CN106678872A - 微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管，该蒸发管结构设计包括：外形螺旋式和凹腔壁面结构。采用螺旋式外形设计，燃油在蒸发管内的停留时间得到增加，与壁面的接触面积增大；在蒸发管内壁面合理设计有规律的凹腔结构，内壁面面积得以增加，燃油混气流经蒸发管，在凹腔内形成回流区，速度减小，在蒸发管内的停留时间增加，雾化蒸发的时间变长，同时接触面积增大，换热效果增强；在凹腔同位置蒸发管外壁面设计凸台，能够保证蒸发管强度的同时，能够增大外壁面面积，加强火焰筒内高温气流与蒸发管换热，螺旋式外形和凹腔壁面使蒸发管的雾化蒸发效果增强。

Description

微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管

技术领域

本发明属于微型发动机燃烧室领域，具体涉及一种微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管。

背景技术

微型动力系统在近几年已成为国内外研究热点，其中微型涡轮发动机是最有前途的动力之一，具有体积小、重量轻、输出能量大、密度高等优点。微型燃烧室的设计是微型涡轮发动机中关键环节，也是最重要的部分，与常规尺度燃烧室相比，此种燃烧室具有特征尺寸小和面容比大的特点，致使气流停留时间短、散热损失大，从而导致燃烧不稳定现象的出现。

国内外虽已开展微型燃烧室的相关研究工作，但对于微型燃烧室的流动特征和性能的研究较少，对于微型发动机(推力小于50daN)的燃烧室，主要有两种：直流环形燃烧室和回流环形燃烧室，高性能微型发动机多采用直流环形燃烧，由于成本和空间限制，在燃油雾化、蒸发方面，基本采用结构简单的蒸发管式供油，采用此种方式供油方式可以在较短的燃烧停留时间条件下获得较高的燃烧性能。而其中蒸发管式的环形燃烧室具有雾化优良、燃烧效率高、供油压力低、成本低以及重量轻等多方面优点。在此种燃烧室中，蒸发管的结构设计对燃烧室内雾化、燃烧效率起关键性作用。

对于蒸发管结构方面的设计类型主要有“L”型和直筒型，壁面大部分仍然采用光滑壁面结构，燃油在此类蒸发管的停留时间短，与壁面的接触面积少，得到的雾化蒸发效果较差，要使蒸发管的雾化和蒸发效果更好，内部结构的设计起着关键作用。蒸发管设计的优良与否，对微型燃烧室性能有很大影响，在这方面具有很大研究前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管，对燃烧室内燃油雾化和蒸发有较好的改善和提高效果。与现有技术相比，本发明的优点：本结构能增加燃油在蒸发管内停留时间，增大气流与蒸发管的接触面积，从而能够增加蒸发管换热效果，提高燃油在蒸发管内的蒸发雾化效果。

技术方案

本发明的目的在于提供一种微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管。

本发明技术方案如下：

微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管，其特征在于：蒸发管壁面凹腔结构和外形螺旋式。壁面凹腔结构为内凹外凸结构，设计参数包括凹腔深度、宽度和几何分布，其中几何分布包括径向分布和轴向分布；外形螺旋式设计参数包括螺距、直径和螺旋圈数。微型发动机燃烧室蒸发管总体尺寸为壁面厚度为1～2mm，直径为5～15mm，长度为40～100mm。

所述蒸发管内壁凹腔结构，其特征在于：蒸发管内壁设置多个环形分布的凹腔结构，凹腔深度为0.5～2mm之间，宽度为0.5～3mm之间，具体凹腔尺寸应根据实际的蒸发管尺寸进行设计。

所述蒸发管外壁面凸台结构，其特征在于：在蒸发管内壁设置凹腔的同一位置，外壁设置凸台结构，凸台结构参数和几何分布于内壁凹腔一致，凸台高度为0.5～2mm之间，宽度为0.5～3mm之间，具体凹腔尺寸应根据实际的蒸发管尺寸进行设计。

所述蒸发管内壁凹腔结构几何分布(外壁凸台结构与之一致)：

1、径向分布：所述凹腔结构绕蒸发管中心轴等距环形分布，数量为5～60个之间；

2、轴向分布：所述凹腔结构沿轴向方向等距分布，在整个蒸发管可以布列5～50个凹腔环结构，相邻凹腔环凹腔设置可以设计为两种方案：相邻凹腔环凹腔结构具有相同径向分布和相邻凹腔环凹腔结构错开分布。

