CN111288491B - 一种燃烧室结构 - Google Patents

Abstract

一种燃烧室结构。所述燃烧室结构包括：截锥(1)；扩压器(2)，套设于截锥(1)外部，包括内型面(21)和外型面(22)；火焰筒(3)，连接外型面(22)的尾端；导流环(4)，设于扩压器(2)中，与内型面(21)之间通入有高温燃气，与外型面(22)之间通入有纯净空气；波瓣混合器(5)，沿其周向方向上均匀分布有多个双波瓣结构(51)，每一双波瓣结构(51)由径向高度和宽度不同的两个波瓣组成，设置在扩压器(2)中，前端连接导流环(4)的尾端，后端与截锥(1)的尾端平齐，用于对高温燃气和纯净空气掺混，并在其后方的火焰筒(3)内形成流向涡(6)，使得高温燃气在流向涡(6)中稳定燃烧。提高了掺混均匀性以及火焰稳定性。

Description

一种燃烧室结构

技术领域

本发明涉及动力装置燃烧领域，具体地，涉及一种燃烧室结构。

背景技术

宽速域、高推重比涡轮喷气发动机的外涵流量、内涵流量之比由小涵道比1提高到大涵道比20以上。加力燃烧室进口的气流参数变化范围提高，非均匀性增加，给气流的掺混设计及燃烧组织带来了巨大的挑战。在复杂的高速、多涵道进气条件下，气流的掺混均匀性是设计中面临的首要问题。

在高速流动条件下，燃烧室内必须要采用专门装置来稳定火焰。相关技术中，例如采用旋流结构稳定火焰，或者采用钝体结构的火焰稳定器来减小流动损失并稳定火焰，或者采用环形及径向火焰稳定器来稳定火焰，但是会造成较大的压力损失。提高高速条件下的火焰稳定性的同时，减低流动损失是高速加力燃烧室研究中的重要内容。

新一代宽速域、高推重比发动机加力燃烧室进口外涵和内涵的涵道比变化大，速度更高。在高速来流条件下，气流与筒体壁面的摩擦损失显著增大，采用传统的全锥体结构将导致燃烧室的结构长度增大，摩擦损失增大，相关技术中大槽宽稳定器结构难以满足新一代加力燃烧室对于流动阻力及火焰稳定性的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种燃烧室结构，可以提高燃气和空气的掺混均匀性，提高燃气燃烧的稳定性，并且降低气体的流动损失。

(二)技术方案

本公开提供了一种燃烧室结构，包括：截锥1；扩压器2，套设于所述截锥1外部，包括内型面21和外型面22；火焰筒3，连接所述外型面22的尾端；导流环4，设置于所述内型面21和外型面22之间，所述导流环4与内型面21之间通入有高温燃气，所述导流环4与外型面22之间通入有纯净空气；波瓣混合器5，沿其周向方向上均匀分布有多个双波瓣结构51，每一所述双波瓣结构51由径向高度和宽度不同的两个波瓣组成，所述波瓣混合器5设置在所述内型面21和外型面22之间，其前端连接所述导流环4的尾端，其后端与所述截锥1的尾端平齐，用于对所述高温燃气和纯净空气进行掺混，并在其后方的火焰筒3内形成流向涡6，使得所述高温燃气在所述流向涡6中稳定燃烧。

可选地，所述双波瓣结构51由第一波瓣52和第二波瓣53组成，所述第一波瓣52的径向高度和宽度均大于所述第二波瓣53，所述第一波瓣52与第二波瓣53形成凹字型结构，所述凹字型结构的底部为开口，相邻的所述双波瓣结构51的底部相连。

