1.本发明涉及低排放发动机燃烧室技术领域，具体涉及一种可抑制振荡燃烧的燃烧室以及抑制燃烧室振荡燃烧的控制方法。


背景技术：

2.为了应对日益严格的航空发动机污染排放标准，低排放燃烧室技术是现代民用航空发动机的主要技术特点之一。低排放燃烧室的气动设计关键在于油气组织匹配，即空气旋流组合方式+燃油喷射雾化组合方式，油气组织匹配对燃烧效率、出口温度分布、污染排放、燃烧稳定性等有很大的影响。
3.为了适应宽广的工作范围(燃烧室进口温度为常温～900k，进口压力为1～40atm)，当前国际上几个取证型号的燃烧室均采用了贫油预混分级燃烧技术，该技术的特点是在小推力只采用预燃级扩散燃烧模式，保证燃烧效率；在中大推力条件下采用预燃级+主燃级部分预混燃烧模式，以降低no
x
排放和改善出口温度分布品质。
4.例如，专利权人为中航商用航空发动机有限责任公司和北京航空航天大学、公告号为cn206281002u的专利文献记载了一种主燃级采用单层预膜径向两级反向旋流的低污染燃烧室，其中预燃级在中心，而主燃级在预燃级外围；来自燃油喷嘴的主燃级的燃油进入主燃级燃油输油孔，通过主燃级燃油喷孔喷入主燃级预膜板内通道，部分燃油形成主燃级直喷油雾，部分燃油打到主燃级预膜板上形成均匀油膜，在主燃级预膜板外通道、主燃级预膜板内通道形成的外、内反向旋流通过剪切作用能破碎雾化均匀油膜而形成主燃级气动雾化油雾，主燃级气动雾化油雾、直喷油雾进一步与空气发生掺混形成较均匀的油气混合物，均匀的油气混合物进入燃烧区域进行预混燃烧。
5.然而，在大状态(爬升及其以上状态)下，no
x
的排放量与主燃级供油比例有很大的关系，主燃级供油比例高，则no
x
排放越少，出口温度分布品质越高；但预混燃烧模式容易引发振荡燃烧，为了抑制振荡燃烧，一般需要将更多的油分配到预燃级。因此，在发动机的实际应用中，主燃级供油比例的设定主要是振荡燃烧与no
x
排放、出口温度分布之间权衡的结果。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种可抑制振荡燃烧的燃烧室以及抑制燃烧室振荡燃烧的控制方法，以提高发动机在大状态条件下的主燃级供油比例，并降低no
x
的排放，提升燃烧室出口温度分布品质。
7.为实现所述目的的控制方法，所述燃烧室包括燃烧室头部，所述燃烧室头部包括主燃级，所述主燃级包括轴向旋流器、径向旋流器、轴向旋流器出口通道、径向旋流器出口通道和下游通道，在所述轴向旋流器出口通道设置有多点横向喷射喷嘴，所述轴向旋流器出口通道和所述径向旋流器出口通道的交汇处形成预膜结构；燃油从所述多点横向喷射喷嘴横向喷射至所述轴向旋流器出口通道的第一空气流，并冲击在所述预膜结构上并预先展
开成膜状燃油，所述膜状燃油在所述第一空气流的气动力作用下，向所述下游通道方向运动，并在所述预膜结构的尾缘处与所述径向旋流器出口通道的第二空气流发生剪切作用形成雾化燃油，所述雾化燃油与所述第一空气流、所述第二空气流在所述主燃级的所述下游通道中进一步掺混，形成部分预混的油气混合物；所述膜状燃油的不稳定流动的频率为f
p
，所述下游通道中的油气掺混对流频率为fm，所述燃烧室的声学特征频率为fa，所述控制方法通过调节f
p
或/和fm，使得f
p
≠fa或/和fm≠fa，从而抑制振荡燃烧。
8.在所述的控制方法的一个或多个实施方式中，通过调节所述轴向旋流器的旋流数、旋向、有效流通面积中的至少一个，或者调节所述径向旋流器的旋流数、旋向、有效流通面积中的至少一个，或者调节所述预膜结构的厚度，或者调节所述多点横向喷射喷嘴的喷孔直径和喷孔数来调节f
p
。
9.在所述的控制方法的一个或多个实施方式中，通过调节所述下游通道中的所述掺混的长度尺寸来调节fm。
