阅读说明：本技术 一种旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置 (Swirling air and fog cone strong-shearing pre-film type fuel oil atomization device ) 是由 刘存喜 穆勇 杨金虎 刘富强 阮昌龙 徐纲 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置,包括设置在基体上的一级旋流器、二级旋流器、预膜环形通道、供油环腔,供油环腔中的高压燃油经环形供油通道进入所述预膜环形通道,并在所述预膜环形通道的末端出口流出形成燃油环形液膜,一级旋流空气用于液膜非定常波发展,二级旋流空气通过穿透液膜进行空气雾化,通过两级旋流空气的旋流强度及气量分配对下游气动雾化场结构特性进行调控,可单独作为燃油喷嘴或组合式燃油喷嘴的预燃级用于发动机燃烧室。(The invention discloses a swirling air and fog cone strong shearing pre-film type fuel oil atomization device which comprises a primary swirler, a secondary swirler, a pre-film annular channel and an oil supply annular cavity, wherein the primary swirler, the secondary swirler, the pre-film annular channel and the oil supply annular cavity are arranged on a base body, high-pressure fuel oil in the oil supply annular cavity enters the pre-film annular channel through the annular oil supply channel and flows out from a tail end outlet of the pre-film annular channel to form a fuel oil annular liquid film, primary swirling air is used for liquid film unsteady wave development, secondary swirling air penetrates through the liquid film to carry out air atomization, the structural characteristic of a downstream pneumatic atomization field is regulated and controlled through swirling strength and air distribution of the two-stage swirling air, and the primary swirling air and the pre-film type fuel oil.)

一种旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室技术领域，涉及一种燃油雾化装置，尤其涉及一种利用双级旋流空气进行强剪切预膜式雾化的燃油雾化装置。

背景技术

对于使用液体燃料的燃气轮机发动机，燃油雾化、蒸发和混合决定着发动机燃烧室的稳定工作边界、燃烧效率和污染物排放等燃烧性能。先进发动机对燃油雾化装置雾化质量的要求逐渐提高，这也促进了燃油雾化装置的快速发展。

随着环保与健康意识的不断增强，国际民航组织对航空燃气轮机的污染物排放标准越来越严格，特别是对NOx污染排放要求，为此，国际民航组织多次修改民用航空发动机污染排放标准，低污染燃烧室成为民用航空发动机取得适航认证的“门槛”技术。各大航空公司和研究机构均把控制污染物排放作为重要课题进行研究，目前提出的低污染燃烧技术包括富油燃烧-焠熄-贫油燃烧(RQL)、贫预混燃烧(LPP)和贫油直接喷射燃烧(LDI)，以满足未来对大飞机发动机低排放的要求。

其中，LPP燃烧室最有发展前景。最近，GE公司基于贫预混燃烧(LPP)技术为新一代商用航空涡扇发动机Genx研制了TAPS(Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室，NOx排放比CAEP2(Committee on Aviation Environmental Protection)排放标准降低了50％。为了使空气和燃油在燃烧室之前进行很好的预先混合，GE公司设计研发了多种预旋燃油喷嘴，并针对TAPS燃烧室燃油喷嘴的不同设计申请了多项美国专利，这些专利的主燃级是燃油喷射到主旋流器的后部形成预混预蒸发的油气混合物，为使预混管出口油气混合物掺混均匀，这种混合方式所需的混合和蒸发距离较长，从而增大燃烧室的长度和重量。而这些新型的燃烧室相对于传统燃烧室，采用了分区分级燃烧技术，头部进气量大幅增加，导致贫油燃烧稳定性和高空再点火性能恶化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置，采用双级旋流强剪切预膜式雾化方式加强液膜破碎雾化和快速油气混合，扩宽燃烧室在小工况下的稳定工作边界。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：

一种旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置，包括一整体呈回转体的基体，所述基体上设置一基本呈半球形的弧面凹腔，所述弧面凹腔的中心位于所述基体的中心线上，其特征在于，

所述基体上开设有与其同轴布置的一级旋流器、二级旋流器、预膜环形通道，所述基体的外壁上套设一与其同轴布置的供油环腔，且所述一级旋流器、二级旋流器分别位于所述预膜环形通道的上游、下游，其中，

所述一级旋流器包括多个开设在所述基体上的一级射流空气通道，各所述一级射流空气通道的出气孔沿周向均匀地布置在所述球形弧面凹腔的底部，

所述预膜环形通道为开设在所述球形弧面凹腔壁面上的一环形狭缝，且所述环形狭缝的延伸方向基本与所述球形弧面凹腔的壁面延伸方向一致，

所述基体上还开设一环形供油通道，所述环形供油通道的一端与所述供油环腔连通、另一端与所述预膜环形通道的进口端连通，

所述球形弧面凹腔壁面上还开设一环形凹槽，所述环形凹槽靠近所述球形弧面凹腔的顶部开口，且所述环形凹槽基本位于所述预膜环形通道的末端，

所述二级旋流器包括多个开设在所述基体上的二级射流空气通道，各所述二级射流空气通道的出气孔沿周向均匀地布置在所述环形凹槽的底部，

所述供油环腔中的高压燃油经所述环形供油通道进入所述预膜环形通道，并在所述预膜环形通道的末端出口流出形成燃油环形液膜，所述一级旋流器的一级旋流空气在所述预膜环形通道的末端出口处对所述环形燃油液膜进行剪切，促进所述环形燃油液膜以非定常波的形态初步发展，所述二级旋流器的二级旋流空气与初步发展的所述环形燃油液膜以一定角度耦合，并穿透所述环形燃油液膜，促使所述环形燃油液膜快速破碎，并促进燃油液膜雾化和油气混合。

