CN111520767A - 一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，包括依次连通的燃烧室进气道、脉冲爆震燃烧室、脉冲爆震燃气能量分布调整装置和过渡段；其中，燃烧室进气道内安装有进气锥，进气锥内设置有雾化空气通道、燃料通道和锥形旋流喷嘴，雾化空气通道与由燃烧室进气道外伸入至进气锥内的高压雾化空气进气管道相连，燃料通道与由燃烧室进气道外伸入至进气锥内的燃料供给管道相连，锥形旋流喷嘴与雾化空气通道和燃料通道相连，在进气锥的末端安装有气动阀；脉冲爆震燃烧室上设置有火花塞安装座，火花塞安装座上安装有火花塞。本发明解决了脉冲爆震燃烧高温燃气能流密度集中、涡轮对爆震燃气能量转换提取效率低、爆震燃烧波压力反传的问题。

Description

一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室
技术领域
本发明涉及一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，适用于燃气轮机发电和动力设备。
背景技术
脉冲爆震燃烧室是一种基于爆震燃烧的新型燃烧室，与缓燃燃烧相比，爆震燃烧具有自增压、火焰传播速度快、污染物排放低等优点，发展基于爆震燃烧的动力装置有望提高现有动力装置的总体性能。
现有航空发动机和地面燃气轮机等动力装置普遍采用等压燃烧室，燃料喷入燃烧室的燃烧过程，燃气压力基本不变或略有降低。因爆震燃烧具有自增压特点，燃料在燃烧室的燃烧过程中，燃气压力同时上升，将航空发动机和地面燃气轮机等动力装置中的等压燃烧室替换为脉冲爆震燃烧室后，可适当减少航空发动机和地面燃气轮机的压气机级数，降低压气机压缩功，进而间接增加燃料燃烧后高温燃气能量用于做功的比例，提高航空发动机和地面燃气轮机的循环热效率。另因脉冲爆震燃烧火焰以爆震波的速度传播，达到上千米每秒，是缓燃燃烧火焰传播速度的几千倍，因此燃烧稳定性好，可解决在役地面燃气轮机采用贫燃预混低氮燃烧方式遇到的燃烧稳定性问题。同时，脉冲爆震燃烧是一种预混燃烧，燃烧速度快，燃烧产物在高温区的停留时间短，可减少NOx等污染物的生成。
然而在研究将脉冲爆震燃烧室替换航空发动机或地面燃气轮机等动力装置的等压燃烧室时发现，1)因脉冲爆震燃烧后的燃气能量具有强脉动特性，能量主要集中在爆震燃烧阶段，而爆震燃烧速度快，占整个周期的时间比例小，基于准稳态来流条件设计的涡轮对脉冲爆震燃气能量的转换提取效率较低，大部分能量还未来得及利用就已被排出；2)因脉冲爆震燃烧室形成爆震燃烧波后，燃烧室头部压力上升，爆震燃烧波会反传至燃烧室进气通道，进而影响压气机的工作特性。因此延长脉冲爆震燃气中高能量燃气在单个周期内所占的时间比例，调整脉冲爆震燃气能流密度随时间的分布，同时设计燃烧室进气气动阀，阻止爆震燃烧波的压力反传，有望提高基于脉冲爆震燃烧的航空发动机或地面燃气轮机循环热效率。
发明内容
为了提高基于脉冲爆震燃烧的航空发动机或地面燃气轮机循环热效率，解决脉冲爆震燃烧高温燃气能流密度集中、涡轮对爆震燃气能量转换提取效率低、爆震燃烧波压力反传的问题，本发明提出一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室。