一種鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)，用以拓寬LDI(Lean Direct Injection，貧油直接噴射)多點(diǎn)噴射燃燒室的火焰穩(wěn)定邊界。本實(shí)用新型將常規(guī)文氏管內(nèi)、外流道壁面處理為截面形狀為鋸齒形的條紋結(jié)構(gòu)，鋸齒形條紋沿壁面為螺旋狀，沿流道壁面均勻布置，鋸齒形條紋與文氏管流道中心軸線的夾角根據(jù)流道上游的旋流葉片安裝角確定，鋸齒形條紋截面特征尺寸根據(jù)文氏管出口處近壁面邊界層厚度確定，鋸齒形條紋起始于文氏管內(nèi)流道喉口截面或喉口截面下游一定距離的流道壁面上以及外流道入口或入口下游一定距離的流道壁面上，終止于文氏管出口。本實(shí)用新型可以抑制氣流在文氏管邊界層內(nèi)垂直于流向方向的湍流脈動(dòng)幅度及頻率，由此相應(yīng)減弱文氏管出口下游火焰根部的脈動(dòng)幅度及頻率，達(dá)到增強(qiáng)旋流火焰穩(wěn)定性，拓寬LDI多點(diǎn)噴射燃燒室火焰穩(wěn)定邊界的目的。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及燃燒穩(wěn)定性控制領(lǐng)域，是一種增強(qiáng)氣態(tài)旋流火焰穩(wěn)定性的裝置，具體來(lái)說(shuō)是一種拓寬LDI多點(diǎn)噴射燃燒室火焰穩(wěn)定邊界的文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著近些年來(lái)人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的污染排放問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。雖然從污染物排放的總量來(lái)講，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)所占的比例很小，但由于其所特有的局部性特點(diǎn)，如在機(jī)場(chǎng)附近和使用工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的地點(diǎn)會(huì)聚集高濃度的污染排放物；另外，在繁忙的空中走廊，各類(lèi)飛機(jī)產(chǎn)生的污染排放物也是高空大氣污染物的主要來(lái)源。因此，近些年來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)(包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)和各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī))的排放物越來(lái)越受到嚴(yán)格的限制。降低污染排放的核心是控制燃燒溫度及溫度的均勻度，這是低污染排放的關(guān)鍵，目前主流的三類(lèi)燃?xì)廨啓C(jī)低污染燃燒室(LPP:貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)，LD1:貧油直接噴射，RQL:富油燃燒-疾冷-貧油燃燒)均是以此為根據(jù)達(dá)到低污染目標(biāo)的。
[0003]由于具有較高的綜合燃燒性能，LDI多點(diǎn)噴射燃燒室是下一代超低污染燃燒室在技術(shù)上可以達(dá)到的方案之一。LDI多點(diǎn)噴射燃燒室的基本方法是將燃油通過(guò)多個(gè)噴油點(diǎn)直接噴入燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒，或燃油預(yù)先與空氣進(jìn)行一定程度混合后噴入燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒。燃燒區(qū)始終處于貧油狀態(tài)。火焰筒壁上不設(shè)主燃孔，進(jìn)入燃燒區(qū)的空氣全部從頭部進(jìn)入。影響LDI燃燒室污染物排放有兩個(gè)重要因素:油/氣混合率和燃燒區(qū)當(dāng)量比。a，油/氣混合率:油氣混合率主要與燃燒室燃料的噴射方式有關(guān)，多點(diǎn)噴射燃燒室由于其頭部燃料采用多點(diǎn)噴射的方式，相對(duì)于常規(guī)燃燒室0.3的油氣混合率其油氣混合率可達(dá)0.8以上；b，燃燒區(qū)當(dāng)量比:LDI燃燒室主燃區(qū)的當(dāng)量比非常低，一般小于0.6-0.7 (常規(guī)燃燒室主燃區(qū)的當(dāng)量比范圍在0.8-1.2)，而航空煤油的貧燃邊界為0.5，因此，如果由于某種原因?qū)е氯紵胰肟诹鲌?chǎng)突變是很容易導(dǎo)致燃燒室熄火的。此外，在常規(guī)燃燒室中主燃孔對(duì)主流的節(jié)流作用會(huì)變向降低主燃區(qū)的平均流速，提升主燃區(qū)的壓力，但是由于LDI多點(diǎn)噴射燃燒室的燃燒空氣全部從頭部進(jìn)入，不設(shè)主燃孔，這無(wú)疑是對(duì)LDI多點(diǎn)噴射燃燒室燃燒穩(wěn)定性的一個(gè)重要考驗(yàn)。由此看來(lái)，LDI燃燒室的火焰穩(wěn)定問(wèn)題是除污染物排放之外又一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
