CN102878579A

CN102878579A - 一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室

Info

Publication number: CN102878579A
Application number: CN2012103846713A
Authority: CN
Inventors: 林宇震; 林培华; 张弛; 张龙
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: CN102878579B

Abstract

一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，采用环形回流结构，由燃烧室机匣、火焰筒壁、燃烧室出口处和环形多孔介质头部四部分构成；空气流经过发动机离心压气机压缩后进入本燃烧室的环腔通道，而后与横向喷射进来的气体燃料混合；预混气经火焰筒壁面预热后，回流经环形多孔介质头部进入火焰筒，而后实现稳定点火；整个混合气燃烧过程在火焰筒中完成，由其后的燃烧室出口处排出高温燃气；随后高温燃气在冲击发动机涡轮叶片做功后，经尾喷管排向大气。燃烧室机匣、火焰筒壁和燃烧室出口处之间采用螺栓连接，并且在各自的环边涂抹高温胶，保证密封。本发明可以最大程度的适应和发挥环形多孔介质头部火焰稳定的特点与优势，改善超微小型燃烧室易于熄火的状况，从而可靠稳定地为超微小型涡喷发动机工作。

Description

一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧室，特别涉及一种超微涡喷发动机的燃烧室。

背景技术

随着MEMS技术的发展，实现超微涡喷发动机的研制成为可能，这种动力装置具有体积小、质量轻、功率密度高的特点，在微型飞行器上将大有应用前景。

微型飞行器在军事和民用方面的应用前景，已经日益引起人们的关注。在军事方面，微型飞行器可以装备到排一级士兵，进行低空军事侦察、监视、战场损伤评估等；作为反辐射和微型攻击武器，摧毁敌方雷达等电子设施以及携带微型战斗部进行攻击；用于目标搜索和通信中继；进行生化探测，并标定危险区域等。在民用方面，微型飞行器可以用于交通监控、边境巡逻、森林及野生动植物勘测、航空摄影、输电线路检查、环境监测、气象监测、森林防火监测等。

动力系统是微型飞行器的关键设备，在极小的体积内储存大量能量，为微型飞行器提供驱动力。目前已有的微型飞行器，其动力部分占整个装置重量的大部分，成为微型飞行器小型化的制约因素。化学电池系统简单、可靠，是目前微型飞行器上应用最多的能源。但是化学电池能量密度和功率密度低，采用化学电池作为能源的微型飞行器普遍存在航程和续航时间短、飞行机动性差的问题。而超微涡喷发动机是基于燃料燃烧的微型动力装置，此类动力装置具有高功率密度和高能量密度的特点，将弥补化学电池的不足。

超微涡喷发动机燃烧室是超微涡喷发动机的重要部件，相对常规燃烧室而言，超微涡喷发动机燃烧室热量损失高，燃气停留时间短，这将导致燃烧室燃烧效率低、火焰稳定性较差。根据掌握的公开文献来看，目前正在研制的超微涡喷发动机燃烧室设计没有较好地解决这些问题。因此，必须根据微尺度燃烧的特点，设计一种能够相对高效稳定燃烧并且加工方便的超微涡喷发动机燃烧室，这正是本发明所解决的技术问题。

