燃油喷嘴、燃烧室、燃气轮机以及防止燃油喷嘴内燃油结焦的方法与流程

2021-03-04 08:03:05|

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本发明涉及一种燃油喷嘴、燃烧室、燃气轮机以及防止燃油喷嘴内燃油结焦的方法。

背景技术：

随着高性能、高压比航空发动机的发展，，使得燃油在进入燃油喷嘴前的燃油温度升高达100～140℃；同时随着发动机压比的不断增高以提高循环效率，燃烧室进口空气温度也进一步提高，推重比10的一级发动机燃烧室进口空气温度达800k以上，从而使得燃油喷嘴内油温、油管壁温不断提高，造成喷嘴内燃油严重沉积、结焦，附在内壁上，严重时会局部堵塞喷口，阻挡喷雾锥形成，导致喷油雾化质量急剧恶化。燃油雾化不良及雾化质量不稳定将导致燃烧室点火联焰困难和无规律性，以及燃烧效率的降低，有时燃油浓度场的不稳定会导致燃烧室出口燃气温度分布的不稳定和恶化，严重时引起火焰筒和涡轮导向器及转子叶片的烧伤。

燃油喷嘴是燃气轮机的燃烧室关键部件之一，例如，在环形燃烧室中，燃油喷嘴均匀分布在火焰筒头部定位装置上，通过喷嘴安装座与螺栓固定于燃烧室机匣上。燃油通过外部管路进入输油通道内，再经过旋流雾化进入燃烧室火焰筒内参与燃烧。燃油喷嘴相邻于扩压器出口，扩压器出口温度在500～1000k左右，在高温气流下，燃油喷嘴承受一个较大的热负荷，不仅会使燃油喷嘴的芯部内的油路内的燃油温度上升，而发生燃油结焦堵塞现象，而且高温环境下喷嘴强度寿命问题也显得更为突出。

尤其是对于民用航空发动机，为了降低污染排放，尤其是nox排放，往往采用分级供油，在小状态下仅有预燃级喷嘴供油，大状态下主燃级喷嘴和预燃级喷嘴共同供油，通过这种分级供油的方式，保证点火、慢车等小状态下的燃烧稳定性和起飞、爬升等大状态下的nox排放性能。这种喷嘴的某些油路在一些状态下不供油(例如主燃级喷嘴在小状态下)，而此时燃烧室进口空气温度仍然比较高，喷嘴内部滞留的燃油在高温空气的加热下，容易发生结焦，导致上述不良后果。本领域对于燃油结焦问题已有的做法包括对燃油喷嘴采取隔热措施，以减少外界热源对燃油的传热，从而避免因燃油温度过高而产生结焦。

本领域燃油喷嘴的冷却或隔热手段，例如公开号为cn106556030a，名称为“燃烧室燃油喷嘴及其热防护结构”，公开日为2017年04月05日的中国专利申请，公开了一种燃油喷嘴的热防护结构，该热防护结构包括热防护管以及换热结构，所述热防护管用于环绕所述进油管的外侧，并且所述热防护管的内壁面还用于与和所述进油管的外壁面之间形成热防护空间，所述热防护空间分成相隔的、位于所述进油管两侧的进气部分和出气部分，所述热防护空间的所述进气部分、所述出气部分用于与所述喷嘴出口段的管壁内腔构成冷却空气流道，其中，在所述热防护空间内设置所述换热结构，所述换热结构包括多个横向肋板和多个纵向肋板，所述多个横向肋板设置成垂直于冷却空气流动方向，所述多个纵向肋板设置成以所述进油管为中心呈辐射状分布，并与所述多个横向肋板分别相交，所述横向肋板提供有多个气流孔，以供所述冷却空气流动。

