双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室

1.本公开涉及航空发动机或燃气轮机技术领域，具体涉及一种双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室(diconvergent-nozzle combined-swirl internally-staged high temperature rise combustor)。


背景技术：

2.为满足现代战斗机高机动性需求，要求发展高推重比的高性能航空发动机，为此航空发动机需要不断追求高的循环参数。随着航空发动机的推重比目标由8～10增至16～20，发动机的总增压比目标随之提高至40以上，燃烧室出口温度目标也由1650k提高到2150k，甚至瞄准到2400k。这样燃烧室的温升将由850k左右提升到1150k，甚至1400k。目前，各大航空发动机机构都在大力开展高温升燃烧室的研制。
3.目前，高温升燃烧室技术面临的最大问题是如何解决点火、低工况稳定性与高工况下无冒烟高效率燃烧之间的矛盾。为了确保发动机有良好的点火和低工况稳定性，无论是常规燃烧室还是高温升燃烧室，都要有相同的低贫燃熄火极限。在确保低贫燃熄火极限的前提下，在大工况时，传统燃烧室由于温升不高，总的油气比不高，因而常规的组织燃烧技术可以保证燃烧的高效率和不发生冒烟现象，即头部进气量控制在10％～25％之间，主燃区的余气系数依然在1.0以上；而对于高温升燃烧室，其总油气比的大幅增加，如果还按照原有燃烧室的流量分配方案进行设计，那么燃烧室在此工况下主燃区的余气系数将小于1，势必会导致燃烧不完全和严重的积碳，甚至发生冒烟现象。由此，前期很多研究已经形成了共识，即随着温升的提高，常规燃烧室技术已无法保证燃烧室的高效率无冒烟燃烧。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本公开提供了一种能兼顾高工况时高效率无冒烟燃烧的双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室。
5.本公开提供了一种双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室，包括扩压器、内机匣、外机匣、火焰筒、帽罩、挡溅盘、燃料喷嘴和稳焰器，其中：内机匣和外机匣连接扩压器末端，燃料喷嘴用于将燃油输送至火焰筒，稳焰器套设于燃料喷嘴的下游端的喷口壳体外侧并与喷口壳体同轴布置；稳焰器包括依次套设的一级旋流器、二级旋流器和三级旋流器，一级旋流器下游的出口端面连接有内缩口，二级旋流器下游的出口端面连接有外缩口，三级旋流器下游的出口端面连接有变截面圆环；火焰筒包括火焰筒内环和火焰筒外环，火焰筒内环和火焰筒外环的中部均开设有主燃孔、掺混孔和冷却孔，火焰筒内环和火焰筒外环靠近稳焰器的一端均连接帽罩，火焰筒内环和火焰筒外环的另一端组成火焰筒出口；变截面圆环与火焰筒内环之间，以及变截面圆环与火焰筒外环之间均搭接有封闭火焰筒的挡溅盘，挡溅盘电开设有冷却孔。
6.可选地，该高温升燃烧室还包括：电嘴，用于向火焰筒点火，电嘴设置于外机匣上且分别贯穿外机匣和火焰筒外环。
7.可选地，燃料喷嘴为液体燃料喷嘴或气体燃料喷嘴，其中，液体燃料喷嘴的结构包括压力雾化方式、气动雾化方式或者不同雾化方式的组合式结构。
8.可选地，燃料喷嘴的喷口中心位于高温升燃烧室的中心线上，燃料喷嘴为双燃料通道燃料喷嘴或单燃料通道燃料喷嘴。
9.可选地，一级旋流器和二级旋流器为轴流式旋流器，三级旋流器为径流式旋流器，一级旋流器、二级旋流器和三级旋流器各自独立地为叶片式或斜切孔式结构。
10.可选地，一级旋流器与喷口壳体的出口端面齐平，一级旋流器和二级旋流器下游的出口端面齐平。
11.可选地，一级旋流器的旋流数在0.45～0.75之间，二级旋流器的旋流数在0.9～1.4之间，三级旋流器的旋流数在1.1～1.6之间。
