CN115342387A - 采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室及航空发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，包括安装机匣、布设于安装机匣内且外壁面与安装机匣的内壁面围合形成空气通道的火焰筒、布设于火焰筒的轴向进气端上并与火焰筒的内腔连通的用于向火焰筒的内腔喷入经雾化的燃油的喷油雾化组件以及沿径向穿设于安装机匣和火焰筒并分别与空气通道和火焰筒的内腔连通的用于在火焰筒的内腔产生旋转滑动弧以点燃燃油的旋转滑动弧发生器组件；旋转滑动弧发生器组件包括沿火焰筒的径向方向布设的中心电极、套设于中心电极外的绝缘套、套设于绝缘套外的旋流器、套设于旋流器外的发生器外套以及布设于安装机匣外并分别与中心电极和发生器外套电连接的点火装置，发生器外套的内腔与空气通道连通。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧室结构技术领域，特别地，涉及一种采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室。此外，本发明还涉及一种包括上述采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室的航空发动机。
背景技术
点火性能是航空发动机及燃气轮机燃烧室的关键性能指标之一，其决定了燃烧室乃至航空发动机的工作包线。而高原、高海拔和高寒等恶劣的气候条件对燃烧室的正常工作发起了严峻的挑战，原因在于上述环境中气压低、温度低、含氧量不足，这些因素均不利于燃烧室的点火。以航空发动机燃烧室为例，一方面，压力和温度的降低会使得燃烧室的雷诺数下降，化学反应速率和火焰传播速度下降；另一方面，温度降低会使得燃油黏性显著增加，导致燃油雾化质量下降，同时压力降低还使得空气气动力减小，也会导致燃油雾化质量下降。此外，点火状态下若燃烧室燃油流量小，供油压力低，燃油的雾化质量也会显著下降。也就是说，低温低压的工作环境与燃烧室对燃油雾化质量的高要求形成了一对矛盾。低温低压的条件不利于燃油的雾化，而良好的燃油雾化效果却是保证燃烧室点火性能的必备条件。
然而，航空发动机燃烧室目前存在的几种点火结构都存在不足：1)常规的点火电嘴，点火电嘴通过机匣上的安装座伸入火焰筒，点火电嘴工作时产生电火花，以点燃燃料与空气的混合物；这种点火结构的点火能量有限，电火花产生频率较低，燃烧室点火时间较长，无法保证燃烧室在极端工况下的点火性能。2)等离子体点火电嘴，相对于常规的电火电嘴，其点火能量较大，但电极极易烧蚀。3)等离子体助燃激励器，旋流器与电极在轴向错开布置，一般在旋流器后段布置一段锥体电极，锥体电极与外壳形成一段先收缩再扩张的通道；这种点火结构由于电极与旋流器未集成在一起，激励器的轴向长度较长，因此不适用于空间受限、对轴向长度有极高要求的航空发动机燃烧室上应用，此外，采用液态燃料的燃烧室，其对燃油雾化和油气混合有严苛的要求，而由于等离子体助燃激励器结构上的限制，等离子体助燃激励器也不适用于采用液态燃料的燃烧室，适用范围窄。4)涡流器与电极集成，涡流器存在与燃油喷嘴匹配性不好的问题，若文氏管与外层套筒放电，滑动弧在文氏管与外层套筒之间产生，而燃油雾锥集中在文氏管内部，电弧与文氏管在空间上错开，导致与电弧接触的燃油非常少，因此点火性能受限；若文氏管与燃油喷嘴放电，尽管燃油雾锥与电弧在空间上重叠，但电弧产生位置位于燃油喷嘴出口附近，燃油未经过充分的雾化和与空气的掺混，也会导致点火效果受限。5)轨道式滑动弧激励器，在文氏管内部流道设置一个中心锥体，将螺旋电极分别布置在锥体表面及文氏管内侧壁面；这种点火结构由于电极完全裸露在流道内部，一方面，电极与文氏管不易贴合，不便于安装和更换；另一方面，由于电极直接与燃油接触，电极易被燃油污染，且存在电极积碳进而导致电极失效的问题。因此，这种方案在工程应用上有较大的局限性。
综上所述，现有的航空发动机燃烧室中的各种点火结构都存在相应不足，无法满足人们的使用需求。
发明内容
