後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器的製作方法
2023-09-21 17:09:15
專利名稱：後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器的製作方法
技術領域：
本發明是一種適用於轉子發動機的燃燒裝置，特別是一種後臺階式預燃級加v型
槽式主燃級一體化燃燒器。
背景技術：
國外目前已研製出一種集衝壓發動機技術和燃氣渦輪發動機技術為一體的新概 念發動機-衝壓轉子發動機。該種發動機可分為兩類一類衝壓轉子發動機是採用衝壓轉 子壓縮空氣，其後緊跟燃燒室及渦輪進行燃燒和做功；另一類是在一個轉子上實現氣體壓 縮、燃燒和膨脹做功。美國Ramgen公司針對這兩類衝壓轉子發動機都進行了研究和運行試 驗，其主要目的還是將衝壓轉子發動機應用在工業燃氣輪機方面提供動力，並且均採用氣 體燃料。 特別是第二類衝壓轉子發動機，它是將衝壓模型、燃燒室和尾噴管安裝在一個轉
子輪緣上組成衝壓推進模塊，以實現空氣壓縮、燃燒和膨脹做功三大功能，成為一個獨立工
作的轉子式發動機。由於燃燒系統跟隨轉子高速旋轉，其進口來流相對速度高，要實現高效
穩定燃燒，對燃燒組織形式、可靠穩火技術以及燃氣密封等提出了新的挑戰。 Ramgen公司在轉子上的燃燒室採用氣體燃料(天然氣+氫氣)成功地實現了點
火、衝壓和穩定運行。為了給燃燒室提供可靠的穩火源，Ramgen公司在轉子上採用三種穩
定火焰方式純後臺階方式，旋渦發生器+後臺階方式以及燈塔+後臺階方式。後臺階火焰
穩定器是依靠臺階內的駐渦回流區形成穩定點火源，將高溫燃燒產物傳播到新鮮來流，以
點燃剪切層，但是引燃氣和主流氣的摻混很差，大部分引燃氣直接進入了回流區，導致該處
富油熄火，在離心效應和油氣濃度分布共同作用下，火焰向燃燒室中心偏移。而旋渦發生器
通過產生旋渦來增強引燃氣和主流的摻混而使燃燒區徑向擴展，但摻混強度和燃燒穩定性
需要平衡，湍流度過大可能導致熄火。後臺階式穩定器能夠提供靈活的供油方式，在徑向明
顯增強燃燒強度，能夠增大火焰表面積和放熱率，提供更均勻的溫度分布、更高的燃燒強度
和燃燒室壓力，但目前所採用的燈塔堵塞率過小，在燃燒區展向擴展不夠充分。 轉子發動機上的燃燒系統隨轉子高速旋轉，會產生強烈的離心力場，以及隨之而
生的浮升力效應，這對燃料的分布以及火焰傳播將產生深遠影響。第二類衝壓轉子發動機
試驗研究還表明，當該發動機轉速在2000rpm以上時，其離心加速度在3800g以上，隨著燃
燒室離心力增大和駐留時間下降，剪切層火焰穩定性變差，只有回流區內的局部駐留時間
利於燃燒，而其正常工作轉速達到4300rpm，此時離心加速度高達17600g。而Ramgen公司
還是採用火焰傳播速率較高的氣體燃料，如果要採用液體燃料，例如航空煤油等，對其燃燒
性能影響將更大。 因此，在轉子發動機上，轉子轉速高，氣流相對馬赫數達到0. 2以上，燃燒室內氣 流具有離心力場，離心加速度達到1000g 50000g，高流速和高離心力場給燃燒室內的火 焰穩定帶來非常大的困難，需要對穩火裝置進行精心設計。 現有的轉子發動機或附帶有離心力的燃燒室中對兩相液霧的燃燒還沒有可在較
3寬的工作範圍內都可以提供穩定高效燃燒的方案，個別的只是針對氣態燃料或對兩相液霧 的燃燒只是提供穩定的點火源，並不能應用在實際上有較寬工作範圍的發動機上，尤其是 在發動機的各個工作狀態都取得穩定的工作及較高的工作效率，並且由於轉子發動機的特 有離心力場的影響出口溫度場的分布也是一個技術難題。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種後臺階式預燃級加V 型槽式主燃級一體化燃燒器，它能為轉子發動機的燃燒系統提供穩定的高位穩火源和良好 的低位燃燒效率，保證整個燃燒系統具有寬廣的穩定工作範圍和高效的燃燒；且一體化設 計保證了結構的簡單、緊湊同時節省了重量。 