CN118031253A - 一种环形曲流燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种环形曲流燃烧室，燃烧室机匣与火焰筒之间设置有第一流道，所述火焰筒与所述中心拉杆腔之间设置有第二流道，所述燃烧室机匣与所述涡轮导向器之间设置有第三流道，所述火焰筒与所述涡轮导向器之间设置有第四流道；所述第一流道与所述第三流道连通，所述第二流道与所述第四流道连通；所述火焰筒的第一出气流道与所述涡轮导向器的第二出气流道连通；位于第二流道在所述火焰筒上设置有第一进气结构和第二进气结构，位于第四流道在所述火焰筒上设置有第三进气结构。本发明能够干预进入火焰筒内气流的流动方向，有效约束大环涡的区域面积，稳定火焰的同时提升燃烧室性能。

Description

一种环形曲流燃烧室

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种环形曲流燃烧室。

背景技术

燃烧室是航空发动机的重要部件之一，主要由火焰筒、燃烧室机匣、燃油喷嘴等组成。发动机在工作时，燃烧室承接来自压气机增压后的高压空气，并与来自燃油***的航空煤油混合燃烧，产生高温高压的燃气，提供给涡轮进行功率转换。燃烧室的气动和结构设计直接关系到燃烧室的可靠点火和稳定燃烧，从而关系到燃烧室和发动机整机的性能。

航空发动机常使用环形回流燃烧室和环形折流燃烧室。环形回流燃烧室的火焰筒存在一段排气段结构，火焰筒内空气回转180°后进入向心涡轮或者轴流涡轮，常使用燃油喷嘴进行供油。环形折流燃烧室的火焰筒内通道成“几”字形，火焰筒内燃气为先沿径向流动，在火焰筒头部形成回流区，再沿轴向流动流入轴流涡轮，同时搭配甩油盘进行供油。

传统的环形回流燃烧室常置于涡轮外侧，因此燃烧室直径很大，因此匹配的压气机直径也大，影响发动机转速的提升，不利于整机推重比的优化提升。

传统的环形折流燃烧室在尾部配装轴流涡轮，因此环形折流燃烧室直径比环形回流燃烧室直径大大减小，但环形折流燃烧室常搭配甩油盘进行供油，因此燃烧室机匣和火焰筒需要设计在甩油盘组件和封严环组件外侧，如果优化供油结构可进一步减小燃烧室直径。

传统的环形折流燃烧室甩油盘位于火焰筒内外环之间，火焰筒内外环无法焊接成一体形成火焰筒组件，因此折流燃烧室火焰筒一般需在整机装配时形成，且需设置相对位置限制，通过调整垫调整厚度，使位置度满足要求。选配调整垫厚度需要反复拆装燃烧室，且需要加工一套不同厚度的调整垫。

传统的环形折流壁面设置主燃孔和掺混孔用于火焰筒的进气。主燃孔和掺混孔常使用激光打孔进行开孔，高压空气通过主燃孔和掺混孔的时候常垂直于壁面，且气流穿透深度较小；此外进入火焰筒的高压空气不具有周向的分速度，点火连焰和出口不均匀度的性能较差。

火焰筒壁面冷却常使用发散孔，发散孔与壁面呈一定的倾角，用于对壁面进行冷却。发散孔与壁面的倾角越小，发散冷却效果越好，其倾角约为40°至18°之间。但当高压空气流量较大时，通过火焰筒的压损会增大。单纯增大发散孔直径，例如当壁厚和孔径大小一致时，发散冷倾角的设计则会被淡化，影响壁面冷却性能。

气膜冷却结构可通过构造气膜冷却槽，让空气通过气膜冷却槽流动，使空气贴近壁面流动进行冷却。传统的气膜冷却槽含外壁面和内壁面。外壁面接触二股通道环腔，内壁面与火焰筒内高温燃气接触。外壁面常通过激光开孔的方式在壁面上加工出进气孔，但进气孔的大小和进气孔间的距离受限，进气孔过大或间距较小将影响强度。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种环形曲流燃烧室，本发明能够干预进入火焰筒内气流的流动方向，有效约束大环涡的区域面积，稳定火焰的同时提升燃烧室性能。

