CN104832949A - 一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，主燃级直射式喷嘴由一号进油口与二号进油口、集油腔和喷射孔组成；预燃级气流诱导驻涡喷嘴有两个独立的集气室和两排喷孔，分别喷射氮气和甲烷/空气预混气；空气进入燃烧室进口后分流，分别进入主燃级流道与预燃级预混通道。主燃级直射式喷嘴将液态燃油横向喷入主燃级流道，与主燃级气流掺混。预燃级气流诱导驻涡喷嘴将甲烷/空气预混气与氮气斜向上喷入后台阶预燃级，形成驻涡，用于稳定火焰；电火花点火器位于甲烷/空气预混气喷射轨迹上，实现预燃级的点火启动；然后预燃级高温燃气引燃主燃级；本发明机械部件简单可靠，可以实现液态燃油的在更宽的来流工况范围内高效、稳定燃烧。

Description

一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室

技术领域

本发明涉及一种分级燃烧室，特别涉及一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室。

背景技术

迫于全球环境污染问题的压力，对低污染燃烧室的设计提出了更高的要求，分级燃烧室是低污染燃烧室的一种重要模式。分级燃烧室可以根据发动机功率的变化来改变燃油或空气的分配比例，使其在最合适的油气比下进行燃烧，从而最大限度的减少污染物排放。

目前分级燃烧室，主燃级喷嘴主要采用空气雾化喷嘴，利用旋流空气来使燃油雾化，此类型喷嘴的机械结构相对复杂。燃烧区主要利用旋流器来稳定火焰，即空气通过旋流器，形成强烈旋转的气流，由此产生回流区。为了提高燃烧室的性能，对空气雾化喷嘴和旋流器的设计，加工精度和机械安装提出了很高的要求。

而直射式喷嘴设计加工相对简单，它是一种燃油在一定供油压力下通过喷嘴壁上一个或多个孔喷入燃烧室的喷嘴。目前主要用于加力燃烧室、以液态碳氢燃料为主的超燃冲压发动机等。分级燃烧室则很少采用液体射流直接喷射进入横向气流进行燃烧的模式，但从低排放燃烧技术的发展趋势看，将燃油射流直接喷射是今后低排放燃烧室技术发展的趋势。

此外对于火焰稳定，除了利用旋流器等实体结构形成低速流动区外，还可以借助气动结构，如气流喷射形成驻涡等，这样就可以极大程度的简化燃烧室结构。此外借助后台阶可以形成更大的回流区，也可以较好地稳定火焰，这在超燃冲压发动机中已有研究应用。使用简单的几何构型，来诱导形成合适的回流区，可以最大限度的简小燃烧室设计和加工的复杂程度。

综上所述，直射式喷嘴，气流诱导驻涡以及后台阶稳焰，在简化分级燃烧室结构，提高燃烧室性能等方面有极好的应用前景。

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，提供一种新式的分级燃烧室，该分级燃烧室，主燃级采用燃油直射式喷嘴，将燃油横向喷入主流空气，利用在后台阶侧壁面斜向上喷射的气流形成驻涡，用以稳定预燃级火焰，进而用预燃级火焰引燃主燃级。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，主要由主燃级流道、后台阶预燃级、主燃级直射式喷嘴、预燃级气流诱导驻涡喷嘴与电火花点火器构成。主燃级直射式喷嘴由一号进油口与二号进油口、集油腔和喷射孔组成。预燃级气流诱导驻涡喷嘴有两个独立的集气室和两排喷孔，即氮气集气室与预混气集气室，氮气喷孔与预混气喷孔。空气进入燃烧室进口后分流，分别进入主燃级流道与预燃级预混通道。燃油通过进油口进入集油腔，然后由直射式喷射孔将液态燃油喷入主燃级流道，与主燃级气流掺混。甲烷气通过进气孔进入预燃级预混通道与预燃级气流掺混，形成预混气。氮气与甲烷/空气预混气分别进入氮气集气室与预混气集气室，由氮气喷孔与预混气喷孔喷入后台阶预燃级，形成驻涡，用于稳定火焰；电火花点火器位于甲烷/空气预混气喷射轨迹上，实现预燃级的点火启动；然后预燃级高温燃气引燃主燃级，实现液态燃油的在更宽的来流工况范围内高效、稳定燃烧。

其中，所述的燃烧室进口进入的气流速度为5～80m/s，预混气喷孔气流速度为5～20m/s，氮气喷孔气流速度为2.5～10m/s。

其中，所述的主燃级流道中气流与主燃级直射式喷嘴喷射燃油动量比为10～90。

其中，所述的预燃级预混通道中的空气与从进气孔进入预燃级预混通道甲烷气的体积流量之比为1.2～1.5。

其中，所述的主燃级直射式喷嘴由3～4个直径为0.5～0.7mm的喷射孔；预燃级气流诱导驻涡喷嘴有两排15～20个直径为0.9～1.1mm的喷射孔，喷射孔间距离与喷孔直径比值为6.5～7.5，喷射角度为45°～60°。

