CN111520750A - 新型燃烧室头部喷油结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了新型燃烧室头部喷油结构，结构包括两级旋流器、中心锥体、导流片、喷油环、喷油孔等结构，旋流器与中心锥体的结构增大了旋流器的有效进气面积，增大气流进气量，并避免壁面突扩结构带来的涡流损失；气流通过导流片和喷油分为两股在喷油孔出口附近速完成初次破裂并与空气进行混合，之后两股相反旋向的气流在喷油环尾部碰撞雾化并完成混合；油气混合物将通过文氏管进一步雾化并与二级旋流器气流混合，之后均匀的油气混合物将进入燃烧室内进行燃烧。

Description

新型燃烧室头部喷油结构
技术领域
本发明涉及航空发动机燃烧室领域，特别地，涉及新型燃烧室头部喷油结构。
背景技术
现代航空发动机发展迅速，对性能的要求也越来越高，为了满足目前发动机高性能、高推重比和低排放的要求，发动机设计的各个环节都面临巨大挑战。其中燃烧室作为燃气轮机的主要部件，其主要功能是扩压降速、燃料准备、形成低速区以及回流区稳定火焰。燃烧室设计采用空气分股的原则，燃烧室内外机匣、扩压器、火焰筒、燃料喷嘴及火焰稳定装置是燃烧室必不可少的组成部分。随着航空发动机技术的快速发展，发动机朝着高温升高推重比的方向发展，其研究面临着很多技术挑战，其中四项最为关键的技术挑战是：①提高燃烧稳定性；②提高火焰筒的耐久性；③降低污染排放；④降低燃烧室出口温度分布系数。
燃烧室头部结构的优化设计、先进燃油雾化方式和先进燃烧室冷却技术是解决上述技术挑战的重要途径。其中喷油方式是改善燃油雾化方面非常重要的一环，目前燃烧室头部常见结构是采用双级旋流器、直射式燃油喷嘴、文氏管组合形式。从旋流器进入的高速气流参与燃油雾化，并产生旋流在其下游产生回流区以稳定火焰，其中直射式的燃油喷嘴，由于等效直径较小，极易导致喷嘴的堵塞问题，会造成明显的总压损失，影响发动机燃烧室工作的稳定性和可靠性，因此对喷油模式以及燃油雾化效果的研究一直是燃烧室头部研究的重要方面。
燃油的射流雾化一直是燃气轮机工作过程研究的重点之一，对于燃烧室整体性能和发动机的排放紧密相关，作为燃油射流破碎和雾化的上游边界，燃烧室头部结构对燃油流动特性和雾化模式具有重要的影响，因此，对燃烧室头部的合理设计能够为现代燃气轮机雾化过程和组织燃烧提供更有效的控制手段。在燃烧室所处不同工况，使燃油液柱发生破碎雾化，缩短燃油喷射距离，提高燃油雾化效果，改善燃烧室内燃油空气掺混水平，这不仅对燃烧室内的燃烧过程起到积极影响，也对实现能源的高效清洁利用有着重要影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出新型燃烧室头部喷油结构，通过对头部喷油结构的改良来达到提高燃油雾化稳定燃烧的作用。
技术方案
本发明的目的在于提供新型燃烧室头部喷油结构。
本发明技术方案如下：
新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：所述新型燃烧室头部喷油结构包括一级旋流器、中心锥体、导流片、喷油环、喷油孔、输油管路、文氏管、二级旋流器、套筒。
所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：燃烧室头部入口取消喷嘴与旋流器配合的形式，旋流器中心为实体并与中心锥体组合，避免壁面突扩结构，旋流器叶片厚度1.5～2mm，叶片安装角15°～25°。
所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：导流片连接喷油环与一级旋流器内壁面，其高度为旋流器直径的1/6～1/8，其叶片旋转方向与旋流器叶片旋转方向相反，叶片安装角15°～20°，厚度为2～4mm，内部有输油管路，直径为1～2mm。
所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：喷油环为环状结构，轴向截面上喷油环内外壁均为流线型以减小阻力，轴向长度为旋流器的1/3～1/4，径向厚度为15～20mm；外壁与导流片连接处有进油孔，直径为1～2mm；内外壁面上均匀开有圆形倾斜喷油孔，直径1～1.5mm，具体实施时可采用出口为矩形，椭圆形等常规改形，内壁面喷油孔与气流流动方向有夹角25°～35°，外壁面喷油孔与气流流动方向有夹角35°～45°。
所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：输油管直径为2～3mm，从一级旋流器外壁进入，通过一级旋流器壁面将燃油送入导流片内输油管路，进而为喷油环稳定提供燃油。
所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：文氏管出口直径为入口直径的7/8～6/7，文氏管收缩比为1.3～1.7，文氏管喉部位于轴向的1/3～1/2位置，直径为文氏管出口直径的2/3～3/4，出口扩张锥角为10°～40°。
所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：二级旋流器为径向旋流器，叶片厚度1.5～2mm，叶片安装角15°～25°，套筒扩张锥角为10°～50°。
本发明具有以下有益效果：
本发明新型燃烧室头部喷油结构，其优点主要表现在，与现有常规的燃烧室头部结构相比，去除中心直射式喷嘴改为小直径中心锥体，旋流器的有效进气面积增大，增加了气流进气量，并避免壁面的突扩结构带来的涡流损失；气流通过导流片和喷油环分为两股，并在喷油孔出口附近速完成初次破裂且与空气进行混合，之后两股相反旋向的气流碰撞雾化混合，通过文氏管并与二级旋流器的气流进行混合，之后均匀的油气混合物将进入燃烧室内进行燃烧。
附图说明
图1：新型燃烧室头部喷油结构整体结构示意图
图2：新型燃烧室头部喷油结构内部剖视图
图3：新型燃烧室头部喷油结构局部放大图
图中：1、一级旋流器，2、中心锥体，3、一级旋流器外壁，4、二级旋流器，5、二级流道，6、套筒，7、文氏管，8、导流片，9、喷油环，10、喷油孔，11、输油管路。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图1、图2、图3，本发明提供了新型燃烧室头部喷油结构的技术方案。图1为新型燃烧室头部喷油结构整体结构示意图，图2为新型燃烧室头部喷油结构内部剖视图，图3为新型燃烧室头部喷油结构局部放大图。
具体过程：来自压气机的高速气流从一级旋流器(1)进入燃烧室头部，经过一级旋流器(1)的气流变为三维高速旋转气流，小直径的中心锥体(2)的存在避免了在取消喷嘴后简单凸台结构所产生的涡流损失，之后气流流经喷油环(9)分为内外两部分，喷油环(9)内外壁面均为流线型对流动损失较小，内外壁面上均匀开有圆形倾斜喷油孔(10)，内壁面喷油孔与气流流动方向有夹角25°～35°，外壁面喷油孔与气流流动方向有夹角35°～45°；燃油通过一级旋流器外壁(3)内输油管路(11)进入，通过一级旋流器外壁(3)燃油送入导流片内输油管路(11)，之后进入喷油环(9)内，从喷油环(9)内外壁喷油孔(10)喷出；内壁面孔喷射与气流方向顺向并具有夹角，从而达到燃油的初次雾化，外壁面孔与气流夹角更大，除气流破碎以外，部分燃油将与壁面或导流片(8)碰撞破碎，两种破碎形式都使得燃油在出口附近就迅速破碎雾化；之后两股气流将在喷油环(9)尾部汇合，由于导流片(8)旋向与一级旋流器(1)相反，在尾部汇合后两股气流汇合，由于气流的剪切作用，使燃油进一步破碎雾化；之后油气混合物将进入文氏管(7)，在文氏管(7)内，大尺寸燃油液滴通过壁面也会碰撞破碎进一步雾化燃油；通过文氏管(7)的油气混合物与二级旋流器(4)的气流汇合，气流之间的剪切作用进一步对燃油进行雾化和油气混合，最终进入燃烧室进行燃烧。本发明这种多层次的燃油雾化模式可以有较好的燃油雾化水平，燃烧室头部出口处燃油雾化更加均匀，雾化距离缩短，有助于燃烧室内点火可靠性以及燃烧稳定性。

