CN107726364B - 一种蒸发管燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蒸发管燃烧室，在蒸发管的进口处和出口处均设置带有带有中心通道和旋流通道的旋流器。进口处的旋流器可以加速燃油的破碎雾化蒸发，初次旋流作用加强蒸发管内燃油和空气的掺混程度，同时可以增加油气混合物在蒸发内的停留时间；出口处的旋流器通过空气的二次旋流作用，在蒸发管下游至火焰筒头部之间形成低速回流区，用来提高火焰稳定性，防止燃烧室在低负荷时熄火。本发明的特征在于将旋流燃烧室的旋流作用用在蒸发管燃烧室上面，具有加强油气掺混和提高燃烧稳定性的双重优势。本发明提出的蒸发管燃烧室可用于微小型航空发动机和地面燃气轮机。

Description

一种蒸发管燃烧室

技术领域

本发明属于航空发动机和燃气轮机领域，具体涉及一种蒸发管燃烧室，能改善燃油破碎雾化，通过两次旋流作用促进燃油和空气掺混，提高燃烧稳定性和燃烧效率。

背景技术

采用蒸发管结构方案广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机燃烧室，尤其是微小型动力设备，如法国Turbomeca Arriel、荷兰AMT等一系列航空发动机。采用蒸发管方案的燃烧室具有结构简单、易于加工、成本低和综合燃烧性能好等优势，但是由于它一般不采用离心喷嘴，燃油雾化效果相对较差，燃油液滴粒径较大，发动机在大状态时容易冒烟，且由于没有专用的稳焰器，发动机在慢车以下或者巡航状态工作时熄火风险较大。

在加强油气掺混方面，现有技术中有在蒸发管内部采用肋片结构，通过增加燃油与空气的接触面积来强化换热，另外肋片可以降低气流的流速，延长油气混合物在蒸发管内的停留时间，增强换热效果。现有技术中还提出了凹腔壁面蒸发管，也是通过增加气流与蒸发管接触面积，达到增强换热并提高燃油雾化蒸发效果的目的。技术中还提出了花瓣型壁面蒸发管燃烧室方案，改变蒸发管壁面的形状，提高管壁与高温气体的接触面积，增加换热效果，从而提高在蒸发管内燃油的雾化效果。以上所述方案都是通过增加燃油和空气在蒸发管内的换热面积来改善燃油和空气的掺混效果，但是这些措施仅仅在强化油气换热，而没有改变液滴从大尺度颗粒向小尺度颗粒的破碎速度，因此仅仅通过强化换热对大尺度粒径液滴的雾化效果十分有限。

发明内容

本发明解决的技术问题：为克服上述现有蒸发管燃烧室的不足，本发明提供了一种蒸发管燃烧室方案，在蒸发管进口处和出口处增加带有中心通道和旋流通道的旋流器，油气混合物经进口处的旋流器进入蒸发管，燃油在初次旋流空气的作用下加速破碎雾化；而后经蒸发管出口处的旋流后进入燃烧室头部区域，在二次旋流作用下提高雾化质量，最大限度减少大颗粒燃油，改善发动机冒烟，提高燃烧效率；此外旋流在头部形成一定尺寸的低速回流区，有利于火焰稳定，提高燃烧室在低负荷工况下工作的稳定性，拓宽燃烧室工作边界。

本发明的解决技术方案：本发明提出了一种蒸发管燃烧室方案，在常规蒸发管燃烧室方案基础上，在蒸发管进口处和出口处分别安装带有中心通道和旋流通道的旋流器，燃油和空气混合物通过旋流后强化油气掺混，燃油在初次旋流空气作用下加速破碎，提升雾化质量，改善发动机冒烟。在二次旋流作用下在头部形成具有一定尺寸的低速回流区，提高火焰稳定性。

具体地，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种蒸发管燃烧室，包括火焰筒外筒、火焰筒内筒、火焰筒头部，所述火焰筒头部沿周向均布有多个蒸发管，其特征在于，

所述蒸发管的进口处以及出口处均内置有旋流器，所述旋流器包括中心通道以及设置在所述中心通道周向外围由多个旋流叶片与蒸发管内壁构成的旋流通道，并且所述中心通道的长度与各旋流叶片的长度相同，

油气混合物从进口处旋流器的中心通道和旋流通道进入蒸发管内，燃油在中心气流以及初次旋流空气的作用下加速破碎雾化；而后经出口处旋流器的中心通道和旋流通道进入火焰筒头部区域，油气混合物在中心气流以及二次旋流气流作用下进一步掺混雾化，并在所述火焰筒头部形成具有一定尺寸的低速回流区。

