CN110513721A - 钝体结构稳燃燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钝体结构稳燃燃烧室，包括燃烧室室壁和钝体甩油盘，钝体甩油盘上设置有钝体结构，钝体结构沿远离甩油盘本体的方向呈外扩状；钝体结构与燃烧室室壁上的甩油盘挡环保持一定间隙，于间隙处形成进气通道。燃油在甩油盘集油腔内受离心作用而增压，并通过集油腔底部的燃油喷射孔喷入燃烧室内，完成雾化和与空气的掺混。空气通过上述进气通道进入燃烧室后在钝体甩油盘后形成回流区流场结构，回流区内部流速较低，且能够诱发高温燃气回流，因此能够显著提高甩油盘燃烧室头部火焰燃烧稳定性，有利于甩油盘燃烧室的地面和高空贫油熄火特性。并且，回流区的存在能够增加气流在燃烧室内的停留时间，因此有助于提高甩油盘燃烧室的燃烧效率。

Description

钝体结构稳燃燃烧室

技术领域

本发明涉及发动机燃烧室技术领域，特别是涉及一种钝体结构稳燃燃烧室。

背景技术

目前，低成本、高性能的航空发动机燃烧室技术应经成为中小型涡喷、涡扇和涡桨发动机的发展方向和关键技术之一。为了降低中小型发动机燃烧室成本，一方面应该在保证燃烧室性能基础上降低燃烧室本身制造成本，另一方面还应尽可能简化发动机燃油系统复杂度。甩油盘燃烧室是一种能够同时满足上述要求的设计构型，它能够利用转轴旋转对燃油进行增压，从而大大降低对燃油系统的要求；同时，相比旋流器、离心喷嘴等精密加工件，该燃烧室结构简单，能显著降低加工成本。甩油盘燃烧室广泛应用于美国Williams公司、Honeywell公司、Teledyne公司和法国Turbomeca公司的中小推力涡喷、涡扇或涡桨发动机产品上，如FJ44系列涡扇发动机、J402系列涡喷发动机等。

US5323602专利介绍了一种甩油盘燃烧室，该燃烧室的甩油盘安装在发动机主轴上，并随主轴一起旋转。燃油管通过离心叶轮和火焰筒之间的空间将燃油供入集油环中，并通过集油环上的小孔沿径向喷射出来，被甩油盘内侧的槽道捕获。燃油在甩油盘内侧槽道内由于高速旋转离心作用被增压到较高压力，并通过甩油盘槽道底部的小孔喷入燃烧室，完成雾化并与空气进行掺混。US7036321将燃油集油环喷射孔方向由径向改变为轴向；US7942006则主要针对甩油盘燃烧室火焰筒壁面多斜孔冷却进行了保护；US4232526针对甩油盘上燃油喷射孔进行了改进，从而改善燃油在燃烧室内的分布特性，实现燃烧室的高强度燃烧；CN108150292A专利将甩油盘上的燃油喷射孔设计为两排，且两排孔具有一定夹角，从而在燃烧室内实现较宽的雾化锥角；CN108151066A专利通过在甩油盘上安装离心喷嘴组件，使得甩油盘能够获得类似离心喷嘴的雾化特性。

从以上分析可以看出，针对甩油盘燃烧室的改进主要着眼于甩油盘雾化方式上的改进，对于燃烧室内流动组织及其与燃油雾锥的匹配方面改进较少，导致燃烧室的贫油熄火特性不佳和燃烧效率较低，仍有很大的改善空间。

发明内容

基于此，有必要针对目前的发动机燃烧室所存在的贫油熄火特性不佳和燃烧效率较低的问题，提供一种钝体结构稳燃燃烧室。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种钝体结构稳燃燃烧室，包括燃烧室室壁和钝体甩油盘，所述钝体甩油盘包括：甩油盘本体、钝体结构、集油腔和燃油孔，所述钝体甩油盘具有第一轴线，所述钝体结构沿远离所述第一轴线且远离所述甩油盘本体的方向呈外扩状；所述燃烧室室壁上设有甩油盘安装区和甩油盘挡环，所述钝体甩油盘设置于所述甩油盘安装区，所述燃烧室室壁和钝体甩油盘包围形成燃烧室，所述钝体甩油盘与所述甩油盘挡环形成进气通道，所述燃烧室与所述集油腔位于所述甩油盘本体两侧，并通过所述燃油孔连通。