12.可选地，内缩口的收缩半角α在15
°
～23
°
之间，外缩口的收缩半角β在15
°
～23
°
之间，变截面圆环呈外扩形且子午面的扩张半角γ在25
°
～35
°
之间。
13.可选地，外缩口的轴向长度长出内缩口的轴向长度的5mm～10mm。
14.可选地，火焰筒内环、火焰筒外环和挡溅盘上的冷却孔结构各自独立地设置成致密斜切孔或者气膜槽缝。
15.与现有技术相比，本公开提供的双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室，至少具有以下有益效果：
16.本发明采用了空气分级和燃烧分区的组织燃烧策略。空气在头部流道分成四级，从而实现在火焰筒内与燃料分层分区剪切、掺混等相互作用。其中喷嘴空气流道的空气有利于促进燃油的雾化和与液滴的掺混，减少高工况时火焰筒头部积碳发生；一级旋流器实现旋转空气与液雾的剪切混合，进一步加速燃料雾化和与空气掺混，提高燃料/空气的混合均匀度；二级旋流器利用强旋转湍流空气实现在轴向下游位置处与燃料的更深度的剪切混合；三级旋流器的目的一方面是在火焰筒内形成回流区以稳定燃烧，另一方面是卷吸中心燃料/空气混合气以及下游高温烟气以实现燃烧的高效率和低排放。
17.本发明设置空气分级的同时，还设置内缩口和外缩口结构，目的是一方面兼顾低工况可靠点火和燃烧的稳定性，另一方面兼顾高工况时高效率无冒烟燃烧。内缩口和外缩口的设置，使得分级空气沿着轴向梯次利用，在低工况时，燃料流量极低，内缩口的存在使得燃料附近(内缩口内部区域)的空气量也很少，从而确保低工况的可靠点火和稳定燃烧；在高工况时，燃料流量很大，内缩口内部区域的空气量不足以完全燃烧燃料，那么二级旋流器出口空气进一步补充燃烧，同时三级旋流器空气进一步顺次补充，从而实现高工况燃烧的高效率无冒烟。
18.与现有技术相比，本发明通过结构优化和创新，实现空气的多路分级和梯次利用，不仅可应用强旋转剪切湍流的气动特性进行辅助破碎液体燃料，加速燃料与空气的混合，提高燃烧性能；同时，应用了梯次进气概念实现燃料分层燃烧，既能兼顾低工况可靠点火和燃烧的稳定性，又能兼顾高工况时高效率无冒烟燃烧。
附图说明
19.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
20.图1示意性示出了根据本公开实施例的双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室的结构图；
21.图2示意性示出了根据本公开实施例的双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室的三维截面图；
22.图3示意性示出了根据本公开实施例的稳焰器的局部放大图；
23.图4示意性示出了根据本公开实施例的空气流道的结构图。
24.【附图标记说明】
25.1-扩压器；2-内机匣；3-外机匣；4-火焰筒内环；5-火焰筒外环；6-帽罩；7-挡溅盘；8-燃料喷嘴；9-喷口壳体；10-稳焰器；11-一级旋流器；12-二级旋流器；13-三级旋流器；14-内缩口；15-外缩口；16-变截面圆环；17-电嘴；21-扩压器流道；22-内股流道；23-外股流道；24-头部流道；25-喷嘴空气流道；26-一级旋流器流道；27-二级旋流器流道；28-三级旋流器流道；29-冷却孔；30-火焰筒；31-主燃孔；32-掺混孔；33-火焰筒出口。
具体实施方式
26.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
27.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
28.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
29.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
