航空發(fā)動機燃燒室及其航空發(fā)動的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種航空發(fā)動機燃燒室及其航空發(fā)動機，所述航空發(fā)動機燃燒室包括：內機匣、外機匣、火焰筒、燃油噴嘴以及多通道進口擴壓器，其中經壓氣機壓縮的空氣通過所述多通道進口擴壓器進入所述燃燒室內，并分成外側流、中間流和內側流，所述外側流流入在外機匣和外火焰筒之間的外環(huán)腔，向外火焰筒提供冷卻氣和穿過外摻混孔陣的摻混氣，所述中間流流入火焰筒頭部，向火焰筒頭部提供冷卻氣和燃燒空氣，以及所述內側流流入在內機匣和內火焰筒之間的內環(huán)腔，向內火焰筒提供冷卻氣和穿過內摻混孔陣的摻混氣。本發(fā)明能夠控制污染排放，延長火焰筒在高溫下的使用壽命，提升燃燒室出口溫度分布調節(jié)能力，保證燃燒室的可靠運行。
【專利說明】航空發(fā)動機燃燒室及其航空發(fā)動機
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動機【技術領域】，特別是涉及一種實現(xiàn)低污染、長壽命的航空發(fā)動機燃燒室及包括該燃燒室的航空發(fā)動機。
【背景技術】
[0002]燃燒室是現(xiàn)代航空發(fā)動機中必不可少的部件之一，在這里燃料中含有的化學能通過燃燒化學反應，轉變成熱能，形成高溫燃燒產物，驅動渦輪做功?，F(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室的綜合性能和結構布局已經達到相當高的水準，但仍面臨大量的難題和挑戰(zhàn)。新材料、新工藝、新結構、新概念的持續(xù)發(fā)展應用才能保證其基業(yè)長青。
[0003]隨著大氣環(huán)境問題在世界范圍內受到越來越多的關注，對航空發(fā)動機污染物排放的限制要求日趨嚴格，甚至到了苛刻的地步。根據(jù)目前民用航空發(fā)動機研發(fā)趨勢與市場需求，到2020年左右，氮氧化物(NOx)的排放量比現(xiàn)行國際民航組織(ICAO)規(guī)定CAEP6標準還要減少50%左右。為了滿足日益嚴格的航空發(fā)動機污染排放標準，低污染排放已成為現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室的一項重要性能要求。同時，從降低維護與營運成本的角度出發(fā)，燃燒室的使用壽命也是非常關注的問題。
[0004]依照現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室低污染的發(fā)展趨勢，采用中心分級燃燒的貧油燃燒模式是最有潛力的控制污染排放的手段之一，這需要大幅度提高用于參加燃燒的空氣分配比例，由此給燃燒室的研發(fā)帶來其他的困難，例如火焰筒冷卻氣量減少，需提高火焰筒的耐久性；摻混氣量減少，需保證出口溫度分布品質。
[0005]燃燒室火焰筒壽命是燃燒室使用壽命的最主要的決定因素。如何降低火焰筒壁面的熱應力成為目前燃燒室研發(fā)的一項關鍵技術。

【發(fā)明內容】

[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種航空發(fā)動機燃燒室及其航空發(fā)動機，能夠同時實現(xiàn)低污染排放和長使用壽命。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種航空發(fā)動機燃燒室，包括:
[0008]內機匣；
[0009]外機匣，其環(huán)繞所述內機匣；
[0010]火焰筒，其位于所述外機匣和所述內機匣之間，所述火焰筒包括火焰筒頭部、內火焰筒和環(huán)繞所述內火焰筒的外火焰筒，其中，所述內火焰筒上設有內摻混孔陣，所述外火焰筒上設有外摻混孔陣；
[0011]燃油噴嘴，燃油通過所述燃油噴嘴進入所述火焰筒頭部；
