CN113864823A - 涡轮发动机循环加热多级燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，包括穿过火焰筒外壳设置的进气通道，火焰筒外壳包括预热保温层和燃料预混层，预热保温层的内部为相互连通的蜂窝状结构，预热保温层外缠绕有燃料总管，燃料总管的末端穿入预热保温层且与内部的蜂窝状结构连通，预热保温层与燃料预混层之间设置有燃料通道，燃料通道的外侧设置有与蜂窝状结构连通的进口、内侧设置有喷向燃烧室的燃料喷嘴，燃烧室包括预燃段、收缩段和扩张段，所述燃烧室内设置有与进气通道相连的空气喷嘴。本发明可以保证燃烧效率的前提下，使燃烧稳定高效，温度分布均匀，产生的噪声和污染物排放更低，保证有足够长的使用寿命与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮发动机燃烧技术领域，特别是指涡轮发动机循环加热多级燃烧系统。
背景技术
燃料涡轮发动机简称为燃料轮机，燃料轮机在空气和燃料的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃料涡轮（Turbine）这三大部件组成的燃料轮机循环，通称为简单循环。燃料轮机在工作时燃烧室内的火焰筒温度高，工作环境十分恶劣，材料无法承受在远超过其正常工作温度的恶劣环境下长时间工作，因此必须对燃烧室火焰筒进行冷却，以防止火焰筒出现裂纹或被烧坏而降低发动机寿命。
但是矛盾的是，燃料轮机循环效率的提高主要依靠燃烧室排气温度的增加，当燃烧室排气温度增加时燃烧室内的温度必然增高，燃烧室内的氮氧化合物的排放也将随之增加，同时燃烧室的工作环境也变得恶劣，如压力高、热负荷大、高温高速、流场复杂。当燃烧室温度升高后，对火焰筒进行冷却不仅会降低燃烧效率，而且还会造成热量损失。
因此，现有技术中，在保证燃烧室高燃烧效率的基础上，如何提高燃料轮机的性能及排放物低污染性是需要解决的难点。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，解决了现有燃料涡轮发动机燃烧效率、排放物及结构寿命之间无法同时提高的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，包括火焰筒外壳，穿过火焰筒外壳设置有延伸至燃烧室的进气通道，所述火焰筒外壳包括外部的预热保温层和内部的燃料预混层，预热保温层的内部为相互连通的蜂窝状结构，预热保温层的前端设置有燃料总管，燃料总管缠绕在预热保温层的外壁上，燃料总管的末端穿入预热保温层且与内部的蜂窝状结构连通，预热保温层与燃料预混层之间设置有燃料通道，燃料通道的后端封闭、前端设置有与压气机连通的前部进气通道，燃料通道的外侧设置有与蜂窝状结构连通的进口、内侧设置有喷向燃烧室的燃料喷嘴，所述燃烧室包括预燃段、收缩段和扩张段，所述燃烧室内设置有与进气通道相连的空气喷嘴，所述空气喷嘴与燃料喷嘴成对设置在预燃段、收缩段和扩张段，，扩张段的长度大于预燃段、收缩段的长度之和。
进一步地，所述前部进气通道包括前部的蜂窝状连通段，蜂窝状连通段与空气喷嘴相连且与燃料通道之间设置有毛细通道。
进一步地，所述收缩段包括向内突出的径向收缩结构，径向收缩结构的截面为半圆形，半圆形内设置有与燃料通道相连的若干个支管道，两个支管道的末端连接同一个燃料喷嘴。
进一步地，沿所述预燃段和收缩段的周向方向均设置有一环的燃料喷嘴，沿扩张段的周向方向设置有三环的燃料喷嘴，扩张段中每一环的燃料喷嘴的数量与预燃段中每一环的燃料喷嘴的数量相等，收缩段中燃料喷嘴的数量大于预燃段中燃料喷嘴的数量。
进一步地，所述预热保温层的前端设置有向外周凸起的凸起段，燃料总管的前端通过凸起段穿入预热保温层后穿出，燃料总管穿入凸起段的部位设置有与内部的蜂窝状结构连通的连通孔。
进一步地，所述燃料总管穿过凸起段后伸出的部分为半圆形管，半圆形管沿预热保温层的轴向方向呈螺旋状均匀设置。
进一步地，所述进气通道包括设置在预热保温层外壁上的进气斗，与进气斗相连设置有穿过预热保温层和燃料预混层的进气支管，所述空气喷嘴设置在进气支管的末端。
进一步地，相邻的进气支管在预热保温层和燃料预混层内相互连通。
