CN111780159B - 一种光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，包括高压供气环腔、增速段和整流段等，高压空气经接气嘴和供气管道进入供气环腔，在供气环腔内形成总压均匀的供气环，增速段用于逐渐增加气帘射流空气速度，进一步在整流段中对气帘射流空气的射流方向进行整流，形成高速贴壁均匀射流，对光学通透模型燃烧室的光学火焰筒壁面上液滴进行清扫并冷却壁面，一方面形成一层气膜减少液滴在旋流空气作用下撞击到火焰筒上几率，另一方面，气帘对撞击到火焰筒壁面上的液滴进行快速清扫，保持光学火焰筒壁面的清洁可视，三，气帘通过对光学火焰筒壁面的冷却，减少光学火焰筒与金属安装面的热应力。

Description

一种光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室技术领域，涉及一种可视窗清洁装置，尤其涉及一种利用贴壁高速射流气膜对可视窗附着的液滴进行吹扫的气帘清洁和冷却装置。

背景技术

对于使用液体燃料的航空发动机，燃油雾化、蒸发和混合决定着发动机燃烧室的稳定工作边界、燃烧效率和污染物排放等燃烧性能。在航空发动机新型燃烧室的研制过程中，需要借助光学通透模型燃烧室对燃烧室内的喷雾和燃烧过程开展应用基础研究，而液滴在燃烧室内旋流条件下对可视窗的污染限制了先进光学诊断方法在喷雾和燃烧试验中的应用，从而影响了对发动机燃烧室内喷雾燃烧微观过程的认识和燃烧技术的开发。

随着先进发动机燃烧室的发展，军用发动机针对更高推重比的需求向高温升燃烧室方向发展，民用发动机针对环保经济性的需求向低排放燃烧室方向发展。无论高温升燃烧室还是低排放燃烧室都普遍倾向于采用组合式燃油空气喷嘴，这使得发动机燃油喷嘴逐渐由离心喷嘴发展到空气雾化喷嘴，进一步发展到组合式空气雾化喷嘴，燃油喷嘴的作用由燃油雾化逐渐发展为燃油雾化、蒸发和混合，在燃烧室中的作用越来越重要。

新型组合式燃油雾化喷嘴的发展，使得燃油雾化中旋流空气和燃油雾化作用过程更加紧密和强烈，并且进口温度和压力对燃烧室内燃油空间分布、液滴粒径、速度场等都有重要的影响。已有的模型燃烧室内的喷雾燃烧基础研究大多是在开放空间或常温常压受限空间内开展的，而对于新型组合式燃烧雾化喷嘴在开放空间或常温常压受限空间模型燃烧室内的气动雾化特性与发动机燃烧室内的气动雾化特性差别较大，导致模型燃烧室内的气动雾化场特性失真，需要在高温高压受限空间光学通透模型燃烧室内开展相应的研究。高温高压受限空间光学通透模型燃烧室试验件的可视窗受燃料液滴的污染导致难以得到气动雾化场清晰的图像，同时，光学可视窗石英玻璃的膨胀系数不同于金属安装边，导致可视窗受热应力而破碎，难以同时保证光学可视窗的密封和寿命，制约了对新型燃烧室内气动、雾化和燃烧组织过程中的机理认识。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服上述喷雾燃烧光学诊断试验过程中可视窗的污染问题，本发明旨在提供一种光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，利用贴壁高速射流气膜对可视窗附着的液滴进行吹扫，采用环形气腔保证供气总压的周向均匀性，保证气帘速度的周向均匀性，采用增速段提高气帘射流速度，采用整流段对气帘射流空气的射流方向进行整流，形成高速贴壁均匀射流，对光学通透模型燃烧室的光学火焰筒壁面上的液滴进行清扫并冷却壁面，一方面形成一层气膜减少液滴在旋流空气作用下撞击到火焰筒上几率，另一方面气帘对撞击到火焰筒壁面上的液滴进行快速清扫，保持光学火焰筒壁面的清洁可视，三是气帘通过对光学火焰筒壁面的冷却，减少光学火焰筒与金属安装面的热应力。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：

一种光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，所述光学通透模型燃烧室，至少包括一火焰筒和一燃烧室头部端板，其特征在于，

