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1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中心轴线对称。全环掺混孔10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中心轴线对称。火焰筒外壁6主燃孔9和掺混孔10上在燃烧室环腔一侧存在有一定形状缺口的帽罩12，其缺口朝向背对外环腔空气来流方向，从而避免来流空气通过主燃孔9和掺混孔10之后直接冲向火焰筒头部形成的旋流火焰，保证头部燃烧的稳定性和掺混射流的对称性，进而优化燃烧室的稳定工作范围和出口温度场的均匀性。帽罩12形状可以是球形、圆柱形、圆锥形或者长方体形，其缺口形状可以是矩形、圆形或者是其他特殊形状。全环内外主燃孔9进气量占燃烧室总进气量的30％-10％，全环内外掺混孔10进气量占燃烧室总进气量的30％-
10％。主燃孔9和掺混孔10的形状可以是圆形、矩形、三角形、多边形或者其他形状。
[0020] 所述回流燃烧室的头部雾化装置5由副油路单油路离心喷嘴13、主油路预旋预膜空气雾化喷嘴14、供油杆15、内旋流组件16和外旋流组件17组成。副油路单油路离心喷嘴13采用压力离心雾化方式对燃料进行雾化，其流量数在1-15kg/(hr*MPa0.5)之间。燃料经过供油杆15上的内环油路18之后再通过离心喷嘴组件19喷口流出，在
离心力的作用下，形成圆锥形喷雾，一部分燃料液滴直接进入火焰筒3内部与空气混合进行燃烧，另一部分
接触到文氏管26后，在文氏管26上形成液膜，并在文氏管26边缘收到内外旋流空气的剪切
破碎二次雾化后进入火焰筒3内部进行燃烧。主油路喷嘴14采用先预旋后预膜空气雾化方式，流量数在15-100kg/(hr*MPa0.5)之间，主油路燃料经过供油路外环油路20之后，在内旋流组件16前端第一环形集油腔21内降速匀流，使燃油在周向上保持均匀，之后通过内旋流组件16上的多个圆形长通孔22进入第二环形集油腔23，之后通过环形台阶上的多个旋流槽24形成旋转射流，旋转射流通过文氏管26与内旋流组件16形成的环形通道在文氏管26圆形型面形成有一定旋向的液膜，液膜受到内外旋流空气的剪切作用产生破碎形成液雾进入火焰筒3内部进行燃烧。环形台阶上旋流槽24之间存在第三环形集油腔25，其目的仍是保证燃油在周向上的均匀性。
[0021] 所述回流燃烧室的供油装置采用主副双油路供油方式。副油路和主油路之间的燃油分级比例可以根据发动机的工况条件进行灵活控制。在点火启动工况下，副油路燃油流量占总燃油流量的100％，发动机由启动工况向慢车工况转变的过程中，副油路的燃油流量逐渐增大。主油路的开启时间可以在发动机到达慢车工况前，也可以在发动机由慢车工况转变
起飞或巡航等高功率工况的过程中。高功率工况状态下，副油路燃油流量占总燃油流量的5％-25％，主油路燃油流量占总燃油流量的95％-75％。
[0022] 所述回流燃烧室的头部雾化装置5在火焰筒头部端壁4上的安装方式可以是焊接，头部定位环固定或者是
螺纹连接。内旋流组件16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17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。内外旋流旋流数大小的选择取决于所需稳定工作范围的大小。内外旋流组件的流量分配比例可以在1:9至8:2之间变化，以适应不同的主副油路燃油分配比例和所需稳定工作范围的大小。
[0023] 所述回流燃烧室的火焰筒外壁6、火焰筒内壁7和大弯管壁8的冷却方式可以采用多种高效冷却方式，如
冲击冷却，发汗冷却，多斜孔冷却，冲击/多斜孔冷却以及冲击/逆向
对流/气膜冷却等。火焰筒外壁6+大弯管壁8与火焰筒内壁7的冷却气量分配比在35％：65％和60％：40％之间选择。火焰筒3总的冷却气量占燃烧总空气流量的30％-10％。高效冷却方式可以大幅降低大工况下火焰筒3的壁面温度，确保高温高压条件下火焰筒3的强度和
刚度，从而延长火焰筒3的寿命。
