CN105066174A - 一种γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Γ型头部的超微型涡喷发动机燃烧室，由燃烧室头部、火焰筒、燃烧室内机匣、以及燃烧室外机匣构成。燃烧室头部采用Γ型的烧结多孔材料，火焰筒采用高温合金材料，被压缩的空气通过燃烧室入口进入环腔通道后进行分股，一部分空气进入头部，与横向喷射进来的气体燃料掺混后，经多孔材料进入燃烧室头部空间参与燃烧；剩余部分空气通过掺混孔进入火焰筒内并与头部高温燃气混合，从而达到调节燃烧室出口温度的目的；燃烧并掺混后的高温燃气冲击涡轮做功后，通过尾喷管排向大气产生推力。本发明能够保证燃烧室在足够小的空间内实现稳定燃烧，同时具有工作范围宽、燃烧效率高、热损失小的特点，从而能够可靠的应用于超微型涡喷发动机。

Description

一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室

技术领域

本发明涉及一种超微涡喷发动机燃烧室，特别涉及一种Γ型多孔介质头部的超微涡喷发动机燃烧室。

背景技术

近年来，微型飞行器在军事和民用方面广阔的应用前景，已经日益引起人们的关注。军事方面，微型飞行器用来进行低空军事侦察、监视、战场损伤评估等；而在民用方面，微型飞行器还可以用于交通监控、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。

微型飞行器的动力系统需要在较小的体积下，持续稳定的为飞行器提供动力，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，这成为微型飞行器小型化的制约因素，也就使得动力系统成为微型飞行器的关键。化学电池系统简单、可靠，但是其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等问题。而采用太阳能作为动力源，不仅功率有限又容易受到天气条件的限制。随着MEMS技术的发展，使得基于燃料燃烧的微型动力装置成为可能，此类动力装置同时具有高功率密度和高能量密度的特点，应用前景广泛。

基于燃料燃烧的微型动力装置的特征尺度一般为几毫米到几十毫米，这就使得相对常规燃烧室而言，微型动力装置的燃烧室燃气停留时间短，热量损失高，这将导致燃烧室燃烧效率低、火焰稳定性差。所以，如何保证燃料的燃烧效率以及如何避免热损失过大而导致的不稳定燃烧是开发和设计微型燃烧器的难点。

多孔介质燃烧技术以其独特的燃烧方式可以有效地保证燃烧的稳定性。使用多孔介质作为燃烧室头部，可以有效的解决微小型发动机稳定燃烧的问题。因此，根据微尺度燃烧的难题以及多孔介质燃烧的技术特点，设计一种能够相对高效稳定燃烧的超微涡喷发动机燃烧室，正是本发明所要解决的技术问题。

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Γ型多孔介质头部的超微涡喷发动机燃烧室，根据微尺度燃烧的特性以及多孔介质燃烧技术的特点，对超微涡喷燃烧室头部结构进行全新设计，最大程度的适应和发挥多孔介质燃烧技术的特点与优势，提高燃烧室的燃烧效率和稳定性并降低散热损失。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，采用气体燃料，其特征在于：燃烧室采用回流结构并置于转子后部；包括燃烧室Γ型头部、火焰筒、燃烧室内机匣以及燃烧室外机匣，头部为Γ型；燃烧室Γ型头部采用烧结多孔材料，具有一定的透气率，通过选取不同孔径和空隙率的多孔材料，可以保证燃烧室设计的压降要求；火焰筒采用高温合金材料并同燃烧室Γ型头部焊接在一起，其上面开有掺混孔，通过改变掺混孔有效面积可以改变燃烧室气量分配，调节出口温度；燃烧室内机匣采用高温陶瓷材料，同时充当尾喷管；燃烧室外机匣采用金属材料，其上开有燃料喷射孔，用于供应气体燃料，燃料通过喷射孔横向喷射到环腔中同空气混合；燃烧室采用点火针点火；由于燃烧室Γ型头部多孔介质材料具有较大的表面积，故有效降低了混合气流经燃烧室Γ型头部时，在多孔介质材料表面的流速，使得多孔介质表面能够形成稳定的平面火焰；与此同时，混合气流经多孔介质材料进入燃烧室头部时，与多孔介质材料的强烈的换热作用，不仅有效的降低了燃烧室Γ型头部的温度，减少了散热损失，同时还预热了混合气，使得燃烧室能够工作在更宽的工况范围内。

