發動機小型預燃室的製作方法

2023-12-06 12:44:46 1

專利名稱：發動機小型預燃室的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃燒室點火裝置，特別設計一種對點火性能要求較高的航空發動機主燃燒室、加力燃燒室等發動機燃燒室點火用的小型預燃室。
背景技術：
點火可靠性是發動機燃燒室性能的主要指標之一，點火方式分為兩種，即直接點火和間接點火。直接點火常用電火花點火，間接點火常採用預燃室點火。預燃室點火的主要優點在於火炬能量大，但已有的預燃室點火系統結構比較複雜，尺寸較大、質量重，安裝不方便。目前西方國家航空發動機基本採用直接點火方式，前蘇聯航空發動機多採用間接點火方式。但隨著各國人們對汙染問題的關注越來越高，火焰筒頭部設計朝貧油方向發展； 加之新的替代燃料的使用，蒸發性能下降，這些都使航空發動機高空點火性能惡化，採用直接點火變得越來越困難。而設計出結構緊湊、性能可靠的預燃室是解決上述困難的途徑之一。目前加力燃燒室預燃室點火器主要分為中心點火和旁路點火兩類。如WP6、WP7採用的就是中心點火的預燃室，這種預燃室室容積大，是均勻混氣的單相燃燒，火舌溫度高，加力點火可靠性好； P25、J79發動機中都採用了旁路點火器，前者為單相燃燒，後者為兩相燃燒，後者比前者的貧富油點火範圍要寬一些。但無論哪種結構的燃燒室尺寸都比較大，長度都超過200mm，安裝較麻煩，尤其針對尺寸要求小的航空發動機，現有技術的預燃室還不能滿足裝配要求。因此，針對目前國內外航空發動機主燃燒室、加力燃燒室等預燃室的不足，很有必要在現有技術的基礎之上，設計一種結構緊湊，尺寸小，可以在寬廣的來流馬赫數範圍內實現成功點火的新型預燃室。

發明內容
發明目的本發明的目的是為了解決現有技術的不足，提供一種結構設計合理、尺寸小，燃油的霧化效果好，點火穩定可靠，可以在寬廣的來流馬赫數範圍內實現成功點火， 適用範圍廣泛的新型預燃室。技術方案為了實現以上目的，本發明所採取的技術方案為
一種發動機小型預燃室，它包括預燃室本體，在預燃室本體內安裝有一級旋流器，二級旋流器，噴油杆和點火電嘴，所述的點火電嘴垂直安裝在一級旋流器和二級旋流器的中心線上，噴油杆插入在和一級旋流器相連通的進油通道內，所述的一級旋流器包括蝸殼、旋流葉片，在旋流葉片出口處設有流動通道的喉道，所述的二級旋流器包括殼體、旋流葉片， 文氏管，在旋流葉片出口處設有流動通道的喉道，所述的一級旋流器上的旋流葉片和二級旋流器上的旋流葉片旋轉方向相反。
作為優選方案，以上所述的發動機小型預燃室，在預燃室出口處設置有穩定火焰的帽罩，該帽罩能保證預燃室出口回流區的穩定，保證油氣比分布滿足著火條件，起到很好的穩定火焰作用。作為優選方案，以上所述的發動機小型預燃室，所述的一級旋流器上的旋流葉片和二級旋流器上旋流葉片均為6片。當然也可根據實際需要設計相應數目的旋流葉片，其中一級旋流器上的旋流葉片和二級旋流器上的旋流葉片旋轉方向相反。燃油通過噴油杆以直射的方式噴入一級旋流器，在氣動力作用下沿一級旋流器流動通道，在一級旋流器的六個旋流葉片上形成油膜，一級旋流器流動通道的喉道設計在旋流葉片出口處，因此在旋流葉片出口高速氣流作用下油膜破碎成油珠，從一級旋流葉片射出的氣流具有很大的周向速度，破碎的小油珠具有很好的跟隨性，跟隨氣流一起向出口運動，這部分燃油佔總燃油量很小；而較大的油珠被甩向外側，在氣動力和表面張力的作用下，在二級旋流器文氏管表面高速旋轉展成薄油膜，而二級旋流器的葉片旋向與一級的相反，二級旋流器旋流葉片出口與文氏管出口處於同一截面，氣流經過二級旋流器後獲得高速旋流，在二級旋流葉片出口處破碎，被霧化的燃油以反方向旋轉的方式從文氏管流出，起到很好的霧化燃油的效果，為燃油的充分燃燒實現穩定點火提供良好的條件。以上所述的發動機小型預燃室，其中一級旋流器具備三個方面的作用一是在旋流葉片出口處將部分燃油霧化，二是在旋轉氣流作用下使大部分燃油在二級旋流器文氏管上形成均勻油膜，三是旋轉的氣流會使中心壓力低，形成軸向回流區，回流區內又存在經一級旋流部分霧化的燃油，這就為成功點火創造了條件。