CN109915857B - 一种新型燃烧室头部 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型燃烧室头部。此头部采用分级分区燃烧方案，主要包括值班级和主燃级。中心值班级为多孔介质燃烧段，外侧主燃级为单级旋流器。中心值班级为填充有多孔介质材料的燃烧段，不同孔径大小的多孔介质按“大‑小‑大”间隔布置，可以避免回火，保护头部结构；外侧主燃级可以选取相配合的单级或多级旋流器。文氏管收缩段采用多孔介质材料填充。本发明采用多孔介质材料，能高效利用燃烧室内部的辐射换热以及多孔介质凹凸不平的表面特性，增强文氏管的蒸发雾化效果，减小燃烧室的质量，有效降低污染物排放。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机燃烧室领域，具体涉及一种新型燃烧室头部。
背景技术
燃烧室性能高低主要由燃油雾化效果和火焰稳定特性来决定，为了实现高效的雾化效果以及良好的火焰稳定特性，现阶段高性能燃烧室头部多采用旋流气动雾化装置。该种头部主要由多级旋流器、文氏管、套筒和喷嘴组成，它既能保证燃油充分雾化蒸发和油气掺混完全，同时能在燃烧室头部下游区域形成良好的高温回流区以实现高速气流中火焰的稳定以及燃烧的充分。
现阶段不断追求减小发动机质量，增大发动机的推重比。多级旋流器中值班级的作用是形成一个高温回流区，以起到“火焰稳定器”的作用，同时提供一个高温点火源，点燃主燃级的新鲜混气。近些年来，在燃烧器中使用多孔介质的燃烧技术逐渐得到人们的重视。相对于燃烧时存在局部高温的传统自由空间燃烧，多孔介质燃烧有诸多优点。多孔介质燃烧具有燃烧速率和燃烧强度高、燃烧区域宽、温度分布均匀、燃烧效率高、污染物排放低、可拓宽贫燃极限、增大负荷调节比、结构节凑、设备体积小等特点。基于以上的优点和特性，研究员将多孔介质燃烧技术应用到液体燃料的燃烧中。利用多孔介质燃烧段替代值班旋流器并实现高温回流区的作用，有利于降低发动机质量、提高燃烧强度、减小燃烧体积。
文氏管的主要功能是将旋流器的出口气流在文氏管出口端部形成强烈的剪切层。燃油喷嘴喷出的一次雾化液滴呈锥形分布，并且与文氏管的内壁面碰撞。这些液滴在通过旋流器的气流的旋转扩张作用下，在文氏管内壁面形成一层薄薄的液膜，液膜中液体在旋流器的离心气流的作用下，不断的向文氏管出口端部位置流动，最终在文氏管端部的剪切层中强烈剪切作用下破碎成较小的液滴，称为二次雾化。这种成膜二次雾化的优点是，形成的液滴质量和分布稳定，受来流的影响较小，在航空发动机燃烧室中得到广泛的应用。本发明利用多孔介质填充文氏管收缩段，可以有效提高其蒸发雾化效果，提高燃烧效率，减小污染物排放。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种新型燃烧室头部，可以有效提高燃烧室燃烧效率、减小发动机质量以及降低污染物排放。本技术采用多孔介质燃烧段替代传统的值班级旋流器并且利用多孔介质填充文氏管收缩段。本发明的优点：减小发动机的质量，提高燃油雾化蒸发效果，降低污染物排放。
技术方案
本发明的目的在于提供一种新型燃烧室头部。
本发明技术方案如下：
一种新型燃烧室头部，采用了分级分区燃烧方案，其特征在于：分为主燃级与值班级，值班级结构为多孔介质燃烧段，主燃级结构为单级轴向旋流器，文氏管收缩段采用多孔介质材料填充。
所述的一种新型燃烧室头部，其特征在于：值班级为多孔介质燃烧段，排列方式按照“大-小-大”渐变结构排列方式，其中大孔介质的孔径为3～6mm、孔隙率为75～90％；小孔介质的孔径为0.3～0.8mm、孔隙率为70～85％。
