CN112815355B - 小型涡轮发动机的火焰稳定装置及涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型涡轮发动机的火焰稳定装置，包括形状与涡轮发动机的火焰筒内部横截面形状相适应的本体，本体上设置有布油栅格或/和多个布油孔；本发明用于发动机使燃油喷雾重新得到均匀分布，避免燃油由燃油蒸发管在进入火焰筒后会飞溅到火焰筒壁面上以及在主燃区附近燃油浓度过高的问题，从而避免火焰筒壁面积碳以及因冷却空气使燃烧反应淬熄影响燃烧效率的问题；同时，本发明还解决了由于小型发动机由于主燃区的反应容积小，使反应区热负荷大，燃油蒸发的有效路程短，影响雾化效果，容易导致燃烧室内火焰燃烧不均匀，影响燃烧效率的问题；提高了小型发动机从蒸发管流出的燃油雾化效果，燃烧均匀充分。

Description

小型涡轮发动机的火焰稳定装置及涡轮发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种利小型涡轮发动机的火焰稳定装置及涡轮发动机。
背景技术
涡轮发动机是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，常用于航空发动机使用；一般包括压缩机、燃烧室、涡轮机三大部份，从结构上看，燃烧是在燃烧室内的火焰筒内进行的。
在小型涡轮发动机设计中，一般是力求缩短燃气发生器的长度，以减少转子支点数目，来减轻整机重量，进而提高发动机功重比。同时，为了满足发动机整机参数要求，会尽量缩短燃烧室的长度，因此大多数小发动机燃烧室采用环形回流或离心甩油燃烧室，对发动机的燃烧稳定提出了更高要求。而在小型涡轮发动机结构上，多采用离心压气机与燃烧室相匹配，因此使得发动机燃烧室成为整机中迎风面积最大的部件。
以环形回流燃烧室为例，由于内含有涡轮部件，外边受到最大直径的约束，因而火焰筒高度一般较小。这种结构燃油由燃油蒸发管(喷嘴、进油管、蒸发管构成进油系统)在进入火焰筒后会飞溅到火焰筒壁面上，还会在主燃区附近燃油浓度过高，因此容易引起火焰筒壁面积碳一级因冷却空气使燃烧反应淬熄，从而影响燃烧效率。同时，由于主燃区的反应容积小，使反应区热负荷大，燃油蒸发的有效路程短，影响雾化效果，容易导致燃烧室内火焰燃烧不均匀，影响燃烧效率。在小型发动机实际试车过程中，因为小型发动机燃油流量小，受重力影响比较大，从蒸发管流出的燃油若雾化效果不佳，容易导致上半部分流出燃油未完全燃烧便沉积在燃烧室底部，导致燃烧不均匀，降低发动机燃烧效率。另外，过早地引入掺混空气，也使得燃烧效率下降，燃烧不稳定。
而且，在加工制造方面，小型发动机燃烧室因其尺寸小，性能方面受加工误差相对影响比较大。例如：喷嘴的孔径误差，对喷嘴的流量和喷雾锥角以及雾化质量都有较大影响；火焰筒冷却小孔等的微小的加工误差，对火焰筒内气流的流动都会产生较大影响，进而影响火焰筒内燃油分布，导致燃烧不均匀。
因此，需要对现有技术的小型涡轮发动机的结构进行改进，能够重新分配进入火焰筒的燃油，避免出现飞溅到火焰筒壁面和集中于主燃烧区域，从而避免因此容易引起火焰筒壁面积碳以及因冷却空气使燃烧反应淬熄现象，同时，能够解决由于小型发动机主燃区的反应容积小，燃烧不均匀导致的发动机燃烧效率降低问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种小型涡轮发动机的火焰稳定装置及涡轮发动机，能够重新分配进入火焰筒的燃油，避免出现飞溅到火焰筒壁面和集中于主燃烧区域，从而避免因此容易引起火焰筒壁面积碳以及因冷却空气使燃烧反应淬熄现象，同时，能够解决由于小型发动机主燃区的反应容积小，燃烧不均匀导致的发动机燃烧效率降低问题。