[0012]多通道進口擴壓器，經壓氣機壓縮的空氣通過所述多通道進口擴壓器進入所述燃燒室內，并分成外側流、中間流和內側流，所述外側流流入在所述外機匣和所述外火焰筒之間的外環(huán)腔，向所述外火焰筒提供冷卻氣和穿過所述外摻混孔陣的摻混氣，所述中間流流入所述火焰筒頭部，向所述火焰筒頭部提供冷卻氣和燃燒空氣，以及所述內側流流入在所述內機匣和所述內火焰筒之間的內環(huán)腔，向所述內火焰筒提供冷卻氣和穿過所述內摻混孔陣的摻混氣。
[0013]其中，所述多通道進口擴壓器內設置有多個隔環(huán)，用于將經壓氣機壓縮的空氣分成外側流、中間流和內側流。
[0014]其中，所述外摻混孔陣和所述內摻混孔陣相對地設置，形成對沖的摻混孔陣。
[0015]其中，所述內摻混孔陣在所述內火焰筒的圓周方向上均勻分布。
[0016]其中，所述外摻混孔陣在所述外火焰筒的圓周方向上均勻分布。
[0017]其中，所述火焰筒頭部采用分級燃燒方式，由預燃級組件和主燃級組件組成。
[0018]其中，還包括位于所述內火焰筒和所述外火焰筒之間的中間環(huán)腔，所述中間環(huán)腔的流通截面沿氣流方向收縮。
[0019]其中，所述內火焰筒和/或所述外火焰筒包括支承壁和浮動壁，所述支承壁的內側上固定有多個所述浮動壁，并且相鄰的浮動壁之間存在間隙。
[0020]其中，所述浮動壁采用陶瓷基復合材料制成。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種航空發(fā)動機，其包括根據(jù)前面所述的航空發(fā)動機燃燒室。
[0022]本發(fā)明的燃燒室能夠縮短長度，減輕重量，控制污染排放，延長火焰筒在高溫下的使用壽命，提升燃燒室出口溫度分布調節(jié)能力，保證燃燒室的可靠運行，同時控制污染排放，實現(xiàn)了低污染和長壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】`
[0023]本發(fā)明的結構和操作方式以及進一步的目的和優(yōu)點將通過下面結合附圖的描述得到更好地理解，其中:
[0024]圖1是本發(fā)明的航空發(fā)動機燃燒室的優(yōu)選實施例的結構示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明的火焰筒的雙層壁的結構示意圖；以及
[0026]圖3是常規(guī)的燃燒室的結構示意圖。
[0027]附圖標記說明
[0028]I多通道進口擴壓器 2外機匣
[0029]3內機匣4燃油噴嘴
[0030]5火焰筒頭部6外火焰筒
[0031]7內火焰筒8外摻混孔陣
[0032]9內摻混孔陣10隔環(huán)
[0033]11空氣12外側流
[0034]13中間流14內側流
[0035]15外環(huán)腔16燃燒空氣
[0036]17內環(huán)腔18冷卻氣
[0037]19冷卻氣20摻混氣
[0038]21摻混氣22擴壓器
[0039]23常規(guī)火焰筒頭部 24火焰筒
[0040]25摻混孔截面高度 26摻混孔陣截面高度[0041]27支承壁 28浮動壁
[0042]29射流30氣膜
[0043]31外側方向32內側方向
【具體實施方式】
[0044]下面詳細討論實施例的實施和使用。然而，應當理解，所討論的具體實施例僅示范性地說明實施和使用本發(fā)明的特定方式，而非限制本發(fā)明的范圍。
[0045]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個示例性但非限制性的實施例的航空發(fā)動機燃燒室:采用多通道進口擴壓器，中心分級的貧油頭部，陶瓷基復合材料浮動壁、火焰筒容積減少并后段快速收縮的火焰筒造型以及對沖摻混孔陣。
[0046]參見圖1，航空發(fā)動機燃燒室由多通道進口擴壓器1、燃燒室外機匣2、燃燒室內機匣3、燃油噴嘴4、火焰筒組成。燃油通過燃油噴嘴4進入火焰筒，火焰筒位于外機匣2和內機匣3之間，包括火焰筒頭部5、外火焰筒6和內火焰筒7。外火焰筒6環(huán)繞內火焰筒7，內火焰筒7上設有內摻混孔陣9，外火焰筒6上設有外摻混孔陣8。
