一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室

1.本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室。


背景技术：

2.特定的航空发动机无法在整个推力范围内都具备优良的性能。例如，飞机起飞时需要比巡航时大许多的推力，若按照起飞推力设计发动机，则该发动机质量将会过大，而在巡航时发动机因处于非设计点状态，性能会很差；若按照巡航推力设计发动机，则会导致飞机无法正常起飞。解决上述问题的措施之一是在发动机的燃气涡轮与喷管之间增加加力燃烧室，在短时间内大幅度提升发动机推力。尽管加力燃烧室的质量只占发动机的1/5左右，但推力可以增加60％以上。目前，世界各国新一代军用发动机基本都采用了带加力燃烧室的结构。
3.加力燃烧室是航空发动机的重要部件。虽然其质量只占发动机总质量的20％左右，但却能大幅增大发动机推力。加力燃烧室安装在涡轮和尾喷管之间，利用燃烧室排气中的剩余氧气量，重新喷入燃油再燃烧，从而为增加飞机发动机的推力提供了可能。然而，由于加力燃烧室是利用主燃烧室过来的燃气进行喷油复燃，燃气流中的含氧量只有正常空气的约2/3～3/4，故其燃烧效率较低。另外，由于加力燃烧室多采用直射式喷嘴，燃油直接喷入气流中，燃油雾化效果较差，与气流混合的不够均匀，进一步降低了燃烧效率。
4.加力燃烧室工作环境差，从涡轮出口排除的燃气温度高、压力低、速度高，不利于燃气在加力燃烧室中点火和组织燃烧。通常，传统加力燃烧室中会采用钝体结构作为火焰稳定器，利用钝体后的稳定的低速回流区来点燃混气并组织燃烧。随着发动机加力燃烧室进口总温的不断提高，加力燃烧室内工作环境更加恶劣，燃油自燃以及喷油杆和钝体火焰稳定器等部件的耐高温、结构可靠性等问题更加明显。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提出一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室，与现有的技术相比，本方案的优点是采用扩压器—中心锥—喷油孔一体化设计，在中心锥上设置有多级直射式喷嘴，中心锥为空心且呈阶梯状，当燃油进入中心锥内的燃油通道时，可通过上游已燃烧的高温燃气进行预热，阶梯状的中心锥结构增大了高温燃气和燃油通道内燃油换热的表面积，在阶梯处形成冲击换热，强化了换热，且多级喷油孔中心锥内部燃油通道呈收缩状，燃油通道流过的横截面积逐级递减，压力逐渐增大，喷出的液滴粒径减小，有助于燃油雾化。被预热的燃油通过多级中心锥上布置的喷油孔喷出，在下游进行燃烧，由于多级中心锥结构，高温燃气在流经时会在每两级突扩间形成角涡，在下游产生更加明显的回流区和湍流强度更大的区域，每两级之间的倾斜面使得燃油在其上形成预膜，当下一级的喷油孔喷出燃油时，该液膜会被破碎，形成二次雾化，进一步提高雾化效果及油气混合均匀程度，进而提高了燃烧效率，多级中心锥结构也有助于在加力燃烧室中心形成回流区稳
定燃烧。
6.技术方案
7.本发明的目的在于提供一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室。
8.本发明技术方案如下：
9.一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室，其特征在于：所述的一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室包括内外机匣，整流支板结构，多级中心锥，中心锥上多级喷油孔，中心锥内部的分级渐缩型燃油通道，中心锥每级间的突扩型结构及每两级之间的倾斜面；该结构的内外机匣为常规加力燃烧室的机匣结构，整流支板位于内机匣和中心锥之间并将其连接，且周向分布，数量为10
‑
20个，其内部布置有燃油通道连接进入燃烧室的燃油；与整流支板连接的多级中心锥呈阶梯状，级数为3
‑
