CN107702146B - 用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管 - Google Patents

用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，包括蒸发管，蒸发管一端管口为喷油管口，蒸发管另一端管口为蒸发管出口，蒸发管靠近蒸发管出口位置具有一段多孔介质管，多孔介质管上均匀开有若干个贯穿多孔介质管管壁的孔。本发明多孔介质蒸发管内燃油与燃烧室内高温燃气接触面积进一步增大，提高了燃油蒸发率；本发明极大提高了燃油的蒸发雾化效率，提高了燃烧室的燃烧效率，使燃油分布更合理，高温区域分布更合理，并且靠近燃烧室头部，这就减少了燃烧室壁面的局部热点，改善了燃烧室出口温度分布均匀性，从而提高了燃烧室与涡轮的寿命，同时提高了燃烧室出口温度，最终提高了微型燃气涡轮发动机的推力以及寿命。

Description

用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机燃烧室领域，尤其涉及一种用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管。
背景技术
微型燃气涡轮发动机是最有前途的动力之一，具有体积小、重量轻、输出能量大以及能量密度高等优点。微型燃烧室的设计是微型燃气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，致使燃油停留时间短、燃油蒸发率低，致使燃油燃烧后移，燃烧室出口温度偏低，并且出口温度分布不均匀，因此微型燃气涡轮发动机的推力较低以及寿命较短。
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，对于微型燃气涡轮发动机(推力小于100daN)的燃烧室，主要有两种：直流环形燃烧室和回流环形燃烧室，高性能微型燃气涡轮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，蒸发管式的环形燃烧室具有供油压力低、成本低以及重量轻等多方面优点。但是蒸发管也存在着以下问题：燃油蒸发率低，从而导致燃烧效率低，燃烧室壁面容易出现高温热点，燃烧室出口温度低并且分布不均匀，高温区分布不合理容易在燃烧室尾部甚至涡轮内燃烧，从而降低了微型燃气涡轮发动机的推力以及寿命。
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”型和直筒型等结构，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，蒸发率低，导致微型燃气涡轮发动机推力低，寿命低。如果要提高燃气涡轮发动机推力以及寿命就需改进蒸发管蒸发率，因此蒸发管对提升微型燃气涡轮发动机推力以及寿命方面具有至关重要的作用。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，对火焰筒内以及火焰筒内部的燃烧室内燃油雾化与蒸发有较好的改善和提升作用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，包括蒸发管，所述蒸发管一端管口为喷油管口，所述蒸发管另一端管口为蒸发管出口，所述蒸发管靠近蒸发管出口位置具有一段多孔介质管，所述多孔介质管上均匀开有若干个贯穿多孔介质管管壁的孔。
为了更好地实现本发明，所述多孔介质管沿着多孔介质管轴线方向均匀排列若干排圆形孔组，每排圆形孔组由若干个孔构成，每排圆形孔组的所有孔围绕着多孔介质管中心轴呈圆形均匀排列。
作为优选，所述多孔介质管沿着多孔介质管轴线方向均匀排列20～60排圆形孔组，每排圆形孔组由30～80个孔构成，每排圆形孔组的所有孔围绕着多孔介质管中心轴呈圆形均匀排列。
作为优选，所述孔为正六边形、圆形或方形。
作为优选，所述蒸发管由蒸发管第一段和与蒸发管第一段相互连通的蒸发管第二段组成，所述蒸发管第一段与蒸发管第二段成一定夹角，所述喷油管口位于蒸发管第一段管口端部，所述蒸发管出口位于蒸发管第二段管口端部，所述多孔介质管位于蒸发管第二段靠近蒸发管出口位置处。