本發明的技術解決方案是後臺階式預燃級加V型槽式主燃級一體化燃燒器由後 臺階式預燃級和V型槽式主燃級構成，其中後臺階式預燃級包括後臺階頭部、預燃級噴嘴、 預燃級噴油孔和後臺階擋板，其中預燃級噴嘴通過螺紋或焊接與後臺階頭部連接為一體， 預燃級噴油孔和後臺階擋板單獨加工好後與後臺階頭部焊接為一整體；v型槽式主燃級包 括預燃級進油管，主燃級進油管，主燃級噴油孔、後臺階安裝座，主燃級v型槽火焰穩定器； 主燃級噴油孔開在主燃級進油管上；預燃級進油管套在主燃級進油管內為一體化設計成 型，並與後臺階預燃級的安裝座固定連接；主燃級v型槽火焰穩定器和後臺階擋板固定連 接。 本發明的原理如下在轉子發動機上，燃燒室內機匣9隨轉子一同旋轉，旋轉角速 度"。而燃燒室外機匣10由於轉子發動機結構設計的不同，可以是隨轉子一起轉動，也可 以是靜止不動的。氣流1以一定的相對速度流入燃燒室，目前的典型衝壓轉子發動機中該 氣流的相對馬赫數在0. 2以上。在流經後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器5 前端時氣流分股， 一部分氣流2進入後臺階預燃級與燃燒室外機匣10之間供預燃級燃燒使 用，另一部分氣流2從後臺階與內機匣9之間流入燃燒室供主燃級燃燒和摻混使用。其中 流入後臺階預燃級的氣流會由於後臺階的存在而產生一個低速回流區，位置如圖1中預燃 級燃燒區7。進入主燃級的氣流在流過主燃級噴油孔13處於噴出的燃油混合使其摻混並 霧化然後流過。整個燃燒器的燃料供給通過主燃級進油管12和預燃級進油管11從轉子輪 緣供入。由於整個燃燒室隨轉子一同旋轉，將參考坐標系固定在轉子上，則在轉子輪緣上的 燃燒室內存在離心力場，其離心加速度為G = R"2。由於該離心力場的存在，會使氣流在 徑向上產生壓力梯度，進而對高溫燃氣產生浮升力效應，使從火焰穩定筒出來的火焰射流7 從高位向內半徑的低位區飄溢，加強了火焰的徑向傳播，也與從低位區噴射出來的主燃級 燃料產生交叉摻混，有利於點燃並穩定燃燒，主要燃燒過程在主燃區8完成。
本發明與現有技術相比的優點如下 (1)本發明針對轉子發動機上有限的燃燒室空間，後臺階式預燃級在高位穩火，為
低位主燃級提供持續穩火源；後臺階式預燃級加v型槽式主燃級確保了燃燒的高效穩定，
兩者共同保證了旋轉燃燒室對強離心加速度下穩定高效燃燒的性能要求。
(2)本發明充分利用了轉子高速旋轉產生的離心力效應，幫助高溫火焰在徑向上
的擴散傳播，在沒有明顯增加後臺階預燃級堵塞面積的情況下增大了火焰表面積和放熱率。
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(3)本發明的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器中的預燃級進油管
和主燃級進油管一體化設計，使結構簡單減小了總壓損失同時提高了可靠性。
(4)本發明的主燃級採用多點直射式噴油方式，在點火前方加裝v型槽用於穩定
主燃級使其具有良好的火焰穩定性和聯焰可靠性。 (5)本發明的後臺階式預燃級的低速回流區穩定，具有更強的穩火能力，對轉子發 動機的穩定工作範圍具有拓寬作用。 (6)本發明的v型槽式主燃級的回流區穩定，可使主燃級的工作範圍更寬，對轉子 發動機的穩定工作範圍具有拓寬作用。 (7)本發明的聯焰槽，可在小工況下依然保證聯焰的穩定對整個燃燒器的穩定工 作起了保證作用，對轉子發動機的穩定工作範圍具有拓寬作用。 (8)本發明的燃料供應方式靈活，既可供氣體燃料，也可供液體燃料，主燃級與預 燃級都可直接噴射或加裝噴嘴對液體燃料的霧化蒸發更具適應性 (9)而且本發明結構的簡單、緊湊同時節省了重量，對將來的應用提供了方便。
