CN103697471A - 一种以乙醇为燃料的环形燃烧室燃气发生器 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气发生器技术领域，特别是涉及一种环形燃烧室燃气发生器。一种以乙醇为燃料的环形燃烧室燃气发生器，包括沿周向均布的若干个双油路离心喷嘴（1-0）、等离子点火电嘴（2-0）、壳体（3-0）、定位销（4-0）以及火焰筒（5-0）；其中，火焰筒（5-0）安装在壳体（3-0）内部，与壳体（3-0）同轴，两者之间形成二股腔道；双油路离心喷嘴（1-0）、等离子点火器（2-0）、定位销（4-0）分别通过壳体（3-0）与火焰筒（5-0）组合装配。该燃气发生器以空气为氧化剂，乙醇为燃料，燃气焓值高。空气极易获取，乙醇价格低廉，解决了该应用领域现有燃气发生器燃气焓值低，运行成本高的缺点。

Description

一种以乙醇为燃料的环形燃烧室燃气发生器

技术领域

本发明属于燃气发生器技术领域，特别是涉及一种环形燃烧室燃气发生器。 

背景技术

目前，用于超燃燃烧室试验设备空气加温系统、负压/真空抽负系统、激光器压力恢复系统的燃气发生器主要有： 

1）过氧化氢催化分解的单组元燃气发生器：该类燃气发生器的燃气焓值较低，引射效率不高，过氧化氢价格昂贵，且需要催化剂分解，运行成本较高。 

2）低浓度酒精/过氧化氢二组元燃气发生器：该类燃气发生器启动点火比较困难，等离子点火电嘴难以直接点燃，一般采用预燃室点火器，即首先用等离子点火电嘴点燃以氧气为氧化剂，酒精为燃料的预燃室，然后再用预燃室喷出的高能量火炬点火；此外以过氧化氢为氧化剂，过氧化氢需要催化分解，运行成本也比较高。 

3）氧气/烃类燃料/水三组元燃气发生器：该类燃气发生器设计有燃烧室和喷雾降温室，以氧气为氧化剂，水为调温剂，需要制备氧气，增加冷却水喷注调温控制系统，整个系统比较复杂，运行成本也比较高。 

以上燃气发生器的氧化剂与燃料一般采用多组阵列式二组元或三组元同轴式喷嘴供入燃烧区域，为保证燃烧稳定性，燃烧区域气流速度较低，燃烧室直径较大；燃料与氧化剂在燃烧区域进行层流或低 紊流度燃烧，燃烧速度较低，燃烧室长度较长；燃烧区域壳体内壁面与火焰直接接触，壳体需要设计水冷夹层并通入高压冷却水冷却。 

综上所述，现有燃气发生器存在燃气焓值低，点火系统繁琐、可靠性差，几何尺寸大，需配备高压冷却水系统，运行成本高等缺点。 

发明内容

1发明目的：乙醇燃料环形燃烧室燃气发生器是一种以乙醇为燃料，以若干个两级轴向旋流器与双油路离心喷嘴为头部组合的快速启动、高可靠性环形燃烧室燃气发生器，主要用于超燃燃烧室试验设备空气加温系统、负压/真空抽负系统、激光器压力恢复系统以及软着陆气囊充气装置等。 

乙醇燃料环形燃烧室燃气发生器解决了现有燃气发生器存在的诸多缺点，具有燃气焓值高、点火系统简单、可靠性高、几何尺寸小、重量轻、无需配备冷却水系统、运行成本低、燃烧效率高、使用寿命长等优点。 

2技术方案：如图1所示，1、一种以乙醇为燃料的环形燃烧室燃气发生器，包括沿周向均布的若干个双油路离心喷嘴1-0、等离子点火电嘴2-0、壳体3-0、定位销4-0以及火焰筒5-0。其中，火焰筒5-0安装在壳体3-0内部，与壳体3-0同轴，两者之间形成二股腔道；双油路离心喷嘴1-0、等离子点火器2-0、定位销4-0分别通过壳体3-0与火焰筒5-0组合装配。 

