CN107883405A - 蒸发管燃烧室快速启动结构、方法、小型航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸发管燃烧室快速启动结构及方法，适用于小型航空涡轮发动机，包括低压喷雾雾化燃油总管、直射式燃油总管和蒸发管燃烧室。在燃烧室启动时首先采用低压喷雾雾化燃油总管供油并点火燃烧；燃烧室在低负荷且燃烧稳定时打开直射式燃油总管，同低压喷雾雾化燃油总管共同供油燃烧；当直射式燃油总管供油压力和燃烧稳定时，关闭低压喷雾雾化燃油总管，采用直射式燃油总管单独供油，并逐渐提高燃烧室负荷，使其工作到设计状态。以上燃烧室从点火到设计状态在3～5秒内完成，实现航空涡轮发动机快速启动。本发明解决了蒸发管燃烧室的直射式燃油总管燃油雾化质量差所导致的点火困难且点火时间长等问题。

Description

蒸发管燃烧室快速启动结构、方法、小型航空发动机

技术领域

本发明属于一种具有燃烧特征的技术领域，尤其是快速启动需求的小型航空涡轮发动机燃烧室技术领域，具体涉及一种蒸发管燃烧室快速启动结构及方法。

背景技术

目前，采用蒸发管燃烧技术的航空涡轮发动机已得到广泛应用。如荷兰AMT、英国Rolls-Royce、Artesjet、Turbomeca等都有一系列的产品。小型航空涡轮发动机一般压气机压比低，燃料油泵能力有限，供油压力低，因此这些航空涡轮发动机所采用的蒸发管燃烧室通常采用气体燃料点火、无雾化低压燃油火炬点火或1～2个压力雾化喷嘴点火等三种点火启动方法。

现有燃气点火方式的蒸发管燃烧室结构，如图1所示，蒸发管燃烧室头部布置有点火用燃气总管和燃油总管。由于气体燃料无需雾化即可点燃，因此点火用燃气总管采用多直射式喷嘴设计方案，可使点火时气体燃料充足，燃烧火焰能量大，可有效加热蒸发管燃烧室，保证无雾化的燃油在蒸发管内能有效受热蒸发，促使燃油燃烧，完成航空涡轮发动机点火。该方案由于采用了燃气总管，需配备燃气相关储存管、阀门等较多额外设备，附带尺寸重量巨大，因此不适合随航空涡轮发动机装配到飞行器中。

由于气体燃料点火技术所需管路及附件系统复杂，已逐渐被燃油点火方式代替。如图2所示，现有无雾化低压燃油火炬点火或1～2个压力雾化喷嘴点火的蒸发管燃烧室结构，蒸发管燃烧室头部的蒸发管加热区布置有少量的燃油点火火炬，点火火炬的常见方案是无雾化低压燃油火炬或1～2个压力雾化喷嘴点火火炬，点火火炬采用同蒸发管燃烧室一样的燃油燃料，省去了燃气燃料的附属设备，简化了附件设备尺寸重量。无雾化低压燃油火炬点火方式结构简单，一般采用单点火炬进行蒸发管燃烧室预热点火，该单点火炬能量小，火炬覆盖空间有限，蒸发管燃烧室预热时间长，低温条件下点火预热时间更长。1～2个压力雾化喷嘴点火启动的蒸发管燃烧室通常被用于较大功率/推力的航空涡轮发动机中，该方式需要较高的燃油雾化压力，且雾化喷嘴数量少，燃烧火焰能量小，所覆盖燃烧室区域小，点火预热时间长且燃烧室出口温度增加幅度小，该油路单独工作时涡轮做功能力有限，不能有效提高航空涡轮发动机转速，启动速度慢。由于现有无雾化低压燃油火炬点火或1～2个压力雾化喷嘴点火的蒸发管燃烧室结构，采用的燃油点火火炬数量少，燃烧能量有限，在短时间内不能有效加热整个蒸发管燃烧室，为有效点燃整个燃油总管喷出的燃料，需增加蒸发管燃烧室的预热时间，且蒸发管燃烧室越大，预热时间越长，因此达不到快速启动的需求。另外，由于燃油点火火炬数量少，燃油流量小，蒸发管燃烧室出口平均温度上升不明显，不能供给涡轮做功所需的能量，航空涡轮发动机的转动部件启动缓慢，也达不到快速启动的需求。

