CN114877371A - 一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室及其燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室及其燃烧方法，包括引气部、机匣、高能点火电嘴、旋流器、燃气进管、以及燃气喷射模块；机匣从上游至下游依次包含进气部、反应部、主燃部；进气部内设前壁进气通道，主燃部内设后壁进气通道；燃气喷射模块设置燃气进管末端，包含若干周向均匀设置在燃气进管外的喷管。本发明从前壁进气通道供入可燃气/空气的混合气，后壁进气供入空气，通过设计值班级与主燃级的结构与位置使其满足两种工作模态：当主燃级是弱旋流时，采用凹腔值班级的稳焰机制；当主燃级是强旋流时，采用主燃级大尺度旋流稳焰机制。两种模态能够拓宽火焰稳定范围，组织高效稳定的燃烧，降低污染物的排放。

Description

一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室及其燃烧方法

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域，尤其涉及一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室及其燃烧方法。

背景技术

燃烧室作为一种能源转换装置，可以将燃料的化学能通过燃烧这一化学反应转换为热能，利用热能提供动力或者实现其它各种用途。本燃烧室在旋流燃烧与驻涡燃烧两种经典燃烧组织原理的基础上发展而来。

旋流燃烧采用旋流器实现大的回流区组织燃烧，旋流燃烧方式燃烧过程稳定，对扰动的敏感性小。旋流燃烧作为经典的燃烧组织方式，广泛应用在航空发动机的燃烧室中。

凹腔驻涡燃烧是从20世纪90年代开始发展起来的一种新型燃烧组织方式。驻涡燃烧室采用了分级燃烧，包括值班级和主燃级。值班级一般由凹腔组成，通过合理组织供入凹腔的空气可以在凹腔内部形成驻定的旋涡，该旋涡由于受到凹腔保护对燃烧室工况的变化并不敏感；主燃级的油气混合物进入主燃烧区后由值班级点燃。近20年的研究工作取得了丰硕成果，验证了驻涡燃烧室的优越性能：火焰稳定性好、燃烧效率高、氮氧化物排放低等。

针对采用这两种燃烧组织方式的燃烧室，国内开展了大量的研究工作。在此研究基础上，凹腔与旋流的组合方式成为燃烧室的研究热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，包括引气部、机匣、高能点火电嘴、旋流器、燃气进管、以及燃气喷射模块；

所述机匣为圆柱体，其沿轴线从上游至下游依次包含进气部、反应部、主燃部；所述进气部、反应部、主燃部为外径相等的圆柱体，依次同轴固连，且进气部、主燃部、反应部的内径依次增大；

所述进气部内设有前壁进气通道；所述前壁进气通道为圆环状密闭腔体，其下游端和反应部内的腔体相联通，且进气部的外壁上周向设有若干用于联通前壁进气通道和外界的通孔；

所述主燃部内设有后壁进气通道；所述后壁进气通道为圆环状密闭腔体，其上游端和反应部内的腔体相联通，且主燃部的外壁上周向设有若干用于联通后壁进气通道和外界的通孔；

所述前壁进气通道的内径大于所述后壁进气通道的外径；

所述引气部和所述机匣的上游端面密闭相连，引气部内设有用于联通外界和进气部内腔体的管道；所述引气部上设有供所述燃气进管伸入进气部内的通孔；所述燃气进管一端接外界燃气，另一端密闭并伸入进气部内；燃气进管和引气部密闭固连，且燃气进管和所述进气部同轴；

所述燃气喷射模块设置在所述进气部内，包含若干周向均匀设置在燃气进管外的喷管；所述喷管为指向燃气进管轴线的空心圆柱体，外端密闭，内端和所述燃气进管联通；喷管两侧均匀设有若干喷向垂直于喷管轴线、燃气进管轴线所在平面的喷孔；

所述旋流器设置在进气部内，位于所述燃气喷射模块下游，和进气部的内壁同轴固连，用于使得从燃气喷射模块喷出的燃气和从引气部进入的空气混合后形成轴线旋流进入反应部内的腔体；

所述机匣在其上游端面上设有供所述高能点火电嘴伸入反应部内腔体的通孔；所述高能点火电嘴伸入反应部内腔体，用于点火。

作为本发明一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室进一步的优化方案，所述高能点火电嘴的放电端和所述反应部的上游端面平齐。

作为本发明一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室进一步的优化方案，所述燃气喷射模块包含4根喷管。

