CN220302218U - 一种浮动式爆震涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种浮动式爆震涡轮发动机，涉及涡轮机技术领域。包括：爆震燃烧室，由若干段弧形曲面的燃烧室外环段周向拼接构成，形成筒状的燃烧室结构；每段燃烧室外环段的外壁面上分别开设定位槽；发动机机匣，同轴设置在爆震燃烧室的外圈，发动机机匣上对应定位槽的位置分别开设安装孔，安装孔内设置定位销钉，销钉的端部插入定位槽中；其中，爆震燃烧室与发动机机匣之间设有第一间隙，第一间隙形成环形燃料腔，且定位销钉将爆震燃烧室和发动机机匣沿径向活动连接，使每段燃烧室外环段均可沿定位销钉的端部径向移动。本实用新型能够减小爆震燃烧室的热变形，保证爆震燃烧室长时间的稳定工作，延长使用寿命，提高涡轮机整体可靠性。

Description

一种浮动式爆震涡轮发动机

技术领域

本实用新型涉及涡轮机技术领域，具体涉及一种浮动式爆震涡轮发动机。

背景技术

涡轮发动机是目前在发电领域和航空航天领域常用的一种热机。其主要工作原理是空气进入压气机增压后与燃料混合，在燃烧室内产生高温烟气，推动涡轮做功，涡轮带动压气机和负载。常见的涡轮发动机包括，涡喷涡扇航空发动机、燃气轮机；涡喷涡扇航空发动机主要利用涡轮出口的高温高压烟气，在尾喷管内产生高温超速的气流，产生推力。燃气轮机则是利用涡轮带动发电机负载，产生电力。

为了提高涡轮发动机燃烧室内的燃烧稳定性及燃烧效率，可采用爆震燃烧室代替传统的缓燃燃烧室，不仅能够有效减少压力损失，大幅提高燃烧效率，而且能够降低氮氧化物(NO_x)的排放。目前的爆震燃烧室结构均采用刚性连接的方式固定在涡轮发动机内，由于爆震燃烧室内的燃烧温度高，火焰传播速度极快，刚性固定的方式使得燃烧室受热膨胀时热应力较大，长时间工作易导致燃烧室产生热变形，甚至产生裂纹，影响使用寿命。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种浮动式爆震涡轮机，以达到减小高温导致的燃烧室热变形，提高爆震燃烧室使用寿命的目的。

本申请实施例提供以下技术方案：一种浮动式爆震涡轮发动机，包括：

爆震燃烧室，所述爆震燃烧室由若干段弧形曲面的燃烧室外环段周向拼接构成，形成筒状的爆震燃烧室结构；每段所述燃烧室外环段的外壁面上分别开设定位槽；

发动机机匣，所述爆震燃烧室同轴设置在所述发动机机匣的内圈，所述发动机机匣上对应所述定位槽的位置分别开设安装孔，所述安装孔内设置定位销钉，使所述定位销钉的端部插入所述定位槽中；

其中，所述爆震燃烧室与所述发动机机匣之间设有第一间隙，所述第一间隙形成用于容纳燃料的环形燃料腔，且所述定位销钉将所述爆震燃烧室和所述发动机机匣沿径向活动连接，使每段所述燃烧室外环段均可沿所述定位销钉的端部径向移动。

根据本申请一种实施例，相邻的所述燃烧室外环段的拼接端面上分别设置弹性密封结构，所述弹性密封结构采用包括石墨带、金属弹性密封垫中的任一种。

根据本申请一种实施例，相邻的所述燃烧室外环段的拼接端面上的所述弹性密封结构之间设有第二间隙，所述第二间隙形成用于燃料流动的燃料通路，以使所述环形燃料腔中的燃料通过所述燃料通路进入所述爆震燃烧室内腔的爆震燃烧区。

根据本申请一种实施例，所述第二间隙的宽度为0.1～3mm。

根据本申请一种实施例，所述燃烧室外环段包括自燃烧室外圈向轴心方向依次设置的金属基体层和陶瓷瓦层，所述陶瓷瓦层将所述金属基体层的内侧壁面，以及前、后壁面包裹，以形成所述燃烧室外环段。

