CN101324206B - 转子发动机用十字火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

一种转子发动机用十字火焰稳定器，由稳火槽和供油装置组成，供油装置位于稳火槽内；稳火槽为十字架形状，由横竖两根二维V型槽构成，可产生横跨燃烧室高度和宽度的大尺度稳定预燃级火焰；十字火焰稳定器中心位于燃烧室高位，利用强离心效应使高位预燃级火焰向低位传播，为主燃级提供稳定点火源；稳火槽前端分流罩采用倒圆结构，减小主气流的流阻损失；供油装置采用离心喷嘴或直射喷嘴供油，除了在十字火焰稳定器中心处布置燃油喷嘴外，还可以沿稳火槽布置多个喷嘴，保证预燃级火焰的联焰和扩散；该发明结构简单，能充分利用旋转强离心效应对火焰传播的影响作用，产生大尺度稳定火焰，提高转子发动机燃烧室的燃烧稳定性和燃烧效率。

Description

转子发动机用十字火焰稳定器

技术领域

本发明涉及一种转子发动机的火焰稳定装置，能在旋转强离心力场中为主燃级提供大尺度的稳定点火源，保证高速旋转条件下能够稳定高效燃烧的火焰稳定装置——十字火焰稳定器。

背景技术

国外目前已研制出一种集冲压发动机技术和燃气涡轮发动机技术为一体的新概念发动机一冲压转子发动机。该种发动机可分为两类：一类冲压转子发动机是采用冲压转子压缩空气，其后紧跟燃烧室及涡轮进行燃烧和做功；另一类是在一个转子上实现气体压缩、燃烧和膨胀做功。美国Ramgen公司针对这两类冲压转子发动机都进行了研究和运行试验，其主要目的还是将冲压转子发动机应用在工业燃气轮机方面提供动力，并且均采用气体燃料。

特别是第二类冲压转子发动机，它是将冲压模型、燃烧室和尾喷管安装在一个转子轮缘上组成冲压推进模块，以实现空气压缩、燃烧和膨胀做功三大功能，成为一个独立工作的转子式发动机。由于燃烧系统跟随转子高速旋转，其进口来流相对速度高，要实现高效稳定燃烧，对燃烧组织形式、可靠稳火技术以及燃气密封等提出了新的挑战。

Ramgen公司(GT-2002-30084)在转子上的燃烧室采用气体燃料(天然气+氢气)成功地实现了点火、冲压和稳定运行。为了给燃烧室提供可靠的稳火源，Ramgen公司在转子上采用三种稳定火焰方式：壁面后台阶方式，旋涡发生器+壁面后台阶方式以及灯塔火焰稳定器方式。壁面后台阶火焰稳定器是依靠台阶内的局部低速驻涡回流区形成稳定点火源，将高温燃烧产物传播到新鲜来流，以点燃剪切层，但是引燃气和主流气的掺混很差，大部分引燃气直接进入了回流区，导致该处富油熄火，在离心效应和油气浓度分布共同作用下，火焰向燃烧室中心偏移。而旋涡发生器通过产生旋涡来增强引燃气和主流的掺混而使燃烧区径向扩展，但掺混强度和燃烧稳定性需要平衡，湍流度过大可能导致熄火。灯塔稳定器能够提供灵活的供油方式，在径向明显增强燃烧强度，能够增大火焰表面积和放热率，提供更均匀的温度分布、更高的燃烧强度和燃烧室压力，但目前所采用的灯塔堵塞率过小，在燃烧区展向扩展不够充分。

转子发动机上的燃烧系统随转子高速旋转，会产生强烈的离心力场，以及随之而生的浮升力效应，这对燃料的分布以及火焰传播将产生深远影响。第二类冲压转子发动机试验研究还表明，当该发动机转速在2000rpm以上时，其离心加速度在3800g以上，随着燃烧室离心力增大和驻留时间下降，剪切层火焰稳定性变差，只有回流区内的局部驻留时间利于燃烧，而其正常工作转速达到4300rpm，此时离心加速度高达17600g。而Ramgen公司还是采用火焰传播速率较高的气体燃料，如果要采用液体燃料，例如航空煤油等，对其燃烧性能影响将更大。此外，非常重要的一点是Ramgen公司在进行转子上火焰稳定器设计的时候没有考虑到离心效应对火焰传播的影响，这导致了在高的离心加速度下预燃级的火焰在紧贴壁面的地方进行燃烧，火焰的稳定性变差，燃烧效率降低。