10.为实现所述目的的燃烧室，包括燃烧室头部，所述燃烧室头部包括主燃级，所述主燃级包括轴向旋流器、径向旋流器、轴向旋流器出口通道、径向旋流器出口通道和下游通道，在所述轴向旋流器出口通道设置有多点横向喷射喷嘴，所述轴向旋流器出口通道和所述径向旋流器出口通道的交汇处形成预膜结构；燃油从所述多点横向喷射喷嘴横向喷射至所述轴向旋流器出口通道的第一空气流，并冲击在所述预膜结构上并预先展开成膜状燃油，所述膜状燃油在所述第一空气流的气动力作用下，向所述下游通道方向运动，并在所述预膜结构的尾缘处与所述径向旋流器出口通道的第二空气流发生剪切作用形成雾化燃油，所述雾化燃油与所述第一空气流、所述第二空气流在所述主燃级的所述下游通道中进一步掺混，形成部分预混的油气混合物；所述膜状燃油的不稳定流动的频率为f
p
，所述下游通道中的油气掺混对流频率为fm，所述燃烧室的声学特征频率为fa，通过调节f
p
或/和fm，使得f
p
≠fa或/和fm≠fa，从而抑制振荡燃烧。
11.在所述的燃烧室的一个或多个实施方式中，所述轴向旋流器的旋流数、旋向、有效流通面积中的至少一个，或者所述径向旋流器的旋流数、旋向、有效流通面积中的至少一个，或者所述预膜结构的厚度，或者所述多点横向喷射喷嘴的喷孔直径和喷孔数被设置成与f
p
关联，以使f
p
≠fa。
12.在所述的燃烧室的一个或多个实施方式中，所述下游通道中的所述掺混的长度尺寸被设置成与fm关联，以使fm≠fa。
13.在所述的燃烧室的一个或多个实施方式中，所述轴向旋流器为叶片式旋流器。
14.在所述的燃烧室的一个或多个实施方式中，所述径向旋流器为斜切式径向旋流器。
15.本发明的抑制燃烧室振荡燃烧的控制方法和可抑制振荡燃烧的燃烧室通过对主燃级的结构尺寸设计和旋流器的气动参数设计，调节燃油的不稳定流动频率或/和油气掺混对流频率，使之与燃烧室的声学特征频率错频，通过组合使用两种错频方法，可以实现在宽转速范围内与燃烧室的声学特征频率错频，从而可以抑制振荡燃烧，使更多的燃油可供入主燃级，提高发动机在大状态条件下的主燃级供油比例，并降低no
x
的排放，提升燃烧室出口温度分布品质。
附图说明
16.本发明的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，其中：
17.图1是根据现有技术的航空发动机的核心机的结构示意图。
18.图2是根据本发明的燃烧室头部的结构示意图。
19.图3是根据本发明的燃烧室的主燃级的示意图。
20.图4是根据本发明的主燃级的燃油平均运动轨迹的示意图。
21.图5是根据本发明的主燃级的预膜不稳定流动过程的示意图。
22.图6是根据示例发动机的燃烧振荡频率随发动机转速变化的示意图。
具体实施方式
23.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或/和字母。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或/和结构间的关系。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。需要注意的是，附图仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，本说明书中所使用的术语“第一”、“第二”可互换使用以区分一个部件与另一部件，且并不在于表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通道中的流体流动的相对方向，例如，“上游”是指流体流自的方向，而“下游”是指流体流至的方向。
24.如图1所示，现有技术的航空发动机的核心机包括高压压气机1、燃烧室2和高压涡轮3，其中燃烧室2包括喷嘴4、燃烧室头部5和火焰筒6。
