CN110107915B - 主燃烧室三通道短突扩扩压器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种主燃烧室三通道短突扩扩压器，其包括同轴设置的扩压器空气入口、扩压器内环通道、扩压器中间通道、扩压器外环通道；扩压器中间通道由扩压器中间通道内壁和扩压器中间通道外壁限定；扩压器中间通道内壁沿圆周方向设置扩压器内环气流分配通道；扩压器中间通道外壁沿圆周方向设置扩压器外环气流分配通道；扩压器中间通道内壁沿轴向分叉延伸为扩压器内环通道导流板和扩压器中间通道内突扩板，扩压器内环通道导流板设置在靠近扩压器内环通道内壁的一侧；以及扩压器中间通道外壁沿轴向分叉延伸为扩压器外环通道导流板和扩压器中间通道外突扩板，扩压器外环通道导流板设置在靠近扩压器外环通道外壁的一侧。

Description

主燃烧室三通道短突扩扩压器

技术领域

本公开涉及一种燃烧室扩压器，尤其涉及一种主燃烧室三通道短突扩扩压器。

背景技术

扩压器是燃烧室关键部件之一。压气机出口的空气流速通常达到170m/s甚至更高。当燃烧室温升比达到2.5时，无扩压器条件下燃烧室内总压损失会达到25％，所以空气在进入燃烧室前须经过扩压降速，通常降为原来的1/5。扩压器的压力损失对燃烧完全没有帮助，所以应尽可能减小扩压器压力损失。通常扩压器压力损失包括壁面摩擦损失和边界层分离失速损失，扩张角越小，则扩压器长度越长，壁面摩擦损失越大；而扩张角越大，则失速的损失更大，所以存在一个恰当的扩张角范围，大概在6°～12°。扩压器除了要求压力损失尽可能小，长度尽可能短之外，作为发动机主要承力部件，还要求足够的刚度和强度，可靠的传力与安全的工作，周向与径向流动尽可能均匀，以及对压气机出口气流畸变不敏感等等。

突扩扩压器前部为一个轴向长度较短的常规扩压器，在其内部空气速度降为原来60％，接着气流进行突扩，然后分别绕火焰筒头部进入环绕火焰筒的内外环腔。前置扩压器与突扩区域的转角产生了漩涡，漩涡有利于保证均匀稳定的沿火焰筒的分叉流，尽管其压力损失要比流线型扩压器大50％左右，但是其长度和高度的缩小大大弥补这个缺点。而且突扩扩压器出口流场稳定，对加工误差、火焰筒和燃烧室不同热膨胀系数以及进口速度剖面的变化完全不敏感，所以应用在当今的很多发动机的设计中。

现代先进燃烧室头部进气量更大，要求头部高度更高。同时，更高的头部高度也是更低的贫油熄火极限，更好的高空点火性能，以及减小污染物排放的要求之一。但过高的头部高度(定义火焰筒高度和前置扩压器进口高度比DL/h1，一般为3-5，现在已经超过5.5)，使得流动转向和火焰筒头部曲率过大，这会大大增加压力损失，从而降低发动机性能。

