CN108534180B - 发动机用燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种发动机用燃烧室，所述火焰筒内形成有燃烧腔，所述火焰筒的前部和后部分别设有用于预混蒸发燃料、并向所述燃烧腔喷送燃料的第一蒸发管和第二蒸发管，所述第一蒸发管的一端开口位于燃烧腔内，另一端开口穿出所述火焰筒前端与燃料总管相连通，所述第二蒸发管的一端开口位于燃烧腔内，另一端开口穿出所述火焰筒后部与燃料总管相连通。本发明通过在前端设置第一蒸发管，在后部设置第二蒸发管，提出一种全新的组合蒸发管燃烧结构，该结构燃料总管的供给压力低，实现了燃料燃烧的空间分级，有效降低燃烧区域的温度，达到降低NOx排放的目的，提高头部燃烧腔在小工况状态下的火焰稳定性，拓宽燃烧腔的熄火边界。

Description

发动机用燃烧室
技术领域
本发明属于发动机技术领域，尤其涉及一种发动机用燃烧室。
背景技术
涡轮喷气发动机是一种涡轮发动机，其特点是完全依赖燃气体产生推力，通常用作高速飞机的动力。涡轮喷气发动机分为离心式和轴流式两种。涡轮喷气发动机按照“工作循环”的模式进行工作，它从大气中吸进空气，空气经压缩和加热过程后得到能量和动量，之后得到能量和动量的空气从推进喷管中排出，在高速气体喷出发动机时，同时带动压气机和涡轮继续旋转，维持工作循环。
例如申请公告号为CN1743735A的发明专利公开了一种蒸发管式微小型发动机燃烧室，由燃烧室火焰筒内壁和外壁、3-12个T型蒸发管、燃油喷嘴组成，3-12个T型蒸发管沿燃烧室火焰筒的前端壁周向均匀排列，3-12个燃油喷嘴沿径向插至3-12个T型蒸发管内，在燃烧室火焰筒内壁、外壁和前端壁上打有多个孔，空气从燃烧室火焰筒内壁、外壁和前端壁进入燃烧室，利用切向进气在火焰筒头部形成稳定单个大涡。该发明燃烧室能够与空气混合更加均匀，燃烧更加稳定；主燃区的燃烧组织由于微发燃烧室的尺寸限制，采用一个大涡稳定火焰；总体设计使燃烧室主燃区提前，缩短燃烧室的长度。上述的发动机燃烧室的蒸发管布置在火焰筒头部位置，全部燃料从头部进入蒸发管。针对燃料不能有效进行分级，很难兼顾燃烧室在不同工况下的燃烧特性，通常的设计方式是牺牲部分小工况下的特性(如熄火特性)来保证大工况下的工作特性。因此，大工况下燃料集中，燃烧区温度高，达不到低污染要求，而燃烧区在小工况时油气比低，火焰温度低，燃烧不充分，甚至熄火。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种发动机用燃烧室。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种发动机用燃烧室，包括火焰筒，所述火焰筒内形成有燃烧腔，所述火焰筒的前部和后部分别设有用于预混蒸发燃料、并向所述燃烧腔喷送燃料的第一蒸发管和第二蒸发管，所述第一蒸发管的一端开口位于燃烧腔内，另一端开口穿出所述火焰筒前端与燃料总管相连通，所述第二蒸发管的一端开口位于燃烧腔内，另一端开口穿出所述火焰筒后部与燃料总管相连通。以便于针对不同工况状态，仅使第一蒸发管向所述燃烧腔喷送燃料，或第一蒸发管和第二蒸发管同时向所述燃烧腔喷送燃料。
作为优选：所述第一蒸发管和所述第二蒸发管分别于所述燃烧腔内呈周向排列设置。以便于向所述燃烧腔均匀喷送燃料。
作为优选：所述燃烧腔为环形燃烧腔；所述火焰筒包括外筒和内筒，所述外筒的前端与内筒的前端相接有顶壁，所述外筒、顶壁和内筒依次相接形成所述环形燃烧腔；所述第一蒸发管的另一端开口位于顶壁上且与所述燃料总管相连通；所述第二蒸发管的另一端开口穿出所述外筒与所述燃料总管相连通。
