技术领域
[0001] 本发明涉及发动机的燃烧室结构技术领域，具体涉及一种燃烧室的主燃级结构、燃烧室及发动机。
相关背景技术
[0002] 航空发动机和燃气轮机等发动机的污染物主要来源于燃烧室，因此超低排放燃烧室设计研发是降低污染物生成的关键。
[0003] 相关技术中，燃烧室的主燃级通常采用跨流直射方式提高燃油与空气混合的均匀性，但该燃油喷射方案在宽工况范围内存在燃油碰壁问题。即，在低工况下，燃油喷射速度低使得燃油液滴穿透深度近，会打湿靠喷射口一侧的内壁面；而在高工况下，燃油喷射速度高使得燃油液滴穿透深度远，则会打湿喷射口对侧的内壁面上。燃油碰壁一方面会使燃油雾化质量恶化，未燃碳氢和一氧化碳等未完全燃烧产物生成量增加，造成燃烧不充分，而使得燃烧效率低下；另一方面燃油碰壁形成的附壁油膜会增加近壁面油气比，从而增大自燃和回火发生的概率。
具体实施方式
[0033] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034] 目前，燃烧室的主燃级通常采用跨流直射方式提高燃油与空气混合的均匀性，但该燃油喷射方案在宽工况范围内存在燃油碰壁问题。如图1所示，现有技术中的主燃级结构包括喷射口101、与喷射口101相邻的第一壁面102以及与喷射口101相对的第二壁面103。工作过程中，在低工况下，燃油喷射速度低使得燃油液滴穿透深度近，由喷射口101喷入的燃油会打在第一壁面102上；而在高工况下，燃油喷射速度高使得燃油液滴穿透深度远，由喷射口101喷入的燃油会打在第二壁面103上。因此，现有的技术方案中，无论是低工况还是高工况均存在燃油碰壁的情况。燃油碰壁一方面会使燃油雾化质量恶化，未燃碳氢和一氧化碳等未完全燃烧产物生成量增加，造成燃烧不充分，而使得燃烧效率低下；另一方面燃油碰壁形成的附壁油膜会增加近壁面油气比，从而增大自燃和回火发生的概率。
[0035] 基于此，为解决相关技术的燃烧室主燃级跨流直射喷射方案燃油碰壁的问题，本发明提供了一种燃烧室的主燃级结构、燃烧室及发动机。
[0036] 根据本发明的实施例，一方面，提供了一种燃烧室的主燃级结构，该主燃级结构包括壁体及设置于壁体内的叶片组。
[0037] 具体地，壁体包括依次连接的旋流段和平直段，旋流段和平直段内共同形成有环形流道。并且，在由旋流段至平直段的方向上，环形流道贯通设置。叶片组连接于旋流段，且位于环形流道内。喷油孔开设于旋流段或者平直段上，且与环形流道连通。
[0038] 其中，空气能够在壁体的靠近旋流段的一端进入环形流道内，流经叶片组后形成旋流空气；燃油能够从喷油孔进入环形流道，与旋流空气进行预混，形成油气混合物，并最终由壁体的靠近平直段的一端离开环形流道，进行燃烧。
[0039] 其中，喷油孔开设于旋流段时，喷油孔朝向叶片组延伸。
[0040] 其中，喷油孔开设于平直段时，平直段设有喷气孔，喷气孔适于向环形流道引入气体，以在平直段的内侧壁与由喷油孔喷入的流体间形成阻隔。
[0041] 利用本发明的技术方案，在喷油孔设置于旋流段时，喷油孔朝向叶片组延伸，经过喷油孔进入环形流道内的燃油喷射至叶片组的叶片上，能够在叶片的表面形成液膜加强燃油二次雾化。从而使得燃油在旋流段内破碎成体积较小的液滴，降低燃油液滴穿透能力，从而减少甚至消除燃油液滴碰壁的问题。而在喷油孔设置于平直段时，在平直段设置喷气孔，燃油经喷油孔进入环形流道内时，空气形成的气流由喷气孔进入环形流道，气流在壁体的内壁与燃油间形成阻隔，从而减少甚至消除燃油液滴碰壁的问题。此外，本发明的技术方案，在不改变主燃级原有构造的基础上进行改进，结构简单，易于实现，在有效控制燃油碰壁的同时，还能保证优异的燃烧性能。
