本發(fā)明屬于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于先進(jìn)低污染渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的三渦系組織燃燒的火焰筒。

背景技術(shù)：

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要由空氣壓縮系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、膨脹做功系統(tǒng)組成。如圖1所示。燃燒系統(tǒng)一般稱作燃燒室，主要由霧化裝置和火焰筒組成。火焰筒的作用是保證壓縮系統(tǒng)出口空氣與燃料充分摻混并發(fā)生化學(xué)應(yīng)能以將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。折流式火焰筒結(jié)構(gòu)是火焰筒結(jié)構(gòu)類型中的一種。

如圖1所示，現(xiàn)有的環(huán)形折流火焰筒與套筒5、甩油盤(pán)3、機(jī)匣2等構(gòu)成燃燒室，火焰筒由外環(huán)1和內(nèi)環(huán)4組成，外環(huán)1和內(nèi)環(huán)4均無(wú)夾層，且內(nèi)環(huán)4呈拱起狀；機(jī)匣2和外環(huán)1組成外環(huán)腔，套筒5和內(nèi)環(huán)4組成內(nèi)環(huán)腔。外環(huán)腔中的部分空氣通過(guò)外環(huán)1上的孔進(jìn)入火焰筒，而內(nèi)環(huán)腔的空氣則是通過(guò)空心渦輪導(dǎo)向器將外環(huán)腔的余下空氣引過(guò)來(lái)，最終通過(guò)內(nèi)環(huán)4上的孔進(jìn)入火焰筒；燃油從甩油盤(pán)3的均布孔中甩出，進(jìn)入火焰筒內(nèi)霧化、并和空氣燃燒，放出熱量。

現(xiàn)有的環(huán)形折流火焰筒不能滿足先進(jìn)低污染渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的需求。該種燃燒室在頭部流場(chǎng)內(nèi)形成了混亂的渦系結(jié)構(gòu)，有利于油氣摻混，但存在火焰筒頭部燃燒效率低下，污染排放大等特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上傳統(tǒng)折流火焰筒結(jié)構(gòu)需要設(shè)置一定的軸向段作為補(bǔ)燃(將在火焰筒頭部未燃燒完全的燃料進(jìn)行進(jìn)一步燃燒)，摻混的空間。因此，火焰筒的長(zhǎng)徑比較大，緊湊程度不高，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)總長(zhǎng)度增加，降低發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：如何提供一種適用于小尺寸折流式火焰筒結(jié)構(gòu)、能夠形成具有RQL特征的三渦系內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，能夠以較小的長(zhǎng)徑比，較高的緊湊程度實(shí)現(xiàn)燃料的高效燃燒和低污染排放。(二)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種適用于先進(jìn)低污染渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的三渦系組織燃燒的火焰筒，其包括：燃燒室進(jìn)口1、燃燒室外機(jī)匣2、燃燒室內(nèi)環(huán)氣流通道3、燃燒室出口4、火焰筒內(nèi)壁5、燃燒室后機(jī)匣6、燃燒室內(nèi)機(jī)匣后段7、甩油盤(pán)8、燃燒室內(nèi)機(jī)匣前段9、燃燒室前機(jī)匣10、火焰筒外壁11；其中，

所述燃燒室內(nèi)環(huán)氣流通道3通過(guò)焊接形式，連接火焰筒的內(nèi)、外壁；

所述甩油盤(pán)8以兩端壓緊的形式，通過(guò)摩擦力固定在發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，并隨旋轉(zhuǎn)軸同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；

火焰筒內(nèi)壁5、火焰筒外壁11以搭接的形式進(jìn)行連接，火焰筒外壁11通過(guò)法蘭固定在下游靜止結(jié)構(gòu)中；

在火焰筒內(nèi)壁5、火焰筒外壁11上，布置有具有組織渦系結(jié)構(gòu)的射流孔組，射流孔組內(nèi)的射流孔的孔徑分布在5mm～10mm之間，此外，火焰筒內(nèi)壁5、火焰筒外壁11上還設(shè)置有直徑0.5～0.7mm的發(fā)散冷卻孔，且發(fā)散冷卻孔的開(kāi)孔方向與火焰筒的壁面法向呈60°～70°角度；發(fā)散冷卻孔的密度分布為5～8個(gè)/cm²；空氣同樣可以通過(guò)發(fā)散冷卻孔進(jìn)入火焰筒內(nèi)部與燃料發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)；