本发明针对脉冲爆震燃烧波超音速传播的特点，在爆震燃烧室出口设计多个收敛比和扩张比不同的喷管，收敛喷管和扩张喷管的轴向长度相同，径向呈错开布置，将超音速爆震燃气先从空间上分离成多股高温燃气，然后利用超音速燃气在收敛喷管中减速而在扩张喷管中加速的气动特性，再从时间角度隔开脉冲爆震燃气，使空间分离的多股爆震燃气到达喷管出口截面的时间不同，将脉冲爆震燃烧出口原来的一股强脉冲爆震燃气完全隔离成多股弱爆震燃气，延长高能量燃气在单个周期内所占的时间比例，实现调整脉冲爆震燃气能量分布的目的，以满足现有涡轮准稳态的来流设计条件，提高脉冲爆震燃气能量转换效率。本发明同时提出了一种可自适应跟随脉冲爆震燃烧室工作频率变化的气动阀结构，利用进气压力差和爆震燃烧波反传压力差，自动打开和关闭气动阀，解决爆震燃烧波压力反传影响压气机工作的问题。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，包括依次连通的燃烧室进气道、脉冲爆震燃烧室、脉冲爆震燃气能量分布调整装置和过渡段；其中，
燃烧室进气道内安装有进气锥，进气锥内设置有雾化空气通道、燃料通道和锥形旋流喷嘴，雾化空气通道与由燃烧室进气道外伸入至进气锥内的高压雾化空气进气管道相连，燃料通道与由燃烧室进气道外伸入至进气锥内的燃料供给管道相连，锥形旋流喷嘴与雾化空气通道和燃料通道相连，在进气锥的末端安装有气动阀；
脉冲爆震燃烧室上设置有火花塞安装座，火花塞安装座上安装有火花塞。
本发明进一步的改进在于，所述燃烧室进气道为长方形横截面腔体结构，是脉冲爆震燃烧室燃烧用空气的主要进气通道。
本发明进一步的改进在于，所述进气锥头部为锥形体，主体为圆柱体结构，进气锥是燃烧室燃料的供给结构，用于实现液体燃料的雾化和喷射，液体燃料经锥形旋流喷嘴，在高压雾化空气旋转射流的作用下剪切破碎形成细小油滴喷入燃烧室。
本发明进一步的改进在于，气动阀包括依次设置的进气孔板、爆震波截止板和进气罩杯，进气孔板为长方形薄板结构，其上均匀等距开设有多个进气孔，爆震波截止板为长方形薄板，进气罩杯为右端开口左端开孔的长方形腔体结构；
在脉冲爆震燃烧室填充新鲜空气和燃料阶段，爆震波截止板在进气压力作用下向右移动，直至被进气罩杯滞止，并完全遮盖进气罩杯左端的开孔结构，新鲜空气从进气罩杯与燃烧室进气道形成的腔体结构进入脉冲爆震燃烧室，完成燃烧室燃烧用空气供给；在脉冲爆震燃烧室内形成爆震燃烧波并往燃烧室进气道的上游传播时，爆震波截止板在爆震燃烧波反传压力作用下向左移动，直至被进气孔板滞止，并完全遮盖进气孔板上所开设的进气孔，阻止爆震燃烧波继续往上游传播，影响压气机工作。
本发明进一步的改进在于，所述脉冲爆震燃烧室是一横截面为长方形的直管腔体结构，新鲜空气和燃料在脉冲爆震燃烧室内边填充边掺混，待填充完成后，火花塞点燃燃烧室内可燃混合物，燃烧火焰在往右传播过程中形成爆震燃烧波，完成可燃混合物的燃烧释热过程。
本发明进一步的改进在于，所述脉冲爆震燃气能量分布调整装置由多个轴向长度相同的燃气隔板组成，燃气隔板将长方形直管腔体结构划分成多个不同收敛比和扩张比的喷管通道；脉冲爆震燃气能量分布调整装置用于将脉冲爆震燃烧室形成的强脉冲爆震燃气从时间和空间尺度分离成多股弱高温燃气，延长高能量燃气在单个周期内所占的时间比例，调整强脉冲爆震燃气的能量分布。
本发明进一步的改进在于，过渡段用于连接脉冲爆震燃气能量分布调整装置和下游的涡轮部件。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提出的一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，在脉冲爆震燃烧室出口不同径向位置设计多个不同收敛比和扩张比的喷管通道，同时利用超音速爆震燃气在收敛喷管中减速而在扩张喷管中加速的气动特性，分别从空间和时间角度将一股强脉冲爆震燃气分离成多股弱高温燃气，延长高能量燃气在单个周期内所占的时间比例，起到调整脉冲爆震燃气能量分布的作用；另本发明提出了一种可高速自适应响应的气动阀结构，利用燃烧室进气压力差以及爆震燃烧波反传压力差，实现燃烧室进气时气动阀自动打开，爆震燃烧波反传时气动阀自动关闭，气动阀可自适应跟随脉冲爆震燃烧的工作频率工作，解决了脉冲爆震燃烧波的压力反传问题。
