CN113834096B - 一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室及其排砂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室及其排砂方法，设有砂尘收集装置的回流燃烧室包括燃烧室机匣、火焰筒、燃油喷嘴，燃油喷嘴设置在燃烧室机匣上且燃油喷嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室机匣与火焰筒之间设置单环腔，单环腔设有进气口，回流燃烧室还包括砂尘收集装置，砂尘收集装置设置在燃烧室机匣上且位于单环腔内；砂尘收集装置包括砂尘收集盒、泄砂座及泄砂座堵头；其中，砂尘收集盒上设置砂尘收集孔，泄砂座设置在砂尘收集盒上，泄砂座堵头设置在泄砂座上。本发明可有效收集回流燃烧室中的砂尘，减少砂尘堵塞火焰筒上冷却孔的发生，同时，不影响涡轴发动机的正常使用，操作简单方便。

Description

一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室及其排砂方法
技术领域
本发明涉及发动机回流燃烧室领域，具体涉及一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室及其排砂方法。
背景技术
直升飞机飞行高度不高，飞行空域条件复杂，在起降或低空飞行时，受旋翼的影响，地面颗粒被大量吹起并悬浮于空气中，使发动机处于砂尘包围中，砂尘易被发动机吸入，造成发动机内部流道磨损，引起其性能恶化、寿命衰减、甚至影响飞行安全。为了减轻砂尘对航空发动机的影响，长期在砂尘环境下工作的航空发动机往往配备有粒子分离器。但粒子分离器无法完全将进气环境中的砂尘去除，部分砂尘会经压气机进入燃烧室中，这部分砂尘一方面会堵塞燃烧室中的冷却孔，导致火焰筒冷却困难，出现火焰筒烧蚀和裂纹，另一方面，流经燃烧室的砂尘还会进入涡轮，导致涡轮冷却孔堵塞并引起涡轮叶片烧蚀。因此，需要采取技术措施尽量减少砂尘进入燃烧室火焰筒的概率，缓解砂尘对燃烧室及涡轮的影响。
目前直升飞机普遍采用中小型涡轴发动机，中小型涡轴发动机常采用离心压气机匹配回流燃烧室。为了应对砂尘环境，涡轴发动机主要采取的技术措施有以下几种：1)在发动机的进气道中安装粒子分离器，利用粒子分离器的分离作用，减少砂尘由进气道进入发动机；2)在发动机进气道前安装防尘网，主要是避免大颗粒砂尘击伤发动机叶片；3)限制发动机在砂尘环境中的使用时间。
现有的技术方案主要是针对发动机层面进行的防砂尘设计，如采用粒子分离器和防尘网等，无法有效减少经压气机已经进入回流燃烧室和燃气涡轮的砂尘数量，在回流燃烧室设计中缺少收集砂尘的装置和方法，无法减缓砂尘对火焰筒上冷却孔以及涡轮叶片的堵塞。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的之一在于：提供一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，包括燃烧室机匣、火焰筒、燃油喷嘴，所述的燃油喷嘴设置在燃烧室机匣上且燃油喷嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室机匣与火焰筒之间设置单环腔，所述的单环腔设有进气口；
所述的回流燃烧室还包括砂尘收集装置，所述的砂尘收集装置设置在燃烧室机匣上且位于单环腔内；所述的砂尘收集装置包括砂尘收集盒、泄砂座及泄砂座堵头；
其中，所述的砂尘收集盒上设置砂尘收集孔，所述的泄砂座设置在砂尘收集盒上，所述的泄砂座堵头设置在泄砂座上。
优选地，所述的砂尘收集盒包括第一侧面、第二侧面和两个端面；
其中，第一侧面和第二侧面均固定在燃烧室机匣上；所述的第一侧面为砂尘收集盒正对着进气口的侧面；第一侧面上设置砂尘收集孔；所述的泄砂座设置在砂尘收集盒的端面处且与砂尘收集盒相连通，泄砂座上的泄砂口处设置泄砂座堵头。