圖1是本發明在轉子發動機上的工作示意圖； 圖2是本發明的結構剖視圖； 圖3是本發明的關鍵幾何尺寸示意圖； 圖4a和圖4b是後臺階式預燃級的結構俯視圖與側視圖； 圖5a和圖5b是v型槽的結構示意圖； 其中1是來流氣流，2是經由後臺階分別進入預燃級和主燃級的氣流，3是主燃級 燃油，4是預燃級燃油，5是後臺階是預燃級與v型槽式主燃級一體化燃燒器主體，6是主燃 級噴射燃油霧化摻混區，7是預燃級燃燒區，8是主燃級燃燒區，9是燃燒室內機匣，10是燃 燒室外機匣，11是預燃級進油管，12是主燃級進油管，13是主燃級噴油孔，14是後臺階安裝 座，15是後臺階頭部，16是預燃級噴嘴，17是預燃級噴油孔，18是後臺階擋板，19是後臺階 擋板聯焰槽，20是主燃級v型槽火焰穩定器，21是後臺階長度，22是後臺階的高度，23是噴 油孔的個數，距離與孔徑，24是整個燃燒器的高度，25是主燃級進油管的直徑，26是後臺階 式預燃級擋板的長度，27是後臺階式預燃級的寬度，28是後臺階式預燃級長度，29是聯焰 槽的寬度，30是聯焰槽的角度，31是主燃級v型槽的高度；32是主燃級v型槽的角度；33是 主燃級v型槽的寬度。
具體實施例方式
本發明的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器主要適用於轉子發動
機及其他強有離心加速度的燃燒室，能為轉子發動機的燃燒系統提供穩定的高位穩火源和
良好的低位燃燒效率，保證整個燃燒系統具有寬廣的穩定工作範圍和高效的燃燒。 如圖2所示，本發明的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器5主要由
後臺階式預燃級和v型槽式主燃級構成，主燃級的作用主要是為燃燒室提供穩定的燃油供
給並保證霧化。後臺階式預燃級與v型槽式主燃級一同固定在燃燒室內壁9上隨燃燒室一
起轉動。後臺階式預燃級包括後臺階頭部15、預燃級噴嘴16、預燃級噴油孔17和後臺階擋板18。其中預燃級噴嘴16通過螺紋或焊接與後臺階頭部15連結為一體，預燃級噴油孔17 和後臺階擋板18單獨加工好後與後臺階頭部15焊接為一整體。v型槽式主燃級包括預燃 級進油管11，主燃級進油管12，主燃級噴油孔13、後臺階安裝座14，主燃級v型槽火焰穩定 器20 ;主燃級噴油孔13開在主燃級進油管12上，本發明中的主燃級噴油孔13為直射式噴 嘴，由於作用在燃燒器的離心加速的作用可確保燃油霧化，根據具體要求也可增加孔徑加 裝其他類型的噴嘴；預燃級進油管11套在主燃級進油管12內為一體化設計成型，其中一 體化設計過程為根據燃燒器的最大轉速與整個燃燒器的質量計算出作用在預燃級進油管 11與主燃級進油管12上的離心力，再加上作用在整個燃燒器上的氣動力，可推算出兩個油 管所要受的合力大小，然後由油管的材料特性及強度與應力分布計算確定兩個進油管的截 面總面積；最後根據預燃級與主燃級各自的燃油流量與油壓便可確定兩個進油管內外徑的 具體尺寸，但是主燃級進油管12的外徑尺寸要確保滿足阻塞比的設計要求。具體設計中既 要考慮離心加速度與氣動力對連接強度與剛度的要求又要考慮到阻塞比的限制(強度、剛 度要求截面尺寸越大越好，而阻塞比的設計要求外徑和迎風面積越小越好，這是一對矛盾 需要綜合考慮相互協調，實際應用中可作適當變化如截面可改為橢圓形或其他形狀)。
轉子的高離心加速度會使一體化燃燒器受到巨大的離心力作用，因此預燃級進油 管ll，主燃級進油管12與後臺階預燃級的安裝座14通過螺紋或焊接固定連接(本實施例 中為焊接)；主燃級v型槽火焰穩定器20和後臺階擋板18通過螺紋或焊接固定連接(本 實施例中為焊接)。 預燃級進油管ll，主燃級進油管12和v型槽20需要根據結構強度和低流阻要求 設計。實際應用中可通過對流場的計算或模擬選取合適主燃級進油管12的外徑(也可設 計成橢圓或其他截面型狀)和主燃級v型槽的角度32，主燃級v型槽的寬度33，使得流阻 與阻塞比滿足設計的要求。 後臺階15將燃燒室氣流分為兩部分分別進入主燃級與預燃級燃燒。