CN116293808A - 一种全旋流分级燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全旋流分级燃烧室，采用分级供油、分区燃烧的思路，结合了常规加力燃烧室物理分区和旋流器气动分区的优点。本发明使用外围的强旋流副旋流器形成值班级，点火和值班燃烧均发生在此处；同时使用中央的弱旋流主旋流器提升主燃级驻留时间并进行主燃级燃烧，通过合理安排各旋流器旋向以促进火焰的高速传播。本发明在拓宽点火边界、提升燃烧效率和控制流阻损失之间达到了平衡，保证了燃烧室流阻损失较小，尤其适合高通流进口和需要提升总压恢复系数的中小型航空发动机。
Description
技术领域
本发明涉及新概念航空燃气轮机燃烧技术领域，尤其涉及一种全旋流分级燃烧室。
背景技术
国防军事需求使得各类军用航空器的飞行高度和飞行马赫数越来越大。目前，各类先进加力燃烧室和亚燃冲压燃烧室，扩压器前进口马赫数已超过0.4，大大超出航空煤油的湍流火焰传播速度；同时，当工作在飞行包线左边界附近时，燃烧室进口常常处于负压条件，空气密度低、化学反应速率慢且燃料雾化掺混性能差。这些苛刻的进口条件对燃烧室的宽边界点火、火焰稳定和高效燃烧提出了挑战。一种普遍的解决方法是在燃烧室设计中应用分区供油、分级燃烧的思路，即采用各种分区方式，在燃烧室中形成一个相对独立的值班级，在值班级内部制造适于火焰稳定的低速回流流场，并针对性地设置独立供油喷嘴，进行供油、点火及燃烧。值班级以外的区域则作为主燃级，其稳定点火完全依赖于值班级火焰的扩散。
目前的加力燃烧室和亚燃冲压燃烧室中，多采用物理结构进行分级，即依靠物理壁面划分出独立的值班级空间。以这种分级思路为基础，产生了钝体式、凹腔式等多种值班级火焰稳定器；在数十年的研究和应用中，这些火焰稳定器的点火性能、工作边界和燃烧效率均得到了证明。为了防止火焰被高速来流吹熄，值班级的进气速度和进气流量均不高，相应的供油流量也很低，这意味着燃烧室绝大部分的温升依然需要由主燃级提供。然而，物理分级需要划分出较大的值班级区域以确保火焰的稳定，这便浪费了有限的燃烧室空间，降低了主燃级的混气驻留时间和燃烧效率。此外，随着加力/冲压燃烧室进口来流速度的不断增加，物理壁面带来的较大的迎风面积也将导致总压损失剧烈增长，降低了发动机推力。以上两个缺点在内部空间有限的中小型航空发动机中尤为突出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种全旋流分级燃烧室。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种全旋流分级燃烧室，包括进气管、机匣、火焰筒、安装盘、主旋流器、N个副旋流器、波纹隔热屏和高能电嘴，N为大于等于3的自然数；
所述机匣为两端开口的空心圆柱体；
所述进气管位于下游的一端和所述机匣上游的一端密闭固连，用于将空气导入燃烧室；
所述火焰筒同轴设置在所述机匣内，其外壁周向设有M个连接块，M为大于等于3的自然数；所述连接块均一端和所述火焰筒的外壁固连，另一端和所述机匣的内壁固连；
所述安装盘呈圆环状， 其外壁和所述火焰筒位于上游的一端密闭固连；
所述主旋流器采用二级旋流，设置在所述安装盘的中心，其二级外环和所述安装盘的内壁同轴固连；
所述安装盘上绕所述主旋流器周向均匀设有N个安装孔，所述N个副旋流器一一对应设置在所述N个安装孔内；
所述波纹隔热屏设置在所述机匣内，其位于上游的一端和所述火焰筒位于下游的一端同轴固连；
所述进气管周向均匀设有P个由外界伸入其内的喷油杆，用于输入主燃级的供油，P为大于等于3的自然数；