作为优选：所述第二蒸发管呈朝向外筒弯曲的弧状；以便于增加第一蒸发管的有效换热面积，降低第二蒸发管的出口燃料颗粒直径。使第二蒸发管喷出的燃料燃烧更均匀。
作为优选：所述第二蒸发管位于燃烧腔内的一端开口向外弯折呈喇叭状。以便于第二蒸发管喷出的燃料扩散分布。同时喇叭口的四周将形成一个小范围低速区域，利于燃料充分燃烧。
作为优选：所述燃烧腔包括头部燃烧腔和主燃烧腔，所述第一蒸发管的一端开口位于所述头部燃烧腔内，以便向所述头部燃烧腔输送燃料使其燃烧；所述第二蒸发管的一端开口位于所述主燃烧腔内，以便向所述主燃烧腔喷出燃料并燃烧。
作为优选：所述第一蒸发管喷出燃料的燃空当量比高于所述第二蒸发管喷出燃料的燃空当量比，以便于所述第一蒸发管喷出的燃料在较低温度下裂解燃烧，且所述第二蒸发管喷出的燃料所燃烧的火焰温度较低。
作为优选：所述第一蒸发管供给燃料的燃空当量比为1.25～2；所述第二蒸发管供给燃料的燃空当量比为0.5～0.8。以便于所述第一蒸发管喷出的燃料在较低温度下裂解燃烧，降低所述第二蒸发管喷出的燃料所燃烧的火焰温度。
作为优选：所述第一蒸发管喷出所述燃料形成有第一燃烧火焰，所述第二蒸发管喷出所述燃料形成有第二燃烧火焰，所述第一燃烧火焰与所述第二燃烧火焰部分重叠形成有交集区，以便于第一蒸发管所喷出的燃料与第二蒸发管所喷出的燃料相互引燃。提高了燃烧的稳定性。
作为优选：所述燃料总管包括与第一蒸发管相连通的前端燃料总管和与第二蒸发管相连通的后端燃料总管，以便于单独或同时向所述第一蒸发管和第二蒸发管供给燃料。
作为优选，所述前端燃料总管持续向所述第一蒸发管供给燃料；当发动机在大工况状态时，所述后端燃料总管向所述第二蒸发管供给材料。
作为优选：所述前端燃料总管向所述第一蒸发管供给燃料与所述后端燃料总管向所述第二蒸发管供给燃料的质量比为(3：7)～(5：5)。以便于满足第一蒸发管喷出的燃料量达到启动点火的燃料量，同时也控制最大供油量以控制所述燃烧腔内的头部燃烧腔的温度。
作为优选：所述前端燃料总管和后端燃料总管均呈环状，且所述前端燃料总管位于火焰筒的顶壁上，所述后端燃料总管位于火焰筒的外筒的尾端上。
作为优选：所述燃烧室为环形燃烧室。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
1、本发明通过在前端设置第一蒸发管，在后端设置第二蒸发管，提出一种全新的组合蒸发管燃烧结构，该种结构简单，且燃料总管的供给压力低，是一种加工、设计和控制都易实现的方案。实现了燃料燃烧的空间分级，可有效降低燃烧区域的温度，达到降低NOx排放的目的；同时燃料空间分级，可提高头部燃烧腔在小工况状态下的火焰稳定性，拓宽燃烧腔的熄火边界。
2、其中第一蒸发管持续向头部燃烧腔提供燃料，保持头部燃烧腔内的燃烧一直存在，以保证发动机小工况时燃烧的稳定性。当发动机在大工况情况时，第二蒸发管置于所述火焰筒的后部，其向主燃烧腔提供燃料，实现了燃料供给的分级，满足发动机大工况时进行分级燃烧降低污染的目的。
3、前端燃料总管和后端燃料总管采用独立控制设计，在实际运行过程中可以根据实际测量的低污染效果，单独调节前端燃料总管和后端燃料总管的燃料流量，使燃烧低污染排放达到最佳状态。
附图说明
图1为本发明一种发动机用燃烧室具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明沿图1所示A-A线的截面视图；
