CN116182198A - 一种对冲式多模态燃烧室 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种对冲式多模态燃烧室，包括：火焰筒与容纳所述火焰筒的机匣；其中，火焰筒包括外火焰筒、内火焰筒以及掺混段，在机匣径向截面上，外火焰筒的轴线与内火焰筒的轴线具有预设夹角α；外火焰筒具有环状的外燃烧腔，内火焰筒具有内燃烧腔，掺混段具有掺混通道，所述外燃烧腔与所述内燃烧腔在所述掺混通道前端汇聚；外火焰筒的进口处通过外环旋流器连接外环喷嘴，内火焰筒进口处通过内环旋流器连接内环喷嘴，一方面可增加各环腔高温燃气在火焰筒径向上的掺混强度，改善径向温度分布，另一方面可增加两个环腔间的距离，使得分隔环腔用的火焰筒壁面冷却更加容易。

Description

一种对冲式多模态燃烧室

技术领域

本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种对冲式多模态燃烧室。

背景技术

传统双环腔燃烧室火焰筒的两个环腔多为平行结构，空气进入火焰筒各环腔与来自喷嘴的雾化燃油混合燃烧后，形成的高温燃气一般沿火焰筒平行流出，该过程中高温燃气在火焰筒内的径向掺混效果较弱，不易获得较好的径向温度分布；同时，传统双环腔燃烧室两个环腔头部数量相同，且多为两个径向头部共用一个喷嘴的顺排布置，这种结构易在喷嘴截面对应的燃烧室出口处形成周向分布的高温区，不易获得较好的周向温度分布；其次，传统双环腔燃烧室火焰筒多采用一端固定一端浮动的定位方式，若采用后端定位，则喷嘴和火焰筒头部不易热态对心，易造成出口温场的进一步恶化，若采用前端定位，则燃烧室出口流路和涡轮流道匹配困难，易造成整机性能下降；另外，传统双环腔燃烧室的环腔距离较近，中间分隔环腔用的火焰筒壁面冷却困难，极易出现高温烧蚀，可靠性较差。

现有技术的缺点：

第一，现有双环腔燃烧室多为平行腔室结构，空气进入火焰筒各环腔与燃油混合燃烧后形成的高温燃气一般沿火焰筒平行流出，该过程中高温燃气在火焰筒内的径向掺混效果较弱，不易获得较好的径向温度分布。

第二，传统双环腔燃烧室两个环腔头部数量相同，且多为两个径向头部共用一个喷嘴的顺排布置，这种结构易在喷嘴截面对应的燃烧室出口处形成周向分布的高温区，不易获得较好的周向温度分布。

第三，传统双环腔燃烧室火焰筒多采用一端固定一端浮动的定位方式，若采用后端定位，则喷嘴和火焰筒头部不易热态对心，易造成出口温场的进一步恶化，若采用前端定位，则燃烧室出口流路和涡轮流道匹配困难，易造成整机性能下降。

第四，传统双环腔燃烧室的环腔距离较近，中间分隔环腔用的火焰筒壁面冷却困难，极易出现高温烧蚀，可靠性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种对冲式多模态燃烧室，包括：

火焰筒与容纳所述火焰筒的机匣；

其中，火焰筒包括外火焰筒、内火焰筒以及掺混段，在机匣径向截面上，外火焰筒的轴线与内火焰筒的轴线具有预设夹角α；外火焰筒具有环状的外燃烧腔，内火焰筒具有内燃烧腔，掺混段具有掺混通道，所述外燃烧腔与所述内燃烧腔在所述掺混通道前端汇聚；在机匣径向截面上，外火焰筒的轴线与内火焰筒的轴线具有对冲夹角α；

