中心分级燃烧室新型燃油掺混结构

1.本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构。


背景技术：

2.随着社会对环境污染问题的日益重视，污染物排放的标准也越来越严苛，动力装置中化石燃料的燃烧是造成环境大气污染以及臭氧层破坏的主要原因。因此降低动力装置中燃烧废气的排放比例，使燃料燃烧更加充分是控制环境污染的重要途径之一。同时，未来新一代航空发动机对燃烧室的燃烧性能也提出了新的要求，实现油气充分掺混是较为常见的技术挑战，主燃烧室由于进口参数高温低压，尺寸紧凑，导致燃烧室参考速度高等条件限制，需要解决宽来流温度下的油气掺混问题，实现高效燃烧和低污染排放的目的。
3.分级燃烧指的是采用两个燃烧区，将燃油和空气同时分级。目前国内外主流分级组织燃烧模式有以下4种：中心分级组织燃烧模式、周向分级组织燃烧模式、轴向分级组织燃烧模式和径向分级组织燃烧模式。其中，中心分级结构是目前主流的航空发动机燃烧室结构。
4.中心分级燃烧室一般采用同心分层旋流火焰的燃烧组织模式，如图1所示，内层为预燃级1，应用扩散火焰，可以提高单火焰状态下的燃烧效率同时在大工况下起到稳火的作用，外层为主燃级3，可以保证双火焰模式下的燃效效率和低排放要求，预燃级1和主燃级3均设置有传统的旋流器2。
5.传统中心分级结构燃烧室存在以下不足：1、新一代主燃烧室对掺混时间和掺混距离要求较高，传统结构的中心分级燃烧室无法适应空间紧凑的要求；2、预燃级1单级轴向旋流掺混效率低；3、主燃级结构简单，采取叶片喷射，可以提高头部流通率但作用有限。