[0042] 下面结合图2至图13，描述本发明的实施例一至五。
[0043] 实施例一
[0044] 图2‑图5示出了实施例一的结构示意图，在本实施例中，如图2和3所示，壁体1大致构造为环形，壁体1包括沿轴向依次连接的旋流段、平直段和收敛段，且沿轴向壁体1具有相对设置的第一端10a和第二端10b。其中，旋流段设置于第一端10a，平直段连接于旋流段的远离第一端10a的一端，收敛段连接于平直段的远离旋流段的一端，也即收敛段设置于第二端10b。该旋流段、平直段和收敛段间共同形成环形流道10，环形流道10沿轴向贯通设置，也即环形流道10由旋流段至平直段的方向贯通设置。
[0045] 具体地，壁体1包括相连接的内环11和外环12，内环11同轴设置于外环12的内侧，内环11与外环12之间共同形成上述环形流道10。可以理解地，内环11和外环12共同组成上述旋流段、平直段和收敛段。
[0046] 更为具体地，内环11包括沿轴向依次连接的内环平直段111和内环收敛段112，外环12包括沿轴向依次连接的外环平直段121和外环收敛段122。其中，内环平直段111与外环平直段121间共同形成上述旋流段和平直段，内环收敛段112和外环收敛段122间共同形成上述收敛段。收敛段的设置能够保证油气混合物喷出时的流速，降低回火风险。
[0047] 进一步地，叶片组2连接于壁体1的旋流段，且在环形流道10内沿周向整周设置。具体地，叶片组2包括多个叶片，多个叶片均连接于内环11与外环12之间，具体为多个叶片连接于内环平直段111与外环平直段121的靠近第一端10a的一侧。叶片组2的多个叶片在旋流段内形成多个沿环形流道10周向螺旋延伸的气道，该多个气道共同组成旋流流道。空气由第一端10a进入环形流道10后，经该旋流流道以形成旋流空气。
[0048] 进一步地，壁体1上设有进油通道3，以供燃油进入环形流道10内。该进油通道3包括依次连通的进油孔31、环形油道32及喷油孔33。其中，进油孔31开设于壁体1的第一端10a，燃油经进油孔31进入环形油道32内。环形油道32具有集油的功能，环形油道32设于壁体1的旋流段和/或平直段上，并与喷油孔33连通。喷油孔33设于壁体1的旋流段上，并连通于环形油道32与环形流道10之间，环形油道32内的燃油经由喷油孔33喷射入环形流道10内。其中，喷油孔33连通设置于环形油道32轴向的前端，即靠近壁体1第一端10a的一端。
[0049] 其中，进油通道3既可以设置于壁体1的内环11上，也可以设置于壁体1的外环12上，还可以同时设置于壁体1的内环11和外环12上。示例性地，进油通道3设置于壁体1的外环12上，即上述进油孔31、环形油道32及喷油孔33均开设于外环12上。如图2所示，进油孔31构造为孔状，且开设于壁体1的第一端10a的外环12上。如图3所示，外环平直段121包括厚壁段1211和薄壁段1212，环形油道32开设于厚壁段1211上，且位于环形流道10的外侧。可以理解地，环形油道32与环形流道10为同轴设置。如图4和5所示，喷油孔33开设于壁体1的旋流段，且朝向叶片组2延伸设置。具体为喷油孔33设置于厚壁段1211的靠近壁体1第一端10a的一端，且位于叶片组2的背离壁体1的平直段的一侧。更为具体的，喷油孔33开设于环形油道32与环形流道10之间的内壁上，且位于该内壁轴向的前端。
[0050] 如图4和5所示，喷油孔33的延伸方向与环形流道10的轴向及径向均设有夹角。本申请对喷油孔33的轴向夹角及径向夹角不做具体限定，只要能够实现将燃油喷射至叶片上并形成液膜的功能即可。