一种解决这个问题的思路就是增加分流叶片，或在扩压器上沿气流流动的方向加装几个薄片，薄片对称放置，使得气流流过每个通道时都接近失速线，这样可以增加扩压器扩展角，减小气流通过喉道后的突扩压力损失。另一种思路是涡控扩压器。在扩压器喉道处通过抽吸边界层，让气流快速扩压，漩涡的产生有利于流场稳定，对进口速度剖面的变化不敏感。但是涡控技术采用的主动抽气手段会使得扩压器的设计复杂程度和控制方法设计难度增加。而另一方面，火焰筒沿周向进气分布不均的特点会造成头部进气量大而两个头部之间进气量小。现有技术对当前高头部高度的燃烧室总压损失控制力度不够，同时在平衡扩压降速性能和结构简单化之间的矛盾考虑不够充分。因此，需要设计一种结构简单紧凑、性能优异的先进扩压器，降低燃烧室的总压损失，保持燃烧室内气流流动的稳定性，为燃烧室的稳定工作提供必要条件。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种主燃烧室三通道短突扩扩压器，其包括同轴设置的扩压器空气入口、扩压器内环通道、扩压器中间通道、扩压器外环通道；扩压器内环通道、扩压器中间通道、扩压器外环通道设置在扩压器空气入口下游；扩压器空气入口由扩压器入口内壁和扩压器入口外壁限定；扩压器内环通道由扩压器内环通道内壁和扩压器中间通道内壁限定；扩压器中间通道由扩压器中间通道内壁和扩压器中间通道外壁限定；扩压器外环通道由扩压器中间通道外壁和扩压器外环通道外壁限定；扩压器中间通道内壁沿圆周方向设置扩压器内环气流分配通道；扩压器中间通道外壁沿圆周方向设置扩压器外环气流分配通道；扩压器中间通道内壁沿轴向分叉延伸为扩压器内环通道导流板和扩压器中间通道内突扩板，扩压器内环通道导流板设置在靠近扩压器内环通道内壁的一侧；以及扩压器中间通道外壁沿轴向分叉延伸为扩压器外环通道导流板和扩压器中间通道外突扩板，扩压器外环通道导流板设置在靠近扩压器外环通道外壁的一侧。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器内环气流分配通道设置在扩压器中间通道内壁靠近扩压器入口内壁的一侧；以及扩压器外环气流分配通道设置在扩压器中间通道外壁靠近扩压器入口外壁的一侧。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器内环通道导流板沿圆周方向设置内环抽气通道；以及扩压器外环通道导流板沿圆周方向设置外环抽气通道。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器内环气流分配通道、扩压器外环气流分配通道、内环抽气通道和外环抽气通道为圆形、三角形、矩形或不规则多边形。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器内环气流分配通道、扩压器外环气流分配通道、内环抽气通道和外环抽气通道沿轴向为至少一排。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器中间通道沿流向扩张。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器中间通道内突扩板和扩压器中间通道外突扩板之间的夹角为0～60°。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器内环通道导流板与扩压器中间通道内突扩板之间的夹角为0～30°；以及扩压器外环通道导流板与扩压器中间通道外突扩板之间的夹角为0～30°。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器中间通道内突扩板与扩压器中间通道内壁在同一直线上；扩压器中间通道外突扩板与扩压器中间通道外壁在同一直线上；以及扩压器中间通道内壁与扩压器中间通道外壁、扩压器中间通道内突扩板与扩压器中间通道外突扩板、扩压器内环通道导流板与扩压器外环通道导流板分别沿扩压器中间通道的中心线对称设置。

根据本公开的至少一个实施方式，扩压器内环通道导流板的末端、扩压器中间通道内突扩板的末端、扩压器外环通道导流板的末端和扩压器中间通道外突扩板的末端在轴向上齐平或有一定差异。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开至少一个实施方式的主燃烧室三通道短突扩扩压器的结构原理示意图。

图2是根据本公开至少一个实施方式的主燃烧室三通道短突扩扩压器的三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种主燃烧室三通道短突扩扩压器，如图1和图2所示，其包括同轴设置的扩压器空气入口1、扩压器内环通道2、扩压器中间通道3、扩压器外环通道4；扩压器内环通道2、扩压器中间通道3、扩压器外环通道4设置在扩压器空气入口1下游；扩压器空气入口1由扩压器入口内壁8和扩压器入口外壁9限定；扩压器内环通道2由扩压器内环通道内壁10和扩压器中间通道内壁11限定；扩压器中间通道3由扩压器中间通道内壁11和扩压器中间通道外壁12限定；扩压器外环通道4由扩压器中间通道外壁12和扩压器外环通道外壁限定13；扩压器中间通道内壁11沿圆周方向设置扩压器内环气流分配通道20；扩压器中间通道外壁12沿圆周方向设置扩压器外环气流分配通道21；扩压器中间通道内壁11沿轴向分叉延伸为扩压器内环通道导流板22和扩压器中间通道内突扩板23，扩压器内环通道导流板22设置在靠近扩压器内环通道内壁10的一侧；以及扩压器中间通道外壁12沿轴向分叉延伸为扩压器外环通道导流板24和扩压器中间通道外突扩板25，扩压器外环通道导流板24设置在靠近扩压器外环通道外壁13的一侧。

