CN106907739B - 一种驻涡燃烧室头部装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型驻涡燃烧室头部装置，其包括有中心钝体、与所述中心钝体连接的倾斜式联焰板、与所述倾斜式联焰板相接的导流板和凹腔前壁、与所述凹腔前壁相连接的帽罩，本发明一种新型驻涡燃烧室头部装置，通过前置的中心钝体和与所述中心钝体相连的倾斜式联焰板，将主流空气引入中心钝体后的低压区，避免主流被大量的卷吸进凹腔，减弱主流空气对凹腔流动的影响，控制主流与凹腔的相互作用，实现驻涡燃烧室点火性能和贫油熄火性能的提高。
Description
技术领域
本发明属于燃烧控制技术领域，具体涉及一种驻涡燃烧室头部装置，尤其涉及一种应用于军民两用航空发动机燃烧室、地面及舰船燃气轮机燃烧室中的驻涡燃烧室头部装置。
背景技术
驻涡燃烧室(Trapped Vortex Combustor,TVC)的概念最初是由美国代顿大学的Hsu教授提出，并在美国空军的资助下完成了第一代驻涡燃烧室实验模型的设计及试验研究。第一代驻涡燃烧室由凹腔前体(Forebody)、凹腔后体(Afterbody)和凹腔中心体(Centerbody)串联而成，气态燃料和空气从中心体供入并从凹腔后体喷出共同喷入到凹腔中。与传统的旋流燃烧室相比，驻涡燃烧室所形成的回流区不是靠压力梯度形成的，而是由火焰筒上的凹腔通过合理的射流所产生的，使火焰能够在凹腔中驻定，且具有很高的稳定性。试验结果表明：与传统的旋流燃烧室相比，驻涡燃烧室在点火、贫油熄火、空中再点火、压力损失和燃烧效率等方面表现出了优越的性能。另外，驻涡燃烧室在低排放燃烧室方面也表现出了很大的潜力。
鉴于驻涡燃烧室在点火、稳定性、燃烧效率及降低污染物排放等方面所表现出来的优异性能。美国戴顿大学(University of Dayton)、美国空军研究实验室(AFRL)、海军航空系统司令部(Department of The Navy,Air Systems Command)、通用电气发动机公司(GEAE)、海军海上系统司令部(Naval Sea Systems Command)、美国国家航空航天局(NASA，National Aerospace Agency)、国防部(Department of Defense)、能源部(Department ofEnergy)等多个单位先后投入到驻涡燃烧室的研究工作当中，从实验模型到工程化验证模型展开了多方案的系统研究，并有序的开展了四代驻涡燃烧室的研究工作。
第二代驻涡燃烧室相较于第一代驻涡燃烧室在结构上作出了重大改进，并奠定了今后驻涡燃烧室的基本结构。不同于第一代驻涡燃烧室，第二代驻涡燃烧室将置于内侧的凹腔移到了外侧，因此，这种结构也被称为罐式结构。另一个有别于第一代驻涡燃烧室的特点是第二代驻涡燃烧室在凹腔与主流之间增加了联焰板结构，其目的在于加强凹腔与主流的掺混将凹腔中的混气及活性因子引入主流中，提高主流的燃烧速率。此外，与第一代驻涡燃烧室只在凹腔中供入燃料不同，第二代驻涡燃烧室在主流和凹腔中都供入燃料。但是，与第一代驻涡燃烧室相同，第二代驻涡燃烧室同样采用气态燃料，与真实航空发动机相比差距较大。
为了开发适用于军用航空发动机的驻涡燃烧室，美国GEAE公司和美国空军研究实验室在第一代和第二代驻涡燃烧室的基础上，开发了使用液态燃料的第三代驻涡燃烧室。通过对第三代驻涡燃烧室的研究，GEAE公司得到了凹腔中最佳的供油供气位置和策略。
美国GEAE公司和美国空军研究实验室在第三代驻涡燃烧室的基础上又开发了第四代驻涡燃烧室。第四代驻涡燃烧室对主流进气结构进行了两种不同的方案设计。分别为：双通道和三通道。
通过前后四代驻涡燃烧室的研究工作，美国解决了驻涡燃烧室工程化应用的大部分技术难题。其尚存在诸多不足，主要表现在：头部结构过于复杂，重量过重；头部的设计不利于控制凹腔与主流的相互作用；凹腔前壁进气结构复杂，不利于凹腔前壁的冷却。
针对驻涡燃烧室，国内科研院所也开展了大量的研究工作，但对于上述问题的研究还存在诸多不足。因此，针对现有技术中的不足，确有必要对现有技术进行创新以解决现有技术难题，为进一步的工程化应用奠定基础。
发明内容
本发明提供一种驻涡燃烧室头部装置，通过前置的中心钝体和与所述中心钝体相连的倾斜式联焰板，将主流空气引入中心钝体后的低压区，避免主流被大量的卷吸进凹腔，减弱主流空气对凹腔流动的影响，控制主流与凹腔的相互作用，实现驻涡燃烧室点火性能和贫油熄火性能的提高。