燃燒室進(jìn)口空氣從燃燒室進(jìn)口1流入燃燒室外機(jī)匣2和火焰筒外壁11之間的流道；而后，分為兩路，一路通過(guò)燃燒室內(nèi)環(huán)氣流通道3，另一路通過(guò)燃燒室內(nèi)機(jī)匣前段9、燃燒室前機(jī)匣10、火焰筒外壁11之間形成的通道；

其中，上述通過(guò)燃燒室內(nèi)環(huán)氣流通道3的一路空氣再次分流，進(jìn)入火焰筒內(nèi)壁5與燃燒室后機(jī)匣6、燃燒室內(nèi)機(jī)匣后段7之間形成的通道，而后通過(guò)火焰筒內(nèi)壁5上設(shè)置的射流孔進(jìn)入火焰筒內(nèi)部與燃料發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)；前述通過(guò)燃燒室內(nèi)機(jī)匣前段9、燃燒室前機(jī)匣10、火焰筒外壁11之間通道的氣流通過(guò)火焰筒外壁11上的射流孔和發(fā)散冷卻孔，進(jìn)入火焰筒內(nèi)部與燃料發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)；

所述甩油盤(pán)8用于將其內(nèi)部的燃料通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行霧化，并噴射進(jìn)入火焰筒內(nèi)部，從而參與前述的燃燒化學(xué)反應(yīng)；空氣與燃料發(fā)生燃燒化學(xué)后，形成高溫?zé)崛細(xì)饬?，通過(guò)燃燒室出口4排放出燃燒室；

其中，沿著火焰筒內(nèi)燃?xì)庵饕鲃?dòng)方面，簡(jiǎn)稱主流方向，來(lái)描述火焰筒的截面結(jié)構(gòu)形狀：

所述火焰筒外壁11由主燃段23、豎直補(bǔ)燃段22、水平摻混段21組成；射流孔組包括第一射流孔13、第二射流孔12、第三射流孔11、第四射流孔16、第五射流孔15、第六射流孔14；

主燃段23由沿火焰筒外壁11沿主流方向的水平段和圓弧過(guò)渡段組成；豎直補(bǔ)燃段22是由豎直方向的平直結(jié)構(gòu)形成；摻混段21為靠近燃燒出口的平直段與傾斜段的組合結(jié)構(gòu)；上述三段為整體結(jié)構(gòu)，無(wú)需連接；其中，第一射流孔13位于主燃段23的過(guò)渡段區(qū)域，第二射流孔12位于豎直補(bǔ)燃段22上部，第三射流孔11位于水平摻混段21平直段與傾斜段交接區(qū)域；

所述火焰筒內(nèi)壁5由預(yù)燃段24、第二補(bǔ)燃段25、第二摻混段26組成；

預(yù)燃段24由下平直結(jié)構(gòu)、豎直結(jié)構(gòu)、上平直結(jié)構(gòu)三個(gè)結(jié)構(gòu)組成，互相之間通過(guò)圓弧段過(guò)渡，且三者為一體結(jié)構(gòu)，無(wú)需連接；在預(yù)燃段24中，平直結(jié)構(gòu)、豎直結(jié)構(gòu)、上平直結(jié)構(gòu)三者的長(zhǎng)度比例為1.3：1.2：1；第四射流孔16分布在半徑較大的上平直結(jié)構(gòu)中；第二補(bǔ)燃段25為圓弧段，起到連接預(yù)燃段和摻混段的作用，同時(shí)第五射流孔15分布在該圓弧段中間半徑區(qū)域；第二摻混段26為圓弧段結(jié)構(gòu)和傾斜段結(jié)構(gòu)組成，第六射流孔14位于圓弧段結(jié)構(gòu)和傾斜段結(jié)構(gòu)相過(guò)渡的區(qū)域。

