CN106322436B - 微通道再生冷却的微型燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道再生冷却的微型燃烧室,通过设置燃烧腔体及依次层叠设置在燃烧腔体上下两侧的中间垫板、微通道板和顶盖板，使燃烧腔体与中间垫板和微通道板形成密闭的燃烧腔。燃油流经微通道板后再经燃油雾化喷嘴喷入燃烧腔体内，而后与通过进气口射入的空气掺混后点火燃烧，将燃油同时用做冷却剂，利用微通道吸收燃烧室释放的热量，在提高燃烧效率的同时实现燃烧室壁面的冷却降温，从而实现再生冷却。本发明利用微通道表面积大、微尺度效应强化换热的优点，降低燃烧室壁面温度及温度梯度，进而解决热应力过大问题，实现了燃烧室的有效热防护；同时预热后的燃料发生裂解，不仅改善了点火性能，而且提高了熄火极限和燃烧效率。

Description

微通道再生冷却的微型燃烧室

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别是一种微通道再生冷却的微型燃烧室。

背景技术

随着航空燃气涡轮发动机推重比的提高，燃烧室设计向着高温升、高热容方向发展。燃烧室作为组织燃烧的场所，长期在高温高压的环境下工作，要承受很大的热应力、蠕变应力和疲劳应力，其寿命和可靠性成为决定发动机寿命和可靠性的关键。燃烧室一般采用耐高温合金制成，但是目前的金属材料耐温能力在1000摄氏度以下，远远低于燃气温度；且金属材料的耐温水平提升速度远低于燃气温度的提升速度，单纯依赖材料进行热防护远远达不到需求，势必要对燃烧室进行有效的冷却。

传统的气膜冷却方式是指利用冷却气流，从壁面以一定的角度或者从切线方向射入，使得壁面材料和高温的气体通过气膜隔开，从而使得壁面材料得到冷却，采用气膜冷却方式，以及结合复合型材料可以满足一般的热防护要求，也是最传统的冷却方式，在飞行器的速度较低，其马赫数低于3时，发动机燃烧室内燃料燃烧所产生的热量成为其最主要的热源，此时，可以采用传统的气膜冷却方式便可以解决问题。然而，随着飞行马赫数的提高，热流密度和温度的进一步升高，传统的气膜冷却已很难满足其冷却要求。

通常认为水力直径小于等于1mm的通道为微通道，在微通道内，流体边界层厚度很小，因此流体热传导与扩散传质阻力很小，同时微通道与流体的单位体积接触比面积显著大于常规通道，从而能够显著强化传热，其传热效果通常为传统气体冷却的数倍至数十倍。此外，其利用工质的流动沸腾相变，在进一步增大换热能力的同时并不显著提高壁面温度，成为高效冷却的理想选择。微通道换热已在汽车空调换热、微电子芯片冷却、半导体激光器冷却等领域应用，然而将其应用于燃烧室壁面冷却尚未有报道。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种应用微通道实现再生冷却的燃烧室结构，再生冷却是将燃料同时用做冷却剂，利用燃料吸收燃烧室释放的热量，加热到一定温度，从而裂解成小分子易燃物质，进入燃烧室进一步燃烧，将吸收的热量又释放到燃烧室，在提高燃烧效率的同时实现燃烧室壁面的冷却降温，同时，利用微通道比表面积大、微尺度效应强化换热的优点，提高燃油的换热效果，降低燃烧室壁面温度及温度梯度，进而解决热应力过大问题，实现了燃烧室的有效热防护。

本发明提供的技术方案如下：一种微通道再生冷却的微型燃烧室，包括燃烧腔体及依次层叠设置在燃烧腔体上下两侧的中间垫板、微通道板和顶盖板，所述燃烧腔体与所述中间垫板和所述微通道板形成密闭的燃烧腔，所述燃烧腔体的前后两端分别设置有燃油喷嘴和尾气排放口，所述燃烧腔体在所述燃油喷嘴一侧开设有可与外部空气联通的进气口，所述顶盖板前后端分别开设有燃油进口和燃油出口，所述微通道板上排布有若干道等间距平行排布的微通道，燃油流动路径为先由所述顶盖板上的燃油进口流经所述微通道板换热后，由所述燃油出口流出后经所述燃油喷嘴喷入所述燃烧腔中，而后与从所述进气口流入的空气掺混后点火燃烧后由所述尾气排放口排。

在本发明的较佳实施例中，所述微通道板上设置有10道至20道等间距平行排布的微通道，相邻所述微通道的中心间距为1mm至2mm。

在本发明的较佳实施例中，所述微通道截面形状设置为矩形或三角形或梯形，所述微通道的水力直径为0.3mm至1.0mm。

在本发明的较佳实施例中，所述燃烧腔包括前端一级燃烧腔和后端喷管腔，所述前端一级燃烧腔与所述后端喷管腔之间设置一喉部结构进行收窄过渡，所述喉部结构的喉口口径窄于所述前端一级燃烧腔和所述后端喷管腔的纵向宽度尺寸设置，所述喉部结构的设置使得所述燃烧腔形成扩张-收敛-扩张的腔体结构。