本发明的小型涡轮发动机的火焰稳定装置，包括形状与涡轮发动机的火焰筒内部横截面形状相适应的本体，所述本体上设置有布油栅格或/和多个布油孔。
进一步，所述本体为环形本体，所述环形本体上分布有多个条形通孔使本体形成布油栅格结构。
进一步，所述环形本体上的条形通孔为沿径向的条形通孔，所述条形通孔沿圆周方向并列且均匀分布使环形本体形成布油栅格结构。
进一步，所述条形通孔分列于环形本体的环形中心线的径向两侧并分别向径向内侧和径向外侧延伸且分别贯穿环形本体的径向外侧边缘和径向内侧边缘。
进一步，位于环形中心线两侧的所述条形通孔之间在径向上具有间距；位于所述环形本体的环形中心线上沿圆周方向均布设有布油孔。
进一步，位于环形中心线两侧的所述条形通孔以及所述布油孔在径向上相对；所述条形通孔的根部为圆孔处理。
进一步，所述环形本体以环形中心线为基准进行折弯处理，使得环形本体的横截面为V形。
进一步，所述条形通孔的宽度与所述环形本体的环形中心线周长的比例1:390-450，所有条形通孔的通过面积和占环形本体表面面积的比例为1:15-17；所述布油孔的直径占所述环形本体径向尺寸的比例1:25-28；所述条形通孔的长度与环形本体的径向尺寸之间的比例关系1:2.3-2.4；
使用时，所述环形本体在径向上占用火焰筒内部空间的比例为1:1.1至1:1.4。
本发明还公开了一种涡轮发动机，所述发动机的火焰筒内在燃油走向起始位置附近设置有所述的小型涡轮发动机的火焰稳定装置。
进一步，所述火焰筒为环形火焰筒，所述燃油蒸发管为多组沿圆周方向上在火焰筒内均匀分布，所述火焰稳定装置的本体为环形本体，所述环形本体固定连接于多组燃油蒸发管根部。
发明的有益效果是：本发明的小型涡轮发动机的火焰稳定装置及涡轮发动机，在火焰筒内的燃油走向距离起始位置的设定位置设置带有布油栅格和/或者多个布油孔的本体，使得燃油喷雾重新得到均匀分布，相当于是延长了燃油的流程，适用于小型发动机的结构特征，避免燃油由燃油蒸发管在进入火焰筒后会飞溅到火焰筒壁面上以及在主燃区附近燃油浓度过高的问题，从而避免火焰筒壁面积碳以及因冷却空气使燃烧反应淬熄影响燃烧效率的问题；本发明还解决了由于小型发动机由于主燃区的反应容积小，使反应区热负荷大，燃油蒸发的有效路程短，影响雾化效果，容易导致燃烧室内火焰燃烧不均匀，影响燃烧效率的问题；提高了小型发动机从蒸发管流出的燃油雾化效果，燃烧均匀充分，大大提高发动机燃烧效率燃烧不稳定；同时，还解决了小型发动机燃烧室因其尺寸小，零部件加工误差导致的对火焰筒内气流的流动所产生的较大影响，进而保证火焰筒内燃油分布，使得燃烧均匀。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明结构示意图(平面展开状态)；
图2为图1A处放大图；
图3为本发明结构示意图(呈V形结构)；
图4为本发明安装于发动机结构示意图；
图5为图4B处放大图。
具体实施方式
如图所示，本发明的发动机，包括形状与涡轮发动机的火焰筒内部横截面形状相适应的本体，所述本体上设置有布油栅格或/和多个布油孔；
本体的形状与火焰筒内部横截面形状相适应指的是根据火焰筒的形状设计本体的形状，使得本体设置在火焰筒内的燃油走向通道上，一般位于燃油蒸发管的出油雾位置到主燃区之间，通过布油栅格或/和多个布油孔使得油雾重新分布，避免油雾集中燃烧，稳定燃烧火焰，最终达到提高燃烧效率的效果。
本实施例中，所述本体为环形本体1，所述环形本体1上分布有多个条形通孔101使本体形成布油栅格结构；环形本体1适用于环形火焰筒，使用时设置在在燃油蒸发管的油雾出口与主燃区之间，利用布油栅格对通过的油雾进一步分散，避免油雾直接走向火焰筒壁，且相当于延长油雾走向流程，保证了最终的燃烧效果；条形通孔指的是长条形结构且在油雾流程走向上是通透的孔，在此不再赘述。