进一步地，所述燃料通道设置有若干个，若干个燃料通道沿火焰筒外壳的长度方向并列设置且彼此连通。
进一步地，所述燃料总管的前端和后端之间设置有若干个插入预热保温层的进料支管，进料支管外端与燃料总管连通、内端与蜂窝状结构连通。
本发明的有益效果包括：
（1）本发明可以分级燃烧，在预燃段内，燃料进入预燃段之前与压气机压入的空气首先预混，预混的燃料从预燃段内少量的燃料喷嘴喷出，与从火焰筒中心喷嘴喷出的燃料一同与空气喷嘴中喷出的空气混合，在预燃段进行初步燃烧，此过程中空燃比较大，燃烧的属于稀混合气，气多油少，不仅燃烧完全、油耗低、污染小，而且燃料总量少，在充分燃烧的前提下降低了燃烧温度，既减轻了燃烧室的负担，也能减少富油燃烧区的氮氧、烃化物；在收缩段内，空间减小，燃料从两个支管道向同一个燃料喷嘴高速汇聚，高速喷入的燃料和空气会使预燃段的产物快速且短暂熄灭，但是反应的路径和时间很短，即高氮氧化物产生过程极短，产生的氮氧化物较少；在扩张段内，喷入的燃油及空气与收缩段的富油燃料混合补燃，使燃烧稳定高效，温度分布均匀，产生的噪声和污染物排放更低；
（2）从压气机进入前部进气通道的空气既能够在燃料通道中与扩张段的燃料充分预混合，也能对收缩段和扩张段的燃料进行部分预混合，还能够得到预热，同时还能对因内部高温气流而升温的火焰筒进行内部冷却，且几乎不影响燃烧室内部的高温环境，同时还能起到消音作用，降低压气机向燃烧室供气产生的噪音。
（3）在火焰筒外壳上增设延长的燃料总管，对火焰筒外壳进行冷却的同时还能对燃料进行预热，提高燃烧效率。进一步地，预热保温层设置为内部为相互连通的蜂窝状结构，燃料总管通过进料支管进入预热保温层内，不仅通过火焰筒外壳实现对燃料的外部预热，同时通过内部结构对燃料实现了内部预热，使燃料充分蒸发而达到超临界状态，粘性变低、扩散能力增强，进而能够与空气混合的更加充分均匀，充分提高了燃烧效率，降低了污染物排放量。
（4）燃料和空气对整个火焰筒从内到外进行温度调控，燃料通道设置在预热保温层和燃料预混层之间，既保证了预热和冷却的充分性，又避免了过度热量散失——预热保温层内部的蜂窝状结构不仅使得燃料充分交换预热，也形成了金属-燃料复合保温层，而内部的燃料预混层将燃烧室与预热保温层隔绝起来，在锁住热量的同时也保证了结构可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的剖视结构示意图；
图3为本发明的左视结构示意图；
图中：
1-预热保温层，2-燃料预混层，
3-燃料总管，31-连通孔，32-半圆形管，
4-燃料通道，41-进口，42-支管道；
5-前部进气通道，51-蜂窝状连通段，52-毛细通道；
7-燃烧室，8-燃料喷嘴；
9-进气斗，91-空气喷嘴；
10-预燃段，11-收缩段、12-扩张段、13-凸起段；
101-径向收缩结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，如图1-图3所示，包括火焰筒外壳，所述火焰筒外壳包括外部的预热保温层1和内部的燃料预混层2，预热保温层1和内部的燃料预混层2可以通过3D打印技术实现加工制作。具体地，所述预热保温层1的内部为相互连通的蜂窝状结构，内部结构形似蜂窝但是相邻之间彼此连通，当燃气进入后能够往复流动，在一定的压力下会朝着出口流动。
所述预热保温层1的前端设置有燃料总管3，燃料总管3缠绕在预热保温层1的外壁上，当燃油流经燃料总管3时会被预热保温层1的外壁加热，进而降低燃料的黏度、增强燃料的流动性。燃料总管3的末端穿入预热保温层1且与内部的蜂窝状结构连通，经过预热保温层1的外壁加热的燃料会进入预热保温层1的蜂窝状的内部，燃料在相互连通的蜂窝状结构中流动进一步地加热升温，进而进一步地降低燃料的黏度、增强燃料的流动性。
所述预热保温层1与燃料预混层2之间设置有燃料通道4，燃料通道4的外侧设置有与蜂窝状结构连通的进口41、内侧设置有喷向燃烧室7的燃料喷嘴8。则燃料经过预热保温层1内部为相互连通的蜂窝状结构后，会汇聚至燃料通道4内，由于燃料通道4更接近燃烧室7，则燃料通道4内的燃料会被进一步加热升温而达到超临界状态，燃料的粘性变低、扩散能力增强，可以十分简单地实现与空气混合。
