CN107906560B - 一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，包括火焰筒和机匣，火焰筒包括火焰筒外壁、火焰筒前壁和火焰筒内壁，火焰筒外壁、火焰筒前壁与火焰筒内壁密封形成火焰筒气流腔体A，火焰筒与机匣之间形成环形腔体B；火焰筒外壁开有第二射流孔，火焰筒外壁远离火焰筒前壁一端开有第三射流孔；火焰筒前壁上开有第一射流孔；火焰筒内壁上开有第四射流孔，火焰筒外壁上开有第一组冷却孔，火焰筒内壁上开有第二组冷却孔。本发明使得中心的强回流区能够使气流在燃烧室内的停留时间增加，并且回流区的周边低速带区域增大，有利于火焰的传播，从而使头部区域稳定燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及微型燃气涡轮发动机燃烧室领域，尤其涉及一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室。
背景技术
微型涡轮喷气发动机(Micro-turbine en-gine,MTE)具有重量轻、功率大、推重比高等优点。对于小型及微型无人飞行器在执行诸如空中侦察、打靶训练、电子干扰、通信中继、环境监测、核辐射采样以及对地攻击等方面，今后必将扮演越来越重要的角色。随着近年来对无人飞行器发展的需求，微型涡轮类发动机也相应地得到了很大的发展。美国是世界上最先开展小型及微型涡轮类发动机技术研究的国家，也是型号品种最多和技术最先进的国家。1960年，美国Williams国际公司研制出了世界上最早的265N推力的微型涡喷发动机WR2-1，它也是当今美国战斧式巡航导弹用涡扇发动机F107-WR-100的先驱机型。
经过几十年不断地改进，世界上航空技术发达国家的小型及微型喷气发动机技术获得了突飞猛进的发展。这类发动机在设计上具有尺寸小、重量轻、结构简单、成本低、寿命短及使用维护方便等特点，其燃烧室的供油方式主要采用压力雾化式、空气雾化式和蒸发管式，而燃烧室多以回流和直流环形结构为主。目前，各国都在加紧对MTE的设计及研究。而作为MTE关键技术之一的燃烧室，由于尺寸的微型化(毫米级至厘米级)，使得其面容比大，传热损失大大增加。燃烧驻留时间短，会出现燃料不充分燃烧的情况。因此，在改善其燃烧充分性，提高其燃烧效率等方面还有很大的提升空间。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，使得中心的强回流区能够使气流在燃烧室内的停留时间增加，并且回流区的周边低速带区域增大，有利于火焰的传播，从而使头部区域稳定燃烧。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，包括火焰筒和机匣，所述火焰筒包括火焰筒外壁、火焰筒前壁和火焰筒内壁，所述火焰筒外壁与火焰筒前壁密封固定连接，所述火焰筒内壁位于火焰筒外壁内部，所述火焰筒内壁与火焰筒前壁密封固定连接；所述火焰筒外壁、火焰筒前壁与火焰筒内壁密封形成火焰筒气流腔体A，所述火焰筒与机匣之间形成环形腔体B；所述火焰筒外壁开有若干个用于连通火焰筒气流腔体A与环形腔体B的第二射流孔，所述火焰筒外壁远离火焰筒前壁一端开有用于连通火焰筒气流腔体A与环形腔体B的第三射流孔；所述火焰筒前壁上开有用于连通火焰筒气流腔体A与环形腔体B的第一射流孔；所述火焰筒内壁上开有用于连通火焰筒气流腔体A与环形腔体B的第四射流孔，所述火焰筒外壁上开有用于连通火焰筒气流腔体A与环形腔体B的第一组冷却孔，所述火焰筒内壁上开有用于连通火焰筒气流腔体A与环形腔体B的第二组冷却孔。
为了更好地实现本发明，所述火焰筒靠近火焰筒前壁一端为火焰筒头部主燃区，所述火焰筒头部主燃区采用突扩结构，所述火焰筒头部主燃区为驻涡形式结构。
作为优选，所述火焰筒外壁和火焰筒内壁均采用变截面设计。
作为优选，所述第一组冷却孔由若干个冷却孔构成，第二组冷却孔由若干个冷却孔构成；所述第一组冷却孔的冷却孔、第二组冷却孔的冷却孔均为斜圆环孔，斜圆环孔的内圆直径为3～8mm，孔的深度为0.5～1.5mm。
作为优选，所述第一冷却孔的冷却孔与火焰筒外壁中心轴线成20°～45°夹角，所述第二冷却孔的冷却孔与火焰筒内壁中心轴线成20°～45°夹角。
作为优选，所述第一射流孔向火焰筒气流腔体A方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm；所述第二射流孔向火焰筒气流腔体A方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm。
作为优选，所述第三射流孔向火焰筒气流腔体A方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm；所述第四射流孔向火焰筒气流腔体A方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm
作为优选，所述第一射流孔、第二射流孔、第三射流孔、第四射流孔的孔直径为5～10mm。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明头部主燃区采用突扩结构，通过合理布置火焰筒各射流孔的位置、尺寸以及射流深度，使得第三射流孔流出的射流与第二射流孔流出的射流相衔接，经第二射流孔流出的射流与第一射流孔流出的射流相衔接，以此类推形成单个直径较大、且具有一定强度的回流区。利用回流区的驻留作用，使气流在火焰筒头部区域停留时间增加，增加油气的掺混、燃烧时间，提高燃烧稳定性和燃烧效率；燃烧充分也会提高燃烧室出口分布品质，提高了燃烧室综合性能指标。
(2)本发明火焰筒的外壁和内壁结构形式为突扩式，相比之下火焰筒主燃区空间大，有利于提高燃烧室的点火性能。
(3)本发明微型驻涡燃烧室考虑冷却结构，在火焰筒外壁和火焰筒内壁布置多排冷却孔，对火焰筒壁面进行气膜冷却，防止局部出现化学当量比区域，避免了对火焰筒壁面的烧蚀，有效降低了壁面温度及温度梯度。本发明将驻涡燃烧技术的原理应用于微型燃烧室上,思路新颖、结构形式简单，便于加工。
附图说明
图1为本发明的结构剖视图；
图2为本发明核心部件火焰筒的结构示意图；
图3为火焰筒外壁的结构示意图；
图4为火焰筒前壁的结构示意图；
图5火焰筒内壁的结构示意图。
其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
1－火焰筒前壁，2－第一射流孔，3－火焰筒外壁，4－第二射流孔，5－第三射流孔，6－第一冷却孔，7－火焰筒内壁，8－第四射流孔，9－第二冷却孔，10－具有一定压力的空气，11－高温燃气，12－机匣，13－环形腔体B，14－火焰筒气流腔体A。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
如图1～图5所示，一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，包括火焰筒和机匣12，火焰筒包括火焰筒外壁3、火焰筒前壁1和火焰筒内壁7；火焰筒靠近火焰筒前壁1一端为火焰筒头部主燃区，火焰筒头部主燃区采用突扩结构，火焰筒头部主燃区为驻涡形式结构。火焰筒外壁3与火焰筒前壁1密封固定连接，火焰筒内壁7位于火焰筒外壁3内部，火焰筒内壁7与火焰筒前壁1密封固定连接。本发明的火焰筒外壁3和火焰筒内壁7均采用变截面设计。火焰筒外壁3、火焰筒前壁1与火焰筒内壁7密封形成火焰筒气流腔体A14，火焰筒外壁3与火焰筒内壁7具有气流腔体A，火焰筒内壁7内部也具有气流腔体B，本发明的火焰筒气流腔体A14包括气流腔体A、气流腔体B。火焰筒与机匣12之间形成环形腔体B13。火焰筒外壁3开有若干个用于连通火焰筒气流腔体A14与环形腔体B13的第二射流孔4，火焰筒外壁3远离火焰筒前壁1一端开有用于连通火焰筒气流腔体A14与环形腔体B13的第三射流孔5。火焰筒前壁1上开有用于连通火焰筒气流腔体A14与环形腔体B13的第一射流孔2。火焰筒内壁7上开有用于连通火焰筒气流腔体A14与环形腔体B13的第四射流孔8，火焰筒外壁3上开有用于连通火焰筒气流腔体A14与环形腔体B13的第一组冷却孔6，火焰筒内壁7上开有用于连通火焰筒气流腔体A14与环形腔体B13的第二组冷却孔9。
本发明火焰筒头部主燃区采用驻涡形式，为突扩结构，并合理的布置四个射流孔的位置，头部气流在火焰筒内形成稳定的回流区，回流区的驻留作用，使头部气流在火焰筒头部区域停留时间增加，进而增加燃油在头部区域的燃烧时间，同时回流区的强度增加，头部区域的燃烧稳定性加强，并且燃烧室的点火可靠性与稳定性提高。回流区强度与范围得到提高，驻留时间与燃烧时间的提高，燃烧室头部区域的燃烧效率提高，高温区靠近头部区域，燃烧出口温度分布均匀性较好，燃烧室整体的燃烧室性能得到较大提升。
如图1～图5所示，第一组冷却孔6由若干个冷却孔构成，第二组冷却孔9由若干个冷却孔构成；所述第一组冷却孔6的冷却孔、第二组冷却孔9的冷却孔均为斜圆环孔，斜圆环孔的内圆直径为3～8mm，孔的深度为0.5～1.5mm。第一冷却孔6的冷却孔与火焰筒外壁3中心轴线成20°～45°夹角，第二冷却孔9的冷却孔与火焰筒内壁7中心轴线成20°～45°夹角。
如图1～图5所示，第一射流孔2向火焰筒气流腔体A14方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm；所述第二射流孔4向火焰筒气流腔体A14方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm。第三射流孔5向火焰筒气流腔体A14方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm；第四射流孔8向火焰筒气流腔体A14方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm。第一射流孔2、第二射流孔4、第三射流孔5、第四射流孔8的孔直径为5～10mm。