技术实现要素：

6.本发明提供一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，用以解决现有技术中主燃级采取叶片喷射提高头部流通率的作用有限的问题。
7.本发明提供一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，包括：
8.主燃级套筒；
9.多个隔板，设置于所述主燃级套筒的内侧，所述隔板将所述主燃级套筒内侧分隔为多个安装腔；
10.多个主燃级旋流器，与所述安装腔一一对应，所述主燃级旋流器固定于对应的所述安装腔内，所述主燃级旋流器包括位于中部的掺混管和设置于所述掺混管外侧的多个螺旋叶片，各所述螺旋叶片的旋向相同。
11.根据本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，各所述主燃级旋流器分别对应设置有喷嘴。
12.根据本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，所述喷嘴设置于所述
掺混管。
13.根据本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，所述螺旋叶片的螺旋半径为5.25mm，螺距为12mm。
14.根据本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，还包括第一级预燃级和第二级预燃级；所述第一级预燃级、所述第二级预燃级以及所述主燃级套筒沿径向依次套设。
15.根据本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，还包括：外环、扩压器、油杆喷嘴结构以及限制域结构；所述第一级预燃级、所述第二级预燃级、所述主燃级套筒、所述隔板、所述主燃级旋流器、所述扩压器、所述油杆喷嘴结构以及所述限制域结构设置于所述外环内部；所述油杆喷嘴结构位于所述第一级预燃级内侧，所述扩压器位于所述第一级预燃级、所述第二级预燃级以及所述主燃级靠近所述外环气流入口的一侧，所述限制域结构位于所述第一级预燃级、所述第二级预燃级以及所述主燃级靠近所述外环气流出口的一侧，所述限制域结构与所述外环之间形成冷却腔。
16.根据本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，扩压器包括导流叶片，所述导流叶片将外环内部分隔为向下依次排布的第一通道、第二通道和第三通道，所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道分别起到扩压作用。
17.根据本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，所述第一级预燃级和所述第二级预燃级内的旋流器的叶片旋向相反。
18.本发明提供的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，主燃级旋流器包括位于中部的掺混管和设置于掺混管外侧的多个螺旋叶片，能够改变传统主燃级的燃油掺混方式，能够极大地提高旋流强度；并且具有体积小，结构紧凑的优势，方便安装与操作，可以满足现代发动机小尺寸、高流通率的要求。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是现有技术中的燃烧室头部的结构示意图；
21.图2为本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构中主燃级的结构示意图之一；
22.图3为本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构中主燃级的结构示意图之二；
23.图4为本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构中主燃级旋流器的结构示意图；
24.图5是本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构的结构示意图；
25.图6为本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构中第一级预燃级、第二级预燃级的配合结构示意图之一；
26.图7为本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构中第一级预燃级、第
二级预燃级的配合结构示意图之二；
27.图8为本发明提供的一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构中扩压器的结构示意图；
28.附图标记：1、预燃级；2、旋流器；3、主燃级；4、外环；5、扩压器；6、油杆喷嘴结构；7、第一级预燃级；8、第二级预燃级；9、限制域结构；10、第一级预燃级套筒；11、第一叶片旋流器；12、第二级预燃级套筒；13、第二叶片旋流器；14、主燃级套筒；15、主燃级旋流器；16、隔板；17、导流叶片；18、第一通道；19、第二通道；20、第三通道；21、掺混管；22、螺旋叶片。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
30.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明实施例和简化描述，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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