以上各图中：1、火焰筒；11、外筒；111、第二开口；12、内筒；13、顶壁；131、第一开口；2、燃烧腔；21、头部燃烧腔；22、主燃烧腔；3、第一蒸发管；31、第一竖直管；32、水平管；33、第二竖直管；4、第二蒸发管；41、弯折部；5、前端燃料总管；6、后端燃料总管。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
实施例：如图1、图2所示，一种发动机用燃烧室，包括火焰筒1，所述火焰筒1内形成有燃烧腔2，所述火焰筒1的前部和后部分别设有用于预混蒸发燃料、并向所述燃烧腔2喷送燃料的第一蒸发管3和第二蒸发管4，所述第一蒸发管3的一端开口位于燃烧腔2内，另一端开口穿出所述火焰筒1前端与燃料总管相连通，所述第二蒸发管4的一端开口位于燃烧腔2内，另一端开口穿出所述火焰筒1后部与燃料总管相连通。以便于针对不同工况状态，仅使第一蒸发管3向所述燃烧腔2喷送燃料，或第一蒸发管3和第二蒸发管4同时向所述燃烧腔2喷送燃料。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
进一步如图1和图2所示：所述第一蒸发管3和所述第二蒸发管4分别于所述燃烧腔2内呈周向排列设置。以便于向所述燃烧腔2均匀喷送燃料。所述第一蒸发管3和第二蒸发管4周向排列数量视气动流场计算而定，要求保证流场相互渗透，相互影响，以保证周向排列的第一蒸发管3所产生的第一燃烧火焰能相互引燃，同样的保证周向排列的第二蒸发管4所产生的第二燃烧火焰能相互引燃，均实现联焰成功。具体的所述第一蒸发管3的数量与所述第二蒸发管4的数量可分别根据实际需要进行选择，两者数量可相同也可不同。且其中所述第一蒸发管3与第二蒸发管4可相对设置，也可以错位设置，但所述第一蒸发管3与第二蒸发管4不可交叉或重叠设置，保证第一蒸发管3位于燃烧腔2内的开口与第二蒸发管4位于燃烧腔2内的开口之间形成有间距，同时第一蒸发管3喷出的第一燃烧火焰与第二蒸发管4喷出的第二燃烧火焰形成有交集区。具体结构设计需要根据燃烧室的结构和使用需求进行设计，针对第一蒸发管3与第二蒸发管4的位置关系、距离关系和数量关系，本领域技术人员基于现有技术和本专利公开内容均能直接获取到，且其均在本发明的保护范围内。
进一步如图1和图2所示，所述第一蒸发管3呈弯钩状，且分为依次相连通的第一竖直管31、水平管32和第二竖直管33，所述第一竖直管31长度大于所述第二竖直管33长度，且所述第一竖直管31的端部与所述顶壁13上的第一开口131相接，所述第一开口131的形状与第一竖直管31端部的形状相匹配呈圆形，以便于所述燃料总管内的燃料供入到所述第一竖直管31内，并依次通过水平管32和第二竖直管33排出。
优选的，所述第一蒸发管3的第一竖直管31周向排列的间距取值范围为水平管32长度的1.8～2.2倍；第二蒸发管4周向排列数量为第一蒸发管3数量的1.5～2倍。所述燃烧腔2包括燃烧腔2头部燃烧腔21和燃烧腔2主燃烧腔22，所述第一蒸发管3的一端开口位于所述燃烧腔2头部燃烧腔21内，以便向所述燃烧腔2头部燃烧腔21输送燃料使其燃烧；所述第二蒸发管4的一端开口位于所述燃烧腔2主燃烧腔22内，以便向所述燃烧腔2主燃烧腔22喷出燃料并燃烧。所述第一蒸发管3和第二蒸发管4的间距为所述水平管32的中心轴所在水平面与第一蒸发管3位于燃烧腔2的开口的所在水平面的距离为燃烧腔2头部燃烧腔21长度的20％～30％，以便于所述第一蒸发管3喷出燃料形成的第一燃烧火焰与第二蒸发管4喷出燃料形成的第二燃烧火焰部分重叠，促进燃烧腔2燃烧稳定性。