作为本发明一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室进一步的优化方案，所述喷管上的喷孔有6个。

作为本发明一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室进一步的优化方案，所述喷管上喷孔的孔径由内至外从小变大。

作为本发明一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室进一步的优化方案，所述喷管上喷孔的孔径相等。

作为本发明一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室进一步的优化方案，所述旋流器的叶片的安装角在40度至50度之间，叶片数量为8个，旋流数在0.6至0.8之间，叶片类型为直叶片。

本发明还公开了一种该具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室的燃烧方法，其具体步骤如下：

燃气进管接入燃气从燃气喷射模块喷出，喷出的燃气和从引气部进入的空气混合后形成轴线旋流进入反应部内；从外界朝前壁进气通道注入可燃混合气或燃气、同时从外界朝后壁进气通道注入空气，前壁进气通道、后壁进气通道中的气体进入反应部内后在反应部内腔体的外围形成凹腔值班级反应区；轴线旋流在反应部内的腔体的中心和主燃部内形成主燃级反应区；

经高能点火电嘴释放电火花点燃后，凹腔值班级反应区内形成旋涡稳定火焰结构；

凹腔值班级反应区内的燃烧后的高温燃气流出后进入主燃级反应区，与主燃级反应区的可燃混合气反应，点燃混合气；同时一部分高温燃气受到旋流器后侧低压区的吸引，流入旋流器下游的回流区，并在此建立稳定的火焰结构；

当主燃级气流流量小时，其流动是弱旋流，此时凹腔值班级反应区内的旋涡稳焰流动结构不会被主燃级的弱旋流破坏；凹腔值班级反应区内的火焰能够持续稳定的燃烧，并且持续与点燃主燃级的可燃混合气；同时主燃级的旋流气流起到强化掺混的作用；

当主燃级气流流量较大时，其流动是强旋流，此时凹腔值班级反应区内的旋涡稳焰流动结构会被主燃级的强旋流扰动；此时主燃级的强旋流会形成大尺度的回流区，火焰在此大尺度回流区内稳定燃烧；

凹腔值班级反应区与主燃级反应区燃烧过后的高温燃气，通过燃烧室出口流出燃烧室，为其它需要高温燃气流的设备与机提供高温燃气，满足其使用要求。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明采用分级分区的燃烧概念，可实现两种工作模态：

（1）当主燃级气流流量小时，其流动是弱旋流，此时凹腔值班级反应区内的旋涡稳焰流动结构不会被主燃级的弱旋流破坏；凹腔值班级反应区内的火焰能够持续稳定的燃烧，并且持续与点燃主燃级的可燃混合气；同时主燃级的旋流气流起到强化掺混的作用；

（2）当主燃级气流流量较大时，其流动是强旋流，此时凹腔值班级反应区内的旋涡稳焰流动结构会被主燃级的强旋流扰动；此时主燃级的强旋流会形成大尺度的回流区，火焰在此大尺度回流区内稳定燃烧。

本发明利用两种工作模态拓宽火焰稳定范围，组织高效稳定的燃烧，降低污染物的排放。

附图说明

图1为本发明燃烧室的整体结构图；

图2为燃气喷射系统整体图；

图3为旋流器整体结构图；

图4为本发明沿A-A的进气剖面结构及气流流动与燃烧过程示意图；

图5为本发明沿B-B的进气剖面结构及气流流动与燃烧过程示意图。

图中，1-主燃级燃气输送总管，2-进气部，3-高能点火电嘴，4-机匣，5-十字型燃气喷射杆，6-前壁进气通道，7-旋流器，8-后壁进气通道，9-凹腔值班级反应区，10-主燃级反应区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，包括引气部、机匣、高能点火电嘴、旋流器、燃气进管、以及燃气喷射模块；

所述机匣为圆柱体，其沿轴线从上游至下游依次包含进气部、反应部、主燃部；所述进气部、反应部、主燃部为外径相等的圆柱体，依次同轴固连，且进气部、主燃部、反应部的内径依次增大；

