CN204730249U - 一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构，包括有：内、外两级轴向旋流器，内外旋流反向；内文氏管连接在内旋流器后面，带有喉部直伸段，在喉部直伸段周向开有单排进气孔；燃油喷嘴位于内旋流器轮毂中央，出口端面设置在内文氏管喉部上游一定距离处；外文氏管采用二次曲线造型，与前端的外旋流器相连，其设计收敛角小于内文氏管；内、外文氏管出口端面之间组成内、外旋流预混段。本实用新型通过对文氏管的改进设计，不仅可以在较小的流动损失下形成稳定的回流区，保持燃烧的稳定，而且可以显著改善旋流燃烧室的雾化特性，增强燃油与空气之间的均匀混合，从而避免了局部高温，大大减少NOx的生成。

Description

一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构

技术领域

本实用新型主要应用在燃气轮机旋流燃烧室设计中，尤其在燃油雾化和火焰稳定方面，具体涉及一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构。

背景技术

    在燃气轮机燃烧室设计中，燃油雾化和油气匹配是决定高性能燃烧室综合性能的关键，进而影响着整个发动机的动力性，经济性及排放指标。在燃气涡轮发动机燃烧室上，采用旋流燃烧方案一方面是为了使高速气流旋转产生离心力，形成回流区，从而维持火焰稳定，另一方面是为了使油气充分混合，保证燃烧完全，减少污染物生成。因此，燃烧室性能的好坏直接与燃烧室头部旋流燃烧装置（通称为火焰筒头部）的设计相关，对发动机起动特性、燃烧性能、污染排放和火焰筒寿命起决定作用。因此旋流燃烧装置的性能对燃烧室乃至整机性能具有至关重要的作用。

早期，不少学者提出双级旋流器、文氏管与离心喷嘴组合的旋流燃烧室头部方案，将形成回流区的进气功能与燃油气动雾化功能融为一体，同时具有燃油雾化、油气混合和回流区形成的功能。但由于旋流燃烧流场的复杂性，其流动和雾化特性与其结构、气动参数及其匹配有很大关系。因此有必要对旋流燃烧过程进行深入了解，才能对旋流燃烧装置的设计不断的优化和改进。

    本实用新型在双级旋流器、文氏管与离心喷嘴组合的旋流方案基础上，进行了结构改进。依据Rayleigh和Weber的雾化理论，通过构造一种设有开孔式文氏管的旋流结构，引入横向射流，对燃油射流产生气动力作用，从而改善燃油雾化质量和混气形成，避免了主燃区燃烧不均匀性造成的局部高温，减少了污染物生成，提高了燃烧室性能。

发明内容

本实用新型设计了一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧装置，其具体技术方案如下：

一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构：包括双级轴向旋流器，所述的双级轴向旋流器包括外旋流器和内旋流器，外旋流器和内旋流器旋向相反；内旋流器后连接着内文氏管，内文氏管喉部直伸段沿周向开孔；外旋流器后连接着外文氏管，外文氏管采用二次曲线造型；燃油喷嘴位于内旋流器轮毂中央，燃油喷嘴出口端面位于内文氏管喉部上游；内、外文氏管出口端面之间存在预混段。

所述的外旋流器叶片安装角大于内旋流器。所述的内文氏管设有喉部直伸段、收敛段和扩张段，喉部直伸段、收敛段和扩张段均采用直线造型。所述的内文氏管喉部直伸段沿周向的开孔选择单排圆孔或方孔。所述的内文氏管收敛角大于外文氏管，而内文氏管扩张角小于外文氏管。

该装置的第一个特点是双级轴向旋流器的设计，外旋流器的旋流强度要大于内旋流器，因而外旋流器叶片安装角要大于内旋流器。这样，外旋流能够控制下游火焰筒回流区，起稳定火焰作用，而内旋流与燃油混合，主要起改善雾化作用。

该装置第二个特点就是设计了一种带喉部直伸段的开孔式文氏管通道。开孔的目的是为了引入外旋射流，外旋射流以一定的角度进入内文氏管通道，正好与喷嘴中喷射出的锥形燃油射流相互作用。