其中，所述的预燃级预混通道的进气口到燃烧室进口的距离与主燃级流道的长度的比值为0.3～0.5；主燃级直射式喷嘴到燃烧室进口的距离与主燃级流道的长度的比值为0.7～0.8。

其中，所述的后台阶预燃级高度与主燃级流道的高度比值为3～4；预混气喷孔距主燃级流道的距离与主燃级流道的高度比值为2～3；燃烧室高度与主燃级流道的高度比值为5～6；燃烧室上壁面扩张角为20°～25°。

其中，所述的预混气喷孔距后台阶预燃级端面距离与主燃级流道的高度的比值为0.1～0.15，以增加稳火。

其中，所述的电火花点火器距后台阶预燃级端面距离与预混气喷孔距后台阶预燃级端面距离的比值为6～7，以提高点火性能。

本发明的工作原理：空气进入燃烧室进口后分流，分别进入主燃级流道与预燃级预混通道。主燃级直射式喷嘴将液态燃油横向喷入主燃级流道，与主燃级气流掺混。甲烷气通入预燃级预混通道与预燃级气流掺混，形成预混气。预燃级气流诱导驻涡喷嘴将甲烷/空气预混气与氮气喷入后台阶预燃室，形成驻涡；电火花点火器位于甲烷/空气预混气喷射轨迹上，实现预燃级的点火启动；预燃级高温燃气引燃主燃级。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本发明采用气动结构来稳定火焰，即用氮气与甲烷/空气预混气来诱导后台阶驻涡进行稳焰，其几何构型简单，由于形成了稳定的涡系结构，火焰稳定效果好；

(2)本发明的预燃级使用甲烷/空气预混气，极大限度的提高了燃烧室的点火性能，同时拓宽了燃烧室工作的工况范围；

(3)本发明的主燃级采用直射式喷嘴，喷嘴结构可以保证每个喷孔的燃油喷射性能一致，喷嘴设计、加工工艺以及机械安装相对简单。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的主燃级直射式喷嘴示意图，其中图(a)为本发明的主燃级直射式喷嘴结构示意图，图(b)为本发明的主燃级直射式喷嘴剖视图；

图3为本发明的预燃级气流诱导驻涡喷嘴示意图，其中图(a)为本发明的预燃级气流诱导驻涡喷嘴结构示意图，图(b)为本发明的预燃级气流诱导驻涡喷嘴剖视图；

图中：1为燃烧室进口，2为预燃级预混通道的进气口到燃烧室进口的距离，3为主燃级直射式喷嘴到燃烧室进口的距离，4为主燃级流道的长度，5为预燃级预混通道，6为主燃级直射式喷嘴，7为集油腔，8为甲烷进气孔，9为氮气进气口，10为氮气集气室，11为预燃级气流诱导驻涡喷嘴，12为后台阶预燃级，13为主燃级流道，14为电火花点火器距后台阶预燃级端面距离，15为电火花点火器，16为预混气喷孔距后台阶预燃级端面距离，17为预混气集气室，18为燃烧室上壁面扩张角，19为预混气喷孔距主燃级流道的距离，20为主燃级流道的高度，21为后台阶预燃级高度，22为燃烧室高度，23为直射式喷射孔，24为一号进油口，25为二号进油口，26为预混气喷孔，27为氮气喷孔，28为喷射孔间距离，29为预混气喷射角度，30为氮气喷射角度。

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，本发明实施例一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，主要由主燃级流道13、后台阶预燃级12、主燃级直射式喷嘴6、预燃级气流诱导驻涡喷嘴11与电火花点火器15构成。主燃级直射式喷嘴6由一号进油口24、二号进油口25、集油腔7和喷射孔23组成。预燃级气流诱导驻涡喷嘴11有两个独立的集气室和两排喷孔，即氮气集气室10与预混气集气室17，氮气喷孔26与预混气喷孔27。空气进入燃烧室进口1后分流，分别进入主燃级流道13与预燃级预混通道5。燃油通过一号进油口24、二号进油口25进入集油腔7，然后由直射式喷射孔23将液态燃油喷入主燃级流道13，与主燃级气流掺混。甲烷气通过进气孔8进入预燃级预混通道5与预燃级气流掺混，形成预混气。氮气与甲烷/空气预混气分别进入氮气集气室10与预混气集气室17，由预混气喷孔26与氮气喷孔27喷入后台阶预燃级12，形成驻涡，用于稳定火焰；电火花点火器15位于甲烷/空气预混气喷射轨迹上，实现预燃级的点火启动；然后预燃级高温燃气引燃主燃级，实现液态燃油的在更宽的来流工况范围内高效、稳定燃烧。其中预燃级预混通道5的进气口到燃烧室进口1的距离2与主燃级流道13的长度4的比值为0.3～0.5；主燃级直射式喷嘴6到燃烧室进口1的距离3与主燃级流道13的长度4的比值为0.7～0.8；后台阶预燃级12的高度21与主燃级流道13的高度20比值为3～4；预混气喷孔27距主燃级流道13的距离19与主燃级流道13的高度20比值为2～3；燃烧室高度22与主燃级流道13的高度20比值为5～6；燃烧室上壁面扩张角18为20°～25°；预混气喷孔27距后台阶预燃级12的端面距离16与主燃级流道13的高度20的比值为0.1～0.15，以增强稳火；电火花点火器15距后台阶预燃级12的端面距离14与预混气喷孔27距后台阶预燃级12的端面距离16的比值为6～7，以提高点火性能。