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，提供一种超微涡喷发动机燃烧室，对超微涡喷发动机燃烧室的气流分配和结构进行全新设计，最大程度的适应微尺度燃烧的特点与优势，提高燃烧室的燃烧效率和火焰稳定性，并且便于加工。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，采用气体燃料，在微尺度空间内组织燃烧，其特征在于：将燃烧室置于发动机后部，采用环形回流结构，燃烧室主要由燃烧室机匣、火焰筒壁、燃烧室出口处和环形多孔介质头部构成；燃烧室机匣、火焰筒壁和燃烧室出口处采用氧化铝陶瓷材料烧结而成，它们之间的静态位置如图1所示；燃烧室机匣结构如图2所示，包含外环和内环两部分，燃烧室机匣内环包含的空间是排气通道；放置于燃烧室机匣的内环和外环之间的是火焰筒壁，结构如图3所示，火焰筒壁和燃烧室机匣的外环之间是进气通道，火焰筒壁和燃烧室机匣的内环之间是燃烧空间；在燃烧室机匣和火焰筒壁一侧的是燃烧室出口处，结构如图4所示，燃烧室机匣、火焰筒壁和燃烧室出口处三者各有两个安装耳环，三者在安装耳环处采用螺栓连接，并且连接时在各自的安装环边和涂抹高温胶，保证密封；环形多孔介质头部置于火焰筒壁和燃烧室机匣内环之间的另外一侧，用火焰筒壁的小凸台和定位卡环定位；空气经离心压气机压缩后进入本燃烧室的进气通道，从燃料喷射孔横向喷射气体燃料进入燃烧室进气通道，气体燃料与流经环形多孔介质头部的空气预混后进入燃烧空间，经安装在火焰筒的点火孔上的点火装置点火后在环形多孔介质头部表面形成表面火焰；火焰筒壁上开有两排孔，分别为主燃孔和掺混孔，用于燃烧室空气进气分级，流经主燃孔的空气参与组织燃烧，流经掺混孔的空气与燃烧后的高温燃气混合，保证燃烧室出口燃气温度分布符合涡轮性能要求；环形多孔介质头部出口到主燃孔之间的区域为主燃区，主燃孔到掺混孔之间的区域为燃烧区，掺混孔到燃烧室出口处之间的区域为掺混区；出口燃气在冲击发动机涡轮叶片作功后，经排气通道排向大气。

所述燃烧室机匣、火焰筒壁和燃烧室出口处利用模具烧结氧化铝陶瓷加工而成，可以耐高温防止被烧化，从而燃烧室设计可以不用单独考虑冷却问题。环形多孔介质头部是由不锈钢金属粉末烧结而成，可以在专业的公司订做。

所述燃烧室进入燃烧室进气通道的空气量与气体燃料量之间的油气比范围0.01~0.1。

所述燃烧室在环形多孔介质头部出口附近，空气与气体燃料的当量比范围1.2~1.8，保证头部富油燃烧；主燃区空气与气体燃料的当量比范围0.8~1.1，保证主燃区高效稳定燃烧，主燃区的空气量是流经环形多孔介质头部的空气量与流经主燃孔的空气流量一半之和；燃烧区油气当量比范围0.6~0.8，保证补燃的需要，燃烧区的空气量是流经环形多孔介质头部的空气量与流经主燃孔的空气量之和；掺混区油气当量比范围0.2~0.6，保证燃烧室出口处燃气温度满足燃烧室性能要求，掺混区的空气量是流经环形多孔介质头部的空气量、流经主燃孔的空气量及流经掺混孔的空气量之和。

所述燃烧室流经环形多孔介质头部的空气量占进入燃烧室进气通道的空气量的10%~30%；流经主燃孔的空气量占进入燃烧室进气通道的空气量的10%~30%；流经掺混孔的空气量占进入燃烧室的进气通道空气量的40%~70%。

所述燃烧室环形多孔介质头部长度与火焰筒壁长度之间的比例为0.1~0.3；主燃区长度与火焰筒壁长度之间的比例为0.15~0.3；燃烧区长度与火焰筒壁长度之间的比例为0.15~0.35；掺混区长度与火焰筒壁长度之间的比例为0.3~0.5。

所述燃烧室主燃孔开孔个数为2~6个；掺混孔开孔个数为6~10个。

本发明的工作原理：燃烧室采用分区燃烧，空气分别从从环形多孔介质头部、主燃孔和掺混孔进入燃烧空间。气体燃料通过燃烧室机匣外环燃料喷射孔喷射进入燃烧室进气通道，空气和气体燃料在燃烧室进气通道及环形多孔介质头部里充分预混，以备燃烧。点火成功后，预混气在燃烧室进气通道及环形多孔介质头部里还可以被预热。头部出口附近的油气比设计成富油燃烧，保证可靠稳定地点火；主燃区的油气比设计应保证气体燃料与空气高效稳定燃烧；燃烧区的油气比设计应保证气体燃料与空气充分完全地燃烧。掺混区的设计油气比应使燃烧室出口温度满足涡轮进口要求。同时，主燃区、燃烧区长度必须保证燃气有足够的驻留时间，确保完全燃烧，但驻留时间又不能太长，以减少燃烧室的长度从而减轻燃烧室重量。掺混区的长度和掺混孔设计则主要是要保证掺混孔射流与上游燃气充分掺混，不至出现明显热斑，燃烧室出口温度分布满足涡轮进口要求。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