[0004]鑒于上述問(wèn)題，燃燒工程師有必要在現(xiàn)有燃燒室普遍采用的旋流穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出進(jìn)一步提高燃燒穩(wěn)定性的控制措施，最大限度的拓寬LDI多點(diǎn)噴射燃燒室的穩(wěn)定工作邊界，提高燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)運(yùn)行的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)，用以增強(qiáng)LDI多點(diǎn)噴射燃燒室火焰穩(wěn)定性。該壁面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)條紋化的特點(diǎn)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以有效減弱旋流火焰根部的湍流脈動(dòng)，增強(qiáng)旋流火焰的穩(wěn)定性，拓寬LDI多點(diǎn)噴射燃燒室的穩(wěn)定工作邊界。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型的文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]—種文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)，用以拓寬LDI多點(diǎn)噴射燃燒室的火焰穩(wěn)定邊界，所述LDI多點(diǎn)噴射燃燒室頭部結(jié)構(gòu)采用雙軸向旋流器；所述雙軸向旋流器包括第一、二級(jí)軸向旋流器，每級(jí)軸向旋流器中均設(shè)置有旋流葉片，第一、二級(jí)旋流葉片的旋轉(zhuǎn)方向相同，所述第一級(jí)軸向旋流器裝有氣態(tài)燃料噴嘴，所述文氏管安裝于所述第一、二級(jí)軸向旋流器之間；其特征在于，所述文氏管包括內(nèi)流道壁面和外流道壁面，其中所述內(nèi)流道壁面位于第一級(jí)軸向旋流器下游，所述外流道壁面位于第二級(jí)軸向旋流器下游；所述內(nèi)、外流道壁面上均設(shè)置有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)，所述鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)在垂直于文氏管流道中心線方向上的截面形狀為鋸齒形波；所述鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)包括多個(gè)條紋，條紋形態(tài)沿壁面為螺旋狀，沿流道壁面均勻布置，條紋旋轉(zhuǎn)方向與流道上游旋流葉片旋轉(zhuǎn)方向相同，內(nèi)流道壁面上的條紋結(jié)構(gòu)起始于所述文氏管內(nèi)流道喉口截面或喉口截面下游一定距離的內(nèi)流道壁面上，外流道壁面上的條紋結(jié)構(gòu)起始于外流道入口或入口下游一定距離的外流道壁面上，內(nèi)、外流道壁面上的條紋結(jié)構(gòu)均終止于文氏管出口。
[0008]優(yōu)選地，所述鋸齒形條紋與文氏管流道中心線的夾角α為:
( f \2\
1-W
[0009]a = arctan 1.5Sn——-~—(I)

1-f—I
VVj^y y
[0010]其中，Sn為文氏管內(nèi)、外流道上游旋流器的旋流數(shù)，r和R分別為旋流器的內(nèi)、外半徑。
[0011]優(yōu)選地，所述鋸齒形條紋的波峰高度h為:
? 1 n~21 4.64
? = 10 ~/ --
[0012]IuJ⑷
[0013]其中，I為文氏管內(nèi)、外壁面的軸向長(zhǎng)度，U00為旋流器出口速度，V空氣運(yùn)動(dòng)粘度。
[0014]優(yōu)選地，所述文氏管出口處鋸齒形條紋截面波長(zhǎng)λ為:
[0015]λ = ah (3)
[0016]a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取值為0.8-1.5。
[0017]當(dāng)空氣從一、二級(jí)旋流通道流出后，會(huì)以一定的切向速度進(jìn)入文氏管。由于在文氏管壁面沿氣流流向布置的鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)會(huì)抑制邊界層內(nèi)氣流在垂直于流向方向上的湍流脈動(dòng)，進(jìn)而相應(yīng)減弱下游旋流火焰根部的脈動(dòng)，從而達(dá)到增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性，拓寬LDI多點(diǎn)噴射燃燒室穩(wěn)定工作邊界的目的。