本发明的工作原理如下：
如图1～图5所示，具有一定压力的空气10从左侧进入机匣12内，分成两股气流，一股气流流经火焰筒外壁3，从火焰筒外壁3主燃区的第二射流孔4、火焰筒外壁3突扩位置的第三射流孔5和火焰筒外壁3的第一组冷却孔6进入火焰筒内；另一股气流流经火焰筒前壁1，从火焰筒前壁1的第一射流孔2、火焰筒内壁7的第四射流孔8和火焰筒外壁3的第二组冷却孔9进入火焰筒内。火焰筒外壁3主燃区的第二射流孔4的射流方向为向火焰筒内壁7方向，火焰筒外壁3突扩位置的第三射流孔5的射流方向为向左，火焰筒前壁1的第一射流孔2的射流方向为向右，火焰筒内壁7的第四射流孔8的射流方向为向火焰筒外壁3壁面方向，四个方向的射流气体的回旋方向为逆时针，强劲的回流射流，使头部区域形成较强的剪切层与较大的逆压梯度，从而在中心区域形成加强的回流区。中心的强回流区能够使气流在燃烧室内的停留时间增加，并且回流区的周边低速带区域增大，利于火焰的传播，从而使头部区域稳定燃烧，燃烧后的高温燃气11顺利排出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，包括火焰筒和机匣（12），其特征在于：所述火焰筒包括火焰筒外壁（3）、火焰筒前壁（1）和火焰筒内壁（7），所述火焰筒外壁（3）与火焰筒前壁（1）密封固定连接，所述火焰筒内壁（7）位于火焰筒外壁（3）内部，所述火焰筒内壁（7）与火焰筒前壁（1）密封固定连接；所述火焰筒外壁（3）、火焰筒前壁（1）与火焰筒内壁（7）密封形成火焰筒气流腔体A（14），所述火焰筒与机匣（12）之间形成环形腔体B（13）；所述火焰筒外壁（3）开有若干个用于连通火焰筒气流腔体A（14）与环形腔体B（13）的第二射流孔（4），所述火焰筒外壁（3）远离火焰筒前壁（1）一端开有用于连通火焰筒气流腔体A（14）与环形腔体B（13）的第三射流孔（5）；所述火焰筒前壁（1）上开有用于连通火焰筒气流腔体A（14）与环形腔体B（13）的第一射流孔（2）；所述火焰筒内壁（7）上开有用于连通火焰筒气流腔体A（14）与环形腔体B（13）的第四射流孔（8），所述火焰筒外壁（3）上开有用于连通火焰筒气流腔体A（14）与环形腔体B（13）的第一组冷却孔（6），所述火焰筒内壁（7）上开有用于连通火焰筒气流腔体A（14）与环形腔体B（13）的第二组冷却孔（9）；所述火焰筒靠近火焰筒前壁（1）一端为火焰筒头部主燃区，所述火焰筒头部主燃区采用突扩结构，所述火焰筒头部主燃区为驻涡形式结构；所述第一组冷却孔（6）由若干个冷却孔构成，第二组冷却孔（9）由若干个冷却孔构成；所述第一组冷却孔（6）的冷却孔、第二组冷却孔（9）的冷却孔均为斜圆环孔，斜圆环孔的内圆直径为3～8mm，孔的深度为0.5～1.5mm。
2.按照权利要求1所述的一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，其特征在于：所述火焰筒外壁（3）和火焰筒内壁（7）均采用变截面设计。
3.按照权利要求1所述的一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，其特征在于：所述第一组冷却孔（6）的冷却孔与火焰筒外壁（3）中心轴线成20°～45°夹角，所述第二组冷却孔（9）的冷却孔与火焰筒内壁（7）中心轴线成20°～45°夹角。
4.按照权利要求1所述的一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，其特征在于：所述第一射流孔（2）向火焰筒气流腔体A（14）方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm；所述第二射流孔（4）向火焰筒气流腔体A（14）方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm。
5.按照权利要求4所述的一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，其特征在于：所述第三射流孔（5）向火焰筒气流腔体A（14）方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm；所述第四射流孔（8）向火焰筒气流腔体A（14）方向翻边形成导流边，其导流边高度为1～3mm。
6.按照权利要求5所述的一种驻涡式微型燃气涡轮发动机燃烧室，其特征在于：所述第一射流孔（2）、第二射流孔（4）、第三射流孔（5）、第四射流孔（8）的孔直径为5～10mm。
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