CN109441643A - 微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，由煤油喷嘴、煤油腔座、紧固螺母、进油管、加热芯组成；整体通过进气罩安装于发动机外壳上。进气罩圆柱面有6个进气孔，空气可通过进气孔进入点火装置燃烧区与煤油掺混。煤油喷嘴设有预燃孔和主油孔，煤油可分别通过预燃孔和主油孔喷出，实现煤油的分层燃烧。加热芯采用氮化硅陶瓷电热塞，功率大。空气由进气罩进入点火区，煤油从进油管进入煤油腔座，经煤油喷嘴分两路从预燃孔和主油孔中喷出。预燃孔附近出油量较少、且具有气流速度较低的预燃区，在宽工况范围内预燃区存在稳定燃烧的火焰能够帮助点燃主油孔喷出的煤油，从而保证点火器在较宽的工况范围内都能稳定可靠的工作。

Description

微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置

技术领域

本发明属于微小型涡喷发动机和燃气轮机领域,涉及点燃微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室的方法及实施该方法的点火装置，可应用于微小型涡喷发动机和燃气轮机燃气燃烧室的点火过程。

背景技术

以煤油为航空燃料的微小型涡喷发动机和燃气轮机由于受到尺寸、结构等限制，燃烧室以及燃油喷嘴的结构相对比较简单，没有专门打火和煤油雾化装置，因此很难保证发动机启动过程中的煤油雾化质量，造成启动点火和火焰传播较为困难。这也是许多微小型涡喷发动机和燃气轮机不直接点燃煤油而是采用丙烷气体点火的原因，通过火花塞先将喷入燃烧室内的丙烷气体点燃，待发动机达到一定状态后，再喷入煤油进行燃烧。这种点火方式的优点是不需要考虑启动阶段燃油雾化的状态，缺点是需要增加了地面或者空中辅助设备，对微小型涡喷发动机或燃气轮机使用带来麻烦。

应用气动谐振的技术来进行点火也是一种点火方式。专利号CN 101852680B 就描述了一种气动谐振加热的实验装置，而已经公开的专利CN101852148A和 CN1653254则分别介绍了两种基于气动谐振技术的点火装置。这种点火方式的主要缺点：一方面气动谐振技术还处于探索阶段并不太成熟。另一方面气动谐振需要压缩气体作为产生热源的工质，因此需要额外提供压缩气罐，这使得整个点火系统的成本和体积重量大大增加。

综上所述，需要设计具有特殊结构的点火装置为微小型涡喷发动机和燃气轮机的启动提供稳定可靠点火火源，且要求该装置不能带来额外的设备体积和重量的增加。

发明内容

本发明的任务是提供一种适用于点燃微型涡喷发动机和微型燃气轮机燃烧室的方法及实施该方法的点火装置，它们克服目前技术和装置的不足。并且特征是充分利用点火器的分层燃烧结构，产生大尺度的稳定火焰，实用性好，功能可靠，同时结构简单。

本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，包括由内至外同轴嵌套的加热芯,煤油喷嘴与煤油腔座。

所述煤油腔座与煤油喷嘴间具有油腔；加热芯外壁与煤油喷嘴内壁周向间具有间隙；煤油喷嘴底部周向开有主油孔与预燃孔，主油孔与预燃孔均与油腔连通；且使主油孔的流量大于预燃孔流量。

煤油腔座底部螺纹连接有进气罩；进气罩安装在发动机外壳内侧。进气罩底部周向均设有进气孔，进气孔正对煤油喷嘴底部侧壁。煤油腔座侧壁上安装进油管，与油腔相通。

本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置点火方法为：

1)压气机出口空气经进气罩的进气孔到达煤油喷嘴上主油孔和预燃孔附近，等待与主油孔和预燃孔内喷出煤油混合。

2)接通加热芯电源，对加热芯供电，加热芯加热时间持续10秒。

3)打开点火器油路电磁阀，控制煤油经进油管后进入油腔，随后煤油首先由预燃孔喷出，喷洒在加热芯表面气化、蒸发，并与周围空气掺混形成煤油/空气可燃混合气，并被高温点燃，产生高温火焰，由高温火焰加速主油孔喷出的煤油气化蒸发，最终主油孔喷出煤油被预燃孔火焰点燃形成喷入燃烧室的火焰炬。

