CN114646076A - 一种可调旋流组件和多级旋流器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种可调旋流组件和多级旋流器，其中，可调旋流组件，包括：第一机匣；与所述第一机匣同轴设置，且套设于所述第一机匣的周向外侧的驱动环；以及，沿所述第一机匣的周向间隔设置的多个可伸缩的叶片组件；其中，每个所述叶片组件的一端与所述第一机匣连接，另一端与所述驱动环连接；当所述驱动环与所述第一机匣发生相对转动时，带动所述叶片组件发生偏转。本公开的多级旋流器，具有可调旋流组件，能够针对燃烧室不同工况条件，改变叶片组件的偏转角度，匹配合适的旋流流场，达到同时改善燃烧室点熄火性能和燃烧室壁面热防护效果的目的。

Description

一种可调旋流组件和多级旋流器

技术领域

本公开涉及动力系统领域，尤其涉及一种可调旋流组件和多级旋流器。

背景技术

随着航空发动机技术的进步，发动机燃烧室逐渐朝着高温升、低排放、高寿命的方向发展，对燃烧室点熄火性能和壁面热防护的要求也越来越高。燃烧室旋流器通过将非旋流空腔转换为旋流空腔，以提高燃烧室的燃烧性能。

旋流器产生的旋流流场主要有贴壁流场和锥形流场两种流动形态，当旋流流场为锥形流场时，流动和燃烧主要发生在远离壁面的中心区域，有利于壁面热防护，但由于锥形流场的张角较小，燃油扩散受到一定限制，点熄火性能较差；当旋流流场为贴片流场时，能够改善点熄火性能，但燃烧更加靠近壁面，壁面温度过高，不利于壁面热防护。

发明内容

本公开提供一种可调旋流组件和多级旋流器，能够针对燃烧室的不同工况条件，改变叶片组件的偏转角度，匹配合适的旋流流场，达到同时改善燃烧室点熄火性能和燃烧室壁面热防护效果的目的。