所述进气部内设有前壁进气通道；所述前壁进气通道为圆环状密闭腔体，其下游端和反应部内的腔体相联通，且进气部的外壁上周向设有若干用于联通前壁进气通道和外界的通孔；

所述主燃部内设有后壁进气通道；所述后壁进气通道为圆环状密闭腔体，其上游端和反应部内的腔体相联通，且主燃部的外壁上周向设有若干用于联通后壁进气通道和外界的通孔；

所述前壁进气通道的内径大于所述后壁进气通道的外径；

所述引气部和所述机匣的上游端面密闭相连，引气部内设有用于联通外界和进气部内腔体的管道；所述引气部上设有供所述燃气进管伸入进气部内的通孔；所述燃气进管一端接外界燃气，另一端密闭并伸入进气部内；燃气进管和引气部密闭固连，且燃气进管和所述进气部同轴；

如图2所示，所述燃气喷射模块设置在所述进气部内，包含若干周向均匀设置在燃气进管外的喷管；所述喷管为指向燃气进管轴线的空心圆柱体，外端密闭，内端和所述燃气进管联通；喷管两侧均匀设有若干喷向垂直于喷管轴线、燃气进管轴线所在平面的喷孔；

所述旋流器设置在进气部内，其结构如图3所示，位于所述燃气喷射模块下游，和进气部的内壁同轴固连，用于使得从燃气喷射模块喷出的燃气和从引气部进入的空气混合后形成轴线旋流进入反应部内的腔体；

所述机匣在其上游端面上设有供所述高能点火电嘴伸入反应部内腔体的通孔；所述高能点火电嘴伸入反应部内腔体，用于点火。

所述高能点火电嘴的放电端和所述反应部的上游端面平齐。

所述燃气喷射模块优先设置为4根喷管，每根喷管上的喷孔有6个，喷管上喷孔的孔径可以相等、也可以由内至外从小变大。

所述旋流器的叶片的安装角在40度至50度之间，叶片数量为8个，旋流数在0.6至0.8之间，叶片类型为直叶片。

本发明还公开了一种该具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室的燃烧方法，其具体步骤如下：

如图4、图5所示，燃气进管接入燃气从燃气喷射模块喷出，喷出的燃气和从引气部进入的空气混合后形成轴线旋流进入反应部内；从外界朝前壁进气通道注入可燃混合气或燃气、同时从外界朝后壁进气通道注入空气，前壁进气通道、后壁进气通道中的气体进入反应部内后在反应部内腔体的外围形成凹腔值班级反应区；轴线旋流在反应部内的腔体的中心和主燃部内形成主燃级反应区；

经高能点火电嘴释放电火花点燃后，凹腔值班级反应区内形成旋涡稳定火焰结构；

凹腔值班级反应区内的燃烧后的高温燃气流出后进入主燃级反应区，与主燃级反应区的可燃混合气反应，点燃混合气；同时一部分高温燃气受到旋流器后侧低压区的吸引，流入旋流器下游的回流区，并在此建立稳定的火焰结构；

当主燃级气流流量小时，其流动是弱旋流，此时凹腔值班级反应区内的旋涡稳焰流动结构不会被主燃级的弱旋流破坏；凹腔值班级反应区内的火焰能够持续稳定的燃烧，并且持续与点燃主燃级的可燃混合气；同时主燃级的旋流气流起到强化掺混的作用；

当主燃级气流流量较大时，其流动是强旋流，此时凹腔值班级反应区内的旋涡稳焰流动结构会被主燃级的强旋流扰动；此时主燃级的强旋流会形成大尺度的回流区，火焰在此大尺度回流区内稳定燃烧；

凹腔值班级反应区与主燃级反应区燃烧过后的高温燃气，通过燃烧室出口流出燃烧室，为其它需要高温燃气流的设备与机提供高温燃气，满足其使用要求。

本发明提供一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，从前壁进气通道供入可燃气/空气的混合气或者燃气，后壁进气供入空气，通过设计值班级与主燃级的结构与位置使其满足两种工作模态：（1）当主燃级是弱旋流时，采用凹腔值班级的稳焰机制；（2）当主燃级是强旋流时，采用主燃级大尺度旋流稳焰机制。两种模态可满足不同工况下对燃烧室燃烧稳定性的要求，使燃烧性能进一步提高。

由于燃烧室具有这两种火焰稳定机制，燃烧室在很宽的进口工况下均可以生成稳定的火焰并且持续燃烧，拓宽火焰稳定范围。在燃烧室内可以组织高效稳定的燃烧，有效降低污染物的排放。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，其特征在于，包括引气部、机匣、高能点火电嘴、旋流器、燃气进管、以及燃气喷射模块；

