CN207922288U - 一种预混旋流模型燃烧室 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种预混旋流模型燃烧室，包括石英玻璃罩、燃烧器底座、外旋流器、内旋流器、中心供气管，燃烧器底座内部具有一预混腔，中心供气管固定于燃烧器底座的中心，燃烧器底座设有供油口和供气口，外旋流器采用径向旋流器，内旋流器采用轴向旋流器，石英玻璃罩配置有燃烧腔和点火装置；流入中心供气管内的气体经内旋流器作用形成强旋流气体，空气和气态燃料分别经过供气口和供油口进入预混腔内初步预混并得到预混气体，强旋流气体与预混气体经外旋流器混合后进入石英玻璃罩内的燃烧腔。该预混旋流模型燃烧室以TAPS燃烧室为基础，结构新颖紧凑，燃烧模式贴近实际TAPS燃烧室，可为广泛用于燃烧学基础研究。

Description

一种预混旋流模型燃烧室

技术领域

本实用新型涉及一种模型燃烧室，尤其涉及一种旋流预混模型燃烧室。

背景技术

随着航空发动机与燃气轮机国家重大专项的发布，航空发动机与燃气轮机迎来了全新的发展契机。以航空发动机为例，作为航空发动机的动力来源，航空发动机燃烧室的研究是整个航空发动机研制体系的重要一环。

目前，国际上主流的先进航空发动机燃烧室类型有：GE公司的DAC燃烧室和TAPS燃烧室，P&W公司的TALON燃烧室，RR公司的第五阶段燃烧室等。其中TAPS(Twin AnnularPremixing Swirler)燃烧室被广泛应用于CFM-56以及新一代GEnx发动机中。图1即为TAPS燃烧室示意图(来源：李杰.商用航空发动机先进低排放燃烧室技术进展[J].航空科学技术,2014(7):6-11.)，可以看到TAPS燃烧室大体上分为主燃区和预燃级回流区，其在保持分区燃烧的同时引入了预混的概念，可极大提高燃烧效率和降低污染物排放。

作为一款成熟的商用航空发动机燃烧室，TAPS燃烧室也是我国商用航空发动机燃烧室设计的参考之一，但是相关基础研究数据的匮乏仍然限制了我国国产航空发动机的发展。因此，急需一种基于TAPS燃烧室的模型燃烧室，用来进行基础的燃烧学研究，获得第一手数据，并用来指导我国航空发动机燃烧室的设计。但目前现有的模型燃烧室，或者与实际TAPS燃烧室区别较大，或者没有观察视窗用来研究基础燃烧学。

实用新型内容

本实用新型以TAPS燃烧室为基础，通过提取其关键燃烧组织方式，设计了一款带有预混和旋流功能的模型燃烧室，其结构新颖紧凑，燃烧模式贴近实际TAPS燃烧室，可为广泛用于燃烧学基础研究。

本实用新型公开了一种预混旋流模型燃烧室，包括石英玻璃罩、燃烧器底座、外旋流器、内旋流器、中心供气管，燃烧器底座为一筒状结构，内部具有一预混腔；中心供气管固定于燃烧器底座的中心；燃烧器底座设有为预混腔供油或供气的供油口和供气口；外旋流器采用径向旋流器，并固定于燃烧器底座的一端；内旋流器采用轴向旋流器，并固定中心供气管内部；石英玻璃罩通过外旋流器与燃烧器底座固定连接，并配置有燃烧腔和点火装置；流入中心供气管内的气体经内旋流器作用形成强旋流气体，空气和气态燃料分别经过供气口和供油口进入预混腔内初步预混并得到预混气体，强旋流气体与预混气体经外旋流器混合后进入石英玻璃罩内的燃烧腔。

作为一种优选方案，燃烧器底座包括中空圆筒、分别固定在中空圆筒两端的底板和支撑板；底板为圆环状结构，且圆环内径等于中心供气管的外径；中心供气管固定于中空圆筒中心；预混腔由中心供气管、中空圆筒、底板和外旋流器围合而成；供油口和供气口布置在中空圆筒和/或底板上。

作为一种优选方案，外旋流器具有8个叶片，旋流角度为45°；或者具有6个叶片，旋流角度为60°。

作为一种优选方案，石英玻璃罩为圆柱形，能为各个方向激光等光学燃烧测量提供各个不同角度的观察窗口。

作为一种优选方案，石英玻璃罩由耐受2000℃高温的石英玻璃制成。

作为一种优选方案，内旋流器位于中心供气管的中心线上，并通过定位销与中心供气管固定连接。

作为一种优选方案，供油口和供气口布置在底板上，并以中心供气管为中心周向分布。

作为一种优选方案，供油口和供气口以中心供气管为中心周向等间距交错分布。

作为一种优选方案，供油口和供气口各有两个。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)外旋流器可增强湍流和掺混强度；内旋流器内流经的空气可以用来制造“值班火焰”，增强燃烧的稳定性。