如图2(a)所示，主燃级直射式喷嘴由3～4个直径为0.5～0.7mm的喷射孔23。

如图2(b)所示燃油由一号进油口24和二号进油口25进入集油腔7，然后直射式喷孔23横向注入主流通道。一号进油口24和二号进油口25分别位于两个直射式喷孔23之间，同时结合集油腔的设计，可以保证喷孔的喷射性能一致。

如图3(a)所示，预燃级气流诱导驻涡喷嘴有两排15～20个直径为0.9～1.1mm的预混气喷孔26与氮气喷孔27，喷射孔间距离28与喷孔直径比值为6.5～7.5。

如图3(b)所示，预混气喷射角度29和氮气喷射角度30为45°～60°,甲烷/空气预混气和氮气分别通过预混气喷孔26与氮气喷孔27喷入燃烧室，由于气流引射作用，气流与后台阶壁面形成驻涡，来稳定预燃级火焰。通入的氮气一方面可以冷却壁面，一方面可以加强驻涡稳定性。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：包括主燃级流道(13)、后台阶预燃级(12)、主燃级直射式喷嘴(6)、预燃级气流诱导驻涡喷嘴(11)与电火花点火器(15)；主燃级直射式喷嘴(6)由一号进油口(24)与二号进油口(25)、集油腔(7)和喷射孔(23)组成；预燃级气流诱导驻涡喷嘴(11)由两个独立的集气室和两排喷孔，即氮气集气室(10)与预混气集气室(17)，氮气喷孔(26)与预混气喷孔(27)组成；空气进入燃烧室进口(1)后分流，分别进入主燃级流道(13)与预燃级预混通道(5)；燃油通过进油口(24)(25)进入集油腔(7)，然后由直射式喷射孔(23)将液态燃油横向喷入主燃级流道(13)，与主燃级气流掺混；甲烷气通过进气孔(8)进入预燃级预混通道(5)与预燃级气流掺混，形成预混气；氮气与甲烷/空气预混气分别进入氮气集气室(10)与预混气集气室(17)，由预混气喷孔(26)与氮气喷孔(27)斜向上喷入后台阶预燃级(12)，形成驻涡，用于稳定火焰；电火花点火器(15)位于甲烷/空气预混气喷射轨迹上，实现预燃级的点火启动；然后预燃级高温燃气引燃主燃级，实现液态燃油的在更宽的来流工况范围内高效、稳定燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：燃烧室进口(1)进入的气流速度为5～80m/s，预混气喷孔(26)气流速度为5～20m/s，氮气喷孔(27)气流速度为2.5～10m/s。

3.根据权利要求1所述的一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：主燃级流道(13)中气流与主燃级直射式喷嘴(6)喷射燃油动量比为10～90。

4.根据权利要求1所述的一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：预燃级预混通道(5)中的空气与从进气孔(8)进入预燃级预混通道(5)甲烷气的体积流量之比为1.2～1.5。

5.根据权利要求1所述的一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：主燃级直射式喷嘴(6)由3～4个直径为0.5～0.7mm的喷射孔(23)；预燃级气流诱导驻涡喷嘴(11)有两排15～20个直径为0.9～1.1mm的喷射孔，喷射孔间距离(28)与喷孔直径比值为6.5～7.5，预混气喷射角度(29)和氮气喷射角度(30)为45°～60°。

6.根据权利要求1所述的一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：预燃级预混通道(5)的进气口到燃烧室进口(1)的距离(2)与主燃级流道(13)的长度(4)的比值为0.3～0.5；主燃级直射式喷嘴(6)到燃烧室进口(1)的距离(3)与主燃级流道(13)的长度(4)的比值为0.7～0.8。

7.根据权利要求1所述的一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：后台阶预燃级(12)高度(21)与主燃级流道(13)的高度(20)比值为3～4；预混气喷孔(27)距主燃级流道(13)的距离(19)与主燃级流道(13)的高度(20)比值为2～3；燃烧室高度(22)与主燃级流道(13)的高度(20)比值为5～6；燃烧室上壁面扩张角(18)为20°～25°。

8.根据权利要求1所述的一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：预混气喷孔(27)距后台阶预燃级(12)端面距离(16)与主燃级流道(13)的高度(20)的比值为0.1～0.15，以增强稳火。

9.根据权利要求1所述的一种气流诱导后台阶驻涡稳焰的分级燃烧室，其特征在于：电火花点火器(15)距后台阶预燃级(12)端面距离(14)与预混气喷孔(27)距后台阶预燃级(12)端面距离(16)的比值为6～7，以提高点火性能。