30.图1示意性示出了根据本公开实施例的双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室的结构图。图2示意性示出了根据本公开实施例的双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室的三维截面图。
31.结合图1～图2，本公开的实施例提供了一种双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室，包括扩压器1、内机匣2、外机匣3、火焰筒30、帽罩6、挡溅盘7、燃料喷嘴8和稳焰器10。其中，内机匣2和外机匣3连接扩压器1末端。燃料喷嘴8用于将燃油输送至火焰筒30，稳焰器10套设于燃料喷嘴8的下游端的喷口壳体9外侧并与喷口壳体9同轴布置。
32.进一步地，继续参阅图1，该高温升燃烧室还可以包括电嘴17，用于向火焰筒30点火，电嘴17设置于外机匣3上且分别贯穿外机匣3和火焰筒外环5。
33.图3示意性示出了根据本公开实施例的稳焰器的局部放大图。
34.如图3所示，稳焰器10包括依次套设的一级旋流器11、二级旋流器12和三级旋流器13，一级旋流器11下游的出口端面连接有内缩口14，二级旋流器12下游的出口端面连接有外缩口15，三级旋流器13下游的出口端面连接有变截面圆环16。具体来说，一级旋流器11套设于喷口壳体9外侧，二级旋流器12套在一级旋流器11的外侧，三级旋流器13套在二级旋流器12的外侧。
35.进一步地，一级旋流器11与喷口壳体9的出口端面齐平，一级旋流器11和二级旋流器12下游的出口端面齐平。
36.进一步地，一级旋流器11和二级旋流器12为轴流式旋流器，三级旋流器13为径流式旋流器，一级旋流器11、二级旋流器12和三级旋流器13各自独立地为叶片式或斜切孔式结构。其中，一级旋流器11的旋流数在0.45～0.75之间，二级旋流器12的旋流数在0.9～1.4之间，三级旋流器13的旋流数在1.1～1.6之间。
37.通过本公开的实施例，内缩口14和外缩口15的结构设置目的在于，一方面兼顾低工况可靠点火和燃烧的稳定性，另一方面兼顾高工况时高效率无冒烟燃烧。内缩口14和外缩口15的设置，使得分级空气沿着轴向梯次利用，在低工况时，燃料流量极低，内缩口的存在使得燃料附近(内缩口内部区域)的空气量也很少，从而确保低工况的可靠点火和稳定燃烧；在高工况时，燃料流量很大，内缩口内部区域的空气量不足以完全燃烧燃料，那么二级旋流器12出口空气进一步补充燃烧，同时三级旋流器13空气进一步顺次补充，从而实现高工况燃烧的高效率无冒烟。
38.继续参阅图3，优选地，内缩口14的收缩半角α在15
°
～23
°
之间，外缩口15的收缩半角β在15
°
～23
°
之间，变截面圆环16呈外扩形且子午面的扩张半角γ在25
°
～35
°
之间。
39.进一步地，外缩口15的轴向长度长出内缩口14的轴向长度的5mm～10mm。
40.图4示意性示出了根据本公开实施例的空气流道的结构图。
41.如图4所示，本公开实施例中，火焰筒30包括火焰筒内环4和火焰筒外环5，火焰筒内环4和火焰筒外环5的中部均开设有主燃孔31、掺混孔32和冷却孔29，火焰筒内环4和火焰筒外环5靠近稳焰器10的一端均连接帽罩6，火焰筒内环4和火焰筒外环5的另一端组成火焰筒出口33；变截面圆环16与火焰筒内环4之间，以及变截面圆环16与火焰筒外环5之间均搭接有封闭火焰筒30的挡溅盘7，挡溅盘7也开设有冷却孔29。
42.基于上述公开的内容，扩压器1内部形成扩压器流道21，内机匣2与火焰筒内环4之间形成内股流道22，外机匣3与火焰筒外环5之间形成外股流道23，另外，从扩压器流道21流入的空气同时流入内股流道22、外股流道23和为头部流道24。在稳焰器10中，一级旋流器11、二级旋流器12和三级旋流器13的内部分别形成一级旋流器流道26、二级旋流器流道27和三级旋流器流道28。另外，燃料喷嘴8的内部形成有与外界空气连通的喷嘴空气流道25。