(2)燃烧室顶部的石英玻璃罩可为激光等光学燃烧测量提供观察窗口，可以用来研究火焰在不同工况下的形态特征等研究因素。

(3)可通过调节与供气口和供油口连接的上游供气和供油量，获得合适的当量比，可通过调节外旋流器叶片的角度和通道的宽度等参数设计获得不同强度的旋流和预混效果。

(4)实用新型可以人为地构造强旋流的预混燃烧系统，且燃烧组织模式与目前主流的TAPS航空发动机燃烧室燃烧方式类似，可作为燃烧学科验证性、基础性科研的标准模型燃烧室，适用于各种气态燃料，为广泛用于开展燃烧学的基础研究，相关成果可用来指导航空发动机燃烧室设计。

附图说明

图1TAPS燃烧室燃烧组织示意图；

图2为旋流预混模型燃烧室的三维图；

图3为旋流预混模型燃烧室的三维剖视图1；

图4为旋流预混模型燃烧室的三维剖视图2；

图5为外旋流器的结构示意图；

图6为外旋流器不同叶片结构的旋流角度示意图：(a)8个叶片，(b)6个叶片；

图7为内旋流器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，即此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2-3所示，实施例中公开的旋流预混模型燃烧室主要包括石英玻璃罩1、燃烧器底座2、外旋流器3、内旋流器4、供油口5、中心供气管6、供气口7。

燃烧器底座2主要包括中空圆筒21以及分别固定在中空圆筒21两端的底板22和支撑板23，并具有一用于预混燃烧的预混腔24。底板22与中空圆筒21的端面帖合，为圆环状结构，圆环内径与中心供气管6的外径相等。支撑板23与底板22相对设置，也是圆环状结构，圆环内径与中空圆筒21的内径相等，用于支撑和固定外旋流器3。实施例中空圆筒21、底板22和支撑板23可一体成形，类似一个“哑铃”状结构。

中心供气管6位于中空圆筒21内的中心位置，并固定在底板22上，其一端穿过底板22的内环与外界连通，另一端向外旋流器3方向延伸，且无需固定。预混腔24内，在底板22的环形区域上还设有两个供气口7和两个供油口5，供气口7和供油口5以中心供气管6为中心周向等间隔布置，即呈90度交错分布，并分别与上游的供气管和供油管连接。供气口7和供油口5这种供气/油交错的方式可以增强油/气预混。

结合图4所示，外旋流器3通过支撑板23固定于燃烧器底座2的上方，与燃烧器底座2的中空圆筒21、中心供气管6和底板22共同在燃烧器底座2内围合成一个相对封闭的环状空腔，即预混腔24。

外旋流器3采用径向旋流器，用于增强外部供给预混合气的湍流和掺混强度。内旋流器4位于中心供气管6内部，并通过定位销与中心供气管6固定连接。内旋流器4采用轴向旋流器，由中心供气管6进入的空气经内旋流器4作用后可以用来制造“值班火焰”，以增强燃烧的稳定性。

石英玻璃罩1为中空圆筒状结构，中空圆筒内部即为燃烧腔，石英玻璃罩1还配置有点火装置，点火装置的位置不作限制，可布置于石英玻璃罩1的任意位置。石英玻璃罩1固定在外旋流器3的上方，通过外旋流器3和内旋流器4与预混腔24连通。石英玻璃罩1采用耐高温石英玻璃(耐受2000℃)制成。

如图5所示，从内旋流器4中流出的强旋流气体在流经外旋流器3的叶片所形成的径向通道时与燃烧器底座2的预混腔24内流出的预混气体进行充分混合后，进入石英玻璃罩1内的燃烧室，再根据实验需要进行燃烧。

具体的，空气和燃气分别通过供气口7、供油口5进入预混腔2内进行初步预混，再经外旋流器3径向旋流后进入石英玻璃罩1内的燃烧腔内。与此同时，值班火焰所需的空气进入中心供气管6，并经过内旋流器4轴向旋流后成为强旋流。从内旋流器4中流出的强旋流气体经过外旋流器3上叶片所形成的径向通道与燃烧器底座2的预混腔24内流出的预混气体进一步的充分混合后，进入石英玻璃罩1内的燃烧腔。预混腔2和值班火焰所需的空气在石英玻璃罩1内的燃烧腔内进一步混合，点火后即可实现高旋流高预混燃烧。

