CN115218218B - 预燃级头部及火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧室技术领域，提供一种预燃级头部及火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室，上述的预燃级头部包括第一套筒、第二套筒及预燃级喷嘴；第一套筒的内壁面围合形成第一气流通道；第二套筒套设于第一套筒的外侧，第一套筒与第二套筒之间设有间隙，以构建形成气流通路；预燃级喷嘴设于第一气流通道内，且靠近第一套筒的一端设置，预燃级喷嘴用于将燃油沿第一套筒的轴向方向输送至第一套筒的另一端。上述预燃级头部通过单独的吹扫气设计调控主燃级火焰和预燃级火焰根部耦合关系，从而保障了火焰的稳定性和减低了氮氧化物的排放，满足了低排放的需求。

Description

预燃级头部及火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室

技术领域

本发明涉及燃烧室技术领域，尤其涉及一种预燃级头部及火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室。

背景技术

随着航空及工业燃气轮机行业的快速发展，环境污染问题也随之而来，对此，国际民航组织提出有关飞机污染物排放标准的限制性法律，并不断提高排放标准，尤其是氮氧气体的排放，飞机发动机燃烧室是飞机动力的来源，也是其污染排放的主要来源。因此，对燃烧室的设计提出了很高的要求。低排放燃烧技术是当前的研究的重点之一。

中心分级燃烧室目前常见的低排放燃烧室结构之一，中心分级燃烧器沿中心轴向按照径向分级布置：外环为主燃级，大部分空气通过主燃级进入燃烧器，并与通道内喷入的燃油提前进行一定程度的掺混后，再进入燃烧室进行燃烧，因此呈现为贫油预混燃烧，能够保证燃烧最终产生的排放物产量达到一个较低的水平；中心内环为预燃级，小部分空气通过预燃级进入燃烧器，并与下游中心体喷嘴喷出的燃油直接进入燃烧室混合进行燃烧，呈现为富油扩散燃烧的特点，从而保证总体火焰的稳定性和点熄火性能。

在现有的中心分级燃烧室的设计中，主燃级和预燃级的气动热力设计参数要求通常都较为固定，因此，主燃级和预燃级火焰的根部耦合关系通常也较为难以改变，而两者根部耦合关系会影响燃烧的排放和稳定性，现有技术中，通常是直接改变主、预燃级的气动热力设计参数，这一方式虽然在一定程度上能够改变火焰根部耦合关系，但同时也会带来其他气动结构的变化，不利于单一变量的控制，会导致最终的燃烧性能改变效果偏离预期。

发明内容

本发明提供一种预燃级头部及火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室，用以解决现有技术中，火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室主、预燃级火焰根部耦合自由调节性能差、导致排放性能和火焰稳定性能差的缺陷。

第一方面，本发明提供一种预燃级头部，包括：第一套筒、第二套筒及预燃级喷嘴；

所述第一套筒的内壁面围合形成第一气流通道；所述第二套筒套设于所述第一套筒的外侧，所述第一套筒与所述第二套筒之间设有间隙，以构建形成气流通路；

所述预燃级喷嘴设于所述第一气流通道内，且靠近所述第一套筒的一端设置，所述预燃级喷嘴用于将燃油沿所述第一套筒的轴向方向输送至所述第一套筒的另一端。

根据本发明提供的一种预燃级头部，所述第一套筒包括第一水平部、第一弯折部及第二弯折部；

所述第一水平部设于所述第一套筒的外壁侧，且沿所述第一套筒的轴向延伸方向设置，所述第一弯折部自所述第一水平部的一端弯折延伸形成，所述第二弯折部自所述第一弯折部远离所述第一水平部的一端弯折延伸形成。

根据本发明提供的一种预燃级头部，所述第二套筒包括第二水平部、第三弯折部及第四弯折部；

所述第二水平部设于所述第二套筒的内壁侧，且沿所述第二套筒的轴向延伸方向设置，所述第三弯折部自所述第二水平部的一端弯折延伸形成，所述第四弯折部自所述第三弯折部远离所述第二水平部的一端弯折延伸形成。

