CN111023155A - 一种二次流蒸发管式燃烧室结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次流蒸发管式燃烧室结构，采用前端为环形筒状的燃烧室本体以及上端为环形凹槽的折流板，在燃烧室外壁面添加折流板，环形筒状桶壁以及环形凹槽的槽壁均设有气膜孔，使机匣内二次流的反向空气流被加热并在燃烧室头部被一次空气流引射、混合后升温，使燃烧火焰温度场更加均匀，翅片强化壁面传热使得壁面温度得到有效冷却，优化流场均匀性，提高燃烧效率，节约燃油的同时极大地减少NOx等污染物的排放。环形筒状外壁与环形凹槽内壁之间通过翅片连接，形成一体化成型结构，减轻了设备的整体重量、减小燃烧室的外廓尺寸，有效地提高了发动机的推重比，增加了发动机的机动性，同时减少了结构件之间的连接件使用量，提升了整体性能。

Description

一种二次流蒸发管式燃烧室结构

技术领域

本发明属于发动机燃烧系领域，具体涉及一种二次流蒸发管式燃烧室结构。

背景技术

采用蒸发管结构的燃烧室广泛应用于发动机和地面燃气轮机燃烧室中，尤其是微小型动力设备，国外对于微小型发动机进行了大量研究工作，已相应制造出各个量级的成熟型号，形成相应的军事、民用市场。采用蒸发管方案的燃烧室具有结构简单、易于加工、成本低和综合燃烧性能好等优势。燃烧室本身的重量和体积是飞行器性能的一个重要限制，在保留蒸发管式燃烧室本身优点的同时降低重量和体积，是一个重要的设计方向。在发动机燃烧室制造和维修过程中的焊接或补焊会导致材料性能损失，一些零件焊接或补焊后无法通过热处理消除应力和恢复性能，对产品性能和质量影响极大，如何恢复或增强焊缝性能一直是难以解决的工艺问题。

氮氧化物不仅直接危害人体健康，同时也是光化学烟雾和酸雨的主要形成因素。排气冒烟增加了飞机的可见性，降低了军用机的生存能力，高空飞行的排气形成凝结尾流，造成高空大气污染，人体吸入后会导致肺部疾病。燃烧产物通过空气掺混降温排出燃烧室，而缓慢的掺混过程会使燃烧产物停留时间过长，并在一定区域内形成接近NOx化学恰当比的反应区，这会导致NOx排放大大增加。与此同时，过高的油气当量比将产生大量的碳烟，增强火焰筒壁面的热辐射，导致壁面温度过高。因此，在保证稳定燃烧的同时，如何快速有效的降低碳烟和NOx的排放是发动机燃烧室的设计关键及难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二次流蒸发管式燃烧室结构，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二次流蒸发管式燃烧室结构，包括燃烧室本体和折流板，燃烧室本体前端为环形筒状，折流板上端为环形凹槽，燃烧室本体前端的环形筒状套设于折流板上端的环形凹槽，燃烧室本体前端的环形筒状外壁与折流板环形凹槽内壁之间通过翅片连接，环形筒状桶壁、底部及环形凹槽底部均设有气膜孔，燃烧室本体内设有蒸发管，蒸发管沿燃烧室本体周向均匀设置，蒸发管上端进口位于燃烧室本体上，蒸发管下端出口位于环形筒状内，蒸发管的轴线与燃烧室本体轴线呈锐角，蒸发管内插有与蒸发管同轴的燃油喷嘴。

进一步的，燃烧室本体包括燃烧室外壁面、燃烧室内壁面、燃烧室前端壁面和燃烧室后端壁面，燃烧室外壁面、燃烧室前端壁面和燃烧室内壁面之间形成火焰筒，燃烧室外壁面、燃烧室内壁面和燃烧室前端壁面上均设有气膜孔；折流板包括折流板外壁面、折流板前端壁面、折流板内壁面和折流板后端壁面，折流板外壁面、折流板前端壁面和折流板内壁面之间形成回流槽，火焰筒套设于回流槽内，折流板前端壁面上设有前端掺混孔，折流板与燃烧室外壁面之间通过翅片连接。