火焰筒5-0包括旋流器5-1、帽罩5-2、头部冷却结构5-3、定位套筒5-4、点火电嘴浮动套5-5、主燃孔5-6、火焰筒壁5-7、掺混 孔5-8以及分流管5-9。其中分流管5-9为锥筒结构，前端周向均布与双油路离心喷嘴1-0数目相同的支撑板，位于火焰筒5-0前端；冒罩5-2位于火焰筒壁5-7前端；旋流器5-1位于冒罩5-2与火焰筒壁5-7之间；头部冷却结构5-3位于火焰筒壁5-7之内，旋流器5-1之后；点火电嘴浮动套5-5安装在火焰筒壁5-7上，头部冷却结构5-3之后；主燃孔5-6位于火焰筒壁5-7上，点火电嘴浮动套5-5之后；掺混孔5-8位于火焰筒壁5-7后部。 

双油路离心喷嘴1-0包括喷嘴壳体2-1、旋流芯2-2、副喷口2-3以及主喷口2-4。其中喷嘴壳体2-1位于双油路离心喷嘴1-0前端；主喷口2-4位于双油路离心喷嘴1-0后端；副喷口2-3位于主喷口2-4内部；旋流芯2-2位于副喷口2-3内部，且主喷口2-4、副喷口2-3、旋流芯2-2三者同轴。 

燃气发生器原理如图2所示，压缩空气进入燃烧室后通过分流管5-9、帽罩5-2分为两路，一路通过安装在火焰筒头部的若干个旋流器5-1及头部冷却孔进入主燃区，轴向运动的气流受旋流器通道约束产生切向速度，在主燃区形成回流区，经离心喷嘴雾化的乙醇液雾与紊流空气在主燃区内快速混合燃烧生成高温燃气。另一路进入燃烧室内外环二股通道，通过火焰筒壁面上的主燃孔5-6、掺混孔5-8、冷却孔进入火焰筒，通过主燃孔进入火焰筒的空气射流一部分被卷入主燃区参与燃烧，另一部分流入火焰筒下游，通过掺混孔进入火焰筒的空气射流与高温燃气强制掺混，用于调节燃烧室出口温度分布，通过冷却孔进入火焰筒的气流在火焰筒壁面形成一层均匀的气膜保护层， 用于冷却火焰筒壁面，防止壁面烧蚀。 

旋流器是火焰筒的重要组成部分，主要作用是在主燃区形成回流区，其结构如图4所示。该旋流器为两级直叶片轴向旋流器，一级与二级之间气流旋转方向相反，一级旋流器出口带文氏管，二级旋流器出口带套筒。帽罩是曲面环形件，与火焰筒之间可用螺钉等紧固件连接，其作用是增加头部进气压差，减少压力损失。定位套筒是一个带有焊接基座的圆管，直接焊接在火焰筒外壁面上，其作用是固定火焰筒，采用前部定位，后端自由的固定方式。主燃孔带有进气斗，与火焰筒点焊连接，其作用是增加射流深度。 

喷嘴壳体结构如图6所示，与进油管焊接，与主喷口螺纹连接，其作用是形成/隔离主、副油路进油通道。旋流芯结构如图7所示，其作用是使副油路燃料产生切向速度。副喷口结构如图8所示，其作用是使主油路燃料产生切向速度，同时为副油路燃料加速喷射通道。主喷口结构如图9所示，其作用是形成主油路燃料加速喷射通道，主喷口周围均布小孔用于吹除积碳。 

3技术效果: 

该燃气发生器以空气为氧化剂，乙醇为燃料，燃气焓值高。空气极易获取，乙醇价格低廉，解决了该应用领域现有燃气发生器燃气焓值低，运行成本高的缺点。 

该燃气发生器通过安装在燃烧室头部的若干个两级轴向旋流器，在主燃区形成回流区，回流区内气流速度比较低，有利于火焰稳定，主燃区紊流度较强，有利于乙醇与空气快速混合燃烧，提高燃烧效率， 采用这种头部结构的燃烧室截面气流平均速度比较高，远高于现有采用多组阵列式二组元或三组元同轴式头部结构的燃烧室，因此燃烧室直径和长度均可大幅度减小，解决了该应用领域现有燃气发生器几何尺寸大的缺点。 