[0018]本實(shí)用新型的文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)有技術(shù)具有顯著的技術(shù)效果:能夠有效抑制雙軸向旋流火焰根部的脈動(dòng)幅度及頻率，增強(qiáng)旋流火焰的穩(wěn)定性，拓寬LDI多點(diǎn)噴射燃燒室的熄火邊界，使具有低污染燃燒系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)能在更加寬廣的范圍內(nèi)工作不熄火，增強(qiáng)燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)的可靠性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為L(zhǎng)DI多點(diǎn)噴射燃燒室示意圖，圖中的文氏管為常規(guī)文氏管；
[0020]圖2為本實(shí)用新型的文氏管與常規(guī)文氏管的對(duì)比示意圖，㈧為常規(guī)文氏管，(B)為本實(shí)用新型的具有鋸齒形條紋流道壁面的文氏管；
[0021]圖3為本實(shí)用新型的具有鋸齒形條紋流道壁面文氏管的截面示意圖，其中(A)為文氏管的正視圖，(B)為A-A向剖面圖；
[0022]圖4為裝有本實(shí)用新型的具有鋸齒形條紋流道壁面文氏管的雙級(jí)軸向旋流器的三維模型，㈧為雙級(jí)軸向旋流器側(cè)面剖視圖，⑶為雙級(jí)軸向旋流器45度斜視圖，(C)為雙級(jí)軸向旋流器正視圖；
[0023]圖5為裝有本實(shí)用新型的具有鋸齒形條紋流道壁面文氏管的LDI多點(diǎn)噴射燃燒室的三維模型，(A)為L(zhǎng)DI多點(diǎn)噴射燃燒室的正視圖，(B)為L(zhǎng)DI多點(diǎn)噴射燃燒室的45度斜視圖，(C)為L(zhǎng)DI多點(diǎn)噴射燃燒室的側(cè)視圖；
[0024]圖6為分別裝有本實(shí)用新型的具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面文氏管和常規(guī)文氏管的LDI多點(diǎn)噴射燃燒室熄火過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真結(jié)果，(A)為裝有常規(guī)文氏管燃燒室熄火過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真結(jié)果，(B)為裝有本實(shí)用新型具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面文氏管燃燒室熄火過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]圖1為L(zhǎng)DI多點(diǎn)噴射燃燒室示意圖，該燃燒室具有9個(gè)雙級(jí)旋流器，其中的文氏管4為常規(guī)文氏管。兩級(jí)旋流器2、3均為軸向旋流器，氣流旋轉(zhuǎn)方向相同，為右手方向；第一級(jí)軸向旋流器2裝有氣態(tài)燃料噴嘴1，文氏管4安裝于第一、二級(jí)軸向旋流器2、3之間。第一級(jí)軸向旋流器2的旋流數(shù)Sn = 1.0,內(nèi)徑η = 7.5mm,外徑Ri = 12mm ;第二級(jí)軸向旋流器3的旋流數(shù)Sn = 1.15,內(nèi)徑r。= 12.5mm,外徑R。= 13mm ;兩級(jí)旋流器旋流葉片個(gè)數(shù)各為12個(gè)，葉片厚度S = Imm;文氏管4的喉道直徑d= 15臟，喉道上游曲率半徑1^ = 8111111，喉道下游曲率半徑1*2 = 5mm。
[0027]圖2為本實(shí)用新型的具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面的文氏管與常規(guī)文氏管的對(duì)比示意圖，其中圖2(A)為常規(guī)文氏管，圖2(B)為具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面的文氏管。常規(guī)文氏管，如圖2(A)所示，其內(nèi)、外流道壁面8、9上無(wú)條紋結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的文氏管，如圖2(B)所示:具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面的文氏管內(nèi)流道壁面條紋10起始于流道喉口位置，終止于文氏管出口位置；外流道壁面條紋11起始于外流道入口位置下游3_處，終止于文氏管出口位置；內(nèi)、外流道條紋10、11沿壁面均勻布置，條紋旋轉(zhuǎn)方向與上游旋流葉片方向一致，為右手方向；內(nèi)流道壁面條紋10與文氏管流道中心線的夾角α根據(jù)式(I)計(jì)算為α =50.4°，外流道壁面條紋11與文氏管流道中心線的夾角α根據(jù)式(I)計(jì)算為α = 49.5。
[0028]圖3為本實(shí)用新型所述的具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面的文氏管橫截面示意圖。所述鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)的截面形狀為鋸齒形波。如圖1所述的雙級(jí)軸向旋流器，在設(shè)計(jì)工況下，一級(jí)旋流空氣平均速度為115m/s，文氏管內(nèi)流道壁面8的軸向長(zhǎng)度為10mm，空氣運(yùn)動(dòng)粘度15.89X 106m2/s，根據(jù)計(jì)算式(2)計(jì)算出內(nèi)流道壁面條紋10的截面鋸齒形波波峰高度h為1.72mm。根據(jù)計(jì)算式(3)計(jì)算出內(nèi)流道出口處條紋10的截面鋸齒形波波長(zhǎng)λ為