所述副旋流器采用单级旋流，其中心体沿其轴线设有通孔，且中心体的通孔中设有用于朝燃烧室喷射值班级燃油的喷嘴；所述N个副旋流器中心的喷嘴通过输油管穿过机匣和外界联通，用于输入值班级的供油；
所述主旋流器用于使得经喷油杆喷入的主燃级燃油雾化蒸发和空气充分混合所形成的均匀油气混合物分隔成旋向相反的内外两级旋流，以增强内外级气流的混合能力，提升主燃级燃油雾化能力和油气掺混均匀性；
所述副旋流器用于形成闭合的回流，从而为稳定点火和高效燃烧提供值班级流场；
所述高能电嘴依次穿过机匣和火焰筒伸入至副旋流器后方的燃烧室，用于点火。
作为本发明一种全旋流分级燃烧室进一步的优化方案，所述副旋流器的外环呈椭圆状，令椭圆中心和安装盘中心所在的直线为L1，椭圆长轴所在直线为L2，则L1垂直于L2。
作为本发明一种全旋流分级燃烧室进一步的优化方案，所述进气管的横截面从上游到下游逐渐扩张，使得空气导入燃烧室时速度下降、静压上升。
作为本发明一种全旋流分级燃烧室进一步的优化方案，所述副旋流器的中心体通孔中的喷嘴采用小型离心式喷嘴。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 本发明全旋流分级燃烧室采用分区供油、分级燃烧的设计思路。在两个分级中，值班级采用多个强旋流的副旋流器，配合外围的火焰筒物理壁面和火焰筒导流孔的进气射流，可以形成驻定的对称回流区。该回流区在结构上相对独立，不受高速主流影响。同时配装了雾化性能良好、油雾锥与流场相匹配的离心式喷嘴。因此值班级能够在苛刻的进口条件下成功点火并形成稳定的点火源，进而不断点燃主燃级混气。
2. 在两个分级中，主燃级采用两级弱旋流的主旋流器，主旋流器一二级旋向相反，一二级旋流之间形成的湍流剪切层可以促进主燃级油气混合和火焰在径向、周向上的迅速传播。弱旋流也能在一定程度上增加燃油驻留时间，从而提升了燃烧效率。
3. 从流阻控制的角度，值班级副旋流器旋流强度高但迎风面积较小，主燃级主旋流器迎风面积大但旋流强度低，使得内外两级均不会产生过高的流阻损失，在高速来流下降低了推力损失。
4. 设计中采用直壁面火焰筒和横向波纹隔热屏；根据壁面结构特点和近壁面流场，采用多斜孔气膜冷却和直孔蒸发式冷却等形式，防止壁面被烧蚀、提升了燃烧室结构强度和使用寿命。
5. 副旋流器的外环采用椭圆形，使得副旋流器后方形成的值班级回流区可在椭圆长轴方向上大大拓展，有效提升了周向上各个副旋流器之间的联焰能力，使用较少的椭圆形副旋流器即可达到周向联焰的目的，降低了燃烧室整体结构的重量和复杂度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中进气管及外机匣半剖切示意图。
图3为本发明中主旋流器结构示意图。
图4为本发明中副旋流器及值班级喷嘴部分剖切示意图。
图5为本发明中火焰筒部分剖切示意图。
图6为本发明中副旋流器中心截面纵向剖切、流动及燃烧过程示意图。
图中，1-进气管，2-机匣，3-主旋流器，4-副旋流器，5-火焰筒，6-波纹隔热屏，7-高能电嘴，8-喷油杆，9-值班级输油管的弯管部分，10-值班级喷嘴，11-值班级输油管的直管部分，12-主旋流器中心锥，13-主旋流器一级叶片，14-主旋流器二级叶片，15-火焰筒冷却孔，16-火焰筒前排导流孔，17-火焰筒后排导流孔，18-连接块，19-高能电嘴安装孔，20-内涵道，21-外涵道，22-值班级强旋流回流，23-导流孔进气射流，24-值班级油雾锥，25-值班级燃烧区，26-主燃级油气混合物，27-主燃级一级弱旋流，28-主燃级二级弱旋流，29-主燃级燃烧区，30-火焰筒冷却进气，31-波纹隔热屏冷却进气。