优选地，所述蒸发管包括依次连通的蒸发管进口段、蒸发管中间段和蒸发管出口段，所述蒸发管整体呈L型或者T型。

优选地，所述旋流器为单级旋流器或双级旋流器，所述双级旋流器中的两级旋流方向同向或反向。

优选地，所述旋流器为轴向旋流器或者径向旋流器，优先地采用轴向旋流器。

优选地，所述旋流叶片形状为直叶片或者弯曲叶片，叶片厚度为0.3mm～2mm，叶片高度2mm～10mm。叶片个数6～18个，具体个数与所需的通道面积有关。

优选地，所述旋流叶片的安装角为30°～75°，角度取决于所需要的旋流强度和流通面积。安装角度越大，通过蒸发管的空气旋流作用越强，越有利于对燃油的破碎雾化。叶片通道节流面积越小，通过进口旋流器后蒸发管内的旋流空气流速越大，越有利于燃油和空气的掺混作用。

优选地，所述火焰筒外筒和外焰筒内筒壁面上开设多排斜切孔，斜切孔的直径为0.3～1.5mm，斜切孔中心沿轴线方向的间距为1.0～5mm。空气通过斜切孔后贴着火焰筒内壁面形成发汗冷却，合理的优化布置间距，对壁面形成全覆盖冷却，降低火焰筒壁面温度，提高火焰筒寿命。

进一步地，所述火焰筒外筒和外焰筒内筒壁面上还开设有位于斜切孔下游的掺混孔，所述掺混孔的直径为4.5～10mm，个数为火焰筒蒸发管个数的N倍或者1/2N倍，其中N为整数。空气通过掺混孔后的射流空气对上游高温燃气进行冷却降温，在燃烧室出口形成合理的温度场。

根据本发明的另一方面，还提供了一种包括本发明上述蒸发管燃烧室的发动机。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

1.本发明提出了一种采用旋流作用的蒸发管燃烧室方案，与传统的蒸发管燃烧室方案相比，在蒸发管的进出口处分别设计了带有中心通道和旋流通道的旋流器。蒸发管进口处旋流器产生的中心气流和初次旋流作用对燃油进行破碎雾化，降低液滴尺寸粒径，并提高油气混合物分布均匀性，降低冒烟指数，提高燃烧效率。

2.本发明中蒸发管出口处旋流器对空气产生二次旋流作用，油气混合物在中心气流以及二次旋流气流作用下进一步掺混雾化，并在蒸发管出口下游至火焰筒头部区间内形成具有一定尺寸的回流区，有助于火焰稳定，降低发动机在慢车等低负荷状态下熄火风险。拓宽燃烧室稳定工作边界，提高发动机可靠性。

附图说明

图1是本发明的蒸发管燃烧室的结构示意图；

图2是本发明的蒸发管燃烧室的燃烧方案示意图；

图3是火焰筒壁面上开设的多排斜切孔放大图；

图4是本发明提出的T型蒸发管组件三维图；

图5是本发明提出的L型蒸发管组件三维图；

图6是单级旋流器的结构示意图；

图7是双级旋流器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1～5所示，本发明的蒸发管燃烧室，主要结构包括蒸发管组件1、火焰筒外筒2、火焰筒内筒3和火焰筒头部4等组件，各组件之间采用焊接方式构成一体，其中火焰筒外筒2、火焰筒内筒3和火焰筒头部4之间形成的内部区域形成燃烧室内流场空间。蒸发管组件1至少包括沿火焰筒头部4的周向均布的多个蒸发管5以及设置在蒸发管5进口处和出口处的进口旋流器6和出口旋流器7。蒸发管5包括依次连通的蒸发管进口段、蒸发管中间段、蒸发管出口段，如图4、5所示，三段构成L型或T型。

如图4、5所示，进口旋流器6和出口旋流器7结构类似，均包括中心通道以及设置在中心通道周向外围由多个旋流叶片与蒸发管内壁构成的旋流通道，并且中心通道的长度与各旋流叶片的长度相同。

从压气机过来的一部分高压空气从进口旋流器6的中心通道和旋流通道进入蒸发管5，在蒸发管5内部形成初次旋流作用；燃油从喷嘴喷口射流后也通过进口旋流器6进入蒸发管5，燃油在中心气流以及初次旋流作用下在蒸发管5内部破碎雾化，并和空气加速掺混，使得燃油由大颗粒逐渐破碎为较小的颗粒。相比于传统不带旋流的蒸发管燃烧室，较小颗粒会大大减少发动机的冒烟指数，提高燃烧效率。

油气混合物从出口旋流器7的中心通道和旋流通道流出蒸发管，由于中心气流以及二次旋流作用，在蒸发管出口至火焰筒头部4的区域形成具有一定尺寸的回流区8。油气混合物被点燃后在回流区8内可以稳定燃烧，由于回流区8的存在，使得流速降低，提高了混合物在燃烧室内的停留时间，同时新鲜的油气混合物在旋流作用下被卷吸进入回流区8，被高温燃气点燃，保持稳定的火焰面，改善发动机在小状态下的熄火极限。

