一种内外凹腔组合构型驻涡燃烧室
技术领域
本发明涉及航空发动机和燃气轮机燃烧室技术领域，尤其涉及一种内外凹腔组合构型驻涡燃烧室。
背景技术
现代航空发动机和燃气轮机的发展对燃烧室性能提出了更高要求，其中一个关键问题是燃烧室应具备较宽的火焰稳定域和较低的污染物排放性能等。为此，世界各国先后提出并发展了多种高效、低污染燃烧技术，如贫油预混预蒸发技术、贫油直喷技术、双环预混旋流燃烧技术、富燃-淬熄-贫油技术以及驻涡燃烧技术等。其中，驻涡燃烧室是上世纪90年代提出的一种新型燃烧室，与传统旋流稳焰燃烧室不同，驻涡燃烧室通过在燃烧室通道内布置凹腔结构进行驻涡稳焰，具有结构简单、重量轻、总压损失小等特点。同时由于凹腔内的驻涡结构可规避主流的直接影响，形成分区、分级的燃烧方式。另外，根据实际工作状态，可灵活调配驻涡区与主燃区的油气比等，可实现驻涡燃烧高效燃烧与低污染排放目标。
现有的驻涡燃烧室多为向内凹腔结构，其燃烧反应区域和面积较为有限，不利于分级分区燃烧的调控，燃烧效率和污染物排放效率较低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种内外凹腔组合构型的驻涡燃烧室。
一种内外凹腔组合构型的驻涡燃烧室，所述驻涡燃烧室包括扩压器、燃烧室壳体、输油管、点火器、凹腔组合构型火焰筒，所述燃烧室壳体与所述扩压器连接；所述输油管包括主油管、环形油管和细油管，所述输油管为管状结构，所述主油管为可弯折金属管，所述输油管的设置数量为2至6根，并周向均布安装在所述环形油管上；所述凹腔组合构型火焰筒包括内通道进口、内凹腔斜段、内凹腔斜段上掺混孔、点火器安装通孔、内凹腔水平段、内外凹腔公用垂直段、公用垂直段上通孔、外凹腔水平段、外凹腔斜段、外凹腔、固定连杆、内凹腔，所述外凹腔由所述的外凹腔斜段、外凹腔水平段和内外凹腔共用垂直段围成，所述内凹腔由所述的内凹腔斜段、内凹腔水平段和内凹腔垂直段围成。
其中，所述细油管为弯折金属管，所述细油管的设置数量为8至16根，周向均布安装在所述所述环形油管上，所述环形油管的数量为1个，所述主油管和所述细油管在所述环形油管上的安装夹角可为90°-160°。
其中，所述内外凹腔组合构型火焰筒通过所述固定连杆与所述燃烧室壳体连接固定，所述固定连杆的设置数量为2至4根，所述固定连杆一端均固定在所述内凹腔水平段上，使所述内外凹腔组合构型火焰筒位于所述燃烧室壳体中心。
其中，所述点火器的设置数量为2个，两个所述点火器均安装在所述内凹腔水平直段上，两个所述点火器之间的安装夹角为90°-180°。
其中，所述内凹腔斜段与所述内凹腔水平段的夹角为110°-160°。
其中，所述内凹腔斜段上的所述掺混孔的设置数量为8至16个，所述掺混孔的设置数量与所述细油管的设置数量一致，所述掺混孔在所述凹腔斜段上周向均布，所述掺混孔周向布置圈的直径与所述环形油管的圈径一致。
其中，所述内凹腔水平段上的所述点火器安装通孔的开设数量为1至2个，所述点火器安装通孔的开设数量与所述点火器的设置数量一致。
其中，外凹腔水平段与所述外凹腔斜段之间的夹角为110°-160°。
其中，所述外凹腔斜段的高度小于所述内凹腔水平段直径，所述外凹腔斜段的高度大于所述凹腔水平段直径的1/2。
其中，所述内外凹腔共用垂直段的径向上布置2至3圈通孔，每圈的所述通孔的设置数量为8至16个，相邻两圈所述通孔交错布置，所示细油管中的部分油管通过所述的共用垂直段上的通孔延伸到所述外凹腔。