根据本发明提供的一种预燃级头部，所述气流通路包括：第一气流通路、第二气流通路及第三气流通路；

所述第二水平部与所述第一水平部对应设置，以形成所述第一气流通路，所述第一气流通路的一端设有进气口；所述第三弯折部与所述第一弯折部对应设置，以形成所述第二气流通路；所述第四弯折部与所述第二弯折部对应设置，以形成所述第三气流通路，所述第三气流通路远离所述第二气流通路的一端设有出气口。

根据本发明提供的一种预燃级头部，所述第二弯折段的第一出口扩张角为30～120°。

根据本发明提供的一种预燃级头部，所述第四弯折段的第二出口扩张角为30～120°。

根据本发明提供的一种预燃级头部，所述预燃级头部包括支撑件，所述支撑件设于所述第二气流通路中，所述支撑件设有通孔，所述通孔用于供气流通过。

根据本发明提供的一种预燃级头部，所述预燃级头部还包括预燃级旋流件；所述预燃级旋流件设于所述预燃级喷嘴与所述第一套筒之间。

根据本发明提供的一种预燃级头部，所述预燃级旋流件包括第一连接部和第二连接部；

所述第一连接部呈环状，所述第一连接部的内壁面贴合设于所述预燃级喷嘴的外壁面，所述第二连接部连接于第一连接部的外壁面；

其中，所述第二连接部为多个，多个所述第二连接部沿所述第一连接部的周向方向依次布设。

第二方面，本发明还提供一种火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室，其特征在于，包括：主燃级头部及如第一方面任一项所述的预燃级头部；

所述主燃级头部包括：级间段套筒、主燃级旋流件及第三套筒；所述级间段套筒套设于所述预燃级头部的第二套筒的外侧，所述第三套筒套设于所述级间段套筒的外侧，所述第三套筒与所述级间段套筒之间形成第二气流通道，所述主燃级旋流件设于所述第二气流通道内。

本发明提供的预燃级头部，第一套筒的内壁面围合形成第一气流通道，预燃级喷嘴设于第一气流通道内，通过预燃级喷嘴将燃油喷向第一其流通到射入的空气来流中，进一步，预燃级火焰与主燃级火焰根部耦合，通过第一套筒与第二套筒套设形成气流通路，通过气流通路能够向预燃级火焰的根部吹气，能够调控主燃级火焰和预燃级火焰根部耦合关系，从而确保了火焰的稳定性和减低氮氧化物的排放，满足了低排放的需求。因此，本发明提供的预燃级头部能够有效地保障火焰的稳定性，提升低排放性能，且结构简单，装配方便，加工成本低。

进一步地，本发明提供的火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室，由于具有如上所述的预燃级头部，因此，同样具有如上所述的相同优势。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

图1是本发明实施例提供的预燃级头部的剖面结构示意图之一；

图2是本发明实施例提供的预燃级头部的剖面结构示意图之二；

图3是本发明实施例提供的预燃级头部的部分结构示意图；

图4是本发明提供实施例的火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室的结构示意图之一；

图5是本发明实施例提供的火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室的剖面结构示意图；

图6是本发明提供实施例的火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室的结构示意图之二；

附图标记：

1：预燃级头部；11：第一套筒；111：第一水平部；112：第一弯折部；113：第二弯折部；12：第二套筒；121：第二水平部；122：第三弯折部；123：第四弯折部；13：预燃级喷嘴；14：预燃级旋流件；141：第一连接部；142：第二连接部；15：支撑件；

2：主燃级头部2；21：级间段套筒；22：主燃级旋流件；23：第三套筒；

A：第一气流通道；B：气流通路；C：第二气流通道；I：进气口；II：出气口；a：第一出口扩张角；b：第二出口扩张角。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

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。

下面结合图1至图6描述本发明实施例提供的预燃级头部1及火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室。