进一步的，蒸发管的轴线由燃烧室后端壁面端向燃烧室前端壁面靠近燃烧室本体轴线，蒸发管的轴线与燃烧室本体轴线夹角为15°～35°。

进一步的，燃烧室前端壁面为曲形壁面，燃烧室前端壁面向外部凸出，燃烧室前端壁面的弧度为π/6～π/3。

进一步的，燃油喷嘴在蒸发管内部的长度为蒸发管总长的1％～5％。

进一步的，折流板内壁面与燃烧室内壁面之间的距离小于折流板外壁面与燃烧室外壁面之间的距离。

进一步的，折流板前端壁面距燃烧室前端壁面为燃烧室本体壁厚的4～10倍，折流板外壁面距燃烧室外壁面为燃烧室本体壁厚的5～12倍，折流板内壁面距燃烧室内壁面为燃烧室本体壁厚的2～7倍。

进一步的，燃烧室本体管壁沿径向设有多排气膜孔，燃烧室本体上两端气膜孔孔径相同且最小，燃烧室本体上其余多排气膜孔由前端至后端孔径逐渐增大。

进一步的，燃烧室本体上的外气膜孔的面积为蒸发管内圆面积的2.5％～220％，燃烧室本体上的内气膜孔的面积为蒸发管内径面积的10％～110％。

进一步的，折流板与燃烧室外壁面相连的翅片数量为30～70个，沿燃烧室外壁面周向均匀设置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种二次流蒸发管式燃烧室结构，采用前端为环形筒状的燃烧室本体以及上端为环形凹槽的折流板，在燃烧室外壁面添加折流板，通过翅片相连并强化传热，环形筒状桶壁以及环形凹槽的槽壁均设有气膜孔，使机匣内二次流的反向空气流被加热并在燃烧室头部被一次空气流引射、混合后升温，降低火焰温度，使燃烧火焰温度场更加均匀，翅片强化壁面传热使得壁面温度得到有效冷却，优化流场均匀性，提高燃烧效率，降低燃烧室出口温度分布系数，节约燃油的同时极大地减少NOx等污染物的排放。环形筒状外壁与环形凹槽内壁之间通过翅片连接，形成一体化成型结构，减轻了设备的整体重量、减小燃烧室的外廓尺寸，有效地提高了发动机的推重比，增加了发动机的机动性，同时减少了结构件之间的连接件使用量，提升了整体性能。

进一步的，燃烧室前端壁面为曲形壁面，燃烧室前端壁面向外部凸出，燃烧室前端壁面的弧度为π/6～π/3，使得来流空气更加贴合壁面，优化高速流场，使速度场更加均匀，避免局部出现高速区。

进一步的，设置轴向导流板以实现二次空气流量的再分配，由头部的一次空气射流，引射燃烧室本体外侧的部分二次受热空气流，并与之混合为升温的高动量空气射流，进入燃烧室助燃，由此引发燃烧室内高温燃气旋流区；燃烧室本体外侧机匣的另一部分受热空气经尾部稀释孔与燃烧主流形成小温差混合区，进一步改善出口温度场品质。

进一步的，燃烧室外壁面为加翅片的高效传热，以提取燃烧区的燃烧热流以加热机匣内的二次冷却空气流，燃烧室本体与发动机腔体之间的机匣内被引射的部分空气同时起到了冷却火焰筒壁面而后助燃的双重作用，极大缓解了燃气轮机特别是航空燃气轮机空气用量大和用气量紧张的矛盾。