作為優選方案，以上所述的發動機小型預燃室，所述的一級旋流器和二級旋流器的流動通道的喉道面積比為4:9，本發明經過大量實驗篩選一級旋流器和二級旋流器的流動通道的喉道面積比，實驗結果表明，當一級旋流器和二級旋流器的流動通道的喉道面積比為4:9時，其中流過二級旋流器的氣體流量大於一級旋流器，在預燃室出口下遊會形成一對穩定的回流區，如圖4所示。因此在出口處設置有保證回流區穩定的帽罩，如圖5所示，點火電嘴點火處氣流速度在(TlOm/s範圍內，這就保證了點火成功的燃氣流低速條件， 並且一級旋流葉片出口霧化燃油為預燃室點火成功提供需要的油氣比。有益效果本發明提供的發動機小型預燃室與現有技術相比具有以下優點
1.發明提供的發動機小型預燃室，結構設計合理，能提供很好的燃油霧化和穩定低速點火區，本發明將雙旋流氣動霧化器與點火電嘴一體化設計，電嘴設計安裝在雙旋流氣動霧化器的中心，使整個預燃室結構緊湊，尺寸小，便於安裝，能廣泛用於尺寸要求小的航空發動機、加力燃燒室的裝配要求。2、發明提供的發動機小型預燃室，操作方便，通過性能檢測結果表明，發明提供的發動機小型預燃室，在旋轉氣流的作用下，在點火點附近一直到穩焰帽罩出口處，形成了一對回流區，由於預燃室前後壓差較大，形成的回流區不容易受到上遊氣流變化的影響，為預燃室穩定著火提供保證，並且實驗結果表明本發明提供的小型預燃室可以在寬廣的來流馬赫數範圍內實現成功點火，燃油的霧化效果好，且點火處燃氣流速低能控制在0至lOm/s的速度內，點火穩定可靠；另外，本發明提供的發動機小型預燃室，燃油的SMD隨空氣量的增加而減小，但最終能穩定在10^1。


圖1是本發明提供的發動機小型預燃室的結構示意圖。圖2是圖1中沿A-A方向截面的結構示意圖。圖3是圖1中沿B-B方向截面的結構示意圖。圖4是發動機小型預燃室內部流動特點檢測的數值結果的平面流線圖。圖5是發動機小型預燃室內部流動特點檢測的數值結果的平面速度等值線分布圖。圖6是實驗測得的發動機小型預燃室的油珠SMD隨空氣、燃油流量比的變化規律圖。圖7是實驗測得的發動機小型預燃室不同來流馬赫數下的穩定點火範圍分布圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。實施例1
如圖1、圖2和圖3所示，一種發動機小型預燃室，它包括預燃室本體1，在預燃室本體1內安裝的一級旋流器2，二級旋流器3，噴油杆4和點火電嘴5，所述的點火電嘴5垂直安裝在一級旋流器1和二級旋流器2的中心線上，噴油杆4插入在和一級旋流器2相連通的進油通道內，所述的一級旋流器2包括蝸殼2-1、旋流葉片2-2，在旋流葉片2-2出口處設有流動通道的喉道，所述的二級旋流器3包括殼體3-1、旋流葉片3-2，文氏管3-3，在旋流葉片3-2出口處設有流動通道的喉道，所述的一級旋流器2上的旋流葉片2-2和二級旋流器 3上的旋流葉片3-2旋轉方向相反。以上所述的發動機小型預燃室，在預燃室出口處設置有穩定火焰的帽罩6。以上所述的發動機小型預燃室，所述的一級旋流器2上的旋流葉片2-2和二級旋流器3上旋流葉片3-2均為6片。且旋流葉片2-2和旋流葉片3-2旋轉方向相反。以上所述的發動機小型預燃室，所述的一級旋流器2和二級旋流器3的流動通道的喉道面積比為4:9。實施例2
1、本發明提供的發動機小型預燃室的內部流動特點檢測使用商業計算流體力學軟體 fluente. 3，對預燃室進行了全三維數值模擬使用K_e紊流模型和SIMPLE算法，各參數的離散均採用二階迎風格式，解收斂的標準為連續方程殘差滿足不大於10_6 ；進口設為壓力邊界條件(表壓15000pa)，出口設為自由邊界，即為環境壓力。檢測數值結果顯示在旋轉氣流的作用下，在點火點附近一直到穩焰帽罩出口處，形成了一對回流區如圖4所示，形成的回流區不容易受到上遊氣流變化的影響，使得該預燃室著火穩定；並且如圖5所示，點火電嘴點火處氣流速度在0至lOm/s範圍內，為點火成功創造了良好的燃氣流低速條件。