第一方面，如图1至图3所示，本发明实施例中的预燃级头部1，包括：第一套筒11、第二套筒12及预燃级喷嘴13。

第一套筒11的内壁面围合形成第一气流通道A；第二套筒12套设于第一套筒11的外侧，第一套筒11与第二套筒12之间设有间隙，以构建形成气流通路B。

预燃级喷嘴13设于第一气流通道A内，且靠近第一套筒11的一端设置，预燃级喷嘴13用于将燃油沿第一套筒11的轴向方向输送至第一套筒11的另一端。

具体地，如图3所示，预燃级头部1的整体构造呈圆柱状，也就是说，其中的第一套筒11和第二套筒12均呈环状结构。

如图1所示，预燃级喷嘴13设置于预燃级头部1的最内层，第一套筒11和第二套筒12沿径向延伸方向依次套设于预燃级喷嘴13的外侧。

其中，第一套筒11和第二套筒12的轴向延伸长度大致相同，预燃级喷嘴13的轴向延伸长度小于第一套筒11和第二套筒12的长度，如图1所示，第一套筒11的内壁面形成的内腔为第一气流通道A，预燃级喷嘴13设置在第一气流通道A的左侧。

第一套筒11和第二套筒12之间形成有间隙，该间隙为气流进入燃烧室、控制主燃级火焰和预燃级火焰根部耦合情况的气流通路B，通过这一气流通路B进行吹气，能够使气流介于主燃级火焰和预燃级火焰之间，因此能够调控主燃级火焰和预燃级火焰根部耦合关系。

本发明实施例提供的预燃级头部1，第一套筒11的内壁面围合形成第一气流通道A，预燃级喷嘴13设于第一气流通道A内，通过预燃级喷嘴13将燃油喷向第一其流通到射入的空气来流中，进一步，预燃级火焰与主燃级火焰根部耦合，通过第一套筒11与第二套筒12套设形成气流通路B，通过气流通路B能够向预燃级火焰的根部吹气，能够调控主燃级火焰和预燃级火焰根部耦合关系，从而确保了火焰的稳定性和减低了氮氧化物的排放，满足了低排放的需求。因此，本发明提供的预燃级头部1能够有效地保障火焰的稳定性，提升低排放性能，且结构简单，装配方便，加工成本低。

在可选的实施例中，第一套筒11包括第一水平部111、第一弯折部112及第二弯折部113。

第一水平部111设于第一套筒11的外壁侧，且沿第一套筒11的轴向延伸方向设置，第一弯折部112自第一水平部111的一端弯折延伸形成，第二弯折部113自第一弯折部112远离第一水平部111的一端弯折延伸形成。

具体地，如图2所示，在第一套筒11的外壁侧上沿其轴线方向依次设置有第一水平部111、第一弯折部112和第二弯折部113，其中，第一水平部111沿第一套筒11的轴向延伸方向延伸设置，在第一水平部111的端点处朝向第一套筒11的轴线方向弯折延伸形成有第一弯折部112，第一弯折部112的收口角度不作具体限定，依据实际需要进行弯折设置即可，能够实现气体的流通即可。

在第一弯折部112的端部背离第一套筒11的轴线方向、向外扩展弯折延伸形成有第二弯折部113，由此，如图2所示，第一套筒11的右侧端部呈扩口状。

在可选的实施例中，第二套筒12包括第二水平部121、第三弯折部122及第四弯折部123。

第二水平部121设于第二套筒12的内壁侧，且沿第二套筒12的轴向延伸方向设置，第三弯折部122自第二水平部121的一端弯折延伸形成，第四弯折部123自第三弯折部122远离第二水平部121的一端弯折延伸形成。

具体地，如图2所示，与第一套筒11对应的，在第二套筒12的内壁侧上沿其轴线方向依次设置有第二水平部121、第三弯折部122和第四弯折部123，其中，第二水平部121沿第二套筒12的轴向延伸方向延伸设置，第二水平部121的长度可以如图2所示与第一水平部111的长度一致，也可以根据需要设置为长于或短于第二水平部121的长度，具体长度不做限定，能够与第一水平部111之间形成间隙，供气体流通即可。

在第二水平部121的端点处朝向第一套筒11的轴线方向弯折延伸形成有第三弯折部122，第三弯折部122的收口角不作具体限定，第三弯折部122可以如图2所示与第一弯折部112平行，也可以不平行，具体设置方式依据实际需要进行设置，确保第三弯折部122与第一弯折部112之间形成有间隙，供气体流通即可。