需要说明的是，该燃烧属于稳态燃烧，点火装置可以置于石英玻璃罩任何位置，对实验结果并不影响。在燃烧时，激光等光学设备可将石英玻璃罩1作为观察窗口对燃烧火焰形状及燃烧温度进行测量。

在实验中，还可以通过调节与供气口7和供油口5连接的上游供气、供油装置改变进入供气口、供油口的供气、供油量，从而获得合适的当量比；还可以通过调节外旋流器叶片的角度和通道的宽度等参数设计获得不同强度的旋流和预混效果。如图6所示，当外旋流器具有8个叶片时，旋流角度为45°，具有6个叶片时，旋流角度为60°。另外，该模型燃烧室还适用于各种气态燃料(包括预先雾化或气化了的液态燃料)的燃烧实验，即，只要是进入本燃烧室之前可以气化的燃料均可以适用。

综上可见，本专利可以人为地构造强旋流的预混燃烧系统，且燃烧组织模式与目前主流的TAPS航空发动机燃烧室燃烧方式类似，可作为燃烧学科验证性、基础性科研的标准模型燃烧室。且该预混旋流模型燃烧室的结构新颖紧凑，可塑性强，可以获得多种燃烧工况。燃烧模式贴近实际TAPS燃烧室，可为广泛用于燃烧学基础研究，相关成果可用来指导航空发动机燃烧室设计。

尽管以上结合附图对本实用新型的实施方案进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本实用新型保护之列。

Claims (9)

1.一种预混旋流模型燃烧室，其特征在于，包括石英玻璃罩(1)、燃烧器底座(2)、外旋流器(3)、内旋流器(4)、中心供气管(6)，

燃烧器底座(2)为一筒状结构，内部具有一预混腔(24)；中心供气管(6)固定于燃烧器底座(2)的中心；燃烧器底座(2)设有为预混腔(24)供油或供气的供油口(5)和供气口(7)；

外旋流器(3)采用径向旋流器，并固定于燃烧器底座(2)的一端；内旋流器(4)采用轴向旋流器，并固定中心供气管(6)内部；石英玻璃罩(1)通过外旋流器(3)与燃烧器底座(2)固定连接，并配置有燃烧腔和点火装置；

流入中心供气管(6)内的气体经内旋流器(4)作用形成强旋流气体，空气和气态燃料分别经过供气口(7)和供油口(5)进入预混腔(24)内初步预混并得到预混气体，强旋流气体与预混气体经外旋流器(3)混合后进入石英玻璃罩(1)内的燃烧腔。

2.根据权利要求1所述的预混旋流模型燃烧室，其特征在于，燃烧器底座(2)包括中空圆筒(21)、分别固定在中空圆筒(21)两端的底板(22)和支撑板(23)；底板(22)为圆环状结构，且圆环内径等于中心供气管(6)的外径；中心供气管(6)固定于中空圆筒(21)中心；预混腔(24)由中心供气管(6)、中空圆筒(21)、底板(22)和外旋流器(3)围合而成；供油口(5)和供气口(7)布置在中空圆筒(21)和/或底板(22)上。

3.根据权利要求1或2所述的预混旋流模型燃烧室，其特征在于，外旋流器(3)具有8个叶片，旋流角度为45°；或者具有6个叶片，旋流角度为60°。

4.根据权利要求1或2所述的混旋流模型燃烧室，其特征在于，石英玻璃罩(1)为圆柱形，能为各个方向激光等光学燃烧测量提供各个不同角度的观察窗口。

5.根据权利要求1或2所述的预混旋流模型燃烧室，其特征在于，石英玻璃罩(1)由耐受2000℃高温的石英玻璃制成。

6.根据权利要求1或2所述的预混旋流模型燃烧室，其特征在于，内旋流器(4)位于中心供气管(6)的中心线上，并通过定位销与中心供气管(6)固定连接。

7.根据权利要求2所述的预混旋流模型燃烧室，其特征在于，供油口(5)和供气口(7)布置在底板(22)上，并以中心供气管(6)为中心周向分布。

8.根据权利要求7所述的预混旋流模型燃烧室，其特征在于，供油口(5)和供气口(7)以中心供气管(6)为中心周向等间距交错分布。

9.根据权利要求8所述的预混旋流模型燃烧室，其特征在于，供油口(5)和供气口(7)各有两个。