可选地，所述第一波瓣52的径向高度沿所述纯净空气的气流方向逐渐增大。

可选地，所述第二波瓣53的径向高度沿所述高温燃气的气流方向逐渐增大。

可选地，所述双波瓣结构51的数量为18-24个。

可选地，所述截锥1为中心轴对称的非流线体结构，其尾端的壁面垂直于其中心轴。

可选地，所述外型面22为先收敛后扩张型结构，收敛部分的收敛角度为10-15°，扩张部分的扩张角度为10-15°。

可选地，所述燃烧室结构还包括：

外壳7，沿圆周方向包围所述扩压器2和火焰筒3，与所述火焰筒3之间形成有空隙，所述导流环4与外壳7之间的部分纯净空气进入所述空隙中，以冷却所述燃烧室结构。

可选地，所述截锥1的半径与所述燃烧室结构的半径之比为0.3-0.4。

可选地，所述导流环4为等直径导流环。

(三)有益效果

本公开提供的燃烧室结构，具有以下有益效果：

(1)设置双波瓣结构的波瓣混合器对高温燃气和纯净空气进行掺混，提高了掺混均匀性；

(2)采用大尺寸的截锥突扩结构，掺混后的可燃混合气体进入截锥形成低速、可燃区域，提高了燃烧室在高速来流下的火焰稳定性；

(3)波瓣混合器和截锥一体化设计，缩短了燃烧室长度，降低了燃气和空气的流动损失。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例提供的燃烧室结构的结构示意图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的燃烧室结构中波瓣混合器和截锥的周向示意图；

图3示意性示出了本公开实施例提供的燃烧室结构中波瓣外涵通道的示意图；

图4示意性示出了本公开实施例提供的燃烧室结构中波瓣内涵通道的示意图；

图5示意性示出了本公开实施例提供的燃烧室结构中气体的流动示意图。

附图标记说明：

1-截锥；2-扩压器；21-内型面；22-外型面；3-火焰筒；4-导流环；5-波瓣混合器；51-双波瓣结构；52-第一波瓣；53-第二波瓣；54-波瓣外涵通道；55-波瓣内涵通道；6-流向涡；7-外壳；9-纯净空气；10-高温燃气。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1示意性示出了本公开实施例提供的燃烧室结构的结构示意图。参阅图1，同时结合图2-图5，对图1所示结构进行详细说明。

本公开实施例中的燃烧室结构应用在宽速域、高推重比涡轮喷气发动机的加力燃烧室中，燃烧室结构位于低压涡轮后方。该燃烧室结构包括截锥1、扩压器2、火焰筒3、导流环4、波瓣混合器5和外壳7。

截锥1为中心轴对称的非流线体结构，截锥1尾端的壁面垂直于中心轴。本公开实施例中，采用大尺寸的截锥突扩结构，可以提高燃烧室结构在高速来流下的火焰稳定性。具体地，将截锥1的半径与燃烧室结构的半径之比设置为0.3-0.4。

扩压器2套设在截锥1的外部，扩压器2包括内型面21和外型面22。参阅图1，扩压器2的内型面21与截锥1相贴合，以将扩压器2套设在截锥1外部。扩压器2的外型面22为先收敛后扩张型结构，收敛部分的收敛角度为10-15°，扩张部分的扩张角度为10-15°。本实施例中，收敛扩张型结构的外型面22，既可以促进纯净空气向中心轴偏转以与高温燃气混合，避免出现异常回流，又可以使得波瓣混合器5后方的气流向上运动，与部分纯净空气掺混燃烧，提高燃烧效率。

火焰筒3连接外型面22的尾端，设置在扩压器2之后。

导流环4为等直径导流环，设置在扩压器2的内型面21和外型面22之间，以将扩压器2入口处的区域划分为两部分，分别为内型面21与导流环4之间的区域以及外型面22与导流环4之间的区域。纯净空气通入外型面22与导流环4之间的区域中，高温燃气通入内型面21与导流环4之间的区域中。