[0047]多通道進口擴壓器I采用多通道結構，長度比常規(guī)燃燒室的擴壓器22短(圖3)。經壓氣機壓縮的空氣11在多通道擴壓器內被隔環(huán)10分成多股并被擴壓減速至適合的狀態(tài)。在擴壓器出口，氣流適應燃燒室的氣流分配，分成外側流12，中間流13和內側流14，外側流12流入在外機匣2和外火焰筒6之間的外環(huán)腔15，向外火焰筒6提供冷卻氣18和穿過外摻混孔陣8的摻混氣20，中間流13流入火焰筒頭部5，向火焰筒頭部提供冷卻氣和燃燒空氣16，內側流14流入在內機匣3和內火焰筒7之間的內環(huán)腔17，向內火焰筒7提供冷卻氣19和穿過內摻混孔陣9的摻混氣21。
`[0048]火焰筒頭部5采用分級燃燒方式，主要由預燃級組件和主燃級組件組成。利用由預燃級進入燃燒室的旋流空氣產生低速回流區(qū)穩(wěn)定火焰，主燃級在分級點后啟動，采用預混預蒸發(fā)燃燒組織方式，由于這種燃燒方式頭部進氣量大，火焰筒頭部5比現(xiàn)有燃燒室的常規(guī)火焰筒頭部23大(圖3)。
[0049]如圖2所示，外火焰筒6和內火焰筒7采用雙層壁結構，外層壁為支承壁27，內層壁為浮動壁28，冷卻空氣沿外側方向31流動，燃氣沿內側方向32流動。冷卻空氣通過在外層壁上的孔，形成射流29沖擊冷卻浮動壁28，并形成氣膜30保護下一段浮動壁28。優(yōu)選地，浮動壁28采用陶瓷基復合材料制成，通過連接件連接到支承壁27上，相鄰的浮動壁28之間存在間隙。
[0050]在本實施例中，外火焰筒6和內火焰筒7之間的中間環(huán)腔的流通截面沿氣流方向收縮，后段流通面積收縮快，相比常規(guī)的火焰筒24(圖3)，增大了流通面積的收縮度，在相同的頭部尺寸及火焰筒長度下，火焰筒容積減小。
[0051]外火焰筒6和內火焰筒7上沒有主燃孔，分別開有外摻混孔陣8和內摻混孔陣9。優(yōu)選地，外摻混孔陣8和內摻混孔陣9相對地設置。內摻混孔陣9在內火焰筒7的圓周方向上均勻分布，外摻混孔陣8在外火焰筒6的圓周方向上均勻分布，以便于調節(jié)出口溫度分布。與常規(guī)的燃燒室的摻混孔截面高度25相比，本發(fā)明的摻混孔陣截面高度26減小。
[0052]本發(fā)明燃燒室的特點在于:多通道擴壓器、中心分級燃燒的貧油頭部、陶瓷基復合材料浮動壁、火焰筒容積減少并后段流通面積快速收縮的火焰筒造型以及對沖摻混孔陣。氣流由多通道擴壓器進入燃燒室，在擴壓器出口處分成配置合理的三股氣流，其中中間大部分的氣流通過采用中心分級燃燒技術的貧油頭部進入火焰筒參與燃燒，內外兩股氣流進入內外環(huán)腔分別作為冷卻氣和摻混氣冷卻火焰筒和調節(jié)燃氣的出口溫度分布。
[0053]本發(fā)明的有益效果如下所述:
[0054]1.采用多通道進口擴壓器，多通道的設計可在更短的長度內滿足對擴壓減速的要求，縮短了擴壓器長度，從而獲得燃燒室長度和重量減少的收益，并合理配置進入火焰筒頭部和內外環(huán)腔的流量比例。
[0055]2.中心分級的貧油頭部，貧油燃燒使燃料處于低污染的燃燒溫度區(qū)間內，中心分級燃燒技術保證不同功率下，燃燒室局部區(qū)域以最佳燃油空氣匹配模式進行燃燒，解決了大狀態(tài)下NOx排放和小功率下CO、UHC排放的矛盾，從而獲得控制并降低污染排放的收益。
[0056]3.陶瓷基復合材料浮動壁，浮動壁瓦片四周的膨脹間隙，解決了高溫情況下的熱應力問題，陶瓷基復合材料具有耐高溫能力、固有的抗氧化性、抗磨損性/侵蝕性、比高溫合金的密度低、熱膨脹系數(shù)小、抗溫度梯度能力強等特性，應用于浮動壁上，提升了火焰筒的耐高溫能力和抗腐蝕能力，減少了火焰筒對冷卻氣量的需求，從而獲得在有限的冷卻氣量下，延長火焰筒在高溫下的使用壽命的收益。
[0057]4.火焰筒容積減少并后段流通面積快速收縮的火焰筒造型，火焰筒后段通道高度減小，一方面縮小了火焰筒的容積，減小燃氣駐留時間，可獲得減少NOx排放的收益，另一方面摻混孔位于火焰筒后段，摻混孔所在截面高度的減小，有利于摻混射流與高溫燃氣的混合，可獲得在減少摻混空氣需求量的前提下獲得滿意燃燒室出口溫度分布的收益。