又例如公开号为cn105202577a，名称为“燃油喷嘴及燃烧室”，公开日为2015年12月30日的中国专利申请，公开了一种燃油喷嘴的冷却结构，其在燃油喷嘴的进口部设置了减压外罩，所述减压外罩的内壁与所述喷油杆杆体的外壁之间形成有两个独立的空腔，分别为减压外罩进气腔和减压外罩出气腔；所述减压外罩进气腔和所述减压外罩出气腔在朝向所述喷嘴头部的一侧连通；所述减压外罩进气腔朝向所述喷嘴进口部的一端作为冷却空气入口，所述减压外罩出气腔朝向所述喷嘴进口部的一端作为冷却空气出口。

但是，若仅采用冷却或隔热的技术手段，发明人在实践中发现，燃油结焦是不可逆的过程，只要有燃油存在喷嘴内部，就不可避免在长期工作中产生结焦。并且需要针对性地设计较为复杂的冷却结构，设计和制造难度大，且造成很大的燃油压力损失。

因此，本领域需要一种燃油喷嘴、燃烧室、燃气轮机以及防止燃油喷嘴内燃油结焦的方法，以减少燃油结焦、提高燃油喷嘴对燃油的雾化效果，延长燃油喷嘴的使用寿命，保证燃烧室燃烧以及燃气轮机运行的稳定性与安全性。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种燃油喷嘴。

本发明的另一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轮机。

本发明的再一个目的在于提供一种防止燃油喷嘴内燃油结焦的方法。

根据本发明一方面的一种燃油喷嘴，包括进口部、喷口以及位于所述进口部与喷口之间输油通道，所述燃油依次经过进口部、所述输油通道输送至所述燃油喷嘴的喷口，所述进口部用于将外部油路输入所述燃油喷嘴的燃油输入所述输油通道，所述进口部包括进油接口，还包括位于所述进油接口下游的第一分配阀，所述第一分配阀包括进油腔室，所述进油腔室的输入端用于接收输入的燃油，输出端连通所述输油通道；回油腔室，其一端口与所述进油腔室通过第一通道连通，其另一端口用于连接低压回油系统；以及设置于所述进油腔室的柱塞，所述柱塞具有第一位置以及第二位置，当所述进口部进油压力增大，所述柱塞的上游端受油压作用从所述第一位置移动至第二位置，以封闭所述第一通道；当进油压力减小，所述柱塞从第二位置移动至第一位置，解除对所述第一通道的封闭，使得已进入所述输油通道的燃油在所述回油腔室的低压回油系统的作用下从所述输油通道经所述进油腔室、第一通道进入所述回油腔室。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述柱塞的下游端连接有弹性件的一端，当所述进口部进油压力增大，所述柱塞的上游端受油压作用从所述第一位置移动至第二位置封闭所述第一通道，并使得所述柱塞压缩所述弹性件，当进油压力减小，所述弹性件对所述柱塞的弹性力大于所述柱塞所受的进油压力，所述弹性件推动从第二位置移动至第一位置，解除对所述第一通道的封闭。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述弹性件的另一端连接于所述进油腔室的输出端位置。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述柱塞包括开设于其侧壁的通油孔，以及位于所述柱塞下游端部的底孔，所述进油腔室还包括密封面以及位于其下游的外围壁面，所述外围壁面位于所述柱塞的外周侧，两者之间存在间隙以构成外围通道；所述柱塞在所述第一位置时所述密封面与所述柱塞的侧壁上游部贴合密封，当所述柱塞从所述第一位置向所述第二位置移动，所述密封面与所述柱塞的侧面分离，使得燃油流入所述外围通道，再经所述通油孔以及底孔流出。

在该燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述密封面以及柱塞的侧壁上游部为斜面状。

根据本发明一方面的一种燃烧室，包括以上任意一项所述的燃油喷嘴。

在所述燃烧室的一个或多个实施例中，所述燃烧室为中心分级燃烧室，还包括扩压器，所述燃油喷嘴与所述扩压器的出口相邻，从所述扩压器的出口输出的空气的一部分流过所述燃油喷嘴的外壳。