所述燃烧室头部端板与火焰筒之间固定设置一沿轴向延伸的环形火焰筒可视窗，所述火焰筒与火焰筒可视窗形成光学通透火焰筒结构，

所述燃烧室头部端板的外侧设有一高压供气环腔，所述高压供气环腔与外部一高温高压气源连通，

所述燃烧室头部端板的内侧设有一环形火焰筒安装边，所述火焰筒安装边用以固定安装所述火焰筒可视窗，且所述火焰筒安装边内设有一环形气帘空气通道，所述气帘空气通道至少包括一增速段和一位于所述增速段下游的整流段，所述增速段的进口端与所述高压供气环腔连通，所述整流段的出口端与所述光学通透火焰筒的内腔连通，且所述整流段的出口方向至少基本与所述火焰筒可视窗的内壁平行，使得从所述整流段出口喷射出的高速气帘射流进入火焰筒后形成紧贴所述火焰筒可视窗内壁流动的贴壁均匀高速气帘，用于减少火焰筒中的液滴撞击到所述火焰筒可视窗上，同时清洁穿透气帘后附着在所述火焰筒可视窗壁面上的液滴，并实现对所述火焰筒可视窗的冷却。

优选地，所述燃烧室头部端板的中心处设有燃油雾化喷嘴安装边，所述燃油雾化喷嘴安装边用以安装组合式燃油雾化喷嘴，所述组合式燃油雾化喷嘴用以向火焰筒内喷射燃油和旋流空气。

优选地，所述光学通透模型燃烧室还包括一燃烧室机匣，所述火焰筒同轴固定在所述燃烧室机匣内，所述燃烧室头部端板与燃烧室机匣之间固定设置一燃烧室机匣可视窗，所述燃烧室机匣与燃烧室机匣可视窗形成光学通透燃烧室机匣结构。

优选地，所述火焰筒安装边包括一环形气膜内侧边和一环形气膜外侧边，所述气膜内侧边与气膜外侧边之间形成所述气帘空气通道。

优选地，所述高压供气环腔通过一带有供气接嘴的供气管道与所述高温高压气源连通。

本发明的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置中，所述高压供气环腔、增速段和整流段从轴向上游到下游依次空间布局，分别具有调整周向均匀性、增加气膜射流空气速度和优化射流方向的功能。

优选地，所述供气接嘴采用球面密封结构与所述高温高压气源连接，且所述高温高压气源内的空气温度和压力可根据需求调节。

优选地，所述供气管道连接所述供气接嘴和高压供气环腔，所述供气管道内的气流速度小于30m/s，以减小流动引起的总压损失。

优选地，所述高压供气环腔内的空气平均速度小于5m/s，且所述高压供气环腔的横截面积远大于所述整流段和增速段的横截面积，使通过所述供气管道的来流空气总压在所述高压供气环腔内沿周向趋于均匀。

优选地，所述增速段在轴向上位于所述高压供气环腔与整流段之间，所述增速段的内横截面积沿气流方向逐渐减小，且所述增速段的出口横截面积与所述整流段的横截面积相等，所述增速段内采用圆弧过渡，以逐渐增加空气气帘射流速度，减少突扩引起的流动损失，并且有利于所述增速段的出口径向方向速度分布的均匀性。

优选地，所述整流段对气帘射流的周向和径向均匀性进行进一步优化，形成贴壁均匀高速气帘，用于减少火焰筒中的液滴撞击到所述火焰筒可视窗上，同时清洁穿透气帘后附着在所述火焰筒可视窗壁面上的液滴，并且形成贴壁气流对所述火焰筒可视窗进行冷却。

优选地，所述供气接嘴的横截面积与所述供气管道的横截面积相等，所述供气接嘴和供气管道的个数在2-6之间，所述供气接嘴和供气管道中的气流速度为15-30m/s之间。

优选地，所述高压供气环腔内空气的总压沿周向的不均匀度小于5％，所述高压供气环腔内的空气轴向速度在2-5m/s之间。

优选地，所述整流段内的径向高度为0.6-2.0mm，所述整流段内气帘射流空气速度在60m/s-300m/s，所述整流段的出口射流空气温度在280℃～450℃，大于RP-3航空煤油的沸点，有利于附着在光学可视窗壁面上的液滴快速蒸发，而远小于试验件安装边金属的蠕变温度，有利于减小金属安装边及其紧固件的热蠕变变形，降低光学火焰筒受热应力和机械应力而破碎的几率。