附图说明
图1是本发明一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室实施案例的示意图。
附图标记说明：
1、燃烧室进气道；2、进气锥；3、雾化空气进气管道；4、燃料供给管道；5、雾化空气通道；6、燃料通道；7、进气孔板；8、气动阀；9、爆震波截止板；10、进气罩杯；11、锥形旋流喷嘴；12、脉冲爆震燃烧室；13、火花塞；14、火花塞安装座；15、脉冲爆震燃气能量分布调整装置；16、燃气隔板；17、过渡段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。
请参阅图1所示，本发明提供的一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，包括燃烧室进气道1、进气锥2、气动阀8、脉冲爆震燃烧室12、火花塞13、脉冲爆震燃气能量分布调整装置15和过渡段17。
所述燃烧室进气道1为长方形横截面腔体结构，是脉冲爆震燃烧室燃烧用空气的主要进气通道，其内安装有进气锥2和气动阀8。
所述进气锥2头部为锥形体，主体为圆柱体结构，进气锥2内设置有雾化空气通道5、燃料通道6和锥形旋流喷嘴11，雾化空气通道5与高压雾化空气进气管道3相连，燃料通道6与燃料供给管道4相连，锥形旋流喷嘴11与雾化空气通道5、燃料通道6相连，在进气锥2的末端安装有气动阀8。所述进气锥2是燃烧室燃料的供给结构，主要实现液体燃料的雾化和喷射，液体燃料经锥形旋流喷嘴11，在高压雾化空气旋转射流的作用下剪切破碎形成细小油滴喷入燃烧室。
所述气动阀8具有高速响应和自适应工作特点，由进气孔板7、爆震波截止板9和进气罩杯10组成，进气孔板7为长方形薄板结构，其上均匀等距开设有多个进气孔，爆震波截止板9为长方形薄板，进气罩杯10为右端开口左端开孔的长方形腔体结构。所述气动阀8在脉冲爆震燃烧室填充新鲜空气和燃料阶段，爆震波截止板9在进气压力作用下向右移动，直至被进气罩杯10滞止，并完全遮盖进气罩杯10左端的开孔结构，新鲜空气从进气罩杯10与燃烧室进气道1形成的腔体结构进入脉冲爆震燃烧室，完成燃烧室燃烧用空气供给；在脉冲爆震燃烧室内形成爆震燃烧波并往燃烧室进气道1的上游传播时，爆震波截止板9在爆震燃烧波反传压力作用下向左移动，直至被进气孔板7滞止，并完全遮盖进气孔板7上所开设的进气孔，阻止爆震燃烧波继续往上游传播，影响压气机工作。
所述脉冲爆震燃烧室12是一横截面为长方形的直管腔体结构，其上设置有火花塞安装座14，用于安装火花塞13。新鲜空气和燃料在脉冲爆震燃烧室12内边填充边掺混，待填充完成后，火花塞13点燃燃烧室内可燃混合物，燃烧火焰在往右传播过程中形成爆震燃烧波，完成可燃混合物的燃烧释热过程。
所述脉冲爆震燃气能量分布调整装置15由多个轴向长度相同的燃气隔板16组成，燃气隔板16将长方形直管腔体结构划分成多个不同收敛比和扩张比的喷管通道；脉冲爆震燃气能量分布调整装置15的作用是将脉冲爆震燃烧室12形成的强脉冲爆震燃气从时间和空间尺度分离成多股弱高温燃气，延长高能量燃气在单个周期内所占的时间比例，调整强脉冲爆震燃气的能量分布。
