CN105371301A - 一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，主燃级直射式喷嘴由进油口、集油腔和喷射孔组成；预燃级自稳焰喷嘴包括集气室、直缝式喷口、自稳焰挡板等结构；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，与气流掺混。预燃级自稳焰喷嘴将甲烷/空气预混气斜向上喷入后台阶燃烧区，对液态燃油进行高温射流点火，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，启动预燃级点火；本发明结构简洁，工作可靠，能使液态燃油在更大范围的工作条件下稳定高效燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及一种分级燃烧室，特别涉及一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室。
背景技术
全球环境污染问题日益严峻，对航空发动机低污染燃烧室的设计提出了更高的要求，其中一种重要解决方案是分级燃烧室。这种燃烧模式可以通过改变燃油和空气的分配比例来配合发动机不同功率要求，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，然而从低排放燃烧技术的发展趋势来看，将燃油射流直接横向喷射是未来的主流方案。和空气雾化喷嘴相比，这种直射式喷嘴的设计加工相对简单。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。目前分级燃烧室应用较少。燃油横向喷射的雾化蒸发主要取决于燃油与空气的动量比，另外初始温度也有很大影响。在空气温度不变的情况下，提高燃油的初始温度，可以有效提高燃油的蒸发速率。因此将燃油预热可以提高直射式喷嘴的性能。
此外对于主燃级的火焰稳定，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，如气流喷射经过台阶低速区形成驻涡等，这样就可以极大程度的简化燃烧室结构，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。为了避免驻涡对预燃级火焰形成扰动，可以设置挡板，将主燃级和预燃级的燃烧区域分隔开，不至于相互干扰。预燃级流速较低，形成自稳焰结构，喷射出高温气体引燃主燃级，始终对主燃级燃油实行高温射流点火，帮助主燃级保持火焰。
综上所述，燃油预热的直射式喷嘴，台阶驻涡和自稳焰预燃级高温射流点火，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，主燃级采用燃油预热直射式喷嘴，将燃油横向喷入主流空气，利用在后台阶形成驻涡，用以稳定主燃级火焰；自稳焰预燃级喷射高温气体，对主燃级燃油高温射流点火，引燃主燃级。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室,其特征在于：包括主燃级流道、预燃级流道、燃油管道、燃烧区、主燃级直射式喷嘴、预燃级自稳焰喷嘴与电火花点火器；主燃级直射式喷嘴由进油口、集油腔和喷孔组成；预燃级自稳焰喷嘴由预混腔、直缝式喷口和自稳焰挡板组成；空气进入燃烧室进口后分流，分别进入主燃级流道和预燃级流道；燃油通过进油孔进入埋入燃烧室壁面的燃油管道预热，进入集油腔，然后由直射式喷孔将液态燃油横向喷入主燃级流道，与主燃级气流掺混；甲烷气通过进气孔进入预燃级流道，与预燃级空气气流掺混，进入预混腔内预混，由直缝式喷口斜向上喷出。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。燃烧区有上下两个后台阶，形成台阶驻涡，稳定主燃级火焰。自稳焰挡板隔绝后台阶驻涡的干扰，实现预燃级的自稳焰。
其中，由于预燃级和主燃级相隔绝，互不干扰，在主燃级熄灭的情况下预燃级可对其进行高温射流点火，使得这种燃烧组织模式比传统方法更加可靠、高效。
其中，所述的燃烧室进口进入的气流速度为50～100m/s，预混气喷孔气流速度为10～30m/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当量比为0.4～0.8。
其中，所述的预燃级通道中的空气与从进气孔进入预燃级通道甲烷气的质量流量之比为5～6。
其中，所述的主燃级直射式喷嘴由2～3个直径为0.4～0.6mm的喷射孔；预燃级自稳焰喷嘴有一个长20～30mm，宽1.5～2.5mm的直缝式喷口，预混气喷射角度为35°～55°。
其中，所述的预燃级气流通道空气进气口到燃烧所进口的距离与主燃级流道的长度比值为0.07～0.1；燃油通道埋入燃烧室壁面内的长度与主燃级流道长度比值为0.3～0.4；主燃级直射式喷嘴到燃烧室后台阶的距离与主燃级流道的长度的比值为0.25～0.3。
其中，所述的燃烧区下台阶高度与主燃级流道的高度比值为2.5～3.5,；燃烧区上台阶高度与主燃级流道高度比值为0.6～1；预混气喷口距主燃级流道的距离与主燃级流道的高度比值为1.5～2.5；燃烧区长度与主燃级流道长度比值为0.8～1.2。
