CN113623685B - 一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构 - Google Patents

一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构，所述涡流器结构连接涡轮发动机的火焰筒和机匣，用于执行对所述涡轮发动机火焰筒的点火操作，所述涡流器结构包括：涡流器主体、喷嘴和点火装置。所述涡流器主体设置于所述火焰筒的进气端，且所述火焰筒进气端通过所述涡流器主体与机匣连通；所述喷嘴设置于所述涡流器主体的末端，用于向所述火焰筒供给燃油；本发明对传统的涡轮发动机涡流器中设置在燃烧室主燃区的点火装置重新设计，将点火装置安装到涡流器主体位置，从而避免点火装置直接布置在主燃区，减少点火装置对主燃区流场的影响，减轻电嘴的烧蚀。

Description

一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构
技术领域
本发明属于涡轮发动机技术领域，特别涉及一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构。
背景技术
目前，涡轮发动机燃烧室常规点火技术方案如图所示，由常规涡流器B配合电嘴A组成点火系统。其中，涡流器的功用是：一是在火焰筒头部产生高速旋转射流，形成低压的回流区来稳定火焰；二是提供燃料燃烧所需的新鲜空气，控制主燃区具有合适的油气比；三是改善燃油雾化和混气形成。点火装置采用电嘴A，利用瞬间放电产生的高温点燃混气，实现燃烧室点火。
首先，燃油从喷嘴C喷射出来；之后，燃油与流经涡流器的旋转空气充分混合；混合后的燃气流经电嘴A附近，被电嘴A的高能电火花点燃；火焰向整个主燃区传播，完成点火过程。
虽然上述点火方案应用成熟，使用广泛，在通常情况下性能表现良好，但是现有方案的点火装置布置在主燃区，一方面会影响燃烧室的流场，另一方面点火过程容易受附近气流流场的影响，对气动设计要求较高，而且点火概率相对较低。另外受主燃区高温的影响，点火装置也容易烧蚀、积碳，需要时常检查更换。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构，用于连接火焰筒和机匣，所述涡流器结构包括：
涡流器主体，设置于所述火焰筒的进气端，且所述火焰筒的进气端通过所述涡流器主体与机匣连通；
喷嘴，设置于所述涡流器主体的末端，用于向所述火焰筒供给燃油；
点火装置，设置于所述涡流器主体中，用于执行所述火焰筒的点火操作。
优选的，所述涡流器主体包括进气座和连接座；
所述进气座通过所述连接座固定连接所述火焰筒，所述进气座的末端连接所述喷嘴。
优选的，所述进气座和连接座的连接处设有气流通道。
优选的，所述进气座为锥体结构，且锥体内部设有喇叭状内腔，所述喇叭状内腔的腔壁为尾部到首部渐扩的圆弧型面。
优选的，所述点火装置包括内置锥体；
所述内置锥体通过锥体尾部设置的多组支撑肋固定连接所述喇叭状内腔的腔壁。
优选的，所述内置锥体的外侧设有圆锥型面。
优选的，所述喇叭状内腔内部设有混合流道，所述混合流道包括由圆锥型面与圆弧型面构成的截面为渐扩的“八”字型通道。
优选的，所述点火装置还包括电嘴；
所述电嘴包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别安装在所述涡流器主体和内置锥体上，第一电极和第二电极的电极输入端通过电极线分别与电源的正负极相连。
优选的，所述混合流道对应的涡流器主体的外壳上设有多组进气孔和电极线引出孔。
优选的，所述进气孔为带有旋转角度的贯穿孔，用于向所述混合流道输送旋转气流。
优选的，所述支撑肋内部预设有埋线槽，用于敷设所述第一电极和第二电极的电极线，并将所述电极线从所述电极线引出孔引出。