在其中一个实施例中，所述钝体结构形成所述进气通道的表面为圆柱面、圆锥面或圆台面的一部分。

在其中一个实施例中，所述钝体结构形成所述进气通道的表面为光滑连续曲面。

在其中一个实施例中，所述甩油盘本体异于所述钝体结构的一侧面设置有凸起结构，所述凸起结构上设置有通气孔，所述通气孔贯穿所述甩油盘本体，并连通所述燃烧室和集油腔。

在其中一个实施例中，所述燃油孔数量为至少两个，所述燃油孔围绕所述凸起结构设置。

在其中一个实施例中，所述凸起结构将所述集油腔分割为两个相对独立的腔体，每个腔体内分别设置有多个燃油孔，多个所述燃油孔成排设置。

在其中一个实施例中，所述通气孔数量为至少一个。

在其中一个实施例中，所述燃油孔数量为至少两个，所述燃油孔与所述第一轴线呈夹角设置。

在其中一个实施例中，所述燃烧室室壁包括火焰筒前壁和火焰筒后壁，所述火焰筒前壁和/或火焰筒后壁上设有至少一个主燃孔。

在其中一个实施例中，所述火焰筒前壁和/或火焰筒后壁上设有至少一个掺混孔。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种钝体结构稳燃燃烧室，其包括燃烧室室壁和钝体甩油盘，钝体甩油盘上设置有钝体结构，钝体结构沿远离甩油盘本体的方向呈外扩状；钝体结构与燃烧室室壁上的甩油盘挡环保持一定间隙，于间隙处形成进气通道。燃油在甩油盘集油腔内受离心作用而增压，并通过集油腔底部的燃油喷射孔喷入燃烧室内，完成雾化和与空气的掺混。空气通过上述进气通道进入燃烧室后在钝体甩油盘后形成回流区流场结构，回流区内部流速较低，且能够诱发高温燃气回流，因此能够显著提高甩油盘燃烧室头部火焰燃烧稳定性，有利于甩油盘燃烧室的地面和高空贫油熄火特性。并且，回流区的存在能够增加气流在燃烧室内的停留时间，因此有助于提高甩油盘燃烧室的燃烧效率。

附图说明

图1为本发明一实施例所提供的钝体结构稳燃燃烧室的结构示意图，图中部分箭头指引线代表油气的流动方向；

图2图1当中钝体甩油盘处的局部放大图；

图3为本发明实施例一所提供的钝体甩油盘的结构示意图；

图4为本发明实施例二所提供的钝体甩油盘的结构示意图。

其中：

钝体甩油盘100；甩油盘本体110；钝体结构120；集油腔130；燃油孔140；凸起结构150；通气孔151；燃烧室室壁200；甩油盘前挡环211；甩油盘后挡环212；主燃孔220；掺混孔230；供油管路300；集油环400；通孔410；点火器500；导向叶片600；进气通道700。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明提供了一种钝体结构稳燃燃烧室，如图1、图2和图3所示，其包括燃烧室室壁200和钝体甩油盘100，钝体甩油盘100包括：甩油盘本体110、钝体结构120、集油腔130和燃油孔140，钝体甩油盘100上具有第一轴线900，第一轴线900与发动机主轴轴线垂直，且位于钝体甩油盘100设有钝体结构120的侧面的中心位置，钝体结构120远离第一轴线900且远离甩油盘本体110的方向呈外扩状；燃烧室室壁200上设有甩油盘安装区和甩油盘挡环，燃烧室室壁200和钝体甩油盘100包围形成燃烧室，钝体甩油盘100设置于甩油盘安装区，燃烧室与集油腔130位于甩油盘本体110两侧，并通过燃油孔140连通；而在安装后钝体甩油盘100与燃烧室室壁200之间留有一定空隙，钝体甩油盘100与甩油盘挡环于空隙处形成进气通道700。钝体甩油盘100安装在发动机等动力源旋转主轴上，并同主轴一起旋转，因此燃油在甩油盘集油腔130内受离心作用而增压，并通过集油腔130底部的燃油喷射孔喷入燃烧室内，完成雾化和与空气的掺混。空气通过钝体甩油盘100与燃烧室室壁200形成的进气通道700流入燃烧室。钝体甩油盘100上部为钝体结构120，空气通过上述进气通道700进入燃烧室后在钝体甩油盘100后形成回流区流场结构，回流区内部流速较低，且能够诱发高温燃气回流，因此能够显著提高甩油盘燃烧室头部火焰燃烧稳定性，有利于甩油盘燃烧室的底面和高空贫油熄火特性。并且，回流区的存在能够增加气流在燃烧室内的停留时间，因此有助于提高甩油盘燃烧室的燃烧效率。