优选地，所述的第一侧面与进气口处含砂尘气流进气方向之间的角度为90°～120°；第一侧面和第二侧面连接处为弧面，弧面与火焰筒的最近距离为20mm～50mm，所述的第一侧面和第二侧面的夹角为70°～120°。
优选地，所述的第一侧面上设置多个砂尘收集孔，所述砂尘收集孔设置5～10列，每列砂尘收集孔的数量为200～1000个。
优选地，所述的燃烧室机匣包括燃烧室外机匣和燃烧室内机匣，所述的火焰筒包括火焰筒外壁和火焰筒内壁，所述的火焰筒外壁包括弯管段外壁和折线段外壁，所述的火焰筒内壁包括弯管段内壁和折线段内壁；
其中，所述的折线段外壁和折线段内壁通过头部圆环连接，所述的弯管段内壁与弯管段外壁之间设置火焰筒出口；所述的弯管段外壁与燃烧室内机匣连接；所述的弯管段内壁与燃烧室外机匣之间设置出气口，所述的弯管段外壁剖面的弧长大于弯管段内壁剖面的弧长。
优选地，所述的折线段内壁上设有内环主燃孔、内环掺混孔和内环冷却孔；所述的折线段外壁上设有外环主燃孔、外环掺混孔和外环冷却孔；所述的头部圆环上设置冲击冷却孔；所述的弯管段外壁上设置第一冷却孔。
优选地，所述的折线段外壁包括类似L形外壁，所述的类似L形外壁与弯管段外壁连接，当含砂尘气体从进气口进入到单环腔内，所述的类似L形外壁与弯管段外壁连接处形成回流涡。
优选地，所述的类似L形外壁包括第一直线段外壁和第二直线段外壁；
其中，第一直线段外壁一端固定在弯管段外壁，另一端向火焰筒内部延伸与第二直线段外壁连接，所述的第一直线段外壁与第二直线段外壁之间的夹角为110°～140°。
优选地，所述的燃油喷嘴设置在头部圆环处，头部圆环内设置导流板。
针对上述问题，本发明的目的在于之二在于：提供一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室的排砂方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室的排砂方法，具体步骤如下：
当涡轴发动机在砂尘环境下工作时，泄砂座堵头将泄砂座堵住，由于砂尘的密度远大于高压空气，在惯性作用下，进入燃烧室中的大部分砂尘颗粒将经砂尘收集盒上的砂尘收集孔进入砂尘收集盒内；
当涡轴发动机进行清洗或冷运转时，将泄砂座堵头卸掉，砂尘收集盒内积聚的砂尘将排放出来，完成燃烧室的排砂工作。
本发明的有益效果在于：
本发明可有效收集回流燃烧室中的砂尘，减少砂尘堵塞火焰筒上冷却孔的发生，同时，不影响涡轴发动机的正常使用，操作简单方便。
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为涡轴发动机结构示意图；
图2为本发明回流燃烧室局部剖视图；
图3为燃烧室外机匣和砂尘收集装置的剖视图；
图4为回流燃烧室砂尘收集原理示意图；
图5为图1中部分结构的放大图；
图6为内环主燃孔、内环掺混孔、内环冷却孔、外环主燃孔、外环掺混孔、外环冷却孔和冲击冷却孔布置的示意图；
附图标记中：1-轴流压气机、2-离心压气机、3-回流燃烧室、4-燃气涡轮、5-燃烧室外机匣、6-燃烧室内机匣、7-折线段外壁、8-折线段内壁、9-头部圆环、10-涡流器、11-燃油喷嘴、12-导流板、13-弯管段外壁、14-弯管段内壁、15-砂尘收集盒、16-泄砂座、17-泄砂座堵头、18-砂尘收集孔、19-内环主燃孔、20-内环掺混孔、21-内环冷却孔、22-外环主燃孔、23-外环掺混孔、24-外环冷却孔、25-冲击冷却孔。
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。
为了进一步理解本发明，首先对现有技术中的涡轴发动机的结构进行如下介绍，涡轴发动机的结构示意图如图1所示：包括轴流压气机1、离心压气机2、回流燃烧室3和燃气涡轮4。发动机工作时，空气经过轴流压气机1压缩后，进入离心压气机2，高压空气再进入回流燃烧室3中与燃油燃烧，燃油燃烧后形成的高温高压燃气进入到燃气涡轮4，通过燃气涡轮4做功驱动轴流压气机1和离心压气机2。
本发明公开了一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，如图2所示：包括燃烧室机匣、火焰筒、燃油喷嘴11，所述的燃油喷嘴11设置在燃烧室机匣上且燃油喷嘴11的喷射口通过涡流器10与火焰筒连接，燃烧室机匣与火焰筒之间设置单环腔，所述的单环腔有进气口；