32.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“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发明实施例的至少一个实施例或示例中。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或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
34.下面结合图1-图7描述本发明实施例的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构。
35.结合图1，主燃级3和预燃级1作为中心分级燃烧室的关键结构，直接影响了航空煤油燃烧的效率以及污染排放结果。旋流器2是通过在燃烧室头部形成特定限制域对来流空气和燃油进行掺混的结构，其能够有效提高燃油掺混效果，提升燃烧效率和降低污染物排放。中心为预燃级1，采用扩散火焰，可保证慢车状态下(只开预燃级1，单火焰)的燃烧效率
和火焰稳定性；外围为主燃级3，可保证在进场、爬升、起飞等大工况下(主燃级3和预燃级1同时工作，双火焰)的燃烧效率高、排放低等。
36.随着科学技术的不断发展，人们对飞机性能的要求也不断提升，一方面人们对现有飞机发动机燃烧室提出了更加苛刻的指标要求，其中就包括对排放要求越来越严格；另一方面，未来航空发动机燃烧室朝着空间紧凑、高燃烧效率以及高头部流通率的方向发展，这就使得现有航空发动机燃烧室无法适应新一代主燃烧室对掺混时间和掺混距离的要求。
37.根据本发明实施例的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，包括主燃级套筒14、多个主燃级旋流器15以及多个隔板16；多个隔板16设置于主燃级套筒14的内侧，隔板16将主燃级套筒14内侧分隔为多个安装腔；多个主燃级旋流器15，与安装腔一一对应，主燃级旋流器15固定于对应的安装腔内，主燃级旋流器15包括位于中部的掺混管21和设置于掺混管21外侧的多个螺旋叶片22，各螺旋叶片22的旋向相同。
38.本发明实施例将传统中心分级燃烧室叶片旋流的方式，改为多焰形式，通过新式主燃级旋流器15的掺混方式，提高头部掺混效果，提升雾化性能，最终达到提高燃烧室燃烧性能以及排放性能的目标。主燃级旋流器15可以满足现代发动机小尺寸、高流通率的要求；无运动部分，方便安装与操作；多个主燃级旋流器15以及多个隔板16组成的掺混单元单独工作，相互之间不产生干扰，能够极大地提高旋流强度。
39.可选地，主燃级旋流器15包括四个螺旋叶片22，各螺旋叶片22沿掺混管21的周向均匀布置，螺旋叶片22的边缘与隔板16的内壁贴合
40.可选地，各主燃级旋流器15分别对应设置有喷嘴。
41.可选地，喷嘴设置于掺混管21。
42.本实施例中，中心分级燃烧室新型燃油掺混结构尺寸小、结构紧凑，不使用压力喷嘴，主燃级3喷嘴由长15mm的毛细管焊接而成，毛细管插设于掺混管21内部，提供喷油。
43.可选地，螺旋叶片22的螺旋半径为5.25mm，螺距为12mm。
44.可选地，隔板16的长度大于主燃级旋流器15的长度。在气流进入端，主燃级旋流器15的与隔板16对齐，在气流流出端，主燃级旋流器15与隔板16的端部留有4mm的余量，由此，通过加长燃油和空气的预混通道限制域，来加强雾化效果，同时也防止煤油自燃造成回火。
45.中心分级燃烧室新型燃油掺混结构还包括外环4以及设置于外环4内部的扩压器5、油杆喷嘴结构6、第一级预燃级7、第二级预燃级8、限制域结构9；第一级预燃级7、第二级预燃级8以及主燃级套筒14沿径向依次套设，主燃级旋流器15以及隔板16位于第二级预燃级8和主燃级套筒14之间；油杆喷嘴结构6位于第一级预燃级7内侧，扩压器5位于第一级预燃级7、第二级预燃级8以及主燃级套筒14靠近外环4气流入口的一侧，限制域结构9位于第一级预燃级7、第二级预燃级8以及主燃级套筒14靠近外环4气流出口的一侧，限制域结构9与外环4之间形成冷却腔。
46.本发明实施例中，第一级预燃级7、第二级预燃级8构成了双级轴向预燃级结构，来流气体从左侧头部进入，经过双级叶片的剪切作用，完成雾化，然后进入燃烧室内部与油杆喷嘴结构6喷出的煤油掺混，比单级轴向预燃级雾化效果更好，改善了燃烧室的布局，优化了燃烧性能和排放性能，可以实现比现有燃烧室更宽的点熄火范围和工作范围。
47.在本发明一些实施例中，第一级预燃级7包括第一级预燃级套筒10和设置于第一级预燃级套筒10内侧的第一叶片旋流器11，油杆喷嘴结构6位于第一叶片旋流器11的内侧。
第二级预燃级8包括套设于第一级预燃级套筒10外侧的第二级预燃级套筒12和设置于第一级预燃级套筒10和第二级预燃级套筒12之间的第二叶片旋流器13。
48.第一级预燃级套筒10的长度小于第二级预燃级套筒12，第一级预燃级套筒10靠近扩压器5的一端与第二级预燃级套筒12对齐，第一级预燃级套筒10远离扩压器5的一端位于第二级预燃级套筒12内。
49.第一叶片旋流器11和第二叶片旋流器13为传统的叶片旋流器结构。
50.可选地，第一级预燃级套筒10和第二级预燃级套筒12位于两端之间的部分区段设置有内径减小的变径结构，第一级预燃级套筒10和第二级预燃级套筒12远离扩压器5的一端设置为内径逐渐增大的扩口结构。
51.可选地，第二级预燃级套筒12远离扩压器5的一端的外侧设置有限位板，该限位板与主燃级结构远离扩压器5的一端限位配合。主燃级结构和预燃级之间形成台阶结构，可以将主燃级结构和预燃级的两股射流分隔开，主燃级结构火焰在外，预燃级火焰在内，影响两股气流的交汇位置，从而对流场、排放、点火、贫油熄火等性能产生影响。
