一种贫油预混预蒸发燃烧室头部的制作方法

本发明属于航空发动机领域，涉及一种预燃级单油路离心喷嘴和主燃级直射式喷嘴的低排放燃烧室头部。

背景技术：

国际民航组织在80年代就颁布了“环境保护标准”和“航空发动机排放”条例，并不断修订完善，目前已开始执行CAEP 6排放标准。各大航空发动机公司和研究机构均把控制污染物排放作为重要课题进行研究。由于污染排放是适航取证对民机发动机的强制性要求，欧美的几家国际知名航空发动机公司针对越来越严厉的排放要求，实施了先进民用发动机研制计划，掌握了低排放燃烧室的关键技术。GE公司研制的燃烧室采用最新的双环预混旋流(TAPS)组织燃烧技术，已用于Leap-X发动机上，其NOx污染排放比CAEP 6低47.7％。PW公司采用RQL技术发展的TALON X燃烧室在PW1000G发动机上，预计NOx污染排放比CAEP 6低40％。RR公司采用ANTLE计划发展的LDIS低污染燃烧室，其NOx污染排放比CAEP 2标准降低了50％。

所有先进低排放燃烧室的降低污染排放的能力，在很大程度上要归功于先进头部组织燃烧的技术设计。据相关资料显示，针对贫油低排放燃烧室，由于空气分区燃油分级燃烧的需要，大部分先进的低排放燃烧室喷嘴主要由预燃级喷嘴(离心式)和主燃级直射式喷嘴组成。

GE公司的TAPS燃烧室就已申请了多项美国专利，专利号为US006354072B1、US006381964B1、US006389815B1等的低排放燃烧室头部专利提出的技术方案是：预燃级由离心喷嘴、两级轴向涡流器、文氏管和套筒构成，主燃级由直射式喷嘴和一级或两级径向涡流器构成。头部结构比较复杂，头部大喷嘴由预燃级单油路离心喷嘴和主燃级直射式喷嘴组成。针对TAPS燃烧室喷嘴特殊功能和结构要求，申请了一种“压控燃油喷嘴”(Controlled Pressure Fuel Nozzle，CPFN)，见专利US 6955040 B1和US 7036302 B2。其最大的特点就是通过微小燃油压力变化信号来控制燃烧室流量，并且主燃级喷嘴分为两级，每级喷嘴的喷孔位于波形曲线上。北京航空航天大学和中国燃气涡轮研究院也申请了多种贫油部分预混预蒸发燃烧室的专利，如专利CN101169252A、CN101275751A、CN101275750A、CN202032612U、CN202032613U和CN202082953U等，在这些专利中并没有详细说明喷嘴的相关结构及特点。NOx是航空发动机燃烧室设计人员需要重点考虑的污染物之一，在航空发动机中，NOx主要由燃烧区火焰温度和燃气停留时间决定。目前已有低污染燃烧室采用中心分级的贫油预混预蒸发技术来降低污染排放，这种低排放燃烧室的头部分为预燃级和环绕预燃级外的主燃级组成，这种头部组织燃烧技术在工程应用中显示出了巨大的潜力。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种能够保证燃烧室性能并且降低污染排放的贫油预混预蒸发燃烧室头部。

本发明的技术方案是：头部方案采DIPME(Rich/Lean Direct Injection and Lean Partial Pre-Mixing&Pre-Evaporation)中心分级的混合燃烧模式，在启动小状态时，预燃级采用富油直接喷射(Rich Direct Injection)燃烧模式，通过预燃级离心喷嘴和预燃级轴向涡流器构成的预燃级实现局部富油，该种组织燃烧方式介于预混燃烧与扩散燃烧之间；在大状态下，预燃级采用贫油直接喷射(Lean Direct Injection)燃烧模式，主燃级采用贫油预混预蒸发(Lean Pre-Mixing&Pre-Evaporation)燃烧模式，是中心燃烧区起到稳定火焰作用，燃烧区当量比控制在0.5～0.65之间，燃烧区温度控制范围1700～1900K，同时控制高温火焰的停留时间，从而有效的控制NOx和CO的生成量。主燃级由一级斜向涡流器和压力直射燃油喷嘴组成，首先喷嘴内外的油压形成一次燃油雾化，同时斜向涡流器形成的剪切气流使得主燃级燃油充分雾化，同时与来流空气进行良好的预混。主燃级出口采用收敛通道，加速气流防止回火。主燃级斜向涡流器采用强旋流，达到良好雾化效果。