其中，所述的预燃级自稳焰喷嘴有一自稳焰挡板，挡板长度与燃烧区下台阶高度比值为0.7～0.8，以增强稳焰性能。
其中，所述的电火花点火器位于预混甲烷\空气高温燃气喷射轨迹上，距直缝式喷嘴距离与燃烧区下台阶高度比值为0.6～0.75，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，与气流掺混。预燃级自稳焰喷嘴将甲烷/空气预混气斜向上喷入后台阶燃烧区，对液态燃油进行高温射流点火，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，启动预燃级点火；本发明结构简洁，工作可靠，能使液态燃油在更大范围的工作条件下稳定高效燃烧。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)本发明的主燃级采用燃油预热的直射式喷嘴，燃油经过燃烧室壁面的预热横向喷入射流当中，具有较好的雾化蒸发效果，弥补了普通直射式喷嘴雾化效果差的不足；
(2)本发明采用气动结构来稳定主燃级火焰，利用燃烧区上下两个后台阶驻涡进行稳焰，在一定流动条件下可以形成稳定的涡系结构，对稳定火焰有较好的效果；
(3)本发明的预燃级使用使用稳焰挡板隔绝燃烧区气流扰动的影响，拓宽了预燃级的稳定工作边界，使其能在大的工况范围内自行稳火，极大提高了燃烧室的稳定工作能力。
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为本发明的预燃级自稳焰喷嘴示意图，其中图(a)为本发明的预燃级自稳焰喷嘴结构示意图，图(b)为本发明的预燃级自稳焰喷嘴剖视图；
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为燃油通道埋入燃烧室壁面内的长度，6为燃油通道，7为预燃级流道，8为进油孔，9为主燃级流道的长度，10为主燃级直射式喷嘴到后台阶的距离，11为集油腔，12为直射式喷嘴喷射孔，13为主燃级直射式喷嘴，14为预燃级喷嘴甲烷进气孔，15为预燃级自稳焰喷嘴，16为预混腔，17为直射式喷口，18为主燃级流道高度，19为上台阶高度，20为点火器，21为预燃级自稳焰挡板，22为挡板长度，23为直缝式喷口到点火器的距离，24为直缝式喷口到主燃级流道的距离，25为下台阶高度，26为燃烧区，27为燃烧区长度。
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，本发明实现一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，包括主燃级流道4、预燃级流道7、燃油管道6、燃烧区26、主燃级直射式喷嘴13、预燃级自稳焰喷嘴15与电火花点火器20；主燃级直射式喷嘴13由集油腔11和喷孔12组成；预燃级自稳焰喷嘴15由预混腔16、直缝式喷口17和自稳焰挡板21组成；空气进入燃烧室进口1后分流，分别进入主燃级流道4和预燃级流道7；燃油通过进油孔8进入埋入燃烧室壁面的燃油管道6预热，进入集油腔11，然后由直射式喷孔12将液态燃油横向喷入主燃级流道4，与主燃级气流掺混；甲烷气通过进气孔14进入预燃级流道7，与预燃级空气气流掺混，进入预混腔16内预混，由直缝式喷口17斜向上喷出。电火花点火器20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。燃烧区有上下两个后台阶19、25，形成台阶驻涡，稳定主燃级火焰。自稳焰挡板21隔绝后台阶驻涡的干扰，实现预燃级的自稳焰。由于预燃级和主燃级相隔绝，互不干扰，在主燃级熄灭的情况下预燃级可对其进行高温射流点火，使得这种燃烧组织模式比传统方法更加可靠、高效。其中燃烧室进口1进入的气流速度为50～10m/s，预混气直缝式喷口17气流速度为10～30m/s。主燃级流道4中气流与主燃级直射式喷嘴13喷射燃油当量比为0.4～0.8。预燃级通道7中的空气与从进气孔14进入预燃级通道7甲烷气的质量流量之比为5～6。主燃级直射式喷嘴13由2～3个直径为0.4～0.6的喷射孔12；预燃级自稳焰喷嘴15有一个长20～30mm，宽1.5～2.5mm的直缝式喷口17，预混气喷射角度为35°～55°。预燃级气流通道7空气进气口到燃烧室进口1的距离2与主燃级流道4的长度9比值为0.07～0.1；燃油通道6埋入燃烧室壁面内的长度5与主燃级流道4的长度9比值为0.3～0.4；主燃级直射式喷嘴13到燃烧室后台阶的距离10与主燃级流道4的长度9的比值为0.25～0.3。燃烧区下台阶高度25与主燃级流道4的高度18比值为2.5～3.5,；燃烧区上台阶高度19与主燃级流道4的高度18比值为0.6～1；预混气喷口17距主燃级流道4的距离24与主燃级流道4的高度18比值为1.5～2.5；燃烧区26长度27与主燃级流道4长度9比值为0.8～1.2。预燃级自稳焰喷嘴15有一自稳焰挡板21，挡板长度22与燃烧区下台阶高度25比值为0.7～0.8，以增强稳焰性能。电火花点火器20位于预混甲烷\空气高温燃气喷射轨迹上，距直缝式喷嘴23距离与燃烧区下台阶高度25比值为0.6～0.75，以提高点火性能。