本发明包括如下技术方案：

本发明提供了一种环形曲流燃烧室，包括燃烧室机匣、涡轮导向器、火焰筒和中心拉杆腔，所述燃烧室机匣内设置所述火焰筒和所述中心拉杆腔，所述燃烧室机匣与所述火焰筒之间设置有第一流道，所述火焰筒与所述中心拉杆腔之间设置有第二流道，所述燃烧室机匣与所述涡轮导向器之间设置有第三流道，所述火焰筒与所述涡轮导向器之间设置有第四流道；所述第一流道与所述第三流道连通，所述第二流道与所述第四流道连通；

所述火焰筒的第一出气流道与所述涡轮导向器的第二出气流道连通；

位于第二流道在所述火焰筒上设置有第一进气结构和第二进气结构，位于第四流道在所述火焰筒上设置有第三进气结构。

进一步地，所述第二进气结构设置在所述火焰筒的内环壁上；优选的，所述第二进气结构设置为筒状，所述第二进气结构周向倾斜设置。

进一步地，位于第一出气流道所述火焰筒上设置有掺混孔；优选的，所述掺混孔包括第一掺混孔和第二掺混孔，所述第一掺混孔连通所述第一流道和所述第一出气流道，所述第二掺混孔连通所述第四流道和所述第一出气流道。

进一步地，燃油喷嘴贯穿涡轮导向器和火焰筒设置。

进一步地，所述第三流道与所述第四流道通过设置在所述涡轮导向器上的叶片通道连通；所述燃油喷嘴贯穿所述叶片通道设置。

进一步地，所述火焰筒的壁上设置有冷却流道。

进一步地，所述冷却流道与所述火焰筒的燃烧腔连通。

进一步地，所述火焰筒包括大弯环组件和小弯环组件，所述大弯环组件的截面为C型，所述小弯环组件的截面为S型；所述大弯环组件和小弯环组件通过散热环齿连接形成冷却流道，所述第一进气结构和第二进气结构设置在所述大弯环组件上，所述第三进气结构设置在所述小弯环组件上。

进一步地，所述大弯环组件包括第一环壁、第二环壁和第三环壁，所述第一环壁和第二环壁通过散热环齿连接形成冷却流道，所述第二环壁和第三环壁通过散热环齿连接形成冷却流道，所述第三环壁通过散热环齿连接所述大弯环组件形成冷却流道；

其中，第一环壁为火焰筒的外环壁，所述第三环壁为火焰筒的内环壁；

优选的，所述第二环壁上设置所述第一进气结构，所述第三环壁上设置第二进气结构。

进一步地，所述燃烧室机匣与所述中心拉杆腔连接有隔板，所述隔板与所述燃烧室机匣之间形成进气通道，在所述燃烧室机匣的进气位置设置扩压器。采用上述技术方案，本发明包括如下优点：

1、本发明能够干预进入火焰筒内气流的流动方向，有效约束大环涡的区域面积，稳定火焰的同时提升燃烧室性能。

2、本发明通过周向倾角的底置套筒结构，加强燃气周向运动，有效提高火焰筒点火和连焰性能。

3、本发明通过设计冷却流道，在保证火焰筒壁面冷却性能的同时，给火焰筒的燃烧腔高温燃气提供周向的速度，提高掺混性能。

4、本发明的第一进气结构、第二进气结构和第三进气结构构成稳焰结构，有效控制了燃烧腔的主燃区的大小，可在火焰筒的燃烧腔底部形成大环涡，有利于火焰的稳定；同时通过周向倾角的第二进气结构，可加强燃气周向运动，有效提高火焰筒内点火和连焰性能。

5、本发明的燃油喷嘴依次穿过燃烧室机匣、涡轮导向器和火焰筒的后置喷射式供油结构，代替传统环形折流燃烧室的甩油盘结构，有效减小了燃烧室的直径尺寸，同时后置喷射式供油结构与甩油盘结构相比，无需调整垫调整厚度，壁面选配调整垫厚度导致的反复拆装燃烧室，具有较好的安装性。

6、本发明的散热环齿通过调整环壁和环齿间的夹角尺寸，控制周向分速度大小，调节沿一周的各环齿之间的间距，控制周向不同位置冷却气的流量大小，有利于壁温均匀性的控制。

7、本发明可用于航空发动机燃烧室和辅助动力装置，也可用于燃气轮机等需燃油或燃气与空气提前预混的低排放节能燃烧领域。

8、本发明将涡轮导向器的喷嘴座设置在叶片通道内，这样能够起到对燃油的加热作用，提高燃烧的雾化性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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为本发明实施例中一种环形曲流燃烧室0位(0点钟位置)剖视结构示意图一；

