專利名稱：一種厘米級(jí)微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)式燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸發(fā)式燃燒室，該燃燒室在自身得到有效冷卻的同時(shí)可將沿其壁面流動(dòng)的燃料加熱直到蒸發(fā)霧化，使其進(jìn)入燃燒室前氣化，大大縮短了與空氣的混合時(shí)間并提高了混合水平，而混合的增強(qiáng)有助于提高熄火極限，促進(jìn)點(diǎn)火和提高燃燒效率，從而擴(kuò)展了穩(wěn)定燃燒的范圍。

背景技術(shù)：
為了改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，實(shí)現(xiàn)更高的推重比、降低油耗以及提高穩(wěn)定性，在熱力學(xué)方面的主要方法就是不斷提高渦輪前的溫度以及在此基礎(chǔ)上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比。
目前已知的航空發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比可達(dá)40以上，渦輪前溫度接近2200K，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷將會(huì)越來越重，為保證飛行的可靠性和相應(yīng)的隱身性能，需要采取有效的措施對(duì)熱端部件進(jìn)行冷卻，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的冷卻問題在很大程度上成為了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展瓶頸。
盡管新的冷卻技術(shù)還在層出不窮，冷卻結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，但是冷卻效果的提高幅度則相對(duì)緩慢得多。用航空煤油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件進(jìn)行冷卻是一種具有廣闊應(yīng)用前景的方案。航空煤油作為冷源具有非常巨大的優(yōu)勢(shì)，其熱沉可分為兩部分，一部分是物理吸熱量，即顯焓，另一部分是吸熱化學(xué)反應(yīng)引起的化學(xué)吸熱量。以美國(guó)JP8軍用航空煤油為例，如圖1所示，1kg該航空煤油從常溫298K加熱到800K，吸熱量達(dá)到1600kJ，吸熱能力十分顯著。通過在燃燒室放置空-油換熱器，使用航空煤油吸收熱端部件的余熱，既可以解決燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)日益突出的冷卻問題，又有利于燃料的霧化和燃燒，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都具有重要價(jià)值。
對(duì)于微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)來講，燃燒室內(nèi)溫度維持在1800K左右，就目前的技術(shù)而言，大幅度提高壓氣機(jī)增壓比在短時(shí)間內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗相對(duì)來說比較高，必須尋找新的出路解決微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率相對(duì)較低的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸發(fā)式燃燒室，燃燒室壁的螺旋槽作為用于冷卻燃燒室的燃油通道，燃油在冷卻燃燒室的同時(shí)自身溫度不斷提高，在進(jìn)入燃燒室前完全氣化，以一定角度噴入燃燒室，并與從燃燒室頭部以一定角度進(jìn)入的空氣流進(jìn)行摻混，最后在位置E進(jìn)行點(diǎn)火燃燒。
這種用于微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸發(fā)室燃燒室，以RP-3航空煤油作為燃料，燃燒室壁面的螺旋槽冷卻通道環(huán)繞在內(nèi)壁(2)與外壁(3)之間，截面尺寸W和H可根據(jù)燃燒室的具體情況而發(fā)生變化，如果工藝水平能達(dá)到的話也可做形圓形，燃油在沿螺旋槽流動(dòng)的過程中被燃燒室加熱直至氣化，經(jīng)過噴嘴(4)以一定角度噴入燃燒室(如圖4所示)，蒸氣流與燃燒室軸線成α角，與噴嘴所在位置的徑向線成α角，α和β應(yīng)滿足80°＜α＜100°，80°＜β≤90°。在燃料進(jìn)入燃燒室的同時(shí)，燃料與從空氣室(6)距燃燒室軸線距離為E的空氣流摻混，空氣流與燃燒室軸線成θ角，其中50°＜θ＜70°，混合氣到達(dá)位置H處通過火花塞(5)或到達(dá)位置I通過熱火頭(8)進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，并通過燃?xì)饬髯陨淼男D(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定。該蒸發(fā)式燃燒室可使目前微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率下降20％~30％，并可有效降低有害氣體的排放。