波瓣混合器5沿其周向方向上均匀分布有多个双波瓣结构51，其中，双波瓣结构51的数量为18-24个，每一双波瓣结构51由径向高度和宽度不同的两个波瓣组成。具体地，参阅图2，双波瓣结构51由第一波瓣52和第二波瓣53组成，第一波瓣52的径向高度为h1，第二波瓣53的径向高度为h2，第一波瓣52的周向角度为θ1，第二波瓣53的周向角度为θ2，h1＞h2，θ1＞θ2，可以理解的是，周向角度越大，其对应的波瓣的宽度越大，即第一波瓣52的径向高度和宽度均大于第二波瓣53。第一波瓣52和第二波瓣53组合形成一底部为开口的凹字型结构，并且相邻的双波瓣结构51的底部相连，即两相邻的凹字型结构底部相连如图2所示。本公开实施例中，可以通过调节第一波瓣52的径向高度h1、第二波瓣53的径向高度h2、第一波瓣52的周向角度θ1和第二波瓣53的周向角度θ2来获得适应不同涵道比的波瓣结构；截锥1的直径R是影响火焰稳定性的特征结合参数，可以通过控制截锥1的直径R以及通过控制截锥1与波瓣混合器5之间的间距L1调节波瓣内涵通道55的流量以及流向涡6内的温度分布；通过控制波瓣混合器5与火焰筒3之间的间距L2调节火焰筒3内壁气流的温度，保证不发生贴壁燃烧的情况，保持火焰筒3内侧的燃气相对低温。

参阅图1，波瓣混合器5设置在扩压器2的内型面21和外型面22之间，其前端连接导流环4的尾端，其后端与截锥1的尾端平齐，导流环4两侧的高温燃气和纯净空气流入波瓣混合器5，波瓣混合器5对高温燃气和纯净空气进行掺混。具体地，参阅图3，波瓣混合器5与扩压器2的外型面22之间的区域为波瓣外涵通道54，纯净空气经导流环4进入波瓣外涵通道54，外型面22与波瓣混合器5匹配使得波瓣外涵通道54中的纯净空气向中心轴偏转，并且保证波瓣外涵通道54中的纯净空气不回流；参阅图4，波瓣混合器5与扩压器2的内型面21之间的区域为波瓣内涵通道55，高温燃气经导流环4进入波瓣内涵通道55，内型面21与波瓣混合器5匹配使得波瓣内涵通道55中的高温燃气向上偏转，并且保证波瓣内涵通道55中的高温燃气不回流，从而使得波瓣混合器5对高温燃气和纯净空气进行充分掺混。进一步地，第一波瓣52的径向高度沿纯净空气的气流方向逐渐增大，即沿气流方向第一波瓣52的顶部向远离中心轴的方向变化；第二波瓣53的径向高度沿高温燃气的气流方向逐渐增大，即沿气流方向第二波瓣53的底部向趋近中心轴的方向变化，从而加大波瓣混合器5对高温燃气和纯净空气的掺混程度。本实施例中，波瓣混合器5后方的火焰筒3中形成有流向涡6，波瓣混合器5对高温燃气和纯净空气进行掺混后，高温燃气在流向涡6中稳定燃烧。

外壳7沿圆周方向包围扩压器2和火焰筒3，外壳7和扩压器2之间以及外壳7和火焰筒3之间均形成有空隙，导流环4与外型面之间的部分纯净空气进入上述空隙中，以对燃烧室结构进行冷却。

参阅图5，对本实施例中燃烧室结构的工作过程进行说明。高速的高温燃气10通过导流环4进入导流环4与内型面21之间的区域，高速的纯净空气9通过导流环4进入导流环4与外型面22之间的区域，高温燃气10和纯净空气9在内型面21和外型面22形成的扩压通道中减速扩压，并进入波瓣混合器5。纯净空气9中的一少部分空气贴近扩压器2的外型面22进入火焰筒3的内壁以冷却火焰筒3；纯净空气9中的另一部分空气与高温燃气10在波瓣混合器5的后方掺混形成可燃混合气体，可燃混合气体进入波瓣混合器5后方的火焰筒3中，并形成流向涡6。点火器点燃后可燃混合气体燃烧，并在截锥1后产生高温燃气，高温燃气在波瓣混合器5后方向上运动，从而回流进入流向涡6所在区域，将热量传递给波瓣混合器5后方流向涡6内新产生的可燃混合气体，进一步引燃流向涡6内的所有可燃混合气体，在截锥1后形成稳定、持续的点火源，从而提高燃烧效率，缩短燃烧室的长度。