25.参照图2、图3和图5，本发明的燃烧室2采用贫油预混分级燃烧技术，燃烧室头部5主要包括预燃级7和主燃级8。主燃级8包括轴向旋流器9、径向旋流器10、轴向旋流器出口通道13、径向旋流器出口通道14和下游通道12，在轴向旋流器出口通道13设置有多点横向喷射喷嘴15，轴向旋流器出口通道13和径向旋流器出口通道14的交汇处形成预膜结构16。
26.参照图3至图5，燃油17从多点横向喷射喷嘴15横向喷射至轴向旋流器出口通道13的第一空气流18，并冲击在预膜结构16上并预先展开成膜状燃油19，膜状燃油19在第一空气流18的气动力作用下，向下游通道12的方向运动，并在预膜结构16的尾缘20处与径向旋流器出口通道14的第二空气流21发生剪切作用形成雾化燃油22，雾化燃油22与第一空气流18、第二空气流21在主燃级8的下游通道12中进一步掺混，形成部分预混的油气混合物23，油气混合物23从下游通道12流出，进入火焰筒6的燃烧区中参与燃烧。
27.本发明的燃烧室2采用带有预膜雾化效果的燃油横向喷射方案，相比于环缝状的预膜喷嘴，多点横向喷射喷嘴15可以保留燃油17喷射时高的供油压降，确保较高的喷射动
量比，可以使得燃油17能冲击至预膜结构16上，同时也降低了外界扰动对供油的影响，提高了供油的稳定性，从而可以抑制振荡燃烧，使更多的燃油可以被分配至主燃级8，以降低no
x
的排放和提高出口温度分布品质；预膜结构16可以控制燃油(包括燃油17、膜状燃油19、雾化燃油22)或油气混合物23在主燃级8的轴向旋流器出口通道13和下游通道12中的平均运动轨迹100，从而控制燃烧场的油雾分布。
28.轴向旋流器9和径向旋流器10两级进气组合的旋流组织方案可以增大主燃级8的进气面积，提高主燃级8的空气流量；通过轴向旋流器9和径向旋流器10两级旋流的进气比例和旋流强度的匹配，可以增强预膜剪切雾化的效果和下游通道12中的掺混效率，提高预混品质，从而可以抑制振荡燃烧，使更多的燃油可以被分配至主燃级8，进一步降低no
x
的排放和提高出口温度分布品质。
29.此外，轴向旋流器9和径向旋流器10组合的结构形式可以确保加工方便，工程可实现性强。例如，可采用整体铸造的工艺方案，轴向旋流器9和径向旋流器10的旋流通道均可采用电加工或机加等方式实现，预膜结构16可采用精机加工方法保证其厚度及其表面粗糙度。
30.轴向旋流器9可以采用叶片式旋流器，以增大其进气面积，保证燃油17的横向射流轨迹。径向旋流器10可以采用斜切式径向旋流器，以进一步优化结构，便于加工，提高雾化燃油22与第一空气流18、第二空气流21的掺混效果。
31.为了更好地抑制振荡燃烧，发明人经过大量的理论研究和模拟试验，提出了一种抑制燃烧室振荡燃烧的控制方法，该控制方法从燃烧室的油气组织匹配方案着手，通过调节膜状燃油19的不稳定流动(油膜表面在空气气动作用下产生的波动)的频率f
p
或/和下游通道12中的油气掺混对流频率(油气混合物23在下游通道12所需的运输时间的倒数)fm，使得f
p
或/和fm与燃烧室2的声学特征频率fa错频，即使得f
p
≠fa或/和fm≠fa，以抑制振荡燃烧，提高发动机在大状态条件下的主燃级供油比例，降低no
x
的排放，提升燃烧室出口温度分布品质。
32.参照图3和图4，该燃烧室2的油气组织匹配方案的关键设计尺寸有d1、d2、l1、l2以及预膜结构16的厚度b。
33.其中，尺寸d1影响燃油(包括燃油17、膜状燃油19、雾化燃油22)或油气混合物23在主燃级8的轴向旋流器出口通道13和下游通道12中的平均运动轨迹100；尺寸d2影响主燃级8的下游通道12处的出口流速；尺寸l1影响雾化燃油22或油气混合物23在主燃级8的下游通道12的停留时间(或运输时间)，即影响油气掺混对流频率fm，对油气掺混均匀性和振荡燃烧有影响；尺寸l2影响燃油17喷射至预膜结构16并展开成膜状的效果；尺寸b影响预膜雾化的效果。