這種微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室體積僅為12cm3，是目前國(guó)內(nèi)能做到的以RP-3航空煤油作為燃料的體積最小的燃燒室，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)在燃燒室壁面采用螺旋槽進(jìn)行換熱可有效冷卻燃燒室，使能量利用率提高10％以上；(2)由于燃油在進(jìn)入燃燒室前已經(jīng)氣化，氣化的煤油省略了燃料在燃燒室的霧化與氣化過程，因而大大縮短了與空氣的混合時(shí)間并提高混合水平，而混合的增強(qiáng)有助于提高熄火極限，促進(jìn)點(diǎn)火和提高燃燒效率，從而擴(kuò)展了穩(wěn)定燃燒的范圍；(3)燃燒室與燃油通道的一體化設(shè)計(jì)可有效減小燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，同時(shí)氣化的煤油燃燒速度將會(huì)提高，因此可縮短燃料在燃燒室的駐留時(shí)間，從而可縮短燃燒室長(zhǎng)度減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量。



圖1蒸發(fā)式燃燒室的剖視結(jié)構(gòu)圖 圖2矩形截面冷卻通道結(jié)構(gòu)圖 圖3空氣室實(shí)體圖 圖4燃燒室內(nèi)壁實(shí)體圖 圖5燃料進(jìn)入燃燒室方向示意圖 圖6空氣進(jìn)入燃燒室方向示意圖 圖中 1.進(jìn)油管2.燃燒室內(nèi)壁3.燃燒室外壁4.噴嘴 5.火花塞 6.空氣室7.進(jìn)氣管8.熱火頭D.螺旋直徑 p.螺距 J.火花塞深度I.熱火頭位置W.截面寬H.截面高 β.燃油傾角α.燃油偏角 θ.空氣傾角 E.距軸線距離
具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請(qǐng)參見圖1所示，本發(fā)明是一種適用于微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸發(fā)式燃燒室，該燃燒室的內(nèi)部冷卻通道從進(jìn)油管1進(jìn)油，并從噴嘴4噴入燃燒室。其中冷卻通道呈螺旋狀，并與燃燒室內(nèi)壁2整體加工，冷卻通道截面為矩形，寬為W，高為L(zhǎng)，通道整體結(jié)構(gòu)見圖2，燃油在沿冷卻通道流動(dòng)的過程中被不斷的加熱，并開始逐漸氣化，因而其流動(dòng)速度也不斷增大，并從層流流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變成強(qiáng)湍流，燃油流動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變可有效增強(qiáng)燃燒室的冷卻效果，保證燃燒室工作在材料允許的溫度范圍內(nèi)。經(jīng)過噴嘴4后，燃油蒸氣速度可達(dá)130m/s以上，蒸氣流與燃燒室軸線成α角，與噴嘴所在位置的徑向線成β角(見圖3)噴入燃燒室，并與從空氣室6以θ角(見圖4)進(jìn)入燃燒室的空氣流進(jìn)行混合，混合氣在燃燒室內(nèi)的旋流數(shù)在1.1以上，為強(qiáng)旋流，從而燃油濃度分布在徑向上是不均勻的，進(jìn)而提高點(diǎn)火成功率及貧熄邊界。
由于混合氣是旋轉(zhuǎn)的，因此燃燒室內(nèi)部存在低速回流區(qū)，這為微小空間內(nèi)點(diǎn)火提供了可能，通過理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在位置H及位置I均可成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火(見圖1)，氣化后的煤油點(diǎn)火性能得到很大提高，用普通的汽車火花塞5或者航模飛機(jī)用的熱火頭8即可成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。
在本發(fā)明中，燃燒室通過分次焊接加工成形，其內(nèi)外壁之間的冷卻通道截面形狀可根據(jù)燃燒室的具體工作環(huán)境而改變，圖5所示的矩形截面冷卻通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)有四個(gè)，分別是螺旋直徑D、螺距p、截面寬W及截面高H。
權(quán)利要求
1.一種適用于微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸發(fā)式燃燒室，燃燒室壁面的螺旋槽冷卻通道環(huán)繞在內(nèi)壁(2)與外壁(3)之間，截面尺寸W和H可根據(jù)燃燒室的具體情況而發(fā)生變化并且可以做成圓形，燃油在沿螺旋槽流動(dòng)的過程中被燃燒室加熱直至氣化，經(jīng)過噴嘴(4)以一定角度噴入燃燒室，蒸氣流與燃燒室軸線成α角，與噴嘴所在位置的徑向線成β角，α和β應(yīng)滿足80°＜α＜100°，80°＜β≤90°。在燃料進(jìn)入燃燒室的同時(shí)，燃料與從空氣室(6)距燃燒室軸線距離為E的空氣流摻混，空氣流與燃燒室軸線成θ角，其中50°＜θ＜70°，混合氣到達(dá)位置H處通過火花塞(5)或到達(dá)位置I通過熱火頭(8)進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，并通過燃?xì)饬髯陨淼男D(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)式燃燒室，在燃燒室壁面采用螺旋槽進(jìn)行換熱，燃油沿螺旋槽流動(dòng)，以α角噴入燃燒室，并與從燃燒室頭部以β角進(jìn)入的空氣流進(jìn)行摻混，最后在位置E進(jìn)行點(diǎn)火燃燒。相對(duì)于普通微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，本發(fā)明利用旋流穩(wěn)焰機(jī)理進(jìn)行火焰穩(wěn)定，燃料在進(jìn)入燃燒室前便已蒸發(fā)霧化，大大縮短了與空氣的混合時(shí)間并提高了混合水平，而混合的增強(qiáng)有助于提高熄火極限，促進(jìn)點(diǎn)火和提高燃燒效率，從而擴(kuò)展了穩(wěn)定燃燒的范圍。
文檔編號(hào)F23R3/00GK101749734SQ200910236570
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者張春本, 陶智, 徐國(guó)強(qiáng), 張玉芳, 高琳, 鄧宏武 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)