（1）本发明的燃烧室采用气体燃料，与液体燃料相比，这减少了雾化和蒸发时间，有利于克服超微涡喷发动机燃烧室停留时间短的不足，从而提高燃烧效率。

（2）本发明采用环形回流结构，在进气通道对气体燃料和空气进行预混和预热，并且在火焰筒进气端面采用环形多孔介质头部，改变通常的局部喷入可燃气方式，为预混气经过环形多孔介质头部均匀进气，极大增强对预混气的预热。这些措施使得未燃预混气被预热的同时也减少了超微燃烧室的热损失，从而有利于提高燃烧稳定性和燃烧效率。

（3）本发明的燃烧室优化了燃烧室各区域的空气气量分配，使气体燃料在燃烧室内高效稳定燃烧，同时具有良好的点火与熄火性能。

（4）本发明采用燃烧室后置的结构，与燃烧室内置结构相比，这种结构有利于减小径向尺寸，应用在超微涡喷发动机和微型飞行器上时，有利于减小迎风面积从而降低飞行阻力；这种结构将燃烧室独立出来加工，不但可以降低燃烧室本身加工难度，而且有利于降低超微涡喷发动机其它部件的加工难度，例如采用硅片刻蚀工艺加工超微涡喷发动机其它部件时，可望减少硅片层数；可以安装拆卸，便于维护，应用方式灵活；在控制超微涡喷发动机重量的前提下，更易于增加燃烧室的长度，有利于解决燃烧室停留时间短的问题。。

（5）本发明的燃烧室主体（燃烧室机匣、火焰筒壁和燃烧室出口处）材料为氧化铝陶瓷，可以耐高温防止被烧化，从而燃烧室设计可以不用单独考虑冷却问题。

附图说明

图1为本发明的燃烧室结构示意图；

图2a为本发明的燃烧室机匣结构右视图；

图2b为本发明的燃烧室机匣结构剖视图；

图2c为本发明的燃烧室机匣结构俯视图；

图3a为本发明的火焰筒壁结构剖视图；

图3b为本发明图3a中的A-A面剖视图；

图4a为本发明的燃烧室出口处结构主视图；

图4b为本发明图4a中A-A面剖视图；

图中：1离心压气机示意，2燃烧室机匣，3火焰筒壁，4环形多孔介质头部，5定位卡环，6燃烧室出口处，7涡轮，8环形多孔介质头部长度，9排气通道，10进气通道，11燃烧空间，12燃料喷射孔，13主燃孔，14掺混孔，15安装耳环，16火焰筒壁安装接触面，17火焰筒壁长度，18主燃区长度，19燃烧区长度，20掺混区长度，21小凸台，22燃烧室出口处安装接触面，23点火孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明实施例的环形多孔介质头部的超微涡喷发动机燃烧室，采用乙炔作为气体燃料，由燃烧室机匣2、火焰筒壁3、燃烧室出口处6和环形多孔介质头部4构成，燃烧室机匣2,、火焰筒壁3和燃烧室出口处6采用氧化铝陶瓷材料烧结而成。