[0058]5.對沖的摻混孔陣，雙側的開孔射流使摻混射流與高溫燃氣的混合更為完全、有效，可有更多的可選擇調節(jié)方案可獲得提升燃燒室出口溫度分布品質的收益。
[0059]本發(fā)明中所述具體實施案例僅為本發(fā)明的較佳實施案例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內容所作的等效變化與修飾，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，包括: 內機匣⑶； 外機匣(2)，其環(huán)繞所述內機匣(3); 火焰筒，其位于所述外機匣(2)和所述內機匣(3)之間，所述火焰筒包括火焰筒頭部(5)、內火焰筒(7)和環(huán)繞所述內火焰筒(7)的外火焰筒(6)，其中，所述內火焰筒(7)上設有內摻混孔陣(9)，所述外火焰筒(6)上設有外摻混孔陣(8)； 燃油噴嘴(4)，燃油通過所述燃油噴嘴進入所述火焰筒頭部(5)； 多通道進口擴壓器(I)，經壓氣機壓縮的空氣(11)通過所述多通道進口擴壓器(I)進入所述燃燒室內，并分成外側流(12)、中間流(13)和內側流(14)，所述外側流(12)流入在所述外機匣(2)和所述外火焰筒(6)之間的外環(huán)腔(15)，向所述外火焰筒(6)提供冷卻氣(18)和穿過所述外摻混孔陣(8)的摻混氣(20)，所述中間流(13)流入所述火焰筒頭部(5)，向所述火焰筒頭部(5)提供冷卻氣和燃燒空氣(16)，以及所述內側流(14)流入在所述內機匣⑶和所述內火焰筒⑵之間的內環(huán)腔(17)，向所述內火焰筒(7)提供冷卻氣(19)和穿過所述內摻混孔陣(9)的摻混氣(21)。
2.根據(jù)權利要求1所述的航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，所述多通道進口擴壓器內設置有多個隔環(huán)(10)，用于將經壓氣機壓縮的空氣分成外側流(12)、中間流(13)和內側流(14)。
3.根據(jù)權利要求1或`2所述的航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，所述外摻混孔陣(8)和所述內摻混孔陣(9)相對地設置。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，所述內摻混孔陣(9)在所述內火焰筒(7)的圓周方向上均勻分布。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，所述外摻混孔陣(8)在所述外火焰筒(6)的圓周方向上均勻分布。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，所述火焰筒頭部(5)采用分級燃燒方式，由預燃級組件和主燃級組件組成。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，還包括位于所述內火焰筒(7)和所述外火焰筒(6)之間的中間環(huán)腔，所述中間環(huán)腔的流通截面沿氣流方向收縮。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，所述內火焰筒(7)和/或所述外火焰筒(6)包括支承壁(27)和浮動壁(28)，所述支承壁(27)的內側上固定有多個所述浮動壁(28)，并且相鄰的浮動壁(28)之間存在間隙。
9.根據(jù)權利要求8所述的航空發(fā)動機燃燒室，其特征在于，所述浮動壁(28)采用陶瓷基復合材料制成。
10.一種航空發(fā)動機，其包括根據(jù)權利要求1到9中任一項所述的航空發(fā)動機燃燒室。
【文檔編號】F23R3/04GK103868099SQ201210541591
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月13日 優(yōu)先權日:2012年12月13日
【發(fā)明者】劉雯佳, 李彬, 郭德三, 胡瑩超 申請人:中航商用航空發(fā)動機有限責任公司