根据本申请一种实施例，所述金属基体层的厚度至少为所述陶瓷瓦层的厚度的3倍。

根据本申请一种实施例，所述发动机机匣上开设若干燃料入口，所述燃料入口与所述环形燃料腔连通。

根据本申请一种实施例，还包括压气机和涡轮，所述压气机和所述涡轮同轴联接；所述压气机的进口吸入空气，所述压气机的出口连通所述爆震燃烧室的空气进口，使增压后的空气进入所述爆震燃烧室内与燃料混合后进行爆震燃烧；所述爆震燃烧室的烟气出口连通所述涡轮，推动所述涡轮做功。

根据本申请一种实施例，所述压气机包括多级动叶和多级静叶，所述动叶和所述静叶依次交替间隔排布；其中，所述动叶的级数比所述静叶的级数多一级，使所述压气机的初级叶片和末级叶片均为所述动叶。

根据本申请一种实施例，所述涡轮为无导叶的轴流式涡轮。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本实用新型实施例的爆震燃烧室采用浮动式的连接结构，能够有效减小高温产生的热应力，吸收周向及径向的热膨胀，减小热变形，保证爆震燃烧室长时间的稳定工作，延长使用寿命，提高涡轮机整体可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型实施例的浮动式爆震涡轮机部分结构示意图；

图2是本实用新型实施例的涡轮机的爆震燃烧室结构示意图；

图3是本实用新型实施例的爆震燃烧室的燃烧室外环段结构示意图；

图4是本实用新型实施例的爆震燃烧室的燃烧室外环段另一结构示意图；

图5是本实用新型实施例的浮动式爆震涡轮机整体结构示意图；

其中，1-发动机机匣，2-燃烧室外环段，2-1-金属基体层，2-2-陶瓷瓦层，3-环形燃料腔，4-燃料入口，5-爆震燃烧区，6-定位销钉，7-定位槽，8-发动机转子，9-爆震燃烧室，10-涡轮动叶，11-压气机。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，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例，都属于本申请保护的范围。

如图1-图5所示，本实用新型实施例提供了一种浮动式爆震涡轮发动机，包括：爆震燃烧室9，所述爆震燃烧室9由若干段弧形曲面的燃烧室外环段2周向拼接构成，形成筒状的爆震燃烧室9结构；每段所述燃烧室外环段2的外壁面上分别开设定位槽7；发动机机匣1，所述爆震燃烧室9同轴设置在所述发动机机匣1的内圈，所述发动机机匣1上对应所述定位槽7的位置分别开设安装孔，所述安装孔内设置定位销钉6，使所述定位销钉6的端部插入所述定位槽7中；其中，所述爆震燃烧室9与所述发动机机匣1之间设有第一间隙，所述第一间隙形成用于容纳燃料的环形燃料腔3，且所述定位销钉6将所述爆震燃烧室9和所述发动机机匣1沿径向活动连接，使每段所述燃烧室外环段2均可沿所述定位销钉6的端部径向移动。

本实用新型实施例的爆震燃烧室9设置为多段拼接式结构，如图2所示，每段均可沿定位销钉6径向浮动，相对于传统的刚性固定式的爆震燃烧室9结构，本实用新型实施例的浮动式爆震燃烧室9在高温工作环境产生热膨胀时，各自独立的所述燃烧室外环段2可沿径向浮动，有效减小高温产生的热应力，保证爆震燃烧室9长时间的稳定工作，延长使用寿命，提高涡轮机整体可靠性。

本实施例中，上述定位销钉6将每段所述燃烧室外环段2在周向上进行定位，使多段所述燃烧室外环段2在发动机机匣1内圈中周向拼接形成所述浮动式的爆震燃烧室9。另外，在发动机机匣1与所述爆震燃烧室9之间形成环形燃料腔3，用于将燃料先引入所述环形燃料腔3中，再从所述环形燃料腔3中进入所述爆震燃烧室9内腔。一方面，燃料进入所述环形燃料腔3中，能够对爆震燃烧室9进行冷却降温，进一步避免爆震燃烧室9由于温度过高而产生热变形；另一方面，液态的燃料在所述环形燃料腔3中被加热气化，再进入爆震燃烧室9内和空气混合，气体状态的燃料可以和空气更好的混合，有助于进行爆震燃烧。