本发明采用如下技术方案：一种驻涡燃烧室头部装置，包括中心钝体，倾斜式联焰板、导流板、凹腔前壁、帽罩；所述中心钝体水平放置，弧形面朝前，水平面朝后，且以过中心轴线的水平面为对称面；
所述中心钝体后方的水平面上下两端分别连接向后方倾斜的倾斜式联焰板一端，倾斜式联焰板另一端连接导流板后端，导流板位于中心钝体上下两侧水平放置，由中心钝体外壁、倾斜式联焰板和导流板之间形成主流通道；
所述导流板后端连接竖直放置的凹腔前壁一端面，所述凹腔前壁上开有若干个斜切孔；
所述凹腔前壁另一端面连接朝向导流板前端面呈弧形弯曲的帽罩；
所述中心钝体置于凹腔前壁前10mm～20mm。
进一步的，所述倾斜式联焰板与流向所在的中心轴成30°～45°的夹角。
进一步的，所述导流板厚度为1-2mm，距离中心钝体的高度为10mm～20mm。
进一步的，所述凹腔前壁高度为48-52mm，且凹腔前壁上开有若干个直径为0.7-0.9mm的斜切孔。
进一步的，所述斜切孔与倾斜式联焰板之间呈30°的夹角。
进一步的，所述帽罩前端与所述导流板前端形成进气缝，所述进气缝的高度为3.5-4.5mm。这种独特的设计方法可以使凹腔前壁3的冷却气均匀的进入上凹腔22和下凹腔23。
一种所述的一种驻涡燃烧室头部装置的工作方法，具体步骤如下：流向主流通道的空气被导流板分流，经过帽罩进气缝流入帽罩内部并形成帽罩回流区，帽罩回流区内的空气通过凹腔前壁斜切孔紧贴凹腔前壁流入外部凹腔；流经主流通道的空气，在中心钝体和倾斜式联焰板的共同作用下，流入火焰筒并在中心钝体后形成倾斜式联焰板后回流区。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明一种驻涡燃烧室头部装置，通过前置的中心钝体和与所述中心钝体相连的倾斜式联焰板的共同作用，将主流空气引入中心钝体后的低压区，避免主流被大量的卷吸进凹腔，减弱主流空气对凹腔流动的影响，控制主流与凹腔的相互作用，实现驻涡燃烧室点火性能和贫油熄火性能的提高。；
(2)本发明一种驻涡燃烧室头部装置是实现燃烧控制技术的关键部件之一，利于控制主流与凹腔的相互作用，提高驻涡燃烧室的点火及熄火性能。且具有结构简单紧凑，能够减轻驻涡燃烧室的重量，进一步降低燃油消耗率的特点；
(3)驻涡燃烧室头部装置结构简单紧凑，能够减轻驻涡燃烧室的重量，进一步降低燃油消耗率。
附图说明
图1为本发明一种驻涡燃烧室头部装置的三维立体结构示意图。
图2为图1所示一种驻涡燃烧室头部装置局部放大示意图。
图3为图1所示一种驻涡燃烧室头部装置局部放大图。
图4为图1所示一种驻涡燃烧室头部装置的工作原理图。
其中：1-一种驻涡燃烧室头部装置、2-倾斜式联焰板、3-凹腔前壁、4-中心钝体、5-导流板、6-帽罩、7-凹腔前壁斜切孔、8-扩压气、9-帽罩进气缝、10-主流通道、11-机匣、12-凹腔底部壁面、13-凹腔后壁面、14-火焰筒壁面、15-帽罩回流区、16-凹腔回流区、17-倾斜式联焰板后回流区、18-凹腔后壁进气缝、19-凹腔前壁进气缝、20-凹腔后壁冷却孔、21-凹腔底部冷却孔、22-上凹腔、23-下凹腔、24-外环通道、25-内环通道。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
请参照图1至图4所示，本发明一种驻涡燃烧室头部装置1包括有中心钝体4，倾斜式联焰板2、导流板5、凹腔前壁3、帽罩6。所述中心钝体(4)水平放置，弧形面朝前，水平面朝后，且以过中心轴线的水平面为对称面；所述中心钝体4后方的水平面上下两端分别连接向后方倾斜的倾斜式联焰板2一端，倾斜式联焰板2另一端连接导流板5后端，导流板5位于中心钝体4上下两侧水平放置，由中心钝体4外壁、倾斜式联焰板2和导流板5之间形成主流通道10；所述导流板5后端连接竖直放置的凹腔前壁3一端面，所述凹腔前壁3上开有若干个斜切孔7；所述凹腔前壁3另一端面连接朝向导流板5前端面呈弧形弯曲的帽罩6。本发明一种驻涡燃烧室头部装置1各部分一同构成一个整体结构缺一不可。本发明一种驻涡燃烧室头部装置1，通过前置的中心钝体4和与所述中心钝体4相连的倾斜式联焰板2的共同作用，将主流空气引入中心钝体4后的低压区，避免主流被大量的卷吸进凹腔，减弱主流空气对凹腔流动的影响，控制主流与凹腔的相互作用，实现驻涡燃烧室点火性能和贫油熄火性能的提高。
从扩压器8流出的空气分成三部分，其中一部分流向主流通道10，其余两部分分别流向火焰筒14和机匣11组成的外环通道24和内环通道25。