4)在微小型涡喷发动机或燃气轮机排气温度上升50℃后，打开盘管油路电磁阀，煤油从微小型涡喷发动机或燃气轮机燃油盘管进入燃烧室被点火装置产生的火炬引燃。

5)当排气温度大于250℃，断开加热芯电源，同时切断点火油路供油，煤油全部由燃油盘管油路进入发动机燃烧。

本发明优点在于：

1、本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，采用喷油和点火一体设计，能够实现煤油直接点燃。结构简单可靠，不需要额外的管路及储气装置。

2、本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，进气罩外圆柱面加工有6个进气孔，空气经过每个进气孔分成两路，一路向下与预热孔喷出的煤油掺混，形成低速燃烧区；一路与主油孔喷出煤油掺混燃烧。

3、本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，的煤油喷嘴采用主油和预燃油的双油路结构设计，火焰分层传播燃烧，保证了燃烧的稳定性和宽的工况范围。

4、本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，中采用的加热芯功率大，点火火炬火焰长度长，能够很好穿透和点燃燃烧室中可燃混合气，加快燃烧室内的火焰扩散速度，保证整个燃烧室内稳定燃烧。

5、本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，采用紧固螺母实现点火装置在微小型涡喷发动机和燃气轮机上安装、固定，结构简单，安装、拆卸方便。

6、本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，由不锈钢制成，成本低，且在高温下具有良好的抗胀缩能力，可以被用于连续的高温环境工作。

7、本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置的点燃燃烧室的方法步骤清晰，执行结构少且简单，只需要控制电磁阀和电热芯供电开关。

附图说明

图1为本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置结构剖视图。

图2为本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置空气和煤油路线图。

图3为应用本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室的预燃火焰。

图4为应用本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室的实际工作状态。

图中：

1-煤油喷嘴- 2-煤油腔座 3-紧固螺母

4-进油管 5-加热芯 6-油腔

7-连接头 8-进气罩 9-安装于发动机外壳

10-进气孔 101-侧壁部分 102-缺口部分

103-主油孔 104-预燃孔

具体实施方式

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明。

本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，包括煤油喷嘴1、煤油腔座2、紧固螺母3、进油管4与加热芯5，如图1所示。

所述煤油喷嘴1、煤油腔座2、进油管4与加热芯5构成油路组件。其中，加热芯5,煤油喷嘴1与煤油腔座2三者之间，由内至外同轴嵌套。煤油腔座2 上部与下部设计有接触台肩，接触台肩与煤油喷嘴1顶部与中部外壁间接触，并周向焊接固定形成一体的焊合件，使煤油腔座2与煤油喷嘴1间形成空腔，作为油腔6。加热芯5与煤油喷嘴1间同轴设置，底端位于煤油喷嘴1底部；且加热芯5外壁与煤油喷嘴1内壁周向间具有间隙，作为燃烧缝隙。加热芯5上部设计有一体结构的连接头7，该连接头7通过下部外螺纹结构与煤油腔座2顶部内螺纹结构间配合螺纹连接，且连接头7底端端面与煤油喷嘴1顶端端面间紧密贴合，由此实现加热芯5的固定，同时实现燃烧缝隙顶部间的密封。

上述煤油喷嘴1底部周向均设有四个条形缺口，四个条形缺口沿煤油喷嘴1 底部轴向设计，且贯通煤油喷嘴1底面，由此将煤油喷嘴1底端周向分为四个侧壁部分101，与四个缺口部分102，如图2所示；每个侧壁部分底端作为主油孔开设位，该位置处开设主油孔103；相对的两个缺口部分的顶面作为预燃孔开设位，该位置处开设预燃孔104；则主油孔103开设位与预燃孔开设位共八处，且在煤油喷嘴1周向上均布，交替设置。本发明中在各主油孔开设位处涉及一个主油孔103，共四个主油孔103；在两个相对位置的预燃孔开设位处开设一个预燃孔104，共两个预燃孔104；使主油孔103的流量大于预燃孔104流量。同时煤油喷嘴1中部开有环形凹槽，凹槽的底面沿煤油喷嘴周向周向均设有六条出油槽 105，六条中的四条出油槽105分别与四个主油孔103连通，另两个出油槽与两个预燃孔104连通。上述环形凹槽可以存储煤油，对喷油压力起到缓冲、稳压的作用，减少喷油脉动

上述油路组件通过进气罩8安装于发动机外壳9上，如图1所示。所述进气罩8为筒状结构，顶部设计有内螺纹结构，与煤油腔座2底部外螺纹结构间配合螺纹连接，且两者间通过煤油腔座2中部外壁周向设计的定位台肩定位。进气罩 8安装在发动机外壳9内侧，进气罩8中下部加工有2mm厚六边形端面，端面紧贴发动机或燃气轮机外壳内表面，起到密封、紧固作用。通过紧固螺母从发动机外壳外侧将进气罩8螺纹连接固定在发动机上，进而实现油路组件与发动机外壳间的安装。进气罩8底部周向均设有四个进气孔10，四个进气孔10分别正对煤油喷嘴1底部四个侧壁部分101；且进气孔到煤油腔座2端面的距离要大于煤油喷嘴1上预燃孔104到煤油腔座2端面的距离。

所述进油管4焊接在煤油腔座2的侧壁上，与煤油腔座2侧面开设的进油孔相通；通过该进油孔将进油管4与油腔6导通。

上述结构的微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室的点火装置工作时，如图2 所示，空气由进气罩8底部上的进气孔10以垂直于煤油喷嘴1轴向的方向流入进气罩8内，随后受煤油喷嘴1底部侧壁部分101阻挡分流为两部分，一部分流向预燃孔104附近，并在煤油喷嘴1上的预燃孔104附近形成低速区。另一部分流向主油孔103附近。

煤油由进油管4流到油腔6内，并经油腔6上的出油槽105，流入主油孔103 与预燃孔104，煤油会先由预燃孔104喷出，随后再由主油孔103喷出，与周围空气掺混。

本发明中加热芯5不仅能使预燃孔104喷出的煤油气化、蒸发，并提供点火热源点燃预燃区空气/煤油混合气，还对流经主油孔103的煤油进行预热，提高主火炬点火可靠性。因此，从预燃孔104喷出的少量煤油预先与低速区的空气混合，被加热芯5加热后快速蒸发并燃烧，形成预燃火焰，如图3所示。随后预燃火焰对流经主油孔103的煤油预热，经预热后的煤油由主油孔103喷出后与速度较高的空气混合，并由预燃火焰点燃，形成稳定的火炬，如图4所示。

在较大当量比工况下，大部分燃油经过加热芯5预热后从主油孔103中喷出，只有少部分燃油率先从预燃孔104中喷出，保证了预燃孔104附近当量比仍处于合适的范围。预燃孔喷出煤油直接喷洒在加热芯表面，与低速区内的空气进行掺混后，使煤油快速气化、蒸发并被点燃，形成预燃火焰，且预燃孔周围燃烧火焰受进气罩内圆柱面包围，保证燃烧火焰稳定。随后由预燃火焰去帮助点燃主油孔 103喷出的煤油，保证了富油件下点火的可靠性和稳定性，增加了点火火炬的火焰长度，加速了燃烧室内火焰的传播。

在较小当量比工况下，少量的空气在预燃孔附近形成稳定的低速区，保证预燃火焰的形成，剩余较多的气体则经进气罩8上的进气孔10直接流走，不会影响预燃区的预燃火焰的形成，从而保证贫油状态下点火的可靠性和稳定性。因此本发明点火装置能够在较宽地工况范围内可靠的点火。

