数，缩短燃烧室研发试验进程，降低了对燃烧室的研发试验难度。
28.4.预燃级位于中心的离心喷嘴雾化通过喷嘴内部的旋流芯实现，不存在预燃级燃油与预燃级旋流空气的二次雾化、混合等复杂过程，预燃级设计简单，设计时不用考虑预燃级油气匹配。
29.5.预燃级喷嘴仅在点火工况时适当提高油气比，其余状态可保持恒定供油，燃油控制策略简单。
30.6.主燃级在中小工况即开始工作，采用预膜结构可在中低工况下借助空气剪切力增强空气雾化效果，并在主燃级出口形成可控的油气分布区间，易于调节燃烧室出口温度分布。
附图说明
31.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
32.图1是航空发动机的示意图。
33.图2是燃烧室的内部结构示意图。
34.图3是一实施例的燃烧室头部的剖视图。
35.图4a以及图4b是一实施例的燃烧室头部的外部视角结构示意图。
36.图5a以及图5b是一实施例的主燃级的剖面以及外部视角结构示意图。
37.图6a以及图6b是一实施例的主燃级分别在中小工况、大工况下燃油喷射雾化的示意图。
38.图7是一实施例的预燃级喷嘴的剖视结构示意图。
39.图8是图7的预燃级喷嘴的零件分解图。
40.图9是一实施例的燃烧室的速度场仿真结果图。
41.图10是一实施例的燃烧室的温度场仿真结果图。
具体实施方式
42.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
43.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特
点可以进行适当的组合。
44.如图1所示，燃气涡轮发动机以涡扇发动机为例，包括风扇1，低压压气机2，高压压气机3，燃烧室4，高压涡轮5，低压涡轮6和风扇机匣7。空气经过风扇1，低压压气机2以及高压压气机3增压为高压空气，在燃烧室4与燃油发生燃烧反应，驱动高压涡轮5以及低压涡轮6。
45.如图2所示，燃烧室4包括扩压器8，燃烧室外机匣9，燃烧室内机匣10，火焰筒外壁11，火焰筒内壁12，油杆13和燃烧室头部14。经过风扇1，低压压气机2以及高压压气机3增压得到的高压空气，从扩压器8经过降速扩压后进入燃烧室4，在火焰筒外壁11，火焰筒内壁12和燃烧室头部14所包围的空间内与燃油完成燃烧。继续参考图2、图3，燃烧室头部14可以包括预燃级油管15以及主燃级油管16，两者通过油杆13固定在燃烧室外机匣9，使得燃烧室头部14通过预燃级油管15以及主燃级油管16近似悬臂连接于燃烧室外机匣9。
46.参考图3、图4a以及图4b，在一些实施例中，燃烧室头部14包括位于中心的预燃级17、位于外围的主燃级19以及两者之间的级间段18。预燃级17包括预燃级喷嘴170，预燃级喷嘴170为离心式喷嘴。预燃级油管15连接预燃级喷嘴170，将燃油20输送至预燃级喷嘴170，直接喷射入火焰筒。主燃级19包括主燃级喷嘴190以及主燃级通道191，主燃级油管16连接所述主燃级喷嘴190，将燃油21输送至主燃级喷嘴190。主燃级通道191提供第一空气流路25，在主燃级通道191包括通道内壁27，通道外壁28，在主燃级通道191设置有旋流器29。级间段18包括级间段壁面180，级间段壁面180的两端分别连接预燃级喷嘴170、主燃级通道191，级间段18提供第二空气流路22。如图3的所示的，进入燃烧室头部的空气大部分经过第一空气流路25与燃油掺混，而其余小部分经过第二空气流路22，第二空气流路22包括第二空气流路支路23、24，分别经过第二空气流路支路23冷却预燃级喷嘴170、经过第二空气流路支路24冷却级间段壁180。一般而言，以上采用的术语“大部分”指的是80％-95％，“其余小部分”指的是5％-20％，以上实施例将燃烧室头部14在主燃级设置旋流器组织气流运动，而在中心的预燃级仅直接喷射燃油，使得绝大部分空气仅从燃烧室头部14外围的主燃级的旋流器29导流进入燃烧室，即空气可视为单路旋流；在头部中心位置设有预燃级喷嘴，直接向燃烧室内部喷入燃油进行扩散燃烧；在主燃级中，主燃级喷嘴的喷油方向朝向所述主燃级通道，燃油随后在主燃级通道中进行油气雾化与混合，在主燃级出口下游实现部分预混燃烧。