第一方面，本公开提供一种可调旋流组件，包括：

第一机匣；

与所述第一机匣同轴设置，且套设于所述第一机匣的周向外侧的驱动环；以及，

沿所述第一机匣的周向间隔设置的多个可伸缩的叶片组件；

其中，每个所述叶片组件的一端与所述第一机匣连接，另一端与所述驱动环连接；当所述驱动环与所述第一机匣发生相对转动时，带动所述叶片组件发生偏转。

在一种实施方式中，所述叶片组件包括第一转轴、第二转轴和可伸缩的叶片本体；

所述叶片本体包括第一连接部和第二连接部，所述第一连接部与所述第二连接部在所述叶片本体的长度方向滑动连接；

所述第一连接部通过所述第一转轴与所述第一机匣转动连接，所述第二连接部通过所述第二转轴与所述驱动环转动连接。

在一种实施方式中，所述第一连接部设置有滑动槽，所述第二连接部的至少部分结构嵌套于所述第一连接部的滑动槽内。

在一种实施方式中，所述第二连接部的外表面开设有沿所述第二连接部长度方向延伸的凹槽，和/或，

所述第一连接部设置有与所述滑动槽连通的通气孔。

在一种实施方式中，所述可调旋流组件还包括驱动装置，所述驱动装置与所述驱动环传动连接，用于驱动所述驱动环转动；

所述驱动环为具有外齿轮的第一齿轮环；所述驱动装置包括电机、控制齿轮和具有内齿轮的第二齿轮环；

所述电机与所述控制齿轮传动连接，所述控制齿轮与所述第二齿轮环啮合传动连接；所述第一齿轮环与所述第二齿轮环啮合传动连接。

在一种实施方式中，所述第一齿轮环具有凸出所述第一齿轮环外周面的凸环，所述第二齿轮环的内周面具有沿所述第二齿轮环的周向延伸的凹环，所述凸环和所述凹环相适配。

在一种实施方式中，所述第一机匣上设有用于支承所述驱动环的环轴，所述环轴具有凸出所述环轴外周面的外凸边；所述驱动环具有凸出所述驱动环内周面的内凸边；

所述叶片组件的所述第一连接部可转动地连接于所述环轴的轴端面，所述叶片组件与所述外凸边之间具有间隔，所述驱动环的内凸边卡接于所述叶片组件与所述外凸边之间。

第二方面，本公开提供一种多级旋流器，包括内旋流机构和外旋流组件，所述外旋流组件套设于所述内旋流机构的外侧；所述外旋流组件为上述的可调旋流组件。

在一种实施方式中，所述内旋流机构包括N个内旋流组件，第n个所述内旋流组件套设于第n-1个所述内旋流组件的外侧，N≥1，2≤n≤N；

至少一个所述内旋流组件为如权利要求1～4任一项所述的可调旋流组件，或

至少一个所述内旋流组件为固定旋流组件。

在一种实施方式中，当所述内旋流机构包括固定旋流组件时，所述固定旋流组件包括第二机匣，所述第二机匣内具有沿所述第二机匣轴向贯通的气流通道；

所述气流通道内具有旋流叶片，所述旋流叶片为径向旋流叶片和轴向旋流叶片中的一种；和/或，所述第二机匣的侧壁具有斜向贯穿所述第二机匣的斜切流道，所述斜切流道连通所述第二机匣外部和所述气流通道，所述斜切流道具有位于所述第二机匣外壁面的斜切流道进气口和位于所述第二机匣内壁面的斜切流道出气口，所述斜切流道进气口相较于所述斜切流道出气口更加靠近所述气流通道的进气口。

与现有技术相比，本公开的可调旋流组件包括第一机匣、可转动的驱动环和数个叶片组件，当驱动环转动时，带动叶片组件转动，实现叶片的角度调节。当燃烧室处于点熄火工况时，可以通过转动驱动环使外旋流组件的叶片组件的偏转角度变大，使旋流气流的张角变大，形成贴壁流场，有利于燃油扩散和油气混合，改善点熄火性能。当燃烧室处于稳定燃烧的巡航工况时，可以通过转动驱动环使外旋流组件的叶片组件的偏转角度变小，使旋流气流的张角变小，形成锥形流场，以使气体流动和燃烧主要发生在燃烧室中远离燃烧室壁面的中心区域，提高燃烧室壁面的热防护，保护燃烧室壁面。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1示出了本公开实施例的多级旋流器的结构示意图；

图2示出了本公开实施例的多级旋流器的剖视结构示意图；

图3示出了图2中A-A截面的左视结构示意图；

图4示出了本公开实施例的叶片组件向左大角度偏转时的结构示意图；

图5示出了本公开实施例的叶片组件向左小角度偏转时的结构示意图；

图6示出了本公开实施例的叶片组件向右偏转时的结构示意图；

图7示出了本公开实施例的叶片组件角度调节范围原理示意图；

图8示出了本公开实施例的第一连接部的透视结构示意图；

图9示出了本公开实施例的第一连接部的剖视结构示意图；

图10示出了本公开实施例的第二连接部的结构示意图；

图11示出了本公开实施例的第二连接部的剖视结构示意图；

图12示出了本公开实施例的驱动装置的逻辑原理示意图；

图13示出了本公开实施例的驱动环与第二齿轮环啮合的结构示意图；

图14示出了本公开实施例的多级燃烧器的应用结构示意图；

图15示出了本公开实施例的驱动环与第二齿轮环啮合的截面结构示意图；

图16示出了本公开实施例的驱动环与环轴连接的截面结构示意图。

图中：

多级旋流器100；外旋流组件110；第一机匣111；驱动环112；叶片组件113；内旋流机构120；驱动装置130；电机131；控制齿轮132；第二齿轮环133；环轴1111；凸环1121；内凸边1122；第一转轴1131；第二转轴1132；叶片本体1133；第二机匣1201；气流通道1202；斜切流道1203；凹环1331；外凸边11111；第一连接部11331；第二连接部11332；滑动槽11333；凹槽11334。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、部件或机构行区分，并非用于限定这些装置、部件或机构的顺序或者相互依存关系。

