CN103277811B - 单凹腔驻涡燃烧室 - Google Patents
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Abstract
一种单凹腔驻涡燃烧室，其包括有：扩压器，燃烧室进口气流通过所述扩压器进入所述燃烧室中；内机匣；外机匣；火焰筒，所述火焰筒形成单凹腔结构，所述内机匣、外机匣与火焰筒形成了所述燃烧室的内涵道和外涵道；导流装置，所述导流装置将主流与外涵道空气分开；预蒸发装置，所述经扩压器减速增压后的空气经所述导流装置和预蒸发装置后分为四路且分别进入主流、预蒸发装置、内涵道和外涵道；供油***；高能电嘴，所述高能电嘴设置于所述凹腔的底部，所述单凹腔驻涡燃烧室燃烧区分为驻涡区及主燃区，所述单凹腔驻涡燃烧室还包括有将所述火焰由凹腔传至主流的联焰支板。
Description
技术领域：
本发明涉及一种单凹腔驻涡燃烧室，主要作为航空发动机的主燃烧室，属于新概念航空燃气轮机燃烧技术领域。
背景技术：
随着航空发动机技术进一步发展，推重比不断增加，燃烧室进口温度升高，燃烧室油气比、温升升高，对燃烧室性能的要求也逐步提高，但同时对燃烧室重量的限制却在进一步增加，因此，高油比燃烧室的研制面临着诸多技术挑战：1、在更宽广的范围内稳定工作，主要解决在低功率状态下的燃烧稳定性以及高功率状态下不可见排气冒烟燃烧；2、在冷却气量分配减少和冷却气品质下降的条件下，进一步保持甚至提高火焰筒的耐久性；3、大状态下降低排气污染；4、涡轮在极高温度的恶劣环境下正常工作，必须大幅度降低出口温度分布系数。解决上述问题的途径可以分为两类，一类是采取合理措施优化常规的旋流稳定燃烧室，可行的措施包括燃油分级、空气分级、贫油预混和预蒸发以及多级旋流等；另一类则是在掌握基本原理的基础上探索全新的燃烧组织方式、发展新概念燃烧室，比如驻涡燃烧室(trapped vortex combustor,TVC)、超紧凑燃烧室(ultra compact combustor,UCC)等。
另一方面，随着航空发动机技术的飞速发展、市场竞争的日益激烈和环保要求的不断严格，大飞机发动机向着费用更低、性能更高和环保特性更好的方向发展。为此，在改进发展GE90、PW4084、TRENT800等发动机和全新研制GP7200、TRENT900、GEnx和TRENT1000等发动机的同时，美国和欧盟国家独立或联合实施了一系列的预研计划，开发和验证了性能高、质量轻、可靠性高以及排放与噪声低的未来常规循环大飞机发动机技术，探索研究了更经济和环保的先进循环大飞机发动机技术，为未来大飞机发动机的研制打下了很好的技术基础。
驻涡燃烧室(TVC)是从20世纪90年代开始发展起来的一种新型燃烧组织方式。在常规燃烧室中，空气通过旋流器后产生回流区，高温燃气在回流区作用下流向上游点燃新鲜可燃混气，因此回流区充当了稳定点火源的作用。而驻涡燃烧室则采用了分级分区燃烧的概念，驻涡区为值班级，通过合理组织进入驻涡区内的空气，使驻涡区内形成稳定的漩涡流动结构，同时供入燃油，由于值班级内旋涡驻定，因此值班级在各种工况下都可以稳定燃烧；主燃级(主流)空气通过头部的周向分流钝体/径向联焰板组合结构流入燃烧区，周向分流钝体起分流、强化掺混及火焰稳定的作用，径向联焰板主要用来传播火焰使主燃级(主流)能够顺利被值班级点燃。在小状态下，仅值班级供油，主燃级(主流)不供油；在大状态下，值班级、主燃级(主流)同时供油工作。国外研究发现驻涡燃烧室在真实条件下可以获得非常好的性能：与常规技术相比，在点火性能、贫油熄火性能、高空点火性能方面提高了50％；氮氧化物排放量比1996年ICAO标准CAEP2降低了40％～60％；燃烧效率达到或超过99％的工作范围加宽40％以上。美国空军、海军、能源部、NASA等都在探索将该技术移植到可能的军用小涵道比涡扇发动机、商用大涵道比涡扇发动机、工业和舰船燃气轮机中。
驻涡燃烧室的稳定性和燃烧效率受凹腔大小的限制，而且燃油***比较复杂。
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容：