如图1所示，本申请提供的扩压器还包括沿径向由内至外布置的燃烧室内环腔通道5、火焰筒内通道6和燃烧室外环腔通道7，燃烧室内环腔通道5由燃烧室机匣内壁14和火焰筒内壁15限定，燃烧室外环腔通道7由火焰筒外壁16和燃烧室机匣外壁17限定，火焰筒内壁15、火焰筒外壁16、火焰筒头部端壁18和火焰筒旋流器19组合成火焰筒内通道6。

本发明提供的主燃烧室三通道短突扩扩压器，通过在扩压器中间通道内壁11和扩压器中间通道外壁12沿圆周方向分别周期均布扩压器内环气流分配通道20和扩压器外环气流分配通道21，将扩压器入口通道的气流分隔为内环腔气流、中间气流和外环腔气流，实现燃烧室头部和火焰筒的预先气量分配。

根据本公开另外一个实施方式，扩压器内环气流分配通道20设置在扩压器中间通道内壁11靠近扩压器入口内壁8的一侧；以及扩压器外环气流分配通道21设置在扩压器中间通道外壁12靠近扩压器入口外壁9的一侧。

扩压器内环通道导流板22沿圆周方向设置内环抽气通道26；以及扩压器外环通道导流板24沿圆周方向设置外环抽气通道27。

中间气流通过扩压器中间通道3进入突扩区域，在扩压器中间通道内突扩板23和扩压器中间通道外突扩板25两侧形成漩涡，并受内环抽气通道26和外环抽气通道27形成的抽气效应的影响，形成稳定的流动形态。这种扩压器结构可以缩短扩压器的轴向长度，节省燃烧室空间，并显著提高燃烧室扩压器气流流动的稳定性，同时降低扩压器流道的无效压力损失。

根据本公开的又一个实施方式，扩压器内环气流分配通道20、扩压器外环气流分配通道21、内环抽气通道26和外环抽气通道27为圆形、三角形、矩形或不规则多边形。

扩压器内环气流分配通道20、扩压器外环气流分配通道21、内环抽气通道26和外环抽气通道27沿轴向为至少一排，可以设置一排、两排或多排。每一种通道的排数可以相同，也可以不同。

根据本公开的又一个实施方式，扩压器中间通道3沿流向扩张，即扩压器中间通道内壁11和扩压器中间通道外壁12之间呈一定的夹角，使得扩压器中间通道3沿流向变大。

扩压器中间通道内突扩板23和扩压器中间通道外突扩板25之间的夹角为0～60°。

扩压器内环通道导流板22与扩压器中间通道内突扩板23之间的夹角为0～30°；以及扩压器外环通道导流板24与扩压器中间通道外突扩板25之间的夹角为0～30°。

根据本公开的又一个实施方式，扩压器中间通道内突扩板23与扩压器中间通道内壁11在同一直线上；扩压器中间通道外突扩板25与扩压器中间通道外壁12在同一直线上；以及扩压器中间通道内壁11与扩压器中间通道外壁12、扩压器中间通道内突扩板23与扩压器中间通道外突扩板25、扩压器内环通道导流板22与扩压器外环通道导流板24分别沿扩压器中间通道3的中心线对称设置。

扩压器内环通道导流板22的末端、扩压器中间通道内突扩板23的末端、扩压器外环通道导流板24的末端和扩压器中间通道外突扩板25的末端在轴向上齐平或有一定差异。

以上各结构参数，例如扩压器中间通道内壁与外壁的夹角，各通道的形状、大小和数量，突扩版与导流板的夹角，各板的长短等等，需要结合燃烧室其他技术参数以及燃烧室的设计目的，综合考虑，通过模拟计算寻求最优解。