[0051] 示例性地，进油通道3可以包括多个喷油孔33，多个喷油孔33均于环形流道10连通，且沿环形流道10的周向间隔设置。本发明对喷油孔33的设置数量不做具体限定，只要能够满足燃烧室的供油量需求即可。具体地，喷油孔33的设置数量可以根据高工况下燃烧室供油量来确定。
[0052] 示例性地，喷油孔33的孔径范围为0.5mm～0.8mm。
[0053] 本实施例中，将喷油孔33设置于旋流段上，其一，燃油进入环形流道10后，能够在叶片组2上捕获成膜，实现二次空气雾化，使得燃油在旋流段内破碎成体积较小的液滴，降低燃油液滴穿透能力，从而减少甚至消除燃油液滴碰壁的问题，同时提高了燃油雾化性能；其二，通过调整喷油孔33的轴向夹具及径向夹具，能够控制燃油的穿透深度及在叶片组2上的碰撞点，改变燃油散布和油气混合，进而影响燃烧性能；其三，喷油孔33位于旋流段，也即喷油孔33位于旋流流道内，能够增大燃油与空气的有效预混长度，提高了油气混合的均匀性。
[0054] 实施例二
[0055] 图6‑图9示出了实施例二的结构示意图，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例的喷油孔33开设于平直段上，并且，本实施例中壁体1上还设有喷气孔。
[0056] 具体地，进油通道3包括依次连通的进油孔31、环形油道32及喷油孔33，进油孔31开设于壁体1的第一端10a，环形油道32设于壁体1的旋流段和平直段上，喷油孔33设于壁体1的平直段上，并连通于环形油道32与环形流道10之间。其中，喷油孔33连通设置于环形油道32轴向的后端，即靠近壁体1收敛段的一端。
[0057] 示例性地，进油孔31开设于壁体1的第一端10a的外环12上，环形油道32开设于外环平直段121的厚壁段1211上，且位于环形流道10的外侧，喷油孔33开设于壁体1的平直段，具体为喷油孔33开设于厚壁段1211的靠近薄壁段1212的一端，更为具体的，喷油孔33开设于环形油道32与环形流道10之间的内壁上，且位于该内壁轴向的后端。
[0058] 进一步地，上述喷气孔包括第一喷气孔42，具体为，壁体1上设置有引气通道4，该引气通道4包括环形气道41和第一喷气孔42。如图6所示，环形气道41的一端形成环形开口，该环形开口位于壁体1的第一端10a，并与壁体1的外侧连通，环形气道41的另一端与第一喷气孔42连通。如图7所示，第一喷气孔42呈环形，围设于喷油孔33的外周侧，且第一喷气孔42通过环形气道41连通于壁体1外侧与环形流道10之间。
[0059] 工作时，大部分空气进入环形流道10，经旋流段内的叶片组2后形成旋流空气，并与喷油孔33喷出的燃油在平直段内混合，形成油气混合物，并最终经收敛段后离开环形流道10，进行燃烧。另外一小部分空气由环形开口进入环形气道41，经第一喷气孔42进入环形流道10内，该部分空气能够在喷油孔33外围形成一层环形空气的气膜，包裹住由喷油孔33喷入环形流道10内的燃油液柱，从而在壁体1的内壁与燃油间形成阻隔，从而减少甚至消除燃油液滴碰壁的问题。
[0060] 其具体工作原理为：由第一喷气孔42进入的环形空气包裹着由喷油孔33进入的燃油液柱，形成了燃油与环形空气的两相射流。环形空气对燃油液柱起到“载体”作用，在低工况下，燃油喷射速度低，环形空气速度高于燃油喷射速度，环形空气对燃油液柱起穿透载体作用，能裹挟着燃油向对侧穿透，从而有效增加燃油液柱的穿透深度，避免燃油液柱打在外环12的内壁面上，减少燃油碰壁问题的出现；在高工况下，燃油喷射速度高，环形空气速度低于燃油喷射速度，环形空气对燃油液柱起助雾化作用，可将大体积液膜破碎成小体积液膜或液丝，从而有效降低了燃油穿透深度，从而限制燃油液柱穿透深度的增加幅度，避免燃油液柱打到内环11的内壁面上，减少燃油碰壁问题的出现。