本发明提供了一种采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室及航空发动机，以解决现有的航空发动机燃烧室中的点火结构存在的极端工况下的点火性能无法保证、适用范围小、电极易积碳而失效、电极引线安装更换不方便且易被燃油影响技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，包括安装机匣、布设于安装机匣内且外壁面与安装机匣的内壁面围合形成空气通道的火焰筒、布设于火焰筒的轴向进气端上并与火焰筒的内腔连通的用于向火焰筒的内腔喷入经雾化的燃油的喷油雾化组件以及沿径向穿设于安装机匣和火焰筒并分别与空气通道和火焰筒的内腔连通的用于在火焰筒的内腔产生旋转滑动弧以点燃燃油的旋转滑动弧发生器组件；旋转滑动弧发生器组件包括沿火焰筒的径向方向布设的中心电极、套设于中心电极外的绝缘套、套设于绝缘套外的旋流器、套设于旋流器外的发生器外套以及布设于安装机匣外并分别与中心电极和发生器外套电连接的点火装置，发生器外套的内腔与空气通道连通。
作为上述技术方案的进一步改进：
进一步地，发生器外套开设有分别与发生器外套的内腔和空气通道连通的进气孔，发生器外套包括沿火焰筒的径向方向布设于进气孔和安装机匣之间的外端部，外端部和绝缘套之间布设有用于防止气体向安装机匣外流出的隔板。
进一步地，发生器外套的材质为导电材料；或者发生器外套包括开设有进气孔的安装套以及沿火焰筒的径向布设于安装套内并与点火装置电连接的边缘电极，边缘电极的材质为导电材料。
进一步地，导电材料为耐高温合金。
进一步地，点火装置包括点火电源、分别与点火电源和中心电极电连接的第一电极引线以及分别与点火电源和发生器外套电连接的第二电极引线。
进一步地，旋转滑动弧发生器组件沿火焰筒的周向间隔排布有多个。
进一步地，喷油雾化组件包括布设于火焰筒的轴向进气端上并与火焰筒的内腔连通的用于雾化燃油的涡流器以及布设于涡流器内的用于向火焰筒的内腔喷入燃油的燃油喷嘴。
进一步地，安装机匣包括沿径向开设并与空气通道连通的用于旋转滑动弧发生器组件穿过的安装孔以及环设于安装孔的边缘的用于安装旋转滑动弧发生器组件的安装座。
进一步地，火焰筒包括沿径向开设并与火焰筒的内腔连通的用于旋转滑动弧发生器组件的点火端插入的配合孔。
根据本发明的另一方面，还提供了一种航空发动机，其包括上述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室。
本发明具有以下有益效果：
本发明的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，燃烧室工作时，空气经安装机匣上的进气口进入安装机匣的内腔，一部分空气经火焰筒的轴向进气端上的喷油雾化组件进入火焰筒的内腔，喷油雾化组件向火焰筒的内腔喷入燃油的同时，使燃油与空气掺混并雾化，以使雾化后的燃油散布在火焰筒的内腔中，另一部分空气经空气通道进入发生器外套的内腔中，在旋流器的作用下形成旋转气流，此时，点火装置工作通电后使中心电极与发生器外套之间产生电弧，电弧在旋转气流的带动下形成旋转滑动弧，以点燃火焰筒的内腔中的油气混合物；旋转滑动弧的点火能量调节范围更大，电弧产生频率高，点火有效时间更长，燃烧室在极端工况下的点火性能有保证，且不仅适用于气态燃料的燃烧室，也适用于液态燃料的燃烧室，适用范围广，燃油不再流经中心电极和发生器外套，旋转滑动弧产生位置远离燃油雾化的位置，中心电极不易烧蚀，且旋流器集成与发生器外套中，轴向距离小，有利于在空间受限的航空发动机燃烧室上应用，中心电极也不存在积碳问题和积碳导致的中心电极失效问题，同时点火装置布设于机匣外，安装更换方便，点火装置也不会受到燃油以及安装机匣和火焰筒内热空气的影响，点火装置的可靠性高，使用寿命长久；本方案通过旋转滑动弧发生器组件与喷油雾化组件于空间上分开布设，在保证点火性能的同时，使得旋转滑动弧发生器组件不再受到燃油的影响，且可将点火装置布设于安装机匣外，安装更换方便，实用性强，适于广泛推广和应用。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室的结构示意图。