本发明对传统的涡轮发动机涡流器中设置在燃烧室主燃区的点火装置重新设计，将点火装置安装到涡流器主体位置，从而避免点火装置直接布置在主燃区，减少点火装置对主燃区流场的影响，减轻电嘴的烧蚀。同时将常规的涡流器改进为带有“八”字型通道的涡流器主体，同时在“八”字型通道的中心设置内置锥体，在内置锥体和“八”字型通道的内壁上分别放置第一电极和第二电极。本方案采用的是第一电极和第二电极之间放电，产生电弧进行点火，在低温低压等特殊环境中，电源仍然可以产生足够的电压，将空气和雾化燃油进行电离形成大量等离子体，等离子体有很高的的物理和化学活性，有利于点火，从而增加点火过程的可靠性。另外本发明设置的点火装置距离喷嘴更近，燃油在经过点火和点火装置是能够快速引燃，有效缩短点火时间。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据现有技术的燃烧室点火装置结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的用于旋转滑动弧点火的涡流器结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的用于旋转滑动弧点火的涡流器结构的主体结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例的用于旋转滑动弧点火的涡流器结构的俯视示意图。
附图中：100、喷嘴；200、涡流器主体；300、内置锥体；21、连接座；22、进气座；23、圆弧型面；24、电极线引出孔；25、进气孔；26、气流通道；27、第一电极；31、圆锥型面；32、第二电极；400、火焰筒；500、支撑肋；51、埋线槽；600、机匣。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明公开了一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构，参考图2所示，作为本发明的一个实施例，所述涡流器结构连接涡轮发动机的火焰筒400和机匣600，用于执行对所述涡轮发动机火焰筒400的点火操作，所述涡流器结构包括：涡流器主体200、喷嘴100和点火装置。所述涡流器主体200设置于所述火焰筒400的进气端，且所述火焰筒400进气端通过所述涡流器主体与机匣600连通。所述喷嘴100设置于所述涡流器主体200的末端，用于向所述火焰筒400供给燃油。所述点火装置，设置于所述涡流器主体200中，用于执行所述火焰筒400的点火操作。
本发明对传统的涡轮发动机涡流器中设置在火焰筒400主燃区的点火装置重新设计，将点火装置安装到涡流器主体200位置，从而避免点火装置直接布置在主燃区，减少点火装置对主燃区流场的影响，减轻电嘴的烧蚀。
参考图2所示，在本发明的一个实施例中，所述涡流器主体200包括进气座22和连接座21，所述进气座22通过所述连接座21固定连接所述火焰筒400，所述进气座22的末端连接所述喷嘴100，所述进气座22和连接座21的连接处设有气流通道26。其中，所述进气座22和连接座21为回转体结构，连接座21为法兰结构，一侧固定安装在所述火焰筒400的进气端，另外一侧的第一法兰板对应所述进气座22的第二法兰板设置，所述第一法兰板和第二法兰板固定连接，且连接面周向设置多组弧形结构的气流通道26，所述气流通道26朝向火焰筒400的一侧垂直于所述火焰筒400的进气端。当然，为了满足使用过程的绝缘性要求，涡流器主体200的结构也可以通过3D陶瓷打印一体成型。
参考图3所示，所述进气座22的第二法兰板周向均匀设置有若干矩形槽口。方便借助工具配合矩形槽口，对涡流器主体200进行拆除或安装。
参考图2所示，作为本发明的一个实施例，所述进气座22为锥体结构，且锥体内部设有喇叭状内腔，所述喇叭状内腔的腔壁为尾部到首部渐扩的圆弧型面23。所述点火装置包括内置锥体300，且所述内置锥体300通过锥体尾部设置的多组支撑肋500固定连接所述喇叭状内腔的腔壁。所述内置锥体300的外侧设有圆锥型面31。所述内置锥体300的末端端面设为球形面，避免对混合气流的进气过程产生干扰。当然，也可以为平面或其他结构的端面，本实施例对所述内置锥体300的末端端面的具体构型不做限制，满足使用要求即可。
进一步的，所述喇叭状内腔内部设有混合流道，所述混合流道包括由圆锥型面31与圆弧型面23构成的截面为渐扩的“八”字型通道。常规设置的涡流器无法设置电极，且常规设置的电嘴设置在火焰筒400，点火过程或燃烧过程会影响火焰筒400的内部流场。本发明公开了一种带有“八”字型通道的涡流器主体200，同时在“八”字型通道的中心设置内置锥体300，“八”字型通道可以保证在加入所述内置锥体300后，混合流道内的气体流场不会发生实质改变。另外，在内置锥体300和“八”字型通道的内壁上分别放置第一电极27和第二电极32。第一电极27和第二电极32分别连接电源的正负极。在对电极施加一定电压时，第一电极27和第二电极32相互作用击穿空气，从而形成电弧。