本发明提供一种单凹腔驻涡燃烧室，其使用单凹腔稳定火焰，在相同头部高度时，可增加凹腔容积，增加驻留时间，提高效率和燃烧稳定性，而且能够简化燃油***，使结构更加紧凑，减轻重量。
本发明采用如下技术方案：一种单凹腔驻涡燃烧室，其包括有：
扩压器，燃烧室进口气流通过所述扩压器进入所述燃烧室中；
内机匣；
外机匣；
火焰筒，所述火焰筒形成单凹腔结构，所述内机匣、外机匣与火焰筒形成了所述燃烧室的内涵道和外涵道；
导流装置，所述导流装置将主流与外涵道空气分开，所述导流装置包含前壁冷却气进口，所述导流装置引入凹腔前壁冷却气，对凹腔前壁进行冷却；
预蒸发装置，所述经扩压器减速增压后的空气经所述导流装置和预蒸发装置后分为四路且分别进入主流、预蒸发装置、内涵道和外涵道；
供油***；
高能电嘴，所述高能电嘴设置于所述凹腔的底部，所述单凹腔驻涡燃烧室燃烧区分为驻涡区及主燃区，所述单凹腔驻涡燃烧室还包括有将所述火焰由凹腔传至主流的联焰支板。
所述火焰筒壁面布置有若干的对所述火焰筒壁面进行冷却的火焰筒壁冷却孔。
所述单凹腔包括凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口，所述凹腔前壁进气口与凹腔底部之间的距离小于所述凹腔后壁进气口与凹腔底部之间的距离以使得所述凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口处在不同的径向位置。
所述供油***包括主燃级(主流)燃油总管、值班级(凹腔)燃油总管及凹腔供油喷嘴，所述凹腔供油喷嘴设置于所述凹腔前壁进气口的中心处。
所述主燃级(主流)燃油总管集成于所述预蒸发装置中并引入预蒸发空气。
所述预蒸发装置中还设置有挡板及蒸发腔。
所述主燃级(主流)燃油总管上设置了喷油孔，燃油自所述喷油孔喷出，打到挡板上，并随预蒸发空气流动，形成射流进入主流，与主流进行混合。
所述单凹腔驻涡燃烧室可实现RQL工作模式、LPP工作模式及两者组合的工作模式。
所述单凹腔驻涡燃烧室为全环形结构。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明单凹腔驻涡燃烧室，是一种分级燃烧室，可方便地实现RQL燃烧技术、LPP燃烧技术或上述两者相结合的燃烧组织技术，实现更宽工况下的高效低排放燃烧；
(2)本发明单凹腔驻涡燃烧室利用单凹腔稳定火焰，可增加单个凹腔的容积，增加驻留时间，从而提高燃烧效率和点火性能，拓宽火焰稳定范围；
(3)在高推重比或者低排放发动机中，利用单凹腔驻涡燃烧室组织高效稳定的燃烧，并且有效降低冒烟和气态污染物排放；
(4)本发明单凹腔驻涡燃烧室燃油***更加简单，燃烧室头部更加紧凑，燃烧室重量大幅减轻。
附图说明：
图1为本发明单凹腔驻涡燃烧室的全环结构示意图。
图2为图1所示单凹腔驻涡燃烧室的局部剖视图。
图3为图1所示的单凹腔驻涡燃烧室中的火焰筒结构局部示意图。
图4为本发明单凹腔驻涡燃烧室凹腔供油***结构示意图。
图5为本发明单凹腔驻涡燃烧室预蒸发装置和联焰支板结构示意图。
图6为图5所示单凹腔驻涡燃烧室预蒸发装置工作原理示意图。
图7为本发明单凹腔驻涡燃烧室无联焰支板轴截面流动及燃烧过程示意图。
图8为本发明单凹腔驻涡燃烧室联焰支板所在轴截面流动及燃烧过程示意图。
其中：
1-单凹腔驻涡燃烧室、2-扩压器、3-内机匣、4-外机匣、5-值班级(凹腔)燃油总管进口、6-主燃级(主流)燃油总管进口、7-高能电嘴、8-火焰筒、9-值班级(凹腔)燃油总管、10-导流装置、11-前壁冷却气进口、12-值班级(凹腔)供油喷嘴、13-火焰筒壁、14-火焰筒壁冷却孔、15-凹腔、16-凹腔前壁进气口、17-凹腔后壁进气口、18-预蒸发装置、19-主燃级(主流)燃油总管、20-蒸发腔、21-挡板、22-喷油孔、23-联焰支板、24-预蒸发混气喷孔、25-主流、26-预蒸发空气、27-凹腔主涡、28-凹腔副涡、29-主燃区、30-内涵道、31-外涵道。
具体实施方式：