图2为本发明实施例中一种环形曲流燃烧室0位(0点钟位置)剖视结构示意图二；

图3为本发明实施例中火焰筒的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例中火焰筒的部分结构示意图一；

图5为本发明实施例中火焰筒的部分结构示意图二；

图6为本发明实施例中大弯环组件的结构示意图；

图7为本发明实施例中小弯环组件的结构示意图；

图8为本发明实施例中散热环齿的连接结构示意图；

图9为本发明实施例中散热环齿的结构示意图；

图10为本发明实施例中燃烧室机匣的结构示意图一；

图11为本发明实施例中燃烧室机匣的结构示意图二；

图12为本发明实施例中涡轮导向器的结构示意图一；

图13为本发明实施例中涡轮导向器的结构示意图二；

图14为本发明实施例中一种环形曲流燃烧室0位(0点钟位置)剖视结构示意图三；

图中：10-燃烧室机匣，101-喷嘴座，102-电嘴座，20-涡轮导向器，201-叶片通道，202-涡轮导向器的电嘴座，30-火焰筒，31-大弯环组件，311-第一环壁，312-第二环壁，313-第三环壁，32-小弯环组件，301-第一进气结构，302-第二进气结构，303-第三进气结构，3041-第一掺混孔，3042-第二掺混孔，305-冷却流道，306-燃烧腔，40-中心拉杆腔，50-第一流道，60-第二流道，70-第三流道，80-第四流道，90-第一出气流道，100-第二出气流道，110-燃油喷嘴，120-散热环齿，121-环壁，122-环齿，130-隔板，140-进气通道，150-扩压器，160-点火电嘴。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

在本发明的描述中，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是多个元件内部的连通或多个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，所有用于指示方位或位置关系术语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，不能理解为对本发明的限制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种环形曲流燃烧室，如图1所示，包括燃烧室机匣10、涡轮导向器20、火焰筒30和中心拉杆腔40，所述燃烧室机匣10内设置所述火焰筒30和所述中心拉杆腔40，所述燃烧室机匣10与所述火焰筒30之间设置有第一流道50，所述火焰筒30所述中心拉杆腔40之间设置有第二流道60，所述燃烧室机匣10与所述涡轮导向器20之间设置有第三流道70，所述火焰筒30与所述涡轮导向器20之间设置有第四流道80；所述第一流道50与所述第三流道70连通，所述第二流道60与所述第四流道80连通；

所述火焰筒30的第一出气流道90与所述涡轮导向器20的第二出气流道100连通；

位于第二流道60在所述火焰筒30上设置有第一进气结构301和第二进气结构302，位于第四流道80在所述火焰筒30上设置有第三进气结构303。

如图2所示，基于此结构，在燃烧室内能够形成图2所示的气流流向，有效控制了火焰筒30燃烧腔306的主燃区的大小，可在燃烧腔306底部形成大环涡，有利于火焰的稳定。

在一些实施例中，所述第二进气结构302设置在所述火焰筒30的内环壁上；设置在内环壁上，能够使第二进气结构302的进气能够形成环向气流，起到更好的连焰效果。

优选的，所述第二进气结构302设置为筒状，如图3所示，图3为火焰筒30在第二进气结构302处的剖视图，图中所述第二进气结构302周向倾斜设置，筒状结构利于使第二进气结构302周向倾斜设置，更利于控制第二进气结构302的倾斜方向；周向倾斜设置能够起到更好的连焰效果。

在一些实施例中，所述火焰筒30的壁上设置有冷却流道305。具有降低火焰筒30温度的优点。

在一些实施例中，所述冷却流道305与所述火焰筒30的燃烧腔306连通。不仅起到了时火焰筒30散热的效果，通过冷却流道305后的高温燃气能够进入火焰筒30进行燃烧，提高了热量的利用率。