Claims (6)

1.新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：所述新型燃烧室头部喷油结构包括一级旋流器、中心锥体、导流片、喷油环、喷油孔、输油管、文氏管、二级旋流器、套筒；气流由一级旋流器进入，经过导流片和喷油环分为两部分进行破碎雾化，由于导流片与一级旋流器叶片旋向相反，两股气流将在喷油环尾部剪切雾化，之后通过文氏管与二级旋流器进入的气流混合，最终进入燃烧室稳定燃烧。
2.根据权利要求1所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：燃烧室头部入口取消喷嘴与旋流器配合的形式，旋流器中心为中心锥体结构，避免壁面突扩结构，旋流器叶片厚度1.5～2mm，叶片安装角15°～25°。
3.根据权利要求1所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：导流片连接喷油环与一级旋流器壁面，其高度为旋流器直径的1/6～1/8，其叶片旋转方向与一级旋流器叶片旋转方向相反，叶片安装角15°～20°，厚度为2～4mm，内部有输油管路，直径为1～2mm。
4.根据权利要求1所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：喷油环为环状结构，轴向截面上喷油环内外壁均为流线型以减小阻力，轴向长度为旋流器的1/3～1/4，径向厚度为15～20mm；外壁与导流片连接处孔直径为1～2mm；内外壁面上均匀开有圆形倾斜喷油孔，直径1～1.5mm，具体实施时可采用出口为矩形，椭圆形等常规改形，内壁面喷油孔与气流流动方向有夹角25°～35°，外壁面喷油孔与气流流动方向有夹角35°～45°。
5.根据权利要求1所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：输油管直径为2～3mm，从一级旋流器外壁进入，通过一级旋流器壁面将燃油送入导流片内输油管路，进而为喷油环稳定提供燃油。
6.根据权利要求1所述的新型燃烧室头部喷油结构，其特征在于：文氏管出口直径为入口直径的7/8～6/7，文氏管收缩比为1.3～1.7，文氏管喉部位于轴向的1/3～1/2位置，直径为文氏管出口直径的2/3～3/4，出口扩张锥角为10°～40°；二级旋流器为径向旋流器，叶片厚度1.5～2mm，叶片安装角15°～25°，套筒扩张锥角为10°～50°。
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