一种可拓宽稳定工作范围的回流燃烧室的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空发动机回流燃烧室的技术领域，具体涉及一种可拓宽稳定工作范围的回流燃烧室。
【背景技术】
[0002]航空发动机的不断发展要求作为部件之一的燃烧室需要在更为宽泛的工况范围内进行工作。随着发动机功率和推力的不断提高，燃烧室需要在高工况下以很高的油气比可靠工作，还必须保证在低工况下以很低的油气比能够稳定工作。高油气比意味着燃烧室燃气温度的升高，为保证发动机的可靠性，出口温度场必须更为均匀。而低工况低油气比下稳定工作则要求燃烧室内存在富油的区域以保证在燃油较少时燃烧室不会熄火，富油意味着燃烧室内温度存在不均匀性。高工况和低工况之间出口温度场的均匀性矛盾是宽工作范围燃烧室必须解决的难题。
[0003]回流环形燃烧室在航空发动机中应用广泛，技术成熟。许多现役或发展中的发动机，特别是小型航空发动机都使用回流环形燃烧室。如加拿大普惠公司的PT6系列、JT15D发动机，美国霍尼韦尔T53、T55系列发动机，法国赛峰所属透博梅卡公司的TM333、RTM322发动机，德国慕尼黑发动机涡轮联合公司、法国透博梅卡公司和英国罗尔斯罗伊斯公司联合组成的合资企业研制生产的MTR390、美国轻型直升机涡轮发动机公司(LHTEC)联合公司研制的T800发动机。对于回流燃烧室来说，由于发动机总体流路设计和结构布局，回流燃烧室内外环形通道内的空气流量和流速相差较大，外环腔气流与火焰筒内主流的流向相反，而内环腔气流与火焰筒内主流的流向相同，导致进入火焰筒内的补燃掺混射流不对称，小孔的流量系数和空气流量分配与直流燃烧室有所不同。气流沿火焰筒管长度(从头部算起)逆向流动，外环腔气流静压缓慢下降，而直流燃烧室是逐渐上升的，但回流内环腔沿火焰筒管长度气流静压缓慢上升。此外，逆向平行流中壁面孔流量系数比平行同向流中的要大。这些都是流动不对称和火焰筒壁内外逆向流动带来的影响。流动的不对称性会影响火焰筒头部燃烧的稳定性，同时会使得出口温度分布品质的恶化。
[0004]单油路压力离心喷喷嘴被广泛用于各种回流燃烧室火焰筒头部，如PT6系列、PW200、JT15D、ATF3，空气雾化喷嘴至适用于带有空气旋流器的火焰筒头部，如PLT27、T800、PLT27、GAM500，蒸发管式喷嘴只适用于无空气旋流器的火焰筒头部，如RTM322、T53、T55系列、TM333、TM319。单油路离心喷嘴的点火性能较好，但低油压下雾化差，因此要求供油压力高，喷嘴流量数会设计得比较小，流量数偏小会导致大工况燃油流量较大时下油压过高，一方面会造成油路的密封设计上的困难，另一方面供给油泵的工作油压的上限限制会使得燃油流量有一个上限值。因此单油路离心喷嘴的供油流量较小，造成上限调节范围较窄，从而使得燃烧室大工况时燃油流量较小。空气雾化喷嘴在低油压下工作性能较好，但在空气压降较低是雾化质量差，点火性能差。蒸发管式喷嘴发烟少，对燃油变化不敏感，但其稳定燃烧范围窄，点火性能差，大工况下雾化质量差。随着燃烧室所需的稳定工作范围的扩大，上述三种供油雾化方式可能无法满足燃烧室设计的需要。
[0005]中国的北京航空航天大学对回流燃烧室申请了 201310244865.8专利，采用传统的单油路旋流杯式空气雾化喷嘴，保留了主燃孔设计，省去了燃烧的掺混孔。通过翻边主燃孔使内外环气流对切射入火焰筒，与头部气流旋向一致，增强气液混合以达到降低排放的目的。传统的单油路设计使得燃烧室的稳定工作范围较窄，无掺混孔的设计则可能使燃烧室的出口温度分布品质恶化。
[0006]以上技术背景说明回流燃烧室在稳定工作范围的扩展方面可以有改进的空间。本发明为针对拓宽燃烧室的稳定工作范围并保证其出口温度分布均匀性的新技术。采用压力离心雾化+预旋预膜空气雾化的混合雾化方式，通过主副双油路的燃料供给方式，解决小工况和大工况下燃料的雾化问题。使用带有缺口帽罩的的外环火焰筒主燃孔和掺混孔，保证火焰筒头部火焰的稳定性，并有利于出口温度分布的均匀性。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术不足，提供一种可拓宽稳定工作范围的燃烧技术应用于回流燃烧室。该技术在拓宽燃烧室稳定工作范围的同时，保证了出口温度分布的均匀性。