調節預燃級 進油管ll，主燃級進油管12和主燃級v型槽火焰穩定器20的高度可控制這兩股氣流的比 例，已滿足不同的燃燒室的設計要求。噴嘴16為直射式噴嘴也可根據需要加裝其他類型的 噴嘴或不裝噴嘴由預燃級噴油孔17直接噴出。在不裝預燃級噴嘴16時噴油孔17的孔徑 大小根據離心力大小設計可保證預燃級的燃油霧化。後臺階擋板18為預燃級回流區提供 了保障，確保了回流區的完整增加了火焰長度，配合聯焰槽19使得聯焰更加可靠。主燃級 v型槽火焰穩定器20可為從主燃級噴油孔13噴入摻混區6的油氣混和物提供穩定的低速 回流區確保主燃級燃燒穩定高效。在後臺階15與主燃級的一體化設計下，共同保證了整個 方案的高效穩定的，以滿足燃燒室對強離心力下燃燒組織的要求。 整個燃燒器的具體外形尺寸如圖3 5所示，其中後臺階長度21由噴嘴16和後 臺階安裝座14的尺寸決定以保證安裝和強度的要求，後臺階高度22有進口流速及對回流 區的設計要求確定。後臺階擋板長度26、後臺階預燃級的寬度27以保證回流區的穩定為標 準設計。噴油孔個數，距離與孔徑23由設計的燃油流量與霧化要求設計給出。整個燃燒器 的高度24，主燃級進油管的直徑，主燃級v型槽角度32與主燃級v型槽寬度33決定了燃燒 室的阻塞比和流動損失，因此上述尺寸需要協調以共同滿足設計要求。同時在後臺階擋板 18上為聯焰的穩定可靠設計有聯焰槽19，即在擋板18上開有與主燃級v型槽20相通的v 型槽，其中聯焰槽的寬度29，聯焰槽的角度30，可由實際的聯焰需要給出。
為了保證後臺階式預燃級和v型槽式主燃級一體化燃燒器有良好的燃燒穩定性和可靠性，及高的燃燒效率，後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃器的高度位於整個燃燒室高度的0. 4 0. 95。後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器的整體堵塞比為0. 3 0. 8。後臺階式預燃級的氣流流量應為燃燒室總流量的2% 40%，其燃料供應應該保證其出口火焰射流的當量比為0. 7 2。主燃級噴油孔13的直徑為0. 05mm 2mm，具體由供油壓力與主燃級燃油霧化要求決定，噴油孔的個數由孔徑與主燃級燃油流量共同決定，孔的數目為1 10個。主燃級燃油佔整個燃油比例的20% 80%。 v型槽所產生的回流區可在相當寬廣的範圍內保證主燃級的穩定高效的燃燒，其中主燃級v型槽火焰穩定器20的寬度33為燃燒室寬度的10% 50%，主燃級v型槽火焰穩定器20的角度32為20° 150° ，具體尺寸由燃油工作範圍和穩定性的要求給出。為保證預燃級在較寬的工作範圍內都能確保穩定的提供點火源，在所述後臺階擋板18上開有聯焰槽19，使得預燃級火焰在離心加速度的作用下可穩定的引燃主燃級。其中聯焰槽19的寬度29為主燃級v型槽的寬度33的30% 100%，聯焰槽19的角度30為5° 150° ，具體寬度和角度可以由工作範圍決定。 具體實施案例中，後臺階式預燃級的空氣流量佔燃燒室總進氣量的20%。採用航空煤油為燃料，預燃級燃油流量為30%，後臺階高度佔整個燃燒室徑向高度的5%，擋板長度為後臺階高度的4倍總高度為燃燒室高度的85%。主燃級燃油噴射孔直徑為0. 4mm個數為5個在整個進油管上均布。v型槽寬度為25mm，角度30。，聯焰槽與v型槽尺寸一致。整個燃燒器的阻塞比為O. 45。
權利要求
後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器(5)，其特徵在於由後臺階式預燃級和v型槽式主燃級構成，其中後臺階式預燃級包括後臺階頭部(15)、預燃級噴嘴(16)、預燃級噴油孔(17)和後臺階擋板(18)，其中預燃級噴嘴(16)與後臺階頭部(15)固定連接為一體，預燃級噴油孔(17)和後臺階擋板(18)單獨加工好後與後臺階頭部(15)焊接為一整體；v型槽式主燃級包括預燃級進油管(11)，主燃級進油管(12)，主燃級噴油孔(13)、後臺階安裝座(14)，主燃級v型槽火焰穩定器(20)；主燃級噴油孔(13)開在主燃級進油管(12)上；預燃級進油管(11)套在主燃級進油管(12)內為一體化設計成型，並與後臺階預燃級的安裝座(14)固定連接；主燃級v型槽火焰穩定器(20)和後臺階擋板(18)固定連接。