阐述开孔引入外旋射流的机理，根据Rayleigh和Weber的雾化理论，燃油雾化是气动力、黏性力、液体表面张力和惯性力等四种力相互作用的结果，当液体表面所受的气动力作用大于表面张力时，液柱表面就会发生破裂，并进一步细化成不同直径的油粒。在内文氏管喉部处开圆孔引入外旋射流，一方面在横向的外旋射流气动力作用下，燃油射流会沿着气流流动方向弯曲，射流横截形状由圆形逐渐变成扁平形，最后变成越来越薄的油膜。另一方面油气之间相对速度使射流表面出现波动，这些波动加剧了燃油射流表面的弯曲，当一定程度时在波动的波谷处射流发生断裂，分裂成一段段碎片，进而可以破碎成许多细小的油粒，这样改善了燃油的雾化特性。

进一步阐述开孔引入外旋射流，喉部开孔的原因是内旋气流经过收敛通道后，速度增加，压力减小，因此在内文氏管喉部的内外两侧形成压力差。一方面有利于外旋气流的引入，另一方面使内旋气流速度增大，对油气之间的快速混合起强化作用。

进一步阐述开孔引入外旋射流，考虑到内文氏管结构周向对称性，孔的形状设计成圆孔或方孔；又由于内文氏管流动空间的限制，应选择在喉部中间位置开单排孔。

该实用新型的第三个特点是外文氏管的设计，通常的文氏管型面大都是先收缩后扩张的直线型面，而本装置外文氏管采用二次曲线型面设计。平滑的二次曲线型面保证了气流加速减压和减速增压过程能较平稳的过渡，这样避免了流场状态变化过大，以至在开孔引气处造成较大的局部阻力，从而产生较大的流动损失。

进一步阐述外文氏管的设计特点，该实用新型设计的内、外文氏管结构需匹配。外文氏管收敛角小于内文氏管，这样保证了内、外旋流的加速减压程度不一样，形成内外压差，便于从外旋流引入气体。而外文氏管扩张角的设计大于内文氏管，因为外文氏管扩张角既可限制喷雾角大小，又可限制旋流沿径向扩张的程度，从而控制下游回流区的大小。

进一步阐述外文氏管的设计特点，在设计上，内、外文氏管出口存在一段内、外旋流预混段。两股旋向和旋量不同的内、外旋流在预混段相遇，形成明显的紊流，较强紊流有利于燃油的雾化，促进油气之间的均匀混合。

本实用新型一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部设计方案，有益效果是不仅可以在较小的流动损失下形成稳定的回流区，保持火焰筒内燃烧的稳定，而且可以显著改善旋流燃烧室的雾化性能，增强燃油与空气之间的快速混合，避免局部高温，减少NOx的生成。

附图说明

附图给出本实用新型的设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构示意图：

图1：是本实用新型开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构的正视结构示意图；

图2：是本实用新型的内部结构示意图；

图3：是本实用新型的双级旋流器结构示意图；

图4：是本实用新型的内文氏管内部结构示意图；

图5：是本实用新型的外文氏管内部结构示意图；

图6：是本实用新型的具体实例尺寸示意图；

图7：是本实用新型的三维流动示意图；

图8：是本实用新型的带下游火焰筒的二维流动示意图；

示意图中具体的标号说明：1外旋流器、2内旋流器、3燃油喷嘴、4内文氏管 、

5外文氏管、6圆孔、7火焰筒、A内文氏管通道、B外文氏管通道、C预混段、D火焰筒区域。

具体实施方式                            

针对本文设计的实用新型一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构，参照图6给出的具体尺寸对实物结构进行了构造，并辅助构造下游火焰筒7对该实用新型的具体实施方法进行了如下阐述：