外火焰筒的进口处通过外环旋流器连接外环喷嘴，内火焰筒进口处通过内环旋流器连接内环喷嘴。

优选的是，外火焰筒包括外环火焰筒外壁和外环火焰筒内壁以及可拆卸连接在外环火焰筒外壁和外环火焰筒内壁之间的外环头部转接段，外环头部转接段上焊接有外环挡溅盘以及周向安装所述外环旋流器；内火焰筒包括内环火焰筒外壁和内环火焰筒内壁以及可拆卸连接在内环火焰筒外壁和内环火焰筒内壁之间的内环头部转接段，内环头部转接段上焊接有内环挡溅盘以及周向安装所述内环旋流器，外环火焰筒内壁与内环火焰筒外壁之间通过具有的安装边与紧固件连接，外环火焰筒内壁与内环火焰筒外壁之间具有夹角。

优选的是，所述机匣的进口处具有扩压器组件，扩压器组件包括双通道扩压器、外机匣前段和内机匣前段；双通道扩压器前端具有使气体进入机匣内部的通道，外机匣前段连接在双通道扩压器的后端外侧，内机匣前段连接在双通道扩压器的后端内侧，外机匣前段和内机匣前段沿气体流动方向呈扩张状；

外机匣前段的后端可拆卸连接外机匣后段，内机匣前段可拆卸连接内机匣后段，外机匣后段与内机匣后段沿气体流动方向呈收缩状。

优选的是，扩压器组件具有位于所述机匣进口处的总通道以及由总通道分支形成的外通道和内通道，外通道朝向外火焰筒的进口；内通道朝向内火焰筒的进口。

优选的是，所述总通道包括由环状的外缘板与环状的内缘板形成沿气流方向逐渐扩张的环腔，所述环腔内具有周向安装的多个支板，安装在多个所述支板上安装一个截面为楔状的分流环，分流环将所述环腔分为环腔状的外通道和环腔状的内通道。

优选的是，外环火焰筒外壁和外环火焰筒内壁周向均布有外环掺混孔，内环火焰筒外壁和内环火焰筒内壁周向均布有内环掺混孔。

优选的是，燃烧室在小状态时只有内环喷嘴供油工作，在中间状态时只有外环喷嘴供油工作，在大状态时内环喷嘴和外环喷嘴同时供油工作。

优选的是，所述双通道扩压器上外通道和内通道的扩张比相同。

优选的是，所述外火焰筒和内火焰筒之间的对冲夹角α为30度～120度。

优选的是，掺混段包括掺混段外壁和掺混段内壁，掺混段外壁具有周向均布的外二级掺混孔，掺混段内壁上具有内二级掺混孔，掺混段外壁和掺混段内壁分别通过弹性支撑环固定在机匣上，弹性支撑环开有周向分布的方孔，其中外二级掺混孔的数量为外火焰筒头部数量的2～3倍，内二级掺混孔的数量为内火焰筒头部数量的2～3倍。

本申请的优点包括：本发明将传统双环腔燃烧室的平行环腔结构改进设计为了对冲环腔结构，并打破了内外环腔头部数量相同的结构布局，同时将内外环腔设计为独立供油的模式，另外火焰筒定位也改进设计为了前后同时固定中间插接浮动的结构形式，可有效解决传统双环腔燃烧室的固有缺点，实现性能和结构的双提升。

其中，对冲环腔结构的改进设计，一方面可增加各环腔高温燃气在火焰筒径向上的掺混强度，改善径向温度分布，另一方面可增加两个环腔间的距离，使得分隔环腔用的火焰筒壁面冷却更加容易，温度负荷更低；内外环腔头部数量不相等的改进设计，一方面使得内外环腔头部排列方式更加多样，改善周向温度分布，另一方面可保证内外环腔头部结构相似，降低设计难度；内外环腔独立供油的改进设计，一方面可实现各环腔供油比例的随时调节，另一方面也可实现两个环腔的多种组合工作模式，拓宽了燃烧室的工作范围；火焰筒前后同时固定中间插接浮动的改进设计，可解决后端定位喷嘴和火焰筒头部不易热态对心，以及前端定位燃烧室出口流路和涡轮流道匹配困难的技术难题。