所述燃料通道4的后端封闭、前端设置有与压气机连通的前部进气通道5，则压气机可通过前部进气通道5将空气鼓入燃料通道4的前部，实现空气与燃料的预混合。穿过火焰筒外壳设置有延伸至燃烧室的进气通道，所述燃烧室7内设置有与进气通道相连的空气喷嘴91。所述进气通道包括设置在预热保温层1外壁上的进气斗9，与进气斗9相连设置有穿过预热保温层1和燃料预混层2的进气支管，所述空气喷嘴91设置在进气支管的末端。所述前部进气通道5包括前部的蜂窝状连通段51，蜂窝状连通段51与空气喷嘴91相连且与燃料通道4之间设置有毛细通道52。压气机向前部进气通道5输送的空气一部分直接与燃料预混合，另一部分通过空气喷嘴91喷向燃烧室7。
所述燃烧室7包括预燃段10、收缩段11和扩张段12，所述空气喷嘴91与燃料喷嘴8成对设置在预燃段10、收缩段11和扩张段12。预燃段10的直径和扩张段12的直径均大于收缩段11的直径，且扩张段12的长度大于预燃段10、收缩段11的长度之和，通过空气喷嘴91和燃料喷嘴8进入燃烧室7的混合燃料在预燃段10内充分混合、充分燃烧，在收缩段11短暂熄灭，在扩张段12与收缩段的富油燃料混合补燃。具体过程为：在预燃段内，燃料进入预燃段之前与压气机压入的空气首先预混，预混的燃料从预燃段内少量的燃料喷嘴喷出，与从火焰筒中心喷嘴喷出的燃料一同与空气喷嘴中喷出的空气混合，在预燃段进行初步燃烧，此过程中空燃比较大，燃烧的属于稀混合气，气多油少，不仅燃烧完全、油耗低、污染小，而且燃料总量少，在充分燃烧的前提下降低了燃烧温度，既减轻了燃烧室的负担，也能减少富油燃烧区的氮氧、烃化物；在收缩段内，空间减小，燃料从高速汇聚，高速喷入的燃料和空气会使预燃段的产物快速且短暂熄灭，但是反应的路径和时间很短，即高氮氧化物产生过程极短，产生的氮氧化物较少；在扩张段内，喷入的燃油及空气与收缩段的富油燃料混合补燃，使燃烧稳定高效，温度分布均匀，产生的噪声和污染物排放更低。
具体地，所述收缩段11包括向内突出的径向收缩结构101，径向收缩结构101的截面为半圆形，保证燃烧、淬熄和复燃的过程较为柔和，同时也保证了结构强度的可靠性。半圆形内设置有与燃料通道4相连的若干个支管道42，两个支管道42的末端连接同一个燃料喷嘴8，使收缩段11内的燃料喷嘴高速喷射出较大量的燃料，既保证预燃段10燃料燃烧熄灭的快速，又能为后方的扩张段12补燃提供支持，使燃烧稳定高效，温度分布均匀。沿所述预燃段10和收缩段10的周向方向均设置有一环的燃料喷嘴8，沿扩张段12的周向方向设置有三环的燃料喷嘴8，扩张段12中每一环的燃料喷嘴8的数量与预燃段10中每一环的燃料喷嘴8的数量相等，收缩段11中燃料喷嘴8的数量大于预燃段10中燃料喷嘴8的数量。
进一步地，所述预热保温层1的前端设置有向外周凸起的凸起段13，燃料总管3的前端通过凸起段13穿入预热保温层1后穿出，燃料总管3穿入凸起段13的部位设置有与内部的蜂窝状结构连通的连通孔31，使得燃料可以同时进入预热保温层的内部和外部，实现燃料的阶梯式预热和火焰筒的阶梯式冷却。
进一步地，所述燃料总管3穿过凸起段13后伸出的部分为半圆形管32，半圆形管32沿预热保温层1的轴向方向呈螺旋状均匀设置。预热保温层设置为内部为相互连通的蜂窝状结构，燃料总管通过进料支管进入预热保温层内，不仅通过火焰筒外壳实现对燃料的外部预热，同时通过内部结构对燃料实现了内部预热，使燃料充分蒸发而达到超临界状态，粘性变低、扩散能力增强，进而能够与空气混合的更加充分均匀，充分提高了燃烧效率，降低了污染物排放量。
进一步地，相邻的进气支管在预热保温层1和燃料预混层2内相互连通，所述燃料通道4设置有若干个，若干个燃料通道4沿火焰筒外壳的长度方向并列设置且彼此连通。所述燃料总管3的前端和后端之间设置有若干个插入预热保温层1的进料支管，进料支管外端与燃料总管3连通、内端与蜂窝状结构连通。使得对空气和燃料的预热效果更佳均匀，也使得对火焰筒的冷却更佳均匀充分。燃料和空气对整个火焰筒从内到外进行温度调控，燃料通道设置在预热保温层和燃料预混层之间，既保证了预热和冷却的充分性，又避免了过度热量散失——预热保温层内部的蜂窝状结构不仅使得燃料充分交换预热，也形成了金属-燃料复合保温层，而内部的燃料预混层将燃烧室与预热保温层隔绝起来，在锁住热量的同时也保证了结构可靠性。