在本发明的较佳实施例中，所述前端一级燃烧腔的纵向宽度设置为60mm至100mm，所述后端喷管腔的纵向宽度设置为30mm至50mm，所述喉部结构的喉口口径设置为10mm至30mm。

在本发明的较佳实施例中，所述腔体一侧还开设有点火器连接口用于外接点火器。

在本发明的较佳实施例中，所述燃烧腔体接设所述燃油喷嘴的一侧挖设有圆环形侧壁，所述进气口开设在所述圆环形侧壁上。

在本发明的较佳实施例中，所述中间垫板设置为碳纸垫片或铜垫片，所述燃烧腔体由不锈钢材料或高温合金材料或碳化硅材料制成。

本发明产生的有益效果在于：本发明中的微通道再生冷却的微型燃烧室,通过设置燃烧腔体及依次层叠设置在燃烧腔体上下两侧的中间垫板、微通道板和顶盖板，使燃烧腔体与中间垫板和微通道板形成密闭的燃烧腔，冷却工质依次流经微通道板后再经燃油雾化喷嘴喷入燃烧腔体内，而后与通过进气口射入的空气掺混后点火后燃烧，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1燃烧室通过设置微通道板，燃油先流经燃烧室壁面微通道结构，对燃烧室壁面进行冷却，利用微通道良好的换热能力，大大降低燃烧室壁面温度和温度梯度，改善了其壁面均温性，减少热应力，实现燃烧室的有效热防护；

2燃油经微通道板换热，起到预热的作用，再经燃油雾化喷嘴喷入燃烧室内燃烧，预热后的燃油发生裂解，具有更好的点火性能及较高的熄火极限，燃烧更充分，从而显著提高了燃烧效率；

3利用微通道表面积大、微尺度效应强化换热的优点，可以获得相比传统通道高几倍～十几倍的换热效果，而且可以减小壁面厚度，减轻燃烧室重量。

附图说明

图1为本发明的微通道再生冷却的微型燃烧室中各零件装配位置示意图；

图2为本发明的微通道再生冷却的微型燃烧室中燃油冷却及燃烧油路示意图；

图3是图2的A-A剖视图，燃烧腔腔体轮廓示意图；

图4是图3的C-C剖视图，微通道位置及其截面示意图；

图5为本发明的微通道再生冷却的微型燃烧室中热交换微通道板的结构示意图；

图6是图2的B-B剖视图，微通道再生冷却的微型燃烧室中助燃空气流路示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，一种微通道再生冷却的微型燃烧室，如图1所示，其由燃烧腔体1及其上、下两侧的中间垫板6，7、微通道板4，5、顶盖板2，3通过层叠组合而成，燃烧腔体1、中间垫板6，7、微通道板4，5形成密闭的燃烧腔，燃烧腔体1前端设有一燃油喷嘴8，后端为尾气排放口11，一侧壁面设有进气口12，另一侧设有点火器9的连接口13；顶盖板2，3上前后端分别设有燃油进口21，31和出口22、32；微通道板4，5包含10-20道平行排布、等间距的微通道41。装配时，依次将顶盖板2、微通道板4、中间垫板6、燃烧腔体1层叠组合，在燃烧室另一侧也按照同样次序顶盖板3、微通道板5、中间垫板7叠放组合，然后用螺栓锁紧，在其预紧力作用下形成具有壁面微通道冷却结构的密闭的燃烧腔。顶盖板2，3、微通道板4，5、燃烧腔体1为不锈钢、高温合金或碳化硅材料中的一种所制，优选为不锈钢材料，中间垫板为碳纸垫片或铜密封垫片，优选为碳纸密封垫片，上述燃烧腔体1、顶盖板2，3、微通道板4，5、中间垫板6，7均采用机械加工成型。

如图2所示，燃烧室工作时，燃油经顶盖板燃油进口21，31进入微通道板4，5，流经微通道板4，5上设置的平行排布、等间距的微通道结构41，通过微通道结构41换热后经顶盖板燃油出口22，32流出，然后通过燃烧腔体前端设置的燃油喷嘴8喷入燃烧腔，在喷入过程中进行雾化，与经燃烧腔体侧壁面进气口12流入的气体掺混，经点火系统释放的高能火花引燃后稳定燃烧。由于燃油同时用做冷却剂，利用微通道内燃油换热吸收燃烧室释放的热量，加热到一定温度，从而裂解成小分子易燃物质，进入燃烧室进一步燃烧，将吸收的热量又释放到燃烧室，在提高燃烧效率的同时实现燃烧室壁面的冷却降温，从而实现再生冷却。

如图3所示，燃烧腔体的内腔为沙漏形状，中部具有一狭窄喉口102，从而形成扩张-收敛—扩张的腔体结构。狭窄喉口102具有很好的加速燃气作用，前端一级燃烧腔101宽度尺寸为60-100mm，本实施例优选80mm；长度尺寸为70-150mm，本实施例优选为100mm；中间狭窄喉口的喉口宽度尺寸为10-30mm，本实施例优选为20mm；后端喷管103为半椭圆形状，椭圆长半轴尺寸为60-140mm，本实施例优选为90mm；短半轴尺寸为30-50mm，本实施例优选为40mm。