附图说明

图1是本申请一优选实施方式对冲式多模态燃烧室截面图；

图2是本申请一优选实施方式对冲式多模态燃烧室正等侧剖视图；

图3是本申请一优选实施方式双通道扩压器正等侧剖视图；

图4是本申请一优选实施方式外火焰筒正等侧剖视图；

图5是本申请一优选实施方式内火焰筒正等侧剖视图；

图6是本申请一优选实施方式掺混段正等侧剖视图；

图7是本申请一优选实施方式头部支撑环正等侧剖视图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

为了解决上述问题，本申请提供了一种对冲式多模态燃烧室，可解决传统双环腔燃烧室的诸多缺点，包括：火焰筒与容纳所述火焰筒的机匣；

其中，火焰筒包括外火焰筒8、内火焰筒9以及掺混段10；外火焰筒8具有环状的外燃烧腔，内火焰筒9具有内燃烧腔，掺混段10具有掺混通道，所述外燃烧腔与所述内燃烧腔在所述掺混通道前端汇聚；具有对冲夹角α的外火焰筒8和内火焰筒9采用螺栓连接，两者共同构成对冲火焰筒组件B，主要用于油气掺混和燃烧组织，并形成对冲气流，以提升高温燃气在掺混段10中的径向掺混强度；所述外火焰筒8的头部数量应为内火焰筒9的头部数量的整数倍。

外火焰筒8的进口处通过外环旋流器8-1连接外环喷嘴7，内火焰筒9进口处通过内环旋流器9-1连接内环喷嘴6,内环喷嘴6和外环喷嘴7安装固定于外机匣前段2上，并可独立供油，以实现燃烧室多模态工作。

优选的是，外火焰筒8包括外环火焰筒外壁8-4和外环火焰筒内壁8-5以及可拆卸连接在外环火焰筒外壁8-4和外环火焰筒内壁8-5之间的外环头部转接段8-2，可拆卸连接优选的是采用螺栓连接，极大提升了外火焰筒8的维护性；外环头部转接段8-2上焊接有外环挡溅盘8-3以及周向安装所述外环旋流器8-1；其中，外环旋流器8-1是外环的主要进气装置，钎焊于外环挡溅盘8-3上，两者组合后再与外环头部转接段8-2钎焊连接；

内火焰筒9包括内环火焰筒外壁9-4和内环火焰筒内壁9-5以及可拆卸连接在内环火焰筒外壁9-4和内环火焰筒内壁9-5之间的内环头部转接段9-2，内环头部转接段9-2上焊接有内环挡溅盘9-3以及周向安装所述内环旋流器9-1，外环火焰筒内壁8-5与内环火焰筒外壁9-4之间通过具有的安装边与紧固件连接，外环火焰筒内壁8-5与内环火焰筒外壁9-4之间具有夹角。

优选的是，所述机匣的进口处具有扩压器组件A，扩压器组件A包括双通道扩压器1、外机匣前段2和内机匣前段4；双通道扩压器1前端具有使气体进入机匣内部的通道，外机匣前段2连接在双通道扩压器1的后端外侧，内机匣前段4连接在双通道扩压器1的后端内侧，外机匣前段2和内机匣前段4沿气体流动方向呈扩张状；优选的是，扩压器组件A具有位于所述机匣进口处的总通道以及由总通道分支形成的外通道1-1和内通道1-2，外通道1-1朝向外火焰筒8的进口；内通道1-2朝向内火焰筒9的进口。所述总通道包括由环状的外缘板1-4与环状的内缘板1-6形成沿气流方向逐渐扩张的环腔，所述环腔内具有周向安装的多个支板1-3，安装在多个所述支板1-3上安装一个截面为楔状的分流环1-5，分流环1-5将所述环腔分为环腔状的外通道1-1和环腔状的内通道1-2，其中，双通道扩压器1上的外通道1-1用于向外火焰筒8提供燃烧空气；内通道1-2用于向内火焰筒9提供燃烧空气；周向分布的支板1-3可将外缘板1-4、分流环1-5和内缘板1-6连接在一起，是燃烧室机匣的主要传力路径，所述双通道扩压器1上支板1-3的数量应为内火焰筒9头部数量的一半，其周向位置应在内火焰筒9的相邻头部中间。