[0024] 通过组合副油路单油路离心喷嘴13加主油路预旋预膜空气雾化喷嘴14来保证低工况燃烧启动的可靠性和大工况下较低的油压有较大的燃油流量，以达到拓宽回流燃烧室工作范围的目的。同时在火焰筒外壁6主燃孔9和掺混孔10上靠近环腔一侧设置带一定形状缺口的帽罩12，这种结构可以避免回流燃烧室内外环腔流动不对称造成火焰筒外壁6主燃孔9与掺混孔10射流流向火焰筒3头部，影响燃烧性能和出口温度分布品质。上述火焰筒3结构可以大幅扩展回流燃烧室的稳定工作范围，同时有利于优化燃烧室的出口温度分布特性。
[0025] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0026] 1)本发明采用了副油路单油路离心喷嘴13压力雾化和主油路预旋预膜喷嘴14空气雾化的组合雾化方式。利用小流量数离心喷嘴在点火启动和小工况稳定工作下较高的油压保证了燃料雾化质量，从而提高了燃烧室在点火启动和慢车条件下的可靠性和稳定性，拓宽了燃烧室在极小工况下的稳定工作范围。主油路预旋预膜空气雾化拓宽了大工况下燃油流量范围，拓宽了燃烧室在极大燃油流量下的工作范围，改善了燃料在火焰筒头部的周向分布均匀性，有利于高效燃烧和出口温度分布的均匀性，同时避免了采用离心喷嘴在大工况下喷嘴结焦的现象。
[0027] 2)本发明采用了在火焰筒外壁6主燃孔9和掺混孔10靠近外环腔一侧设置帽罩12的设计。通过改变火焰筒外壁6主燃孔9和掺混孔10的进气方式改变主燃孔9和掺混孔10射流的方向，使得火焰筒外壁6和火焰筒内壁7主燃孔9射流和掺混孔10射流形成对称对冲的流动形态。避免了回流燃烧室内外环腔流动不对称造成火焰筒外壁6主燃孔9和掺混孔10射流冲向火焰筒3头部影响头部火焰燃烧的稳定性。对称对冲射流同时可以改善燃烧室的出口温度分布品质。
附图说明
[0028] 图1为本发明的燃烧室结构剖视图；
[0029] 图2为本发明的火焰筒结构剖视图；
[0030] 图3为本发明的火焰筒头部雾化装置的剖视图；
[0031] 图4为本发明的火焰筒主副油路结构的剖视图；
[0032] 图5为本发明的火焰筒主油路预旋预膜结构局部示意图；
[0033] 图中：1为燃烧室机匣，2为扩压器，3为环形火焰筒，4为头部端壁，5为头部雾化装置，6为火焰筒外壁，7为火焰筒内壁，8为大弯管壁，9为主燃孔，10为掺混孔，11为冷却结构，12为帽罩，13为副油路单油路离心喷嘴，14为主油路预旋预膜空气雾化喷嘴，15为供油杆，
16为内旋流组件，17为外旋流组件，18为供油杆内环油路，19为离心喷嘴组件，20为供油杆外环油路，21为第一环形集油腔，22为圆型长通孔，23为第二环形集油腔，24为旋流槽，25为第三环形集油腔，26为文氏管。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图以及具体
实施例进一步说明本发明。
[0035] 图1是本发明涉及的一种可拓展稳定工作范围的回流燃烧室的详细结构图。燃烧室机匣1包含火焰筒3形成了单环腔结构。火焰筒3由头部端壁4、头部雾化装置5、火焰筒外壁6、火焰筒内壁7以及大弯管壁8组成。空气通过扩压器2进入燃烧室环腔而后通过头部雾化装置5、主燃孔9、掺混孔10和冷却结构11进入火焰筒3内部。燃料经过头部雾化装置5进行雾化，并与旋流空气进行充分混合之后进入火焰筒3内部进行燃烧，然后经由主燃孔9射流补燃和掺混孔10射流掺混冷却，最后经由火焰筒3出口离开燃烧室。
[0036] 图2是回流燃烧室内部环形火焰筒3的详细结构图。头部雾化装置5在火焰筒头部端壁4上的安装方式可以是焊接，头部定位环固定或者是螺纹连接。火焰筒头部雾化装置5沿火焰筒轴向周向均匀分布。头部雾化装置5的流通有效面积占火焰筒3总流通有效面积的10％-70％。火焰筒外壁6和火焰筒内壁7的主燃孔9、火焰筒外壁6和火焰筒内壁7的掺混孔
10在轴向上分别与火焰筒的距离相同，且均匀分布在环形火焰筒外壁6与火焰筒内壁7面上。周向排布沿头部雾化装置5中心轴线对称的主燃孔9和掺混孔10，其个数可以分别为头部雾化装置个数的2倍、3倍或者4倍。火焰筒外壁6靠近外环腔一侧的主燃孔9和掺混孔10上设置有带一定形状缺口的帽罩12，其缺口朝向背对外环腔扩压器流出的空气方向，正对着火焰筒头部雾化装置5。采用这种设计的目的是确保来流冷空气通过火焰筒外壁6的主燃孔