钝体结构120包括靠近燃油孔140的内表面和靠近燃烧室室壁200的外表面，钝体结构120外表面用于形成进气通道700，其形状直接影响了回流区的形成；而内表面的形状只要不影响燃油孔140中燃料的正常喷出即可。在其中一些实施例当中，钝体结构120外表面表面可以是圆柱面、圆锥面、圆台面等常见规则曲面，也可以是其他光滑连续曲面，或是上述曲面当中的一部分，亦或是上述多种曲面或部分曲面的组合。例如，外表面可视为一个小锥度圆台面，内表面可视为一个大锥度圆台面，外表面、内表面与甩油盘本体110结合处保持一定距离，而由于锥度的差异，外表面、内表面在远离甩油盘本体110的一端相交。

在其中一些实施例当中，如图4所示，为了加强回流区内燃料与助燃气体的掺混效果，在甩油盘本体110集油腔130内设置有凸起结构150，凸起结构150内设置有通气孔151，通气孔151贯穿甩油盘本体110，使得集油腔130与回流区连通。通气孔151能够将空气引入回流区中心，一方面能够改善燃烧室小负荷下的雾化特性，有利于燃烧室的点火和熄火特性；另一方面能够加强油气掺混，提高高负荷下的燃烧效率。由于凸起结构150凸出于甩油盘本体110，燃料在甩油盘的离心作用下，优先进入位于集油腔130底部的燃油孔140内，而不会进入位于凸起结构150上的通气孔151内，导致通气孔151的堵塞。

进一步的，凸起结构150将集油腔130分割为多个相对独立的腔体，每个腔体底部均设置有燃油孔140。如图3所示，凸起结构150将燃油腔分割为两个相对独立的腔体，每个腔体底部至少设置有一个燃油孔140。

在其他一些实施例当中，如图3和图4所示，为了提高回流区或燃烧室内燃料与空气的掺混效果，在甩油盘本体110上设置多个燃油孔140。显然，燃油孔140数量越多，燃料由集油腔130进入回流区或燃烧室的路径越多，燃料分散效果越好，能够提高燃料与空气的掺混效果。具体的，燃油孔140可以是以围绕第一轴线900按照圆周阵列方式排布，也可以在集油腔130底部以矩形阵列方式排布，亦可以以其他规则或不规则方式排布。应当注意的是，燃油孔140数量过多时，可能会对甩油盘本体110的强度和动平衡特性造成影响，同时掺混效果的提升幅度也会随着燃油孔140数量的增加而逐渐减小；因此燃油孔140设计时，应当选择合适的数量，并且应尽量围绕第一轴线900对称设置。

对于设置有凸起结构150的钝体甩油盘100，由于凸起结构150将集油腔130分割为多个相对独立的腔体，为了避免燃料在某个单独腔体内堆积，每个腔体内都应设置至少一个燃油孔140。

进一步的，如图3所示，为了进一步提高回流区或燃烧室内燃料与空气的掺混效果，燃油孔140与第一轴线900成夹角设置。相较于燃油孔140轴线与第一轴线900平行设置的方式，成夹角设置的燃油孔140，一方面燃油孔140进入燃烧室或回流区时，燃料出口和第一轴线900的距离更大；另一方面燃料从燃油孔140内进入燃烧室或回流区后，以一定角度喷入。以多个燃油孔140的情况举例说明，当燃油孔140与集油腔130连接处不变时，平行设置时，燃料的运动路径均处于一个圆柱面上；呈夹角设置时，燃料的运动路径均处于一个圆锥面上；显然，成夹角设置时燃料的运动范围更大，其与空气的掺混效果也更好。