外机匣前段2的后端可拆卸连接外机匣后段3，内机匣前段4可拆卸连接内机匣后段5，外机匣后段3与内机匣后段5沿气体流动方向呈收缩状。

优选的是，外环火焰筒外壁8-4和外环火焰筒内壁8-5周向均布有外环掺混孔8-6，外环掺混孔8-6可对外火焰筒8中产生的高温燃气进行初步温场调节内环火焰筒外壁9-4和内环火焰筒内壁9-5周向均布有内环掺混孔9-6，内环掺混孔9-6可对内火焰筒8中产生的高温燃气进行初步温场调节。

优选的是，燃烧室在小状态时只有内环喷嘴6供油工作，在中间状态时只有外环喷嘴7供油工作，在大状态时内环喷嘴6和外环喷嘴7同时供油工作。

优选的是，所述双通道扩压器1上外通道1-1和内通道1-2的扩张比相同。

优选的是，所述外火焰筒8和内火焰筒9之间的对冲夹角α为30度～120度。

优选的是，掺混段10包括掺混段外壁10-1和掺混段内壁10-2，掺混段外壁10-1具有周向均布的外二级掺混孔10-3，掺混段内壁10-2上具有内二级掺混孔10-4，掺混段外壁10-1和掺混段内壁10-2分别通过弹性支撑环10-5固定在机匣上，弹性支撑环10-5开有周向分布的方孔10-6，其中外二级掺混孔10-3的数量为外火焰筒8头部数量的2～3倍，内二级掺混孔10-4的数量为内火焰筒9头部数量的2～3倍，掺混段10用于进一步调节来自外火焰筒8和内火焰筒9的燃气温场；在其后部设计有弹性支撑环10-5，主要用于协调掺混段10的径向冷热态膨胀；另外，在弹性支撑环10-5上开有方孔10-6，一方面可形成空气流动的通道，另一方面用于增加弹性支撑环10-5的柔度。

头部支撑环11上的通气孔11-1用于形成燃烧室内环二股腔道的流路通道，保证空气流通能力；加强肋11-2是主要的承力结构，用于支撑对冲火焰筒B，并保证与燃烧室机匣的相对位置，头部支撑环11上的通气孔11-1应与内火焰筒9的头部数量相等，并在同一周向位置上。

本申请的优点包括：本发明将传统双环腔燃烧室的平行环腔结构改进设计为了对冲环腔结构，并打破了内外环腔头部数量相同的结构布局，同时将内外环腔设计为独立供油的模式，另外火焰筒定位也改进设计为了前后同时固定中间插接浮动的结构形式，可有效解决传统双环腔燃烧室的固有缺点，实现性能和结构的双提升。

其中，对冲环腔结构的改进设计，一方面可增加各环腔高温燃气在火焰筒径向上的掺混强度，改善径向温度分布，另一方面可增加两个环腔间的距离，使得分隔环腔用的火焰筒壁面冷却更加容易，温度负荷更低；内外环腔头部数量不相等的改进设计，一方面使得内外环腔头部排列方式更加多样，改善周向温度分布，另一方面可保证内外环腔头部结构相似，降低设计难度；内外环腔独立供油的改进设计，一方面可实现各环腔供油比例的随时调节，另一方面也可实现两个环腔的多种组合工作模式，拓宽了燃烧室的工作范围；火焰筒前后同时固定中间插接浮动的改进设计，可解决后端定位喷嘴和火焰筒头部不易热态对心，以及前端定位燃烧室出口流路和涡轮流道匹配困难的技术难题。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种对冲式多模态燃烧室，其特征在于，包括：

火焰筒与容纳所述火焰筒的机匣；

其中，火焰筒包括外火焰筒(8)、内火焰筒(9)以及掺混段(10)，在机匣径向截面上，外火焰筒(8)的轴线与内火焰筒(9)的轴线具有预设夹角α；外火焰筒(8)具有环状的外燃烧腔，内火焰筒(9)具有内燃烧腔，掺混段(10)具有掺混通道，所述外燃烧腔与所述内燃烧腔在所述掺混通道前端汇聚；