所述过渡段17主要用于连接脉冲爆震燃气能量分布调整装置15和下游的涡轮部件，其结构形状可根据涡轮部件的结构尺寸变化。
请参阅图1所示，本实施例中燃烧室进气道1腔体长500mm，宽200mm，高100mm，壁厚3mm；脉冲爆震燃烧室12腔体长1400mm，宽200mm，高100mm，壁厚3mm；脉冲爆震燃气能量分布调整装置15轴向长度为300mm，宽200mm，高100mm，壁厚3mm，3块壁厚为2mm的燃气隔板16将横截面为长方形的腔体结构划分为从上至下的4个喷管，从上至下第1和第3号喷管为扩张型喷管，扩张比分别为1.44和1.90，从上至下第2和第4号喷管为收缩型喷管，收敛比分别为2.21和1.43；过渡段17腔体长200mm，宽200mm，高100mm，壁厚3mm。
本实施例一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室的具体工作方式如下：
参与燃料燃烧所需的空气从燃烧室进气道1进入，经安装在燃烧室进气道1内气动阀8的进气孔板7，由进气罩杯10与燃烧室进气道1所形成的气流通道进入脉冲爆震燃烧室12；用于液态燃料雾化的高压雾化空气由安装在进气锥2上的雾化空气进气管道3进入，经雾化空气通道5切向进入锥形旋流喷嘴11，并在锥形旋流喷嘴11内形成高速旋转气流；液态燃料由安装在进气锥2上的燃料供给管道4进入，经进气锥2内部的燃料通道6轴向流入锥形旋流喷嘴11；液态燃料在锥形旋流喷嘴11内被高速旋转的雾化空气剪切破碎形成小油滴，然后从锥形旋流喷嘴11高速喷入脉冲爆震燃烧室12，并与经气动阀8进入燃烧室参与燃料燃烧的主空气进一步掺混雾化成更小的油滴颗粒；新鲜的空气和雾化后的油滴颗粒在脉冲爆震燃烧室12内完成燃烧，最终经脉冲爆震燃气能量分布调整装置15和过渡段17排出。
一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室的一个工作循环分为填充、燃烧和排气三个阶段，在填充阶段：气动阀8在进气压差作用下打开，参与燃料燃烧的空气经气动阀8后进入脉冲爆震燃烧室，高压雾化空气和液态燃料经进气锥2进入脉冲爆震燃烧室12，新鲜空气和新鲜燃料在填充脉冲爆震燃烧室12的同时完成空气与燃料的掺混，形成可燃混合物，待可燃混合物充满脉冲爆震燃烧室12后，填充阶段结束；在燃烧阶段：填充阶段完成后，火花塞13产生高能火花，点燃脉冲爆震燃烧室12内填充的新鲜可燃混合物，先在脉冲爆震燃烧室12头部形成弱燃烧压缩波，气动阀8在反传压力的作用下关闭，弱燃烧压缩波在脉冲爆震燃烧室12内往右传播过程中逐渐叠加增强，最终形成爆震燃烧波，待脉冲爆震燃烧室12内填充的可燃混合物燃烧完成后，燃烧阶段结束；在排气阶段：燃烧阶段完成后，脉冲爆震燃气能量分布调整装置15将从脉冲爆震燃烧室12出口喷入的超音速脉冲爆震燃气，从空间和时间角度分离成多股高温燃气，实现脉冲爆震燃气能量分布的调整，调整后的燃气最终经过渡段17排出，在排气阶段膨胀波不断从过渡段17出口传入燃烧室，脉冲爆震燃烧室内压力不断降低，直至进气压力大于燃烧室内压力，排气阶段结束。

Claims (7)

1.一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，其特征在于，包括依次连通的燃烧室进气道(1)、脉冲爆震燃烧室(12)、脉冲爆震燃气能量分布调整装置(15)和过渡段(17)；其中，