在其中一些实施例当中，如图1所示，燃烧室室壁200包括火焰筒前壁和火焰筒后壁，火焰筒前壁和火焰筒后壁上均设置有主燃孔220，主燃孔220用于向在钝体甩油盘100后部掺混后燃烧的燃气内进一步掺混空气，以达到更好的燃烧效果。

进一步的，在火焰筒前壁和火焰筒后壁上还设置有掺混孔230，掺混孔230相较于主燃孔220，更加远离钝体甩油盘100，掺混孔230用于向经过主燃孔220的燃气再次掺混空气，并进一步流向燃烧室出口。

在其中一些实施例当中，钝体甩油盘中的钝体结构可以是通过铸造等增材加工方式，与甩油盘本体制成的一体结构；也可以将钝体结构单独制成一个零件，通过焊接、螺栓连接等固定连接方式与甩油盘本体连接为一体；亦或是将钝体结构单独制成一个零件，通过其他安装方式将其与旋转主轴固定连接，并与甩油盘本体以相同转速转动。

在其中一些实施例当中，主燃孔直径大小为8mm-20mm。

在其中一些实施例当中，掺混孔直径大小为8mm-20mm。

在其中一些实施例当中，钝体甩油盘与甩油盘挡环间用于形成进气通道700的间隙为1mm-5mm。

在其中一些实施例当中，燃油孔的孔径为0.2mm-1mm，数量为8-20个。

在其中一些实施例当中，燃油孔中心线与第一轴线夹角大小为0-60°。

在其中一些实施例当中，通气孔孔径为1.5mm-4mm，数量为8-20个。

与现有技术相比，本发明所提供的钝体结构稳燃燃烧室至少具备以下优点：

(1)本发明专利所提供的钝体结构稳燃燃烧室，其钝体甩油盘上部带有钝体结构，能够在燃烧室头部形成对称回流区，为火焰提供低速、富油的稳燃环境，能显著改善燃烧室贫油熄火特性和燃烧效率。

(2)本发明专利所提供的钝体结构稳燃燃烧室，其钝体甩油盘集油腔可以分割为两个独立的集油腔，燃油通过两排燃油喷射孔将燃油喷入燃烧室，且钝体甩油盘中心可以设置空气孔，能够有效改善燃烧室头部的油气掺混特性，进而提高燃烧室燃烧效率、降低污染物排放水平。

(3)本发明专利所提供的钝体结构稳燃燃烧室，在显著改善燃烧室燃烧性能的同时，并不增加燃烧室的制造成本，因此能够应用于低成本、高性能航空发动机设计。

实施例一：

本发明所提供的一种钝体结构稳燃燃烧室，如图1至图3所示，其包括燃烧室室壁200和钝体甩油盘100，燃烧室室壁200包括火焰筒前壁和火焰筒后壁，并设置有甩油盘安装区，甩油盘安装区为一开口结构，于开口结构处设置有甩油盘挡环。钝体甩油盘100设置于甩油盘安装区处开口内，甩油盘挡环包括甩油盘前挡环211和甩油盘后挡环212，钝体结构120与甩油盘挡环之间保持一定间隙，并形成能够供空气等助燃气体进入燃烧室的进气通道700，包括与甩油盘前挡环211形成的前侧进气通道700，和与甩油盘后挡环212形成的后侧进气通道700。空气通过钝体结构120与两个进气通道700进入燃烧室内参与燃烧，并在钝体甩油盘100后部形成回流区。

钝体甩油盘100连接于发动机旋转主轴，并与主轴一起转动，钝体甩油盘100包括甩油盘本体110、钝体结构120、集油腔130和燃油孔140：钝体结构120设置于钝体甩油盘100靠近燃烧室的一侧，钝体结构120沿远离甩油盘本体110的方向呈外扩状，形成一种近似于“喇叭”状的结构。于本实施例当中，钝体结构120外表面可视为一个小锥度圆台面，钝体结构120内表面可视为一个大锥度圆台面，外表面、内表面与甩油盘本体110结合处保持一定距离，而由于锥度的差异，外表面、内表面在远离甩油盘本体110的一端相交。集油腔130位于钝体甩油盘100异于设有钝体结构120的一侧，其可视为钝体甩油盘100向内凹陷形成，集油腔130底部(图中靠上位置)设置有燃油孔140，燃油孔140贯穿甩油盘本体110，使得钝体甩油盘100两侧区域连通。于本实施例中，燃油孔140数量为八个，对称于第一轴线900设置，且与第一轴线900呈一定角度。