双油路离心喷嘴雾化效果较好，乙醇经离心喷嘴一次雾化后与一、二级旋流器出口的高速剪切旋转气流相互作用形成二次雾化，二次雾化后的酒精液雾在旋转气流的带动下沿气流流动轨迹运动，在电嘴附近形成一个易于被高能等离子点火电嘴点燃的燃料与空气混合微团，采用这种头部组合结构的燃烧室点火可靠性较高，多次试验结果证明点火成功率为100%，解决了该应用领域现有燃气发生器点火可靠性低的缺点。 

燃烧室头部采用冲击+气膜冷却，火焰筒壁面采用多斜孔气膜冷却技术，有效降低了燃烧室热端部件工作温度，试验结果表明火焰筒壁温不超过600℃，远低于火焰筒材料GH3039长期允许使用温度850℃，解决了该应用领域现有燃气发生器因喷雾降温或壳体水冷需要配置冷却水系统，导致系统复杂化的缺点。 

附图说明

图1为乙醇燃料环形燃烧室燃气发生器结构图； 

图2为乙醇燃料环形燃烧室燃气发生器原理图； 

图3为火焰筒结构图； 

图4为旋流器结构图； 

图5为离心喷嘴结构图； 

图6为喷嘴壳体结构图； 

图7为旋流芯结构图； 

图8为副喷口结构图； 

图9为主喷口结构图； 

图10为α、μ、ψ与流量关系曲线图； 

图11为火焰筒工程图。 

具体实施方式

下面是本发明专利具体实施方式的详细说明，给出了设计思路以及重要结构尺寸的计算方法，航空发动机主燃烧室设计领域相关技术人员可根据该方法重现本专利相关产品。 

1设计输入 

该燃气发生器设计需要已知以下参数： 

1）空气流量：W_a

2）空气压力：P_a

3）进口温度：T_in≈288K 

4）出口温度：T_out≈1100K 

2气动热力计算 

1）燃料流量W_f

$W_f=\frac{W_a}{L_0\mathrm{\α}}...1$

其中：L₀＝9为理论空气量 

α＝3为燃烧室总余气系数 

2）头部包括旋流器与头部冷却孔空气流量W_{a_dome}

$W_{a\_\mathrm{dome}}=W_a\×\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{dome}}}{\mathrm{\α}}...2$

其中：α_dome=0.6为燃烧室头部余气系数 

3）主燃区空气流量W_{a_zone}

$W_{a\_\mathrm{zone}}=W_a\×\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{zone}}}{\mathrm{\α}}...3$

其中：α_zone=1.2为燃烧室主燃区余气系数 

4）头部冷却空气流量W_{a_cool_tip}

W_{a_cool_tip}＝W_a×0.01.........................................................4 

5）旋流器空气流量W_{a_sweller}

W_{a_sweller}＝W_{a_dome}-W_{a_cool_tip}.......................................5 

6）主燃区冷却空气量W_{a_p_coolr}

W_{a_p_coolr}＝W_a×0.05.........................................................6 

7）其余冷却空气量W_{a_d_coolr}

W_{a_d_coolr}＝W_a×0.12.......................................................7 

8）主燃孔空气流量W_{a_p_hole}

W_{a_p_hole}＝2×(W_{a_zone}-W_{a_dome}-W_{a_p_coolr}).........................8 

9）掺混孔空气流量W_{a_d_hole}

W_{a_d_hole}＝W_a-W_{a_sweller}-W_{a_cool_tip}-W_{a_p_coolr}-W_{a_p_hole}-W_{a_d_coolr}

..........................................................................................9 