根据本发明一方面的一种燃气轮机，包括燃烧室，燃烧室还包括多个燃油喷嘴，其特征在于，燃气轮机还包括低压回油系统，当所述燃油喷嘴停止喷油，燃油喷嘴与低压回油系统接通，使得残留于所述燃油喷嘴的燃油在燃烧室内部高压气体与低压回油系统的压差作用下排出所述燃油喷嘴。

在所述燃气轮机的一个或多个实施例中，所述燃烧室为以上任意一项所述的燃烧室。

在所述燃气轮机的一个或多个实施例中，所述低压回油系统包括直接与所述燃油喷嘴连接的回油分管，与回油分管连接的回油总管以及连接回油总管的集油箱。

根据本发明一方面的一种防止燃油喷嘴内燃油结焦的方法，当所述燃油喷嘴停止喷油，将燃油喷嘴与低压回油系统接通，使得残留于所述燃油喷嘴的燃油在燃烧室内部高压气体与低压回油系统的压差作用下排出所述燃油喷嘴。

本发明的进步效果包括下列一个或多个的组合：

1.通过喷嘴上的分配阀门设计将输油通道内部的燃油通过回油管路引走，避免了喷嘴内部积油造成的结焦；

2.通过喷嘴上的分配阀门的回油功能，无需采用复杂的杆芯设计实现燃油冷却，降低了喷嘴设计和制造的难度，并减小了喷嘴的流动阻力，提高了可用的燃油液压力；

3.通过喷嘴上的分配阀门设计，实现了燃机轮机停车停油的功能，并且分配阀门流通面积随着燃油流量增加而增加，控制了燃油压力损失，对燃油泵压力需求降低；

4.喷嘴上的分配阀门设计结构简单容易拆装维护。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1为现有技术的中心分级燃烧室喷嘴及旋流器侧视结构示意图；

图2为根据图1的喷嘴的头部的结构示意图；

图3为根据一实施例的燃油喷嘴的结构示意图；

图4为根据图3的燃油喷嘴的第一分配阀的从第一位置移动至第二位置的示意图；

图5为根据图3的燃油喷嘴的第一分配阀的从第二位置移动至第一位置的示意图；

图6为根据图3的燃油喷嘴的第一分配阀的从第一位置向第二位置的中间位置的示意图；

图7为根据一实施例的燃气轮机的油路系统示意框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

下述实施例的燃油喷嘴，以燃气轮机的中心分级燃烧室的燃油喷嘴为例，但不以此为限。下述实施例中的上游、下游均指的是以燃油流动方向为参照的上游、下游。

如图1以及图2所示，现有技术的燃油喷嘴中，分级的燃油喷嘴1包括喷嘴进口部、喷口以及位置进口部与喷口之间的输油通道。进口部用于将外部油路输入所述燃油喷嘴的燃油输入输油通道。进口部802的具体结构可以包括进油接口801，输油通道具体可以包括预燃级杆芯810及其下游的旋流芯812，以及主燃级杆芯820。喷口具体可以包括预燃级杆芯810对应的预燃级喷口811，以及主燃级杆芯820及其下游的主燃级喷口821。预燃级旋流芯812和预燃级喷口811数量为1组或2组，当数量为2组时，旋流芯和喷口均为同心嵌套式结构。主燃级喷口821数量为6～20，主燃级喷口周向均布。主燃级喷口的轴线方向可以与预燃级喷口轴线方向垂直或平行或20°以内的偏角。预燃级旋流器910可以作为燃油喷嘴1的一部分，或者作为独立部分，与分级喷嘴之间间隙配合。预燃级旋流器910结构类型包括叶片式旋流器或斜切孔旋流器或槽道式旋流器。可以理解到，旋流器类型、个数、燃油喷口个数不局限于图1中所示。输油通道也不以图1中的预燃级杆芯810和主燃级杆芯820两路为限，也适用于燃油流路数量更多的喷嘴，预燃级杆芯810数量可以为一个，也可以大于一个。