43.由此，结合图1～图4以及上述公开的内容可知，本实施例提供的双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室，其工作原理在于：空气经由扩压器流道21后流入内股流道22、外股流道23和头部流道24，其中：
44.(1)流入内股流道22的空气经由火焰筒内环4上的主燃孔31、掺混孔32和冷却孔29流入火焰筒30；
45.(2)流入外股流道23的空气经由火焰筒外环5上的主燃孔31、掺混孔32和冷却孔29流入火焰筒30；
46.(3)流入头部流道24的空气经由喷嘴空气流道25、一级旋流器流道26、二级旋流器流道27、三级旋流器流道28和挡溅盘7上的冷却孔29流入火焰筒30。
47.同时，燃油通过燃料喷嘴8进入火焰筒30，在电嘴17点火后，燃油与空气混合并燃烧，然后从火焰筒出口33排出高温燃气。
48.分析可知，本公开采用了空气分级和燃烧分区的组织燃烧策略。空气在头部流道分成四级，从而实现在火焰筒内与燃料分层分区剪切、掺混等相互作用。其中，喷嘴空气流道的空气有利于促进燃油的雾化和与液滴的掺混，减少高工况时火焰筒头部积碳发生；一级旋流器实现旋转空气与液雾的剪切混合，进一步加速燃料雾化和与空气掺混，提高燃料/空气的混合均匀度；二级旋流器利用强旋转湍流空气实现在轴向下游位置处与燃料的更深度的剪切混合；三级旋流器的目的一方面是在火焰筒内形成回流区以稳定燃烧，另一方面是卷吸中心燃料/空气混合气以及下游高温烟气以实现燃烧的高效率和低排放。
49.进一步地，喷嘴空气流道25的进气量占燃烧室总进气量的1％～3％，一级旋流器流道26的进气量占燃烧室总进气量的4％～10％，二级旋流器流道27的进气量占燃烧室总进气量的4％～10％，三级旋流器流道28的进气量占燃烧室总进气量的10％～18％。可以理解的是，具体进气量同燃烧室的设计点状态油气比密切相关，本领域技术人员可以根据实际需要进行进气量调整，在此不做限制。
50.进一步地，燃料喷嘴8为液体燃料喷嘴或气体燃料喷嘴。其中，若采用液体燃料喷嘴，则液体燃料喷嘴的结构可以包括压力雾化方式、气动雾化方式或者不同雾化方式的组合式结构。例如，在一些实施例中，该组合式结构可以包括其它形式与压力雾化方式的组合，其它形式与气动雾化方式的组合，也可以采用其他雾化方式，例如蒸发管雾化式或空气辅助雾化式中的至少两种的组合式结构，均应包含在本公开的保护范围之内。
51.进一步地，燃料喷嘴8的喷口中心位于高温升燃烧室的中心线上，燃料喷嘴8为双燃料通道燃料喷嘴或单燃料通道燃料喷嘴。
52.进一步地，火焰筒内环4、火焰筒外环5和挡溅盘7上的冷却孔29结构各自独立地设置成致密斜切孔或者气膜槽缝。
53.进一步地，主燃孔31的进气量占燃烧室总进气量的15％～30％，掺混孔32的进气量占燃烧室总进气量的0％～15％。具体进气量同燃烧室的设计点状态油气比密切相关，本领域技术人员可以根据实际需要进行进气量调整，在此不做限制。
54.综上所述，本公开实施例提供的双缩口组合旋流式中心分级高温升燃烧室，通过结构优化和创新，实现空气的多路分级和梯次利用，不仅可应用强旋转剪切湍流的气动特性进行辅助破碎液体燃料，加速燃料与空气的混合，提高燃烧性能；同时，应用了梯次进气概念实现燃料分层燃烧，既能兼顾低工况可靠点火和燃烧的稳定性，又能兼顾高工况时高效率无冒烟燃烧。
55.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
56.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“其他实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
57.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。