而航空涡轮发动机的快速启动技术，主要用于空间尺寸小、结构简单的小型飞行器中，要求启动时间短(3～5秒内完成启动)、转速上升快、且附件系统简单。纵观以上三种点火启动方法，均不能满足航空涡轮发动机快速启动的需求。

发明内容

为克服现有蒸发管燃烧室技术中燃油雾化压力低、燃烧室点火启动预热时间长等缺点和不足，本发明的目的在于提供一种蒸发管燃烧室快速启动结构，适用于快速启动需求的带蒸发管燃烧室的小型航空涡轮发动机中，采用两路燃油总管，一路用于点火启动的低压喷雾雾化燃油总管，另一路用于航空涡轮发动机主供油的直射式燃油总管，两路燃油总管采用独立控制，实现独立供油，可满足蒸发管燃烧室供油压力低的条件，也可实现蒸发管燃烧室快速点火和负荷切换的需求，利用两路燃油总管共同作用，实现航空涡轮发动机快速启动。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种蒸发管燃烧室快速启动结构，包括低压喷雾雾化燃油总管、直射式燃油总管、蒸发管燃烧室，其中，

所述蒸发管燃烧室中设置有多个蒸发管，

所述直射式燃油总管为主油路，固定在蒸发管燃烧室头部外侧，包括多个与所述直射式燃油总管连接的直射式燃油喷嘴，所述直射式燃油喷嘴将所述直射式燃油总管供应的燃料直接喷射入各蒸发管内，

其特征在于，

所述低压喷雾雾化燃油总管为点火启动油路，固定在蒸发管燃烧室头部外侧，包括多个与所述低压喷雾雾化燃油总管连接的雾化喷嘴，将所述低压喷雾雾化燃油总管供应的燃料直接喷射进入燃烧室头部区域，而不进入蒸发管内，所述低压喷雾雾化燃油总管供应的燃料所形成的燃烧火焰用于直接加热蒸发管，各所述雾化喷嘴应满足在低于所述直射式燃油总管工作压力以下达到点火所需的最小雾化质量。

优选地，所述低压喷雾雾化燃油总管能与所述直射式燃油总管共同工作，所述低压喷雾雾化燃油总管和所述直射式燃油总管共同工作时的总油量能维持燃烧室较低负荷，能保证所述蒸发管燃烧室出口温度在设计范围之内，但也允许短时超温。

优选地，所述雾化喷嘴所形成的火焰区域覆盖所述蒸发管燃烧室50％以上的头部区域，所述低压喷雾雾化燃油总管的最大燃油供给能力不小于50％的最大设计燃油流量，能短时提高燃烧室出口温度。

进一步地，所述低压喷雾雾化燃油总管与其各雾化喷嘴采用一体化设计。

进一步地，所述雾化喷嘴数量不定，且喷嘴布局可以是规则的，也可以是不规则的。

进一步地，各所述雾化喷嘴在蒸发管燃烧室头部开孔处允许有少量空气进入蒸发管燃烧室内，也可以没有空气进入蒸发管燃烧室。

进一步地，所述低压喷雾雾化燃油总管采用一独立阀门控制，在发动机启动时可优先开启。

优选地，所述的低压喷雾雾化燃油总管能与所述直射式燃油总管共同供油燃烧，且所述直射式燃油总管开启供油时，低压喷雾雾化燃油总管供油燃烧状态稳定，无熄火。

进一步地，所述直射式燃油总管采用一独立阀门控制，可独立工作。

进一步地，所述的低压喷雾雾化燃油总管与所述直射式燃油总管共同工作时间一般在3～5秒内。

进一步地，根据航空涡轮发动机快速启动要求，本发明提供的蒸发管燃烧室快速启动结构，其启动方法为：

首先打开低压喷雾雾化燃油总管控制阀门，实现启动点火；

其次打开直射式燃油总管控制阀门，保证低压喷雾雾化燃油总管和直射式燃油总管共同供油燃烧；

最后关闭低压喷雾雾化燃油总管阀门，实现直射式燃油总管独立供油。低压喷雾雾化燃油总管和直射式燃油总管共同供油燃烧期间，允许蒸发管燃烧室出口温度短时超过设计温度数值。