需要说明的是，上述的结构中，对火焰筒30的具体结构没有限制，只要能够实现上述气流流动的火焰筒30结构都应该在本发明的保护范围内。

在一些实施例中，如图4、图5所示，图4和图5为不同视角下的火焰筒30部分结构示意图，所述火焰筒30包括大弯环组件31和小弯环组件32，所述大弯环组件31的截面为C型，所述小弯环组件32的截面为S型；所述大弯环组件31和小弯环组件32通过散热环齿120连接；这样散热环齿120连接的方式使大弯环组件31和小弯环组件32之间形成冷却流道305，起到对火焰筒30壁面的冷却效果，同时经过冷却流道305的散热气流进入火焰筒30的燃烧腔306给火焰筒30的燃烧腔306高温燃气提供周向的速度，提高掺混性能；同时高温燃气还能用于涡轮做功，有利于提高发动机的推重比。所述第一进气结构301和第二进气结构302设置在所述大弯环组件31上，所述第三进气结构303设置在所述小弯环组件32上；这样第一进气结构301、第二进气结构302和第三进气结构303构成稳焰结构，有效控制了燃烧腔306的主燃区的大小，可在火焰筒30的燃烧腔306底部形成大环涡，有利于火焰的稳定；同时通过周向倾角的第二进气结构302，可加强燃气周向运动，有效提高火焰筒30内点火和连焰性能。

需要说明的是，通过散热环齿120连接的方式只是优选的方式，其他连接形式也应该在本发明的保护范围内，如焊接、一体成型等等。

如图4、图5所示，其中第一进气结构301可以为前置套筒，第二进气结构302为底置套筒，第三进气结构303为后置套筒。

在一些实施例中，如图6所示，所述大弯环组件31包括第一环壁311、第二环壁312和第三环壁313，所述第一环壁311和第二环壁312通过散热环齿120连接，所述第二环壁312和第三环壁313通过散热环齿120连接，所述第三环壁313通过散热环齿120连接所述大弯环组件31；其中，第一环壁311为火焰筒30的外环壁，所述第三环壁313为火焰筒30的内环壁；这样的结构，更利于火焰筒30散热。

优选的，如图7所示，所述第二环壁312上设置所述第一进气结构301，所述第三环壁313上设置第二进气结构302。

如图8所示，图中示出了散热环齿120和冷却流道305；大弯环组件31(包括第一环壁311、第二环壁312和第三环壁313)、小弯环组件32等的连接结构均可以是如图8所示的结构，散热环齿120不仅起到连接的作用，同时散热环齿120的结构和具体的连接位置还需要保证连接后能够形成冷却流道305；如图9所示，为散热环齿120的结构示意图，散热环齿120包括环壁121和环齿122，其中环齿122周向倾斜设置，优选的，环齿122的倾斜方向与第二进气结构302(底置套筒)的倾斜方向一致，更利于进入燃烧腔306的气体掺混。

在一些实施例中，如图4-图7所示，位于第一出气流道90所述火焰筒30上设置有掺混孔；优选的，所述掺混孔包括第一掺混孔3041和第二掺混孔3042，所述第一掺混孔3041连通所述第一流道50和所述第一出气流道90，所述第二掺混孔3042连通所述第四流道80和所述第一出气流道90。具有使火焰筒30散热均匀的效果。

在一些实施例中，如图14所示，燃油喷嘴110贯穿涡轮导向器20和火焰筒30设置；优选的，如图14所示，所示燃油喷嘴110后置设置，具有降低燃烧室半径的优点。如图10、图11所示，为燃烧室机匣10的结构示意图，燃烧室机匣10上设置有用于设置燃油喷嘴110的喷嘴座101，其中喷嘴座101环绕设置6个，需要说明的是，6个喷嘴座101只是具体实施的一种方式；同时燃烧室机匣10上还设置有电嘴座102；同理，在所述火焰筒30和涡轮导向器20上均设置有喷嘴座101。

在一些实施例中，所述第三流道70与所述第四流道80通过设置在所述涡轮导向器20上的叶片通道201连通，所述燃油喷嘴110贯穿所述叶片通道201设置。燃油喷嘴110与涡轮导向器20的连接方式也可以是在涡轮导向器20上设置喷嘴座101；由于叶片通道201有气流通过，所以如图12所示，将涡轮导向器20的喷嘴座101设置在叶片通道201内，这样能够起到对燃油的加热作用，提高燃烧的雾化性能。

在一些实施例中，如图1所示，所述燃烧室机匣10与所述中心拉杆腔40连接有隔板130，所述隔板130与所述燃烧室机匣10之间形成进气通道140，在所述燃烧室机匣10的进气位置设置扩压器150。

需要说明的是，其中的第一进气结构301、第二进气结构302、第三进气结构303、第一掺混孔3041、第二掺混孔3042、叶片通道201等等，都能够环绕均匀设置；其环绕设置的数量本发明均不做限制。

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)

1.一种环形曲流燃烧室，包括燃烧室机匣(10)、涡轮导向器(20)、火焰筒(30)和中心拉杆腔(40)，所述燃烧室机匣(10)内设置所述火焰筒(30)和所述中心拉杆腔(40)，其特征在于，所述燃烧室机匣(10)与所述火焰筒(30)之间设置有第一流道(50)，所述火焰筒(30)与所述中心拉杆腔(40)之间设置有第二流道(60)，所述燃烧室机匣(10)与所述涡轮导向器(20)之间设置有第三流道(70)，所述火焰筒(30)与所述涡轮导向器(20)之间设置有第四流道(80)；所述第一流道(50)与所述第三流道(70)连通，所述第二流道(60)与所述第四流道(80)连通；

所述火焰筒(30)的第一出气流道(90)与所述涡轮导向器(20)的第二出气流道(100)连通；

位于第二流道(60)在所述火焰筒(30)上设置有第一进气结构(301)和第二进气结构(302)，位于第四流道(80)在所述火焰筒(30)上设置有第三进气结构(303)。

2.根据权利要求1所述的一种环形曲流燃烧室，其特征在于，所述第二进气结构(302)设置在所述火焰筒(30)的内环壁上；优选的，所述第二进气结构(302)设置为筒状，所述第二进气结构(302)周向倾斜设置。

3.根据权利要求1所述的一种环形曲流燃烧室，其特征在于，位于第一出气流道(90)所述火焰筒(30)上设置有掺混孔；优选的，所述掺混孔包括第一掺混孔(3041)和第二掺混孔(3042)，所述第一掺混孔(3041)连通所述第一流道(50)和所述第一出气流道(90)，所述第二掺混孔(3042)连通所述第四流道(80)和所述第一出气流道(90)。

4.根据权利要求1所述的一种环形曲流燃烧室，其特征在于，燃油喷嘴(110)贯穿涡轮导向器(20)和火焰筒(30)设置。

5.根据权利要求4所述的一种环形曲流燃烧室，其特征在于，所述第三流道(70)与所述第四流道(80)通过设置在所述涡轮导向器(20)上的叶片通道(201)连通；所述燃油喷嘴(110)贯穿所述叶片通道(201)设置。

6.根据权利要求1所述一种环形曲流燃烧室，其特征在于，所述火焰筒(30)的壁上设置有冷却流道(305)。

7.根据权利要求6所述的一种环形曲流燃烧室，其特征在于，所述冷却流道(305)与所述火焰筒(30)的燃烧腔(306)连通。

8.根据权利要求1所述的一种环形曲流燃烧室，其特征在于，所述火焰筒(30)包括大弯环组件(31)和小弯环组件(32)，所述大弯环组件(31)的截面为C型，所述小弯环组件(32)的截面为S型；所述大弯环组件(31)和小弯环组件(32)通过散热环齿(120)连接形成冷却流道(305)，所述第一进气结构(301)和第二进气结构(302)设置在所述大弯环组件(31)上，所述第三进气结构(303)设置在所述小弯环组件(32)上。

9.根据权利要求8所述的一种环形曲流燃烧室，其特征在于，所述大弯环组件(31)包括第一环壁(311)、第二环壁(312)和第三环壁(313)，所述第一环壁(311)和第二环壁(312)通过散热环齿(120)连接形成冷却流道(305)，所述第二环壁(312)和第三环壁(313)通过散热环齿(120)连接形成冷却流道(305)，所述第三环壁(313)通过散热环齿(120)连接所述大弯环组件(31)形成冷却流道(305)；

其中，第一环壁(311)为火焰筒(30)的外环壁，所述第三环壁(313)为火焰筒(30)的内环壁；

优选的，所述第二环壁(312)上设置所述第一进气结构(301)，所述第三环壁(313)上设置第二进气结构(302)。

10.根据权利要求8-9任意一项所述的一种环形曲流燃烧室，其特征在于，所述燃烧室机匣(10)与所述中心拉杆腔(40)连接有隔板(130)，所述隔板(130)与所述燃烧室机匣(10)之间形成进气通道(140)，在所述燃烧室机匣(10)的进气位置设置扩压器(150)。