作为优选，所述蒸发管出口整体呈喇叭口形状。
作为优选，所述多孔介质管长度为10mm～25mm；所述蒸发管整体长度为40～100mm，蒸发管的管壁厚度为0.4～5mm，蒸发管的直径为5～15mm。
作为优选，所述孔为正六边形，所述孔边长的长度值为0.05mm～1mm。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
首先，多孔介质蒸发管内燃油与燃烧室内高温燃气接触面积进一步增大，从而使蒸发管内燃油混气与燃烧室内的高温气体换热增强，提高了蒸发管内燃油蒸发率。其次，部分燃油能够通过多孔介质管的孔提前进入燃烧室内，防止燃油在蒸发管出口处集中，减小蒸发管出口处的燃油量，提高蒸发管出口燃油蒸发率。而通过多孔介质进入燃烧室的燃油燃烧后产生高温在多孔介质蒸发管内燃油温度升高，利于蒸发管内燃油的进一步蒸发雾化。再次，多孔介质能够帮助燃油破碎，提高通过多孔介质的燃油蒸发率。最后，由于流体的抽吸作用，通过多孔介质流入燃烧室的燃气混合物提高了蒸发管内部的湍流度，增强了蒸发管内燃油与热空气的掺混，提高了蒸发管内壁面的传热率，从而更加有利于蒸发管内燃油与燃烧室内高温燃气的传热。最终，本发明极大提高了燃油的蒸发雾化效率，提高了燃烧室的燃烧效率，使燃油分布更合理，高温区域分布更合理，并且靠近燃烧室头部，这就减少了燃烧室壁面的局部热点，改善了燃烧室出口温度分布均匀性，从而提高了燃烧室与涡轮的寿命，同时提高了燃烧室出口温度。最终提高了微型燃气涡轮发动机的推力以及寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中蒸发管出口位置处的多孔介质管局部放大示意图。
其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
1－蒸发管，11－蒸发管第一段,12－蒸发管第二段、2－多孔介质管，3－蒸发管出口，4－孔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
如图1、图2所示，一种用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，包括蒸发管1，蒸发管1一端管口为喷油管口，蒸发管1另一端管口为蒸发管出口3，本发明优选的蒸发管出口3整体呈喇叭口形状。蒸发管1靠近蒸发管出口3位置具有一段多孔介质管2，多孔介质管2上均匀开有若干个贯穿多孔介质管2管壁的孔4。本发明优选的孔4为正六边形、圆形或方形。本发明优选的孔4为正六边形，孔4边长的长度值为0.05mm～1mm，具体的孔4的大小由蒸发管1的直径而定。
如图2所示，多孔介质管2沿着多孔介质管2轴线方向均匀排列若干排圆形孔组，每排圆形孔组由若干个孔4构成，每排圆形孔组的所有孔4围绕着多孔介质管2中心轴呈圆形均匀排列。本发明优选的技术方案如下：多孔介质管2沿着多孔介质管2轴线方向均匀排列20～60排圆形孔组，每排圆形孔组由30～80个孔4构成，每排圆形孔组的所有孔4围绕着多孔介质管2中心轴呈圆形均匀排列。
如图1所示，蒸发管1由蒸发管第一段11和与蒸发管第一段11相互连通的蒸发管第二段12组成，蒸发管第一段11与蒸发管第二段12成一定夹角，喷油管口位于蒸发管第一段11管口端部，蒸发管出口3位于蒸发管第二段12管口端部，多孔介质管2位于蒸发管第二段12靠近蒸发管出口3位置处。
如图1所示，多孔介质管2长度为10mm～25mm(多孔介质管2长度由蒸发管1长度决定)。蒸发管1整体长度为40～100mm，蒸发管1的管壁厚度为0.4～5mm，蒸发管1的直径为5～15mm。