所述的燃烧室Γ型头部采用烧结多孔材料，包括不锈钢、铜、镍基金属多孔材料，颗粒分布均匀，具有一定的透气率。

所述的燃烧室头部采用Γ型结构，Γ型多孔介质头部轴向长度同Γ型多孔介质头部径向半径的比值在0.3～5之间。

所述的燃烧室Γ型头部采用烧结多孔材料的壁面厚度在0.5mm～4mm之间，同时头部不同部分的多孔材料厚度可以不同。

所述的燃烧室Γ型头部采用烧结多孔材料的孔隙率在10％～50％之间，同时头部不同部分多孔材料的空隙率可以不同；极限情况下，Γ型头部的径向环形部分或是轴向筒形部分可以完全不透气。

所述的燃烧室，流经燃烧室Γ型头部的空气量占总气量的10％～80％。

所述的燃烧室，流经燃烧室Γ型头部的混合气的当量比在0.5～1.3之间。

本发明的工作原理：燃烧室进行空气分股，空气分别从Γ型多孔介质头部和掺混孔进入燃烧空间内。气体燃料通过燃烧室外机匣上的燃料喷射孔横向喷射进入环腔并与燃烧室头部空气混合，通过Γ型多孔介质头部进入燃烧空间内。燃烧室点火后，通过Γ型多孔介质头部进入燃烧空间的混合气在多孔介质表面形成稳定的平面火焰。多孔介质与混合气的换热作用，不仅能够降低燃烧室多孔介质头部的温度，减少散热损失，同时还能够对混合气起到预热作用，提高燃烧室稳定工作的工况范围。燃烧室的总当量比由涡轮前温度确定，而燃烧室头部当量比的设计要在保证稳定燃烧以及较高燃烧效率的同时，满足燃烧室调节比的要求。燃烧室Γ型头部的长度由燃烧室头部气流量决定，掺混孔和总压力降的设计，应该保证掺混孔射流穿透燃烧室，进而保证燃烧室出口较为均匀的温度分布。

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Γ型多孔介质头部，增大了多孔介质的表面积，降低了混合气流过多孔介质表面时的速度，使得燃烧室工作时能在多孔介质表面形成稳定的平面火焰，提高了燃烧室的稳定性以及燃烧室的燃烧效率。

(2)本发明的燃烧室采用Γ型多孔介质头部以及回流结构，在进气通道对气体燃料和空气进行预混和预热，混合气流经多孔介质材料进入燃烧室头部时，同多孔介质材料强烈的换热作用，不仅有效的降低了燃烧室头部的温度，减少了散热损失，同时还预热了混合气，使得燃烧室能够工作在更宽的工况范围内。

(3)本发明的燃烧室对空气进行分股，从而在满足燃烧室出口温度要求的前提下，保证了燃烧室头部工作在合适的当量比下，从而使得燃烧室内能够实现高效稳定燃烧，同时具有良好的点火与熄火性能。

附图说明

图1为本发明的燃烧室结构示意图；

图2为本发明的燃烧室布置位置示意图；

图3为本发明的燃烧室Γ型多孔介质头部结构剖视图；

图4为本发明的燃烧室火焰筒结构示意图；

图5为本发明的燃烧室内机匣结构示意图；

图6为本发明的燃烧室外机匣结构示意图；

图7为本发明的燃烧室安装方式示意图；

图中：1为燃烧室进口，2为火焰筒，3为掺混孔，4为点火针，5为燃烧室Γ型头部，6为燃烧室内机匣，7为燃烧室外机匣，8为环腔，9为燃料喷射孔，10为尾喷管，11为燃烧室出口，12为压气机，13为涡轮，14为Γ型多孔介质头部轴向长度，15为Γ型多孔介质头部径向半径。

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。

本实施例所述的一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，使用甲烷气体燃料，头部为Γ型，采用回流结构并置于转子后部，燃烧室布置方式以及气路如图2所示。这种布置方式有利于减小发动机径向尺寸，同时这种结构将燃烧室独立出来，有效降低了燃烧室的设计和加工难度。

如图1所示，燃烧室由燃烧室Γ型头部5、火焰筒2、燃烧室内机匣6及燃烧室外机匣7构成，火焰筒2、燃烧室内机匣6和燃烧室外机匣7可以通过如图7所示的安装耳螺栓连接，也可采用在接触面涂抹高温胶连接密封；压缩空气经环腔8进入燃烧室后进行分股，分别从燃烧室Γ型头部5和掺混孔3进入燃烧空间内。一部分空气进入燃烧室头部，气体燃料通过燃烧室外机匣7上的燃料喷射孔9横向喷射进入环腔8并与燃烧室头部空气混合，通过燃烧室Γ型头部5进入燃烧空间内。燃烧室采用点火针4点火；燃烧室点火后，通过燃烧室Γ型头部5进入燃烧空间的混合气在多孔介质表面形成稳定的平面火焰。剩余的另一部分空气通过掺混孔3进入燃烧空间内，并与头部高温燃气混合，调节燃烧室出口温度。