实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
如图1、图2所示，本发明公开了一种全旋流分级燃烧室，包括进气管、机匣、火焰筒、安装盘、主旋流器、N个副旋流器、波纹隔热屏和高能电嘴，N为大于等于3的自然数；
所述机匣为两端开口的空心圆柱体；
所述进气管位于下游的一端和所述机匣上游的一端密闭固连，用于将空气导入燃烧室；
所述火焰筒同轴设置在所述机匣内，其外壁周向设有M个连接块，M为大于等于3的自然数；所述连接块均一端和所述火焰筒的外壁固连，另一端和所述机匣的内壁固连；
如图3所示，所述安装盘呈圆环状， 其外壁和所述火焰筒位于上游的一端密闭固连；
所述主旋流器采用二级旋流，设置在所述安装盘的中心，其二级外环和所述安装盘的内壁同轴固连；
所述安装盘上绕所述主旋流器周向均匀设有N个安装孔，所述N个副旋流器一一对应设置在所述N个安装孔内；
所述波纹隔热屏设置在所述机匣内，其位于上游的一端和所述火焰筒位于下游的一端同轴固连；
所述进气管周向均匀设有P个由外界伸入其内的喷油杆，用于输入主燃级的供油，P为大于等于3的自然数；
所述副旋流器采用单级旋流，其中心体沿其轴线设有通孔，且中心体的通孔中设有用于朝燃烧室喷射值班级燃油的喷嘴；所述N个副旋流器中心的喷嘴通过输油管穿过机匣和外界联通，用于输入值班级的供油，如图4所示；
所述主旋流器用于使得经喷油杆喷入的主燃级燃油雾化蒸发和空气充分混合所形成的均匀油气混合物分隔成旋向相反的内外两级旋流，以增强内外级气流的混合能力，提升主燃级燃油雾化能力和油气掺混均匀性；
所述副旋流器用于形成闭合的回流，从而为稳定点火和高效燃烧提供值班级流场；
所述高能电嘴依次穿过机匣和火焰筒伸入至副旋流器后方的燃烧室，用于点火。
作为本发明一种全旋流分级燃烧室进一步的优化方案，所述副旋流器的外环呈椭圆状，令椭圆中心和安装盘中心所在的直线为L1，椭圆长轴所在直线为L2，则L1垂直于L2。
作为本发明一种全旋流分级燃烧室进一步的优化方案，所述进气管的横截面从上游到下游逐渐扩张，使得空气导入燃烧室时速度下降、静压上升。
作为本发明一种全旋流分级燃烧室进一步的优化方案，所述副旋流器的中心体通孔中的喷嘴采用小型离心式喷嘴。
每个副旋流器均对应一条供油油路。燃油经由安装在副旋流器中央的值班级喷嘴供入副旋流器后方，形成值班级油雾锥.在燃烧室周向上对称安装有两个高能电嘴，高能电嘴伸入火焰筒内部，其前端在值班级强旋流回流中放电并点燃值班级油气混合物。
火焰筒中央的主旋流器为两级旋流，由内而外可分为主旋流器中心锥、主旋流器一级叶片和主旋流器二级叶片.主旋流器前方一定距离处安装有主燃级供油喷油杆，多根径向喷油杆穿透进气管并伸入进气道内部，每根喷油杆上径向布置多个喷油孔，燃油自喷油孔侧向喷出，在气动力作用下破碎并与空气混合。所形成的油气混合物流经主旋流器，被主旋流器一级叶片和主旋流器二级叶片分隔成主燃级一级弱旋流和主燃级二级弱旋流。主燃级中的油气混合物将被值班级火焰点燃并进行主燃级燃烧。
如图5所示，在火焰筒和波纹隔热屏的壁面上开设有多排冷却孔。其中火焰筒壁面冷却孔采用多斜孔形式、波纹隔热屏的壁面冷却孔采用直孔形式。流经外涵道的冷气流从冷却孔中流入内涵道，在火焰筒和波纹隔热屏的壁面附近形成气膜并保护壁面结构。
请参照附图6所示，本发明全旋流分级燃烧室的工作原理为：
1.来流经由进气道流入机匣，在此过程中空气流通面积增加，流速下降、静压上升，有助于提升总压恢复系数和燃烧效率。流入机匣的来流空气一部分进入外涵道，另一部分进入内涵道.