参照图1-图7，本公开实施例提供一种多级旋流器100，包括内旋流机构120和外旋流组件110，外旋流组件110套设于内旋流机构120的外侧；外旋流组件110为可调旋流组件；可调旋流组件包括第一机匣111、可转动的驱动环112和数个叶片组件113；驱动环112套设于第一机匣111的外侧，驱动环112的轴心线与第一机匣111的轴心线相同；数个叶片组件113沿第一机匣111的周向间隔分布，每个叶片组件113的一端与第一机匣111连接，另一端与驱动环112连接；当驱动环112与第一机匣111发生相对转动时，带动叶片组件113发生偏转。

参照图1-图7，每个叶片组件113均具有第一连接部11331和第二连接部11332，每个第一连接部11331均可转动地连接于第一机匣111的外侧；每个第二连接部11332均可转动地连接于驱动环112上；当驱动环112转动时，带动叶片组件113转动。

基于上述结构，由于外旋流组件110为可调旋流组件；当外旋流组件110的驱动环112转动时，带动叶片组件113转动，实现叶片组件113的角度调节，使得多级旋流器100的下游流场在贴壁流场和锥形流场之间的自由转换，能够针对燃烧器的不同工况条件，通过改变叶片组件113的偏转角度，匹配合适的旋流流场。例如：

当燃烧室处于点熄火工况时，可以通过转动驱动环112使外旋流组件110的叶片组件113偏转角度偏大，使旋流气流的张角变大，形成贴壁流场，有利于燃油扩散和油气混合，改善点熄火性能。

当燃烧室处于稳定燃烧的巡航工况时，可以通过转动驱动环112使外旋流组件110的叶片组件113偏转角度偏小，使旋流气流的张角变小，形成锥形流场，以使气体流动和燃烧主要发生在燃烧室中远离燃烧室壁面的中心区域，提高燃烧室壁面的热防护，保护燃烧室壁面。

参照图1-图7，上述内旋流机构120包括N个内旋流组件，第n个内旋流组件套设于第n-1个内旋流组件的外侧，N≥1，2≤n≤N；N个内旋旋流组件和上述的外旋流组件110构成了N+1级旋流器，示例性的，当内旋流机构120包括一个内旋流组件时，则该多级旋流器100为由主要一个内旋流组件和一个外旋流组件110构成的两级旋流器。

在一种示例中，内旋流机构120的N个内旋流组件中，至少一个内旋流组件为上述可调旋流组件，以使多级旋流器100产生的下游流场的张角能够具有更大的调节范围；示例性的，可以使全部或多个内旋流组件为可调旋流组件，每一个可调旋流组件可通过各自相应的驱动环112对叶片偏转角度进行灵活调整，以配置最优的控制策略，实现动态调控旋流器产生的下游旋流流场，实时满足不同发动机燃烧室在不同工况条件匣对旋流流场的要求。

在另一种示例中，内旋流机构120的N个内旋流组件中，至少一个内旋流组件为固定旋流组件。当内旋流机构120包括固定旋流组件时，固定旋流组件用于将非旋流流体转变为旋流流体，实现内旋流机构120中心流体的旋流流动，固定旋流组件包括第二机匣1201，第二机匣1201内具有沿第二机匣1201轴向贯通的气流通道1202；为了使固定旋流组件将非旋流流体转变为旋流流体，至少包括以下两种方法：

一、在气流通道1202内安装旋流叶片，旋流叶片可以是径向旋流叶片或轴向旋流叶片，也可以是其他能够产生旋流流体的旋流叶片；

二、可以在第二机匣1201的侧壁开设斜向贯穿第二机匣1201的斜切流道1203，斜切流道1203连通第二机匣1201外部和气流通道1202，斜切流道1203具有位于第二机匣1201外壁面的斜切流道1203进气口和位于第二机匣1201内壁面的斜切流道1203出气口，斜切流道1203进气口相较于斜切流道1203出气口更加靠近气流通道1202的进气口。

在一种示例中，可调旋流组件采用径向旋流方式进气，可调旋流组件的叶片组件113为径向旋流叶片组件113，用于使非旋流流体转变成径向旋流流体。

参照图1-图11，叶片组件113包括第一转轴1131、第二转轴1132和可伸缩的叶片本体1133；其中叶片本体1133主要由第一连接部11331和第二连接部11332组成，第一连接部11331与第二连接部11332在所述叶片本体1133的长度方向滑动连接；第一连接部11331通过第一转轴1131与所述第一机匣111转动连接，第二连接部11332通过第二转轴1132与所述驱动环112转动连接。第一连接部11331设置有滑动槽11333，第二连接部11332的至少部分结构嵌套于第一连接部11331的滑动槽11333内。