3火焰筒主要结构尺寸计算 

1）头部数目S 

头部数目与喷嘴数量相同，主要与总燃料流量及单个喷嘴流量相关。 

单个喷嘴流量：W_f_n=0.1±0.02kg/s。 

$S=\frac{W_f}{W_{f\_n}}$ 取整.........................................................102）燃烧室最大横截面直径D 

a）空气密度ρ_a

${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{P_a}{{\mathrm{RT}}_a}...11$

其中R=287.06为气体常数 

b）燃烧室最大横截面面积A 

$A=\frac{W_a}{V_a{\mathrm{\ρ}}_a}...12$

其中V_a为燃烧室最大横截面空气平均速度，取5～20m/s 

$D=2\×\sqrt{\frac{A}{\mathrm{\π}}}...13$

3）旋流器安装中心线直径D₃

$A\×m=\frac{\mathrm{\π}({(D_3+0.1)}^2-{(D_3-0.1)}^2)}{4}...14$

其中m取0.6～0.7 

4）火焰筒外环直径D₁

D₁＝D₃+0.1.........................................................15 

5）火焰筒内环直径D₂

D₂＝D₃-0.1.........................................................16 

6）帽罩进口内径D₄、外径D₅

$\frac{D_5^2-D_4^2}{D^2-D_5^2}=\frac{{2W}_{a\_\mathrm{dome}}}{W_a-W_{a\_\mathrm{dome}}}...17$

D₅-D₃＝D₃-D₄................................................18 

7）分流环直径D₆

$\frac{D_7^2-D_6^2}{D_6^2}=\frac{W_a-W_{a\_\mathrm{dome}}}{{2W}_a-W_{a\_\mathrm{dome}}}...19$

其中D₇为燃烧室进口直径，与进口连接设备内径相同。 

8）燃烧室出口直径D₈

燃烧室出口直径D₈一般与燃气发生器出口连接设备内径相同。 

9）主燃孔直径D₉

$D_9=2\×\sqrt{\frac{W_{a\_p\_\mathrm{hole}}}{{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\ρ}}_{a}v{\mathrm{\πn}}_1}}...20$

其中：u₁=0.8为流量系数 

v=55m/s为射流速度 

n₁为主燃孔数量，取12～48 

10）掺混孔直径D₁₀

$D_{10}=2\×\sqrt{\frac{W_{a\_d\_\mathrm{hole}}}{{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\ρ}}_{a}v{\mathrm{\πn}}_2}}...21$

其中n₂为掺混孔数量，取12～48 

11）主燃孔与旋流器出口距离L₂

L₂＝0.25(D₁-D₂)...................................................22 

12）火焰筒有效长度L₅

L₅＝2D₁...................................................23 

13）电嘴与旋流器出口距离L₁

L₁＝0.5e(D₁-D₂).........................................................24 

其中e取0.35 

14）主燃孔与第一排掺混孔距离L₃

L₃＝sD₁.........................................................25 

其中s取0.5～1 

15）第一排掺混孔与第二排掺混孔之间的距离L₄

L₄＝sD₁.........................................................26 

16）气膜冷却设计 

a）头部冷却设计 

头部采用冲击+气膜冷却结构，冲击孔孔径一般取d₁=1.5mm，均匀分布在冲击板上，气膜孔之间的孔心距不小于3倍孔径，头部冷却孔数量n₃计算公式如下： 

$n_3=\frac{4\×W_{a\_\mathrm{cool}\_\mathrm{tip}}}{{d_1}^2{\mathrm{\π\μ}}_2{\mathrm{\ρ}}_{a}v}...27$

其中冷却孔流量系数μ₂＝0.6 

b）主燃区冷却设计 

主燃区采用多斜孔气膜冷却结构，气膜冷却孔与壁面轴向夹角一般为20°～30°，每排气膜孔之间的孔心距不小于3倍孔径，排距取20mm～30mm,冷却孔数量n₄计算公式如下： 

$n_4=\frac{{4\×W}_{a\_p\_\mathrm{coolr}}}{{d_2}^2{\mathrm{\π\μ}}_2{\mathrm{\ρ}}_{a}v}...28$