本发明提供的内外凹腔组合构型驻涡燃烧室，将传统直筒型火焰筒设计成内外凹腔组合构型形式，故相对于常规驻涡燃烧室，本发明的驻涡燃烧室有效利用了外凹腔结构，从而增大了燃料与空气的低速掺混空间与燃烧面积，有益于提高燃料的燃烧效率。另一方面，由于内外凹腔共用垂直段设计有多个通孔，便于内外凹腔之间的流动与换热。当燃料主要向内凹腔喷注时，便会在内凹腔内形成富油区，燃料会经公用垂直段上通孔流入外凹腔，进而与空气掺混，形成贫燃区，由此自然形成了分区燃烧，使燃烧室内温度分布相对均匀，不至于形成局部高温区，从而可有效抑制氮氧化物等污染物的形成。此外，本发明还可扩展为在内外凹腔同时喷油，以用于航空发动机大车工作状态。在此条下，由于内外凹腔存在大量通孔，两个凹腔有持续的热质交换，对于平衡燃烧室内温度十分有益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中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发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，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他的附图。
图1为本发明实施例提供的内外凹腔组合构型驻涡燃烧室的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的内外凹腔组合构型驻涡燃烧室中输油管结构示意图；
图3为本发明实施例提供的内外凹腔组合构型驻涡燃烧室中凹腔组合构型火焰筒的结构示意图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-扩压器，2-燃烧室壳体，3-输油管，301-主油管，302-环形油管，303-细油管，4-点火器，5-凹腔组合构型火焰筒，501-内通道流入口，502-内凹腔斜段，503内凹腔斜段上掺混孔，504-点火器安装通孔，505-内凹腔水平段，506-内外凹腔共用垂直段，507-公用垂直段上通孔，508-外凹腔水平段，509-外凹腔斜段，510-外凹腔，511-固定连杆，512-内凹腔。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
一种内外凹腔组合构型驻涡燃烧室，如图1至图3所示，所述驻涡燃烧室包括扩压器1、燃烧室壳体2、输油管3、点火器4和内外凹腔组合构型火焰筒5；所述燃烧室壳体2与扩压器1连接。所述输油管3包括主油管301、环形油管302和细油管303，主油管301和细油管303都为可弯折金属管，便于实际装配位置调整，主油管301和细油管303都与环形油管302连接。
所属内外凹腔组合构型火焰筒5整体为柱形结构，通过所述固定连杆511与所述燃烧室壳体连接，布置在燃烧室流道中心。所述内外凹腔组合构型火焰筒5将由所述扩压器1进入的空气主流分为了内通道流和外通道流，其中内通道流由所述内通道流入口501进入所述火焰筒5内部。所述内外凹腔组合构型火焰筒5包括内凹腔512、外凹腔510和固定连杆511，所述内凹腔512和所述外凹腔510共用垂直段506。
所述内凹腔512由所述内凹腔斜段502、内凹腔水平段505和垂直段506围成；所述外凹腔由所述公用垂直段506、外凹腔水平段508和外凹腔斜段509围成。所述内凹腔斜段502上开设有周向均布的所述掺混孔503，用于所述细管道303穿入，同时让部分外通道流进入，所述掺混孔503周向布置圈直径与所述环形油管302的环直径一致。所述内凹腔水平段505上开设通孔以安装所述点火器4。所述内外凹腔共用垂直段506上开设所述通孔507。
在本发明实施例中，
所述主油管301的数量为2-6根，周向均布安装在所述环形油管302上。
所述环形油管数量为1个，环径与所述掺混孔503布置周径一致。
所述点火器个数为1-2个。