为了进一步的减小高温产生的热应力，在一种实施例中，相邻的所述燃烧室外环段2的拼接端面上分别设置弹性密封结构，所述弹性密封结构采用包括石墨带、金属弹性密封垫中的任一种。本实施例中，相邻的所述燃烧室外环段2的拼接端面均为自由端面，在拼接端面上设置弹性密封结构，一方面可以将拼接处进行密封，另一方面，弹性的密封结构可以吸收所述燃烧室外环段2在周向上的热膨胀，进一步减小热应力。本实施例的结构设置可以满足爆震燃烧室9在径向及周向上的热膨胀，保证爆震燃烧室9在高温环境下长时间的稳定工作，延长爆震燃烧室9使用寿命，提高设备可靠性。本实用新型对上述弹性密封结构不做具体限定，能适用于高温环境的弹性密封件均可，本实施例优选采用石墨带，或金属弹性密封垫。

在一种实施例中，相邻的所述燃烧室外环段2的拼接端面上的所述弹性密封结构之间设有第二间隙，所述第二间隙形成用于燃料流动的燃料通路，以使所述环形燃料腔3中的燃料通过所述燃料通路进入所述爆震燃烧室9内腔的爆震燃烧区5。本实施例中，相邻的弹性密封结构之间并不是完全的挤压状态，且预留有所述的第二间隙，使得所述环形燃料腔3中气化的燃料通过该间隙进入所述爆震燃烧室9内腔。该结构设置合理，既简化了设备结构，同时优化了燃料的流路，使得气态燃料能够均匀的进入爆震燃烧中，保证燃料与空气均匀混合，进而实现充分稳定的燃烧。

进一步地，为了保证所述燃料通路在燃烧室外环段2发生热膨胀后不会完全压缩而封堵了燃料通路，同时保证所述燃料通路不会过宽而影响爆震燃烧，本实施例优选的所述第二间隙的宽度为0.1～3mm。

在一种实施例中，如图3所示，所述燃烧室外环段2包括自燃烧室外圈向轴心方向依次设置的金属基体层2-1和陶瓷瓦层2-2，所述陶瓷瓦层2-2将所述金属基体层2-1的内侧壁面，以及前、后壁面包裹，以形成所述燃烧室外环段2。其中，金属基体层2-1用于提供刚性支撑，能够保证爆震燃烧室9的刚性结构，内层固定设置陶瓷瓦层2-2，陶瓷瓦层2-2具有良好的隔热性能，降低热传导，可减小爆震燃烧室9的冷却需求，简化设备结构，降低设备成本。

其中，所述金属基体层2-1需要保证足够的刚性支撑能力，本实施例优选的，所述金属基体层2-1的厚度至少为所述陶瓷瓦层2-2的厚度的3倍。

本实施例的优选结构中，所述发动机机匣1上开设若干燃料入口4，所述燃料入口4与所述环形燃料腔3连通，以将燃料通入所述环形燃料腔3中。

本实施例中，所述爆震燃烧室中进行连续旋转爆震燃烧，将发动机转子8设置在爆震燃烧室的中心位置，使发动机转子8与燃烧室形成环形腔，所述环形腔为所述爆震燃烧区5，为连续旋转爆震燃烧形成了环形通道。所述发动机转子8与所述爆震燃烧区5之间可设置隔热层。

本实施例中，还包括压气机11和涡轮，所述压气机11和所述涡轮同轴联接；所述压气机11的进口吸入空气，所述压气机11的出口连通所述爆震燃烧室9的空气进口，使增压后的空气进入所述爆震燃烧室9内与燃料混合后进行爆震燃烧；所述爆震燃烧室9的烟气出口连通所述涡轮，推动所述涡轮做功。

在传统的多级轴流压气机中，多级动叶和多级静叶依次交替间隔排布，空气在动叶片内被加速后，总压上升，再次经过静叶片的减速增压，总压略微下降，静压上升，并且还需要经过额外设置的出口导叶(OGV)、以及扩压器，两种减速结构后，再进入燃烧室中。由于空气进入末级静叶、OGV、扩压器后，减速，带来额外的总压损失和能量损失，因此会牺牲一部分效率，导致整机的效率下降。