[0061] 示例性地，如图8和9所示，环形气道41开设于外环平直段121的厚壁段1211上，且位于环形油道32与环形流道10之间。与环形气道41连通设置的第一喷气孔42以及与环形油道32连通设置的喷油孔33同轴设置，且第一喷气孔42的设置直径大于喷油孔33，以呈环形围设于喷油孔33的外周侧。
[0062] 示例性地，进油通道3可以包括多个喷油孔33，多个喷油孔33均与环形流道10连通，且沿环形流道10的周向间隔设置。相应地，引气通道4包括多个第一喷气孔42，多个第一喷气孔42分别与多个喷油孔33对应设置。本发明对喷油孔33和第一喷气孔42的设置数量不做具体限定，只要能够满足燃烧室的供油量需求即可，其中，第一喷气孔42的设置数量取决于喷油孔33的设置数量。
[0063] 进一步地，由第一喷气孔42进入环形流道10的环形空气与由喷油孔33进入环形流道10的燃油的质量流量比控制在1‑10范围内。当环形空气与燃油质量流量比大于1时，环形空气才能有效发挥对燃油液柱的保护作用。另外，环形空气与燃油质量流量比也不宜大于10，以免环形空气量太大而降低主流旋流空气的旋流强度，从而影响燃烧室其它燃烧性能。
[0064] 本实施例中，将喷油孔33设置于旋流段上，并在壁体1上设置第一喷气孔42，使得由第一喷气孔42进入环形流道10的环形空气对由喷油孔33进入环形流道10的燃油液柱起到载体作用，以在宽工况范围内不同燃油喷射速度下，有效控制燃油液柱的穿透深度，减少甚至消除燃油碰壁的问题。另外，环形空气对主燃级燃油一次雾化过程具有促进作用，有利于提高油气混合的均匀性。
[0065] 实施例三
[0066] 图10‑图13示出了实施例三的结构示意图，本实施例与实施例二的区别在于，本实施例的喷气孔包括第二喷气孔43和/或第三喷气孔44。
[0067] 具体地，进油通道3包括依次连通的进油孔31、环形油道32及喷油孔33，进油孔31开设于壁体1的第一端10a，环形油道32设于壁体1的旋流段和平直段上，喷油孔33设于壁体1的平直段上，并连通于环形油道32与环形流道10之间。其中，喷油孔33连通设置于环形油道32轴向的后端，即靠近壁体1收敛段的一端。
[0068] 进一步地，上述喷气孔包括第二喷气孔43和/或第三喷气孔44，具体为，壁体1上设置有引气通道4，该引气通道4包括多个第二喷气孔43和/或多个第三喷气孔44。
[0069] 其中，第二喷气孔43设置于壁体1的平直段上，多个第二喷气孔43沿平直段的周向间隔设置，优选为，均匀间隔设置；且第二喷气孔43沿壁体1的径向延伸且贯通设置，以连通于壁体1外侧与环形流道10之间。在壁体1的轴向上，平直段上可以设置有一排或者多排第二喷气孔43。
[0070] 其中，第三喷气孔44设置于壁体1的收敛段上，多个第三喷气孔44沿收敛段的周向间隔设置，优选为，均匀间隔设置；且第三喷气孔44沿壁体1的径向延伸且贯通设置，以连通于壁体1外侧与环形流道10之间。在壁体1的轴向上，收敛段上可以设置有一排或者多排第三喷气孔44。
[0071] 本发明对第二喷气孔43和第三喷气孔44的设置排数不做具体限定，且对每排第二喷气孔43或者每排第三喷气孔44的设置数量不做具体限定，喷气孔的设置排数及每排喷气孔的数量取决于壁体1的具体设置尺寸。其中，相邻两排的第二喷气孔43之间，相邻两排的第三喷气孔44之间，或者相邻两排的第二喷气孔43与第三喷气孔44之间可以在壁体1的轴向上间隔设置，也可以在壁体1的周向上交错设置。
[0072] 并且，在喷油孔33设于壁体1的平直段上时，喷油孔33与靠近喷油孔33的第二喷气孔43间的轴向间距可以基于高低工况下燃油液柱在内环11和外环12的内壁面上的碰撞点确定。该靠近喷油孔33的第二喷气孔43应该设置于该碰撞点之前或者碰撞点附近。
[0073] 进一步地，第二喷气孔43和第三喷气孔44既可以设置于壁体1的内环11上，也可以设置于壁体1的外环12上，还可以同时设置于壁体1的内环11和外环12上。
[0074] 示例性地，如图10所示，内环11和外环12上均设有上述第二喷气孔43和第三喷气孔44。具体地，如图13所示，内环平直段111的靠近内环收敛段112的一端设有第二喷气孔43，且外环平直段121的薄壁段1212设有第二喷气孔43；内环收敛段112设有第三喷气孔44且外环收敛段122也设有第三喷气孔44。
[0075] 进一步地，第二喷气孔43与第三喷气孔44的孔径大小可以相同，也可以不同。其中，第二喷气孔43与第三喷气孔44的孔径均可以控制在0.5mm～0.8mm范围内。并且轴向或周向相邻的两个第二喷气孔43、轴向或周向相邻的两个第三喷气孔44、或者轴向相邻的第二喷气孔43与第三喷气孔44之间的间距可以控制在4mm～7mm范围内。
[0076] 本实施例中，在壁体1的平直段设置第二喷气孔43，和/或在壁体1的收敛段设置第三喷气孔44，由第二喷气孔43和/或第三喷气孔44喷入环形流道10内的高速气流，能够在壁体1的内壁与燃油间形成阻隔，并且，气流对近壁面的燃油具有吹除作用，减少燃油在内环11和外环12的内壁面聚集，进而减少甚至消除燃油液滴碰壁的问题。此外，气流能够可加速近壁面附面层的空气流动，降低近壁面处的油气比，有效降低发生自燃和回火的风险。
[0077] 实施例四
[0078] 图中未示出本实施例，本实施例中，壁体1上设有引气通道4，引气通道4的设置方式与实施例三相同。并且，壁体1上设有进油通道3，进油通道3的设置方式与实施例一相同，即喷油孔33设于壁体1的旋流段上。
[0079] 实施例五
[0080] 图中未示出本实施例，本实施例中，壁体1上设有引气通道4，引气通道4包括环形气道41、第一喷气孔42、第二喷气孔43和第三喷气孔44，其中，环形气道41和第一喷气孔42的设置方式与实施例二相同，第二喷气孔43和第三喷气孔44的设置方式与实施例三相同。并且，壁体1上设有进油通道3，进油通道3的设置方式与实施例二相同，即喷油孔33设于壁体1的平直段上。
[0081] 根据本发明的实施例，另一方面，还提供了一种燃烧室，包括如上述任一实施例所描述的主燃级结构。由于本发明的燃烧室包括本发明的主燃级结构，因此具有与本发明的主燃级结构相同的技术效果，在此不再赘述。
[0082] 根据本发明的实施例，再一方面，还提供了一种发动机，包括如上述实施例所描述的燃烧室。由于本发明的发动机包括本发明的燃烧室，也即包括本发明的上述任一实施例所描述的主燃级结构，因此具有与本发明的主燃级结构相同的技术效果，在此不再赘述。
[0083] 可以理解地，本发明的发动机可以为航空发动机、电力发动机、船用发动机等，只要应用本发明的主燃级结构以及具有该主燃级结构的燃烧室，即在本发明的保护范围内。
[0084] 此外，本发明的主燃级结构已进行了三维油雾场数值仿真和部分性能试验，从油气比分布、燃烧效率和主燃级出口温度值等研究结果来看，本发明的主燃级结构在宽工况范围内能有效降低燃油喷口同侧和对侧壁面附近的油气比，避免了燃油沾湿主燃级平直段和收敛段的壁面，燃烧效率高且主燃级内均未发生自燃和回火。也即，研究结果表明本发明提出的主燃级结构能切实有效地控制燃油碰壁，且具有较为优异的燃烧性能。
[0085] 虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