进一步的，当逆向喷射燃油液滴时，增大液滴与来流气流掺混雾化的距离，燃油液滴在蒸发管内分布比较均匀，在喷嘴出口处气态和液态油滴间的相对速度较大，有利于燃油雾化；

进一步的，燃烧室及折流板前端壁面设置有引射气膜孔，前端面进气可以避免蒸发管直接暴露在主燃区高温区，一定程度上减少烧蚀的几率。

进一步的，蒸发管沿燃烧室火焰筒后端壁周向均匀排列，和火焰筒的轴线成一定角度，燃油喷嘴沿轴向插至蒸发管内，燃油喷嘴的轴线和蒸发管的轴线重合，喷嘴出口距燃烧室后端壁面长度占蒸发管总长的1％～5％，与来流空气形成逆向喷射，利用高温燃气回流区内的高温低氧条件，实现稳定高效超低污染的燃烧模式。

附图说明

图1为本发明的燃烧室三维立体结构侧视图；

图2为本发明的燃烧室俯视图；

图3为图2A-A截面半剖图；

图4为本发明的燃烧室仰视图；

图5为本发明的燃烧室三维立体结构正视图；

其中：1-折流板外壁面；2-燃烧室外壁面；3-燃烧室本体；4-燃烧室外壁面气膜孔；5-燃烧室前端壁面；6-折流板前端壁面；7-翅片；8-折流板内壁面；9-燃烧室内壁面；10-燃烧室内壁面气膜孔；11-折流板前端掺混孔；12-燃烧室前端掺混孔；13-燃烧室后端壁面；14-蒸发管进口；15-蒸发管出口；16-折流板后端壁面；17-蒸发管、18-折流板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图5所示，一种二次流蒸发管式燃烧室结构，包括燃烧室本体3和折流板18，燃烧室本体3包括燃烧室外壁面2、燃烧室内壁面9、燃烧室前端壁面5和燃烧室后端壁面13，燃烧室外壁面2和燃烧室内壁面9之间形成火焰筒；燃烧室外壁面2、燃烧室内壁面9和燃烧室前端壁面5上均设有气膜孔，在燃烧室外壁面2外有一圈折流板18，折流板18包括折流板外壁面1、折流板前端壁面6、折流板内壁面8和折流板后端壁面16，折流板外壁面1、折流板前端壁面6和折流板内壁面8之间形成回流槽，火焰筒套设于回流槽内；折流板前端壁面6上设有前端掺混孔11，折流板18与燃烧室外壁面2之间通过翅片7连接，翅片7沿燃烧室外壁面2长度方向设置；燃烧室本体3内设有蒸发管17，蒸发管17沿燃烧室本体3周向均匀设置，蒸发管17上端进口位于燃烧室后端壁面13上，蒸发管17下端出口位靠近燃烧室前端壁面5，蒸发管17的轴线与燃烧室本体3轴线呈锐角，夹角为15°～35°，蒸发管17的轴线由燃烧室后端壁面13端向燃烧室前端壁面5靠近燃烧室本体3轴线，蒸发管17内插有与蒸发管17同轴的燃油喷嘴。

燃烧室外壁面2和燃烧室内壁面9均为圆柱桶装结构，燃烧室内壁面9形成的圆柱桶直径小于燃烧室外壁面2形成的圆柱桶直径，燃烧室内壁面9形成的圆柱桶高度等于燃烧室外壁面2形成的圆柱桶高度，燃烧室外壁面2的前端和燃烧室内壁面9的前端通过燃烧室前端壁面5连接，燃烧室前端壁面5为曲形壁面，燃烧室前端壁面5向外部凸出，燃烧室前端壁面5的弧度为π/6～π/3，即燃烧室前端壁面5的度数为30°～60°，使得来流空气更加贴合壁面，优化高速流场，使速度场更加均匀，避免局部出现高速区；燃烧室外壁面2、燃烧室前端壁面5和燃烧室内壁面9形成一个环形的带有底面的圆柱筒状结构，燃烧室外壁面2的后端设置有垂直燃烧室外壁面2的燃烧室后端壁面13，燃烧室后端壁面13为环形片状结构，燃烧室后端壁面13的外边缘和燃烧室外壁面2的后端之间设置有圆弧形倒角；燃烧室外壁面2、燃烧室前端壁面5、燃烧室内壁面9和燃烧室后端壁面13形成火焰筒。燃烧室本体3、折流板18和蒸发管17的壁厚相同。