优选地，所述一级旋流器中，各一级射流空气通道的出气孔与其所在的所述球形弧面凹腔的壁面相切。

优选地，所述一级旋流器为轴向旋流器、径向旋流器或切向孔旋流器，旋流强度在0.6～1.5之间。

优选地，所述二级旋流器为切向孔式旋流器，各二级射流空气通道的出气孔与其所在的所述球形弧面凹腔的壁面相切。

本发明的旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置中，一级旋流器的一级旋流空气对所述预膜环形通道末端出口处的环形燃油液膜进行剪切，用于液膜表面波的初步发展，所述二级旋流器采用切向孔式旋流器，经过二级旋流器的切向孔射流作用在液膜表面，促进液膜的破碎和油气混合。

本发明的旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置中，一级旋流器、二级旋流器和预膜环形通道三者同心，通过一级旋流器的旋流空气在燃油预膜通道出口处与环形燃油液膜作用，促进液膜以非定常波的方式发展，通过二级旋流器的旋流空气下游与环形燃油液膜以一定角度进行耦合，二级旋流空气射流穿透环形燃油液膜进一步促进环形液膜破碎。

优选地，所述环形供油通道整体呈楔形，其进口截面积大于出口截面积。

优选地，所述供油环腔、环形供油通道和预膜环形通道形成燃油预膜系统，高压燃油在所述供油环腔中均匀分布，经所述环形供油通道进入所述预膜环形液膜通道，并在所述预膜环形液膜通道内形成环形燃油液膜。

优选地，所述二级旋流器包括多个切向布置的二级射流空气通道，其旋流强度大于0.6，二级旋流空气高速作用在所述环形燃油液膜上，使所述环形燃油液膜快速破碎，促进雾化和油气混合。

本发明的旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置，其工作原理为：基于燃油液膜非定常波初步发展和穿透破碎原理实现燃油液膜破碎和油气混合，通过一级旋流器的一级旋流空气在燃油预膜通道出口处与环形燃油液膜作用，促进环形燃油液膜以非定常波的方式发展，通过二级旋流器的二级旋流空气在下游与环形燃油液膜以一定角度进行耦合，二级旋流空气射流穿透环形燃油液膜进一步促进液膜破碎和油气混合。

本发明的旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置，与现有技术相比具有突出的技术优点：(1)本发明耦合了液膜非定常波破碎和高速射流穿透液膜破碎加强燃油雾化和油气混合。(2)本发明在发动机小推力工况时，利用较小的旋流器压降改善燃油雾化质量。(3)本发明通过高速空气射流穿透燃油液膜使燃油雾化和油气掺混同步进行。

附图说明

图1是本发明的旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置的剖视图；

图2是本发明的旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置的轴测图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1、2所示，本发明的旋流空气与雾锥强剪切强剪切预膜式燃油雾化装置，采用双级旋流强剪切预膜式雾化加强液膜破碎雾化和快速油气混合，包括一整体呈回转体的基体1，基体1上设置一基本呈半球形的弧面凹腔，弧面凹腔的中心位于基体的中心线上，基体1上开设有一级旋流器2、供油环腔5、二级旋流器3和预膜环形通道4。一级旋流器2、二级旋流器3、预膜环形通道4同轴布置，供油环腔5同轴套设基体1的外壁上。

一级旋流器2包括多个开设在基体1上的一级射流空气通道20，各一级射流空气通道20的出气孔沿周向均匀地布置在球形弧面凹腔的底部；预膜环形通道4为开设在球形弧面凹腔壁面上的一环形狭缝，且环形狭缝的延伸方向基本与球形弧面凹腔的壁面延伸方向一致；基体1上还开设一环形供油通道6，环形供油通道6的一端与供油环腔5连通、另一端与预膜环形通道4的进口端连通，环形供油通道6整体呈楔形，其进口截面积大于出口截面积。球形弧面凹腔壁面上还开设一环形凹槽7，环形凹槽7靠近球形弧面凹腔的顶部开口，且环形凹槽7基本位于预膜环形通道4的末端；二级旋流器3包括多个开设在基体上的二级射流空气通道30，各二级射流空气通道30的出气孔沿周向均匀地布置在环形凹槽7的底部。

供油环腔5、环形供油通道6和预膜环形通道4形成燃油预膜系统，高压燃油在供油环腔5中均匀分布，经环形供油通道6进入预膜环形液膜通道4，并在预膜环形液膜通道4内形成环形燃油液膜。

一级旋流器2为轴向旋流器、径向旋流器或切向孔旋流器，旋流强度在0.6～1.5之间。二级旋流器3为切向孔式旋流器，包括多个切向布置的二级射流空气通道30，其旋流强度大于0.6，二级旋流空气高速作用在环形燃油液膜上，使环形燃油液膜快速破碎，促进雾化和油气混合。

供油环腔5中的高压燃油经环形供油通道6进入预膜环形液膜通道4，经预膜环形通道4流出形成环形燃油液膜，一级旋流器1的一级旋流空气在预膜环形通道4的出口与环形燃油液膜剪切作用，促进环形燃油液膜以非定常波的初步发展，经过二级旋流器3的二级旋流空气形成高速射流，与初步发展的环形燃油液膜以一定角度耦合作用，穿透环形燃油液膜并使环形燃油液膜快速破碎，促进燃油液膜雾化和油气混合。

本发明的旋流空气与雾锥强剪切预膜式燃油雾化装置，基于燃油液膜非定常波初步发展和穿透破碎原理实现燃油液膜破碎和油气混合，有利于发动机在小推力工况时，利用较小的旋流器压降改善燃油雾化质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。