图例说明：
1、安装机匣；11、空气通道；12、安装座；2、火焰筒；3、喷油雾化组件；31、涡流器；32、燃油喷嘴；4、旋转滑动弧发生器组件；41、中心电极；42、绝缘套；43、旋流器；44、发生器外套；441、进气孔；45、点火装置；451、点火电源；452、第一电极引线；453、第二电极引线；46、隔板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室的结构示意图；图2是本发明优选实施例的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室的结构示意图；图3是本发明优选实施例的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室的结构示意图。
如图1和图2所示，本实施例的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，包括安装机匣1、布设于安装机匣1内且外壁面与安装机匣1的内壁面围合形成空气通道11的火焰筒2、布设于火焰筒2的轴向进气端上并与火焰筒2的内腔连通的用于向火焰筒2的内腔喷入经雾化的燃油的喷油雾化组件3以及沿径向穿设于安装机匣1和火焰筒2并分别与空气通道11和火焰筒2的内腔连通的用于在火焰筒2的内腔产生旋转滑动弧以点燃燃油的旋转滑动弧发生器组件4；旋转滑动弧发生器组件4包括沿火焰筒2的径向方向布设的中心电极41、套设于中心电极41外的绝缘套42、套设于绝缘套42外的旋流器43、套设于旋流器43外的发生器外套44以及布设于安装机匣1外并分别与中心电极41和发生器外套44电连接的点火装置45，发生器外套44的内腔与空气通道11连通。具体地，本发明的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，燃烧室工作时，空气经安装机匣1上的进气口进入安装机匣1的内腔，一部分空气经火焰筒2的轴向进气端上的喷油雾化组件3进入火焰筒2的内腔，喷油雾化组件3向火焰筒2的内腔喷入燃油的同时，使燃油与空气掺混并雾化，以使雾化后的燃油散布在火焰筒2的内腔中，另一部分空气经空气通道11进入发生器外套44的内腔中，在旋流器43的作用下形成旋转气流，此时，点火装置45工作通电后使中心电极41与发生器外套44之间产生电弧，电弧在旋转气流的带动下形成旋转滑动弧，以点燃火焰筒2的内腔中的油气混合物；旋转滑动弧的点火能量调节范围更大，电弧产生频率高，点火有效时间更长，燃烧室在极端工况下的点火性能有保证，且不仅适用于气态燃料的燃烧室，也适用于液态燃料的燃烧室，适用范围广，燃油不再流经中心电极41和发生器外套44，旋转滑动弧产生位置远离燃油雾化的位置，中心电极41不易烧蚀，且旋流器43集成与发生器外套44中，轴向距离小，有利于在空间受限的航空发动机燃烧室上应用，中心电极41也不存在积碳问题和积碳导致的中心电极41失效问题，同时点火装置45布设于机匣外，安装更换方便，点火装置45也不会受到燃油以及安装机匣1和火焰筒2内热空气的影响，点火装置45的可靠性高，使用寿命长久；本方案通过旋转滑动弧发生器组件4与喷油雾化组件3于空间上分开布设，在保证点火性能的同时，使得旋转滑动弧发生器组件4不再受到燃油的影响，且可将点火装置45布设于安装机匣1外，安装更换方便，实用性强，适于广泛推广和应用。应当理解的是，相对于现有技术中常规的点火喷嘴，本实施例中旋转滑动弧发生器组件4的点火能量调节范围更大，电弧产生频率远高于常规点火方法，点火有效时间更长，这些因素均有利于提高燃烧室在极端工况下的点火性能；相对于现有技术中的等离子体点火电嘴，本实施例中旋转滑动弧发生器组件4的中心电极41不易烧蚀，旋流器43与中心电极41高度集成，轴向距离明显小于等离子体点火电嘴，有利于在空间受限的航空发动机燃烧室上应用；相对于现有的等离子体助燃激励器，本实施例中旋转滑动弧发生器组件4不仅适用于采用气态燃料的燃烧室，也适用于采用液态燃料的燃烧室；相对于现有的涡流器与电极集成，本实施例中燃油经过充分的雾化和与空气的掺混，可显著提高燃烧室点火性能，旋转滑动弧产生位置远离燃油雾化位置，中心电极41不存在积碳问题和由于积碳导致的电极失效问题。