其中，射流孔組中的第一射流孔13、第二射流孔12、第三射流孔11、第四射流孔16、第五射流孔15、第六射流孔14各自孔的數(shù)量分布為6的倍數(shù)；孔的精確位置根據(jù)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的組織需要而確定；發(fā)散冷卻孔的數(shù)量，根據(jù)前述孔面積確定；

火焰筒內(nèi)壁5的預(yù)燃段24的下平直結(jié)構(gòu)、豎直結(jié)構(gòu)、上平直結(jié)構(gòu)三個(gè)結(jié)構(gòu)配合形成第一渦系結(jié)構(gòu)301，起到摻混和預(yù)燃的作用；

燃燒室進(jìn)口1和燃燒室出口4用于對(duì)已經(jīng)完全燃燒的高溫燃?xì)膺M(jìn)行摻混，確保燃燒室出口溫度場(chǎng)的均勻性；

火焰筒內(nèi)壁5、燃燒室后機(jī)匣6、燃燒室外機(jī)匣2共同作用，通過(guò)射流柱的相對(duì)方向形成的剪切作用，形成第二渦系結(jié)構(gòu)302和第三渦系結(jié)構(gòu)303，從而分別起到主燃和補(bǔ)燃的作用。

其中，所述第一渦系結(jié)構(gòu)301的形成來(lái)自于第四射流孔16與預(yù)燃段24的配合作用，也即第四射流孔16的射流通過(guò)撞擊預(yù)燃段24的壁面形成了滯止流動(dòng)，從而改變射流方向，形成平直射流，并引射周邊氣體，從而促進(jìn)了第一渦系結(jié)構(gòu)301的形成；

同理，第二渦系結(jié)構(gòu)302的形成來(lái)自于第五射流孔15與第一射流孔13的射流的相對(duì)剪切和引射作用；

第三渦系結(jié)構(gòu)303的形成來(lái)自于第二射流孔12和第一射流孔13的射流的共同剪切、引射作用。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下顯著特征：

(1)通過(guò)射流孔的合理設(shè)計(jì)，在火焰筒頭部形成了兩個(gè)大尺度的渦系結(jié)構(gòu)，屬于火焰筒的頭部區(qū)域，渦系尺寸與火焰筒特征結(jié)構(gòu)幾何尺寸在同一數(shù)量級(jí)。

(2)通過(guò)射流孔的合理設(shè)計(jì)，在火焰筒徑向的出口區(qū)域形成了一個(gè)既能夠補(bǔ)燃又能夠摻混大尺度渦系結(jié)構(gòu)，其尺寸與火焰筒特征結(jié)構(gòu)尺寸在同一數(shù)量級(jí)。

(3)火焰筒的軸向長(zhǎng)度和徑向高度比值小于1。

(4)火焰筒頭部空間由第一渦系結(jié)構(gòu)和第二渦系結(jié)構(gòu)組成，其中第一渦系結(jié)構(gòu)內(nèi)油氣比較高屬于富油燃燒，第二渦系結(jié)構(gòu)油氣比很小屬于貧油燃燒。

(5)火焰筒整體結(jié)構(gòu)為C型。

該火焰筒的內(nèi)壁、端壁通過(guò)焊接的形式連接在一起，而后可通過(guò)螺紋連接固定在發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向器或是機(jī)匣上；外壁通過(guò)螺紋連接的方式固定在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上。該方案燃燒過(guò)程具有明顯的RQL特征，且相對(duì)傳統(tǒng)折流燃火焰筒能夠有效提高燃燒效率，降低燃燒污染排放，且結(jié)構(gòu)緊湊。