5级，位于整个加力燃烧室的周向中心，轴向方向在燃烧室的上游位置，中心锥每级之间由于高度不同会形成突扩型结构，每两级中心锥之间存在倾斜面，其长度为30～80mm，倾斜角度与轴向方向夹角为30
°
～60
°
，在中心锥内部设置有分级渐缩型燃油通道，在每级中心锥表面均设有喷油孔使得中心锥表面形成多级喷油孔结构，喷油孔直径为1～4mm；燃油由整流支板内部的燃油通道进入中心锥内部，在中心锥内部的分级渐缩型燃油通道作用下，使得从每级喷油孔喷出的燃油粒径变小，并在每两级之间的倾斜面上预膜，该液膜在下一级喷出燃油的作用下进一步破碎形成二次雾化，且每级间的突扩型结构有益于形成角涡实现火焰稳定。
10.所述的一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室，其特征在于：该中心锥在下游部分呈阶梯状形式，数量为3
‑
5级，每级中心锥之间由于高度不同形成了突扩型结构。所述的一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室，其特征在于：在多级中心锥上分设多级喷油孔，该多级喷油孔中心锥结构喷油孔直径为1～4mm，每两级之间倾斜面的长度为30～80mm，倾斜角度与轴向方向夹角为30
°
～60
°
。喷油孔在每级上沿周向均匀排布，级与级之间交错分布，每级上可设置单排或多排喷射孔。且多级喷油孔中心锥内部燃油通道呈收缩状，燃油通道流过的横截面积逐级递减。
11.本发明具有以下有益效果：
12.该方案设计的一体化加力燃烧室，其优点在于在传统的中心锥前侧开有多级喷油孔形成中空且呈阶梯状的多级中心锥，使得燃油能与更多的高温燃气接触，取得更好的雾化效果，同时这种多级中心锥结构有利于中心回流区的形成，且每两级之间就是一个突扩结构，有助于高温燃气减速增压，每级中心锥上均布置有喷油孔，可以加强中心气流的扰动，使得此区域内的燃油混气停留时间更长，混合更加均匀，每两级之间的倾斜面使得燃油在其上形成预膜，当下一级的喷油孔喷出燃油时，该液膜会被破碎，形成二次雾化，进一步提高雾化效果及油气混合均匀程度，进而提高了燃烧效率。
附图说明
13.图1：一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室整体结构示意图
14.图2：多级喷油孔中心锥及整流支板结构示意图
15.图3：图2中多级喷油孔中心锥a部分放大图
16.图4：多级喷油孔中心锥及整流支板结构左视图
17.图5：一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室整体结构右视图
18.图6：多级喷油孔中心锥及整流支板结构右视图
19.图7：图6中b部分的放大图
20.图中：1－整流支板，2－多级中心锥，3－喷油孔，4－突扩结构，5－倾斜面
具体实施方式
21.现结合附图对本发明作进一步描述：
22.图1为一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室整体结构示意图，图2为多级喷油孔中心锥及整流支板结构示意图，图3和图4分别为图2中多级喷油孔中心锥a部分放大图以及多级喷油孔中心锥及整流支板结构左视图，由此可以看出该中心锥结构的布局方式，用来确定喷油孔尺寸、分布方式以及其相对位置，图5为一种多级喷油孔中心锥一体化加力燃烧室整体结构右视图，图6和图7分别为多级喷油孔中心锥及整流支板结构右视图以及图6中b部分的放大图。
23.由内外涵道来的气流在整流支板火焰稳定器叶片之间进行混合，并通过图2中心锥每两级之间的突扩结构4对高温燃气进行减速增压，该多级中心锥每级上均匀布置有喷油孔3，经过高温燃气预热的燃油通过喷油孔3喷出并在下方的倾斜面5上形成预膜，燃油液膜会在下一级喷油孔喷出的燃油作用下破碎形成二次雾化。由于中心锥的分级结构，内外涵道部分混气在流过整流支板后，会被卷吸至中心区域，形成强大的回流区，且由于喷油孔的存在可以进一步增大气流的扰动，使得油气雾化效果较好，燃烧的效率和稳定性均得以提高。