在第三弯折部122的端部背离第一套筒11的轴线方向、向外扩展弯折延伸形成有第四弯折部123，如上所述，第四弯折部123同理可以如图2所示与第三弯折部122平行布置，也可以不平行，由此，如图2所示，第二套筒12的右侧端部也呈扩口状。

进一步地，气流通路B包括：第一气流通路、第二气流通路及第三气流通路。

第二水平部121与第一水平部111对应设置，以形成第一气流通路，如图2所示，第一气流通路的一端设有进气口I，进气口I可以为与第一气流通路贯通的整个环状通孔，也可以为如图3所示，沿第一套筒11的周向设置多个小通孔作为进气口I，进气口I的数量和尺寸不作具体限定，在实际操作中，通过改变进气口I的数量和孔径，可以改变吹气的气量。进气口I的数量以10至50个为宜，其孔径以0.5至3mm为宜，当然，其他数量和孔径亦可。

第三弯折部122与第一弯折部112对应设置，以形成第二气流通路，气流经过第一气流通路进入第二气流通路。

第四弯折部123与第二弯折部113对应设置，以形成第三气流通路，第三气流通路远离第二气流通路的一端设有出气口II，经过第二气流通路的气流能够依次通过第三气流通路和出气口II喷射出。

在可选的实施例中，第二弯折段的第一出口扩张角a为30～120°。

第四弯折段的第二出口扩张角b为30～120°。

具体地，如图2所示，第二弯折段的端部为第一出口扩张角a，第四弯折段的端部为第二出口扩张角b。

通过改变第二弯折段的第一出口扩张角a的角度，角度参数范围为30～120°，能够单独改变预燃级火焰的根部耦合位置。

通过改变第四弯折段的第二出口扩张角b的角度，角度参数范围为30～120°，能够单独改变主燃级火焰的根部耦合位置。

同时改变第二弯折段的第一出口扩张角a和第四弯折段的第二出口扩张角b的角度，即改变第二弯折段和第四弯折段的间隙尺寸、间隙扩张角度，能够改变主燃级火焰和预燃级火焰的根部耦合关系，从而对燃烧室的火焰进行调控。

本发明实施例提供的预燃级头部1的吹扫结构为独立设计，可以单独加工，组合相同的旋流叶片方案进行试验，便于调整设计

在可选的实施例中，预燃级头部1包括支撑件15，支撑件15设于第二气流通路中，支撑件15设有通孔，通孔用于供气流通过。

具体地，为了保证整体结构的强度，使气流能够持续地由气流通路B吹进火焰根部，如图1和图2所示，在第二气流通路中设置有支撑件15，支撑件15可以设置为格栅结构，或在支撑件15上设置一个大通孔或多个小通孔，在支撑第二气流通路的同时，保证气流的通过性。

在可选的实施例中，为了促进第一气流通道A内的气体与预燃级喷嘴13喷射的燃油混合均匀，预燃级头部1中还设置有预燃级旋流件14；预燃级旋流件14设于预燃级喷嘴13与第一套筒11之间。

进一步地，预燃级旋流件14包括第一连接部141和第二连接部142。

第一连接部141呈环状，第一连接部141的内壁面贴合设于预燃级喷嘴13的外壁面，第二连接部142连接于第一连接部141的外壁面。

其中，第二连接部142为多个，多个第二连接部142沿第一连接部141的周向方向依次布设。

第二方面，如图4至图6所示，本发明实施例还提供一种火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室，包括：主燃级头部2及如上述第一方面所述的预燃级头部1。

主燃级头部2包括：级间段套筒21、主燃级旋流件22及第三套筒23；级间段套筒21套设于预燃级头部1的第二套筒12的外侧，第三套筒23套设于级间段套筒21的外侧，第三套筒23与级间段套筒21之间形成第二气流通道C，主燃级旋流件22设于第二气流通道C内。

具体地，如图4所示，主燃级头部2套设于预燃级头部1的第二套筒12的外侧，整体构造呈圆柱状，主燃级头部2也有圆筒状结构。

如图5所示，主燃级头部2中的级间段套筒21套设于预燃级头部1的第二套筒12的外侧，沿其径向方向依次设置有主燃级旋流件22和第三套筒23，在第三套筒23与级间段套筒21之间设有间隙，以形成第二气流通道C，作为主燃级的气体来流通道。