所述细油管303的数量为8-16根，周向均布安装在所述环形油管302上，主油管与细油管的安装夹角可为90°-160°。
所述内凹腔斜段掺混孔503的数量可为8-16个，具体个数与所述细油管303的数量一致，所述掺混孔503在所述凹腔斜段502上周向均布。
所述内凹腔斜段502与所述内凹腔水平段505的夹角可为110°-160°。
所述内凹腔水平段上的点火器安装通孔504个数为1-2个，实际与点火器个数一致。当点火器为2个时，安装夹角可为90°-180°。
所述固定连杆511布置在所述内凹腔的水平段505上，数量为2-4根，周向均匀分布，用于连接燃烧室壳体以固定多凹腔火焰筒。
所述内外凹腔共用垂直段506上开设通孔507，具体为在垂直段506的径向上布置2-3圈周向均布的通孔，每圈孔数量为8-16个，相邻两圈孔呈交错布置。
所述外凹腔水平段508与所述外凹腔斜段509的夹角可为110°-160°。
所述外凹腔水平段508的直径与所述内凹腔水平段505的直径之比可为0.3-0.7。
所述外凹腔斜段509高度小于内凹腔水平段505直径，但大于所述凹腔水平段505直径的1/2。
本发明的工作原理为：主流空气经扩压器后进入燃烧室，在内外凹腔组合构型火焰筒作用下流动分为两路：内通道流和外流通道流。内外通道流分别流经内凹腔和外凹腔时，在剪切作用下会在凹腔内形成旋涡结构。之后开通油路，燃油经主油管汇入环形油管后再经细油管喷入内凹腔，同时部分外通道流经内凹腔斜段上的掺混孔进入内凹腔，与喷入的燃油进行掺混，此时开启点火器点火。在内凹腔里，燃油并不能完全燃烧，一部分与通道流继续混合燃烧，一部分经共用垂直段上通孔进入外凹腔继续燃烧。共用垂直段上通孔有利于平衡燃烧室内温度分布，从而提高燃烧效率同时降低污染物排放。
本发明提供的内外凹腔组合构型驻涡燃烧室，具体工作过程为：
发动机工作时，主流空气流经扩压器1进入燃烧室壳体2内，此实内外凹腔组合构型火焰筒构型5将进入的主流空气一分为二，分别经内通道流入口501进入内通道，经燃烧室壳体2与火焰筒5之间的通道进入火焰筒5的外通道。之后开始供油，油经多路主油管301汇入环形油管302，再通过细油管喷入内凹腔内，油喷入后首先与从内凹腔斜段掺混孔503进入的空气掺混，此时点火器4开启点火，之后未燃油料继续与从内通道进入的空气掺混，在内凹腔512内形成旋涡燃烧。由于燃油主要在内凹腔内喷注，油气比相对较高，自然而然形成富燃区。凹腔富燃区内一部分在燃料在内通道内继续与空气混合燃烧，另一部分则通过共用垂直段通孔507流入外凹腔510。由于从外流道通过的空气流经外凹腔510时，同样在剪切作用下会在外凹腔510内形成旋涡结构，继续与从内凹腔512富油区流入的燃料反应。最后内外通道内的燃烧产物一起经燃烧室出口排出。
本发明提供的内外凹腔组合构型驻涡燃烧室，将传统直筒型火焰筒设计成内外凹腔组合构型形式，故相对于常规驻涡燃烧室，本发明的驻涡燃烧室有效利用了外凹腔结构，从而增大了燃料与空气的低速掺混空间与燃烧面积，有益于提高燃料的燃烧效率。另一方面，由于内外凹腔共用垂直段设计有多个通孔，便于内外凹腔之间的流动与换热。当燃料主要向内凹腔喷注时，便会在内凹腔内形成富油区，燃料会经公用垂直段上通孔流入外凹腔，进而与空气掺混，形成贫燃区，由此自然形成了分区燃烧，使燃烧室内温度分布相对均匀，不至于形成局部高温区，从而可有效抑制氮氧化物等污染物的形成。此外，本发明还可扩展为在内外凹腔同时喷油，以用于航空发动机大车工作状态。在此条下，由于内外凹腔存在大量通孔，两个凹腔有持续的热质交换，对于平衡燃烧室内温度十分有益。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