参照图1-图11，驱动环112在第一机匣111上沿第一机匣111周向转动，可以正转，也可以反转。由于叶片本体1133的第一连接部11331通过第一转轴1131可转动地连接于第一机匣111外侧，而叶片本体1133的第二连接部11332通过第二转轴1132可转动地连接于驱动环112上，因此，当驱动环112转动时，叶片本体1133的第一连接部11331与第一转轴1131连接的部位的周向位置相对不变；而叶片本体1133的叶第二连接部11332与第二转轴1132连接的位置的周向位置会跟随驱动环112转动而移动，从而带动叶片本体1133偏转，使得叶片本体1133的偏转角度变大或变小。叶片本体1133偏转时，由于叶片本体1133的第一连接部11331和第二连接部11332相对滑动，使得叶片本体1133伸缩。

其中，叶片本体1133偏转最大角度α与驱动环112的半径R与第一机匣111的半径r相关。叶片本体1133的最小长度为R-r，叶片本体1133的最大长度为2(R-r)，因此，当R≥5/3*r时，叶片本体1133可调角度最大为±π/2rad，当R＜5/3*r时，可调角度最大为±(π-arccos((3R-5r)/4r))rad，即：

其中α为逆时针和顺时针理论可调最大角度，单位rad为弧度。

在一种示例中，参照图1-图11，第二连接部11332的外表面开设有沿第二连接部11332长度方向延伸的凹槽11334，和/或第一连接部11331设置有与滑动槽11333连通的通气孔。由于第二连接部11332部分结构嵌套于第一连接部11331的滑动槽11333内，滑动槽11333内会形成相对密闭的空间，当第一连接部11331与第二连接部11332沿叶片本体1133长度方向相对运动时，滑动槽11333内的空气会随着第一连接部11331与第二连接部11332的相向运动而被压缩，压缩后的空气的密度变大，将会对第一连接部11331和第二连接部11332之间的相向滑动造成一定的阻力。上述结构通过在第二连接部11332的外表面开设沿叶片本体1133长度方向延伸的凹槽11334，或在第一连接部11331上设置与滑动槽11333连通的通气孔，使滑动槽11333与叶片本体1133外部的空间相互连通，气流能够相互流动，从而减小第一连接部11331与第二连接部11332之间的相对运动的空气阻力。

在一种示例中，参照图1-图14，可调旋流组件还包括驱动装置130，驱动装置130与驱动环112传动连接，用于驱动驱动环112转动；驱动环112为具有外齿轮的第一齿轮环；驱动装置130包括电机131、控制齿轮132和具有内齿轮的第二齿轮环133；电机131与控制齿轮132传动连接，控制齿轮132与第二齿轮环133啮合传动连接；第一齿轮环(驱动环112)与第二齿轮环133啮合传动连接。上述结构中，通过第二齿轮环133带动驱动环112转动，进而带动可调旋流组件的叶片组件113偏转，当燃烧器具有多个旋流器时，可以使多个旋流器沿第二齿轮环133的周向间隔分布，从而利用一个第二齿轮环133即可同时驱动多个燃烧器的第一齿轮环转动，实现多个燃烧器的叶片组件113同步偏转控制。

参照图1、图3和图15，上述第一齿轮环具有凸出第一齿轮环外周面的凸环1121，第二齿轮环133的内周面具有沿第二齿轮环133的周向延伸的凹环1331，凸环1121和凹环1331相适配，旋流器组装完成后，第一齿轮环的凸环1121插入到第二齿轮环133的凹环1331中，防止第一齿轮环和第二齿轮环133发生径向偏移，甚至脱落的风险。

在一种示例中，参照图1、图3和图16，第一机匣111上设有用于支承驱动环112的环轴1111，环轴1111具有凸出环轴1111外周面的外凸边11111；驱动环112具有凸出驱动环112内周面的内凸边1122；叶片组件113的第一连接部11331可转动地连接于环轴1111的轴端面，叶片组件113与外凸边11111之间具有间隔，驱动环112的内凸边1122卡接于叶片组件113与外凸边11111之间，基于上述结构，由于驱动环112的内凸边1122卡接于叶片组件113与外凸边11111之间，实现驱动环112在径向上的相对固定，防止驱动环112在运动过程中发生径向偏移的风险。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种可调旋流组件，其特征在于，包括：