空气经蒸发管1的喷油管口进入蒸发管1内部，蒸发管1从喷油管口进行喷油，部分燃油经蒸发管1蒸发雾化形成燃气，与燃油液滴以及空气进入燃烧室内进行燃烧。首先，多孔介质管2具有帮助燃油破碎的作用。燃油混气在蒸发管1内部进入多孔介质管2，燃油混气从多孔介质管2的所有孔4进入到燃烧室内，燃油混气大液滴经过多孔介质管2的孔4破碎作用变为小液滴，有利于提高燃油雾化蒸发效率和燃油混气在燃烧室内充分、有效燃烧。其次，多孔介质管2具有燃油流量再分配的作用，部分燃油混气能够通过多孔介质管2的所有孔4提前进入燃烧室内，部分燃油混气提前通过多孔介质管2的所有孔4进入火焰筒内(或火焰筒的燃烧室内)，使从蒸发管出口3出来的燃油混气的燃油量降低，在有限的气量条件下，燃油量的降低提高了蒸发管出口3的蒸发率。此时，多孔介质管2壁面处速度较低且燃油混气混合较均匀，在燃烧室内高温气体的作用下，开始燃烧，对多孔介质管2壁面有加热作用，壁面温度升高。燃油混气的与高温燃气接触面积增大以及壁面温度较高的多孔介质管2，使蒸发管1内的燃油混气换热增强，从而进一步提升了蒸发管1雾化蒸发的效果。再次，多孔介质具有增大蒸发管内燃油与燃烧室内高温燃气的接触面积的作用，这就增大了燃烧室内高温燃气向蒸发管内燃油的换热率(包括辐射换热与对流换热)，利于蒸发管内燃油的蒸发，提高燃油蒸发率。最后，多孔介质还有增强蒸发管内湍流度的作用，部分燃油通过多孔介质进入燃烧室内的过程产生的抽吸作用增大了蒸发管内燃油混气的湍流度，增强了蒸发管内燃油与热空气的掺混,增大了蒸发管内壁面的换热率，从而使蒸发管内燃油蒸发率进一步提高。
采用多孔介质的蒸发管具有上述多重优点，极大提高了燃油的蒸发雾化效率，提高了燃烧室的燃烧效率，使燃油分布更合理，高温区域分布更合理，并且靠近燃烧室头部，这就减少了燃烧室壁面的局部热点，改善了燃烧室出口温度分布均匀性，从而提高了燃烧室与涡轮的寿命，同时提高了燃烧室出口温度。最终提高了微型燃气涡轮发动机的推力以及寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，其特征在于：包括蒸发管(1)，所述蒸发管(1)一端管口为喷油管口，所述蒸发管(1)另一端管口为蒸发管出口(3)，所述蒸发管(1)靠近蒸发管出口(3)位置具有一段多孔介质管(2)，所述多孔介质管(2)上均匀开有若干个贯穿多孔介质管(2)管壁的孔(4)；所述多孔介质管(2)沿着多孔介质管(2)轴线方向均匀排列若干排圆形孔组，每排圆形孔组由若干个孔(4)构成，每排圆形孔组的所有孔(4)围绕着多孔介质管(2)中心轴呈圆形均匀排列；所述蒸发管(1)由蒸发管第一段(11)和与蒸发管第一段(11)相互连通的蒸发管第二段(12)组成，所述蒸发管第一段(11)与蒸发管第二段(12)成一定夹角，所述喷油管口位于蒸发管第一段(11)管口端部，所述蒸发管出口(3)位于蒸发管第二段(12)管口端部，所述多孔介质管(2)位于蒸发管第二段(12)靠近蒸发管出口(3)位置处。
2.按照权利要求1所述的用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，其特征在于：所述多孔介质管(2)沿着多孔介质管(2)轴线方向均匀排列20～60排圆形孔组，每排圆形孔组由30～80个孔(4)构成，每排圆形孔组的所有孔(4)围绕着多孔介质管(2)中心轴呈圆形均匀排列。
3.按照权利要求1～2任一项所述的用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，其特征在于：所述孔(4)为正六边形、圆形或方形。
4.按照权利要求1所述的用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，其特征在于：所述蒸发管出口(3)整体呈喇叭口形状。
5.按照权利要求1所述的用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，其特征在于：所述多孔介质管(2)长度为10mm～25mm；所述蒸发管(1)整体长度为40～100mm，蒸发管(1)的管壁厚度为0.4～5mm，蒸发管(1)的直径为5～15mm。
6.按照权利要求3所述的用于微型燃气涡轮发动机燃烧室内的多孔介质蒸发管，其特征在于：所述孔(4)为正六边形，所述孔(4)边长的长度值为0.05mm～1mm。
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