所述蒸发管外形螺旋式，其特征在于：螺距为30～60mm，螺旋直径为30～50mm，螺旋圈数为1～3个，具体的螺旋参数根据实际蒸发管尺寸进行设计。

本发明具有以下有益效果：

燃烧室的性能与蒸发管的雾化蒸发效果有很大关系，与普通蒸发管相比，凹腔壁面螺旋式蒸发管增加了内壁凹腔结构与同位置外壁凸台结构，蒸发管的空间和内壁面积得以增加，燃油在蒸发管内停留时间增加，且与内壁面的接触面积得到增大，换热增强，同时，外壁面的凸台结构增大了蒸发管外壁面的面积，从而增加了蒸发管与火焰筒内高温气流的换热，螺旋式相较与以往的直筒式，增加了蒸发管内外壁面表面积和蒸发管空间，壁面换热加强，燃油在蒸发管内停留时间增加，对蒸发管内的燃油雾化蒸发有进一步促进作用，两者均能使蒸发管内的燃油雾化蒸发效果得到加强。

附图说明

图1：凹腔壁面螺旋式蒸发管整体三维图

图2：凹腔壁面螺旋式蒸发管进口处局部放大图

图3：凹腔壁面螺旋式蒸发管单个凹腔环示意图

图4：凹腔环截面示意图

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

结合图1至4，本发明提供了一种新的可以有效增强换热和提高燃油蒸发雾化的微型燃烧室蒸发管结构设计。如图1所示，为带有凹腔结构的螺旋式蒸发管整体结构示意图，图3为蒸发管当个凹腔环结构的局部示意图，为蒸发管截面示意图，主要用来确定凹腔的结构形状以及径向分布特点。

图2为该蒸发管进口局部放大图，空气经蒸发管进口进入蒸发管，蒸发管上端进行喷油，燃油与空气形成混气，经蒸发管蒸发雾化，进入火焰筒内进行燃烧。在蒸发管内凹腔(图4)有稳住气流的作用，凹腔结构使蒸发管内的利用空间增大，燃油与空气混合的空间得到增大，同时在凹腔内能形成回流区，让混气在蒸发管内停留的时间增加，使雾化蒸发时间增加，燃油混气与蒸发管的接触面积增大，蒸发管内燃油混气与蒸发管壁面换热效果得到增强；同时，蒸发管外壁面分布有规律的凸台，外壁面的面积得到很大增加，火焰筒内高温气体与蒸发管外壁面接触面积增大，从而增加了蒸发管壁面与火焰筒高温气流换热，壁面温度进一步提高。

相较于以往外形为直筒型的蒸发管，本发明采用外形螺旋式，在有限的长度空间内，扩大蒸发管空间和内外壁面表面积，燃油流经该蒸发管，停留的时间增加，与壁面的换热得到加强。燃油在上述这些作用下，得到很好的雾化蒸发。

在蒸发管内得到雾化蒸发好的燃油混气，之后进入火焰筒内进行燃烧放热，此时更容易燃烧，也能够更充分的燃烧，燃烧效率也进一步提高。燃烧室的燃烧效率提高，燃烧的性能也将得到很大改善，发动机的整体性能也能够得到提升。

Claims (5)

1.微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管，包括蒸发管内壁面凹腔结构及外壁面凸台结构和外形螺旋式。其特性在于：在蒸发管生成径向环形分布和轴向均匀分布的内壁面凹腔结构及外壁面凸台结构和螺旋式外形。

2.根据权利要求1所述的微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管，其特征在于：蒸发管内壁面凹腔结构深度为0.5～2mm，宽度为0.5～3mm，径向环形分布数量为5～60个，具体深度、宽度设置应根据蒸发管的时间尺寸进行设计，环形分布数量也应根据蒸发管直径进行合理分配。

3.根据权利要求1或2所述的微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管，其特征在于：在内壁凹腔结构的同等位置进行外壁面设置凸台结构，凸台结构尺寸外高度为0.5～2mm，宽度为0.5～3mm，径向沿蒸发管壁面环形分布为5～60个。

4.根据权利要求1至3所述的微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管，其特征在于：内壁面凹腔结构和外壁面凸台结构在轴向方向进行等距分布，整个蒸发管分布的数量为5～50个，具体的数量分布应根据蒸发管的长度进行设置，较长蒸发管，可以采用数量较多的凹腔凸台结构，以增加内壁空间和蒸发管内外壁面积。相邻凹腔环的凹腔结构有两种不同的设计方案：相邻凹腔环的凹腔结构完全一致和相邻凹腔环的凹腔结构径向分布错开分布。

5.根据权利要求1所述的微型发动机燃烧室凹腔壁面螺旋式蒸发管，其特征在于：螺距为30～60mm，螺旋直径为30～50mm，螺旋圈数为1～3个，具体的螺旋参数根据实际蒸发管尺寸进行设计。