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
请参照图1至图5所示，本发明单凹腔驻涡燃烧室，主要由扩压器2、燃烧室内机匣3和外机匣4、单凹腔结构的火焰筒8、导流装置10、预蒸发装置18等组成。单凹腔驻涡燃烧室为全环形结构，利用火焰筒内凹腔15所形成的驻涡来稳定火焰，依靠联焰支板23将火焰由凹腔15传至主流25，结合RQL燃烧技术和LPP分级燃烧技术实现高效低排放。
在燃烧室进口设置扩压器2，其主要功用是降低火焰筒5进口空气流速，提高进口压力，这有利于降低损失、组织燃烧。其中单凹腔驻涡燃烧室的内机匣3、外机匣4是燃烧室的主要承力部件，并与火焰筒8构成了燃烧室的内涵道30和外涵道31。
导流装置10呈三角形空腔形式，并包含了前壁冷却气进口11。导流装置10将主流25与外涵道空气分开，且引入凹腔前壁冷却气，对凹腔前壁进行冷却。
凹腔15包括凹腔前壁进气口16和凹腔后壁进气口17，所述凹腔前壁进气口16与凹腔底部之间的距离小于所述凹腔后壁进气口17与凹腔底部之间的距离以使得所述凹腔前壁进气口16和凹腔后壁进气口17处在不同的径向位置，这样的结构有利于形成所需要的双涡涡系结构，便于稳定火焰。
燃烧室主流25中处设置联焰支板23，其作用在于将凹腔15中的火焰传递至主流25，点燃主燃区29内的可燃混合物，另外联焰支板23还起到稳定火焰的作用。联焰支板23使主流25空气形成收缩的通道，使气流加速，这样可防止回火的发生，同时可以增加湍流度，从而加强油气混合。
预蒸发装置18集成了主燃级(主流)燃油总管19。主燃级(主流)燃油总管19上开了很多喷油孔22，燃油从喷油孔22喷出，经过挡板21的反弹，发生反弹、破碎，然后随着预蒸发空气26一起进入蒸发腔20进行雾化、蒸发，最后形成当量比高于富油可燃极限的混合气，并从预蒸发混气喷孔24吐出，与主流25进行混合，形成所需当量比的混合气，进入主燃区29进行燃烧。
凹腔前壁进气口16中心处设置离心喷嘴充当值班级(凹腔)供油喷嘴12，对凹腔内供油。
请参照图7和图8所述，本发明单凹腔驻涡燃烧室的工作原理为：从压气机出口的空气经扩压器2减速增压后进入燃烧室。由导流装置10和预蒸发装置18将其分为四路分别进入主流25、预蒸发装置18、内涵道30、外涵道31；内涵道气流主要通过火焰筒壁冷却孔14进入火焰筒8，对火焰筒壁13进行冷却；外涵道气流分为四部分：(1)从导流装置10上的前壁冷却气进口11进入导流装置10的空腔内，然后从凹腔前壁的冷却孔进入凹腔15，对凹腔前壁进行冷却；(2)从凹腔前壁进气口16进入凹腔15；(3)从凹腔后壁进气口17进入凹腔15；(4)从火焰筒壁冷却孔14进入火焰筒8，对火焰筒壁13进行冷却。参照图7所示，在无联焰支板的轴截面，即主流流通截面，从凹腔前壁进气口16和凹腔后壁进气口17进入凹腔15的空气，在凹腔15内形成稳定的双涡结构。同时，从值班级(凹腔)供油喷嘴12喷出的燃油与从凹腔前壁进气口16进入凹腔15内，形成可燃混合气。在凹腔15底部设置高能电嘴7，在发动机启动时，高能电嘴7释放具有数焦耳能量的电火花，将可燃混合气点燃，并在稳定双涡的作用下形成稳定的火焰。参照图8所示，在联焰支板23所在轴截面，即主流堵塞轴截面，在压差作用的驱动下，凹腔15内的已燃高温混气流向联焰支板23的尾迹中，并与主流25进行混合，或者点燃主流混气，使其在主燃区内燃烧。
下面将结合几个实施例具体说明本发明单凹腔驻涡燃烧室。
本发明中的一种实施例为RQL(富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧)模式的燃烧室。该模式中只有凹腔内供油，主流为纯空气。值班级(凹腔)供油喷嘴12向凹腔15供入过量的燃油，从而使凹腔内形成富油混气，点火成功后，凹腔内将进行富油燃烧。燃烧所生成的燃气中含有未燃尽的燃料，它们有两种途径与主流进行掺混、淬熄，进而实现贫油燃烧：一方面在主流的卷吸作用下，凹腔内的燃气将与主流形成剪切层和一系列的涡，在这个区域当中液体湍流度非常大，增加掺混强度，有利于淬熄；另一方面，联焰支板23尾迹中将形成低压区，凹腔中的燃气在压力驱动下将向联焰支板23尾迹流动，从而增加了富油燃气与主流空气的掺混面积。
