CN106907742A - 一种供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其包括有分流板、与所述分流板相连接的联焰板、与所述联焰板相接的钝体蒸发腔、与所钝体蒸发腔相连的进气嘴、设置于所述进气嘴内的燃油溅板及燃油挡板。本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，通过燃油在钝体蒸发腔内的雾化、蒸发并与部分主流空气混合形成预混预蒸发的混气，通过联焰板将预混预蒸的混气、新鲜空气及凹腔燃气快速均匀掺混，实现驻涡燃烧室的高效快速燃烧同时降低出口温度分布系数OTDF并减少污染物的排放。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机快速燃烧技术领域，涉及供油掺混一体化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供油掺混一体化装置。
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。其尚存的不足之处在于主流的供油方式，其主流的燃油是通过喷油杆直接供入到主流通道中，燃油的雾化掺混较差，无法满足快速燃烧的要求。
针对驻涡燃烧室，国内科研院所也开展了大量的研究工作，但在主流燃油的雾化、掺混方面还存在很大的不足。因此，针对现有技术中的不足，确有必要对现有技术进行改进创新以解决现有技术之不足，为进一步的工程化应用奠定基础。
发明内容
本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，通过燃油在钝体蒸发腔内的预混预蒸发并通过联焰板将预混预蒸发的混气与凹腔中的高温燃气快速均匀掺混，实现驻涡燃烧室的高效快速燃烧的同时降低驻涡燃烧室出口温度分布系数OTDF并减少污染物的排放。
本发明采用如下技术方案：一种供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，包括若干个进气嘴，每个进气嘴上设置有连接喷油杆的喷油杆定位孔，每个进气嘴内部设置有燃油溅板和燃油挡板；
包括钝体，分流板和联焰板，所述进气嘴穿插至钝体内，所述钝体外侧连接若干个联焰板，所述联焰板外侧连接分流板，所述钝体，分流板和联焰板围成主流通道；
所述钝体的钝体蒸发腔表面开设钝体蒸发腔出流孔，所述钝体蒸发腔出流孔位于主流通道中部。
进一步的，所述分流板上开有安装插槽，所述供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置与火焰筒的其他结构通过安装插槽连接。
进一步的，所述进气嘴展向截面为椭圆形，流向长度30mm～50mm，进气嘴深入钝体蒸发腔内10mm～20mm。
进一步的，所述进气嘴内设置有一对燃油挡板，所述燃油挡板布置在喷油杆定位孔的两侧，燃油挡板的厚度为1.5-2.5mm，燃油挡板的间距为10mm～16mm,流向长度为10mm～15mm。
进一步的，所述燃油溅板位于燃油挡板流向长度的末端，是厚度1.5-2.5mm的半圆形结构。
进一步的，所述联焰板流向长度15mm～30mm,高度10mm～20mm,宽度15mm～25mm，间距30mm～40mm。
进一步的，所述钝体蒸发腔上下两侧各开有一排远离主流通道出口的钝体蒸发腔出流孔，钝体蒸发腔出流孔直径为4mm～6mm。
进一步的，所述钝体蒸发腔出流孔位于联焰板之间，且呈均匀排列。
一种供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置的工作方法，具体步骤如下：喷射到燃油溅板上的燃油在燃油溅板的作用下破碎进行一次雾化，经过一次雾化的燃油一部分直接与进入进气嘴内的一部分高温空气混合，另一部分燃油溅落在燃油挡板上，并在进入进气嘴内的部分高温空气的作用下进行二次气动雾化，经过雾化的燃油在进气嘴内的高温空气作用下开始蒸发并与高温空气初步掺混经过初步掺混的空气在钝体蒸发腔内进一步蒸发掺混，形成预混预蒸发的混气并从钝体蒸发腔出流孔流出；从钝体蒸发腔出流孔流出的预混预蒸发混气在主流通道内与剩余的主流高温空气再次掺混，形成二次掺混的预混预蒸发混气进入燃烧室，并在联焰板的作用下快速掺混燃烧。
本发明具有如下有益效果：
(1)供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置是实现快速燃烧技术的关键部件之一；
(2)运用供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置有利于燃油与空气的掺混，提高燃烧效率，降低出口温度分布系数OTDF；
(3)供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置结构简单紧凑，能够实现燃油与空气的预混预蒸发，有效降低燃烧污染物的排放。
附图说明
图1为本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置的三维立体结构示意图。
图2为图1所示供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置二维结构示意图。
图3为图1所示供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置的三维立体局部剖视图。
图4为图1所示供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置的工作原理图。
其中：1-进气嘴、2-燃油挡板、3-燃油溅板、4-喷油杆定位孔、5-钝体、6-钝体蒸发腔、7-钝体蒸发腔出流孔、8-主流通道、9-分流板、10-安装插槽、11-联焰板。
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，本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置包括有进气嘴1，燃油挡板2，燃油溅板3，钝体5，分流板9，联焰板11。所述燃油挡板2及所述燃油溅板3置于所述进气嘴1内，所述进气嘴1与所述钝体5相连，所述钝体5与所述联焰板11相连，所述联焰板11与所述分流板9相连。所述分流板9上开有安装插槽10，所述供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置与火焰筒的其他结构(图中未标出)通过安装插槽10连接，所述供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置的喷油装置(图中未标出)采用喷油杆，并与进气嘴1通过喷油杆定位孔4定位连接。本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置为一整体，各部分之间紧密配合以实现其功用，缺一不可。