根据本发明的另一方面，还提供了一种具有本发明上述蒸发管燃烧室快速启动结构的小型涡轮航空发动机。

同现有技术相比，本发明提供的蒸发管燃烧室快速启动结构采用低压喷雾雾化燃油总管和直射式燃油总管共同作用，实现航空涡轮发动机快速启动，具有显著的技术效果：(1)采用低压喷雾雾化燃油总管进行点火油路供油点火，无需经过蒸发管，能实现小压力(一般小于3bar)燃油点火。(2)低压喷雾雾化燃油喷嘴无需空气旋流器，简化了燃烧室结构。(3)低压喷雾雾化燃油总管喷油覆盖大于50％燃烧室头部区域，能快速加热蒸发管，保证直射式燃油总管喷油在蒸发管内快速蒸发，大大缩短现有技术的预热点火时间。(4)由于低压喷雾雾化燃油总管喷油覆盖区域大，燃油流量也较大，能有效提高蒸发管燃烧室在启动状态的出口温度，提高涡轮出功，加快航空涡轮发动机转子启动速度。低压喷雾雾化燃油总管和直射式燃油总管所需工作压力均较小，可保证两个燃油总管切换时能较平稳地过度，切换时间短，无熄火现象发生。

附图说明

图1是现有燃气点火方式的蒸发管燃烧室结构示意图；

图2是现有无雾化低压燃油火炬点火或1～2个压力雾化喷嘴点火的蒸发管燃烧室结构示意图；

图3是本发明的蒸发管燃烧室快速启动结构示意图；

图4是本发明的蒸发管燃烧室快速启动结构剖面图；

图5是本发明的蒸发管燃烧室快速启动结构局部放大图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图3～5所示，本发明的蒸发管燃烧室快速启动结构，适用于具有快速启动需求的小型航空涡轮发动机中，包括蒸发管燃烧室1、直射式燃油总管2、低压喷雾雾化燃油总管3。蒸发管燃烧室1中设置有多个蒸发管11，直射式燃油总管2为主油路，固定在蒸发管燃烧室1的头部外侧，包括多个与直射式燃油总管2连接的直射式燃油喷嘴，直射式燃油喷嘴将直射式燃油总管2供应的燃料直接喷射入各蒸发管11的进油通道内。

低压喷雾雾化燃油总管3为点火启动油路，布置在蒸发管燃烧室1的头部外侧，包括多个与低压喷雾雾化燃油总管3连接的雾化喷嘴31，在蒸发管燃烧室1的头部设有多个开孔12，从低压喷雾雾化燃油总管3的雾化喷嘴31喷出的燃油不进入蒸发管燃烧室1的蒸发管11的进油通道内，而是经过开孔12直接进入蒸发管燃烧室1，低压喷雾雾化燃油总管3所喷出燃油能覆盖50％以上的蒸发管燃烧室1头部区域，其燃烧火焰能有效加热50％以上的蒸发管数量。

低压喷雾雾化燃油总管3的雾化喷嘴31在蒸发管燃烧室1头部开孔12处允许有少量空气进入蒸发管燃烧室1，也可以没有空气进入蒸发管燃烧室1，从雾化喷嘴31喷出的燃油能顺利进入蒸发管燃烧室1。

低压喷雾雾化燃油总管3的最大流量不小于整个航空涡轮发动机设计流量的50％，低压喷雾雾化燃油总管3的喷嘴31在点火状态下的最低燃油压力下可以达到最小的点火雾化状态，能满足点火启动需求。此处最小点火雾化状态无明确说明，该状态随点火器能量的变化而变化，一般情况是点火器能量小时，要求最小点火雾化状态的燃油颗粒索泰尔直径小，反之亦然。