52.在本发明一些实施例中，第一级预燃级7和第二级预燃级8内的旋流器的叶片旋向相反，即第一叶片旋流器11和第二叶片旋流器13的叶片旋向相反，例如，第一叶片旋流器11的旋向为顺时针方向，第二叶片旋流器13的叶片旋向为逆时针方向，或，第一叶片旋流器11的旋向为逆时针方向，第二叶片旋流器13的叶片旋向为顺时针方向。
53.可选地，第一级预燃级7和第二级预燃级8内的旋流器设置于第一级预燃级7和第二级预燃级8靠近扩压器5的一端。
54.在本发明一些实施例中，扩压器5包括导流叶片17，导流叶片17相对设置有两个，两个导流叶片17沿竖向排布，导流叶片17将外环4内部靠近气流入口的位置分隔为向下依次排布的第一通道18、第二通道19和第三通道20，第一通道18、第二通道19和第三通道20分别起到扩压作用。
55.本实施例的扩压器5包括多通道结构的前置扩压器和突扩区，与单通道突扩扩压器不同的是前置扩压器后端不伸入突扩区。气流先进入前置扩压器，被内置的导流叶片17一分为三，分别进入三个相当于小型扩压器的通道中减速扩压，导流叶片17可以引导气流分别流向内外环通道和火焰筒，减少了气流的突扩区所需的转弯角度。
56.可选地，扩压器5的总体扩张角a为68.286
°
，第一通道18的扩张角为17.574
°
，第二通道19的扩张角为56.7872
°
，第三通道20的扩张角为6.0186
°
；扩压器5的突扩间隙(扩压器5出口到火焰筒入口距离)为15.1mm至17.3mm，扩压器5进口高度(气流入口端两个第一导流叶片的间距)为27.4976mm，扩压器5的突扩间隙比ε(定义ε＝突扩间隙/扩压器5入口高度)为0.54至0.63。
57.本发明提供的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，利用扩压器5减速增压和头部结构的强旋流作用，合理分配来流气量，增强雾化效果，提高燃烧室头部流通率和缩短停留时间；同时由于结构合理，改善了燃烧室的布局，使得燃烧室更加紧凑，优化了燃烧性能和排放性能，可以实现比现有燃烧室更宽的点熄火范围和工作范围。
58.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，其特征在于，包括：主燃级套筒；多个隔板，设置于所述主燃级套筒的内侧，所述隔板将所述主燃级套筒内侧分隔为多个安装腔；多个主燃级旋流器，与所述安装腔一一对应，所述主燃级旋流器固定于对应的所述安装腔内，所述主燃级旋流器包括位于中部的掺混管和设置于所述掺混管外侧的多个螺旋叶片，各所述螺旋叶片的旋向相同。2.根据权利要求1所述的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，其特征在于，各所述主燃级旋流器分别对应设置有喷嘴。3.根据权利要求2所述的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，其特征在于，所述喷嘴设置于所述掺混管。4.根据权利要求1至3任一项所述的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，其特征在于，所述螺旋叶片的螺旋半径为5.25mm，螺距为12mm。5.根据权利要求1所述的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，其特征在于，还包括第一级预燃级和第二级预燃级；所述第一级预燃级、所述第二级预燃级以及所述主燃级套筒沿径向依次套设。6.根据权利要求5所述的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，其特征在于，还包括：外环、扩压器、油杆喷嘴结构以及限制域结构；所述第一级预燃级、所述第二级预燃级、所述主燃级套筒、所述隔板、所述主燃级旋流器、所述扩压器、所述油杆喷嘴结构以及所述限制域结构设置于所述外环内部；所述油杆喷嘴结构位于所述第一级预燃级内侧，所述扩压器位于所述第一级预燃级、所述第二级预燃级以及所述主燃级靠近所述外环气流入口的一侧，所述限制域结构位于所述第一级预燃级、所述第二级预燃级以及所述主燃级靠近所述外环气流出口的一侧，所述限制域结构与所述外环之间形成冷却腔。7.根据权利要求6所述的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，其特征在于，扩压器包括导流叶片，所述导流叶片将外环内部分隔为向下依次排布的第一通道、第二通道和第三通道，所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道分别起到扩压作用。8.根据权利要求5至7任一项所述的中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，其特征在于，所述第一级预燃级和所述第二级预燃级内的旋流器的叶片旋向相反。

技术总结
本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种中心分级燃烧室新型燃油掺混结构，包括主燃级套筒、多个隔板和多个主燃级旋流器；隔板设置于主燃级套筒的内侧，隔板将主燃级套筒内侧分隔为多个安装腔；主燃级旋流器与安装腔一一对应，主燃级旋流器固定于对应的安装腔内，主燃级旋流器包括位于中部的掺混管和设置于掺混管外侧的多个螺旋叶片，各螺旋叶片的旋向相同。本发明主燃级旋流器包括位于中部的掺混管和设置于掺混管外侧的多个螺旋叶片，能够改变传统主燃级的燃油掺混方式，能够极大地提高旋流强度；并且具有体积小，结构紧凑的优势，方便安装与操作，可以满足现代发动机小尺寸、高流通率的要求。流通率的要求。流通率的要求。


技术研发人员：许全宏 张孙永 段围 刘玉治 王建臣
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/6