2.在进入内涵道的空气中，少部分空气通过副旋流器进入后方的值班级，在副旋流器的导向作用下形成旋流。旋流前方被副旋流器所限制、上方被火焰筒的物理壁面所限制、后方则被火焰筒前排导流孔和火焰筒后排导流孔所形成的导流孔进气射流遮断。这种气动限制和物理限制相结合的形式限制了气流的过度延展，从而在值班级中形成流线闭合、对称且稳定的值班级强旋流回流。该回流相对独立，受主燃级来流时变或畸变的影响小，因此可在低压、高速等极端进口条件下维持稳定的值班级燃烧。同时，由于强旋流回流量大，值班级不需要过大的体积即可实现良好的火焰稳定性，副旋流器的尺寸可以设计得较小，这样便可以降低值班级迎风面积，从而减小流阻损失。
3.少部分燃油先后流经值班级输油管和值班级供油喷嘴，进入副旋流器后方并形成油雾锥,该锥状油雾结构与值班级强旋流回流相适应，燃油液滴得以迅速雾化蒸发并与空气混合，在高能电嘴的放电下引燃，并在回流中形成稳定的值班级火焰。同时，由于不同副旋流器后方的值班级强旋流回流在周向方向上逐渐扩张，值班级火焰可以自然地在周向上传播并点燃所有副旋流器后方的油气混合物。
4.在进入内涵道的空气中，大部分流经主旋流器；由于主旋流器前方一定距离处安装有喷油杆，主燃级燃油被喷入空气中，燃油液滴雾化、蒸发、与空气充分混合，所形成的均匀油气混合物被主旋流器一级叶片和主旋流器二级叶片分隔成主燃级一级弱旋流和主燃级二级弱旋流。前述值班级的已燃高温混气在径向上扩散，首先点燃外侧的主燃级二级弱旋流，并继续向内点燃主燃级一级弱旋流，形成主燃级燃烧区。由于两股旋流强度均较弱，因此可以减小主燃级流阻损失；弱旋流本身也在一定程度上增加了燃油驻留时间。此外，主燃级一级弱旋流和主燃级二级弱旋流的旋向相反，二者交界处将形成强烈的湍流剪切层，剪切层中的高涡量和高湍流度将促进油气混合和火焰的径向、周向扩散，提升主燃级燃烧效率。
5.燃烧室燃烧过程中，流经外涵道的冷气流从火焰筒和波纹隔热屏上开设的冷却孔中流入内涵道，形成气膜并保护壁面结构。
与传统加力/冲压燃烧室不同，本发明应用了气动分级的思路，即通过拥有不同旋向的旋流气流划分值班区域和主燃区域。在这种分级思路中，可以通过调节旋流器的旋流数来控制旋流强度，达到火焰稳定性和总压损失之间的平衡；甚至可以设计可变结构，针对不同进口速度、余气系数等工作条件加以合理适配。
为了解决物理分级固有的问题，本发明设计了全旋流形式的分级燃烧室，将旋流器的气动分级功能引入加力/冲压燃烧室设计中。考虑到加力/冲压燃烧室参考截面速度远大于主燃烧室，且常常出现严重的进口畸变和进口时变，若完全依靠气动分级将难以稳焰，因此在设计中也部分应用了物理结构以强化值班级燃烧的独立性和稳定性。燃烧室方案中使用外围的强旋流副旋流器形成值班级，点火和值班燃烧均发生在此处；同时使用中央的弱旋流主旋流器提升主燃级驻留时间并进行主燃级燃烧，通过合理安排各旋流器旋向以促进火焰的高速传播。这种燃烧组织思路结合了气动分级和物理分级各自的优点，在拓宽点火边界、提升燃烧效率和控制流阻损失之间达到了平衡。