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，包括火焰筒外壳，穿过火焰筒外壳设置有延伸至燃烧室的进气通道，其特征在于：所述火焰筒外壳包括外部的预热保温层（1）和内部的燃料预混层（2），预热保温层（1）的内部为相互连通的蜂窝状结构，预热保温层（1）的前端设置有燃料总管（3），燃料总管（3）缠绕在预热保温层（1）的外壁上，燃料总管（3）的末端穿入预热保温层（1）且与内部的蜂窝状结构连通，预热保温层（1）与燃料预混层（2）之间设置有燃料通道（4），燃料通道（4）的后端封闭、前端设置有与压气机连通的前部进气通道（5），燃料通道（4）的外侧设置有与蜂窝状结构连通的进口（41）、内侧设置有喷向燃烧室（7）的燃料喷嘴（8），所述燃烧室（7）包括预燃段（10）、收缩段（11）和扩张段（12），所述燃烧室（7）内设置有与进气通道相连的空气喷嘴（91），所述空气喷嘴（91）与燃料喷嘴（8）成对设置在预燃段（10）、收缩段（11）和扩张段（12），扩张段（12）的长度大于预燃段（10）、收缩段（11）的长度之和。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：所述前部进气通道（5）包括前部的蜂窝状连通段（51），蜂窝状连通段（51）与空气喷嘴（91）相连且与燃料通道（4）之间设置有毛细通道（52）。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：所述收缩段（10）包括向内突出的径向收缩结构（101），径向收缩结构（101）的截面为半圆形，半圆形内设置有与燃料通道（4）相连的若干个支管道（42），两个支管道（42）的末端连接同一个燃料喷嘴（8）。
4.根据权利要求3所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：沿所述预燃段（10）和收缩段（10）的周向方向均设置有一环的燃料喷嘴（8），沿扩张段（12）的周向方向设置有三环的燃料喷嘴（8），扩张段（12）中每一环的燃料喷嘴（8）的数量与预燃段（10）中每一环的燃料喷嘴（8）的数量相等，收缩段（11）中燃料喷嘴（8）的数量大于预燃段（10）中燃料喷嘴（8）的数量。
5.根据权利要求1、2、4任一项所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：所述预热保温层（1）的前端设置有向外周凸起的凸起段（13），所述燃料总管（3）的前端通过凸起段（13）穿入预热保温层（1）后穿出，燃料总管（3）穿入凸起段（13）的部位设置有与内部的蜂窝状结构连通的连通孔（31）。
6.根据权利要求5所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：所述燃料总管（3）穿过凸起段（13）后伸出的部分为半圆形管（32），半圆形管（32）沿预热保温层（1）的轴向方向呈螺旋状均匀设置。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：所述进气通道包括设置在预热保温层（1）外壁上的进气斗（9），与进气斗（9）相连设置有穿过预热保温层（1）和燃料预混层（2）的进气支管，所述空气喷嘴（91）设置在进气支管的末端。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：相邻的进气支管在预热保温层（1）和燃料预混层（2）内相互连通。
9.根据权利要求1、2、4、6、7任一项所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：所述燃料通道（4）设置有若干个，若干个燃料通道（4）沿火焰筒外壳的长度方向并列设置且彼此连通。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机循环加热多级燃烧系统，其特征在于：所述燃料总管（3）的前端和后端之间设置有若干个插入预热保温层（1）的进料支管，进料支管外端与燃料总管（3）连通、内端与蜂窝状结构连通。
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