如图3所示，燃烧室Γ型头部5采用烧结不锈钢粉末多孔材料，孔隙率为20％～30％，厚度为1mm～2mm。燃烧室Γ型头部5轴向长度14为5mm～10mm，径向半径15为3mm～6mm。头部流量占燃烧室总流量的40％～60％，头部当量比在0.5～1.2。

如图4所示，火焰筒2采用高温合金材料并同燃烧室Γ型头部5焊接在一起，其上开有18～24个直径在0.5mm～0.7mm的掺混孔3，通过改变掺混孔3有效面积可以改变燃烧室气量分配。

如图5所示，燃烧室内机匣6采用高温陶瓷材料，同时充当尾喷管10，尾部采用收缩结构，陶瓷材料相对于高温合金而言，具有更好的高温性能，使得燃烧室在没有冷却的条件下，可以在较长时间内可靠稳定的工作。

如图6所示，燃烧室外机匣7处于较低的温度环境，同时为了便于加工以及安装其他附件，故采用金属材料。其上开有4～8个燃料喷射孔9，用于供应气体燃料，燃料通过燃料喷射孔9横向喷射到环腔8中同空气混合。

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 (7)

1.一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，采用气体燃料，其特征在于：燃烧室采用回流结构并置于转子后部；包括燃烧室Γ型头部(5)、火焰筒(2)、燃烧室内机匣(6)以及燃烧室外机匣(7)，头部为Γ型；燃烧室Γ型头部(5)采用烧结多孔材料，具有一定的透气率，通过选取不同孔径和空隙率的多孔材料，可以保证燃烧室设计的压降要求；火焰筒(2)采用高温合金材料并同燃烧室Γ型头部(5)焊接在一起，其上开有掺混孔(3)，通过改变掺混孔(3)有效面积可以改变燃烧室气量分配，调节出口温度；燃烧室内机匣(6)采用高温陶瓷材料，同时充当尾喷管；燃烧室外机匣(7)采用金属材料，其上开有燃料喷射孔(9)，用于供应气体燃料，燃料通过喷射孔横向喷射到环腔(8)中同空气混合；燃烧室采用点火针(4)点火；由于燃烧室Γ型头部(5)多孔介质材料具有较大的表面积，故有效降低了混合气流经燃烧室Γ型头部(5)时，在多孔介质材料表面的流速，使得多孔介质表面能够形成稳定的平面火焰；与此同时，混合气流经多孔介质材料进入燃烧室头部时，与多孔介质材料的强烈的换热作用，不仅有效的降低了燃烧室Γ型头部(5)的温度，减少了散热损失，同时还预热了混合气，使得燃烧室能够工作在更宽的工况范围内。

2.根据权利要求1所述的一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，其特征在于：燃烧室Γ型头部(5)采用烧结多孔材料，包括不锈钢、铜、镍基金属多孔材料，颗粒分布均匀，具有一定的透气率。

3.根据权利要求1所述的一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，其特征在于：燃烧室Γ型头部(5)采用Γ型结构，Γ型多孔介质头部轴向长度(14)同Γ型多孔介质头部径向半径(15)的比值在0.3～5之间。

4.根据权利要求1所述的一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，其特征在于：燃烧室Γ型头部(5)采用烧结多孔材料的壁面厚度在0.5mm～4mm之间，同时头部不同部分的多孔材料厚度可以不同。

5.根据权利要求1所述的一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，其特征在于：燃烧室Γ型头部(5)采用烧结多孔材料的孔隙率在10％～50％之间，同时头部不同部分多孔材料的空隙率可以不同；极限情况下，Γ型头部的径向环形部分或是轴向筒形部分可以完全不透气。

6.根据权利要求1所述的一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，其特征在于：其中流经燃烧室Γ型头部(5)的空气量占总气量的10％～80％。

7.根据权利要求1所述的一种Γ型头部的超微涡喷发动机燃烧室，其特征在于：流经燃烧室Γ型头部(5)的混合气的当量比在0.5～1.3之间。