1.72mm(a = I)。在設(shè)計(jì)工況下，二級(jí)旋流空氣平均速度為95m/s，文氏管外流道壁面9的軸向長(zhǎng)度為8.2mm，空氣運(yùn)動(dòng)粘度15.89 X 106m2/s，根據(jù)計(jì)算式(2)計(jì)算出外流道壁面條紋11的截面鋸齒形波波峰高度h為1.72mm。根據(jù)計(jì)算式(3)計(jì)算出外流道出口處條紋11的截面鋸齒形波波長(zhǎng)λ為1.72mm(a = I)。
[0029]圖4和圖5分別為裝有具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面文氏管的雙級(jí)軸向旋流器和LDI多點(diǎn)噴射燃燒室的三維模型，圖6為分別裝有具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面文氏管和常規(guī)文氏管的LDI多點(diǎn)噴射燃燒室熄火過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真結(jié)果。圖6表明裝有常規(guī)文氏管燃燒室的熄火油氣比為0.015左右，而裝有具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面文氏管的燃燒室的熄火油氣比為0.012左右，燃燒室穩(wěn)定工作邊界明顯拓寬。由于具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面的文氏管使得文氏管出口剪切層內(nèi)氣流的最大湍流尺度顯著減小，有效減弱下游旋流火焰根部的湍流脈動(dòng)尺度，進(jìn)而明顯增強(qiáng)旋流火焰的穩(wěn)定性。因此，本實(shí)用新型所述的具有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)流道壁面的文氏管可以有效地拓寬雙軸向旋流器燃燒室的穩(wěn)定工作邊界。
[0030]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)，用以拓寬0)1多點(diǎn)噴射燃燒室的火焰穩(wěn)定邊界，所述101多點(diǎn)噴射燃燒室頭部結(jié)構(gòu)采用雙軸向旋流器；所述雙軸向旋流器包括第一、二級(jí)軸向旋流器，每級(jí)軸向旋流器中均設(shè)置有旋流葉片，第一、二級(jí)旋流葉片的旋轉(zhuǎn)方向相同，所述第一級(jí)軸向旋流器裝有氣態(tài)燃料噴嘴，所述文氏管安裝于所述第一、二級(jí)軸向旋流器之間；其特征在于，所述文氏管包括內(nèi)流道壁面和外流道壁面，其中所述內(nèi)流道壁面位于第一級(jí)軸向旋流器下游，所述外流道壁面位于第二級(jí)軸向旋流器下游；所述內(nèi)、外流道壁面上均設(shè)置有鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)，所述鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)在垂直于文氏管流道中心線方向上的截面形狀為鋸齒形波；所述鋸齒形條紋結(jié)構(gòu)包括多個(gè)條紋，條紋形態(tài)沿壁面為螺旋狀，沿流道壁面均勻布置，條紋旋轉(zhuǎn)方向與流道上游旋流葉片旋轉(zhuǎn)方向相同，內(nèi)流道壁面上的條紋結(jié)構(gòu)起始于所述文氏管內(nèi)流道喉口截面或喉口截面下游一定距離的內(nèi)流道壁面上，外流道壁面上的條紋結(jié)構(gòu)起始于外流道入口或入口下游一定距離的外流道壁面上，內(nèi)、外流道壁面上的條紋結(jié)構(gòu)均終止于文氏管出口。
2.如權(quán)利要求1所述的鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)，其特征是:各所述鋸齒形條紋與文氏管流道中心線的夾角0為:
( / \2 \ ?2 =1.30 ,-—
11 (,, V
1一 - 其中，3。為文氏管內(nèi)、外流道上游旋流器的旋流數(shù)，I'和I？分別為旋流器的內(nèi)、外半徑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)，其特征是:所述鋸齒形條紋的波峰高度卜為: ,,, 4.64 /^ = 10 I ,- 其中，1為文氏管內(nèi)、外流道壁面的軸向長(zhǎng)度，11=0為所述101多點(diǎn)噴射燃燒室旋流器出口平均速度，V空氣運(yùn)動(dòng)粘度。
4.如權(quán)利要求3所述的鋸齒狀壁面文氏管流道壁面結(jié)構(gòu)，其特征是:文氏管出口處鋸齒形條紋截面波長(zhǎng)、為: 入=沾 ￡1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值為0.8-1.5。
【文檔編號(hào)】F23R3/38GK204127993SQ201420578199
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】胡斌, 趙慶軍, 崔偉偉, 趙巍, 徐建中 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所