本发明的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，与现有技术相比具有突出的技术优点：(1)本发明采用高速均匀气帘减小了火焰筒内旋流液滴对可视窗的污染，并且清扫附着在光学火焰筒表面的液滴。(2)本发明通过调控气帘射流空气温度增加附着在光学火焰筒表面燃油的蒸发速率，快速对火焰筒壁面上的燃油进行清洁。(3)本发明的高速气帘可以用于燃烧条件下减小高温火焰对火焰筒的传热，并且气帘射流对火焰筒壁面具有冷却作用，从而减小光学火焰筒受到的热应用，减小光学火焰筒石英玻璃破碎的几率。

附图说明

图1是本发明的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置的剖视图；

图2是本发明中燃烧室头部端板处的主要结构布置示意图；

图3是本发明的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置的局部放大及原理图。

图中，供气接嘴1，供气管道2，高压供气环腔3，燃烧室机匣可视窗4，燃烧室机匣5，火焰筒可视窗6，火焰筒7，增速段8，整流段9，气膜内侧边10，气膜外侧边11，燃烧室头部端板12，燃油雾化喷嘴安装边13。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明实施例中的技术方案进行进一步详细说明。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2、3所示，本发明的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，采用高温高速均匀贴壁气帘对光学火焰筒壁面进行清洁和冷却，包括供气接嘴1，供气接嘴1连接供气管道2，高压供气环腔3，高压供气环腔3安装在燃烧室头部端板12上，且在燃烧室头部端板12的内侧预留了燃油雾化喷嘴安装边13，燃烧室机匣可视窗4，燃烧室机匣5，燃烧室机匣可视窗4安装在燃烧室机匣5上，火焰筒可视窗6安装在火焰筒7上，气膜内侧边10和气膜外侧边11形成了气帘空气通道，经增速段8和整流段9，在火焰筒可视窗6内侧形成高温高速周向均匀分布的吹扫空气气帘。

具体而言，如图1～3所示，本发明的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，包括一燃烧室机匣5、一火焰筒7和一燃烧室头部端板12，火焰筒7同轴固定在燃烧室机匣5内，燃烧室头部端板12与燃烧室机匣5之间固定设置一燃烧室机匣可视窗4，燃烧室机匣5与燃烧室机匣可视窗4形成光学通透燃烧室机匣结构。燃烧室头部端板12与火焰筒7之间固定设置一沿轴向延伸的环形火焰筒可视窗6，火焰筒7与火焰筒可视窗6形成光学通透火焰筒结构。

燃烧室头部端板12的中心处设有燃油雾化喷嘴安装边13，燃油雾化喷嘴安装边13用以安装组合式燃油雾化喷嘴，组合式燃油雾化喷嘴用以向火焰筒内喷射燃油和旋流空气。燃烧室头部端板12的外侧设有一高压供气环腔3，高压供气环腔3通过一带有供气接嘴1的供气管道2与外部一高温高压气源连通。燃烧室头部端板12的内侧设有一环形火焰筒安装边，火焰筒安装边用以固定安装火焰筒可视窗6，且火焰筒安装边内设有一环形气帘空气通道，火焰筒安装边优选包括一环形气膜内侧边10和一环形气膜外侧边11，气膜内侧边10与气膜外侧边11之间形成气帘空气通道。气帘空气通道至少包括一增速段8和一位于增速段8下游的整流段9，增速段8的进口端与高压供气环腔3连通，整流段9的出口端与光学通透火焰筒的内腔连通，且整流段9的出口方向至少基本与火焰筒可视窗6的内壁平行，使得从整流段9出口喷射出的高速气帘射流进入火焰筒后形成紧贴火焰筒可视窗6内壁流动的贴壁均匀高速气帘，用于减少火焰筒中的液滴撞击到火焰筒可视窗6上，同时清洁穿透气帘后附着在火焰筒可视窗6壁面上的液滴，并实现对火焰筒可视窗6的冷却。

