[发明专利]一种燃油冷却火焰筒壁面的分级燃烧装置

说明书

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室技术领域，具体涉及一种燃油冷却火焰筒壁面的分级燃烧装置。

背景技术

随着航空发动机性能要求的不断提高，发动机循环参数和部件效率将会进一步增大，发动机燃烧室的技术要求也在不断提高。新一代发动机燃烧室发展趋势主要表现在：燃烧室性能的不断改进，燃烧室长度不断缩短，气动负荷大幅增加，容热强度显著增强，使用寿命大大延长。

为了满足未来的航空发动机的动力性能，航空发动机要求燃烧室部件发展成为高温升燃烧室，主要是提高涡轮前进口燃气温度以提高发动机循环效率从而增大推力。因此，下一代发动机燃烧室进口温度和温升水平要比现有的发动机明显高出一个层次。在高推重比发动机中，燃烧室部件的特点是超高温升，以推重比8一级的燃烧室作为对比，下一代先进发动机的推重比将会达到12-20，燃烧室的油气比将由0.027提高至0.04-0.05的区间内。受此影响，燃烧室的出口温度将会达到2000-2400K。油气比和燃气温度大幅提高将会使发动机燃烧室面临极大的技术风险考验。

高温升燃烧室在设计上面临的第一个问题是，按照传统燃烧室的设计思路提升燃烧室的油气比，在保证燃烧室贫油熄火性能的前提下高油气比工况的燃烧效率无法保证，同时冒烟也无法得到很好的抑制。随着燃烧室油气比的升高，按照常规燃烧室进行高温升燃烧室设计将会面临冒烟量大幅增加的情形。

高温升燃烧室设计的第二个难点在于航空发动机推重比不断增大，燃烧室温升不断提高，用于冷却的空气量显著减小。燃烧室设计中，进入燃烧室的空气分为三部分使用，一部分用于燃烧，一部分用于冷却火焰筒，一部分用于掺混降温，提高出口温度场的均匀性。对于高温升燃烧室来说，高油气比意味着需要大幅度提高燃烧室中参加燃烧的空气分配比例，例如对于油气比在0.04-0.05范围内的高温升燃烧室，50％～90％空气必须用于燃烧和掺混。燃烧室中用于冷却室壁的空气分配比例的减少是一个必然趋势。因此，只能采取技术措施提高火焰筒材料耐温水平和冷却效率，降低冷却空气分配。随着燃烧室油气比的增大，不单单是火焰筒耐久性问题，还有燃烧效率和污染排放问题，各方面都要求壁面冷却气量减少，因为壁面冷却气对CO和UHC的形成具有负面作用。同时，发动机压气机的压比和效率的提高，导致燃烧室进口温度的进一步提高，这就意味着用于燃烧室火焰筒的冷却空气品质下降。因此，在材料并无革命性进展的条件下，采取先进高效的复合冷却方式来保持燃烧室的正常工作状态，是高温升燃烧室面临的一个巨大技术挑战，也是发展的必然趋势。

燃烧室进口温度和温升的提高，使得燃烧室部件的冷却条件愈发苛刻，而同时燃烧室性能指标的提升(温升、燃烧效率、出口温度均匀性)需要头部燃烧区域存在良好的燃烧火焰区域，这些需要燃油的雾化和蒸发特性得到进一步的改善。因此，在火焰筒和头部雾化装置的一些需要重点冷却的区域，合理引入燃油流动通道，将壁面的热量用液态燃料进行转移，同时用这部分热量预热即将进行雾化和蒸发的燃油，这种措施可以大幅提高燃烧室的热防护能力和头部燃油的雾化和蒸发效果，从而保证燃烧室部件的寿命和性能要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种燃油冷却火焰筒壁面的分级燃烧装置，通过在火焰筒主燃区壁面和头部雾化装置包括头部端壁距离高温火焰区域较近需要重点冷却的区域，引入燃油流动通道，将燃油分级并使主燃级燃油经过内流通道将火焰筒壁面的多余热量吸收转移，同时用这部分热量预热即将进入头部旋流装置中进行雾化和蒸发的燃油。另外为确保宽的稳定工作范围，这种燃烧配合的分级策略采用中心预燃级富油燃烧，外环主燃级贫油燃烧，下游内外环燃气相互掺混的燃烧组织方案。其中，富油匀燃是为了控制富油燃烧区的冒烟生成，从而解决稳定性和冒烟之间的矛盾，同时也是从源头上提高出口温度分布均匀性的重要手段；主燃级通过采用贫燃技术方案，确保燃油的雾化充分以及掺混分布均匀，以满足大状态的性能要求。本发明通过以下技术方案实现：

一种燃油冷却火焰筒壁面的分级燃烧装置，该分级燃烧装置包括空气入口、主燃级燃料入口、主燃级燃料通道、火焰筒周向侧壁和主燃级空气通道；所述主燃级燃料入口位于所述分级燃烧装置的中后部，所述主燃级燃料通道的一端与所述主燃级燃料入口相连通，另一端与所述主燃级空气通道的出口相邻(优选的，所述主燃级燃料通道的出口靠近所述主燃级空气通道的出口)，所述主燃级燃料通道途经火焰筒的部分由所述火焰筒周向侧壁限定，所述火焰筒周向侧壁是双层壁面。