直射式燃油总管2和低压喷雾雾化燃油总管3都可独立控制。

当航空涡轮发动机启动时，首先开启低压喷雾雾化燃油总管3，使燃油从雾化喷嘴31处喷出，进入蒸发管燃烧室1，并点火燃烧。当低压喷雾雾化燃油总管3所喷出燃油燃烧稳定时，开启直射式燃油总管2，使直射式燃油总管2和低压喷雾雾化燃油总管3同时工作，允许两路总管共同供油时的蒸发管燃烧室1出口温度短时超过设计值。当直射式燃油总管2和低压喷雾雾化燃油总管3共同供油燃烧稳定时，关闭低压喷雾雾化燃油总管3，同时提高直射式燃油总管2供油流量，完成航空涡轮发动机快速启动过程。以上航空涡轮发动机快速启动过程在3～5秒，直射式燃油总管2和低压喷雾雾化燃油总管3在开闭切换过程无熄火。

本发明的蒸发管燃烧室快速启动结构，可应用于小型航空涡轮发动机中，蒸发管燃烧室点火油路采用低压喷雾雾化燃油总管，其雾化压力低，流量大，燃烧火焰覆盖区域宽广，能有效加热蒸发管燃烧室，促使直射式燃油总管所喷燃油在蒸发管内快速受热蒸发和雾化，达到航空涡轮发动机快速启动的需求。直射式燃油总管和低压喷雾雾化燃油总管均可独立控制，对航空涡轮发动机总体设计无明显影响。本发明的总体设计布局紧凑，结构简单，控制调节过程清晰，能有效快速实现航空涡轮发动机从点火到升转的启动目的。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蒸发管燃烧室快速启动结构，包括低压喷雾雾化燃油总管、直射式燃油总管、蒸发管燃烧室，其中，

所述蒸发管燃烧室中设置有多个蒸发管，

所述直射式燃油总管为主油路，固定在蒸发管燃烧室头部外侧，包括多个与所述直射式燃油总管连接的直射式燃油喷嘴，所述直射式燃油喷嘴将所述直射式燃油总管供应的燃料直接喷射入各蒸发管内，

其特征在于，

所述低压喷雾雾化燃油总管为点火启动油路，固定在蒸发管燃烧室头部外侧，包括多个与所述低压喷雾雾化燃油总管连接的雾化喷嘴，将所述低压喷雾雾化燃油总管供应的燃料直接喷射进入燃烧室头部区域，而不进入蒸发管内，所述低压喷雾雾化燃油总管供应的燃料所形成的燃烧火焰用于直接加热蒸发管，各所述雾化喷嘴应满足在低于所述直射式燃油总管工作压力以下达到点火所需的最小雾化质量。

2.根据权利要求1所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，所述低压喷雾雾化燃油总管和直射式燃油总管共同工作时的总油量能维持燃烧室在小负荷状态下工作，能保证所述蒸发管燃烧室出口温度在设计范围之内，但也允许短时超温。

3.根据权利要求1所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，所述雾化喷嘴所形成的火焰区域覆盖所述蒸发管燃烧室50％以上的头部区域。

4.根据上述权利要求所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，所述低压喷雾雾化燃油总管的最大燃油供给能力不小于50％的最大设计燃油流量，能短时提高燃烧室出口温度。

5.根据上述权利要求所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，所述低压喷雾雾化燃油总管与其各雾化喷嘴采用一体化设计。

6.根据上述权利要求所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，所述雾化喷嘴数量不定，且喷嘴布局可以是规则的，也可以是不规则的。

7.根据上述权利要求所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，各所述雾化喷嘴在蒸发管燃烧室头部开孔处允许有少量空气进入蒸发管燃烧室内，也可以没有空气进入蒸发管燃烧室。

8.根据上述权利要求所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，所述低压喷雾雾化燃油总管采用一独立阀门控制，在发动机启动时优先开启。

9.根据上述权利要求所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，所述直射式燃油总管开启供油时，低压喷雾雾化燃油总管供油燃烧状态稳定。

10.根据上述权利要求所述的蒸发管燃烧室快速启动结构，其特征在于，所述直射式燃油总管采用一独立阀门控制。