其中冷却孔孔径d₂一般取1.2mm～1.5mm 

c）其余冷却设计 

其余冷却孔布置方式与主燃区冷却设计类似，冷却孔数量n₅计算公式如下： 

$n_5=\frac{{4\×W}_{a\_d\_\mathrm{coolr}}}{{d_2}^2{\mathrm{\π\μ}}_2{\mathrm{\ρ}}_{a}v}...29$

4旋流器主要结构尺寸计算 

燃烧室头部沿轴向均布的旋流器几何尺寸相同，因此只需设计单个旋流器，方法如下： 

1）旋流器通道面积A_sweller

$A_{\mathrm{sweller}}=\frac{W_{a\_\mathrm{sweller}}}{{\mathrm{v\ρ}}_a{\mathrm{\μ}}_{3}S}...30$

其中旋流器流量系数μ₃＝0.7 

2）一级旋流器流通面积A_{sweller_in}

A_{sweller_in}＝A_sweller×0.4......................................................31 

3）二级旋流器流通面积A_{sweller_out}

A_{sweller_out}＝A_sweller-A_{sweller_in}.............................................32 

4）一级旋流器轮毂内径D₁₁

D₁₁＝d₀+0.0003.........................................................33 

其中d₀为喷嘴直径 

5）一级旋流器轮毂外径D₁₂

D₁₂＝D₁₁+0.008......................................................34 

6）一级旋流器外径D₁₃

a）迎风面积

$A_{\mathrm{sweller}\_\mathrm{in}}^{/}=A_{\mathrm{sweller}\_\mathrm{in}}\÷\cos \mathrm{\β}...35$

其中β=60°为叶片安装角 

${D_{13}}^2-\frac{2}{\mathrm{\π}}{\mathrm{ntD}}_{13}-C=0...36$

其中： $C=\frac{4}{\mathrm{\π}}{A}_{\mathrm{sweller}\_\mathrm{in}}^{/}-\frac{2}{\mathrm{\π}}{\mathrm{tn}}_1(d_0+2t)+{(d_0+2t)}^2$

t=1mm为叶片厚度 

n₁为叶片数，最小数目以不可见光为准。 

7）文氏管侯道内径D₁₄

D₁₄≈D₁₂.........................................................37 

8）二级旋流器叶片出口内径D₁₅

D₁₅＝D₁₃+3.........................................................38 

9）二级旋流器叶片出口外径D₁₆

a）迎风面积

$A_{\mathrm{sweller}\_\mathrm{out}}^{/}=A_{\mathrm{sweller}\_\mathrm{out}}\÷\cos \mathrm{\β}...39$

其中β=60°为叶片安装角 

${D_{16}}^2-\frac{2}{\mathrm{\π}}\mathrm{nt}{D}_{16}-C=0...40$

其中 $C=\frac{4}{\mathrm{\π}}{A}_{\mathrm{sweller}\_\mathrm{out}}^{/}-\frac{2}{\mathrm{\π}}{\mathrm{tn}}_2(D_{15}+2t)+{(D_{15}+2t)}^2$

n₂为叶片数，最小数目以不可见光为准。 

10）一级旋流器轴向长度L₆

L₆＝k(D₁₃-D₁₂)...................................................41 

其中k取1.5～2 

11）二级旋流器轴向长度L₇

L₇＝k(D₁₆-D₁₅).........................................................42 

5喷嘴主要结构尺寸计算 

双油路离心喷嘴设计可通过两次单油路喷嘴设计实现，一般先设计副油路，然后再设计主油路，主副油路主要几何参数设计计算方法相同，这里仅给出单油路离心喷嘴主要几何参数设计计算方法，设计需要已知以下参数： 

a）燃油流量W_f，前文热力计算已得出 

b）喷雾锥角α，副油路取70°，主油路取100° 

c）供油压力P_f

d）乙醇密度ρ_f

由喷雾锥角α，查曲线图10，得出喷嘴几何特性： 

$Q=\frac{{\mathrm{\πRr}}_c}{\mathrm{\Σf}}...43$

其中：R为旋流半径 

r_c为喷口半径 

Σf为切向槽总面积 

由查的的Q，再查图10得到理论流量系数μ 

实际流量系数μ^/＝xμ................................................44 

其中x为经验系数，取值0.815～0.88 

喷口半径 $r_c=\sqrt{\frac{W_f}{360{\mathrm{\π\μ}}^{/}\sqrt{{2\mathrm{\ρ}}_f{P}_f}}}...45$