附圖說(shuō)明

圖1為折流式火焰筒結(jié)構(gòu)。

圖2為燃燒室1/18周期結(jié)構(gòu)特征圖。

圖3為火焰筒結(jié)構(gòu)示意圖。圖中寬曲箭頭所指的方向?yàn)榛鹧嫱矁?nèi)燃?xì)庵饕鲃?dòng)方面，簡(jiǎn)稱“主流方向”。

圖4為火焰筒內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖。該圖4為燃燒室內(nèi)部呈現(xiàn)的渦系結(jié)構(gòu)分布情況。通過(guò)圖中可以看出，本發(fā)明中合理布置的射流孔的位置以及直徑，結(jié)合火焰筒的C型結(jié)構(gòu)，能夠形成前述的三渦系結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于低污染低排放的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研究中已經(jīng)普遍證明，具有RQL(富油/快速熄滅/貧油(RQL)燃燒技術(shù))特征的燃燒組織結(jié)構(gòu)能夠有效降低燃燒污染物的排放。因此，本方案按照該燃燒機(jī)理設(shè)計(jì)了具有C型結(jié)構(gòu)的火焰筒方案。

由此，本發(fā)明提供一種適用于先進(jìn)低污染渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的三渦系組織燃燒的火焰筒，如圖2-圖4所示，其包括：燃燒室進(jìn)口1、燃燒室外機(jī)匣2、燃燒室內(nèi)環(huán)氣流通道3、燃燒室出口4、火焰筒內(nèi)壁5、燃燒室后機(jī)匣6、燃燒室內(nèi)機(jī)匣后段7、甩油盤(pán)8、燃燒室內(nèi)機(jī)匣前段9、燃燒室前機(jī)匣10、火焰筒外壁11；其中，

所述燃燒室內(nèi)環(huán)氣流通道3通過(guò)焊接形式，連接火焰筒的內(nèi)、外壁；

所述甩油盤(pán)8以兩端壓緊的形式，通過(guò)摩擦力固定在發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，并隨旋轉(zhuǎn)軸同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；

火焰筒內(nèi)壁5、火焰筒外壁11以搭接的形式進(jìn)行連接，火焰筒外壁11通過(guò)法蘭固定在下游靜止結(jié)構(gòu)中；

在火焰筒內(nèi)壁5、火焰筒外壁11上，布置有具有組織渦系結(jié)構(gòu)的射流孔組，射流孔組內(nèi)的射流孔的孔徑分布在5mm～10mm之間，此外，火焰筒內(nèi)壁5、火焰筒外壁11上還設(shè)置有直徑0.5～0.7mm的發(fā)散冷卻孔，且發(fā)散冷卻孔的開(kāi)孔方向與火焰筒的壁面法向呈60°～70°角度；發(fā)散冷卻孔的密度分布為5～8個(gè)/cm²；空氣同樣可以通過(guò)發(fā)散冷卻孔進(jìn)入火焰筒內(nèi)部與燃料發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)；

如圖3所示，燃燒室進(jìn)口空氣從燃燒室進(jìn)口1流入燃燒室外機(jī)匣2和火焰筒外壁11之間的流道；而后，分為兩路，一路通過(guò)燃燒室內(nèi)環(huán)氣流通道3，另一路通過(guò)燃燒室內(nèi)機(jī)匣前段9、燃燒室前機(jī)匣10、火焰筒外壁11之間形成的通道；

其中，上述通過(guò)燃燒室內(nèi)環(huán)氣流通道3的一路空氣再次分流，進(jìn)入火焰筒內(nèi)壁5與燃燒室后機(jī)匣6、燃燒室內(nèi)機(jī)匣后段7之間形成的通道，而后通過(guò)火焰筒內(nèi)壁5上設(shè)置的射流孔進(jìn)入火焰筒內(nèi)部與燃料發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)；前述通過(guò)燃燒室內(nèi)機(jī)匣前段9、燃燒室前機(jī)匣10、火焰筒外壁11之間通道的氣流通過(guò)火焰筒外壁11上的射流孔和發(fā)散冷卻孔，進(jìn)入火焰筒內(nèi)部與燃料發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)；