本实施例中，所述环形本体1上的条形通孔101为沿径向的条形通孔101，指的是条形通孔的长度方向沿着环形本体的径向；所述条形通孔101沿圆周方向并列且均匀分布使环形本体形成布油栅格结构；径向条形通孔沿均径向设置使得油雾通过火焰稳定装置能够形成规律的扰流，避免形成形成不利阻碍。
本实施例中，所述条形通孔101分列于环形本体1的环形中心线的径向两侧并分别向径向内侧和径向外侧延伸且分别贯穿环形本体的径向外侧边缘和径向内侧边缘；环形中心线指的是距离环形本体1的内侧边缘和外侧边缘距离相等的圆形线，位于该线径向内侧和径向外侧均分布由条形通孔，从而使得栅格结构的分布靠近燃烧筒的内侧壁和外侧壁，保证燃油的分散，避免在侧壁上形成集中。
本实施例中，位于环形中心线两侧的所述条形通孔101之间在径向上具有间距；位于所述环形本体1的环形中心线上沿圆周方向均布设有布油孔102，布油孔102可以是圆形、椭圆，优选圆形；如图1所示，布油孔位于环形中心线上，对通过的燃油具有重新打散雾化的效果，结合布油栅格，能够充分的对油雾进行分散并进一步雾化，从而提高燃烧稳定性，保证最终的火焰稳定性和充分燃烧。
本实施例中，位于环形中心线两侧的所述条形通孔101以及所述布油孔102在径向上相对，即条形通孔101的长度中心线和所述布油孔的中心；所述条形通孔101的根部为圆孔处理；圆孔处理指的是在条形通孔101根部与一圆孔1011相接过渡，圆孔1011的直径应大于条形通孔101的宽度(在圆周方向上的尺寸)，该圆孔可以消除条形通孔根部的应力集中，延长其使用寿命，同时，对通过的油雾具有引导作用并形成分割，保证燃油油雾的均匀分散。
本实施例中，所述环形本体1以环形中心线为基准进行折弯处理，使得环形本体的横截面为V形，这里的横截面为在径向上的截面，在此不再赘述；使用时，V形结构的开口影响油雾来向，采用V形结构设置，可在有限的火焰筒通过面积条件下增大火焰稳定装置的占有面积，可对通过的油雾形成充分的打散雾化，避免集中以及避免直接粘附在火焰筒壁；同时，V形结构利于粘附在本体上的油雾被吹向环形中心线的布油孔，形成二次雾化分布，进一步保证燃油的充分、稳定燃烧，最终保证火焰最终的稳定性。
本实施例中，所述条形通孔101的宽度与所述环形本体的环形中心线周长的比例1:390-450，优选为420，即环形中心线的周长是条形通孔宽度的420倍，以下比例均按此计算，在此不再赘述；具有合适的占比，保证通过性和打散油雾的功能；所有所述条形通孔101的通过面积和占环形本体1表面面积的比例为1:15-17，优选为16.4，这里的表面积指的是环形本体的轴向投影所占的面积，在此不再赘述；所述布油孔的直径占所述环形本体径向尺寸的比例1:25-28，优选26，这里的环形本体1径向尺寸指的是环形本体的外缘和内缘的径向尺寸差，在此不再赘述；所述条形通孔的长度与环形本体的径向尺寸之间的比例关系1:2.3-2.4，优选2.36,环形中心线两侧的两个条形形孔尽量能够达到最大长度，一般在环形中心线附近留有足够开设布油孔的位置即可，本实施例中保留径向尺寸为3mm左右的位置放置布油孔；上述比例关系能够保证火焰稳定装置的油雾通过效果，保证充分的燃烧；同时，能够对油雾实现再分布，均匀稳定的形成流程走向，最终能后保证火焰的稳定性，利于提高整机效率。
使用时，所述环形本体在径向上占用火焰筒内部空间的比例为1:1.1至1:1.4，最优为1.2，即火焰筒内部径向空间是被环形本体占据的径向空间的1.2倍；这里的火焰筒径向尺寸指的是火焰筒外壁和内壁之间的尺寸，而不是整体径向空间尺寸，该比例范围能够在本体与火焰筒壁之间形成设定的间距，保证油雾的通过性能，同时，被阻隔反射的油雾也可在该间距通过，且通过该间距的过程中，布油栅格的边沿还会对油雾形成再次打散分布，保证充足的油雾供给的同时，提高雾化效果。