从压气机过来的另一部分空气从火焰筒外筒2、火焰筒内筒3上的掺混孔9进入燃烧室内，对上游燃烧后的高温燃气进行掺混冷却，降至适宜的出口温度后从火焰筒尾部进入涡轮。

从压气机过来的另一部分空气从火焰筒外筒2、火焰筒内筒3上的多排斜切孔冷却10进入燃烧室内，如图3所示，冷却孔带一定的倾斜角度α，气流贴着火焰筒壁面以发汗冷却方式对火焰筒壁面进行冷却。合理优化布置孔的位置、大小和倾斜角度α，可对火焰筒壁面形成全覆盖发汗冷却，提高火焰筒使用寿命。

蒸发管安装的旋流器，可以是图6示的单级旋流器14结构形式，也可以使图7所示的双级旋流器15燃烧室，其中双级旋流的两级旋流方向是同向或者是反向，图7所示的是反向的双级旋流器结构形式。

旋流叶片16可以采用直线型叶片或者弯曲型叶片样式，叶片的个数为6～18个，叶片厚度为0.3mm～2mm，叶片高度2mm～10mm。图6和图7中所示的为弯曲叶片，叶片个数都分别是8个；叶片的数量、厚度和叶片高度根据所需叶片通道面积而确定；叶片安装角为30°～75°，叶片的安装角度根据所需旋流作用的强弱而确定。

以上所述方案仅为本发明的优选实施方式而已，对于本技术领域的其他人员来说，在不脱离本技术方案和原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰优化，这些改进和润饰等均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种蒸发管燃烧室，包括火焰筒外筒、火焰筒内筒、火焰筒头部，所述火焰筒头部沿周向均布有多个蒸发管，所述火焰筒外筒、火焰筒内筒、火焰筒头部之间形成的内部区域形成燃烧室内流场空间，其特征在于，

所述蒸发管的进口处以及出口处均内置有旋流器，所述旋流器包括中心通道以及设置在所述中心通道周向外围的旋流通道，所述中心通道的周向外围设置多个旋流叶片，所述多个旋流叶片与蒸发管内壁构成所述旋流通道，并且所述中心通道的长度与各旋流叶片的长度相同，

从压气机过来的一部分高压空气以及从喷嘴喷口射流后的燃油均从蒸发管进口处的旋流器的中心通道和旋流通道进入蒸发管内，高压空气经过蒸发管进口处的旋流器后形成中心气流以及初次旋流空气，燃油在中心气流以及初次旋流空气的作用下加速破碎雾化，使得燃油由大颗粒逐渐破碎为较小的颗粒；油气混合物经蒸发管出口处的旋流器的中心通道和旋流通道进入火焰筒头部区域，并形成为中心气流以及二次旋流气流，油气混合物在中心气流以及二次旋流气流作用下进一步掺混雾化，并在所述蒸发管的出口至火焰筒头部之间的区域形成具有一定尺寸的低速回流区；

所述火焰筒外筒和外焰筒内筒的壁面上开设多排斜切孔，斜切孔的直径为0.3～1.5mm，斜切孔中心沿轴线方向的间距为1.0～5mm，从压气机过来的另一部分高压空气从所述多排斜切孔进入燃烧室内，气流贴着火焰筒外筒和外焰筒内筒的壁面以发汗冷却方式对壁面进行冷却；

所述火焰筒外筒和外焰筒内筒的壁面上开设有位于斜切孔下游的掺混孔，所述掺混孔的直径为4.5～10mm，个数为火焰筒蒸发管个数的N倍或者1/2N倍，其中N为整数；从压气机过来的另一部分高压空气从所述掺混孔进入燃烧室内，对上游燃烧后的高温燃气进行掺混冷却。

2.根据权利要求1所述的蒸发管燃烧室，其特征在于，所述蒸发管包括依次连通的蒸发管进口段、蒸发管中间段和蒸发管出口段，所述蒸发管整体呈L型或者T型。

3.根据权利要求1所述的蒸发管燃烧室，其特征在于，所述旋流器为单级旋流器或双级旋流器，所述双级旋流器中的两级旋流方向同向或反向。

4.根据权利要求1所述的蒸发管燃烧室，其特征在于，所述旋流器为轴向旋流器或者径向旋流器。

5.根据权利要求1所述的蒸发管燃烧室，其特征在于，所述旋流叶片形状为直叶片或者弯曲叶片，叶片厚度为0.3mm～2mm，叶片高度2mm～10mm，叶片个数6～18个。

6.根据权利要求1所述的蒸发管燃烧室，其特征在于，所述旋流叶片的安装角为30°～75°。

7.根据权利要求1所述的蒸发管燃烧室，其特征在于，所述燃烧室为直流燃烧室或回流燃烧室。

8.一种包括上述权利要求1至7任一项所述的蒸发管燃烧室的发动机。

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