如图2所示，本实施例中，发生器外套44开设有分别与发生器外套44的内腔和空气通道11连通的进气孔441，发生器外套44包括沿火焰筒的径向方向布设于进气孔441和安装机匣1之间的外端部，外端部和绝缘套42之间布设有用于防止气体向安装机匣1外流出的隔板46。具体地，通过进气孔441使得经空气通道11中的气体流入发生器外套44的内腔中，以在旋流器43的作用下形成旋转气流，同时通过隔板46防止流入发生器外套44的内腔中的气体向安装机匣1外流出，保证安装机匣1的密封性。
本实施例中，发生器外套44的材质为导电材料；或者发生器外套44包括开设有进气孔441的安装套以及沿火焰筒2的径向布设于安装套内并与点火装置45电连接的边缘电极，边缘电极的材质为导电材料。具体地，在一实施例中，发生器外套44采用导电材料制成，以相当于点火电极，在点火装置45通电后与中心电极41共同作用产生电弧；而在另一实施例中，发生器外套44中仅边缘电极采用导电材料制成，边缘电极与点火装置45电连接，在点火装置45通电后与中心电极41共同作用产生电弧。可选地，绝缘套42的材质为同时具备耐高温性和绝缘性的陶瓷。应当理解的是，中心电极41的材质同样为导电材料。
本实施例中，导电材料为耐高温合金。应当理解的是，由于燃烧室内温度较高，因此导电材料具备导电性的同时还需要具备耐高温性，因此，采用耐高温合金以满足使用需求。可选地，耐高温合金为镍基合金。
如图1所示，本实施例中，点火装置45包括点火电源451、分别与点火电源451和中心电极41电连接的第一电极引线452以及分别与点火电源451和发生器外套44电连接的第二电极引线453。具体地，中心电极41和发生器外套44通过第一电极引线452和第二电极引线453分别与点火电源451的正负极连接，以在点火电源451工作时，在中心电极41和发生器外套44之间产生电弧。应当理解的是，相对于现有的涡流器与电极集成，第一电极引线452、第二电极引线453和点火电源451位于安装机匣1的外部，安装更换方便，且第一电极引线452和第二电极引线453不会受到燃油和安装机匣1乃至火焰筒2内部热空气的影响，第一电极引线452和第二电极引线453的可靠性更高，寿命更长，实用性强。
如图3所示，本实施例中，旋转滑动弧发生器组件4沿火焰筒2的周向间隔排布有多个。具体地，通过多个旋转滑动弧发生器组件4产生多个旋转滑动弧，以提高点火性能，缩短燃烧室联焰时间，同时更有效地发挥旋转滑动弧的助燃作用。
如图2所示，本实施例中，喷油雾化组件3包括布设于火焰筒2的轴向进气端上并与火焰筒2的内腔连通的用于雾化燃油的涡流器31以及布设于涡流器31内的用于向火焰筒2的内腔喷入燃油的燃油喷嘴32。具体地，通过燃油喷嘴32向火焰筒2的内腔喷入燃油，再通过涡流器31使得燃油与空气充分掺混并雾化，雾化后的燃油以雾锥形式散布在火焰筒2的内腔。应当理解的是，相对于现有的涡流器与电极集成方案，本实施例中火焰筒2的轴向进气端仍采用常规的涡流器31，可避免对涡流器31进行气动和结构上的改动，对燃烧室的气动性能影响可以降到最低，同时结构上更加可靠，更换更加便捷。
如图2所示，本实施例中，安装机匣1包括沿径向开设并与空气通道11连通的用于旋转滑动弧发生器组件4穿过的安装孔以及环设于安装孔的边缘的用于安装旋转滑动弧发生器组件4的安装座12。具体地，旋转滑动弧发生器组件4的点火端穿过安装孔以进入安装机匣1内，并安装固定在安装座12上。
如图2所示，本实施例中，火焰筒2包括沿径向开设并与火焰筒2的内腔连通的用于旋转滑动弧发生器组件4的点火端插入的配合孔。具体地，旋转滑动弧发生器组件4插入配合孔内，以在火焰筒2的内腔产生旋转滑动弧点燃雾化燃油。