再进一步的，放电时，电弧在通道最窄处产生。随着气流的推动，电弧向外滑动，涡流器主体200的“八”字型通道结构可以让通道内形成光滑连续电弧，同时可以避免电极和火焰筒等结构放电。“八”字型通道能够在喷嘴100的燃油喷射过程中，与混合流道中的助燃气体进行充分混合，同时，“八”字型通道也会逐步扩大燃油与助燃气体的输入面，使得喷射出的混合物能够尽可能多的射入火焰筒400中，进行充分燃烧。
在本发明的一个实施例中，参考图2所示，所述点火装置还包括电嘴；所述电嘴包括第一电极27和第二电极32，所述第一电极27和第二电极32分别安装在所述涡流器主体200和内置锥体300上，第一电极27和第二电极32的电极输入端通过电极线分别与电源的正负极相连。其中，所述第一电极27可以为阳极，第二电极32的极性对应为阴极，此时第一电极27的电极线引出接到电源的正极，第二电极32的电极线引出接到电源的负极，通过电源的电极输出电流，在所述第一电极27和第二电极32之间形成放电通道，点燃通过放电通道的雾化状态的燃油，从而完成点火操作。当然，本实施例中第一电极27也可以为阴极，对应的所述第二电极32为阳极，此时第一电极27和第二电极32通过电极线分别与电源的负极和正极相连，同样可以在第一电极27和第二电极32之间形成放电通道，以完成点火操作。本实施对第一电极27和第二电极32的对应极性不做限制，能够配合在第一电极27和第二电极32之间形成放电通道即可。
在本发明的一个实施例中，第一电极27和第二电极32均为轴向螺旋电极，是由电极线按照一定方向绕成多圈组成。轴向螺旋电极在使用时，可以增强放电效果，实现高压放电，产生电弧。参考图3所示，所述内置锥体300的外表面和所述圆弧型面23的表面对应电极位置设有螺纹槽，便于对所述第一电极27和第二电极32进行安装，螺纹槽结构可以在加工阶段进行预设，同时也便于加工，在对轴向螺旋电极进行安装时相对于常规固定安装方式更加便于对电极进行布置，提高装配效率，有利于放电过程。
参考图4所示，所述内置锥体300的尾部沿周向分布有多个支撑肋500，并通过所述多个支撑肋500固定连接进气座22的内壁，且所述内置锥体300的锥体头部朝向所述火焰筒400的方向。其中，所述支撑肋500的内部对应设有埋线槽51，在对点火装置进行安装时，所述第一电极27和第二电极32中设置在所述内置锥体300上的电极对应的电极线敷设在所述埋线槽51中，穿过所述埋线槽51引向电源的正负极。布置埋线槽51的目的是保护穿过其中的电极线，避免电极线在火焰筒400点火或者正常工作时被烧蚀，同时也为了减少电极线对火焰筒400流场的影响。
本发明实施例中所述埋线槽51的截面为半圆形结构，方便穿过电极线，当然，所述埋线槽51的截面也可以为圆形或其他异形结构，可以降低电极线在埋线槽51中发生磨损的概率。本实施例对埋线槽51的具体构型不做限制，满足使用要求即可。另外，进一步考虑到电极线的使用环境，电极线在穿过所述埋线槽51之前可以在电极线的外侧包覆耐高温套管，减小外部的高温环境对电极线的老化效果，延长电极线的使用寿命。此时所述埋线槽51的截面尺寸可以根据使用需要进行选择，在埋线槽51中预留一定的空间间隙，一方面方便进行电极线的敷设及后续维护，另外一方面间隙的存在可以降低电极线与埋线槽51内壁的磨损率，降低点火装置的故障率。
参考图3所示，所述进气座22的外壳上周向分布有若干电极线引出孔24。在对电极线进行敷设时，电极线从进气座22的腔体内部的电极上引出，经埋线槽51穿出后，从电极线引出孔24中穿出进气座22，进入机匣600中。
在本实施例中，所述混合流道对应的涡流器主体200的外壳上设有多组进气孔25，所述进气孔25为带有旋转角度的贯穿孔，用于向所述混合流道输送旋转气流。旋转气流可以带动点火装置点火过程产生的电弧向前推进，执行点火操作。所述进气孔25配合上述气流通道26向涡流器主体200的内腔中输送空气，便于空气与雾化喷射的燃油进行充分掺混。在点火装置进行点火作业时，进气孔25处通入的旋转气流会推动电极之间产生的电弧向火焰筒400移动，形成旋转滑动电弧，对掺混的燃油进行点燃。
参考图2所示，倾斜设置的带有一定角度的进气孔25末端内壁上设有椭圆形孔，所述进气孔25末端的进气座22内壁上设有螺纹槽。
