CN116398905A - 一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，该回流燃烧室包括燃烧室机匣、环形火焰筒、内端盖组件、外端盖组件、第一观察窗体和第二观察窗体，燃烧室机匣包括形成第一环腔的燃烧室内机匣和燃烧室外机匣、连接于内机匣的燃烧室内机匣盖板；环形火焰筒设于第一环腔；内端盖组件设于环形火焰筒后端，内端盖组件连接有排气管；外端盖组件设于燃烧室外机匣后端，外端盖组件连接有进气管；第一观察窗体设于燃烧室内机匣；第二观察窗体设于内端盖组件和外端盖组件。本发明回流燃烧室通过第一观察窗体将激光引入环形燃烧室火焰筒内，通过第二观察窗体观测环形燃烧室火焰筒头部流场，以实现燃油浓度分布、雾化性能、流动结构特征等参数的光学观测。

Description

一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室

技术领域

本发明涉及航空燃气轮机设计技术领域，尤其涉及一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室。

背景技术

随着社会水平的不断发展，对环保的要求也越加严苛。科技的不断迭代也使得不论是普通的工业用燃气轮机还是航空发动机都在致力于研究如何降低污染排放的设计方案。

目前，现有小型发动机燃烧室，由于受制于空间体积、重量等设计因素影响，采用回流形式环涡头部环形燃烧室作为核心部件已成为普遍的发展趋势，这不仅是因为能让耐热强度成倍增加，而且燃烧室的寿命也随着气膜冷却技术的发展和设计、工艺水平的提高而大大延长。此外，还有一个重要的原因是其可以使发动机轴缩短近40％，从而可减轻发动机质量，并且与离心压气机匹配，使发动机总体布局更加合理。

然而，为了解回流形式燃烧室内油雾流动状况对点熄火过程的影响，需获取回流形式燃烧室头部内的燃油雾化流动参数，但回流形式燃烧室为一个黑箱结构，无法对燃油雾化流动参数进行观测。

发明内容

本发明提供一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，用以解决针对现有设计结构的回流形式燃烧室，无法对燃油浓度分布、雾化性能、流动结构特征等参数进行光学观测的缺陷。

本发明提供一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，包括：

燃烧室机匣，所述燃烧室机匣包括燃烧室内机匣、燃烧室内机匣盖板以及套设于所述燃烧室内机匣外周的燃烧室外机匣，所述燃烧室内机匣盖板连接于所述内机匣的后端，所述燃烧室内机匣和所述燃烧室外机匣形成后端开口的第一环腔；

环形火焰筒，设置于所述第一环腔，所述环形火焰筒与所述燃烧室机匣之间构造有第一进气通道；

内端盖组件，设置于所述环形火焰筒的后端，所述内端盖组件与所述燃烧室内机匣盖板之间构造有排气通道，所述内端盖组件连接有排气管，所述环形火焰筒内腔、所述排气通道和所述排气管依次连通；

外端盖组件，设置于所述燃烧室外机匣的后端，所述外端盖组件与所述内端盖组件之间构造有第二进气通道，所述外端盖组件连接有进气管，所述进气管、所述第二进气通道和所述第一进气通道依次连通；

第一观察窗体，设置于所述燃烧室内机匣，所述环形火焰筒与所述第一观察窗体配合位置为可视化结构；

第二观察窗体，穿设于所述内端盖组件和所述外端盖组件；所述第一观察窗体适于将光束引入所述环形火焰筒内，通过所述第二观察窗体观测所述环形火焰筒内部。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述排气管连接于所述内端盖组件的中部，所述进气管连接于所述外端盖组件的中部，且所述进气管同轴设置于所述排气管的外周。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述环形火焰筒包括：

环形内筒，所述环形内筒通过第一连接组件套设于所述燃烧室内机匣的外周，所述环形内筒为可视化结构；

环形外筒，套设于所述环形内筒外周；

环形头部，连接所述环形内筒的前端和所述环形外筒的前端；

所述环形内筒、所述环形头部和所述环形外筒均设有掺混孔。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述第一连接组件包括：

压板，设置于所述环形内筒的后端，所述压板与所述燃烧室内机匣滑动配合；

压盖，连接于所述燃烧室内机匣盖板；

弹性件，通过连接件穿过所述压盖、所述弹性件后与所述压板连接；

所述环形外筒的后端与所述内端盖组件滑动连接。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，若干喷嘴沿所述燃烧室外机匣周向布设，每个喷嘴穿设于所述燃烧室外机匣和所述环形外筒，且所述喷嘴的喷口位于所述环形火焰筒内腔。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述第一观察窗体包括：

第一底座，设置于所述燃烧室内机匣侧壁；

第一观察窗，设置于所述第一底座；

第一压盖，适于将所述第一观察窗固定于所述第一底座。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述第二观察窗体包括：

内窗体组件，包括内底座、内观察窗和内压盖，所述内底座设置于所述内端盖组件，所述内观察窗设置于所述内底座，所述内压盖适于将所述内观察窗固定于所述内底座；

外窗体组件，包括外底座、外观察窗和外压盖，所述外底座设置于所述外端盖组件，所述外观察窗设置于所述外底座，所述外压盖适于将所述外观察窗固定于所述外底座；所述内观察窗沿着所述燃烧室外机匣轴向的投影位于所述外观察窗内。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述内观察窗和所述外观察窗均呈扇形，且扇形角度大于或等于预设角度。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述第一观察窗体还包括设置于所述第一观察窗两侧的柔性垫片。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述内窗体组件还包括设置于所述内观察窗两侧的柔性垫片。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述外窗体组件还包括设置于所述外观察窗两侧的柔性垫片。