因此，在转子发动机上，转子转速高，气流相对马赫数达到0.2以上，燃烧室内气流具有离心力场，离心加速度达到1000g～50000g，高流速和高离心力场给燃烧室内的火焰稳定带来非常大的困难，在对火焰稳定器进行设计时，要充分考虑旋转产生的离心效应对液雾和火焰传播的影响。国内关于高位火焰稳定器的专利(专利号：200710176096.7)介绍了转子发动机用塔台式火焰稳定器，不过该转子发动机用塔台式火焰稳定器有很大的局限性：首先，它的结构比较复杂，加工要求精度高；其次，燃烧室的气流速度可调范围狭窄，内流损失较大，不能应用于高Ma数的情形；再有，所产生的预燃级火焰空间尺寸有限，不能在宽广的空间内为主燃级提供有效点火源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于转子发动机的十字火焰稳定器，充分利用旋转强离心效应对火焰传播的影响作用，产生大尺度的稳定火焰，使得燃烧的稳定性和燃烧效率得到提高，同时结构简单。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：转子发动机用十字火焰稳定器，其特征在于：由稳火槽和供油装置组成，供油装置在稳火槽内；稳火槽为十字架形状，由横竖两根二维V型槽构成，十字交叉点即十字火焰稳定器中心，其高度为稳定器整体高度的0.2～0.9，稳火槽对燃烧通道的堵塞比为0.2～0.8，这样既可获得大尺寸的稳定火焰，又可利用强离心效应使高位火焰向低位传播；供油装置与燃烧室内机匣上的供油路联接固定，稳火槽底部以及左右两侧边采用螺钉联接或焊接的方式与燃烧室内机匣固定，于是稳定器整体置于燃烧通道内，与燃烧室内机匣共同高速旋转；稳火槽顶部与燃烧室外机匣之间有一定的间隙，同时稳火槽顶部是封顶的。

所述构成稳火槽的二维V型槽角度为20°～90°，前端带倒圆分流罩；

所述十字火焰稳定器的供油装置可采用离心喷嘴供油，也可采用直射喷嘴供油，喷嘴个数1～20个，至少稳定器中心处有1个喷嘴。除了在十字火焰稳定器中心处布置燃油喷嘴外，还可以沿稳火槽布置多个喷嘴，保证预燃级火焰的联焰和扩散。

本发明的原理如下：燃烧室内空气流过十字火焰稳定器的稳火槽，在横竖两根二维V型槽后形成局部低速回流区，尤其是在十字交叉点后面形成较强的低速回流区，通过供油装置的燃油喷嘴向低速区内供应油雾，与低速回流空气掺混，可产生稳定的燃烧火焰。由于十字火焰稳定器后存在横竖两个低速回流区，并且相互交叉，低速区的燃烧火焰可以相互联焰，所形成的稳定火焰范围宽，可横跨燃烧室的整个高度和宽度区域。同时，十字火焰稳定器的中心在燃烧室中处于高位，在转子强离心力作用下，高温火焰向低位区飘溢，增加预燃级火焰的径向覆盖面积，为低位的主燃级燃料提供稳定点火源，维持主燃级燃烧，保证整个燃烧室的稳定高效燃烧。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

(1)本发明由稳火槽和供油装置组成，供油装置位于稳火槽内；稳火槽为十字架形状，由横竖两根二维V型槽构成，能在横竖两个方向上产生横跨燃烧室高度和宽度的大尺度的稳定预燃级火焰，覆盖面积大；十字火焰稳定器中心位于燃烧室高位，利用强离心效应使高位预燃级火焰向低位传播，为主燃级提供稳定点火源；

(2)本发明的转子发动机用的十字火焰稳定器，充分利用转子高速旋转产生的离心力效应，使高温火焰在径向上扩散传播，大大增加火焰表面积和放热率，保证燃烧室的燃烧稳定性，提高燃烧效率；

(3)本发明的转子发动机用的十字火焰稳定器，可根据不同要求在稳火槽内的不同位置同时或单独供油，使燃烧室的工作状态得以调整，有利于充分发挥燃烧室的性能；同时供油装置采用离心喷嘴或直射喷嘴供油，除了在十字火焰稳定器中心处布置燃油喷嘴外，还可以沿稳火槽布置多个喷嘴，保证预燃级火焰的联焰和扩散；