9和掺混孔10之后不会直接冲向火焰筒3头部形成的旋流火焰造成火焰遇冷熄火现象的发生，而是与火焰筒内壁7的主燃孔9和掺混孔10射流形成对称对冲的流动形态，有助于保证头部燃烧稳定性和掺混射流的对称性，进而拓展燃烧室的稳定工作范围和优化出口温度场的均匀性。帽罩12的形状可以选择球形、圆柱形、圆锥形或者长方体形，其缺口形状可以是矩形、圆形或者是其他形状。主燃孔9和掺混孔10的形状可以选择圆形、矩形、三角形、多边形或者其他形状。主燃孔9进气量占燃烧室总进气量的30％-10％，掺混孔10进气量占燃烧室总进气量的30％-10％。火焰筒3的冷却结构11存在于火焰筒外壁6、火焰筒内壁7和大弯管壁8。其冷却方式可以在如冲击冷却，发汗冷却，多斜孔冷却，冲击/多斜孔冷却以及冲击/逆向对流/气膜冷却等多种高效冷却方式之间选择。火焰筒外壁6+大弯管壁8与火焰筒内壁
7的冷却气量分配比在35％：65％和60％：40％之间选择。火焰筒3总的冷却气量占燃烧室总空气流量的30％-10％。高效冷却方式可以大幅降低大工况下火焰筒3的壁面温度，确保高温高压条件下火焰筒3的强度和刚度，从而延长火焰筒3的寿命。
[0037] 图3展示了火焰筒头部雾化装置5的结构。头部雾化装置5由副油路单油路离心喷嘴13、主油路预旋预膜空气雾化喷嘴14、供油杆15、内旋流组件16和外旋流组件17组成。副油路单油路离心喷嘴13设计的流量数在1-15kg/(hr*MPa0.5)之间，采用压力离心雾化方式对燃料进行雾化。主油路喷嘴14设计流量数在15-100kg/(hr*MPa0.5)之间，采用先预旋后预膜空气雾化方式。副油路和主油路之间的燃油分级比例根据发动机的工况条件进行调整。点火启动工况的副油路燃油流量占总燃油流量的100％，发动机由启动工况向慢车工况转变的过程中，副油路的燃油流量逐渐增大。主油路的开启时间可以在发动机到达慢车工况前，也可以在发动机由慢车工况转变起飞或巡航等高功率工况的过程中。高功率工况状态的副油路燃油流量占总燃油流量的5％-25％，主油路燃油流量占总燃油流量的95％-75％。
[0038] 从图4和图5可以看出，副油路燃料经过供油杆15上的内环油路18之后再通过离心喷嘴组件19喷口流出，在离心力的作用下，形成圆锥形喷雾，一部分燃料液滴直接进入火焰筒3内部与空气混合进行燃烧，另一部分接触到文氏管26后，在文氏管26上形成液膜，并在文氏管26边缘收到内外旋流空气的剪切破碎二次雾化后进入火焰筒3内部进行燃烧。主油路燃料经过供油杆外环油路20之后，在内旋流组件16前端第一环形集油腔21内降速匀流，使燃油在周向上保持均匀，之后通过内旋流组件16上的多个圆形长通孔22进入第二环形集油腔23，之后通过环形台阶上的多个旋流槽24形成旋转射流，旋流槽24之间存在第三环形集油腔25来保证燃料在周向上的均匀性，旋转射流通过文氏管26与内旋流组件16形成的环形通道在文氏管26圆形型面形成有一定旋向的液膜，液膜受到内外旋流空气的剪切作用产生破碎形成液雾进入火焰筒3内部进行燃烧。
[0039] 图3中头部雾化装置5的内旋流组件16的结构形式可以设计为轴向孔、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，旋流数选择在0.1至2.0之间，外旋流组件17的结构形式可以设计为径向孔、径向槽道、径向直叶片或者径向曲叶片，旋流数选择在0.1-2.0之间。内外旋流旋流数大小的选择通过所需稳定工作范围的大小来决定。内外旋流组件的流量分配比例可以在1:9至8:2之间变化，以适应不同的主副油路燃油分配比例和所需稳定工作范围的大小。
[0040] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0041] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员可以在本发明的范围内对上述实施例进行变化、
修改、替换和
变形。一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