第一机匣；

与所述第一机匣同轴设置，且套设于所述第一机匣的周向外侧的驱动环；以及，

沿所述第一机匣的周向间隔设置的多个可伸缩的叶片组件；

其中，每个所述叶片组件的一端与所述第一机匣连接，另一端与所述驱动环连接；当所述驱动环与所述第一机匣发生相对转动时，带动所述叶片组件发生偏转。

2.如权利要求1所述的可调旋流组件，其特征在于，所述叶片组件包括第一转轴、第二转轴和可伸缩的叶片本体；

所述叶片本体包括第一连接部和第二连接部，所述第一连接部与所述第二连接部在所述叶片本体的长度方向滑动连接；

所述第一连接部通过所述第一转轴与所述第一机匣转动连接，所述第二连接部通过所述第二转轴与所述驱动环转动连接。

3.如权利要求2所述的可调旋流组件，其特征在于，所述第一连接部设置有滑动槽，所述第二连接部的至少部分结构嵌套于所述第一连接部的滑动槽内。

4.如权利要求3所述的可调旋流组件，其特征在于，所述第二连接部的外表面开设有沿所述第二连接部长度方向延伸的凹槽，和/或，

所述第一连接部设置有与所述滑动槽连通的通气孔。

5.如权利要求1所述的可调旋流组件，其特征在于，所述可调旋流组件还包括驱动装置，所述驱动装置与所述驱动环传动连接，用于驱动所述驱动环转动；

所述驱动环为具有外齿轮的第一齿轮环；所述驱动装置包括电机、控制齿轮和具有内齿轮的第二齿轮环；

所述电机与所述控制齿轮传动连接，所述控制齿轮与所述第二齿轮环啮合传动连接；所述第一齿轮环与所述第二齿轮环啮合传动连接。

6.如权利要求5所述的可调旋流组件，其特征在于，所述第一齿轮环具有凸出所述第一齿轮环外周面的凸环，所述第二齿轮环的内周面具有沿所述第二齿轮环的周向延伸的凹环，所述凸环和所述凹环相适配。

7.如权利要求2所述的可调旋流组件，其特征在于，所述第一机匣上设有用于支承所述驱动环的环轴，所述环轴具有凸出所述环轴外周面的外凸边；所述驱动环具有凸出所述驱动环内周面的内凸边；

所述叶片组件的所述第一连接部可转动地连接于所述环轴的轴端面，所述叶片组件与所述外凸边之间具有间隔，所述驱动环的内凸边卡接于所述叶片组件与所述外凸边之间。

8.一种多级旋流器，其特征在于，包括内旋流机构和外旋流组件，所述外旋流组件套设于所述内旋流机构的外侧；所述外旋流组件为如权利要求1～7任一项所述的可调旋流组件可调旋流组件。

9.如权利要求8所述的一种多级旋流器，其特征在于，所述内旋流机构包括N个内旋流组件，第n个所述内旋流组件套设于第n-1个所述内旋流组件的外侧，N≥1，2≤n≤N；

至少一个所述内旋流组件为可调旋流组件如权利要求1～4任一项所述的可调旋流组件，或

至少一个所述内旋流组件为固定旋流组件。

10.如权利要求9所述的多级旋流器，其特征在于，当所述内旋流机构包括固定旋流组件时，所述固定旋流组件包括第二机匣，所述第二机匣内具有沿所述第二机匣轴向贯通的气流通道；

所述气流通道内具有旋流叶片，所述旋流叶片为径向旋流叶片和轴向旋流叶片中的一种；和/或，所述第二机匣的侧壁具有斜向贯穿所述第二机匣的斜切流道，所述斜切流道连通所述第二机匣外部和所述气流通道，所述斜切流道具有位于所述第二机匣外壁面的斜切流道进气口和位于所述第二机匣内壁面的斜切流道出气口，所述斜切流道进气口相较于所述斜切流道出气口更加靠近所述气流通道的进气口。

Images