[0008]本发明所采用的技术方案为:一种可拓宽稳定工作范围的回流燃烧室，包括环形燃烧室机匣、扩压器与环形火焰筒，环形火焰筒由火焰筒头部端壁、设置在火焰筒头部端壁上的头部雾化装置、火焰筒外壁、火焰筒内壁和大弯管壁组成；火焰筒外壁和火焰筒内壁上都设置有主燃孔和掺混孔，头部端壁、火焰筒外壁、火焰筒内壁和大弯管壁存在冷却结构，燃料供给采用主副双油路方式；头部雾化装置采用中心压力离心雾化方式雾化副油路燃料，中心轴向外围采用先预旋后预膜空气雾化的混合雾化方式雾化主油路燃料；火焰筒外壁上的主燃孔和掺混孔外围设置有带有缺口形状的帽罩。
[0009]其中，燃烧室火焰筒头部雾化装置沿周向均匀分布，个数范围为12?24个。
[0010]其中，火焰筒外壁上的主燃孔和内壁上的主燃孔、外壁上的掺混孔和内壁上的掺混孔与火焰筒头部端壁的轴向距离相同，且沿着火焰筒外壁和内壁均匀排布。
[0011]其中，全环主燃孔和掺混孔的个数可以为火焰筒头部雾化装置个数的2倍、3倍或者4倍，周向排布沿着火焰筒头部雾化装置轴线对称。
[0012]其中，火焰筒外壁上的主燃孔和掺混孔外围设置有带有缺口形状的帽罩，其缺口朝向背对空气来流方向，帽罩形状可以是球形、圆柱形、圆锥形或者长方体形，缺口形状可以是矩形、圆形或者是其他特殊形状。
[0013]其中，主燃孔和掺混孔的形状可以是圆形、矩形、三角形、多边形或者其他形状。
[0014]其中，头部雾化装置所采用中心压力雾化方式由副油路单油路离心喷嘴实现；头部雾化装置中心轴向外围所采用的先预旋后预膜空气雾化的混合雾化方式由主油路预旋预膜空气雾化喷嘴实现；头部雾化装置还包括供油杆、内旋流组件和外旋流组件。
[0015]其中，副油路单油路离心喷嘴包括供油路内环油路和离心喷嘴组件组成；主油路预旋预膜空气雾化喷嘴包括供油路外环油路、内旋流组件前端的第一环形集油腔，通过内旋流组件上设置有圆形长通孔连通的第二环形集油腔、旋流槽、旋流槽之间贯通的第三环形集油腔，文氏管。
[0016]其中，头部雾化装置在头部端壁上的安装方式可以是焊接、头部定位环固定或螺纹连接。
[0017]其中，内旋流组件的结构形式可以是轴向孔、轴向槽道、径向孔、径向槽道、斜切孔、斜切槽道，或者是上述任意结构形式的组合形式，旋流数可以在0.1至2.0之间变化；外旋流组件的结构形式可以是径向孔，径向槽道，径向直叶片或者径向曲叶片，旋流数在0.1-2.0 之间。
[0018]本发明的原理:如图1-5所示，环形燃烧室机匣I与环形火焰筒3成单环腔结构，高压空气通过燃烧室机匣前端的环形扩压器2进入燃烧室环腔，火焰筒3由火焰筒头部端壁4、头部雾化装置5、火焰筒外壁6，火焰筒内壁7和大弯管壁8组成；火焰筒外壁6和火焰筒内壁7上都设置有主燃孔9、掺混孔10和冷却结构11。环腔内空气经由头部雾化装置5、主燃孔9、掺混孔10和火焰筒冷却结构11进入火焰筒3内部。火焰筒3内空气与燃料充分混合燃烧，高温燃气经过主燃孔9补燃和掺混孔10掺混冷却之后由火焰筒出口进入涡轮。扩压器2流出的空气经过两个180°转弯之后离开燃烧室。头部雾化装置5采用中心压力离心雾化副油路燃料+中心轴向外围先预旋后预膜空气雾化主油路燃料的双油路混合雾化方式。火焰筒外壁6上的主燃孔9和掺混孔10存在有缺口形状的帽罩12，可以使得主燃孔9和掺混孔10进气方式产生变化，避免了外环腔空气经过大孔之后流向火焰筒3头部，影响燃烧稳定性，保证内外孔射流对称性，有利于出口燃气温度分布的均匀性。双油路的头部雾化装置5的使用可以拓宽回流燃烧室的稳定工作范围，并显著改善大工况下头部的雾化和燃烧性能，同样有利于改善出口燃气温度分布的均匀性。
[0019]所述燃烧室火焰筒头部雾化装置5沿周向均匀分布，个数为12-24个。头部雾化装置所分配的空气流量为燃烧室总进气量的10% -70%。火焰筒外壁6主燃孔9与内壁7主燃孔9、火焰筒外壁6掺混孔10与内壁7掺混孔10与火焰筒头部雾化装置5的轴向距离相同，且沿着火焰筒内外环形壁面均匀排布。全环主燃孔9的个数可以为火焰筒头部雾化装置5个数的2倍、3倍或者4倍，周向排布沿着头部雾化装置5中心