燃烧室连接有供油管道，燃料通过供油管道供入集油环400，通过集油环400上的通孔410喷入钝体甩油盘100，并经过钝体甩油盘100上的燃油孔140进入燃烧室；集油环400上的通孔410孔径为0.8mm-3mm。空气等助燃气体通过进气通道700进入燃烧室内，形成回流区，并在回流区内完成燃料与空气的掺混，形成油雾。点火器500通过空心的出口导向叶片600插入燃烧室内，点燃头部的油雾。燃烧室室壁200上设置有主燃孔220和掺混孔230，头部油雾被点燃后，与主燃孔220进入的气体进一步掺混和燃烧，并继续向燃烧室下游流动。从掺混孔230进入的空气与低啊然后的高温燃气掺混，并进一步流向燃烧室出口，燃烧室出口连接有导向叶片600，燃烧室出口处的温度分布满足出口导向叶片600的要求。

工作时，首先由发动机起动机将发动机主轴和钝体甩油盘100带转到一定转速，发动机控制程序发出供油指令，并根据一定时序打开点火器500，点火器500产生的高能电火花将钝体甩油盘100产生的油雾点燃，火焰稳定在钝体甩油盘100后的回流区内。之后，发动机控制程序按照预定控制规律增加燃油流量，使得甩油盘燃烧室出口温度增加，发动机转速提高，钝体甩油盘100的离心增压作用更加明显，燃油雾化性能进一步改善，燃烧室燃烧强度增加。此过程一直持续到发动机达到设计转速。

实施例二：

实施例二所提供的钝体机构稳燃燃烧室除钝体甩油盘100外，其余结构均与实施例一相同，于此不再赘述。

如图4所示，本实施例当中所提供的钝体甩油盘100，在集油腔130中心位置设置有凸起结构150，凸起结构150将集油腔130分割为两个相对独立的腔体；于凸起结构150中设置有通气孔151，通气孔151贯穿甩油盘本体110。每个独立的腔体内均设置有四个燃油孔140，燃油孔140中心线与第一轴线900平行设置。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，包括燃烧室室壁和钝体甩油盘，所述钝体甩油盘包括：甩油盘本体、钝体结构、集油腔和燃油孔，所述钝体甩油盘上具有第一轴线，所述钝体结构沿远离所述第一轴线且远离所述甩油盘本体的方向呈外扩状；所述燃烧室室壁上设有甩油盘安装区和甩油盘挡环，所述钝体甩油盘设置于所述甩油盘安装区，所述燃烧室室壁和钝体甩油盘包围形成燃烧室，所述钝体甩油盘与所述甩油盘挡环形成进气通道，所述燃烧室与所述集油腔位于所述甩油盘本体两侧，并通过所述燃油孔连通。

2.根据权利要求1所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述钝体结构形成所述进气通道的表面为圆柱面、圆锥面或圆台面的一部分。

3.根据权利要求1所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述钝体结构形成所述进气通道的表面为光滑连续曲面。

4.根据权利要求1-3所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述甩油盘本体异于所述钝体结构的一侧面设置有凸起结构，所述凸起结构上设置有通气孔，所述通气孔贯穿所述甩油盘本体，并连通所述燃烧室和集油腔。

5.根据权利要求4所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述燃油孔数量为至少两个，所述燃油孔围绕所述凸起结构设置。

6.根据权利要求4所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述凸起结构将所述集油腔分割为两个相对独立的腔体，每个腔体内分别设置有多个燃油孔，多个所述燃油孔成排设置。

7.根据权利要求4所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述通气孔数量为至少一个。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述燃油孔数量为至少两个，所述燃油孔与所述第一轴线呈夹角设置。

9.根据权利要求1所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述燃烧室室壁包括火焰筒前壁和火焰筒后壁，所述火焰筒前壁和/或火焰筒后壁上设有至少一个主燃孔。

10.根据权利要求9所述的钝体结构稳燃燃烧室，其特征在于，所述火焰筒前壁和/或火焰筒后壁上设有至少一个掺混孔。