外火焰筒(8)的进口处通过外环旋流器(8-1)连接外环喷嘴(7)，内火焰筒(9)进口处通过内环旋流器(9-1)连接内环喷嘴(6)。

2.如权利要求1所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，外火焰筒(8)包括外环火焰筒外壁(8-4)和外环火焰筒内壁(8-5)以及可拆卸连接在外环火焰筒外壁(8-4)和外环火焰筒内壁(8-5)之间的外环头部转接段(8-2)，外环头部转接段(8-2)上焊接有外环挡溅盘(8-3)以及周向安装所述外环旋流器(8-1)；内火焰筒(9)包括内环火焰筒外壁(9-4)和内环火焰筒内壁(9-5)以及可拆卸连接在内环火焰筒外壁(9-4)和内环火焰筒内壁(9-5)之间的内环头部转接段(9-2)，内环头部转接段(9-2)上焊接有内环挡溅盘(9-3)以及周向安装所述内环旋流器(9-1)，外环火焰筒内壁(8-5)与内环火焰筒外壁(9-4)之间通过具有的安装边与紧固件连接，外环火焰筒内壁(8-5)与内环火焰筒外壁(9-4)之间具有夹角。

3.如权利要求1所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，所述机匣的进口处具有扩压器组件(A)，扩压器组件(A)包括双通道扩压器(1)、外机匣前段(2)和内机匣前段(4)；双通道扩压器(1)前端具有使气体进入机匣内部的通道，外机匣前段(2)连接在双通道扩压器(1)的后端外侧，内机匣前段(4)连接在双通道扩压器(1)的后端内侧，外机匣前段(2)和内机匣前段(4)沿气体流动方向呈扩张状；

外机匣前段(2)的后端可拆卸连接外机匣后段(3)，内机匣前段(4)可拆卸连接内机匣后段(5)，外机匣后段(3)与内机匣后段(5)沿气体流动方向呈收缩状。

4.如权利要求3所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，扩压器组件(A)具有位于所述机匣进口处的总通道以及由总通道分支形成的外通道(1-1)和内通道(1-2)，外通道(1-1)朝向外火焰筒(8)的进口；内通道(1-2)朝向内火焰筒(9)的进口。

5.如权利要求4所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，所述总通道包括由环状的外缘板(1-4)与环状的内缘板(1-6)形成沿气流方向逐渐扩张的环腔，所述环腔内具有周向安装的多个支板(1-3)，安装在多个所述支板(1-3)上安装一个截面为楔状的分流环(1-5)，分流环(1-5)将所述环腔分为环腔状的外通道(1-1)和环腔状的内通道(1-2)。

6.如权利要求2所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，外环火焰筒外壁(8-4)和外环火焰筒内壁(8-5)周向均布有外环掺混孔(8-6)，内环火焰筒外壁(9-4)和内环火焰筒内壁(9-5)周向均布有内环掺混孔(9-6)。

7.如权利要求1所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，燃烧室在小状态时只有内环喷嘴(6)供油工作，在中间状态时只有外环喷嘴(7)供油工作，在大状态时内环喷嘴(6)和外环喷嘴(7)同时供油工作。

8.如权利要求1所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，所述双通道扩压器(1)上外通道(1-1)和内通道(1-2)的扩张比相同。

9.如权利要求1所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，所述外火焰筒(8)和内火焰筒(9)之间的对冲夹角α为30度～120度。

10.如权利要求1所述的对冲式多模态燃烧室，其特征在于，掺混段(10)包括掺混段外壁(10-1)和掺混段内壁(10-2)，掺混段外壁(10-1)具有周向均布的外二级掺混孔(10-3)，掺混段内壁(10-2)上具有内二级掺混孔(10-4)，掺混段外壁(10-1)和掺混段内壁(10-2)分别通过弹性支撑环(10-5)固定在机匣上，弹性支撑环(10-5)开有周向分布的方孔(10-6)，其中外二级掺混孔(10-3)的数量为外火焰筒(8)头部数量的2～3倍，内二级掺混孔(10-4)的数量为内火焰筒(9)头部数量的2～3倍。

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