继续结合图1以及图2所示，预燃级燃油通过预燃级喷口811进入预燃级燃烧区10，流经预燃级旋流器910的空气产生切向速度，与预燃级燃油在预燃级燃烧区10混合。主燃级燃油通过主燃级喷口821进入主燃级燃烧区20，流经主燃级旋流器920的空气产生切向速度，与主燃级燃油在主燃级燃烧区20混合。预燃级和主燃级燃油来自不同的燃油总管，由燃油分配器控制预燃级和主燃级的燃油流量。通过预燃级和主燃级的分级供油和分区燃烧，降低nox排放并保证燃烧稳定性。

参考图3至图6，在一实施例中，进口部802还包括第一分配阀802a，第一分配阀802a位于进油接口801b的下游，第一分配阀802a包括进油腔室600，回油腔室602以及柱塞701。进油腔室600可以是分配阀壳体706内设的内腔结构，进油腔室600的输入端用于接收输入的燃油，输出端705连通输油通道。回油腔室602的一端口与进油腔室600可通过第一通道601连通，其另一端口604通过回油接头801a连接低压回油系统，低压回油系统，即压力相对低于输油通道内的燃油压力，具体形式可以参考图7所示，包括连接第一分配阀802a的回油分管100、101，连接回油分管的回油总管102；以及连接回油总管102的集油箱，但不以此为限，也可以是其它的压力相对低于输油通道内的燃油压力的系统，采用回油分管、回油总管以及集油箱的低压回油系统结构，可以防止燃油的泄漏污染，并回收燃油，提高了燃烧轮机运行的经济性以及排放性能。柱塞701设置于进油腔室600内，及参考图4至图6，柱塞701具有第一位置以及第二位置，如图4所示，以虚线箭头的方向代表燃油流向，当进口部802进油压力增大，柱塞701的上游端受油压作用从所述第一位置移动至第二位置，以封闭第一通道601，阻止燃油从进油腔室600进入回油腔室602；参考图5所示，当进油压力减小，柱塞701从第二位置移动至第一位置，解除对第一通道601的封闭，使得已通过进油腔室600的输出端705进入输油通道的燃油在回油腔室602连通的低压回油系统的作用下从输油通道经进油腔室600、第一通道601进入回油腔室602。如此设置的有益效果在于，通过喷嘴上的第一分配阀门的回油结构的设置，可以将喷嘴停止喷油时，由于此时燃烧室内存在燃烧反应，燃烧室仍处于工作状态，燃烧室内部由于燃烧反应生成的高压气体而具有较高的背压，通过与回油腔室连通的低压回油系统的压差作用，将输油通道内部残留的燃油通过回油管路引走，避免了喷嘴内部积油造成的结焦。内部积油造成结焦的原因之一在于，中心分级燃烧室的燃油喷嘴与扩压器的出口相邻，从扩压器的出口输出的高温空气的一部分流过燃油喷嘴的外壳，使得喷嘴受到高温。另外，回油结构无需采用复杂的杆芯设计实现燃油冷却，降低了喷嘴设计和制造的难度，并减小了喷嘴的流动阻力，提高了可用的燃油液压力。再者，实现了燃机轮机停车停油的功能，并且分配阀门流通面积随着燃油流量增加而增加，控制了燃油压力损失，对燃油泵压力需求降低。进一步地，避免燃油结焦，也提高了燃烧室以及燃机轮机的运行稳定性与安全性。