如图1和2所示，本实用新型的开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构采用2级轴流式旋流器，内、外旋流反向，外旋流强度大于内旋流，沿气流流动的方向来看，内旋流器2的转动沿顺时针，而外旋流器1的方向沿逆时针，如图3所示。燃油喷嘴3采用简单的离心压力喷嘴，布置在内旋流器2中心，其喷油出口位于距内文氏管4喉部上游一定距离处。内旋流器2后连接着内文氏管4，用来分割内、外旋流。内文氏管4采用带有喉部直伸段的先收敛后扩张的通道B，型面设计采用直线造型。在喉部直伸段中心位置沿着周向开大小形状相同的孔6，孔的形状可以是圆形或方形，如图4所示。外文氏管5连接在外旋流器1后面，构成外部壁面。外文氏管5采用先收敛后扩张的通道A，型面设计采用二次曲线造型，如图5所示。外文氏管喉部正好位于内文氏管4出口位置，内、外文氏管出口相距一段距离，此为内、外旋流的预混段C。

参照航空发动机CFM56燃烧室头部旋流结构尺寸，对本实用新型具体尺寸进行了设计。内旋流器出口内径20mm，外径42mm，叶片安装角30°，旋流数0.77，叶片轴向长度11mm，通道面积570.8mm2；外旋流器出口内径41.48mm，外径52mm，叶片安装角45°，旋流数0.90，叶片轴向长度11mm，通道面积457mm2；燃油喷嘴喷油出口位置距离内文氏管喉部上游2mm处；内文氏管收敛角27°，扩张角20°，喉部直伸段长度4mm，喉部直伸段沿着周向开8个直径为1.6mm的单排圆孔，出口直径19.2mm；外文氏管收敛角16°，扩张角33°，出口直径30mm。具体如图6所示。

在图7中，内、外两级轴向旋流器2和1，反向安装；离心压力喷嘴3安装位于内旋流器中央，出口距离下游内文氏管4喉部2mm；内、外旋流器2和1空气流路下游分别连接内、外文氏管4和5；在内文氏管4喉部中间位置沿着周向开8个直径1.6mm的相同圆孔6；预混段C下游，外文氏管5后面连接下游火焰筒7。下面对该装置的具体空气和燃油流路进行详细阐述：

在图7和8中，来流空气经由内、外旋流器2和1进入该实用新型结构，形成具有一定旋流强度的旋转射流，然后流经外旋流器1的旋转气流进入外文氏管通道A，同时流经内旋流器2的旋转气流进入内文氏管通道B，各自在文氏管收敛段进行加速减压。在内文氏管4喉部直伸段处开有一定数量圆孔6，此时正好外旋射流由圆孔6进入内文氏管通道B，由于内、外文氏管通道存在压差，因此进入内文氏管通道B的外旋射流具有较强的动量。燃油从位于内旋流器中心的喷嘴3喷出，正好与圆孔6横向进入的外旋射流相互作用。紧接着，流经内、外文氏管通道A和B的内、外旋气体在预混段C进行混合，形成了明显紊流，进一步促进了燃油与气体的均匀混合。最后燃油和空气混气一起进入下游火焰筒D中组织燃烧。

Claims (5)

1.一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构，其特征在于：

包括双级轴向旋流器，所述的双级轴向旋流器包括外旋流器（1）和内旋流器（2），外旋流器（1）和内旋流器（2）旋向相反；

内旋流器（2）后连接着内文氏管（4），内文氏管（4）喉部直伸段沿周向开孔；

外旋流器（1）后连接着外文氏管（5），外文氏管（5）采用二次曲线造型；

燃油喷嘴（3）位于内旋流器（2）轮毂中央，燃油喷嘴（3）出口端面位于内文氏管（4）喉部上游；内、外文氏管出口端面之间存在预混段。

2.根据权利要求1所述的一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构，其特征在于：所述的外旋流器叶片安装角大于内旋流器。

3.根据权利要求1所述的一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构，其特征在于：所述的内文氏管设有喉部直伸段、收敛段和扩张段，喉部直伸段、收敛段和扩张段均采用直线造型。

4.根据权利要求1所述的一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构，其特征在于：所述的内文氏管（4）喉部直伸段沿周向的开孔选择单排圆孔或方孔。

5.根据权利要求1所述的一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构，其特征在于：所述的内文氏管收敛角大于外文氏管，而内文氏管扩张角小于外文氏管。