本发明全旋流分级燃烧室是一种新型的燃烧室结构设计和燃烧组织方案，适用于来流速度大、进口总压低的进口条件，例如加力燃烧室和亚燃冲压燃烧室。燃烧室采用分级供油、分区燃烧的思路，结合了常规加力燃烧室物理分区和旋流器气动分区的优点。其主燃级和值班级均使用旋流器结构。值班级通过强旋流的旋流器，配合物理壁面及外涵道进气射流以形成稳定的值班级回流，值班级流场不受主流影响，可以有效提升极端进口条件下的点火和燃烧稳定性。值班级和主燃级中的多个旋流可以通过旋流间的剪切层进行能量与物质交换，以促进油气混合，达到快速传焰和高效燃烧的目的。同时，由于强旋流设计下的值班级结合了旋流器气动分级的特点，可以在较小的物理迎风面积下实现稳焰；而弱旋流设计下的主燃级可以降低高速主流带来的流阻损失，以上两点保证了燃烧室流阻损失较小，因此该设计尤其适合高通流进口和需要提升总压恢复系数的中小型航空发动机。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。
Claims (4)
1.一种全旋流分级燃烧室，其特征在于，包括进气管、机匣、火焰筒、安装盘、主旋流器、N个副旋流器、波纹隔热屏和高能电嘴，N为大于等于3的自然数；
所述机匣为两端开口的空心圆柱体；
所述进气管位于下游的一端和所述机匣上游的一端密闭固连，用于将空气导入燃烧室；
所述火焰筒同轴设置在所述机匣内，其外壁周向设有M个连接块，M为大于等于3的自然数；所述连接块均一端和所述火焰筒的外壁固连，另一端和所述机匣的内壁固连；
所述安装盘呈圆环状， 其外壁和所述火焰筒位于上游的一端密闭固连；
所述主旋流器采用二级旋流，设置在所述安装盘的中心，其二级外环和所述安装盘的内壁同轴固连；
所述安装盘上绕所述主旋流器周向均匀设有N个安装孔，所述N个副旋流器一一对应设置在所述N个安装孔内；
所述波纹隔热屏设置在所述机匣内，其位于上游的一端和所述火焰筒位于下游的一端同轴固连；
所述进气管周向均匀设有P个由外界伸入其内的喷油杆，用于输入主燃级的供油，P为大于等于3的自然数；
所述副旋流器采用单级旋流，其中心体沿其轴线设有通孔，且中心体的通孔中设有用于朝燃烧室喷射值班级燃油的喷嘴；所述N个副旋流器中心的喷嘴通过输油管穿过机匣和外界联通，用于输入值班级的供油；
所述主旋流器用于使得经喷油杆喷入的主燃级燃油雾化蒸发和空气充分混合所形成的均匀油气混合物分隔成旋向相反的内外两级旋流，以增强内外级气流的混合能力，提升主燃级燃油雾化能力和油气掺混均匀性；
所述副旋流器用于形成闭合的回流，从而为稳定点火和高效燃烧提供值班级流场；
所述高能电嘴依次穿过机匣和火焰筒伸入至副旋流器后方的燃烧室，用于点火。
2.根据权利要求1所述的全旋流分级燃烧室，其特征在于，所述副旋流器的外环呈椭圆状，令椭圆中心和安装盘中心所在的直线为L1，椭圆长轴所在直线为L2，则L1垂直于L2。
3.根据权利要求1所述的全旋流分级燃烧室，其特征在于，所述进气管的横截面从上游到下游逐渐扩张，使得空气导入燃烧室时速度下降、静压上升。
4.根据权利要求1所述的全旋流分级燃烧室，其特征在于，所述副旋流器的中心体通孔中的喷嘴采用小型离心式喷嘴。
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