喷射到燃油溅板3上的燃油在燃油溅板3的作用下破碎进行一次雾化，经过一次雾化的燃油一部分直接与进入进气嘴1内的一部分高温空气混合，另一部分燃油溅落在燃油挡板2上，并在进入进气嘴1内的部分高温空气的作用下进行二次气动雾化，经过雾化的燃油在进气嘴1内的高温空气作用下开始蒸发并与高温空气初步掺混。经过初步掺混的空气在钝体蒸发腔6内进一步蒸发掺混，形成预混预蒸发的混气并从钝体蒸发腔出流孔7流出。从钝体蒸发腔出流孔7流出的预混预蒸发混气在主流通道8内与剩余的主流高温空气再次掺混，形成二次掺混的预混预蒸发混气进入燃烧室，并在联焰板11的作用下快速掺混燃烧。
本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置的进气嘴1伸入到钝体蒸发腔6内10～20mm，约为钝体蒸发腔6总长度的2/3,这有利于一次掺混的空气进一步的蒸发并均匀掺混。设置在进气嘴1内的燃油溅板3采取半圆形结构设计，使一次雾化后的部分燃油从燃油溅板3的半圆弧末端的切向方向流出，不易溅落在进气嘴1的壁面。设置在进气嘴1内的燃油挡板2布置在喷油杆定位孔4的两侧并具有一定的长度，使一次雾化后的部分燃油能够溅落在其上并在高温空气的作用下完成二次雾化。
本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置中的钝体蒸发腔6表面的两排钝体蒸发腔出流孔7的直径相同、间距相同，位于钝体5、联焰板11及分流板9所组成的主流通道8中部，且所述钝体蒸发腔出流孔7距离主流通道8的出口有一定的距离，一方面可以延长部分预混预蒸发的混气在钝体蒸发腔6内的驻留时间，有利于进一步的蒸发掺混；另一方面，钝体蒸发腔出流孔7距离主流通道8的出口保持一定的距离有利于主流通道8内的预混预蒸发的混气与剩余主流高温空气进行快速掺混，提高预混与蒸发混气在燃烧室各个方向上的均匀分布。
本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置中的分流板9上开有定位插槽10，便于所述供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置与火焰筒其他结构连接。
本发明供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置是实现快速燃烧技术的关键部件之一，其有利于燃油与空气的掺混，提高燃烧效率，同时该油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置结构简单紧凑，能够实现燃油与空气的预混预蒸发，有效降低燃烧污染物的排放。
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 (9)
1.一种供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：包括若干个进气嘴(1)，每个进气嘴(1)上设置有连接喷油杆的喷油杆定位孔(4)，每个进气嘴(1)内部设置有燃油溅板(3)和燃油挡板(2)；
包括钝体(5)，分流板(9)和联焰板(11)，所述进气嘴(1)穿插至钝体(5)内，所述钝体(5)外侧连接若干个联焰板(11)，所述联焰板(11)外侧连接分流板(9)，所述钝体(5)，分流板(9)和联焰板(11)围成主流通道(8)；
所述钝体(5)的钝体蒸发腔(6)表面开设钝体蒸发腔出流孔(7)，所述钝体蒸发腔出流孔(7)位于主流通道(8)中部。
2.根据权利要求1所述的供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述分流板(9)上开有安装插槽(10)，所述供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置与火焰筒的其他结构通过安装插槽(10)连接。
3.根据权利要求1所述的供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述进气嘴(1)展向截面为椭圆形，流向长度30mm～50mm，进气嘴深入钝体蒸发腔内10mm～20mm。
4.根据权利要求1所述的供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述进气嘴内设置有一对燃油挡板(2)，所述燃油挡板(2)布置在喷油杆定位孔(4)的两侧，燃油挡板的厚度为1.5-2.5mm，燃油挡板的间距为10mm～16mm,流向长度为10mm～15mm。
5.根据权利要求4所述的供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述燃油溅板(3)位于燃油挡板流向长度的末端，是厚度1.5-2.5mm的半圆形结构。
6.根据权利要求1所述的供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述联焰板(11)流向长度15mm～30mm,高度10mm～20mm,宽度15mm～25mm，间距30mm～40mm。
7.根据权利要求1所述的供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述钝体蒸发腔(6)上下两侧各开有一排远离主流通道(8)出口的钝体蒸发腔出流孔(7)，钝体蒸发腔出流孔(7)直径为4mm～6mm。
8.根据权利要求7所述的供油掺混一体化驻涡燃烧室头部装置，其特征在于：所述钝体蒸发腔出流孔(7)位于联焰板(11)之间，且呈均匀排列。
9.一种权利要求1-8任一所述供油掺混一体化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：喷射到燃油溅板上的燃油在燃油溅板的作用下破碎进行一次雾化，经过一次雾化的燃油一部分直接与进入进气嘴内的一部分高温空气混合，另一部分燃油溅落在燃油挡板上，并在进入进气嘴内的部分高温空气的作用下进行二次气动雾化，经过雾化的燃油在进气嘴内的高温空气作用下开始蒸发并与高温空气初步掺混经过初步掺混的空气在钝体蒸发腔内进一步蒸发掺混，形成预混预蒸发的混气并从钝体蒸发腔出流孔流出；从钝体蒸发腔出流孔流出的预混预蒸发混气在主流通道内与剩余的主流高温空气再次掺混，形成二次掺混的预混预蒸发混气进入燃烧室，并在联焰板的作用下快速掺混燃烧。
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