根据本发明实施例提供的一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，所述第一观察窗体和所述第二观察窗体均为若干个，若干个第一观察窗体沿所述燃烧室内机匣周向布置，若干个第二观察窗体与所述若干个第一观察窗体的位置一一对应。

本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，燃烧室机匣采用环形结构，进气管和排气管布置于燃烧室机匣的后侧，通过位于燃烧室机匣内侧的第一观察窗体将激光引入环形燃烧室火焰筒内并照射环形火焰筒内部，并通过穿设于内端盖组件和外端盖组件上的第二观察窗体观测环形燃烧室火焰筒头部流场，以实现燃油浓度分布、雾化性能、流动结构特征等参数的光学观测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室沿轴向的全剖视图之一；

图2是本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室的侧视图之一；

图3是本发明实施例提供的第二观察窗体的装配示意图之一；

图4是本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室沿轴向的部分剖视图；

图5是本发明实施例提供的第一观察窗体的结构示意图，其中，a是第一观察窗体的部分剖视图，b是第一观察窗体的立体结构视图，c是第一观察窗体的装配示意图；

图6是本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室沿轴向的全剖视图之二；

图7是本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室的侧视图之二；

图8是本发明实施例提供的第二观察窗体的装配示意图之二。

附图标记：

1、机匣前端盖；2、燃烧室内机匣；3、燃烧室外机匣；4、燃烧室外机匣法兰；5、进气前法兰；6、连接管；7、进气后法兰；8、进气管；9、排气管；10、环形火焰筒支撑块；11、环形头部；12、环形外筒；13、环形火焰筒外壁固定座；14、旋流导流板；15、环形火焰筒支撑法兰；16、排气法兰；17、支撑座；18、环形内筒；19、压板；20、弹性件；21、压盖；22、燃烧室内机匣盖板；23、第一底座；24、第一观察窗；25、第一压盖；26、内底座；27、内观察窗；28、内压盖；29、外底座；30、外观察窗；31、外压盖；32、喷嘴本体；33、空气套筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图8描述本发明实施例采用可视光学观测结构的回流燃烧室。

本发明实施例提出一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，图1示例了本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室沿轴向的全剖视图之一，如图1所示，该采用可视光学观测结构的回流燃烧室包括燃烧室本体、第一观察窗体和第二观察窗体。

其中，燃烧室本体包括燃烧室机匣、环形火焰筒、内端盖组件和外端盖组件，燃烧室机匣采用环形结构，燃烧室机匣包括燃烧室内机匣2、燃烧室外机匣3和燃烧室内机匣盖板22；燃烧室内机匣2、燃烧室外机匣3均为两端开口的空心圆柱体，燃烧室外机匣3同轴套设于燃烧室内机匣2的外周，且燃烧室外机匣3和燃烧室内机匣2之间存在距离；燃烧室内机匣盖板22连接于燃烧室内机匣2的后端，从而燃烧室内机匣2和燃烧室内机匣盖板22之间形成前端开口的安装腔；本发明实施例中，燃烧室内机匣盖板22与燃烧室内机匣2的后端通过焊接固定，从而形成半封闭空桶形结构。

其中，燃烧室外机匣3的前端通过机匣前端盖1与燃烧室内机匣2的前端连接，从而在燃烧室内机匣2、机匣前端盖1和燃烧室外机匣3之间形成后端开口且呈环状的第一环腔；本发明实施例中，燃烧室外机匣3、机匣前端盖1与燃烧室内机匣2通过焊接固定。

可以理解的是，环形火焰筒设置于燃烧室内机匣2和燃烧室外机匣3之间的第一环腔中，环形火焰筒的外壁面与燃烧室机匣的壁面之间存在距离，从而在环形火焰筒和燃烧室机匣之间形成第一进气通道，环形火焰筒上设有连通环形火焰筒内腔和第一进气通道的掺混孔。

可以理解的是，内端盖组件设置于环形火焰筒的后端，内端盖组件与燃烧室内机匣盖板22之间存在距离，从而构造有排气通道，内端盖组件连接有排气管，环形火焰筒的内腔、排气通道和排气管依次连通。外端盖组件设置于燃烧室外机匣的后端，外端盖组件与内端盖组件之间存在距离，从而构造有第二进气通道，外端盖组件连接有进气管，进气管、第二进气通道和第一进气通道依次连通。

可以理解的是，第一观察窗***于安装腔内，并设置于燃烧室内机匣2的侧壁，第二观察窗体穿设于内端盖组件和外端盖组件，若干喷嘴设置于燃烧室机匣，且喷嘴的喷口伸入环形火焰筒的内腔。

可以理解的是，第一观察窗体适于将激光引入环形火焰筒内，则环形火焰筒与第一观察窗体配合位置为可视化结构，激光片光光路穿过第一观察窗体、环形火焰筒的可视化结构进入环形火焰筒，并照射环形火焰筒内部，同时，位于第二观察窗体外侧的观测设备通过第二观察窗体观测环形火焰筒内部被照射的区域，以获取环形火焰筒内喷嘴喷出的燃油雾化流动参数。