作为本发明优选的实施例，供气接嘴1采用球面密封结构与高温高压气源连接，且高温高压气源内的空气温度和压力可根据需求调节；供气管道2内的气流速度小于30m/s，以减小流动引起的总压损失；高压供气环腔3内的空气平均速度小于5m/s，且高压供气环腔3的横截面积远大于整流段和增速段的横截面积，使通过供气管道2的来流空气总压在高压供气环腔3内沿周向趋于均匀；增速段8在轴向上位于高压供气环腔3与整流段9之间，增速段3的内横截面积沿气流方向逐渐减小，且增速段8的出口横截面积与整流段9的横截面积相等，增速段8内采用圆弧过渡，以逐渐增加空气气帘射流速度，减少突扩引起的流动损失，并且有利于增速段8的出口径向方向速度分布的均匀性；整流段9对气帘射流的周向和径向均匀性进行进一步优化，形成贴壁均匀高速气帘，用于减少火焰筒中的液滴撞击到火焰筒可视窗上，同时清洁穿透气帘后附着在火焰筒可视窗壁面上的液滴，并且形成贴壁气流对火焰筒可视窗进行冷却；供气接嘴1的横截面积与供气管道2的横截面积相等，供气接嘴和供气管道的个数在2-6之间，供气接嘴和供气管道中的气流速度为15-30m/s之间；高压供气环腔3内空气的总压沿周向的不均匀度小于5％，高压供气环腔3内的空气轴向速度在2-5m/s之间；整流段9内的径向高度为0.6-2.0mm，整流段9内气帘射流空气速度在60m/s-300m/s，整流段9的出口射流空气温度在280℃～450℃，大于RP-3航空煤油的沸点，有利于附着在光学可视窗壁面上的液滴快速蒸发，而远小于试验件安装边金属的蠕变温度，有利于减小金属安装边及其紧固件的热蠕变变形，降低光学火焰筒受热应力和机械应力而破碎的几率。

本发明的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置在工作时，供气接嘴1连接高温高压气源，通过供气管道2把高温高压气源输送到高压供气环腔3中，在高压供气环腔3中形成总压周向相对均匀的气流，高温高压气流进一步进入增速段8中，随着增速段8中横截面积的逐步减小，空气速度增加逐渐增加，增速段8中采用圆弧过渡，减小突扩引起的流动损失和扰流，气流进一步进入横截面积沿轴向均一并且与增速段出口横截面积相等的整流段9，在增速段8内气流速度在径向更加均匀，部分径向速度也逐渐转化为轴向速度，气膜内侧边10与气膜外侧边11的径向高度在0.5-1.2mm之间，高速气流进入火焰筒后，形成了紧贴光学火焰筒壁面的高速均匀高温气流。

当高速气流速度为80m/s时，高速气流经整流段9出口进入火焰筒后，在旋流器下游轴向0.04m的范围内，射流都能保持高速流动，并且一直保持贴壁高速流动，对火焰筒内气流的影响较小，在光学可视窗玻璃内侧直到旋流器下游轴向0.08m的范围内，速度都保持在30m/s以上。

光学火焰筒内侧的高速均匀高温气流，一方面，可以阻止火焰筒内的旋流液滴撞击到可视窗上，同时，高温高速贴壁气帘射流可以加速部分附着在可视窗表面上液膜的蒸发，从而实现对光学火焰筒壁面附着液滴或油膜的除污清洁功能，高速贴壁气帘射流也会对燃烧条件下的光学火焰筒起到冷却作用，减小火焰筒石英玻璃与金属安装边、紧固件之间的热应力和机械应力，在实现光学火焰筒密封的同时又具有较长的使用寿命。

根据实验过程中的需求，光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置的气帘射流空气速度和温度可以调控，射流空气速度在60m/s-300m/s之间，射流空气温度在280℃-450℃之间，一方面高温射流空气加速火焰筒壁面附着液滴或液膜的蒸发过程，同时在此温度区间内金属火焰筒热蠕变变形小，同时此射流空气温度远小于燃烧区温度1200-2500℃，对气帘射流空气对光学火焰筒具有冷却效果。

