燃烧室头部、燃烧室、燃气涡轮发动机及燃烧控制方法技术

本发明专利技术涉及燃烧室头部、燃烧室、燃气涡轮发动机及燃烧控制方法。其中，所述燃烧室头部包括主燃级，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通道；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。段壁面。段壁面。

【技术实现步骤摘要】
燃烧室头部、燃烧室、燃气涡轮发动机及燃烧控制方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]但是，专利技术人发现，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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的在于提供一种燃烧室头部。
[0007]本专利技术的另一个目的在于提供一种燃烧室。
[0008]本专利技术的又一个目的在于提供一种燃气涡轮发动机。
[0009]本专利技术的再一个目的在于提供一种燃烧控制方法。
[0010]根据本专利技术一个方面的一种燃烧室头部，包括：
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]根据本专利技术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。
[0019]根据本专利技术又一个专利技术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
[0020]根据本专利技术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：
[0021]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；
[0022]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。
[0023]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。
[0024]本专利技术的有益效果包括但不限于以下之一或者组合：
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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
[0031]本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃烧室头部，其特征在于，包括主燃级，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。2.如权利要求1所述的燃烧室头部，其特征在于，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。3.如权利要求2所述燃烧室头部，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的燃烧室头部，其特征在于，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。5.如权利要求4所述的燃烧室头部，其特征在于，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。6.如权利要求1所述燃烧室头部，其特征在于，所述预燃级喷嘴包括喷嘴...

【专利技术属性】
技术研发人员：张漫，王铮钧，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：