折流板内壁面8与燃烧室内壁面9之间的距离小于折流板外壁面1与燃烧室外壁面2之间的距离。折流板前端壁面6与燃烧室前端壁面5之间的距离为燃烧室本体3壁厚的4～10倍，折流板外壁面1与燃烧室外壁面2之间的距离为燃烧室本体3壁厚的5～12倍，即翅片7径向高度为燃烧室本体3壁厚的5～12倍，折流板内壁面8与燃烧室内壁面9之间的距离为燃烧室本体3壁厚的2～7倍；折流板18长度即折流板外壁面1长度为燃烧室本体3长度的45％～75％，燃烧室本体3长度即燃烧室外壁面2长度；折流板18与燃烧室外壁面2相连的翅片7数量为30～70个，沿燃烧室外壁面2周向均匀设置，燃烧室外壁面2上的气膜孔位于两个翅片7之间，气膜孔的边缘与翅片7最小距离为燃烧室本体3厚度的1～4倍；翅片7轴向长度为燃烧室长度的35％～65％，翅片7周向宽度为燃烧室本体3厚度的1～3倍；折流板前端壁面6距燃烧室前端壁面5长度为燃烧室长度的4％～9％，折流板后端壁面16距燃烧室后端壁面13长度为燃烧室长度的25％～45％。

燃烧室内壁面9、燃烧室外壁面2和燃烧室前端壁面5上均设置有气膜孔，其中燃烧室内壁面9上设置有内气膜孔10，内气膜孔10数量为100～130个，燃烧室外壁面2上设置有外气膜孔4，外气膜孔4的个数为100～160个；燃烧室前端壁面5上设置有前气膜孔12，前气膜孔12沿着燃烧室前端壁面5形成的周向等分均匀布置，个数为20～30。形成的火焰筒沿轴向的气量分配范围根据设计点燃油消耗量确定，在此范围基础上决定各排孔径的大小及数量。本实施例中，空气进气量的分布为，火焰筒前端为1％～4％，主燃孔气量为22％～27％，中间段气量为24％～29％，掺混段气量为42％～47％。

当空气进气量时，将会形成多个微小的层流温度层，提高低温空气的冷却效果；空气从燃烧室外壁面2、燃烧室内壁面9和燃烧室前端壁面5的气膜孔进入火焰筒的燃烧室，利用切向进气在火焰筒内部形成稳定燃烧；前端进气可以避免蒸发管直接暴露在主燃区高温区，减少烧蚀的几率。

燃烧室本体3管壁沿径向设有多排气膜孔，每一排设有多个气膜孔，每一排气膜孔的孔径相同，燃烧室本体3上两端气膜孔孔径相同且最小，燃烧室本体3上其余多排气膜孔由前端至后端孔径逐渐增大。

燃烧室本体3上的外气膜孔4的面积为蒸发管内圆面积的2.5％～220％，即最小外气膜孔4孔径为蒸发管内圆面积的2.5％，最大外气膜孔4孔径为蒸发管内圆面积的220％，燃烧室本体3上的内气膜孔10的面积为蒸发管内径面积的10％～110％，即最小内气膜孔10的面积为蒸发管内径面积的10％，最大内气膜孔10的面积为蒸发管内径面积的110％；相邻的内气膜孔10的轴线之间的间距比为2～5，相邻的外气膜孔4的轴线之间的间距比为2～5，内气膜孔10的轴线之间的间距比或外气膜孔4的轴线之间的间距比具体定义为相邻气膜孔的轴线之间的距离比，分别测量出每两个相邻气膜孔为内气膜孔10或外气膜孔4的轴线之间距离，距离与距离的比值为2～5。

内气膜孔10在燃烧室内壁面9上设置有100～130个，沿着燃烧室内壁面9轴向设有多排内气膜孔10，每一排内气膜孔10圆周分布在燃烧室内壁面9表面；同理，燃烧室外壁面2上沿燃烧室外壁面2轴向设有多排外气膜孔4；外气膜孔4的布置方式和思路同内气膜孔10的布置方式和思路，因为构造不同角度和不同尺寸的气膜孔能够使孔内漩涡充分发展，优化出口射流流场；空气通过燃烧室内外壁面渐扩孔，相对喷射，促进油气混合更加均匀，极大程度避免局部高温区的出现，促使燃烧更加稳定，效率显著提高。