对应本文，副油路喷口半径D₁₇/2、主油路喷口半径D₂₁/2 

旋流半径R＝y×r_c................................................46 

其中y为经验系数，取2～6 

对应本文，副油路旋流半径R=R_n，主油路旋流半径R=R_m 

则由式38可计算出切向槽总面积Σf 

一般切向槽数目取4，对应本文，M=N=4 

取槽深度h,宽度b一般h/b≥1 

对应本文，副油路h=L₉，主油路b=L₈；主油路h=L₁₁,b=L₁₀

即： $\mathrm{hb}=\frac{\mathrm{\Σf}}{4}...47$

旋流室直径H＝2R+b................................................48 

对应本文，副油路H=D₁₉,主油路H=D₂₀

1）副油路燃油流量W_{f_1}

W_{f_1}＝0.4×W_f.........................................................49 

2）主油路燃油流量W_{f_2}

W_{f_2}＝W_f-W_{f_1}.........................................................50 

6材料 

表1材料表 

零部件代号	材料
		1-0	0Cr18Ni9
2-0	0Cr18Ni9
		3-0	0Cr18Ni9采购
4-0	0Cr18Ni9
		5-1	0Cr18Ni9
5-2	0Cr18Ni9
		5-3	GH3039
5-4	0Cr18Ni9
		5-5	0Cr18Ni9

[0193] 

5-6	0Cr18Ni9
		5-7	GH3039
5-9	0Cr18Ni9

Claims (2)

1.一种以乙醇为燃料的环形燃烧室燃气发生器，包括沿周向均布的若干个双油路离心喷嘴（1-0）、等离子点火电嘴（2-0）、壳体（3-0）、定位销（4-0）以及火焰筒（5-0）；其中，火焰筒（5-0）安装在壳体（3-0）内部，与壳体（3-0）同轴，两者之间形成二股腔道；双油路离心喷嘴（1-0）、等离子点火器（2-0）、定位销（4-0）分别通过壳体（3-0）与火焰筒（5-0）组合装配；

火焰筒（5-0）包括旋流器（5-1）、帽罩（5-2）、头部冷却结构（5-3）、定位套筒（5-4）、点火电嘴浮动套（5-5）、主燃孔（5-6）、火焰筒壁（5-7）、掺混孔（5-8）以及分流管（5-9）；其中分流管（5-9）为锥筒结构，前端周向均布与双油路离心喷嘴（1-0）数目相同的支撑板，位于火焰筒（5-0）前端；冒罩（5-2）位于火焰筒壁（5-7）前端；旋流器（5-1）位于冒罩（5-2）与火焰筒壁（5-7）之间；头部冷却结构（5-3）位于火焰筒壁（5-7）之内，旋流器（5-1）之后；点火电嘴浮动套（5-5）安装在火焰筒壁（5-7）上，头部冷却结构（5-3）之后；主燃孔（5-6）位于火焰筒壁（5-7）上，点火电嘴浮动套（5-5）之后；掺混孔（5-8）位于火焰筒壁（5-7）后部。

2.如权利要求1所述的一种以乙醇为燃料的环形燃烧室燃气发生器，其特征是，双油路离心喷嘴（1-0）包括喷嘴壳体（2-1）、旋流芯（2-2）、副喷口（2-3）以及主喷口（2-4）；其中喷嘴壳体（2-1）位于双油路离心喷嘴（1-0）前端；主喷口（2-4）位于双油路离心喷嘴（1-0）后端；副喷口（2-3）位于主喷口（2-4）内部；旋流芯（2-2）位于副喷口（2-3）内部，且主喷口（2-4）、副喷口（2-3）、旋流芯（2-2）三者同轴。

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