回流燃烧室3还包括砂尘收集装置，所述的砂尘收集装置设置在燃烧室机匣上且位于单环腔内；所述的砂尘收集装置包括砂尘收集盒15、泄砂座16及泄砂座堵头17；
其中，所述的砂尘收集盒15上设置砂尘收集孔18，所述的泄砂座16设置在砂尘收集盒15上，泄砂座堵头17设置在泄砂座16上，如图3所示。
本发明可有效收集回流燃烧室3中的砂尘，减少砂尘堵塞火焰筒上冷却孔的发生，同时，不影响涡轴发动机的正常使用，操作简单方便。
优选地，所述的砂尘收集盒15包括第一侧面、第二侧面和两个端面；
其中，第一侧面和第二侧面均固定在燃烧室机匣上；所述的第一侧面为砂尘收集盒15正对着进气口的侧面；第一侧面上设置砂尘收集孔18；所述的泄砂座16设置在砂尘收集盒15的端面处且与砂尘收集盒15相连通，泄砂座16上的泄砂口处设置泄砂座堵头17。
优选地，第一侧面与进气口处含砂尘气流进气方向之间的角度为90°～120°；第一侧面和第二侧面连接处为弧面，弧面与火焰筒的最近距离为20mm～50mm，所述的第一侧面和第二侧面的夹角为70°～120°。本发明通过控制合适的角度和距离，提高了回流燃烧室3内的砂尘的收集率，提高进入涡流器10的气流稳定性，避免气流出现贴壁效应。
优选地，根据回流燃烧室3的结构尺寸对砂尘收集孔18进行设置，在保证结构强度的前提下，保证第一侧面的开孔率不低于0.05，以使尽可能多的砂尘通过砂尘收集孔18；具体地，所述的第一侧面上设置多个砂尘收集孔18，所述砂尘收集孔18设置5～10列，每列砂尘收集孔18的数量为200～1000个，每行中砂尘收集孔18呈弧线布置。
优选地，所述的燃烧室机匣包括燃烧室外机匣5和燃烧室内机匣6，所述的火焰筒包括火焰筒外壁和火焰筒内壁，所述的火焰筒外壁包括弯管段外壁13和折线段外壁7，所述的火焰筒内壁包括弯管段内壁14和折线段内壁8；
其中，所述的折线段外壁7和折线段内壁8通过头部圆环9连接，所述的弯管段内壁14与弯管段外壁13之间设置火焰筒出口；所述的弯管段外壁13与燃烧室内机匣6连接；所述的弯管段内壁14与燃烧室外机匣5之间设置出气口，所述的弯管段外壁13剖面的弧长大于弯管段内壁14剖面的弧长；通过上述设置，可将积聚在此处的砂尘及时排除出回流燃烧室3，避免砂尘堵塞弯管段内壁14。
具体地，如图6所示：所述的折线段内壁8上设有内环主燃孔19、内环掺混孔20和内环冷却孔21；所述的折线段外壁9上设有外环主燃孔22、外环掺混孔23和外环冷却孔24；所述的头部圆环9上设置冲击冷却孔25，所述的弯管段外壁13上设置第一冷却孔。
通过上述结构可以看出：本发明的燃烧室内机匣6和燃烧室外机匣5构成了燃烧室外轮廓，并与前后的离心压气机2和燃气涡轮4连接。燃烧室外机匣5和折线段外壁7构成外环二股通道，燃烧室外机匣5、折线段内壁8和弯管段内壁14共同构成内环二股通道，燃烧室内机匣6和弯管段外壁13构成弯管段外壁13的冷却气流路。离心压气机2的高压空气经扩压器减速扩压后进入回流燃烧室3，在火焰筒外壁、火焰筒内壁、头部圆环9、所包围的空间内与燃油完成燃烧。燃油由燃油喷嘴11喷射，并经过涡流器10进行空气雾化形成油雾颗粒。
优选地，所述的折线段外壁7包括类似L形外壁，所述的类似L形外壁与弯管段外壁13连接，当含砂尘气体从进气口进入到单环腔内，所述的类似L形外壁与弯管段外壁13连接处形成回流涡。具体地，所述的类似L形外壁包括第一直线段外壁和第二直线段外壁；其中，第一直线段外壁一端固定在弯管段外壁13，另一端向火焰筒内部延伸与第二直线段外壁连接，所述的第一直线段外壁与第二直线段外壁之间的夹角为110°～140°。
通过在折线段外壁7中设置类似L形外壁，使得当含砂尘气体从进气口进入到单环腔内，所述的类似L形外壁与弯管段外壁13连接处形成回流涡。
以上设置的优点如下：
1)回流涡的好处是能够有效阻止砂尘通过，避免砂尘进入弯管段外壁13的第一冷却孔，从而形成堵塞；