燃烧室进气道(1)内安装有进气锥(2)，进气锥(2)内设置有雾化空气通道(5)、燃料通道(6)和锥形旋流喷嘴(11)，雾化空气通道(5)与由燃烧室进气道(1)外伸入至进气锥(2)内的高压雾化空气进气管道(3)相连，燃料通道(6)与由燃烧室进气道(1)外伸入至进气锥(2)内的燃料供给管道(4)相连，锥形旋流喷嘴(11)与雾化空气通道(5)和燃料通道(6)相连，在进气锥(2)的末端安装有气动阀(8)；
脉冲爆震燃烧室(12)上设置有火花塞安装座(14)，火花塞安装座(14)上安装有火花塞(13)。
2.根据权利要求1所述的一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述燃烧室进气道(1)为长方形横截面腔体结构，是脉冲爆震燃烧室燃烧用空气的主要进气通道。
3.根据权利要求1所述的一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述进气锥(2)头部为锥形体，主体为圆柱体结构，进气锥(2)是燃烧室燃料的供给结构，用于实现液体燃料的雾化和喷射，液体燃料经锥形旋流喷嘴(11)，在高压雾化空气旋转射流的作用下剪切破碎形成细小油滴喷入燃烧室。
4.根据权利要求1所述的一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，其特征在于，气动阀(8)包括依次设置的进气孔板(7)、爆震波截止板(9)和进气罩杯(10)，进气孔板(7)为长方形薄板结构，其上均匀等距开设有多个进气孔，爆震波截止板(9)为长方形薄板，进气罩杯(10)为右端开口左端开孔的长方形腔体结构；
在脉冲爆震燃烧室填充新鲜空气和燃料阶段，爆震波截止板(9)在进气压力作用下向右移动，直至被进气罩杯(10)滞止，并完全遮盖进气罩杯(10)左端的开孔结构，新鲜空气从进气罩杯(10)与燃烧室进气道(1)形成的腔体结构进入脉冲爆震燃烧室，完成燃烧室燃烧用空气供给；在脉冲爆震燃烧室内形成爆震燃烧波并往燃烧室进气道(1)的上游传播时，爆震波截止板(9)在爆震燃烧波反传压力作用下向左移动，直至被进气孔板(7)滞止，并完全遮盖进气孔板(7)上所开设的进气孔，阻止爆震燃烧波继续往上游传播，影响压气机工作。
5.根据权利要求1所述的一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述脉冲爆震燃烧室(12)是一横截面为长方形的直管腔体结构，新鲜空气和燃料在脉冲爆震燃烧室(12)内边填充边掺混，待填充完成后，火花塞(13)点燃燃烧室内可燃混合物，燃烧火焰在往右传播过程中形成爆震燃烧波，完成可燃混合物的燃烧释热过程。
6.根据权利要求1所述的一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，其特征在于，所述脉冲爆震燃气能量分布调整装置(15)由多个轴向长度相同的燃气隔板(16)组成，燃气隔板(16)将长方形直管腔体结构划分成多个不同收敛比和扩张比的喷管通道；脉冲爆震燃气能量分布调整装置(15)用于将脉冲爆震燃烧室(12)形成的强脉冲爆震燃气从时间和空间尺度分离成多股弱高温燃气，延长高能量燃气在单个周期内所占的时间比例，调整强脉冲爆震燃气的能量分布。
7.根据权利要求1所述的一种可调整出口燃气能量分布的脉冲爆震燃烧室，其特征在于，过渡段(17)用于连接脉冲爆震燃气能量分布调整装置(15)和下游的涡轮部件。
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