所述机匣为圆柱体，其沿轴线从上游至下游依次包含进气部、反应部、主燃部；所述进气部、反应部、主燃部为外径相等的圆柱体，依次同轴固连，且进气部、主燃部、反应部的内径依次增大；

所述进气部内设有前壁进气通道；所述前壁进气通道为圆环状密闭腔体，其下游端和反应部内的腔体相联通，且进气部的外壁上周向设有若干用于联通前壁进气通道和外界的通孔；

所述主燃部内设有后壁进气通道；所述后壁进气通道为圆环状密闭腔体，其上游端和反应部内的腔体相联通，且主燃部的外壁上周向设有若干用于联通后壁进气通道和外界的通孔；

所述前壁进气通道的内径大于所述后壁进气通道的外径；

所述引气部和所述机匣的上游端面密闭相连，引气部内设有用于联通外界和进气部内腔体的管道；所述引气部上设有供所述燃气进管伸入进气部内的通孔；所述燃气进管一端接外界燃气，另一端密闭并伸入进气部内；燃气进管和引气部密闭固连，且燃气进管和所述进气部同轴；

所述燃气喷射模块设置在所述进气部内，包含若干周向均匀设置在燃气进管外的喷管；所述喷管为指向燃气进管轴线的空心圆柱体，外端密闭，内端和所述燃气进管联通；喷管两侧均匀设有若干喷向垂直于喷管轴线、燃气进管轴线所在平面的喷孔；

所述旋流器设置在进气部内，位于所述燃气喷射模块下游，和进气部的内壁同轴固连，用于使得从燃气喷射模块喷出的燃气和从引气部进入的空气混合后形成轴线旋流进入反应部内的腔体；

所述机匣在其上游端面上设有供所述高能点火电嘴伸入反应部内腔体的通孔；所述高能点火电嘴伸入反应部内腔体，用于点火。

2.根据权利要求1所述的具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，其特征在于，所述高能点火电嘴的放电端和所述反应部的上游端面平齐。

3.根据权利要求1所述的具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，其特征在于，所述燃气喷射模块包含4根喷管。

4.根据权利要求1所述的具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，其特征在于，所述喷管上的喷孔有6个。

5.根据权利要求1所述的具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，其特征在于，所述喷管上喷孔的孔径由内至外从小变大。

6.根据权利要求1所述的具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，其特征在于，所述喷管上喷孔的孔径相等。

7.根据权利要求1所述的具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室，其特征在于，所述旋流器的叶片的安装角在40度至50度之间，叶片数量为8个，旋流数在0.6至0.8之间，叶片类型为直叶片。

8.基于权利要求1所述的具有双重稳定火焰机制的先进燃烧室的燃烧方法，其特征在于，其具体步骤如下：

燃气进管接入燃气从燃气喷射模块喷出，喷出的燃气和从引气部进入的空气混合后形成轴线旋流进入反应部内；从外界朝前壁进气通道注入可燃混合气或燃气、同时从外界朝后壁进气通道注入空气，前壁进气通道、后壁进气通道中的气体进入反应部内后在反应部内腔体的外围形成凹腔值班级反应区；轴线旋流在反应部内的腔体的中心和主燃部内形成主燃级反应区；

经高能点火电嘴释放电火花点燃后，凹腔值班级反应区内形成旋涡稳定火焰结构；

凹腔值班级反应区内的燃烧后的高温燃气流出后进入主燃级反应区，与主燃级反应区的可燃混合气反应，点燃混合气；同时一部分高温燃气受到旋流器后侧低压区的吸引，流入旋流器下游的回流区，并在此建立稳定的火焰结构；

当主燃级气流流量小时，其流动是弱旋流，此时凹腔值班级反应区内的旋涡稳焰流动结构不会被主燃级的弱旋流破坏；凹腔值班级反应区内的火焰能够持续稳定的燃烧，并且持续与点燃主燃级的可燃混合气；同时主燃级的旋流气流起到强化掺混的作用；

当主燃级气流流量较大时，其流动是强旋流，此时凹腔值班级反应区内的旋涡稳焰流动结构会被主燃级的强旋流扰动；此时主燃级的强旋流会形成大尺度的回流区，火焰在此大尺度回流区内稳定燃烧；

凹腔值班级反应区与主燃级反应区燃烧过后的高温燃气，通过燃烧室出口流出燃烧室，为其它需要高温燃气流的设备与机提供高温燃气，满足其使用要求。

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