继续参考图4至图6，在一实施例中，第一分配阀802a的具体结构还可以是柱塞701的下游端连接有弹性件704的一端，弹性件704可以是如图4至图6所示的弹簧。当进口部802的进油压力增大，柱塞701的上游端受油压作用从第一位置移动至第二位置封闭第一通道601，并使得柱塞701压缩弹性件704，当进油压力减小，弹性件704对柱塞701的弹性力大于柱塞701所受的进油压力，弹性件704推动柱塞701从第二位置移动至第一位置，解除对所述第一通道601的封闭，使得进油腔室600与回油腔室602连通。采用弹性件驱动柱塞701的结构，其有益效果在于，其结构简单，设计加工成本低，无需复杂的电控系统。进一步地，弹性件704的另一端连接于进油腔室600的输出端705对应的位置，如此可以充分利用进油腔室600的空间，使得第一分配阀802a尽可能的小型化。可以理解到，还可以采用其它结构驱动柱塞701从第二位置移动至第一位置，不以上述介绍的弹性件704连接柱塞701的结构为限。

继续参考图4至图6，在一实施例中，第一分配阀802a具体结构还可以是，柱塞701可以包括开设于其侧壁的通油孔702，以及位于柱塞701下游端部的底孔703，进油腔室600还可以包括密封面707以及位于其下游的外围壁面708，外围壁面708位于柱塞701的外周侧，两者之间存在间隙以构成外围通道；如图5所示，柱塞701在第一位置时密封面707与柱塞701的侧壁上游部709贴合密封，当处于供油状态，随着燃油流量增加，柱塞701在油压作用下从第一位置向第二位置移动，密封面707与侧壁上游部709分离，使得燃油流入外围通道，再分别经通油孔702以及底孔703流出。随着燃油流量的增加，柱塞701向下移动，柱塞701和密封面707、外围壁面708之间的间隙逐渐增加直到最大值后保持不变。此时柱塞701封闭第一通道601，燃油无法进入回油腔室602。如此设置的有益效果在于，采用简单的面密封以及外围通道，通油孔、底孔的结构，保证了在供油状态下对于第一通道601的封闭，保证了喷嘴供油的可靠性。进一步地，密封面707以及柱塞701的侧壁上游部709的形状可以是均为斜面状，以进一步提高密封的效果，也可以对柱塞701的移动起限位作用。参考图6，在柱塞701位于第一位置以及第二位置之间的中间位置时，燃油进入通油孔702之前，第一通道601已经被柱塞701封闭，燃油无法进入回油腔室602。因此在刚开始供油的过程中，保证燃油无法进入回油腔室602。

参考图3，在一实施例中，燃油喷嘴除了包括第一分配阀门802a之外，还可以包括第二分配阀门802b，第二分配阀门802b不包括回油腔室602等回油结构，仅起到一般的控制流量的作用，如此可以提高燃油喷嘴运行的可靠性。

参考图7，在一实施中，燃气轮机的燃油通过油泵进入燃油计量器，燃油计量器将定量燃油供入燃油分配器，燃油分配器将燃油分为两路，通过燃油总管提供给燃油喷嘴，如图所示的实施例中，分配至预燃级喷口811、以及主燃级喷口821。燃油喷嘴组件上设置有分配阀门802a，802a，分配阀门与回油分管100、101连接，燃油通过回油分管100、101输送至回油总管102再输送回到集油箱。

由上述介绍可知，防止燃油喷嘴内燃油结焦的方法的步骤可以包括：

当所述燃油喷嘴停止喷油，将燃油喷嘴与低压回油系统接通，使得残留于所述燃油喷嘴的燃油在燃烧室内部高压气体与低压回油系统的压差作用下排出所述燃油喷嘴。例如当燃油喷嘴停止喷油，通过第一分配阀门802a的进油腔室600内的柱塞701移动打开第一通道601，使得燃油与回油腔室602的设置连接的低压回油系统连通，通过仍在进行燃烧反应的燃烧室内部产生的高压气体与低压回油系统的压差作用排出燃油喷嘴至低压回油系统。

综上所述，采用以上的燃油喷嘴、燃烧室以及燃气轮机的优点如下：

1.通过喷嘴上的分配阀门设计将输油通道内部的燃油通过回油管路引走，避免了喷嘴内部积油造成的结焦；

4.喷嘴上的分配阀门设计结构简单容易拆装维护。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

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