如图2(a)所示，主燃级直射式喷嘴13由3～4个直径为0.4～0.6mm的喷射孔。
如图2(b)所示燃油由进油口进入集油腔11，然后直射式喷孔23横向注入主流通道。。
如图3(a)所示，预燃级自稳焰喷嘴15有一道长20～30mm，宽1.5～2.5mm直缝式喷口17。
如图3(b)所示,甲烷/空气预混气进入预混腔16充分预混，由直缝式喷口17喷出，预混气喷射角度为35°～55°。喷口外有两道自稳焰挡板21，与燃烧区内的驻涡流动相隔绝，将主燃级和预燃级的流动分开，避免互相干扰，提高燃烧稳定性。
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 (10)
1.一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：包括主燃级流道(4)、预燃级流道(7)、燃油管道(6)、燃烧区(26)、主燃级直射式喷嘴(13)、预燃级自稳焰喷嘴(15)与电火花点火器(20)；主燃级直射式喷嘴(13)由集油腔(11)和喷孔(12)组成；预燃级自稳焰喷嘴(15)由预混腔(16)、直缝式喷口(17)和自稳焰挡板(21)组成；空气进入燃烧室进口(1)后分流，分别进入主燃级流道(4)和预燃级流道(7)；燃油通过进油孔(8)进入埋入燃烧室壁面的燃油管道(6)预热，进入集油腔(11)，然后由直射式喷孔(12)将液态燃油横向喷入主燃级流道(4)，与主燃级气流掺混；甲烷气通过进气孔(14)进入预燃级流道(7)，与预燃级空气气流掺混，进入预混腔(16)内预混，由直缝式喷口(17)斜向上喷出；电火花点火器(20)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，燃烧区有上下两个后台阶(19)(25)，形成台阶驻涡，稳定主燃级火焰；自稳焰挡板(21)隔绝后台阶驻涡的干扰，实现预燃级的自稳焰。
2.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：由于预燃级和主燃级相隔绝，互不干扰，在主燃级熄灭的情况下预燃级可对其进行高温射流点火，使得这种燃烧组织模式比传统方法更加可靠、高效。
3.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：燃烧室进口(1)进入的气流速度为50～100m/s，预混气直缝式喷口(17)气流速度为10～30m/s。
4.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：主燃级流道(4)中气流与主燃级直射式喷嘴(13)喷射燃油当量比为0.4～0.8。
5.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：预燃级通道(7)中的空气与从进气孔(14)进入预燃级通道(7)甲烷气的质量流量之比为5～6。
6.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：主燃级直射式喷嘴(13)由2～3个直径为0.4～0.6的喷射孔(12)；预燃级自稳焰喷嘴(15)有一个长20～30mm，宽1.5～2.5mm的直缝式喷口(17)，预混气喷射角度为35°～55°。
7.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：预燃级气流通道(7)空气进气口到燃烧室进口(1)的距离(2)与主燃级流道(4)的长度(9)比值为0.07～0.1；燃油通道(6)埋入燃烧室壁面内的长度(5)与主燃级流道(4)的长度(9)比值为0.3～0.4；主燃级直射式喷嘴(13)到燃烧室后台阶的距离(10)与主燃级流道(4)的长度(9)的比值为0.25～0.3。
8.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：燃烧区下台阶高度(25)与主燃级流道(4)的高度(18)比值为2.5～3.5,；燃烧区上台阶高度(19)与主燃级流道(4)的高度(18)比值为0.6～1；预混气喷口(17)距主燃级流道(4)的距离(24)与主燃级流道(4)的高度(18)比值为1.5～2.5；燃烧区(26)长度(27)与主燃级流道(4)长度(9)比值为0.8～1.2。
9.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：预燃级自稳焰喷嘴(15)有一自稳焰挡板(21)，挡板长度(22)与燃烧区下台阶高度(25)比值为0.7～0.8，以增强稳焰性能。
10.根据权利要求1所述的一种高温射流点火自稳焰的分级燃烧室，其特征在于：电火花点火器(20)位于预混甲烷\空气高温燃气喷射轨迹上，距直缝式喷嘴(23)距离与燃烧区下台阶高度(25)比值为0.6～0.75，以提高点火性能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |