[發明專利]環形燃燒室及其分級燃油噴嘴和抑制振蕩燃燒的方法

在審

• 申請號: 202110326244.9
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN115127119A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 鄂亞佳;高賢智;王雄輝;蔣晶晶
• 申請（專利權）人: 中國航發商用航空發動機有限責任公司
• 主分類號: F23R3/28
• 分類號: F23R3/28;F23R3/52
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 喻學兵

環形燃燒室分級燃油噴嘴包括預燃級燃油噴口以及多個主燃級燃油噴口，多個主燃級燃油噴口環繞所述預燃級燃油噴口設置，多個主燃級燃油噴口的直徑具有多個規格，相同直徑規格的主燃級燃油噴口在周向上間隔分布，使得不同主燃級燃油噴口的燃油從噴射位置到達火焰峰面的飛行時間不均勻分布，從而達到消除和抑制振蕩燃燒的效果。還提供一種環形燃燒室和一種抑制環形燃燒室振蕩燃燒的方法。

技術領域

本發明涉及航空發動機的燃燒系統，具體涉及分級燃燒室的燃油噴嘴。

背景技術

隨著大氣環境問題在世界范圍內受到越來越多的關注，對于航空發動機污染物排放要求也是越來越嚴苛。下一代航空發動機產品市場需求表明，氮氧化物(NOx)的排放量比現行國際民航組織(ICAO)規定標準CAEP6要進一步減少45％～60％左右。

常采用中心分級貧油燃燒室以有效的降低NOx的排放。這種燃燒室使用一種分級噴嘴，在小狀態下僅有預燃級噴嘴供油，大狀態下主燃級噴嘴和預燃級噴嘴共同供油，通過這種分級供油的方式，保證點火、慢車等小狀態下的燃燒穩定性和起飛、爬升等大狀態下的NOx排放性能。這種組織燃燒方式容易發生燃燒振蕩的風險，即在運行過程出現某一頻率的壓力脈動超出可接受的范圍。一旦發生燃燒振蕩，可能造成發動機性能衰退甚至結構損壞。

當燃燒室熱釋放脈動與入口空氣壓力脈動之間的相位差小于1/4周期時，燃燒室熱釋放脈動與入口空氣壓力脈動之間產生耦合，導致燃燒振蕩。耦合過程為如下過程：燃燒室內熱釋放脈動導致燃燒室內部壓力和速度的脈動，燃燒室內壓力和速度脈動導致燃燒室入口壓力和速度的脈動，燃燒室入口壓力速度和脈動導致進入燃燒室的空氣流量和燃料流量脈動，燃燒室內空氣流量和燃料流量脈動導致燃燒室內油氣比脈動，油氣比脈動進一步導致熱釋放脈動，形成一個反饋回路，激發燃燒振蕩。燃燒不穩定性控制的一種有效手段便是抑制和削弱這種耦合過程。可以通過調節熱釋放脈動與入口壓力脈動之間的相位差，或者兩者之間的延遲時間，使得兩者之間的相位差大于1/4周期，從而避免耦合和燃燒振蕩。

通常，燃燒室入口壓力脈動以一定的頻率以聲速+流動速度向下游傳播，傳播速度大概500～700m/s，從燃燒室入口傳播至火焰峰面的時間大概0.14ms～0.2ms；燃料脈動則以對流速度向下游傳播，對流速度大概50～100m/s，從燃料噴射位置傳播至火焰峰面的時間大概1ms～2ms；燃燒室入口脈動從燃料噴射位置傳播至火焰峰面的時間大概是從燃燒室入口傳播至火焰峰面時間的一半，大概0.07ms～0.1ms，大概是燃料脈動傳播時間的1/10；因此，熱釋放脈動與入口壓力脈動之間的相位差取決于燃料從燃料噴口噴射出后流動至火焰峰面的飛行時間。

燃料飛行時間主要取決于燃料噴射位置到火焰峰面的距離、速度以及飛行軌跡。一般的，可以通過調節主燃級預混通道的長度、流動速度和旋流數來改變壓力脈動與熱釋放脈動之間的相位差，從而改變燃燒室的燃燒振蕩特性。

然而，單純通過改變主燃級預混通道長度、速度、旋流數只能使燃燒不穩定工況從這一個工況轉移到另一個工況，而不能從本質上抑制燃燒振蕩。舉例來說，假設發生燃燒振蕩的頻率為500Hz，周期為2ms，初始主燃級通道設計燃料飛行時間為2ms，此時壓力脈動與熱釋放脈動之間的相位差為零，將產生熱聲振蕩；改進型主燃級通道設計通過降低主燃級通道流速、增加主燃級通道長度、降低旋流數的方法，使得燃料飛行時間增加至2.5ms，此時壓力脈動與熱釋放脈動之間的相位差增加至1/4周期，將抑制燃燒振蕩；然而，當發動機運行工況進一步增加，主燃級通道空氣流量增加，流速增加，使得燃料飛行時間變短，當燃料飛行時間降低至2ms左右時，壓力脈動與熱釋放脈動發生耦合，導致發動機在更高工況發生振蕩。

上述詳細的描述僅用作背景技術，以利于理解發明目的，但不能視為本申請的申請日前的現有技術。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種環形燃燒室分級燃油噴嘴，避免環形燃燒室出現燃燒振蕩的問題。