(4)本发明的转子发动机用的十字火焰稳定器，迎风面上采用了分流处理，流阻小，从而减小了发动机的气动热力损失；

(5)本发明的转子发动机用的十字火焰稳定器结构简单，加工容易，成本低；

(6)本发明的稳火槽前端分流罩采用倒圆结构，减小主气流的流阻损失。

该发明结构简单，能充分利用旋转强离心效应对火焰传播的影响作用，产生大尺度稳定火焰，提高转子发动机燃烧室的燃烧稳定性和燃烧效率。

附图说明

图1为本发明的十字火焰稳定器在转子发动机上的工作示意图；

图2为本发明的十字火焰稳定器的前视图；

图3为本发明的十字火焰稳定器的侧视图；

图4为本发明的十字火焰稳定器的后视图；

图5为本发明的十字火焰稳定器整体结构三维立体图；

图6为本发明的十字火焰稳定器中稳火槽前视图；

图7为本发明的十字火焰稳定器中稳火槽侧视图；

图8为本发明的十字火焰稳定器离心喷嘴供油装置三维立体图；

图9为本发明的十字火焰稳定器直射喷嘴供油装置三维立体图。

其中：1是燃烧室主流气流，2是油雾，3是预燃级火焰，4是主燃区，5是燃油供给，6是燃烧室外机匣，7是燃烧室内机匣，8是十字火焰稳定器，9是稳火槽，10是供油装置，11是稳火槽宽度，12是稳火槽角度，13是稳火槽长度，14是十字火焰稳定器宽度，15是十字火焰稳定器整体高度，16是十字火焰稳定器中心高度，17是燃油喷嘴横向间距，18是燃油喷嘴纵向间距，19是稳火槽顶部，20是稳火槽底部，21是稳火槽左侧边，22是稳火槽右侧边，23是稳火槽分流罩，24是离心喷嘴燃油总管，25是离心喷嘴，26是离心喷嘴安装垫片，27是离心喷嘴安装座，28是直射喷嘴燃油总管，29是直射喷嘴孔。

具体实施方式

如图1所示，根据转子发动机的不同设计，燃烧室外机匣6是固定不动或者旋转的，而燃烧室内机匣7与发动机转子一同以角速度ω旋转。燃烧室主流气流1以一定的相对速度流入燃烧室，目前典型转子发动机中该气流的相对马赫数在0.2以上。燃烧室主流气流1流经十字火焰稳定器8，在其后方形成局部低速回流区，通过燃油供给5向十字火焰稳定器8供入燃油，并以油雾2的形式喷入低速回流区，进行油气掺混，形成稳定的预燃级火焰3。由于整个燃烧室随转子一同旋转，将参考坐标系固定在转子上，则在转子轮缘上的燃烧室内存在离心力场，其离心加速度为G＝Rω²。由于该离心力场的存在，会使气流在径向上产生压力梯度，进而对高温燃气产生浮升力效应，使预燃级火焰3从高位向内半径的低位区飘溢，加强了火焰的径向传播，也与从低位区喷射出来的主燃级燃料产生交叉掺混，有利于点燃并稳定燃烧，主要燃烧过程在主燃区4完成。

