[发明专利]燃烧室头部、燃烧室、燃气涡轮发动机及燃烧控制方法

说明书

本发明涉及燃烧室头部、燃烧室、燃气涡轮发动机及燃烧控制方法。其中，所述燃烧室头部包括主燃级，包括主燃级喷嘴以及主燃级通道，所述主燃级通道提供第一空气流路；预燃级，包括预燃级喷嘴；以及级间段，包括级间段壁面，其两端分别连接所述主燃级与所述预燃级，所述级间段提供第二空气流路；其中，所述预燃级喷嘴为离心式喷嘴；所述主燃级通道设置有主燃级旋流器，所述主燃级喷嘴的喷油方向朝向所述主燃级通道；进入所述燃烧室头部的空气的大部分经过第一空气流路与燃油掺混，其余小部分经过第二空气流路冷却所述预燃级喷嘴以及所述级间段壁面。

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种燃烧室头部、燃烧室、燃气涡轮发动机及燃烧控制方法。

背景技术

现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，其趋势是燃烧室轴向长度不断缩短、燃烧室头部高度不断加大，呈短环形发展。无论是军用航空发动机还是民用航空发动机，燃烧室头部进气量大，燃烧组织的主要环节基本在燃烧室头部径向距离实现，这一气动设计的关键在于油气组织匹配，后者对燃烧效率、出口温度分布、污染排放、燃烧稳定性等有很大的影响。

为了适应宽广的工作范围(燃烧室进口温度高至900K，进口压力高至 40atm)，燃烧室采用在头部多处进气、多处喷射燃油(燃油分级喷射及单级多位置喷射)，形成多重旋流火焰。一种典型的技术方案是中心空气分级、燃烧室头部中心设置预燃级、中心外缘设置主燃级，从而实现小推力工况时采用中心预燃级喷射较小流量燃油以扩散燃烧模式工作，保证燃烧效率和点火性能等需求；在中大推力工况时采用预燃级和主燃级同时喷射燃油，其中大部分燃油通过主燃级喷射进燃烧室后以部分预混燃烧模式工作，从而控制火焰温度以降低氮氧化物(NOx)排放和改善出口温度分布。

但是，发明人发现，现有技术的空气分级的技术方案，为适应不同工况下运行的燃烧室设计带来极大挑战，需要兼顾多重空气旋流的相互匹配、以及燃油与空气的局部化学当量状态，例如：小推力下时外层旋流空气会阻碍中心喷嘴向外喷射燃油；大推力下分级火焰相互影响带来的出口温度分布不均匀、振荡燃烧等问题。

因此，本领域需要一种燃烧室头部，以优化燃烧室头部的气流运动，以提高燃烧室在不同工况下的气动与燃烧稳定性、提高燃烧室的燃烧效率，从而降低燃气涡轮发动机的油耗，提升燃气涡轮发动机运行的稳定性以及可靠性。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种燃烧室头部。

本发明的另一个目的在于提供一种燃烧室。

本发明的又一个目的在于提供一种燃气涡轮发动机。

本发明的再一个目的在于提供一种燃烧控制方法。

根据本发明一个方面的一种燃烧室头部，包括：

主燃级，包括主燃级喷嘴以及主燃级通道，所述主燃级通道提供第一空气流路；预燃级，包括预燃级喷嘴；以及级间段，包括级间段壁面，其两端分别连接所述主燃级与所述预燃级，所述级间段提供第二空气流路；其中，所述预燃级喷嘴为离心式喷嘴；所述主燃级通道设置有主燃级旋流器，所述主燃级喷嘴的喷油方向朝向所述主燃级旋流器；进入所述燃烧室头部的空气的大部分经过第一空气流路与燃油掺混，其余小部分经过第二空气流路冷却所述预燃级喷嘴以及所述级间段壁面。

在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述主燃级通道的出口端位于所述预燃级喷嘴的出口端的下游，所述级间段壁面的一端连接所述预燃级喷嘴的出口端，另一端连接所述主燃级通道的出口端，构成从所述级间段壁面的上游端至下游端扩口的锥形壁面。

在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述级间段的壁面具有多个冷却孔；所述多个冷却孔排列构成沿轴向分布的多个冷却孔圈，每个冷却孔圈的冷却孔绕所述预燃级的轴线分布。

在所述燃烧室头部的一个或多个实施例中，所述主燃级喷嘴包括集油腔以及喷射孔，所述喷射孔的喷射方向对准所述主燃级旋流体的旋流叶片。