本发明的另一种实施例为LPP(贫油预混预蒸发)模式的燃烧室。该模式中凹腔与主流同时供油。值班级(凹腔)供油喷嘴12向凹腔15供入适量的燃油，以保证驻涡区在当量比0.8附近燃烧，以保证燃烧的稳定性。主燃级(主流)供入一定量的燃油，使主流油气混合气处于贫油状态(其当量比接近贫油可燃极限)。点火成功后，驻涡区中形成稳定的火焰。产生的高温燃气同样有两种途径与主流相互作用：一部分在主流混气的卷吸作用下从凹腔15进入主燃区29，在两者之间形成湍流强度很大的剪切层和大量的涡，主流在与高温燃气的直接作用下被点燃，并向主流更深处传播；另一部分燃气在压差驱动下从凹腔15流向联焰支板23尾迹流中，从而形成更多的点火源，使主流能够在不同的位置点燃，使燃烧更加完全，提高效率。
本发明的第三种实施例为RQL模式与LPP模式的组合燃烧室，即在小状态时使用RQL模式，只有凹腔供油；而在大状态时使用LPP模式，凹腔与主流同时供油。这样就能兼顾小状态的稳定性和大状态的高效率和低排放。
从上述实施例可知，本发明单凹腔驻涡燃烧室，可方便地实现RQL燃烧技术、LPP燃烧技术或上述两者相结合的燃烧组织技术，实现更宽工况下的高效低排放燃烧。
以上所述仅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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种单凹腔驻涡燃烧室，其包括有：
扩压器，燃烧室进口气流通过所述扩压器进入所述燃烧室中；
内机匣；
外机匣；
火焰筒，所述火焰筒形成单凹腔结构，所述内机匣、外机匣与火焰筒形成了所述燃烧室的内涵道和外涵道；
导流装置，所述导流装置将主流与外涵道空气分开，所述导流装置包含前壁冷却气进口，所述导流装置引入凹腔前壁冷却气，对凹腔前壁进行冷却；
预蒸发装置，所述经扩压器减速增压后的空气经所述导流装置和预蒸发装置后分为四路且分别进入主流、预蒸发装置、内涵道和外涵道；
供油***；
高能电嘴，所述高能电嘴设置于所述凹腔的底部，其特征在于：所述单凹腔驻涡燃烧室燃烧区分为驻涡区及主燃区，所述单凹腔驻涡燃烧室还包括有将火焰由凹腔传至主流的联焰支板。
2.如权利要求1所述的单凹腔驻涡燃烧室，其特征在于：所述火焰筒壁面布置有若干的对所述火焰筒壁面进行冷却的火焰筒壁冷却孔。
3.如权利要求2所述的单凹腔驻涡燃烧室，其特征在于：所述单凹腔包括凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口，所述凹腔前壁进气口与凹腔底部之间的距离小于所述凹腔后壁进气口与凹腔底部之间的距离以使得所述凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口处在不同的径向位置。
4.如权利要求1所述的单凹腔驻涡燃烧室，其特征在于：所述供油***包括主燃级燃油总管、值班级燃油总管及凹腔供油喷嘴，所述凹腔供油喷嘴设置于所述凹腔前壁进气口的中心处。
5.如权利要求4所述的单凹腔驻涡燃烧室，其特征在于：所述主燃级燃油总管集成于所述预蒸发装置中并引入预蒸发空气。
6.如权利要求5所述的单凹腔驻涡燃烧室，其特征在于：所述预蒸发装置中还设置有挡板及蒸发腔。
7.如权利要求6所述的单凹腔驻涡燃烧室，其特征在于：所述主燃级燃油总管上设置了喷油孔，燃油自所述喷油孔喷出，打到挡板上，并随预蒸发空气流动，形成射流进入主流，与主流进行混合。
8.如权利要求1所述的单凹腔驻涡燃烧室，其特征在于：所述单凹腔驻涡燃烧室可实现RQL工作模式、LPP工作模式及两者组合的工作模式。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的单凹腔驻涡燃烧室，其特征在于：所述单凹腔驻涡燃烧室为全环形结构。
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