折流板前气膜孔11和燃烧室前气膜孔12为矩形孔洞；曲形壁面即前端面进气可以避免蒸发管直接暴露在主燃区高温区，一定程度上减少烧蚀的几率；后端面进气能够促进燃油和空气混合更加均匀。

沿着燃烧室后端壁面13的周向，向火焰筒内部设置有若干个蒸发管17，蒸发管17将燃烧室后端壁面13的周向等分；蒸发管17为等直径管，出口部分带有收口，蒸发管17的轴线和燃烧室本体3的轴线之间的夹角为15°～35°；从蒸发管17的外部，沿蒸发管17的轴线，向蒸发管17内部插入有燃油喷嘴，燃油喷嘴在蒸发管17内部的长度为蒸发管17总长的1％～5％，燃油从燃油喷嘴喷进蒸发管17内，相对来流空气逆向喷射，燃油和蒸发管17中的空气混合，该油气混合物逆向喷入燃烧室火焰筒中，再和从燃烧室火焰筒中燃烧室内壁面9、燃烧室外壁面2、前端壁5上掺混孔中喷射进来的空气混合，利用切向进气在燃烧室火焰筒内形成稳定火焰。逆向喷射改变了传统发动机燃烧室头部喷射燃油和旋流稳定燃烧的燃烧组织方式，利用高温燃气回流区内的高温低氧条件，实现稳定高效超低污染的燃烧模式。

该装置的制作过程采用增材制造，增材制造工艺以数字化CAD模型为基础，应用分层制造思想，提取成型路径，将粉末分层沉积到基体上，尺寸精度高，其中火焰筒内外壁、蒸发管、折流板和翅片等采用增材制造工艺一体化成型为轻量化单一部件，简化连接密封结构；采用快速凝固技术，加工过程在惰性气体保护中进行，可获得组织均匀致密的金相组织，达到或超过锻件水平，更为重要的是，此类装置的工作环境通常较差，如震动幅度大，温度场温差大，通过增材制造一体成型，减少了连接件如螺栓等的使用量，将大大提高结构的整体性，延长使用寿命，均匀致密的金相组织使得整个材料抗温差能力加强。该制作过程简化连接和密封结构，减少振动、安装不当造成的风险，有效增加寿命，减少设计及加工成本。同时减轻重量、减小外廓尺寸，加快迭代，缩短设计周期，尺寸精度高，提升燃烧室整体性能，减轻重量能有效降低材料成本和燃油消耗，有效地提高推重比，增加机动性，提升市场竞争力。

利用折流板形成二次流空气，通过壁面翅片强化传热，使机匣内二次流的反向空气流被加热并在燃烧室头部被一次空气流引射、混合后升温。壁面传热使燃烧的高温燃气循环率Kv有所增大，有利燃烧的稳定。强化传热过程提取了更多的燃烧释热，降低了燃烧反应温度，降低火焰温度，使火焰体积膨胀，传热均匀，减少污染，得到更合理的出口温度分布。

