CN116202105A - 一种优化燃烧性能的旋流燃烧室头部结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机燃烧室技术领域，公开了一种优化燃烧性能的旋流燃烧室头部结构，通过流体供应通道在容易发生燃烧不稳定现象的工况下，通过外部供入氧气或其他气体，改变燃烧的油气比例，避开化学反应释放能量发生扰动的工况，从而达到抑制振荡燃烧的目的；此外流体供应通道与集气腔之间设计单向流通活门，可在外部不供入气体时防止火焰筒内燃气倒灌；合理设计活门开启压力，可控制外部供入气体的流量，可用于抑制燃烧脉动、拓宽主燃烧室点火边界、提高燃烧室部件冷却效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机燃烧室技术领域，公开了一种优化燃烧性能的旋流燃烧室头部结构。
背景技术
随着高性能航空燃气涡轮发动机的发展，其工作包线逐步拓展，典型工况点对主燃烧室高空高原点火性能、燃烧稳定性、污染排放、冷却性能等相关参数的要求日渐严苛。
航空发动机工作时根据高度、速度的不同有多种工作状态，因此燃烧室将会存在贫、富油工作状态的交替过程，这将带来燃烧室内流动、燃油释热、燃烧稳定性等复杂问题。燃烧不稳定，也称振荡燃烧，是燃气轮机燃烧室、航空发动机主燃烧室、火箭发动机和工业锅炉等各种燃烧装置经常遇到的现象。一般来讲，化学反应释放能量发生0.1％的扰动就足以产生相当于燃烧室平均压力峰值振幅的压力脉动。燃烧不稳定会导致燃烧装置剧烈振动，发出巨大噪声，加剧污染物的产生，影响燃烧室和系统的正常工作，严重时还会造成部件的损伤和破坏。
航空发动机主燃烧室点火过程主要分为三个阶段，第一阶段为点火器附近形成初始火核；第二阶段传播阶段，初始火核进入回流区，并在单个头部形成局部火焰；第三阶段为联焰阶段，单个头部的火焰向整个环形燃烧室传播。高度对航空发动机点火性能的影响主要体现在气压低空气密度小，空气流量减小，燃烧室内难以形成适合燃烧的一定空燃比的可燃混气。一方面，点火器形成初始火核后，火核难以进入回流区点燃单个头部的混气；另一方面，单个头部的火焰向其他头部传播的过程难以持续，最终起动失败。
为了解决高空/高原点火问题，一般将点火电嘴设计为带补氧功能的结构，同时提高供油量，以形成适合燃烧及火焰面传播的富油工况，可以有效解决火核形成及进入回流区点燃单个头部火焰的问题。通常燃烧室内只布置一根或两根电嘴，无法解决单个火焰向其他头部传播的联焰问题，点火边界有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优化燃烧性能的旋流燃烧室头部结构，能够实现抑制燃烧脉动、拓宽主燃烧室点火边界、提高燃烧室部件冷却效等目的。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种优化燃烧性能的旋流燃烧室头部结构，包括燃油通道、流体供应通道以及安装于燃油通道上的燃油喷嘴，所述燃油喷嘴外壁同轴固定有第一旋流器组件，所述第一旋流器组件包括可形成环形气流通道的内壳体和外壳体，所述内壳体和所述外壳体之间固定有第一旋流叶片；所述外壳体包括环向设置的集气腔，所述流体供应通道与所述集气腔连通，且所述流体供应通道内设置有可供气流由流体供应通道进入集气腔的单向活门；至少有一个所述第一旋流叶片内设置有导流腔，所述导流腔一端与集气腔连通，所述导流腔另一端与环形气流通道连通。
进一步地，所述燃油喷嘴和所述第一旋流器组件的内壳体之间还设置有中心旋流器组件。
进一步地，所述单向活门为压差活门。
进一步地，具有导流腔的所述第一旋流叶片均匀分布于环形气流通道内。
进一步地，第一旋流叶片的安装角度为30～50°。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：
本发明通过流体供应通道在容易发生燃烧不稳定现象的工况下，通过外部供入氧气或其他气体，改变燃烧的油气比例，避开化学反应释放能量发生扰动的工况，从而达到抑制振荡燃烧的目的；此外流体供应通道与集气腔之间设计单向流通活门，可在外部不供入气体时防止火焰筒内燃气倒灌；合理设计活门开启压力，可控制外部供入气体的流量，可用于抑制燃烧脉动、拓宽主燃烧室点火边界、提高燃烧室部件冷却效率。
附图说明
图1为实施例中优化燃烧性能的旋流燃烧室头部结构示意图；
图2为实施例中第一旋流叶片内部导流腔结构示意图；
其中，1、燃油通道；2、流体供应通道；3、燃油喷嘴；4、内壳体；5、外壳体；6、第一旋流叶片；7、集气腔；8、单向活门；9、导流腔；10、中心旋流器组件。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