所述的一种新型燃烧室头部，其特征在于：主燃级结构为单级轴向旋流器，所述的主燃级叶片，直叶片和曲叶片均能满足设计要求；叶片安装角为30°～60°，叶片个数为14～36片，叶片厚度为0.5～1.7mm，采用强旋设计，旋流强度为0.5～1.5；采用多点直射式喷嘴进行燃油喷射，喷雾锥角为30°～60°。
所述的一种新型燃烧室头部，其特征在于：文氏管收缩段采用多孔介质材料填充，孔径为4～8mm、孔隙率为80％～90％，排列方式为直通或者无序；文氏管出口收缩角为20°～70°。
所述的一种新型燃烧室头部，其特征在于：主燃级旋流器可以为单级或多级轴向旋流器，也可以为径向旋流器。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用多孔介质燃烧技术，可以显著提高燃烧的稳定性，使得高温区域温度分布均匀，减少出口局部热点，此外还有提高燃烧效率，增强燃烧强度，减少污染物排放的特点。(2)本发明多孔介质燃烧段采用渐变型排列结构方式，燃油依次通过大孔介质、小孔介质和大孔介质。液体通过大孔介质时与多孔介质固体骨架的剧烈碰撞使得液滴进行二次或多次雾化，促进液体燃料气化并与空气快速掺混形成均质混合气体，提高燃烧效率，降低污染物的排放。之后在小孔介质和大孔介质中进一步雾化蒸发并进行热量交换，中部的小孔介质可以有效防止回火，保证燃烧室头部的安全工作。同时燃烧区域内存在超焓现象，燃烧强度增加。(3)文氏管收缩段采用多孔介质填充，多孔介质表面凹凸不平，由喷嘴喷射而出的燃油在多孔介质表面空隙间发生强烈的漩涡、分流和合流，湍动混合强烈，同时由于燃烧室内部强烈的辐射传热，文氏管收缩段可以储蓄一部分热量，有利于燃油的蒸发，使得下游的燃烧反应加快，燃烧速率提高。
附图说明
图1：燃烧室头部整体及组成的火焰筒示意图；
图2：多孔介质燃烧段示意图；
图3：文氏管局部示意图；
主要元件符号说明:
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图1，本发明提供了一种有效降低燃烧室质量、提高燃烧效率并减少污染排放的新型燃烧室头部。
具体过程：值班级燃油喷射进入多孔介质燃烧段后，在多孔介质内进行二次或多次雾化，燃气混合一段时间后，经点火电极点火后，混合气在多孔介质中燃烧，燃烧稳定后，因为多孔介质的蓄热特性，可以关闭点火电极，依靠其自身热量保持燃烧的持续和稳定。主燃级喷嘴喷射的燃油经过文氏管收缩段的二次雾化形成质量更好的液滴，在主燃烧室内由多孔介质燃烧段提供点火能量，稳定燃烧。
Claims (5)
1.一种新型燃烧室头部，采用了分级分区燃烧方案，其特征在于：分为主燃级与值班级，值班级结构为多孔介质燃烧段，主燃级结构为单级轴向旋流器，文氏管收缩段采用多孔介质材料填充。
2.根据权利要求1所述的一种新型燃烧室头部，其特征在于：值班级为多孔介质燃烧段，排列方式按照“大-小-大”渐变结构排列方式，其中大孔介质的孔径为3～6mm、孔隙率为75～90％；小孔介质的孔径为0.3～0.8mm、孔隙率为70～85％。
3.根据权利要求1所述的一种新型燃烧室头部，其特征在于：主燃级结构为单级轴向旋流器，所述的主燃级叶片，直叶片和曲叶片均能满足设计要求；叶片安装角为30°～60°，叶片个数为14～36片，叶片厚度为0.5～1.7mm，采用强旋设计，旋流强度为0.5～1.5；采用多点直射式喷嘴进行燃油喷射，喷雾锥角为30°～60°。
4.根据权利要求1所述的一种新型燃烧室头部，其特征在于：文氏管收缩段采用多孔介质材料填充，孔径为4～8mm、孔隙率为80％～90％，排列方式为直通或者无序；所述文氏管出口收缩角为20°～60°。
5.根据权利要求1所述的一种新型燃烧室头部，其特征在于：主燃级旋流器可以为单级或多级轴向旋流器，也可以为径向旋流器。
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