需要说明的是，来流空气经进气管、第二进气通道、第一进气通道，并通过环形火焰筒上的掺混孔进入环形火焰筒内，同时燃烧室机匣上的喷嘴向环形火焰筒内喷出燃油，经掺混孔进入的来流空气与由喷嘴喷出的燃油在环形火焰筒内腔中发生雾化和流动，可以通过位于第二观察窗体外侧的观测设备对环形火焰筒内的燃油雾化情况进行观察，并对燃油分布的速度场、浓度场等参数进行定量测量；雾化后的燃油从环形火焰筒内流经排气通道和排气管排出。

本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，燃烧室机匣采用环形结构，进气管和排气管布置于燃烧室机匣的后侧，通过位于燃烧室机匣内侧的第一观察窗体将激光引入环形燃烧室火焰筒内并照射环形火焰筒内部，并通过穿设于内端盖组件和外端盖组件上的第二观察窗体观测环形燃烧室火焰筒头部流场，以实现燃油浓度分布、雾化性能、流动结构特征等参数的光学观测。

根据本发明实施例，燃烧室机匣的侧壁上设置有若干喷嘴，若干喷嘴沿燃烧室外机匣3周向布设，每个喷嘴穿设于燃烧室外机匣3和环形外筒12，且喷嘴的喷口位于环形火焰筒的内腔。

需要说明的是，若干喷嘴沿周向安装于燃烧室机匣的外侧壁上，且每个喷嘴沿径向布置，可以缩短回流燃烧室整体的轴向尺寸。

需要说明的是，现有技术中，为了解燃烧室内火焰传播形态并对点熄火过程进行优化，需要对燃烧室内部区域进行可视光学观察和光学测量，然而受制于回流型燃烧室整体结构紧凑和径向结构复杂、燃油喷嘴径向安装的方式等问题，导致燃烧室外侧壁无法直接进行开窗观察。因此，本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，在保留现有燃烧室内燃油雾化流动特性的情况下，通过简化燃烧室本体结构，并设计第一观察窗体和第二观察窗体，能够利用PIV(Particle Image Velocimetry,又称粒子图像测速法)、PMie等测量手段，对环形火焰筒内待测区域燃油喷雾的速度场、浓度场进行光学观察和光学测量，并且能够在观测方向上进行毫米级精度的切片拍摄测试(精密分片可视化光学观察)和三维测量，进而可以对燃油浓度分布情况提供调整数据支撑，有利于保证采用该回流燃烧室在不同工况下具有良好的点熄火性能，从而为后续燃烧室优化、降低污染物排放提供有力的实验数据基础支撑，进而实现改善燃烧室点熄火性能、降低污染物排放的目的。

其中，待测区域为环形火焰筒内包含至少一个完整喷嘴的区域，本实施例以环形火焰筒内两个完整喷嘴之间的扇形区域作为待测区域为例。当然，在其他实施例中，待测区域可以是三个或者更多个完整喷嘴之间的区域。

需要说明的是，若干喷嘴沿周向安装于燃烧室机匣上，喷嘴数量的不同会使得相邻喷嘴之间的扇形区域不同，也就是待测区域的不同，这样，第二观察窗体的尺寸可以根据喷嘴的数量进行合理设计，比如，喷嘴的数量为10个，相邻两个喷嘴中心线之间的夹角为30°，两个完整喷嘴之间的扇形区域(待测区域)应大于30°，比如待测区域为38°，则第二观察窗体的可观察部分扇形夹角可以设计为38°～360°之间。

根据本发明实施例，环形火焰筒包括环形内筒18、环形外筒12和环形头部11；环形内筒18通过第一连接组件套设于燃烧室内机匣2的外周，环形外筒12套设于环形内筒18外周，环形头部11连接环形内筒18的前端和环形外筒12的前端。

其中，环形内筒18需要供激光片光光路穿过，则环形内筒18可以为全部采用玻璃材质的可视化结构，环形内筒18可由完整的圆柱状透明玻璃打孔制成。

其中，燃烧室内机匣2的外侧壁设有环形火焰筒支撑块10，环形内筒18的前端通过支撑座17支撑于环形火焰筒支撑块10，环形内筒18的后端通过第一连接组件与燃烧室内机匣2滑动配合连接，在第一连接组件的作用下环形内筒18可以沿燃烧室内机匣2的轴向前后移动，本实施例中，环形外筒12和环形头部11以及支撑座17焊接在一起，则环形内筒18的移动，也就是环形火焰筒整体的移动。

可以理解的是，环形内筒18、环形外筒12和环形头部11均设有掺混孔和冷却孔。

可以理解的是，环形内筒18的前端和环形外筒12的前端通过环形头部11连接，则环形火焰筒的内腔为后端开口的第二环腔。这样，本实施例燃烧室机匣采用环形结构，头部内流动结构为环涡形式。

本实施例中，第一连接组件起连接环形内筒18后端和燃烧室内机匣2作用的同时，还可以是对环形内筒18后端和燃烧室内机匣2后端之间空腔起密封作用，环形外筒12的轴向长度大于环形内筒18的轴向长度，内端盖组件连接于环形外筒12的后端，从而实现环形火焰筒内腔的密封。

可以理解的是，若干喷嘴沿周向安装于燃烧室外机匣3的外侧壁，喷嘴沿径向穿设于燃烧室机匣和环形火焰筒，则燃烧室外机匣3上设有用于安装喷嘴的第一安装孔，以及环形外筒12上设有用于安装喷嘴的第二安装孔，喷嘴穿设在第一安装孔和第二安装孔上，同时喷嘴通过螺栓连接固定在燃烧室外机匣3上，并且喷嘴的喷口位于环形火焰筒的内腔。

需要说明的是，在环形火焰筒和燃烧室机匣上装配喷嘴时，需要第一安装孔和第二安装孔的位置对正，但由于加工误差或装配误差等原因，会存在第一安装孔和第二安装孔未对正的情况，从而无法实现喷嘴与燃烧室机匣和环形火焰筒的准确安装。因此，本发明实施例环形内筒18(环形火焰筒)与燃烧室外机匣3(燃烧室机匣)通过第一连接组件实现连接，在第一连接组件的作用下，环形火焰筒可以沿燃烧室机匣轴向前后移动调整位置，从而实现燃烧室外机匣3上第一安装孔和环形外筒12上第二安装孔的对正，进而便于喷嘴与燃烧室机匣和环形火焰筒的快速装配。

本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，环形火焰筒通过第一连接组件与燃烧室机匣滑动配合连接，在第一连接组件的作用下，环形内筒18可以沿燃烧室机匣轴向前后移动调整位置，从而实现燃烧室外机匣3上第一安装孔和环形外筒12上第二安装孔的对正，进而便于喷嘴与燃烧室机匣和环形火焰筒的准确装配。

在本发明的一个优选实施例中，第一连接组件包括压板19、压盖21和弹性件20，压板19设置于环形内筒18的后端，压板19与燃烧室内机匣2滑动配合，压盖21连接于燃烧室内机匣盖板22，通过连接件穿过压盖21、弹性件20后与压板19连接。

可以理解的是，环形内筒18通过压板19、弹性件20与压盖21进行挤压连接，其中，压板19可以在燃烧室内机匣2侧壁上滑动，压盖21与燃烧室内机匣盖板22通过螺栓连接固定；相应的，环形外筒12的后端与内端盖组件滑动连接。

需要说明的是，压板19和压盖21均为环状结构，连接件和弹性件20均周向均布的多个，压板19和压盖21上均设有与多个连接件配合的装配孔；本实施例中，弹性件20可以为弹簧，连接件为螺栓。

需要说明的是，通过连接件可以调节压板19和压盖21之间的距离，从而实现环形火焰筒相对燃烧室机匣的前后(烧室本体轴向)移动。

根据本发明实施例，内端盖组件包括排气法兰16和环形火焰筒支撑法兰15。

可以理解的是，环形火焰筒支撑法兰15设置于环形外筒12后端外壁，排气法兰16与环形火焰筒支撑法兰15连接，排气法兰16与燃烧室内机匣盖板22之间存在轴向距离，在排气法兰16与燃烧室内机匣盖板22之间形成与环形火焰筒内腔连通的排气通道，排气管9的前端穿设于排气法兰16的中部，排气管9内腔与排气通道连通。

需要说明的是，环形火焰筒通过第一连接组件与燃烧室机匣滑动配合连接的情况下，环形外筒12与环形火焰筒支撑法兰15为滑动配合，本实施例中，环形火焰筒支撑法兰15的内环面设有环形凹槽，环形外筒12的外壁设有与环形凹槽配合的环形火焰筒外壁固定座13，环形火焰筒外壁固定座13呈环状凸起结构，则在通过连接件调整环形火焰筒的位置时，环形外筒12外壁的环形火焰筒外壁固定座13同步在环形火焰筒支撑法兰15的环形凹槽移动，从而环形火焰筒支撑法兰15和环形外筒12通过环形火焰筒外壁固定座13进行滑动连接。

在本发明的一个实施例中，外端盖组件包括依次连接的进气前法兰5、连接管6、进气后法兰7。

其中，外端盖与燃烧室外机匣3连接，外端盖与排气法兰16之间存在距离，从而在外端盖与排气法兰16之间形成与第一进气通道连通的进气腔，进气管8的前端穿设于外端盖，进气管8形成有与进气腔连通的进气道，则来流空气依次通过进气道、进气腔进入燃烧室外机匣3和环形外筒12之间的空间(第一进气通道)。

可以理解的是，燃烧室外机匣3的后端设有燃烧室外机匣法兰4，燃烧室外机匣法兰4和燃烧室外机匣3通过焊接连在一起，燃烧室外机匣法兰4与进气前法兰5连接，连接管6设置于排气法兰16与环形火焰筒支撑法兰15的外侧，进气后法兰7间隔设置于排气法兰16的后侧，连接管6、进气后法兰7与排气法兰16之间形成第二进气通道，进气管8的前段穿设于进气后法兰7的中部，进气管8的内腔与第二进气通道连通。

还可以理解的是，进气前法兰5和环形火焰筒支撑法兰15之间设置有旋流导流板14，旋流导流板14、进气前法兰5和环形火焰筒支撑法兰15焊接在一起。

可以理解的是，来流空气经过进气管后进入进气后法兰7和排气法兰16之间的空间，再经连接管6并通过旋流导流板14进入燃烧室外机匣3和环形外筒12之间的第一进气通道，然后经环形火焰筒上的掺混孔进入环形火焰筒内腔，并喷嘴喷出燃油在环形火焰筒内腔中雾化，最后雾化后的燃油从环形火焰筒内腔后侧流经排气通道、排气道排出。

需要说明的是，进气管8、进气后法兰7、连接管6和进气前法兰5组成了燃烧室外机匣3的延伸部分；排气管9和排气法兰16组成了燃烧室内机匣2的延伸部分，并与环形火焰筒支撑法兰15通过螺栓固定连接于燃烧室后段内部。

可以理解的是，进气管8与排气管9同轴设置，进气管8同轴套设与排气管9的外周，进气管8连接于进气后法兰7的中部，排气管9连接于排气法兰16的中部，则进气管8的内壁与排气管9的外壁之间形成环状进气道，相应的，进气后法兰7、排气法兰16和排气管9的外壁之间形成与环状进气道连通的环状进气腔。

根据本发明实施例，喷嘴包括空气套筒33和设置在空气套筒33内的喷嘴本体32，空气套筒33具有一端开口的安装腔，空气套筒33的侧壁设有与安装腔连通的进气孔，进气孔的中心线不经过空气套筒33的中心轴；空气套筒33与喷嘴本体32的喷头配合位置开设有雾化出口，雾化出口形成有唇口结构。

可以理解的是，进气孔的中心线不经过空气套筒33的中心线，则进气孔的进气方向采用非径向进气。

可以理解的是，进气孔的入口端位于第一进气通道内并与第一进气通道连通。

可以理解的是，现有套筒的进气方向采用径向进气，则经进气孔进入套筒内的空气混乱流动。而本实施例采用沿非径向进气的方式，可以让进气空气套筒33内的空气流动变为有序旋流方式，并维持到空气套筒33下端和喷嘴之间的喷口狭缝处，利用气动力和离心力让喷嘴本体32的喷头处喷出的燃油雾化更加彻底，同时也可以使其和空气预混的更加充分。

需要说明的是，本发明实施例通过空气套筒33上进气孔的中心线不经过空气套筒33的中心轴，使得进气采用非径向进气的方式，进入空气套筒33内的空气流动为有序旋流方式，利用气动力和离心力使喷嘴本体32处喷出的燃油雾化更加彻底，同时使其和空气预混的更加充分，从而提高燃油的雾化质量，进而提高点火性能和燃烧效率，降低污染物排放。

可以理解的是，燃烧室机匣为环形结构，通过布置在燃烧室外机匣3外壁的空气套筒33和喷嘴本体32向燃烧室头部(环形火焰筒)内与轴向成三维角度喷射燃油和空气，从而在燃烧室头部形成环涡流动结构。机匣前端盖1、燃烧室内机匣2、燃烧室外机匣3、燃烧室外机匣法兰4、进气前法兰5、进气管8、进气后法兰7、进气管8和燃烧室内机匣盖板22构成了燃烧室机匣的外轮廓。来流空气经进气管8、旋流导流板14扩压匀流加旋后进入燃烧室机匣内，其中，空气由环形外筒12、环形内筒18和环形头部11上的掺混孔和冷却孔进入由环形外筒12、环形内筒18和环形头部11所包围的空间内，与由喷嘴喷出的燃油混合后完成燃烧。不同比例的掺混空气从掺混孔进入环形火焰筒内部并与燃烧区的高温燃气混合，从而完成不同燃烧组织方式中空气和燃油分配比例等要求。其中，燃烧组织方式可以是多种，比如富油/焠熄/贫油(RQL)燃烧技术、分级燃烧技术、预混或半预混燃烧技术等。

本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，喷嘴采用径向布置空气套筒33和设置在空气套筒33内的喷嘴本体32组合方式，在取消应用头部旋流器结构的情况下，使得油雾喷出方向与轴向成空间三维角度，让燃烧室头部流动为环涡结构，使得雾化燃油能够更好的和来流空气进行混合，这种方式组合结构简单，加工方便，喷嘴本体32装配适应性强，能够轻松更换适配不同流量数的喷嘴本体32和旋流数的空气套筒33方案，从而能够对不同实际工况下的燃油浓度分布情况进行观测和调整，最大程度为后续燃烧优化降低污染物排放提供有力支撑。

本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，可以对不同燃烧技术方式类型进行匹配，极大地拓展应用适用范围；回流形式的燃烧室机匣和径向布置喷嘴的结构能够更加有效地利用燃烧室机匣的容积，在应用上显著缩短发动机的轴距，并能够根据测量结果直观有效地调整燃烧室内当量比选择，从而改善燃烧状况，降低污染排放。

在本发明的一个实施例中，如图4和图5所示，第一观察窗体包括第一底座23、第一观察窗24和第一压盖25。

其中，第一底座23设置于燃烧室内机匣2侧壁，第一观察窗24设置于第一底座23，第一压盖25与第一底座23连接，适于将第一观察窗24压紧固定于第一底座23上。

可以理解的是，第一观察窗24可以为方形结构，第一压盖25与第一底座23上均开设有与第一观察窗24适配的第一观察孔，第一观察窗24通过环第一压盖25一周布置的螺栓进行压紧固定。

可以理解的是，燃烧室内机匣2侧壁上嵌入焊接第一底座23，第一底座23的底部直径可以与燃烧室内机匣2直径保持一致，可以使得第一底座23和燃烧室内机匣2保持共平面；第一底座23和第一压盖25通过螺栓连接压紧、以及第一底座23与燃烧室内机匣2焊接连接的方式，保证了燃烧室机匣整体的密封性，也为激光片光引入留出了空间。

需要说明的是，激光片光光路穿过第一观察窗24、环形内筒18后进入环形火焰筒内部，并照射环形火焰筒内部的待测区域。激光片光可以沿燃烧室内机匣2径向直接入射第一观察窗24，也可以燃烧室内机匣2和燃烧室内机匣盖板22所形成的安装腔中心设置一个反射镜，通过反射镜转变激光片光的传输方向，以使光路沿燃烧室内机匣2径向入射第一观察窗24；例如，反射镜为一个呈45°设置的反射镜，将激光片光的入射方向调整90°后垂直入射第一观察窗24。

需要说明的是，反射镜平移的距离可通过位移机构进行调节，具体可以将反射镜安装于位移机构上，则反射镜相对燃烧室内机匣2上第一观察窗24的平移距离可通过位移机构进行调节(可调范围0-100mm，精度0.1mm)，以覆盖第一观察窗24的可观测宽度(比如，50mm)，从而对环形火焰筒内待测区域内的燃油分布状况进行精密切片照射。

可以理解的是，激光片光光路通过燃烧室内机匣2中布置的反射镜反射后，穿过第一观察窗24、玻璃制成的环形内筒18后进入环形火焰筒内部，对包含至少一个完整喷嘴的扇形区域(待测区域)切片进行照射，由于激光光照切片上因燃油分布被散射的光线会依次通过内观察窗27和外观察窗30，而后被布置在外观察窗30外的观测设备比如相机直接捕获。

在本发明的一个实施例中，如图1和图3所示，第二观察窗体包括内窗体组件和外窗体组件。

可以理解的是，内窗体组件位于燃烧室内机匣2的延伸部分，排气法兰16上开设有与内窗体组件配合的第一观测窗口，内窗体组件设置于排气法兰16的第一观测窗口；外窗体组件位于燃烧室外机匣3的延伸部分，进气后法兰7上开设有与外窗体组件配合的第二观测窗口，外窗体组件设置于进气后法兰7的第二观测窗口。

其中，内窗体组件包括内底座26、内观察窗27和内压盖28，内底座26设置于排气法兰16的第一观测窗口，内观察窗27设置于内底座26上，内压盖28与内底座26连接，并适于将内观察窗27固定于内底座26。

其中，外窗体组件包括外底座29、外观察窗30和外压盖31，外底座29设置于进气后法兰7的第二观测窗口，外观察窗30设置于外底座29，外压盖31与外底座29连接，并适于将外观察窗30固定于外底座29；内观察窗27位于外观察窗30内侧，内观察窗27沿着燃烧室外机匣3轴向的投影位于外观察窗30内。

可以理解的是，内压盖28与内底座26之间的连接可以采用螺栓连接，从而实现将内观察窗27压紧密封于内底座26上，内压盖28与内底座26上开设有与内观察窗27配合的内观察孔；外压盖31与外底座29之间的连接也以采用螺栓连接，从而实现将外观察窗30压紧密封于外底座29上，外压盖31与外底座29上开设有与外观察窗30配合的外观察孔。

可以理解的是，位于第二观察窗体外侧的观测设备通过外观察窗30、内观察窗27观测环形火焰筒内部被照射的区域，以获取环形火焰筒内喷嘴的燃油雾化等情况。

在本发明的一个优选实施例中，内观察窗27和外观察窗30均呈扇形，内观察窗27和外观察窗30的扇形角度均大于或等于预设角度。

可以理解的是，内观察窗27呈扇形，则内底座26的内观察孔和内压盖28的内观察孔均为与内观察窗27配合的扇形孔；外观察窗30呈与内观察窗27相适配的扇形，则外压盖31的外观察孔和外底座29的外观察孔均为与外观察窗30配合的扇形孔。

需要说明的是，内观察窗27和外观察窗30应该能够涵盖至少包含一个喷嘴所在的扇形区域，以实现环形火焰筒内喷嘴燃油雾化情况的观测，因此，内观察窗27的扇形夹角和外观察窗30的扇形夹角均应大于预设角度，内观察窗27和外观察窗30沿径向宽度应大于预设宽度，预设宽度为能够完整覆盖环形火焰筒内包含燃油喷嘴喷雾的径向区域，以实现环形火焰筒内喷嘴的燃油雾化情况。其中，预设角度为至少包含一个喷嘴所在扇形区域对应的扇形夹角。

可以理解的是，内观察窗27和外观察窗30的可观察部分扇形夹角选择的范围在A°～360°之间，其中，A为预设角度，应当能够涵盖至少包含一个喷嘴所在的扇形区域，可视部分径向宽度也应能观察到环形火焰筒内燃油喷嘴喷口的喷射位置。

可以理解的是，内观察窗27和外观察窗30的可观察部分扇形夹角范围最大为360°，布置数量设计为各1个，沿径向宽度可以设计为57mm，能够观察并测量到更大范围的燃烧室头部区域，为火焰传播机理、点火联焰过程等其他研究提供数据支撑。