本发明采用扩压器入口通道气流分股的三通道结构，利用扩压器内环分配通道20、扩压器中间通道3和扩压器外环分配通道21实现内环腔气流、中间气流和外环腔气流的预先分配，有利于降低扩压器压力损失，保证气流不发生明显分离。同时利用中间气流在扩压器中间通道内突扩板23和扩压器中间通道外突扩板25两侧形成的漩涡，确保中间通道出射气流的稳定性。而扩压器内环通道导流板22和扩压器外环通道导流板24上沿圆周方向分别周期均布的内环抽气通道26和外环抽气通道27对形成的旋涡产生抽气效应，进一步提升了流动形态的稳定性，提高了扩压器静压恢复系数。

本发明通过采用单通道短突扩和壁面设置的抽气通道，能够保证燃烧室进口气流对压气机出口流场的畸变不敏感，大幅缩短扩压器长度，增加扩压器通道的扩张角，实现短突扩通道下高的压力恢复系数，并使扩压器在入口气流速度变化范围较大的状态下，气流流动稳定且不分离，同时实现较高的气动效率。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种主燃烧室三通道短突扩扩压器，其特征在于，所述扩压器包括同轴设置的扩压器空气入口、扩压器内环通道、扩压器中间通道、扩压器外环通道；

所述扩压器内环通道、所述扩压器中间通道和所述扩压器外环通道沿径向由内至外依次设置；

所述扩压器内环通道、所述扩压器中间通道、所述扩压器外环通道设置在所述扩压器空气入口下游；

所述扩压器空气入口由扩压器入口内壁和扩压器入口外壁限定；

所述扩压器内环通道由扩压器内环通道内壁和扩压器中间通道内壁限定；

所述扩压器中间通道由所述扩压器中间通道内壁和扩压器中间通道外壁限定；

所述扩压器外环通道由所述扩压器中间通道外壁和扩压器外环通道外壁限定；

所述扩压器中间通道内壁沿圆周方向设置扩压器内环气流分配通道；

所述扩压器中间通道外壁沿圆周方向设置扩压器外环气流分配通道；

所述扩压器中间通道内壁沿轴向分叉延伸为扩压器内环通道导流板和扩压器中间通道内突扩板，所述扩压器内环通道导流板设置在靠近所述扩压器内环通道内壁的一侧；以及

所述扩压器中间通道外壁沿轴向分叉延伸为扩压器外环通道导流板和扩压器中间通道外突扩板，所述扩压器外环通道导流板设置在靠近所述扩压器外环通道外壁的一侧。

2.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，

所述扩压器内环气流分配通道设置在所述扩压器中间通道内壁靠近所述扩压器入口内壁的一侧；以及

所述扩压器外环气流分配通道设置在所述扩压器中间通道外壁靠近所述扩压器入口外壁的一侧。

3.根据权利要求1或2所述的扩压器，其特征在于，

所述扩压器内环通道导流板沿圆周方向设置内环抽气通道；以及

所述扩压器外环通道导流板沿圆周方向设置外环抽气通道。

4.根据权利要求3所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器内环气流分配通道、所述扩压器外环气流分配通道、所述内环抽气通道和所述外环抽气通道为圆形、三角形、矩形或不规则多边形。

5.根据权利要求3所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器内环气流分配通道、所述扩压器外环气流分配通道、所述内环抽气通道和所述外环抽气通道沿轴向为至少一排。

6.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器中间通道沿流向扩张。

7.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器中间通道内突扩板和所述扩压器中间通道外突扩板之间的夹角为0～60°。

8.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，

所述扩压器内环通道导流板与所述扩压器中间通道内突扩板之间的夹角为0～30°；以及

所述扩压器外环通道导流板与所述扩压器中间通道外突扩板之间的夹角为0～30°。

9.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，

所述扩压器中间通道内突扩板与所述扩压器中间通道内壁在同一直线上；

所述扩压器中间通道外突扩板与所述扩压器中间通道外壁在同一直线上；以及

所述扩压器中间通道内壁与所述扩压器中间通道外壁、所述扩压器中间通道内突扩板与所述扩压器中间通道外突扩板、所述扩压器内环通道导流板与所述扩压器外环通道导流板分别沿所述扩压器中间通道的中心线对称设置。

10.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器内环通道导流板的末端、所述扩压器中间通道内突扩板的末端、所述扩压器外环通道导流板的末端和所述扩压器中间通道外突扩板的末端在轴向上齐平。

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