本发明还公开了一种涡轮发动机，所述发动机的火焰筒3内在燃油走向起始位置附近设置有所述的小型涡轮发动机的火焰稳定装置；燃油走向起始位置附近指的是与该位置设定相应的距离，保证流动中的油雾形成再次打散雾化；距离过于接近，则起不到雾化效果，过远则对燃烧火焰起不到作用；如图所示。蒸发管4的油雾出口背离油雾走向设置，而火焰稳定装置则设置于蒸发管4的根部，油雾出口距离火焰稳定装置的距离则为燃油蒸发管距离其根部的高度；如图5所示，根部指的是连通进油管5和蒸发管4的通道部位6，该距离一般为3mm-6mm，本实施例的所有燃油蒸发管的高度控制在5mm左右；如图所示，环形本体被折弯成V形结构，V形结构的开口向着蒸发管的方向，形成包抄，从而利于充分雾化的效果。
当然，发动机还包括进气系统、位于火焰筒外部的燃烧室壳体、进油系统(喷嘴、进油管、蒸发管)、尾喷管，涡轮组件等等，在此不再赘述；
本实施例中，所述火焰筒3为环形火焰筒，所述燃油蒸发管4为多组沿圆周方向上在火焰筒内均匀分布，所述火焰稳定装置的本体为环形本体1，所述环形本体固定连接于多组燃油蒸发管4的根部；如图所示，通过火焰稳定装置使得多组燃油蒸发管之间形成相对静定的连接，提高机构整体的稳定性；固定的方式可采用现有的机械固定方式，包括U形螺栓连接、焊接等，甚至利用金属丝绑捆也能实现发明目的，在此不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种小型涡轮发动机的火焰稳定装置，其特征在于：包括形状与涡轮发动机的火焰筒内部横截面形状相适应的本体，所述本体上设置有布油栅格和多个布油孔；
所述本体为环形本体，所述环形本体上分布有多个条形通孔使本体形成布油栅格结构；所述环形本体适用于环形火焰筒，使用时设置在燃油蒸发管的油雾出口与主燃区之间，对通过的油雾进一步分散；
所述环形本体上的条形通孔为沿径向的条形通孔，所述条形通孔沿圆周方向并列且均匀分布使环形本体形成布油栅格结构；
所述条形通孔分列于环形本体的环形中心线的径向两侧并分别向径向内侧和径向外侧延伸且分别贯穿环形本体的径向外侧边缘和径向内侧边缘；
所述环形本体以环形中心线为基准进行折弯处理，使得环形本体的横截面为V形。
2.根据权利要求1所述的小型涡轮发动机的火焰稳定装置，其特征在于: 位于环形中心线两侧的所述条形通孔之间在径向上具有间距；位于所述环形本体的环形中心线上沿圆周方向均布设有布油孔。
3.根据权利要求2所述的小型涡轮发动机的火焰稳定装置，其特征在于：位于环形中心线两侧的所述条形通孔以及所述布油孔在径向上相对；所述条形通孔的根部为圆孔处理。
4.根据权利要求3所述的小型涡轮发动机的火焰稳定装置，其特征在于：所述条形通孔的宽度与所述环形本体的环形中心线周长的比例1:390-450，所有条形通孔的通过面积和占环形本体表面面积的比例为1:15-17；所述布油孔的直径占所述环形本体径向尺寸的比例1:25-28；所述条形通孔的长度与环形本体的径向尺寸之间的比例关系1:2.3-2.4；
使用时，所述环形本体在径向上占用火焰筒内部空间的比例为1:1.1至1:1.4。
5.一种涡轮发动机，其特征在于：所述发动机的火焰筒内在燃油走向起始位置附近设置有权利要求1至4任一权利要求所述的小型涡轮发动机的火焰稳定装置。
6.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于：所述火焰筒为环形火焰筒，所述燃油蒸发管为多组沿圆周方向上在火焰筒内均匀分布，所述火焰稳定装置的本体为环形本体，所述环形本体固定连接于多组燃油蒸发管根部。
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