综上所述，本公开实施例中提供的燃烧室结构由截锥1、扩压器2、火焰筒3、导流环4、波瓣混合器5和外壳7组成，利用双波瓣结构的波瓣混合器5对高温燃气和纯净空气进行掺混，提高了掺混均匀性，截锥1采用大尺寸的突扩结构来稳定火焰，提高燃烧稳定性，截锥1与波瓣混合器5进行一体化设计以缩短燃烧室的长度，降低流动损失，其应用在宽速域、高推重比涡轮喷气发动机加力燃烧室中时，可以提高加力燃烧室在高速来流条件下的内、外涵两股气流的掺混均匀性和高速条件下的火焰稳定性，并且应用结果表明，该燃烧室结构具有很好的掺混均匀性，火焰稳定性强，相对传统燃烧室，本实施例中的燃烧室长度与直径的比值又2.0左右缩短至1.5以下，显著缩短了燃烧室的长度，降低流动损失。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃烧室结构，包括：

截锥(1)；

扩压器(2)，套设于所述截锥(1)外部，包括内型面(21)和外型面(22)；

火焰筒(3)，连接所述外型面(22)的尾端；

导流环(4)，设置于所述内型面(21)和外型面(22)之间，所述导流环(4)与内型面(21)之间通入有高温燃气，所述导流环(4)与外型面(22)之间通入有空气；

波瓣混合器(5)，沿其周向方向上均匀分布有多个双波瓣结构(51)，每一所述双波瓣结构(51)由径向高度和宽度不同的两个波瓣组成，所述波瓣混合器(5)设置在所述内型面(21)和外型面(22)之间，其前端连接所述导流环(4)的尾端，其后端与所述截锥(1)的尾端平齐，用于对所述高温燃气和空气进行掺混，并在其后方的火焰筒(3)内形成流向涡(6)，使得所述高温燃气在所述流向涡(6)中稳定燃烧。

2.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其中，所述双波瓣结构(51)由第一波瓣(52)和第二波瓣(53)组成，所述第一波瓣(52)的径向高度和宽度均大于所述第二波瓣(53)，所述第一波瓣(52)与第二波瓣(53)形成凹字型结构，所述凹字型结构的底部为开口，相邻的所述双波瓣结构(51)的底部相连。

3.根据权利要求2所述的燃烧室结构，其中，所述第一波瓣(52)的径向高度沿所述空气的气流方向逐渐增大。

4.根据权利要求2所述的燃烧室结构，其中，所述第二波瓣(53)的径向高度沿所述高温燃气的气流方向逐渐增大。

5.根据权利要求1或2所述的燃烧室结构，其中，所述双波瓣结构(51)的数量为18-24个。

6.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其中，所述截锥(1)为中心轴对称的非流线体结构，其尾端的壁面垂直于其中心轴。

7.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其中，所述外型面(22)为先收敛后扩张型结构，收敛部分的收敛角度为10-15°，扩张部分的扩张角度为10-15°。

8.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其中，所述燃烧室结构还包括：

外壳(7)，沿圆周方向包围所述扩压器(2)和火焰筒(3)，与所述火焰筒(3)之间形成有空隙，所述导流环(4)与外壳(7)之间的部分空气进入所述空隙中，以冷却所述燃烧室结构。

9.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其中，所述截锥(1)的半径与所述燃烧室结构的半径之比为0.3-0.4。

10.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其中，所述导流环(4)为等直径导流环。

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