34.除上述尺寸外，轴向旋流器9的旋流数s
11
及其旋向和有效流通面积a
11
、径向旋流器10的旋流数s
12
及其旋向和有效流通面积a
12
等气动设计参数，对膜状燃油19的不稳定流动频率f
p
等预膜雾化效果也有影响。
35.本发明的抑制燃烧室振荡燃烧的控制方法通过对上述燃烧室2的尺寸和参数进行设计，使得f
p
或/和fm与燃烧室2的声学特征频率fa错频，从而抑制振荡燃烧，达到增大主燃级8的燃油分配比例，降低no
x
排放、提升出口温度分布品质的目的。
36.以下详细描述采用该控制方法对上述尺寸和参数进行气动设计的原理和过程：
37.1.如图3所示，尺寸d2可按照常规燃烧室的设计过程，通过在设计点状态(设计发动机时，被确定发动机及其部件的气动热力参数及几何尺寸对应的一个特定飞行条件和发动机工作状态，称为设计点)，设定主燃级8的下游通道12处的出口参考流速来确定尺寸d2。
38.2.尺寸d1、l2以及多点横向射流喷嘴15的喷孔直径d
inj
和喷孔数n
inj
需匹配设计：
39.如图4所示，对于横向喷射，前述平均运动轨迹100在主燃级8的轴向旋流器出口通道13内的部分(即x≤l2范围内)与韦伯数和液气动量比有关，其中ρa为空气密度，ua为轴向旋流器9的出口平均轴向流速，即第一空气流18的流速，与燃烧室2的气量分配和压降分配有关，在设计点状态下，ua可通过轴向旋流器9的有效流通面积a
11
初步评估，ρf为燃油密度，为多点横向射流喷嘴15的喷孔处的燃油流速。
40.继续参照图4，对于主燃级横向喷射，前述平均运动轨迹100在主燃级8的轴向旋流器出口通道13内的部分(即x≤l2范围内)存在经验关系公式：该公式的试用范围为q
inj
＝5～100和we
inj
＝400～1600，基本可以覆盖多点横向射流喷嘴15的工作范围。根据设计要求，确定尺寸d1和l2。在x≤l2范围内，燃油17要喷射至预膜结构16的表面上，即z≥d1，根据该公式，可以确定所需的液气动量比q
inj
。
41.在确定q
inj
之后，需确定喷孔直径d
inj
和喷孔数n
inj
。
42.多点直射喷射喷嘴的流量特性满足其中，fn为喷嘴流量数，wf为供油流量，根据需求选择设计点，例如发动机长期工作状态——巡航状态，给定燃油分配比例，可获取主燃级8的燃油流量wf，δp
inj
为多点横向射流喷嘴15的入口与出口处的供油压差，可以通过传感器测量获得。喷嘴流量数fn与喷孔直径d
inj
和喷孔数n
inj
的一般关系为fn
∝ninj
·
inj2
。由此，可获得喷孔直径d
inj
和喷孔数n
inj
与主燃级的燃油流量wf以及供油压差δp
inj
之间的关系一般要求δp
inj
与燃烧室2的内腔压之和不大于发动机油泵的供油压力上限。
43.由前述推导可知，对于给定的燃油流量wf和供油压差δp
inj
，喷孔直径d
inj
的平方和喷孔数n
inj
在数值上成反比例关系。喷孔直径d
inj
的最小值受加工工艺能力限制，一般越大越好加工；喷孔数n
inj
则影响预膜效果和主燃级8的下游通道12中的油气掺混周向均匀性，一般也是越大越好；因此，喷孔直径d
inj
和喷孔数n
inj
的设计需要根据工艺水平和试验结果或cfd(computational fluid dynamics，即计算流体动力学)数值模拟结果最终确定。
44.3.不稳定流动频率f
p
的调节：
45.如图5所示，燃油17从多点横向射流喷嘴15的喷孔阵列横向喷射至第一空气流18，并冲击在预膜结构16的下表面上并预先展开成膜状燃油19，该膜状燃油19的初始平均厚度为tf。膜状燃油19在第一空气流18的作用下会产生不稳定流动，该不稳定流动的频率f
p
与第