参见图1-图2，一种优化燃烧性能的旋流燃烧室头部结构，包括燃油通道1、流体供应通道2以及安装于燃油通道1上的燃油喷嘴3，所述燃油喷嘴3外壁同轴固定有第一旋流器组件，所述第一旋流器组件包括可形成环形气流通道的内壳体4和外壳体5，所述内壳体4和所述外壳体5之间固定有第一旋流叶片6；所述外壳体5包括环向设置的集气腔7，所述流体供应通道2与所述集气腔7连通，且所述流体供应通道2内设置有可供气流由流体供应通道2进入集气腔7的单向活门8；至少有一个所述第一旋流叶片6内设置有导流腔9，所述导流腔9一端与集气腔7连通，所述导流腔9另一端与环形气流通道连通。
在本实施例中，航空发动机工作过程中，通过燃油通道1供油，燃油从燃油喷嘴3中喷出，利用压差或直接泵入一部分空气或其他流体介质从流体供应通道2供入，在第一旋流叶片6的偏转作用下形成旋流，外部供入的空气或其他流体充满集气腔7后，经导流腔9流入旋流叶片内部后均匀喷出至环形气流通道内，最后进入火焰筒。本实施例中的旋流燃烧室头部结构可以通过流体供应通道2在容易发生燃烧不稳定现象的工况下，通过外部供入氧气或其他气体，改变燃烧的油气比例，避开化学反应释放能量发生扰动的工况，从而达到抑制振荡燃烧的目的。比如设计时合理布置第一旋流叶片6的导流腔9的布局，在高空高原起动时，通过流体供应通道2额外供入氧气，在远离点火电嘴的燃烧室空间内形成适合燃烧及火焰面传播的油气比例，可以增加联焰成功的概率，拓宽点火边界。此外流体供应通道2与集气腔7之间设计单向流通活门，可在外部不供入气体时防止火焰筒内燃气倒灌；合理设计活门开启压力，可控制外部供入气体的流量，可用于抑制燃烧脉动、拓宽主燃烧室点火边界、提高燃烧室部件冷却效率。
本实施例中的流体供应通道2可以出于不同使用目的，可更换供入流体(如气体、燃油)类型。如用于抑制脉动燃烧，提高燃烧稳定性，可供入惰性气体以改变可燃混气的释热率，避开燃烧脉动较大的工况。当用于冷却旋流叶片及喷杆时，可以引入高压压气机的低温高压空气，将气流通道设计为包裹喷杆的形式，并将叶片内部的气流通道设计为更符合冷却原理的弯曲通道，以提高换热效率。
所述燃油喷嘴3和所述第一旋流器组件的内壳体4之间还设置有中心旋流器组件10。本实施例中的中心旋流器组件10主要由中心旋流叶片、中心空气进口、中心空气出口组成，第一旋流器组件与中心旋流器组件10共同构成二级旋流组件，一部分空气通过中心空气进口进入，从中心空气出口流出，在中心旋流叶片的偏转作用下形成旋流。通过二级旋流组件使旋流空气和燃油在火焰筒内形成可燃混气持续燃烧。
本实施例中的所述单向活门8为压差活门，可通过弹簧控制其开启或关闭。当流体供应通道2供入的流体压力与燃烧室环境压力的差值小于开启压力时，活门关闭；当差值大于开启压力时，活门打开，外部流体进入燃烧室。设计时合理选择压差活门的开启压力，同时监测燃烧室环境压力，就可以通过调节供入气体的压力控制活门开启时机及流量。
具有导流腔9的所述第一旋流叶片6均匀分布于环形气流通道内。航空发动机环形燃烧室一般设计有多个旋流头部，设计时可全部选用本发明设计的旋流燃烧室头部结构，也可与普通旋流装置配合使用。燃烧室内一般只布置1～2支高能点火器，发动机起动时，由点火器点燃附近油气混合物，随后火焰传播至整个环形燃烧室。高空/高原点火时空气稀薄，火焰不易传播，导致起动失败。因此通过在环形燃烧室间隔布置本发明的旋流燃烧室头部结构，在高空/高原点火时由外部通过流体供应通道2供入高压氧气，为火焰的传播提供优良条件，提高了联焰性能，达到拓宽主燃烧室点火边界的目的。
此外，导流腔9出口端可开始在环形气流通道气流方向的上游或下游，或者分布于旋流叶片的侧壁面，以实现不同的燃烧控制目的。
为提高进入环形通道内空气的旋流效果，本实施例中将第一旋流叶片6的安装角度设置为30～50°。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种优化燃烧性能的旋流燃烧室头部结构，其特征在于，包括燃油通道、流体供应通道以及安装于燃油通道上的燃油喷嘴，所述燃油喷嘴外壁同轴固定有第一旋流器组件，所述第一旋流器组件包括可形成环形气流通道的内壳体和外壳体，所述内壳体和所述外壳体之间固定有第一旋流叶片；所述外壳体包括环向设置的集气腔，所述流体供应通道与所述集气腔连通，且所述流体供应通道内设置有可供气流由流体供应通道进入集气腔的单向活门；至少有一个所述第一旋流叶片内设置有导流腔，所述导流腔一端与集气腔连通，所述导流腔另一端与环形气流通道连通。
2.根据权利要求1所述的旋流燃烧室头部结构，其特征在于，所述燃油喷嘴和所述第一旋流器组件的内壳体之间还设置有中心旋流器组件。
3.根据权利要求1所述的旋流燃烧室头部结构，其特征在于，所述单向活门为压差活门。
4.根据权利要求1所述的旋流燃烧室头部结构，其特征在于，具有导流腔的所述第一旋流叶片均匀分布于环形气流通道内。
5.根据权利要求1所述的旋流燃烧室头部结构，其特征在于，第一旋流叶片的安装角度为30～50°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |