CN108151068A - 一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒 - Google Patents

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张鹏
王鑫
海涵
寇睿
李承钰
宋亚恒
黎超超
李逸飞
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明提供了一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒的结构设计方案。通过在火焰筒外壳体靠近火焰筒前端处设置进气导流叶片，使得通过主燃孔进入火焰筒的气流具有轴向、径向和周向的分速度，这股旋转气流在火焰筒内部能够形成回流区，有效改善了火焰筒内气流结构，降低气流速度，提高了微型发动机燃烧室的燃烧稳定性；并且回流区的存在增加了气流湍流度，使燃油和新鲜空气掺混更充分，燃烧更完全，大大提高了燃烧效率。

Description

一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒
技术领域
本发明属于微型发动机领域，具体涉及一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒。
背景技术
随着市场的发展需要，各种航空器开始迅速出现微型化、无人化的趋势，包括军用的无人侦查机、靶机，民用的航拍摄影飞机、航模等，这些微小型航空器的出现对动力***提出了新的要求。因此，微型发动机技术近几年得到了迅速发展。微型发动机指的是尺寸在厘米级或毫米级的发动机，它具有重量轻，体积小，功率大，推重比高等优点，作为一种未来的高能量存储密度装置，其在性能方面有着巨大的潜力。
燃烧室的结构方案是微型发动机设计的关键技术。由于整个发动机的微型化，燃烧室的空间被大大压缩，燃油雾化燃烧的时间十分短暂，因此微型发动机中的燃烧过程主要有以下三个特点：一是面容比大。微型发动机燃烧室的面容比通常比常规燃烧室大一到两个量级，这使得传热损失大大增加，不利于启动点火以及火焰的稳定燃烧；二是燃油雾化较差。因为燃烧室轴向长度有限，燃油喷出后雾化的距离较短，蒸发时间少，雾化效果差，因此微型发动机多采用蒸发管形式加强燃油雾化掺混。三是火焰驻留时间短。燃烧室内气流速度非常高，气流在燃烧室内停留时间很短，这将导致燃料和空气掺混较差，燃烧不完全。因此合理组织燃烧过程是提高燃烧效率、保证燃烧稳定性的关键技术。
燃烧区中合理的气流结构是组织有效燃烧的关键。当今常规发动机多采用旋流燃烧技术，并使用旋流器来产生旋流，以起到稳定火焰的作用。而微型发动机由于其重量和体积限制，采用旋流器这种方式是不现实的，因此，合理设计燃烧室火焰筒结构以达到组织燃烧的目的具有很广阔的应用前景，良好的火焰筒结构能够有效提高燃烧稳定性燃烧效率，从而对微型燃烧室总体性能的提升有很大的促进作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒的结构设计方案。本技术在火焰筒外壳体设置进气导流叶片，使通过主燃孔进入火焰筒的气流获得轴向、径向和周向的分速度，能够改善火焰筒内气流结构，降低气流速度，形成回流区，从而实现旋流燃烧，改善微型发动机燃烧室的燃烧稳定性及燃烧效率。
技术方案
本发明的目的在于提供一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒。
本发明技术方案如下：
一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒，包括火焰筒整体结构形式，进气导流叶片及主燃孔设计参数，进气导流叶片及主燃孔分布形式。
所述火焰筒整体结构形式，其特征在于：火焰筒为环形燃烧室火焰筒，其轴向长度在80～100mm，外直径在100～110mm，内直径在50～60mm。火焰筒壳体厚度在1～2mm。
所述进气导流叶片及主燃孔设计参数，其特征在于：进气导流叶片形状为长方形，长度在10～30mm，宽度在5～10mm，叶片厚度在1～2mm；主燃孔为长方形通孔，长度在10～30mm，宽度在5～10mm。
所述进气导流叶片及主燃孔分布形式，其特征在于：1、进气导流叶片与主燃孔一一对应，数量相等，并且进气导流叶片紧贴主燃孔；2、周向上，进气导流叶片与主燃孔均匀布置在火焰筒外壳体，轴向距火焰筒前端5～10mm，数量在6～36对之间；3、主燃孔的轴线方向与火焰筒轴线方向呈一夹角，角度在30～60度之间。4、进气导流叶片倾斜方向与主燃孔进气方向呈一夹角，角度在30～50度之间，以产生导流作用。
本发明具有以下有益效果：
与传统火焰筒相比，本发明通过在采用进气导流叶片的方式，使得从主燃孔进入火焰筒的气流具有轴向、切向和径向三种分速的三维旋转气流，此三维旋转气流在火焰筒内部有利于形成回流区。一方面，回流区和顺流区之间的过渡区中，气流湍流度很高而流速很低，这就有利于创造气流速度等于火焰传播速度的条件，从而为燃料的连续点火和火焰和稳定提供了良好的基础；另一方面，火焰筒中回流区的存在，增强了气流的湍流扰动，改善了燃料与空气的掺混条件，而且气流以螺旋的轨迹通过火焰筒，增加了气流在火焰筒内的停留时间，有利于燃料与新鲜空气掺混更均匀，燃烧更完全。
附图说明
图1：带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒三维示意图
图2：进气导流叶片周向分布示意图
图3：带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒剖面图
图中：1-进气导流叶片2-主燃孔3-火焰筒前端4-蒸发管进口5-火焰筒外壳体6-火焰筒内壳体7-掺混孔
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图1、图2和图3，本发明提供了一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒的结构设计方案。图1为带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒三维示意图，图2为进气导流叶片周向分布示意图，图3为带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒剖面图。
根据图1所示，进入燃烧室的气流分为两部分，一部分气流通过火焰筒前端(3)的蒸发管进口(4)进入火焰筒内，这部分气流与燃油进行混合形成可燃混合物后进入火焰筒内燃烧。另一部分气流流经燃烧室内、外机匣和火焰筒外壳体(5)及火焰筒内壳体(6)构成的环腔，高速气流受到火焰筒内外的压力差作用和导流叶片(1)的导流作用通过主燃孔(2)进入火焰筒内，进行补充燃烧。由于导流叶片的存在，高速气流进入火焰筒内部时，同时具有轴向、径向和切向的三种分速度，气流在火焰筒内部为三维旋转气流。由于空气粘性作用，旋转气流将火焰筒内部靠近主燃孔(2)的气体带入到火焰筒内壳体(6)附近，使得主燃孔(2)后部区域气体变得稀薄，压力降低，在轴线方向形成逆主流的压力差，在此压力差的作用下，下游一部分气体逆流过来补充，结果就形成了气体的回流。该回流区为火焰筒提供了高温热源和适当的气流速度，提高了火焰的稳定性。另一方面，旋转气流增加了气流的湍流度，使燃油和新鲜空气掺混更加充分，从而使燃烧更充分。当气流流经火焰筒后部的掺混孔(7)时，已基本燃烧完全。掺混孔主要作用为将环腔内的空气引进火焰筒，与高温燃烧产物掺混降温，以获得需要的燃烧室出口温度分布。

Claims (4)

1.一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒，包括火焰筒整体结构形式，进气导流叶片及主燃孔设计参数，进气导流叶片及主燃孔分布形式，其特征在于：在火焰筒头部设置进气导流叶片，与主燃孔相互配合使得火焰筒进气具有轴向、径筒和切向速度的三维旋转气流。
2.根据权利要求1所述的一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒，其特征在于：火焰筒为环形火焰筒，其轴向长度在80～100mm，外直径在100～110mm，内直径在50～60mm，火焰筒壳体厚度在1～2mm。
3.根据权利要求1所述的一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒，其特征在于：进气导流叶片形状为长方形，长度在10～30mm，宽度在5～10mm，叶片厚度在1～2mm，主燃孔为长方形通孔，长度在10～30mm，宽度在5～10mm，进气导流叶片与主燃孔一一对应，数量相等，并且进气导流叶片紧贴主燃孔。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种带进气导流叶片的微型发动机燃烧室火焰筒，其特征在于：在周向上，进气导流叶片与主燃孔均匀布置在火焰筒外壳体上，轴向上距火焰筒前端5～10mm，数量在6～36对之间，主燃孔的轴线方向与火焰筒轴线方向呈一夹角，角度在30～60度之间，进气导流叶片倾斜方向与主燃孔进气方向呈一夹角，角度在30～50度之间。
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