点火装置点火时，速度较高的气体通过电极之间的放电通道，第一电极27和第二电极32通电，两个轴向电极在放电通道最窄处径向击穿空气产生电弧，之后由于旋转气流的推动作用，电弧也跟着吹入的气体一起运动形成拉长的电弧，电弧随着旋转气流的作用被越拉越长，直到电弧长度达到所供给的电能无法支撑的时，电弧被拉断，此时新的电弧在间隙最窄处生成，再继续之前的过程，就这样循环不断产生旋转滑动弧放电。当喷嘴100喷射出来的燃油经过放电区域时被点燃，点燃的高温燃气向火焰筒400传播，从而完成整个点火过程。
本发明公开了一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构，所述涡流器结构去除了常规火焰筒400筒体上的电嘴结构，避免电嘴对火焰筒400以及外环的二股通道气流产生影响，本发明常规的涡流器改进为带有“八”字型通道的涡流器主体200，同时在“八”字型通道的中心设置内置锥体300，在内置锥体300和“八”字型通道的内壁上分别放置第一电极27和第二电极32。本方案采用的是第一电极27和第二电极32之间放电，产生电弧的方式进行点火，在低温低压等特殊环境中，电源仍然可以产生足够的电压，将空气和雾化燃油进行电离形成大量等离子体，等离子体有很高的的物理和化学活性，有利于点火；而且，点火过程中，电源可以一直不关闭，电弧一直持续产生，持续对通入燃烧区400的掺混燃油进行点火，从而增加点火过程的可靠性，可以有效避免常规点火电嘴被低温气流吹灭的弊端。
进一步的，相较于常规设置的电嘴点火装置，其中电嘴点火装置设置在燃烧区400中，本发明设置的点火装置距离喷嘴100更近，燃油在经过点火和点火装置是能够快速引燃，有效缩短点火时间。另外，相比于常规设置的电嘴点火装置，本发明设置的点火装置电极两端施加的电压大小可调，相同条件下，可以增大电极的施加电压，从而使得电极对附近的空气和燃油分子电离出更多的等离子体，即使得本发明点火装置需要的最低油量相较于常规设置更少，拓宽了点火和熄火边界。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构，用于连接火焰筒(400)和机匣(600)，其特征在于，所述涡流器结构包括：
涡流器主体(200)，设置于所述火焰筒(400)的进气端，且所述火焰筒(400)的进气端通过所述涡流器主体(200)与机匣(600)连通；
喷嘴(100)，设置于所述涡流器主体(200)的末端，用于向所述火焰筒(400)供给燃油；
点火装置，设置于所述涡流器主体(200)中，用于执行所述火焰筒(400)的点火操作；
所述涡流器主体(200)包括进气座(22)和连接座(21)；
所述进气座(22)通过所述连接座(21)固定连接所述火焰筒(400)，所述进气座(22)的末端连接所述喷嘴(100)；
所述进气座(22)为锥体结构，且锥体内部设有喇叭状内腔，所述喇叭状内腔的腔壁为尾部到首部渐扩的圆弧型面(23)；
所述点火装置包括内置锥体(300)；
所述点火装置还包括电嘴；
所述电嘴包括第一电极(27)和第二电极(32)，所述第一电极(27)和第二电极(32)分别安装在所述涡流器主体(200)和内置锥体(300)上。
2.根据权利要求1所述的涡流器结构，其特征在于，所述进气座(22)和连接座(21)的连接处设有气流通道(26)。
3.根据权利要求1所述的涡流器结构，其特征在于，所述内置锥体(300)通过锥体尾部设置的多组支撑肋(500)固定连接所述喇叭状内腔的腔壁。
4.根据权利要求1所述的涡流器结构，其特征在于，所述内置锥体(300)的外侧设有圆锥型面(31)。
5.根据权利要求1所述的涡流器结构，其特征在于，所述喇叭状内腔内部设有混合流道，所述混合流道包括由圆锥型面(31)与圆弧型面(23)构成的截面为渐扩的“八”字型通道。
6.根据权利要求1所述的涡流器结构，其特征在于，所述第一电极(27)和第二电极(32)的电极输入端通过电极线分别与电源的正负极相连。
7.根据权利要求5所述的涡流器结构，其特征在于，所述混合流道对应的涡流器主体(200)的外壳上设有多组进气孔(25)和电极线引出孔(24)。
8.根据权利要求7所述的涡流器结构，其特征在于，所述进气孔(25)为带有旋转角度的贯穿孔，用于向所述混合流道输送旋转气流。
9.根据权利要求3所述的涡流器结构，其特征在于，所述支撑肋(500)内部预设有埋线槽(51)，用于敷设所述第一电极(27)和第二电极(32)的电极线，并将所述电极线从所述电极线引出孔(24)引出。
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