该燃烧室的相关数据计算入下表1所示：

表1一种二次流蒸发管式燃烧室结构计算数据

出口温度分布系数OTDF，是评价燃烧室出口温场品质的重要参数，OTDF越小，温场品质越高，对燃烧室第一级涡轮导向叶片和工作叶片寿命和可靠性的不利影响越小。从上表1可以看出常规燃烧室设计的OTDF值一般在0.2以下。对比传统燃烧室，二次流蒸发管式燃烧室OTDF达到0.08，远小于0.2，燃烧室出口温场品质良好，有利于提高涡轮工作叶片热工转换效率；因为燃烧室燃油喷嘴采用逆向喷射到蒸发管内壁，配合空气在蒸发管内部流动，增加燃油和空气混合湍流度，改善燃油在蒸发管中蒸发率；与此同时燃烧室通过外壁面翅片强化传热，使机匣内二次流的反向空气流被加热并在燃烧室头部被一次空气流引射、混合后升温。壁面传热使燃烧的高温燃气循环率Kv有所增大，改善流场，在火焰筒内形成稳定火焰，于传统燃烧室模型相比提高燃烧效率0.2％。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，包括燃烧室本体(3)和折流板(18)，燃烧室本体(3)前端为环形筒状，折流板(18)上端为环形凹槽，燃烧室本体(3)前端的环形筒状套设于折流板(18)上端的环形凹槽，燃烧室本体(3)前端的环形筒状外壁与折流板(18)环形凹槽内壁之间通过翅片(7)连接，环形筒状桶壁、底部及环形凹槽底部均设有气膜孔，燃烧室本体(3)内设有蒸发管(17)，蒸发管(17)沿燃烧室本体(3)周向均匀设置，蒸发管(17)上端进口位于燃烧室本体(3)上，蒸发管(17)下端出口位于环形筒状内，蒸发管(17)的轴线与燃烧室本体(3)轴线呈锐角，蒸发管(17)内插有与蒸发管(17)同轴的燃油喷嘴。

2.根据权利要求1所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，燃烧室本体(3)包括燃烧室外壁面(2)、燃烧室内壁面(9)、燃烧室前端壁面(5)和燃烧室后端壁面(13)，燃烧室外壁面(2)、燃烧室前端壁面(5)和燃烧室内壁面(9)之间形成火焰筒，燃烧室外壁面(2)、燃烧室内壁面(9)和燃烧室前端壁面(5)上均设有气膜孔；折流板(18)包括折流板外壁面(1)、折流板前端壁面(6)、折流板内壁面(8)和折流板后端壁面(16)，折流板外壁面(1)、折流板前端壁面(6)和折流板内壁面(8)之间形成回流槽，火焰筒套设于回流槽内，折流板前端壁面(6)上设有前端掺混孔(11)，折流板(18)与燃烧室外壁面(2)之间通过翅片(7)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，蒸发管(17)的轴线由燃烧室后端壁面(13)端向燃烧室前端壁面(5)靠近燃烧室本体(3)轴线，蒸发管(17)的轴线与燃烧室本体(3)轴线夹角为15°～35°。

4.根据权利要求1所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，燃烧室前端壁面(5)为曲形壁面，燃烧室前端壁面(5)向外部凸出，燃烧室前端壁面(5)的弧度为π/6～π/3。

5.根据权利要求1所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，燃油喷嘴在蒸发管(17)内部的长度为蒸发管(17)总长的1％～5％。

6.根据权利要求2所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，折流板内壁面(8)与燃烧室内壁面(9)之间的距离小于折流板外壁面(1)与燃烧室外壁面(2)之间的距离。

7.根据权利要求2所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，折流板前端壁面(6)距燃烧室前端壁面(5)为燃烧室本体(3)壁厚的4～10倍，折流板外壁面(1)距燃烧室外壁面(2)为燃烧室本体(3)壁厚的5～12倍，折流板内壁面(8)距燃烧室内壁面(9)为燃烧室本体(3)壁厚的2～7倍。

8.根据权利要求1所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，燃烧室本体(3)管壁沿径向设有多排气膜孔，燃烧室本体(3)上两端气膜孔孔径相同且最小，燃烧室本体(3)上其余多排气膜孔由前端至后端孔径逐渐增大。

9.根据权利要求8所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，燃烧室本体(3)上的外气膜孔(4)的面积为蒸发管内圆面积的2.5％～220％，燃烧室本体(3)上的内气膜孔(10)的面积为蒸发管内径面积的10％～110％。

10.根据权利要求1所述的一种二次流蒸发管式燃烧室结构，其特征在于，折流板(18)与燃烧室外壁面(2)相连的翅片数量为30～70个，沿燃烧室外壁面周向均匀设置。

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