如图2a，图2b、图2c所示，燃烧室机匣2包含外环和内环两部分，燃烧室机匣2内环包含的空间是排气通道9；放置于燃烧室机匣2的内环和外环之间的是火焰筒壁3，结构如图3a,图3b,所示，火焰筒壁3和燃烧室机匣2的外环之间是进气通道10，火焰筒壁3和燃烧室机匣2的内环之间是燃烧空间11；在燃烧室机匣2和火焰筒壁3一侧的是燃烧室出口处6，结构如图4a，图4b所示，燃烧室机匣2、火焰筒壁3和燃烧室出口处6三者各有两个安装耳环15，三者在安装耳环15处采用螺栓连接，并且连接时在各自的安装接触面，火焰筒壁安装接触面16和燃烧室出口处安装接触面22涂抹高温胶，保证密封；环形多孔介质头部4置于火焰筒壁3和燃烧室机匣2内环之间的另外一侧，用火焰筒壁3的小凸台21和定位卡环5定位；空气经离心压气机1压缩后进入本燃烧室的进气通道10，从燃烧室机匣2外环的燃料喷射孔12横向喷射乙炔气进入燃烧室进气通道10，乙炔气与流经环形多孔介质头部的空气预混后进入燃烧空间11，经安装在火焰筒的点火孔23上的点火装置点火后，在环形多孔介质头部4表面形成表面火焰；火焰筒壁3上开有两排孔，分别为主燃孔13和掺混孔14，用于燃烧室空气进气分级，流经主燃孔的空气参与组织燃烧以实现混合气在主燃区的高效燃烧，流经掺混孔的空气与燃烧后的高温燃气混合，主要是保证燃烧室出口燃气温度分布符合涡轮7性能要求；出口燃气在冲击发动机涡轮7叶片做功后，经排气通道9排向大气。

火焰筒壁3和燃烧室出口处6的材料采用氧化铝陶瓷，可以耐高温防止被烧化；燃烧室机匣2的材料也采用氧化铝陶瓷；环形多孔介质头部4采用不锈钢金属粉末烧结而成。

进入燃烧室进气通道的空气量为0.5~2g/s，乙炔气量为0.01~0.05g/s，在环形多孔介质头部4出口附近，空气与乙炔气的当量比设计为1.3~1.7，保证可靠稳定点火；主燃区空气与乙炔气的当量比设计为0.8~1，保证混合气高效稳定地燃烧；燃烧区空气与乙炔气的当量比设计为0.5~0.8，保证混合气充分完全地燃烧；掺混区空气与乙炔气的当量比设计为0.2~0.5，以保证燃烧后的高温燃气掺混和散热之后在燃烧室出口处的温度也能达到1100~1700K，以满足涡轮7进口要求。

环形多孔介质头部长度8设计成3~8mm；考虑到燃气要有足够的驻留时间，确保完全燃烧，但驻留时间又不能太长，以减少燃烧室的长度从而减轻燃烧室重量，主燃区长度18和燃烧区长度19分别设计为3~7mm和5~9mm；掺混区长度20设计为6~12mm，以保证掺混孔射流与上游燃气充分掺混，不至出现明显热斑；因此，考虑装配需要后，火焰筒壁长度17为20~30mm。主燃孔13开孔个数设计为3~5个，开孔直径1~2mm，以满足组织主燃区内高效稳定燃烧的需要；掺混孔14开孔个数设计为8~12个，开孔直径1~2mm，保证充分掺混使燃烧室出口温度分布满足涡轮进口要求。