因此，本实施例中采用浮动式爆震燃烧室9，由于连续旋转爆震燃烧的火焰传播速度极快，根据燃料、温度和当量比不同，在1000～2000m/s之间，因此不需要减速，减少了气流减速和加速过程中的压力损失。并且，本实施例中的所述压气机11包括多级动叶和多级静叶，所述动叶和所述静叶依次交替间隔排布；其中，所述动叶的级数比所述静叶的级数多一级，使所述压气机11的初级叶片和末级叶片均为所述动叶。如图5所示，该压气机11包括多级动叶R1、R2、R3、R4，除末级动叶外每级动叶后有一级静叶S1、S2、S3，末级为动叶R4，空气经过末级动叶R4后，进入爆震燃烧室9与燃料混合。

本实施例的涡轮机轴向尺寸相对传统设计减小，适用于对轴向尺寸要求严格的场合，并且设备部件减少，降低了成本，更重要的是减少了气流加速和减速过程中的总压损失，提高了效率。进一步优选的，所述涡轮为无导叶的轴流式涡轮，使得连续旋转爆震出口的高温高速气流，直接推动涡轮动叶10做功，避免了高温烟气经过涡轮导叶后产生总压损失，进而降低效率。

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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，包括：

爆震燃烧室，所述爆震燃烧室由若干段弧形曲面的燃烧室外环段周向拼接构成，形成筒状的爆震燃烧室结构；每段所述燃烧室外环段的外壁面上分别开设定位槽；

发动机机匣，所述爆震燃烧室同轴设置在所述发动机机匣的内圈，所述发动机机匣上对应所述定位槽的位置分别开设安装孔，所述安装孔内设置定位销钉，使所述定位销钉的端部插入所述定位槽中；

其中，所述爆震燃烧室与所述发动机机匣之间设有第一间隙，所述第一间隙形成用于容纳燃料的环形燃料腔，且所述定位销钉将所述爆震燃烧室和所述发动机机匣沿径向活动连接，使每段所述燃烧室外环段均可沿所述定位销钉的端部径向移动。

2.根据权利要求1所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，相邻的所述燃烧室外环段的拼接端面上分别设置弹性密封结构，所述弹性密封结构采用包括石墨带、金属弹性密封垫中的任一种。

3.根据权利要求2所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，相邻的所述燃烧室外环段的拼接端面上的所述弹性密封结构之间设有第二间隙，所述第二间隙形成用于燃料流动的燃料通路，以使所述环形燃料腔中的燃料通过所述燃料通路进入所述爆震燃烧室内腔的爆震燃烧区。

4.根据权利要求3所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，所述第二间隙的宽度为0.1～3mm。

5.根据权利要求1所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，所述燃烧室外环段包括自燃烧室外圈向轴心方向依次设置的金属基体层和陶瓷瓦层，所述陶瓷瓦层将所述金属基体层的内侧壁面，以及前、后壁面包裹，以形成所述燃烧室外环段。

6.根据权利要求5所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，所述金属基体层的厚度至少为所述陶瓷瓦层的厚度的3倍。

7.根据权利要求1所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，所述发动机机匣上开设若干燃料入口，所述燃料入口与所述环形燃料腔连通。

8.根据权利要求1所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，还包括压气机和涡轮，所述压气机和所述涡轮同轴联接；所述压气机的进口吸入空气，所述压气机的出口连通所述爆震燃烧室的空气进口，使增压后的空气进入所述爆震燃烧室内与燃料混合后进行爆震燃烧；所述爆震燃烧室的烟气出口连通所述涡轮，推动所述涡轮做功。

9.根据权利要求8所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，所述压气机包括多级动叶和多级静叶，所述动叶和所述静叶依次交替间隔排布；其中，所述动叶的级数比所述静叶的级数多一级，使所述压气机的初级叶片和末级叶片均为所述动叶。

10.根据权利要求8所述的浮动式爆震涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮为无导叶的轴流式涡轮。