2、為了表徵本發明提供的發動機小型預燃室雙旋流氣動霧化器對燃油的霧化性能，本發明實驗檢測了雙旋流氣動霧化器對航空煤油的霧化特性，如圖6實驗結果表明燃油的SMD可達到10 !值左右。3、本發明還進行了點火範圍實驗，如圖7實驗結果表明本發明提供的發動機小型預燃室可在很寬的馬赫數範圍內實現成功點火；當馬赫數為0. 62時，預燃室的點火範圍最寬。本發明提供的發動機小型預燃室實際工作時首先根據發動機燃燒室的實際工作範圍以及油壓泵的工作能力，設計適合噴油杆4的噴口面積，設計的原則油束要成束噴入， 且速度越小越好以免濺起。在發動機工作達到需要的狀態時，點火電嘴5開始供電點火，點火電嘴5點火能量 50mJo燃油通過噴油杆4以直射的方式噴入一級旋流器2，在氣動力作用下沿一級旋流器2流動通道，在一級旋流器2的六個旋流葉片2-2上形成油膜，一級旋流器2流動通道的喉道設計在旋流葉片2-2出口處，因此在旋流葉片2-2出口高速氣流作用下油膜破碎成油珠，從一級旋流葉片2-2射出的氣流具有很大的周向速度，破碎的小油珠具有很好的跟隨性，跟隨氣流一起向出口運動，這部分燃油佔總燃油量很小；而較大的油珠被甩向外側，在氣動力和表面張力的作用下，在二級旋流器3文氏管3-3表面高速旋轉展成薄油膜，而二級旋流器的旋流葉片3-3旋向與一級旋流器2的旋流葉片2-2的旋向相反，二級旋流器3旋流葉片3-2出口與文氏管3-3出口處於同一截面，氣流經過二級旋流器3後獲得高速旋流， 在二級旋流葉片3-2出口處破碎，被霧化的燃油以反方向旋轉的方式從文氏管3-3流出，起到很好的霧化燃油的效果，為燃油的充分燃燒實現穩定點火提供良好的條件。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種發動機小型預燃室，其特徵在於，它包括預燃室本體(1)，在預燃室本體(1) 內安裝有一級旋流器0)，二級旋流器(3)，噴油杆(4)和點火電嘴(5)，所述的點火電嘴 (5)垂直安裝在一級旋流器(1)和二級旋流器( 的中心線上，噴油杆(4)插入在和一級旋流器( 相連通的進油通道內，所述的一級旋流器( 包括蝸殼0-1)、旋流葉片0-2)，在旋流葉片0-2)出口處設有流動通道的喉道，所述的二級旋流器C3)包括殼體(3-1)、旋流葉片(3-2)，文氏管(3-3)，在旋流葉片(3- 出口處設有流動通道的喉道，所述的一級旋流器( 上的旋流葉片(2- 和二級旋流器C3)上的旋流葉片(3- 旋轉方向相反。
2.根據權利要求1所述的發動機小型預燃室，其特徵在於，在預燃室出口處設置有穩焰帽罩(6)。
3.根據權利要求1所述的發動機小型預燃室，其特徵在於，所述的一級旋流器( 上的旋流葉片(2-2)和二級旋流器(3)上旋流葉片(3-2)均為6片。
4.根據權利要求1至3任一項所述的發動機小型預燃室，其特徵在於，所述的一級旋流器( 和二級旋流器(3)的流動通道的喉道面積比為4:9。
全文摘要
本發明公開了一種發動機小型預燃室，它包括預燃室本體(1)，在預燃室本體(1)內安裝有了一級旋流器(2)、二級旋流器(3)，噴油杆(4)和點火電嘴(5)，所述的點火電嘴(5)垂直安裝在一級旋流器(1)和二級旋流器(2)的中心線上，噴油杆(4)插入在和一級旋流器(2)相連通的進油通道內，所述的一級旋流器(2)包括蝸殼(2-1)、旋流葉片(2-2)，所述的二級旋流器(3)包括蝸殼(3-1)、旋流葉片(3-2)，文氏管(3-3)，旋流葉片(2-2)和旋流葉片(3-2)旋轉方向相反。本發明提供的發動機小型預燃室，能提供很好的燃油霧化和穩定低速點火區，整個預燃室結構緊湊，尺寸小，可以在寬廣的來流馬赫數範圍內實現成功點火，適用範圍廣泛。
文檔編號F23R3/58GK102519056SQ20111044088
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者宮繼雙, 張靖周, 王家驊, 程曉軍, 範育新, 高超, 齊海帆 申請人:南京航空航天大學