具体结构为：

一种贫油预混预蒸发主燃烧室头部，所述头部包括：预燃级喷嘴(10)、预燃级涡流器(18)、主燃级喷嘴(15)和主燃级涡流器(17)；预燃级喷嘴(10)是单油路离心喷嘴，预燃级喷嘴(10)包括喷嘴壳体(11)和旋流芯(16)；在旋流芯(16)上开设有3条旋向导油槽，燃油喷出时是旋向的；预燃级涡流器(18)为轴向涡流器；主燃级喷嘴(15)是直射式喷嘴，主燃级喷嘴(15)包括集油腔(13)和喷油孔(14)，喷油孔(14)与主燃级喷嘴的主油路环(12)连通；主燃级涡流器(17)为斜向涡流器；

其特征在于：所述主燃级的喷油孔(14)的开孔方向相对于主燃烧室中心线垂直，主燃级涡流器(17)的出气方向与主燃烧室中心线方向夹角为30°～60°；主燃级涡流器(17)的叶片安装角度在30°～45°之间，所述叶片数量为10～16片，所述叶片收敛角度为90°，所述叶片扩张段角度为90°～150°。

进一步的，所述的贫油预混预蒸发主燃烧室头部，其特征在于所述主燃级喷嘴(15)的喷油孔(14)数目与主燃级涡流器(17)的叶片数目相同且喷油孔(14)均匀环布。

进一步的，所述主燃级喷嘴(15)的喷油孔(14)数目为8～16，喷油孔(14)的直径为0.5～0.7mm。

还提供一种贫油预混预蒸发燃烧室(9)，所述的燃烧室(9)包括扩压器(1)、外机匣(7)、内机匣(2)、喷嘴(3)、燃烧室头部(4)、火焰筒(8)和电嘴，根据需要火焰筒上有掺混孔(6)，所述燃烧室头部(4)为上述的结构。

本发明的有益效果是：一种航空发动机贫油预混预蒸发低污染燃烧室头部，由预燃级轴向涡流器、预燃级离心喷嘴、主燃级斜向涡流器、主燃级直射式喷嘴组成。主燃级斜向涡流器设计结构方便拆卸，喷嘴孔加工难度小，在工艺上易实现。该头部设计能够既能保证燃烧性能和污染排放特性，又能不影响燃烧室出口温度场品质。

附图说明

图1为低排放燃烧室示意图；

图2为一种贫油预混预蒸发燃烧室方案示意图；

其中：扩压器(1)、内机匣(2)、喷嘴(3)、燃烧室头部(4)、掺混孔(6)、外机匣(7)、火焰筒(8)、预燃级喷嘴(10)、喷嘴壳体(11)、主油路环(12)、集油腔(13)、喷油孔(14)、主燃级喷嘴(15)、旋流芯(16)、主燃级涡流器(17)、预燃级涡流器(18)、套筒(19)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例子详细介绍本发明。

参见图1和图2，提供了一种贫油预混预蒸发主燃烧室头部，所述头部包括：预燃级喷嘴(10)、预燃级涡流器(18)、主燃级喷嘴(15)和主燃级涡流器(17)；预燃级喷嘴(10)是单油路离心喷嘴，预燃级喷嘴(10)包括喷嘴壳体(11)和旋流芯(16)；在旋流芯(16)上开设有3条旋向导油槽，燃油喷出时是旋向的；预燃级涡流器(18)为轴向涡流器；主燃级喷嘴(15)是直射式喷嘴，主燃级喷嘴(15)包括集油腔(13)和喷油孔(14)，喷油孔(14)与主燃级喷嘴的主油路环(12)连通；主燃级涡流器(17)为斜向涡流器；

其特征在于：所述主燃级的喷油孔(14)的开孔方向相对于主燃烧室中心线垂直，主燃级涡流器(17)的出气方向与主燃烧室中心线方向夹角为30°～60°；主燃级涡流器(17)的叶片安装角度在30°～45°之间，所述叶片数量为10～16片，所述叶片收敛角度为90°，所述叶片扩张段角度为90°～150°。

进一步的，所述的贫油预混预蒸发主燃烧室头部，其特征在于所述主燃级喷嘴(15)的喷油孔(14)数目与主燃级涡流器(17)的叶片数目相同且喷油孔(14)均匀环布。

进一步的，所述主燃级喷嘴(15)的喷油孔(14)数目为8～16，喷油孔(14)的直径为0.5～0.7mm。

还提供一种贫油预混预蒸发燃烧室(9)，所述的燃烧室(9)包括扩压器(1)、外机匣(7)、内机匣(2)、喷嘴(3)、燃烧室头部(4)、火焰筒(8)和电嘴，根据需要火焰筒上有掺混孔(6)，所述燃烧室头部(4)为上述的结构。

预燃级喷嘴为离心式喷嘴，主要由套筒(19)、旋流芯(16)和副喷嘴壳体(11)构成，在旋流芯(16)上开有3条旋流槽，从而使燃油产生旋转动量从喷口中喷射而出，与空气流接触能够得到较好的雾化。