本实施例的航空发动机，包括上述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室。具体地，通过上述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，极端工况下的点火性能有保证，实用性强，适于广泛推广和应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，包括安装机匣(1)、布设于安装机匣(1)内且外壁面与安装机匣(1)的内壁面围合形成空气通道(11)的火焰筒(2)、布设于火焰筒(2)的轴向进气端上并与火焰筒(2)的内腔连通的用于向火焰筒(2)的内腔喷入经雾化的燃油的喷油雾化组件(3)以及沿径向穿设于安装机匣(1)和火焰筒(2)并分别与空气通道(11)和火焰筒(2)的内腔连通的用于在火焰筒(2)的内腔产生旋转滑动弧以点燃燃油的旋转滑动弧发生器组件(4)；
旋转滑动弧发生器组件(4)包括沿火焰筒(2)的径向方向布设的中心电极(41)、套设于中心电极(41)外的绝缘套(42)、套设于绝缘套(42)外的旋流器(43)、套设于旋流器(43)外的发生器外套(44)以及布设于安装机匣(1)外并分别与中心电极(41)和发生器外套(44)电连接的点火装置(45)，发生器外套(44)的内腔与空气通道(11)连通。
2.根据权利要求1所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，发生器外套(44)开设有分别与发生器外套(44)的内腔和空气通道(11)连通的进气孔(441)，发生器外套(44)包括沿火焰筒的径向方向布设于进气孔(441)和安装机匣(1)之间的外端部，外端部和绝缘套(42)之间布设有用于防止气体向安装机匣(1)外流出的隔板(46)。
3.根据权利要求2所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，发生器外套(44)的材质为导电材料；或者
发生器外套(44)包括开设有进气孔(441)的安装套以及沿火焰筒(2)的径向布设于安装套内并与点火装置(45)电连接的边缘电极，边缘电极的材质为导电材料。
4.根据权利要求3所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，导电材料为耐高温合金。
5.根据权利要求1所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，点火装置(45)包括点火电源(451)、分别与点火电源(451)和中心电极(41)电连接的第一电极引线(452)以及分别与点火电源(451)和发生器外套(44)电连接的第二电极引线(453)。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，旋转滑动弧发生器组件(4)沿火焰筒(2)的周向间隔排布有多个。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，喷油雾化组件(3)包括布设于火焰筒(2)的轴向进气端上并与火焰筒(2)的内腔连通的用于雾化燃油的涡流器(31)以及布设于涡流器(31)内的用于向火焰筒(2)的内腔喷入燃油的燃油喷嘴(32)。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，安装机匣(1)包括沿径向开设并与空气通道(11)连通的用于旋转滑动弧发生器组件(4)穿过的安装孔以及环设于安装孔的边缘的用于安装旋转滑动弧发生器组件(4)的安装座(12)。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室，其特征在于，火焰筒(2)包括沿径向开设并与火焰筒(2)的内腔连通的用于旋转滑动弧发生器组件(4)的点火端插入的配合孔。
10.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的采用旋转滑动弧点火结构的燃烧室。
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| Publication number | Publication date |
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