如图5和图6所示，气流通路B位于第一气流通道A与第二气流通道C之间，能够通过改变气动吹扫气的气量和吹扫角度，可以在不改变其他气动热力设计参数的前提，仅改变主、预燃级根部耦合关系或者仅改变预燃级火焰根部。

此外，本发明实施例提供的火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室仅需要更换预燃级套筒这一个零件，可以采用3D打印的加工方式进行制作，成本较低；装配方面也较为简单，直接进行焊接即可。

需要说明的是，由于火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室包括上述实施例所示的预燃级头部1，该预燃级头部1的具体结构参照上述实施例，由于该火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室采用了上述实施例的技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

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。

Claims (7)

1.一种预燃级头部，其特征在于，包括：第一套筒、第二套筒及预燃级喷嘴；

所述第一套筒的内壁面围合形成第一气流通道；所述第二套筒套设于所述第一套筒的外侧，所述第一套筒与所述第二套筒之间设有间隙，以构建形成气流通路；

所述预燃级喷嘴设于所述第一气流通道内，且靠近所述第一套筒的一端设置，所述预燃级喷嘴用于将燃油沿所述第一套筒的轴向方向输送至所述第一套筒的另一端；

所述第一套筒包括第一水平部、第一弯折部及第二弯折部；所述第一水平部设于所述第一套筒的外壁侧，且沿所述第一套筒的轴向延伸方向设置，所述第一弯折部自所述第一水平部的一端弯折延伸形成，所述第二弯折部自所述第一弯折部远离所述第一水平部的一端弯折延伸形成；

所述第二套筒包括第二水平部、第三弯折部及第四弯折部；所述第二水平部设于所述第二套筒的内壁侧，且沿所述第二套筒的轴向延伸方向设置，所述第三弯折部自所述第二水平部的一端弯折延伸形成，所述第四弯折部自所述第三弯折部远离所述第二水平部的一端弯折延伸形成；

所述气流通路包括：第一气流通路、第二气流通路及第三气流通路；所述第二水平部与所述第一水平部对应设置，以形成所述第一气流通路，所述第一气流通路的一端设有进气口；所述第三弯折部与所述第一弯折部对应设置，以形成所述第二气流通路；所述第四弯折部与所述第二弯折部对应设置，以形成所述第三气流通路，所述第三气流通路远离所述第二气流通路的一端设有出气口。

2.根据权利要求1所述的预燃级头部，其特征在于，所述第二弯折段的第一出口扩张角为30~120°。

3.根据权利要求1所述的预燃级头部，其特征在于，所述第四弯折段的第二出口扩张角为30~120°。

4.根据权利要求1所述的预燃级头部，其特征在于，所述预燃级头部包括支撑件，所述支撑件设于所述第二气流通路中，所述支撑件设有通孔，所述通孔用于供气流通过。

5.根据权利要求1所述的预燃级头部，其特征在于，所述预燃级头部还包括预燃级旋流件；所述预燃级旋流件设于所述预燃级喷嘴与所述第一套筒之间。

6.根据权利要求5所述的预燃级头部，其特征在于，所述预燃级旋流件包括第一连接部和第二连接部；

所述第一连接部呈环状，所述第一连接部的内壁面贴合设于所述预燃级喷嘴的外壁面，所述第二连接部连接于第一连接部的外壁面；

其中，所述第二连接部为多个，多个所述第二连接部沿所述第一连接部的周向方向依次布设。

7.一种火焰根部耦合可调式中心分级燃烧室，其特征在于，包括：主燃级头部及如权利要求1至6任一项所述的预燃级头部；

所述主燃级头部包括：级间段套筒、主燃级旋流件及第三套筒；所述级间段套筒套设于所述预燃级头部的第二套筒的外侧，所述第三套筒套设于所述级间段套筒的外侧，所述第三套筒与所述级间段套筒之间形成第二气流通道，所述主燃级旋流件设于所述第二气流通道内。

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