2)折线段外壁7和折线段内壁8、弯管段外壁13、弯管段内壁14是火焰筒的必要结构，用于形成环形空间，用于燃油混合和燃烧；
3)折线段的结构整体是一种类似“Z形环”的冷却结构，通过在折线的部分设置冷却孔用于冷却火焰筒壁面；
4)由于本发明设置了砂尘收集装置，所以，本发明中可布置较大尺寸的冷却孔(内环冷却孔21、外环冷却孔24、冲击冷却孔25)，和发散冷却孔相比，能够减少砂尘堵塞的风险；和机加环气膜相比，能够降低加工难度，减少加工成本，同时也避免了气膜冷却结构舌片烧蚀问题。
优选地，所述的燃油喷嘴11设置在头部圆环9处，头部圆环9内设置导流板12。具体地，如图5所示：导流板12通过焊接或是螺纹连接的方式固定在头部圆环9上，涡流器10通过焊接固定在头部圆环9上或是通过螺纹连接固定在导流板12上，燃油喷嘴11通过涡流器10上的喷嘴安装孔插入到涡流器10中。
采用本发明的设有砂尘收集装置的回流燃烧室进行排砂，排砂方法的具体步骤如下：
当涡轴发动机在砂尘环境下工作时，泄砂座堵头17将泄砂座16堵住，由于砂尘的密度远大于高压空气，因此在惯性作用下，燃烧室中的大部分砂尘颗粒将经砂尘收集盒15上的砂尘收集孔18进入砂尘收集盒15内；
当涡轴发动机进行清洗或冷运转时，将泄砂座堵头17卸掉，在离心压气机2高压气流和自身重力作用下将砂尘收集盒15内积聚的砂尘将排放出来，完成燃烧室的排砂工作。
本发明的回流燃烧室3工作时的砂尘收集原理示意图如图4所示：结合图4对本发明的收集原理进行详细说明如下：
燃烧室工作时，含砂尘的高压空气进入回流燃烧室3后，大部分空气经外环二股通道流经燃烧室头部和内环二股通道，由火焰筒外壁上的外环主燃孔22、外环掺混孔23、外环冷却孔24，火焰筒内壁上的内环主燃孔19、内环掺混孔20、内环冷却孔21，头部圆环9上的冲击冷却孔25和涡流器10进入火焰筒内，形成外环主燃孔气流、外环掺混孔气流、外环冷却气流、内环主燃孔气流、内环掺混孔气流、内环冷却气流，以及头部圆环9冷却气流和涡流器10气流，并在火焰筒内与燃油混合完成燃烧，燃油燃烧后的高温燃气经弯管段外壁13和弯管段内壁14构成的排气段流出燃烧室进入燃气涡轮4。另一小部分空气经弯管段外壁13上加工的冷却孔进入火焰筒对弯管段外壁13进行冷却保护。当涡轴发动机在砂尘环境下工作时，泄砂座堵头17将泄砂座16堵住，由于砂尘的密度远大于高压空气，因此在惯性作用下，回留燃烧室中的大部分砂尘颗粒将经砂尘收集盒15前壁上的砂尘收集孔18进入砂尘收集盒15内。当涡轴发动机进行清洗或冷运转时，将泄砂座堵头17卸掉，在气流作用下砂尘收集盒15内积聚的砂尘将排放出来，完成回流燃烧室3的排砂工作。
基于以上结构和方法，可以看出，本发明至少具有如下优点：
(1)本发明采用在燃烧室外机匣5上设计砂尘收集盒15的结构，可有效收集回流燃烧室3外环二股通道中的砂尘，减少砂尘流向内环二股通道进而堵塞火焰筒内壁的内环冷却孔21；
(2)本发明通过收集回流燃烧室3中的砂尘，一方面可减少砂尘经回流燃烧室3内环二股通道进入空气系统堵塞涡轮导叶的冷却孔；另一方面可减少高温燃气中的砂尘在涡轮叶片上的黏附，减缓涡轮性能的衰减；
(3)本发明能够提高回流燃烧室3火焰筒头部的气流速度，改善火焰筒头部涡流器10的进气稳定性，进而提高回流燃烧室3性能；第一侧面和第二侧面形成的结构能够改变气流的方向，减小外环气流进入涡流器10的空间，从而提高气流速度，避免气流的贴壁效应。
(4)本发明的回流燃烧室3排砂方法不影响涡轴发动机的正常使用，操作简单方便；
(5)本发明的结构简单，加工方便。
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 (10)

1.一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，包括燃烧室机匣、火焰筒、燃油喷嘴，所述的燃油喷嘴设置在燃烧室机匣上且燃油喷嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室机匣与火焰筒之间设置单环腔，所述的单环腔设有进气口，其特征在于：