在本发明的另一个优选实施例中，内观察窗27两端直边的延长线均不过燃烧室机匣的轴心点，内观察窗27扇形角平分先过燃烧室机匣的轴心点；相应地，外观察窗30两端直边的延长线均不过燃烧室机匣的轴心点，外观察窗30扇形角平分先过燃烧室机匣的轴心点，这样可以使第二观察窗体地观察区域更加合理，在有限角度范围内观测到更多的信息。

在本发明的一个实施例中，第一观察窗体还包括设置于第一观察窗24两侧的柔性垫片；内窗体组件还包括设置于内观察窗27两侧的柔性垫片，外窗体组件还包括设置于外观察窗30两侧的柔性垫片。其中，柔性垫片可以为石墨垫片，

可以理解的是，第一观察窗24两侧、内观察窗27两侧和外观察窗30两侧均设有柔性垫片，并通过沿压盖中心线布置的螺栓进行压紧固定，从而第一观察窗体和第二观察窗体能够在带温带压(500K、1MPa)的试验工况下，保证实验结果具有可观测性的同时，能够维持回流燃烧室整体的良好密封性。

本发明实施例提供的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，在柔性垫片的作用下，能够实现带温带压燃烧室内的燃油浓度速度场、浓度场分布的精密分片光学观测和测量。

在本发明的一个实施例中，第一观察窗体和第二观察窗体均为若干个，若干个第一观察窗体沿燃烧室内机匣2侧壁周向布置，若干个第二观察窗体与若干个第一观察窗体的位置一一对应

可以理解的是，第一观察窗体和第二观察窗体可以均为一个，则第一观察窗体和第二观察窗体的安装位置应满足：第一观察窗体的可观测区域和第二观察窗体的可观测区域具有重叠区域，并且重叠区域位于环形火焰筒内的待测区域。

可以理解的是，第一观察窗体和第二观察窗体可以均为多个，则多个第一观察窗体沿周向布置于燃烧室内机匣2侧壁，相应的，多个第二观察窗体的内窗体组件沿周向布置于排气法兰16上，且多个第二观察窗体的外窗体组件沿周向布置于进气后法兰7上。

需要说明的是，第一观察窗体和第二观察窗体可以认为是配合使用的，则第一观察窗体和第二观察窗体的数量相同，且位置一一对应，每个第二观察窗体的内窗体组件和外窗体组件的位置前后一一对应。

需要说明的是，为实现环形火焰筒内多区域的观测，可以将第一观察窗体和第二观察窗体设计为一个，增大第一观察窗体和第二观察窗体的观测区域；也可以将第一观察窗体和多个第二观察窗体设计为多个，相配合多个第一观察窗体和多个第二观察窗体可以沿周向均布或者非均布，第二观察窗体的扇形夹角可以根据数量进行合理设计即可，以适配对环形火焰筒内部所需观测扇形区域。

在本发明的一个实施例中，图2示例了从正面沿轴向方向进行观察和拍摄时，能够透过第二观察窗体看到的燃烧室头部内的扇形区域范围以及该扇形范围内能够看到的实际大小，图3示例了内窗体组件和外窗体组件的拆装叠加关系，如图2所示，第二观察窗体的数量均为一个，内观察窗27的扇形夹角设计为72°，内观察窗27的径向宽度设计为57mm，也就是内窗体组件的可观察部分扇形夹角为72°，可视部分沿径向宽度为57mm，能够完整的覆盖环形火焰筒内包含喷嘴喷雾的径向区域，以及内压盖28的料宽19.5mm，最大直径424mm，最小直径234mm，内压盖28凸台高8mm，宽4.5mm。外观察窗30的扇形夹角设计为76°，外观察窗30径向宽度设计大于57mm，也就是外窗体组件可观察部分扇形夹角为76°，以及外压盖31料宽26mm，最大直径492mm，最小直径172mm，外压盖31凸台高5mm，宽9.5mm。

在本发明的一个具体实施例中，如图4和图5所示，第一观察窗24的正面采用方形结构，第一压盖25最大尺寸为138mm*98mm，第一观察窗24采用尺寸为106.5mm*66.5mm的方形玻璃，激光片光可穿透第一观察窗24的最大尺寸范围为90mm*50mm。

其中，第一观察窗24同样两个侧面具有石墨垫片，通过环第一压盖25一周布置的螺栓进行压紧固定，本实施例第一底座23的底部直径为246mm，与燃烧室内机匣2直径保持一致，使得整体可以嵌入燃烧室内机匣2外壁面上并进行焊接连接。

在本发明的另一个实施例中，如图6和图7所示，第二观察窗体的数量为两个，两个第一观察窗体周向均布，两个第二观察窗体也周向均布，每个第二观察窗体的内观察窗27和外观察窗30的扇形夹角均设计为180°。

可以理解的是，内观察窗27和外观察窗30扇形直边的延长线均不过轴心点，但仍在竖直轴线上，图6示例了从正面沿轴向方向进行观察和拍摄时，能够透过第二观察窗体看到的燃烧室头部内的扇形区域范围以及该扇形范围内能够看到的实际大小，图8能够清晰地看到内窗体组件和外窗体组件的拆装叠加关系结构和对称布置组合方式，这种布置能够在一个第二观察窗体内示例包含4个完整喷嘴所在的区域，整体能观测到包含8个喷嘴所在的区域。同样的，为了解决激光片光光路引入环形火焰筒内的问题，对应的第一观察窗体在保证外形结构维持一致的基础上，数量设计为两个，两个第一观察窗体采用中心对称方式。因第二观察窗体数量、扇形角度改变引起其他部件需要进行对应适配改动的，均在图上用序号进行标出，分别为燃烧室内机匣2、进气后法兰7、排气法兰16、第一底座23、第一观察窗24、第一压盖25、内底座26、内观察窗27、内压盖28内底座26、外底座29、外观察窗30、外压盖31。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，包括：

燃烧室机匣，所述燃烧室机匣包括燃烧室内机匣(2)、燃烧室内机匣盖板(22)以及套设于所述燃烧室内机匣(2)外周的燃烧室外机匣(3)，所述燃烧室内机匣盖板(22)连接于所述内机匣(2)的后端，所述燃烧室内机匣(2)和所述燃烧室外机匣(3)形成后端开口的第一环腔；

环形火焰筒，设置于所述第一环腔，所述环形火焰筒与所述燃烧室机匣之间构造有第一进气通道；

内端盖组件，设置于所述环形火焰筒的后端，所述内端盖组件与所述燃烧室内机匣盖板(22)之间构造有排气通道，所述内端盖组件连接有排气管(9)，所述环形火焰筒内腔、所述排气通道和所述排气管(9)依次连通；

外端盖组件，设置于所述燃烧室外机匣(3)的后端，所述外端盖组件与所述内端盖组件之间构造有第二进气通道，所述外端盖组件连接有进气管(8)，所述进气管(8)、所述第二进气通道和所述第一进气通道依次连通；

第一观察窗体，设置于所述燃烧室内机匣(2)，所述环形火焰筒与所述第一观察窗体配合位置为可视化结构；

第二观察窗体，穿设于所述内端盖组件和所述外端盖组件；所述第一观察窗体适于将光束引入所述环形火焰筒内，通过所述第二观察窗体观测所述环形火焰筒内部。

2.根据权利要求1所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，所述排气管(9)连接于所述内端盖组件的中部，所述进气管(8)连接于所述外端盖组件的中部，且所述进气管(8)同轴设置于所述排气管(9)的外周。

3.根据权利要求2所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，所述环形火焰筒包括：

环形内筒(18)，所述环形内筒(18)通过第一连接组件套设于所述燃烧室内机匣(2)的外周，所述环形内筒(18)为可视化结构；

环形外筒(12)，套设于所述环形内筒(18)外周；

环形头部(11)，连接所述环形内筒(18)的前端和所述环形外筒(12)的前端；

所述环形内筒(18)、所述环形头部(11)和所述环形外筒(12)均设有掺混孔。

4.根据权利要求3所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，所述第一连接组件包括：

压板(19)，设置于所述环形内筒(18)的后端，所述压板(19)与所述燃烧室内机匣(2)滑动配合；

压盖(21)，连接于所述燃烧室内机匣盖板(22)；

弹性件(20)，通过连接件穿过所述压盖(21)、所述弹性件(20)后与所述压板(19)连接；

所述环形外筒(12)的后端与所述内端盖组件滑动连接。

5.根据权利要求3所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，若干喷嘴沿所述燃烧室外机匣(3)周向布设，每个喷嘴穿设于所述燃烧室外机匣(3)和所述环形外筒(12)，且所述喷嘴的喷口位于所述环形火焰筒内腔。

6.根据权利要求1至5任一项所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，所述第一观察窗体包括：

第一底座(23)，设置于所述燃烧室内机匣(2)侧壁；

第一观察窗(24)，设置于所述第一底座(23)；

第一压盖(25)，适于将所述第一观察窗(24)固定于所述第一底座(23)。

7.根据权利要求6所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，所述第二观察窗体包括：

内窗体组件，包括内底座(26)、内观察窗(27)和内压盖(21)，所述内底座(26)设置于所述内端盖组件，所述内观察窗(27)设置于所述内底座(26)，所述内压盖(21)适于将所述内观察窗(27)固定于所述内底座(26)；

外窗体组件，包括外底座(29)、外观察窗(30)和外压盖(31)，所述外底座(29)设置于所述外端盖组件，所述外观察窗(30)设置于所述外底座(29)，所述外压盖(31)适于将所述外观察窗(30)固定于所述外底座(29)；所述内观察窗(27)沿着所述燃烧室外机匣(3)轴向的投影位于所述外观察窗(30)内。

8.根据权利要求7所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，所述内观察窗(27)和所述外观察窗(30)均呈扇形，且扇形角度大于或等于预设角度。

9.根据权利要求7所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，所述第一观察窗体还包括设置于所述第一观察窗(24)两侧的柔性垫片，和/或，

所述内窗体组件还包括设置于所述内观察窗(27)两侧的柔性垫片，和/或，所述外窗体组件还包括设置于所述外观察窗(30)两侧的柔性垫片。

10.根据权利要求7所述的采用可视光学观测结构的回流燃烧室，其特征在于，所述第一观察窗体和所述第二观察窗体均为若干个，若干个第一观察窗体沿所述燃烧室内机匣(2)周向布置，若干个第二观察窗体与所述若干个第一观察窗体的位置一一对应。

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