进一步如图1和图2所示，所述燃烧腔2为环形燃烧腔2；所述火焰筒1包括外筒11和内筒12，所述外筒11的前端与内筒12的前端相接有顶壁13，所述外筒11、顶壁13和内筒12依次相接形成所述环形燃烧腔2；所述第一蒸发管3的另一端开口位于顶壁13上且与所述燃料总管相连通；所述第二蒸发管4的另一端开口穿出所述外筒11与所述燃料总管相连通。所述第二蒸发管4呈朝向外筒11弯曲的弧状；以便于增加第一蒸发管3的有效换热面积，降低第二蒸发管4的出口燃料颗粒直径。使第二蒸发管4喷出的燃料燃烧更均匀。所述第二蒸发管4位于燃烧腔2内的一端开口向外弯折形成有弯折部41，且所述弯折部41呈喇叭状。以便于第二蒸发管4喷出的燃料扩散分布。同时喇叭口的四周将形成一个小范围低速区域，利于燃料充分燃烧。所述外筒11的后部设置有第二开口111，所述第二蒸发管4的另一端穿出所述第二开口111与燃料总管相连通，所述第二开口111形状与第二蒸发管4形状相匹配成圆形。所述第一蒸发管3的内径为5～15mm。
进一步如图2所示，所述第一蒸发管3喷出燃料的燃空当量比高于所述第二蒸发管4喷出燃料的燃空当量比，以便于所述第一蒸发管3喷出的燃料在较低温度下裂解燃烧，且所述第二蒸发管4喷出的燃料所燃烧的火焰温度较低。优选的，所述第一蒸发管3供给燃料的燃空当量比为1.25～2；所述第二蒸发管4供给燃料的燃空当量比为0.5～0.8。以便于所述第一蒸发管3喷出的燃料在较低温度下裂解燃烧，降低所述第二蒸发管4喷出的燃料所燃烧的火焰温度。当发动机在小工况时，所述第一蒸发管3供给的燃料可以处于接近燃空当量比状态下进行燃烧反应，提高火焰稳定性和燃烧效率；当发动机处于大工况状态时，所述第一蒸发管3供给的燃料处于燃空高当量比燃烧状态，使燃料可以在较低温度下裂解燃烧，形成小分子气体燃料组分，促进所述第二蒸发管4供给的燃料燃烧；所述第二蒸发管4所在的燃烧腔2主燃烧腔22采用低当量比设计，发动机在大工况时才从尾部燃料总管供给燃料，使该燃料在主燃区内形成贫燃预混火焰，降低火焰温度，减少因高温形成燃烧污染物。
进一步如图2所示，所述第一蒸发管3喷出所述燃料形成有第一燃烧火焰，所述第二蒸发管4喷出所述燃料形成有第二燃烧火焰，所述第一燃烧火焰与所述第二燃烧火焰部分重叠形成有交集区，所述交集区位于燃烧腔2头部燃烧腔21内，且所述交集区占所述燃烧腔2头部燃烧腔21体积的20％～30％，以便于第一蒸发管3所喷出的燃料与第二蒸发管4所喷出的燃料相互引燃。提高了燃烧的稳定性。
进一步如图1和图2所示，所述燃料总管包括与第一蒸发管3相连通的前端燃料总管5和与第二蒸发管4相连通的后端燃料总管6，以便于单独或同时向所述第一蒸发管3和第二蒸发管4供给燃料。所述前端燃料总管5持续向所述第一蒸发管3供给燃料；当发动机在大工况状态时，所述后端燃料总管6向所述第二蒸发管4供给材料。所述前端燃料总管5向所述第一蒸发管3供给燃料与所述后端燃料总管6向所述第二蒸发管4供给燃料的质量比为(3：7)～(5：5)。以便于满足第一蒸发管3喷出的燃料量达到启动点火的燃料量，同时也控制最大供油量以控制所述燃烧腔2内的燃烧腔2头部燃烧腔21的温度。所述前端燃料总管5和后端燃料总管6均呈环状，且所述前端燃料总管5位于火焰筒的顶壁上，所述后端燃料总管6位于火焰筒的外筒11的尾端上。
进一步如图1和图2所示，所述燃烧室为环形燃烧室。
本发明所述发动机用燃烧室的使用方法：
当所述发动机处于小工况时，所述前端燃料总管5向第一蒸发管3供给燃料，并和空气混合，形成预混燃烧条件，所述第一蒸发管3向燃烧腔2头部燃烧腔21供给预混燃烧，同时进行点火启动，其中第一蒸发管3喷出燃料后产生的火焰形成第一燃烧火焰，所述第一燃烧火焰位于燃烧腔2头部燃烧腔21内，使发动机在小工况状态仅依靠该部分燃料即可保障发动机运行，同时在发动机整个运行工况范围内保持燃烧状态；