本实施例的环形多孔介质头部的超微涡喷发动机燃烧室，可以具有较高的燃烧效率和燃烧稳定性，具有良好的点火与熄火性能；无冷却设计，加工难度较低，可以安装拆卸，便于维护。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，采用气体燃料，在微尺度空间内组织燃烧，所述微尺度空间是指燃烧体积小于1立方厘米，其特征在于：将所述燃烧室置于发动机后部，采用环形回流结构；所述后置燃烧室包括燃烧室机匣（2）、火焰筒壁（3）、燃烧室出口处（6）和环形多孔介质头部（4）；燃烧室机匣（2）包括外环和内环两部分，燃烧室机匣（2）内环包含的空间是排气通道（9）；火焰筒壁（3）放置于燃烧室机匣（2）的内环和外环之间，火焰筒壁（3）和燃烧室机匣（2）的外环之间是进气通道（10），火焰筒壁（3）和燃烧室机匣（2）的内环之间是燃烧空间（11）；在燃烧室机匣（2）和火焰筒壁（3）一侧是燃烧室出口处（6）；环形多孔介质头部（4）置于火焰筒壁（3）和燃烧室机匣（2）内环之间的另外一侧，用火焰筒壁（3）的小凸台（21）和定位卡环（5）定位；空气经离心压气机（1）压缩后进入所述后置燃烧室进气通道（10），从燃烧室机匣（2）外环的燃料喷射孔（12）横向喷射气体燃料进入燃烧室进气通道（10），气体燃料与流经环形多孔介质头部（4）的空气预混后进入燃烧空间（11），经安装在火焰筒的点火孔（23）上的点火装置点火后，在环形多孔介质头部（4）表面形成表面火焰；火焰筒壁（3）上开有两排孔，分别为主燃孔（13）和掺混孔（14），用于燃烧室空气进气分级，流经主燃孔的空气参与组织燃烧，流经掺混孔的空气与燃烧后的高温燃气混合，保证燃烧室出口燃气温度分布符合涡轮（7）性能要求；环形多孔介质头部（4）出口到主燃孔（13）之间的区域为主燃区，主燃孔（13）到掺混孔（14）之间的区域为燃烧区，掺混孔（14）到燃烧室出口处（6）之间的区域为掺混区；出口燃气在冲击发动机涡轮（7）叶片做功后，经排气通道（9）排向大气。

2.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：所述燃烧室机匣（2）、火焰筒壁（3）和燃烧室出口处（6）的材料为氧化铝陶瓷，能够耐高温防止被烧化。

3.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：所述燃烧室机匣（2）、火焰筒壁（3）和燃烧室出口处（6）三者各有两个安装耳环（15），三者在安装耳环（15）处采用螺栓连接，并且连接时在各自的安装接触面，火焰筒壁安装接触面（16）和燃烧室出口处安装接触面（22）涂抹高温胶，保证密封。

4.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：所述环形多孔介质头部（4）采用不锈钢金属粉末烧结而成。

5.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：所述进入燃烧室进气通道（10）的空气量与气体燃料量之间的油气比范围0.01~0.1。

6.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：在所述环形多孔介质头部（4）出口附近，空气与气体燃料的当量比范围1.2~1.8，保证头部富油燃烧，主燃区空气与气体燃料的当量比范围0.8~1.1，保证主燃区高效稳定燃烧，主燃区的空气量是流经环形多孔介质头部（4）的空气量与流经主燃孔（13）的空气量一半之和；燃烧区空气与气体燃料的当量比范围0.6~0.8，保证补燃的需要，燃烧区的空气量是流经环形多孔介质头部（4）的空气量与流经主燃孔（13）的空气量之和；掺混区空气与气体燃料的当量比范围0.2~0.6，保证燃烧室出口处（6）燃气温度满足燃烧室性能要求，掺混区的空气量是流经环形多孔介质头部（4）的空气量、流经主燃孔（13）的空气量及流经掺混孔（14）的空气量之和。

7.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：流经所述环形多孔介质头部（4）的空气量占进入燃烧室进气通道（10）的空气量的10%~30%；流经主燃孔（13）的空气量占进入燃烧室进气通道（10）的空气量的10%~30%；流经掺混孔（14）的空气量占进入燃烧室进气通道（10）的空气量的40%~70%。

8.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：所述环形多孔介质头部长度（8）与火焰筒壁长度（17）之间的比例为0.1~0.3；主燃区长度（18）与火焰筒壁长度（17）之间的比例为0.15~0.3；燃烧区长度（19）与火焰筒壁长度（17）之间的比例为0.15~0.35；掺混区长度（20）与火焰筒壁长度（17）之间的比例为0.3~0.5。

9.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：所述主燃孔（13）开孔个数为2~6个。

10.根据权利要求1所述的一种环形多孔介质头部的超微涡喷发动机后置燃烧室，其特征在于：所述掺混孔（14）开孔个数为6~10个。