一空气流18的流速ua、燃油密度ρf、膜状燃油19的初始平均厚度tf和液膜破碎长度lf之间存在关系式其中，ua如前述，在设计点状态下，可通过轴向旋流器9的有效流通面积a
11
初步评估，膜状燃油19的初始平均厚度tf和液膜破碎长度lf均可通过光学模型试验获取。
46.如图3和图4所示的气动方案和结构尺寸中，轴向旋流器9的旋流数s
11
及其旋向和有效流通面积a
11
、径向旋流器10的旋流数s
12
及其旋向和有效流通面积a
12
，预膜结构16的厚度b都对液膜破碎长度lf有影响。而轴向旋流器9的出口平均轴向流速，即第一空气流18的流速ua，以及多点横向射流喷嘴15的喷孔处的燃油流速uf则对膜状燃油19的初始平均厚度tf有影响，如前述，在设计点状态下，ua可通过轴向旋流器9的有效流通面积a
11
初步评估，燃油流速与多点横向射流喷嘴15的喷孔直径d
inj
和喷孔数n
inj
有关。
47.由此，通过调节轴向旋流器9的旋流数s
11
、旋向、有效流通面积a
11
中的至少一个，或者调节径向旋流器10的旋流数s
12
、旋向、有效流通面积a
12
中的至少一个，或者调节预膜结构16的厚度b，或者调节多点横向射流喷嘴15的喷孔直径d
inj
和喷孔数n
inj
，可以实现对不稳定流动频率f
p
的调节，使其与燃烧室2的声学特征频率fa错频，即f
p
≠fa，从而抑制振荡燃烧。
48.4.油气掺混对流频率fm的调节：
49.油气掺混对流频率其中u1为油气混合物23在主燃级8的下游通道12中的轴向流动速度。因此，通过调节主燃级8的下游通道12中的掺混长度尺寸l1，可以使fm与燃烧室2的声学特征频率fa错频，即fm≠fa，从而抑制振荡燃烧。
50.5.不稳定流动频率f
p
与油气掺混对流频率fm组合调节：
51.如图6所示，给出了某型发动机燃烧振荡频率随发动机转速变化的示例，图中横坐标为无量纲转速，纵坐标为燃烧室的振荡频率fc。图6中标示为200的虚线框呈现的是主燃级和预燃级同时工作的条件下，在无量纲转速＝1附近，燃烧室2出现振荡燃烧，振荡频率在fc＝750～800，该振荡频率fc与该发动机的燃烧室2的声学特征频率fa相同，属于热声振荡模式。
52.以该转速出现的振荡频率fc为例，根据前述关系式可设计并通过光学模型试验件筛选出满足不稳定流动频率f
p
≠750～800的图3所示的燃烧室2的设计方案，实现膜状燃油19的不稳定流动频率f
p
与当前转速下燃烧室2的声学特征频率fa错开，从而抑制振荡燃烧。
53.若出现通过优化匹配图3所示的燃烧室2的设计方案的轴向旋流器9、径向旋流器10的气动设计和预膜结构16、多点横向射流喷嘴15的尺寸设计都难以实现f
p
≠750～800的情况，还可通过调整图3所示的主燃级8的下游通道12的掺混长度尺寸l1来实现错频。
54.在其他型号发动机或/和其他供油条件下，燃烧室2出现振荡燃烧的无量纲转速以及振荡频率在fc可能与图6中的示例不同，通过不稳定流动频率f
p
错频与油气掺混对流频率fm错频的组合，可以实现在宽转速范围内与燃烧室2的声学频率fa错频，例如可以在中等转
速通过不稳定流动频率f
p
错频，在高转速通过油气掺混对流频率fm错频，或调换两者的顺序。
55.本发明的抑制燃烧室振荡燃烧的控制方法和可抑制振荡燃烧的燃烧室通过对主燃级的结构尺寸设计和旋流器的气动参数设计，调节燃油的不稳定流动频率或/和油气掺混对流频率，使之与燃烧室的声学特征频率错频，通过组合使用两种错频方法，可以实现在宽转速范围内与燃烧室的声学特征频率错频，从而可以抑制振荡燃烧，使更多的燃油可供入主燃级，提高发动机在大状态条件下的主燃级供油比例，并降低no
x
的排放，提升燃烧室出口温度分布品质。
56.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。