当发动机负荷工况增加时，使发动机处于大工况状态，在开启第一蒸发管3供给燃料的同时，所述后端燃料总管6向第二蒸发管4供给燃料，所述第二蒸发管4向燃烧腔2主燃烧腔22供给燃料，且燃料随着工况增加而增多，并和空气混合，形成预混燃烧条件，此时进行点火启动，其中第二蒸发管4喷出预混燃料后产生的火焰形成第二燃烧火焰，所述第二燃烧火焰主要位于燃烧腔2主燃烧腔22内，且第一燃烧火焰与所述第二燃烧火焰部分重叠形成有交集区。通过在前端设置第一蒸发管3，在后部设置第二蒸发管4，实现了燃料燃烧的空间分级，可有效降低燃烧区域的温度，达到降低NOx排放的目的；同时燃料空间分级，可提高燃烧腔2头部燃烧腔21在小工况状态下的火焰稳定性，拓宽燃烧腔2的熄火边界。所述燃烧腔2头部燃烧腔21内的燃烧一直存在，保证发动机小工况时的燃烧稳定性，和实现发动机大工况分级燃烧降低污染的目的。

Claims (8)

1.一种发动机用燃烧室，包括火焰筒，所述火焰筒内形成有燃烧腔，其特征在于：所述火焰筒的前部和后部分别设有用于预混蒸发燃料、并向所述燃烧腔喷送燃料的第一蒸发管和第二蒸发管，所述第一蒸发管的一端开口位于燃烧腔内，另一端开口穿出所述火焰筒前端与燃料总管相连通，所述第二蒸发管的一端开口位于燃烧腔内，另一端开口穿出所述火焰筒后部与燃料总管相连通；
所述燃料总管包括与第一蒸发管相连通的前端燃料总管和与第二蒸发管相连通的后端燃料总管，以便于单独或同时向所述第一蒸发管和第二蒸发管供给燃料；且所述前端燃料总管向所述第一蒸发管供给燃料与所述后端燃料总管向所述第二蒸发管供给燃料的质量比为（3：7）-（5：5）。
2.根据权利要求1所述的发动机用燃烧室，其特征在于：所述第一蒸发管和所述第二蒸发管分别于所述燃烧腔内呈周向排列设置。
3.根据权利要求1所述的发动机用燃烧室，其特征在于：所述燃烧腔为环形燃烧腔；所述火焰筒包括外筒和内筒，所述外筒的前端与内筒的前端相接有顶壁，所述外筒、顶壁和内筒依次相接形成所述环形燃烧腔；
所述第一蒸发管的另一端开口位于顶壁上且与所述燃料总管相连通；所述第二蒸发管的另一端开口穿出所述外筒与所述燃料总管相连通。
4.根据权利要求3所述的发动机用燃烧室，其特征在于：所述第二蒸发管呈朝向所述外筒弯曲的弧状；
所述第二蒸发管位于燃烧腔内的一端开口向外弯折呈喇叭状。
5.根据权利要求1所述的发动机用燃烧室，其特征在于：所述燃烧腔包括头部燃烧腔和主燃烧腔，所述第一蒸发管的一端开口位于所述头部燃烧腔内；所述第二蒸发管的一端开口位于所述主燃烧腔内。
6.根据权利要求1所述的发动机用燃烧室，其特征在于：所述第一蒸发管喷出燃料的燃空当量比高于所述第二蒸发管喷出燃料的燃空当量比；
所述第一蒸发管喷出所述燃料形成有第一燃烧火焰，所述第二蒸发管喷出所述燃料形成有第二燃烧火焰，所述第一燃烧火焰与所述第二燃烧火焰部分重叠形成有交集区。
7.根据权利要求1所述的发动机用燃烧室，其特征在于：所述前端燃料总管和后端燃料总管均呈环状，且所述前端燃料总管位于火焰筒的顶壁上，所述后端燃料总管位于火焰筒的外筒的尾端上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的发动机用燃烧室，其特征在于：所述燃烧室为环形燃烧室。
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