本发明的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，基于高速高温均匀贴壁气帘射流，可以用于非反应高温高压条件下燃烧室内雾化特性光学诊断试验过程中的光学火焰筒壁面清洁和冷却，也可以用于燃烧条件下燃烧室内光学诊断喷雾燃烧试验过程中的光学火焰筒壁面清洁和冷却。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，所述光学通透模型燃烧室，至少包括一火焰筒和一燃烧室头部端板，其特征在于，

所述燃烧室头部端板与火焰筒之间固定设置一沿轴向延伸的环形火焰筒可视窗，所述火焰筒与火焰筒可视窗形成光学通透火焰筒结构，

所述燃烧室头部端板的中心处设有燃油雾化喷嘴安装边，所述燃油雾化喷嘴安装边用以安装组合式燃油雾化喷嘴，所述组合式燃油雾化喷嘴用以向火焰筒内喷射燃油和旋流空气；

所述燃烧室头部端板的外侧设有一高压供气环腔，所述高压供气环腔与外部一高温高压气源连通，

所述燃烧室头部端板的内侧设有一环形火焰筒安装边，所述火焰筒安装边用以固定安装所述火焰筒可视窗，且所述火焰筒安装边内设有一环形气帘空气通道，所述环形气帘空气通道沿轴向至少包括一增速段和一位于所述增速段下游的整流段，所述增速段的进口端与所述高压供气环腔连通，所述整流段的出口端与所述光学通透火焰筒的内腔连通，且所述整流段的出口方向基本与所述火焰筒可视窗的内壁平行，

所述高压供气环腔的横截面积远大于所述整流段和增速段的横截面积，所述增速段的内横截面积沿气流方向逐渐减小，且所述增速段的出口横截面积与所述整流段的横截面积相等，使得从所述整流段出口喷射出的高速气帘射流进入火焰筒的内腔后形成紧贴所述火焰筒可视窗内壁流动的贴壁均匀高速气帘，用于减少火焰筒中的液滴撞击到所述火焰筒可视窗上，同时清洁穿透气帘后附着在所述火焰筒可视窗壁面上的液滴，并实现对所述火焰筒可视窗的冷却。

2.根据权利要求1所述的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，其特征在于，所述光学通透模型燃烧室还包括一燃烧室机匣，所述火焰筒同轴固定在所述燃烧室机匣内，所述燃烧室头部端板与燃烧室机匣之间固定设置一燃烧室机匣可视窗，所述燃烧室机匣与燃烧室机匣可视窗形成光学通透燃烧室机匣结构。

3.根据权利要求1所述的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，其特征在于，所述火焰筒安装边包括一环形气膜内侧边和一环形气膜外侧边，所述气膜内侧边与气膜外侧边之间形成所述气帘空气通道。

4.根据权利要求1所述的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，其特征在于，所述高压供气环腔通过一带有供气接嘴的供气管道与所述高温高压气源连通，所述供气接嘴采用球面密封结构与所述高温高压气源连接，且所述高温高压气源内的空气温度和压力可根据需求调节。

5.根据权利要求4所述的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，其特征在于，所述供气管道连接所述供气接嘴和高压供气环腔，所述供气管道内的气流速度小于30m/s，以减小流动引起的总压损失；所述高压供气环腔内的空气平均速度小于5m/s。

6.根据权利要求4所述的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，其特征在于，所述供气接嘴的横截面积与所述供气管道的横截面积相等，所述供气接嘴和供气管道的个数在2-6之间，所述供气接嘴和供气管道中的气流速度为15-30m/s之间。

7.根据权利要求1所述的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，其特征在于，所述高压供气环腔内空气的总压沿周向的不均匀度小于5％，所述高压供气环腔内的空气轴向速度在2-5m/s之间。

8.根据权利要求1所述的光学通透模型燃烧室贴壁高速气帘清洁冷却装置，其特征在于，所述整流段内的径向高度为0.6-2.0mm，所述整流段内气帘射流空气速度在60m/s-300m/s，所述整流段的出口射流空气温度大于燃油的沸点。

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