所述的回流燃烧室还包括砂尘收集装置，所述的砂尘收集装置设置在燃烧室机匣上且位于单环腔内；所述的砂尘收集装置包括砂尘收集盒、泄砂座及泄砂座堵头；
其中，所述的砂尘收集盒上设置砂尘收集孔，所述的泄砂座设置在砂尘收集盒上，所述的泄砂座堵头设置在泄砂座上。
2.根据权利要求1所述的一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，其特征在于：所述的砂尘收集盒包括第一侧面、第二侧面和两个端面；
其中，第一侧面和第二侧面均固定在燃烧室机匣上；所述的第一侧面为砂尘收集盒正对着进气口的侧面；第一侧面上设置砂尘收集孔；所述的泄砂座设置在砂尘收集盒的端面处且与砂尘收集盒相连通，泄砂座上的泄砂口处设置泄砂座堵头。
3.根据权利要求2所述的一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，其特征在于：所述的第一侧面与进气口处含砂尘气流进气方向之间的角度为90°～120°；第一侧面和第二侧面连接处为弧面，弧面与火焰筒的最近距离为20mm～50mm，所述的第一侧面和第二侧面的夹角为70°～120°。
4.根据权利要求2或3所述的一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，其特征在于：所述的第一侧面上设置多个砂尘收集孔，所述砂尘收集孔设置5～10列，每列砂尘收集孔的数量为200～1000个。
5.根据权利要求1所述的一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，其特征在于：所述的燃烧室机匣包括燃烧室外机匣和燃烧室内机匣，所述的火焰筒包括火焰筒外壁和火焰筒内壁，所述的火焰筒外壁包括弯管段外壁和折线段外壁，所述的火焰筒内壁包括弯管段内壁和折线段内壁；
其中，所述的折线段外壁和折线段内壁通过头部圆环连接，所述的弯管段内壁与弯管段外壁之间设置火焰筒出口；所述的弯管段外壁与燃烧室内机匣连接；所述的弯管段内壁与燃烧室外机匣之间设置出气口，所述的弯管段外壁剖面的弧长大于弯管段内壁剖面的弧长。
6.根据权利要求5所述的一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，其特征在于：所述的折线段内壁上设有内环主燃孔、内环掺混孔和内环冷却孔；所述的折线段外壁上设有外环主燃孔、外环掺混孔和外环冷却孔；所述的头部圆环上设置冲击冷却孔；所述的弯管段外壁上设置第一冷却孔。
7.根据权利要求5所述的一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，其特征在于：所述的折线段外壁包括类似L形外壁，所述的类似L形外壁与弯管段外壁连接，当含砂尘气体从进气口进入到单环腔内，所述的类似L形外壁与弯管段外壁连接处形成回流涡。
8.根据权利要求7所述的一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，其特征在于：所述的类似L形外壁包括第一直线段外壁和第二直线段外壁；
其中，第一直线段外壁一端固定在弯管段外壁，另一端向火焰筒内部延伸与第二直线段外壁连接，所述的第一直线段外壁与第二直线段外壁之间的夹角为110°～140°。
9.根据权利要求5所述的一种设有砂尘收集装置的回流燃烧室，其特征在于：所述的燃油喷嘴设置在头部圆环处，头部圆环内设置导流板。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的设有砂尘收集装置的回流燃烧室的排砂方法，其特征在于：具体步骤如下：
当涡轴发动机在砂尘环境下工作时，泄砂座堵头将泄砂座堵住，由于砂尘的密度远大于高压空气，在惯性作用下，进入回流燃烧室中的砂尘颗粒将经砂尘收集盒上的砂尘收集孔进入砂尘收集盒内；
当涡轴发动机进行清洗或冷运转时，将泄砂座堵头卸掉，砂尘收集盒内积聚的砂尘将排放出来，完成回流燃烧室的排砂工作。
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