本发明点火装置除了加热芯5以外的零件均采用不锈钢材料，需要密封的各零部件均采用焊接结构，有效保证了气密性和连接强度，非密封部件采用螺纹连接，保证了整体结构的简单可靠。

本发明微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置的具体点火方法如下：

1)压气机出口空气经进气罩8的进气孔10到达煤油喷嘴1上主油孔103和预燃孔104附近，等待与主油孔103和预燃孔104内喷出煤油混合；

2)接通加热芯5电源，对加热芯5供电，加热芯5的氮化硅钨丝表面产生炙热高温，加热时间持续10秒；

3)打开点火器油路电磁阀，控制适当煤油经进油管4后进入油腔6，随后煤油首先由预燃孔104喷出，喷洒在加热芯5表面气化、蒸发，并与周围空气掺混形成煤油/空气可燃混合气，并被高温点燃，产生高温火焰，由高温火焰加速主油孔103喷出的煤油气化蒸发，最终主油孔103喷出煤油被预燃孔104火焰点燃形成喷入燃烧室的火焰炬。

4)在微小型涡喷发动机或燃气轮机排气温度上升50℃后，打开盘管油路电磁阀，大量煤油从微小型涡喷发动机或燃气轮机燃油盘管进入燃烧室被点火装置产生的火炬引燃。

5)当排气温度大于250℃，认为微小型涡喷发动机或燃气轮机点火成功，断开加热芯电源，同时切断点火油路供油，煤油全部由燃油盘管油路进入发动机燃烧。

Claims (4)

1.微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，其特征在于：包括由内至外同轴嵌套的加热芯,煤油喷嘴与煤油腔座；

所述煤油腔座与煤油喷嘴间具有油腔；加热芯外壁与煤油喷嘴内壁周向间具有间隙；煤油喷嘴底部周向开有主油孔与预燃孔，主油孔与预燃孔均与油腔连通；且使主油孔的流量大于预燃孔流量；

煤油腔座底部螺纹连接有进气罩；进气罩安装在发动机外壳内侧；进气罩底部周向均设有进气孔，进气孔正对煤油喷嘴底部侧壁；

煤油腔座侧壁上安装进油管，与油腔相通。

2.如权利要求1所述微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，其特征在于：煤油喷嘴底部周向上具有交替的四个缺口部分与四个侧壁部分；每个侧壁部分底端作为主油孔开设位；相对的两个缺口部分的顶面作为预燃孔开设位。

3.如权利要求1所述微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，其特征在于：煤油喷嘴中部开有环形凹槽，凹槽的底面沿煤油喷嘴周向周向均设有出油槽，与主油孔和预燃孔连通。

4.如权利要求1所述微小型涡喷发动机和燃气轮机燃烧室点火装置，其特征在于：点火方法为：

1)压气机出口空气经进气罩的进气孔到达煤油喷嘴上主油孔和预燃孔附近，等待与主油孔和预燃孔内喷出煤油混合；

2)接通加热芯电源，对加热芯供电，加热芯加热时间持续10秒；

3)打开点火器油路电磁阀，控制煤油经进油管后进入油腔，随后煤油首先由预燃孔喷出，喷洒在加热芯表面气化、蒸发，并与周围空气掺混形成煤油/空气可燃混合气，并被高温点燃，产生高温火焰，由高温火焰加速主油孔喷出的煤油气化蒸发，最终主油孔喷出煤油被预燃孔火焰点燃形成喷入燃烧室的火焰炬；

4)在微小型涡喷发动机或燃气轮机排气温度上升50℃后，打开盘管油路电磁阀，煤油从微小型涡喷发动机或燃气轮机燃油盘管进入燃烧室被点火装置产生的火炬引燃；

5)当排气温度大于250℃，断开加热芯电源，同时切断点火油路供油，煤油全部由燃油盘管油路进入发动机燃烧。