2. 根據權利要求1所述的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器(5)，其特 徵在於所述v型槽式主燃級固定在燃燒室內機匣(9)上隨燃燒室一起轉動，v型槽式主燃 級在燃燒通道內的高度由預燃級進油管(ll)，主燃級進油管(12)和主燃級v型槽火焰穩定 器(20)的高度調節，進而控制整個燃燒器的高度。
3. 根據權利要求1所述的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器(5)，其特 徵在於所述後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃料器的高度為整個燃燒室總高度 的0. 4 0. 95，整體堵塞比為0. 3 0. 8。
4. 根據權利要求1所述的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器(5)，其特 徵在於所述後臺階式預燃級的氣量佔整個燃燒室總氣量的2% 40%，產生的火焰射流 當量比為0. 7 2。
5. 根據權利要求1所述的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器(5)，其特 徵在於所述主燃級噴油孔(13)的數目和孔徑控制主燃級與預燃級的燃油分配，其中孔徑 為0. 05mm 2mm，開孔數目1 10個。
6. 根據權利要求1所述的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器(5)，其特 徵在於所述主燃級v型槽火焰穩定器(20)的寬度(33)為燃燒室寬度的10% 50%，主 燃級v型槽火焰穩定器(20)的角度(32)為20° 150° 。
7. 根據權利要求1所述的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒裝置，其特徵 在於在所述後臺階擋板(18)上開有聯焰槽(19)，使得預燃級火焰在離心加速度的作用下 可穩定的引燃主燃級；所述聯焰槽(19)的寬度(29)為主燃級v型槽火焰穩定器(20)寬度 (33)的30% 100%，聯焰槽(19)的角度(30)為5° 150° 。
8. 根據權利要求1所述的後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒裝置，其特徵 在於所述的燃燒器(5)既能用氣體燃料也能用液體燃料。
全文摘要
後臺階式預燃級加v型槽式主燃級一體化燃燒器包括預燃級與主燃級兩部分。預燃級採用後臺階式火焰穩定器產生的低速回流區穩定火焰，在燃燒通道內的高位產生穩定火焰射流，利用轉子發動機的旋轉離心力將高溫火焰射流向低位傳播，從而引燃位於低位的主燃級燃料，並為之提供穩定點火源。主燃級採用多點直射式噴油方式，在點火前方加裝v型槽用於穩定主燃級使其具有良好的火焰穩定性和聯焰可靠性。本發明能為轉子發動機的燃燒系統提供穩定的高位穩火源和良好的低位燃燒效率，保證整個燃燒系統具有寬廣的穩定工作範圍和高效的燃燒。一體化設計保證了結構的簡單、緊湊同時節省了重量，對將來的應用提供了方便。
文檔編號F02K7/00GK101749142SQ20091024185
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月15日 優先權日2009年12月15日
發明者孫強, 李林, 林宇震, 郭新華 申請人:北京航空航天大學