流向主流通道10的空气被分流板5分流，经过帽罩进气缝9流入帽罩6内部并形成帽罩回流区15，帽罩回流区15内的空气通过凹腔前壁斜切孔7紧贴凹腔前壁3流入上凹腔22和下凹腔23。流经主流通道10的空气，在中心钝体4和倾斜式联焰板2的共同作用下，流入火焰筒14并在中心钝体后形成倾斜式联焰板后回流区17。流向外环24和内环23的空气一部分通过凹腔前壁进气缝19流入上凹腔22和下凹腔23；一部分通过凹腔底部壁面12的凹腔底部冷却孔21和凹腔后壁面13的凹腔后壁冷却孔20流入上凹腔22和下凹腔23；另一部分通过凹腔后壁进气缝18流入上凹腔22和下凹腔23，并在上凹腔22和下凹腔23内形成凹腔回流区16。
本发明一种驻涡燃烧室头部装置的中心钝体4和倾斜式联焰板2采用独特的结构布局及设计。与传统的中心钝体和普通联焰板不同的是，本发明所述中心钝体4采取前置的布置方式，前置于凹腔前壁3前10mm～20mm。所述倾斜式联焰板2采取倾斜式设计，且与流向所在的中心轴成30°～45°的夹角。通过所述中心钝体4和倾斜式联焰板2的独特设计，可将主流空气引入中心钝体后4的低压区，避免主流被大量的卷吸进凹腔，减弱主流空气对凹腔流动的影响，控制主流与凹腔的相互作用，实现驻涡燃烧室点火性能和贫油熄火性能的提高。
本发明一种驻涡燃烧室头部装置的分流板5和帽罩6所采取的设计方式，使分流板5前端和帽罩6前端形成一个高度为4mm的帽罩进气缝9，这种独特的设计方法可以使凹腔前壁3的冷却气均匀的进入上凹腔22和下凹腔23。
本发明一种驻涡燃烧室头部装置是实现燃烧控制技术的关键部件之一，利于控制主流与凹腔的相互作用，提高驻涡燃烧室的点火及熄火性能。且具有结构简单紧凑，能够减轻驻涡燃烧室的重量，进一步降低燃油消耗率的特点。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：包括中心钝体(4)，倾斜式联焰板(2)、导流板(5)、凹腔前壁(3)、帽罩(6)；所述中心钝体(4)水平放置，弧形面朝前，水平面朝后，且以过中心轴线的水平面为对称面；
所述中心钝体(4)后方的水平面上下两端分别连接向后方倾斜的倾斜式联焰板(2)一端，倾斜式联焰板(2)另一端连接导流板(5)后端，导流板(5)位于中心钝体(4)上下两侧水平放置，由中心钝体(4)外壁、倾斜式联焰板(2)和导流板(5)之间形成主流通道(10)；
所述导流板(5)后端连接竖直放置的凹腔前壁(3)一端面，所述凹腔前壁(3)上开有若干个斜切孔(7)；
所述凹腔前壁(3)另一端面连接朝向导流板(5)前端面呈弧形弯曲的帽罩(6)；
所述中心钝体(4)置于凹腔前壁(3)前10mm～20mm。
2.根据权利要求1所述的一种驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述倾斜式联焰板(2)与流向所在的中心轴呈 30°～45°的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述导流板(5)厚度为1-2mm，距离中心钝体(4)的高度为10mm～20mm。
4.根据权利要求1所述的一种驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述凹腔前壁(3)高度为48-52mm，且凹腔前壁(3)上开有若干个直径为0.7-0.9mm的斜切孔(7)。
5.根据权利要求1或4所述的一种驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述斜切孔(7)与倾斜式联焰板(2)之间呈30°的夹角。
6.根据权利要求1所述的一种驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述帽罩(6)前端与所述导流板(5)前端形成进气缝(9)，所述进气缝(9)的高度为3.5-4.5mm。
7.一种权利要求1-6任一所述的一种驻涡燃烧室头部装置的工作方法，其特征在于：具体步骤如下：流向主流通道的空气被导流板分流，经过帽罩进气缝流入帽罩内部并形成帽罩回流区，帽罩回流区内的空气通过凹腔前壁斜切孔紧贴凹腔前壁流入外部凹腔；流经主流通道的空气，在中心钝体和倾斜式联焰板的共同作用下，流入火焰筒并在中心钝体后形成倾斜式联焰板后回流区。
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