如图4、5所示，燃烧室微通道板6，7布置在燃烧腔体1上下两侧，其包含10-20道平行排布、等间距的微通道41，微通道41的截面形状为矩形、三角形、梯形截面，其水力直径为0.3-1mm，相邻微通道中心间距为1-2mm。本实施例微通道优选为矩形截面，通道宽度0.6mm，通道深度1mm，通道间距1.1mm。利用微通道结构41表面积大、微尺度效应强化换热的优点，提高燃油的换热效果，降低燃烧室壁面温度及温度梯度，进而解决热应力过大问题，实现了燃烧室的有效热防护。

如图6所示，空气通过燃烧腔体进气口12进入燃烧腔，且燃烧腔体进气口12设置燃烧腔体圆柱壁面的切向入口处。由于圆柱壁面的影响，形成漩涡流，相比轴向进气方式，该进气方式有利于入射空气与雾化燃油的掺混，具备较好的点火性能和稳焰效果，提高了吹熄极限。

综上所述，本发明中的微通道再生冷却的微型燃烧室,通过设置燃烧腔体1及依次层叠设置在燃烧腔体1上下两侧的中间垫板6，7、微通道板4，5和顶盖板2，3，使燃烧腔体1与中间垫板6，7和微通道板4，5形成密闭的燃烧腔，冷却工质依次流经微通道板41后再经燃油喷嘴8喷入燃烧腔体1内，而后与通过进气口射入的空气掺混后点火后燃烧。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1燃烧室通过设置微通道板4，5，燃油先流经燃烧室壁面微通道结构41，对燃烧室壁面进行冷却，利用微通道良好的换热能力，大大降低燃烧室壁面的温度，改善了其壁面均温性，减少热应力，实现燃烧室的有效热防护；2燃油经微通道板4，5换热，起到预热的作用，再经燃油雾化喷嘴喷入燃烧室内燃烧，预热后的燃油发生裂解，具有更好的点火性能及较高的熄火极限，燃烧更充分，从而显著提高了燃烧效率；3利用微通道表面积大、微尺度效应强化换热的优点，可以获得相比传统通道高几倍～十几倍的换热效果，而且可以减小壁面厚度，减轻燃烧室重量。

上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种微通道再生冷却的微型燃烧室，其特征在于：包括燃烧腔体及依次层叠设置在燃烧腔体上下两侧的中间垫板、微通道板和顶盖板，所述燃烧腔体与所述中间垫板和所述微通道板形成密闭的燃烧腔，所述燃烧腔体的前后两端分别设置有燃油喷嘴和尾气排放口，所述燃烧腔体在所述燃油喷嘴一侧开设有可与外部空气联通的进气口，所述顶盖板前后端分别开设有燃油进口和燃油出口，所述微通道板上排布有若干道等间距平行排布的微通道，燃油流动路径为先由所述顶盖板上的燃油进口流经所述微通道板换热后，由所述顶盖板上的燃油出口流出后经所述燃油喷嘴喷入所述燃烧腔中，而后与从所述进气口流入的空气掺混后点火燃烧后由所述尾气排放口排出。

2.根据权利要求1所述的微通道再生冷却的微型燃烧室，其特征在于：所述微通道板上设置有10道至20道等间距平行排布的微通道，相邻所述微通道的中心间距为1mm至2mm。

3.根据权利要求1所述的微通道再生冷却的微型燃烧室，其特征在于：所述微通道截面形状设置为矩形或三角形或梯形，所述微通道的水力直径为0.3mm至1.0mm。

4.根据权利要求1所述的微通道再生冷却的微型燃烧室，其特征在于：所述燃烧腔包括前端一级燃烧腔和后端喷管腔，所述前端一级燃烧腔与所述后端喷管腔之间设置一喉部结构进行收窄过渡，所述喉部结构的喉口口径窄于所述前端一级燃烧腔和所述后端喷管腔的纵向宽度尺寸设置，所述喉部结构的设置使得所述燃烧腔形成扩张-收敛-扩张的腔体结构。

5.根据权利要求4所述的微通道再生冷却的微型燃烧室，其特征在于：所述前端一级燃烧腔的纵向宽度设置为60mm至100mm，所述后端喷管腔的纵向宽度设置为30mm至50mm，所述喉部结构的喉口口径设置为10mm至30mm。

6.根据权利要求1所述的微通道再生冷却的微型燃烧室，其特征在于：所述腔体一侧还开设有点火器连接口用于外接点火器。

7.根据权利要求1所述的微通道再生冷却的微型燃烧室，其特征在于：所述燃烧腔体接设所述燃油喷嘴的一侧挖设有圆环形侧壁，所述进气口开设在所述圆环形侧壁上。

8.根据权利要求1所述的微通道再生冷却的微型燃烧室，其特征在于：所述中间垫板设置为碳纸垫片或铜垫片，所述燃烧腔体由不锈钢材料或高温合金材料或碳化硅材料制成。