47.以上实施例的技术效果可以参考图9以及图10所示，图9为燃烧室流场基本形态。整个燃烧室中心回流区由主燃级出口空气旋流形成，如图9中轴向速度等值线为0区域。在这种流动结构下，空气通过主燃级旋流器29卷吸进入燃烧室中心区域，在流场中形成了一个稳定的单一回流区漩涡，整个涡系结构紧密的稳定在预燃级喷嘴170的正下游，这一中心回流区贯穿于燃烧室的预燃级出口与主燃级出口，供各级燃油进行混合燃烧，同时避免了多重旋流器进气带来的空气旋流与空气旋流之间的剪切与脉动特征，使得中心回流区结构简单、流动稳定。
48.图10为燃烧室燃油燃烧时的温度分布示意。当预燃级与主燃级燃油同时喷射时，燃烧室头部14下游中心回流区中形成一个稳定的火焰燃烧区域，其中包括由预燃级燃油喷射形成的扩散火焰以及主燃级旋流器29卷吸带来的主燃级预混燃气，二者融合在一起形成一个统一的燃烧区域。因此，火焰筒中这种唯一的一个且占主导作用的回流区与燃烧火焰
结构，使得燃烧火焰温度均匀，减少了头部多重旋流形成的剪切层与脱落涡的同时，也可消除由于主、预燃级分别燃烧所引发的油气比脉动所导致的振荡燃烧。这对于如图3所示的燃烧室头部14通过预燃级油管15以及主燃级油管16近似悬臂连接于燃烧室外机匣9的结构而言优势更为明显，消除振荡燃烧可以使得燃烧室头部14在运行时收到的振动小，延长悬臂连接结构的疲劳寿命，使得燃烧室可以稳定可靠地运行。并且，主燃级头部14唯一的有效进气面积仅为主燃级19，纵向贯穿距离不受主燃级喷嘴的流量数、压降的影响，易于将模型方案根据实际的发动机推力级进行缩放，减少了进行模拟仿真、试验的次数，缩短燃烧室研发试验进程，降低了对燃烧室的研发试验难度。
49.继续参考图3以及图4b，级间段18的具体结构可以是，主燃级通道191的出口端相位于预燃级喷嘴170的出口端的下游，级间段壁面180的一端连接预燃级喷嘴170的出口端，另一端连接主燃级通道191的出口端，如此即构成从级间段壁面180的上游端至下游端扩口的锥形壁面。如此设置的有益效果在于，可以进一步稳定主燃级空气形成的单一回流区漩涡，其原理在于，锥形壁面结构，起到了增大回流区张角的作用，以增大回流区的长度、宽度以及回流量。在一些实施例中，如图4b所示的，级间段壁面180还具有多个冷却孔1801，多个冷却孔1801排列构成沿轴向分布的多个冷却孔圈1802，每个冷却孔圈1802的冷却孔1801绕预燃级17的轴线分布，如此可以有效地对级间段壁面180进行冷却。如图3所示的，第二空气流路22的第二空气流路支路24，为级间段壁面180的冷却孔1801提供冷却气源，即第二空气流路支路24为第二冷却空气流路。
50.参考图3以及图7、图8，预燃级喷嘴170包括喷嘴旋流芯35、包围喷嘴旋流芯35的喷嘴外壳36，以及包围喷嘴外壳36的喷嘴罩盖37，级间段壁面180一端与喷嘴罩盖37连接，喷嘴罩盖37和喷嘴外壳36通过支架38连接固定。如图3所示的，第二空气流路22的第二空气流路支路23位于喷嘴外壳36与喷嘴罩盖37之间，提供冷却预燃级喷嘴170的气源，即第二空气流路支路23为第一冷却空气流路。如此设置的有益效果在于，离心式的预燃级喷嘴170的喷嘴雾化通过喷嘴内部的旋流芯实现，无需设置预燃级旋流器使得预燃级燃油与预燃级旋流空气的二次雾化、混合等复杂过程，预燃级设计简单，设计时不用考虑预燃级油气匹配。同时，第一冷却空气流路可以防止预燃级喷嘴170出口端发生结焦、积碳等情况。
51.参考图3、图5以及图6a、图6b，在一些实施例中，主燃级喷嘴的190包括集油腔26以及喷射孔30，喷射孔30的喷射方向对准主燃级旋流器29的旋流器叶片。如此设置，如图6a以及图6b所示的，在燃烧室点火成功后，随着工况的逐渐升高，主燃级喷嘴190开始喷油工作，在燃烧室进口空气压力和温度不是很高的中小工况时，如图6a所示的，主燃级喷嘴190的喷射孔30喷射的燃油因喷射压力较低，喷射的燃油31会直接打在旋流器叶片的表面，此时旋流叶片的作用可视作预膜板，燃油在叶片表面形成油膜32，随后油膜32在主燃级空气25的气动剪切作用下破碎成油雾33，通过预膜雾化的过程，可以提高燃油在中低工况下的散布均匀度。当工况进一步升高后，在大工况下，如图6b所示的，燃烧室进口空气压力和温度也进一步增大，此时燃油喷射压力增大，喷射孔30所喷射的燃油将很快直接雾化、蒸发形成燃油蒸气34，此时不会在旋流叶片的表面形成油膜，此时旋流器叶片的作用为进行混合燃油蒸气的导流。因此，采用以上介绍的主燃级喷嘴190，主燃级在中小工况即开始工作，采用预膜结构可在中低工况下借助空气剪切力增强空气雾化效果，并在主燃级出口形成可控的油气分布区间，易于调节燃烧室出口温度分布。如此设置，主燃级17在中小工况即开始工作，
在中低工况下借助空气剪切力增强空气雾化效果，并在主燃级出口形成可控的油气分布区间，易于调节燃烧室出口温度分布，并且由于主燃级17在中小工况即开始工作，预燃级喷嘴170仅在点火工况时需要适当提高油气比，其余工况下可保持恒定供油，燃油控制策略简单，简化了燃气涡轮发动机的控制系统关于燃烧的算法设计。
52.继续参考图3以及图5a，在一些实施例中，集油腔26以及喷射孔30的具体结构可以是喷射孔30位于集油腔26的外壁，集油腔26的外壁提供主燃级通道191的内壁27；集油腔26的内壁260与预燃级喷嘴170之间提供第二空气流路22的第二空气流路支路24，即提供了第一冷却空气流路，提供冷却级间段壁面180的气源，如此使得燃烧室头部14的结构紧凑，节省了燃烧室在发动机中的布置空间。
53.承上所介绍的，用于燃气涡轮发动机的燃烧室的燃烧控制方法可以包括：
54.将大部分空气经过燃烧室头部14外围的主燃级通道191组织形成空气旋流作为燃烧进气，将小部分空气经过燃烧室头部14的级间段18用于预燃级喷嘴170以及级间段壁面180的冷却；
55.主燃级喷嘴190向主燃级通道191内喷射燃油，预燃级喷嘴170直接向火焰筒喷入燃油，以在预燃级出口下游实现扩散燃烧以及主燃级出口下游实现部分预混燃烧。
56.具体地，在一些实施例中，在中小工况下，预燃级喷嘴170喷出燃油，主燃级喷嘴190喷出的燃油31打在主燃级通道191的旋流器叶片形成液膜而后二次雾化，在主燃级出口形成油气混合物，随后进入中心回流区进行燃烧；在大工况下，预燃级喷嘴170喷出燃油，主燃级喷嘴190喷出的燃油直接雾化蒸发形成燃油蒸气34，在主燃级通道内形成油气混合物，随后进入中心回流区进行燃烧。如此可以使得主燃级在中小工况下也可以实现良好的燃油雾化效果，从而使得主燃级在中小工况下即可以开始工作，其原理在于，采用预膜结构可在中小工况下借助空气剪切力增强空气雾化效果，并在主燃级出口形成可控的油气分布区间，易于调节燃烧室出口温度分布。
57.采用以上实施例介绍的燃烧室头部以及燃烧控制方法的有益效果包括但不限于：
58.1.主燃级通道设置旋流器而预燃级直接喷射燃油的结构，使得大部分空气仅从主燃级旋流器进入火焰筒，在火焰筒形成唯一的一个占主导作用的回流区结构，避免了多重旋流器进气带来的空气旋流与空气旋流之间的剪切与脉动特征，使得中心回流区结构简单、流动稳定。
59.2.减少了头部多重旋流形成的剪切层与脱落涡，可消除由于流动脉动引发的振荡燃烧。
60.3.主燃级头部唯一的有效进气面积仅为主燃级，并且纵向贯穿距离不受主燃级喷嘴流量数、压降的影响，易于将本方案根据切实的发动机推力级进行缩放，减少了进行模拟仿真、试验的次数，缩短燃烧室研发试验进程，降低了对燃烧室的研发试验难度。
61.4.预燃级位于中心的离心喷嘴雾化通过喷嘴内部的旋流芯实现，不在预燃级燃油与预燃级旋流空气的二次雾化、混合等复杂过程，预燃级设计简单，设计时不用考虑预燃级油气匹配。
62.5.预燃级喷嘴仅在点火工况时适当提高油气比，其余状态可保持恒定供油，燃油控制策略简单。
63.6.主燃级在中小工况即开始工作，采用预膜结构可在中低工况下借助空气剪切力
增强空气雾化效果，并在主燃级出口形成可控的油气分布区间，易于调节燃烧室出口温度分布。
64.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。