如图2、图3、图4、图5所示，本发明的十字火焰稳定器8由稳火槽9和供油装置10组成，供油装置10可以采用焊接的方式固定在稳火槽9内。十字火焰稳定器宽度14与转子发动机的燃烧室宽度一致，而十字火焰稳定器整体高度15比燃烧室高度略小，原因是保证十字火焰稳定器8与燃烧室外机匣6之间有一定的间隙，防止两者在相对运动中碰触。稳火槽9为十字架形状，由横竖两根二维V型槽构成，十字交叉点即十字火焰稳定器的中心，如图6、7所示。十字火焰稳定器中心高度16为十字火焰稳定器整体高度15的0.2～0.9倍，保证稳定器中心位于燃烧室的高位，利用强离心效应使高位预燃级火焰3向低位传播。构成稳火槽9的二维V型槽角度称为稳火槽角度12，该角度范围从20°到90°。稳火槽9的前端是带倒圆的稳火槽分流罩23，倒圆半径1～10mm，可以减小流动损失。稳火槽宽度11可根据稳火槽9对燃烧通道的堵塞比来确定，该堵塞比为0.2～0.8，以获得大尺寸的稳定火焰。稳火槽宽度11和稳火槽角度12确定后，稳火槽长度13即可通过计算确定，但要注意油雾2不能直接喷射到稳火槽上。供油装置10与燃烧室内机匣7上的供油路联接固定，稳火槽底部20、稳火槽左侧边21和稳火槽右侧边22与燃烧室内机匣7焊接固定，十字火焰稳定器8就通过三点与燃烧室内机匣7完全固定，一同旋转。实际上，稳火槽9的结构非常简单，可用高温合金薄板整体冲压成型；或者先将高温合金薄板冲压成二维V型槽，再切割焊接而成。高温合金薄板的厚度不宜太厚，0.5～2mm即可。稳火槽顶部19与燃烧室外机匣6之间有1～10mm的间隙，保证十字火焰稳定器8旋转时不与燃烧室外机匣6接触，同时稳火槽顶部19用高温合金薄板封顶，防止顶部气流进入稳火槽扰乱流场，影响稳火效果。供油装置10上的喷嘴个数1～20个，以十字火焰稳定器8所产生的预燃级火焰3能否在横竖两个方向上联焰并覆盖尽可能大的区域为依据，选择喷嘴个数、燃油喷嘴横向间距17以及燃油喷嘴纵向间距18，一般来说十字火焰稳定器8的燃油喷嘴在整个燃烧室的高度和宽度上均匀分布。十字火焰稳定器8中心处的喷嘴是最重要的一个喷嘴，关系到横竖两根V型槽的火焰交叉联焰，并且该火焰稳定器中心也是最稳定的区域，对其燃烧稳定性很重要，因此中心处的喷嘴不可或缺。

供油装置10可采用离心喷嘴供油，如图8所示，由离心喷嘴燃油总管24，离心喷嘴25和离心喷嘴安装垫片26组成，离心喷嘴25与离心喷嘴燃油总管24之间采用螺纹联接，因此离心喷嘴燃油总管24上带离心喷嘴安装座27，离心喷嘴25可根据燃油流量和供油压力选择具体的型号，具有良好的雾化效果。当然，供油装置10也可采用直射喷嘴供油，如图9所示，这样结构更加简单，它实际上就简化为开有直射喷嘴孔29的直射喷嘴燃油总管28，由于十字火焰稳定器8随转子一同旋转，直射喷嘴供油方式具有一定的甩油盘特性，在转速较高的情况下也能产生雾化效果良好的油雾。

Claims (6)

1.转子发动机用的十字火焰稳定器，其特征在于：所述十字火焰稳定器(8)由稳火槽(9)和供油装置(10)组成；供油装置(10)在稳火槽(9)内，所述的稳火槽(9)为十字架形状，由横竖两根二维V型槽构成，十字交叉点即十字火焰稳定器(8)的中心，所述的供油装置(10)采用离心喷嘴或者直射喷嘴供油，至少在十字火焰稳定器(8)的中心处有1个喷嘴；十字火焰稳定器中心高度(16)为十字火焰稳定器整体高度(15)的0.2～0.9倍，稳火槽对燃烧通道的堵塞比为0.2～0.8；供油装置(10)与燃烧室内机匣(7)上的供油路联接固定，稳火槽底部(20)、稳火槽左侧边(21)和稳火槽右侧边(22)与燃烧室内机匣(7)固定；稳火槽顶部(19)与燃烧室外机匣(6)之间有间隙，并且稳火槽顶部(19)采用封顶的形式。

2.根据权利要求1所述的转子发动机用的十字火焰稳定器，其特征在于：沿所述的稳火槽(9)布置多个喷嘴，保证预燃级火焰的联焰和扩散。

3.根据权利要求1所述的转子发动机用的十字火焰稳定器，其特征在于：所述的稳火槽(9)的二维V型槽角度(12)为20°～90°，并且前端的稳火槽分流罩(23)具有倒圆结构，以减小主气流的流阻损失。

4.根据权利要求3所述的转子发动机用的十字火焰稳定器，其特征在于：所述倒圆结构的倒圆半径为1～10mm。

5.根据权利要求1所述的转子发动机用的十字火焰稳定器，其特征在于：所述的十字火焰稳定器(8)的宽度(14)与转子发动机的燃烧室宽度一致，而十字火焰稳定器整体高度(15)比燃烧室高度略小。

6.根据权利要求1所述的转子发动机用的十字火焰稳定器，其特征在于：所述的稳火槽顶部(19)与燃烧室外机匣(6)之间的间隙为1～10mm。

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