所述甩油盤(pán)8用于將其內(nèi)部的燃料通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行霧化，并噴射進(jìn)入火焰筒內(nèi)部，從而參與前述的燃燒化學(xué)反應(yīng)；空氣與燃料發(fā)生燃燒化學(xué)后，形成高溫?zé)崛細(xì)饬?，通過(guò)燃燒室出口4排放出燃燒室；

其中，沿著火焰筒內(nèi)燃?xì)庵饕鲃?dòng)方面，簡(jiǎn)稱主流方向，來(lái)描述火焰筒的截面結(jié)構(gòu)形狀：

所述火焰筒外壁11由主燃段23、豎直補(bǔ)燃段22、水平摻混段21組成；射流孔組包括第一射流孔13、第二射流孔12、第三射流孔11、第四射流孔16、第五射流孔15、第六射流孔14；

主燃段23由沿火焰筒外壁11沿主流方向的水平段和圓弧過(guò)渡段組成；豎直補(bǔ)燃段22是由豎直方向的平直結(jié)構(gòu)形成；摻混段21為靠近燃燒出口的平直段與傾斜段的組合結(jié)構(gòu)；上述三段為整體結(jié)構(gòu)，無(wú)需連接；其中，第一射流孔13位于主燃段23的過(guò)渡段區(qū)域，第二射流孔12位于豎直補(bǔ)燃段22上部，第三射流孔11位于水平摻混段21平直段與傾斜段交接區(qū)域；

所述火焰筒內(nèi)壁5由預(yù)燃段24、第二補(bǔ)燃段25、第二摻混段26組成；

預(yù)燃段24由下平直結(jié)構(gòu)、豎直結(jié)構(gòu)、上平直結(jié)構(gòu)三個(gè)結(jié)構(gòu)組成，互相之間通過(guò)圓弧段過(guò)渡，且三者為一體結(jié)構(gòu)，無(wú)需連接；在預(yù)燃段24中，平直結(jié)構(gòu)、豎直結(jié)構(gòu)、上平直結(jié)構(gòu)三者的長(zhǎng)度比例為1.3：1.2：1；第四射流孔16分布在半徑較大的上平直結(jié)構(gòu)中；第二補(bǔ)燃段25為圓弧段，起到連接預(yù)燃段和摻混段的作用，同時(shí)第五射流孔15分布在該圓弧段中間半徑區(qū)域；第二摻混段26為圓弧段結(jié)構(gòu)和傾斜段結(jié)構(gòu)組成，第六射流孔14位于圓弧段結(jié)構(gòu)和傾斜段結(jié)構(gòu)相過(guò)渡的區(qū)域。

其中，射流孔組中的第一射流孔13、第二射流孔12、第三射流孔11、第四射流孔16、第五射流孔15、第六射流孔14各自孔的數(shù)量分布為6的倍數(shù)，每排孔分布在36～48之間；孔的精確位置根據(jù)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的組織需要而確定；發(fā)散冷卻孔的數(shù)量，根據(jù)前述孔面積確定；

火焰筒內(nèi)壁5的預(yù)燃段24的下平直結(jié)構(gòu)、豎直結(jié)構(gòu)、上平直結(jié)構(gòu)三個(gè)結(jié)構(gòu)配合形成第一渦系結(jié)構(gòu)301，起到摻混和預(yù)燃的作用；

燃燒室進(jìn)口1和燃燒室出口4用于對(duì)已經(jīng)完全燃燒的高溫燃?xì)膺M(jìn)行摻混，確保燃燒室出口溫度場(chǎng)的均勻性；

火焰筒內(nèi)壁5、燃燒室后機(jī)匣6、燃燒室外機(jī)匣2共同作用，通過(guò)射流柱的相對(duì)方向形成的剪切作用，形成第二渦系結(jié)構(gòu)302和第三渦系結(jié)構(gòu)303，從而分別起到主燃和補(bǔ)燃的作用。

如圖2-圖4所示，火焰筒內(nèi)部的主流路呈現(xiàn)C型結(jié)構(gòu)，且，在火焰筒內(nèi)部組織形成了三個(gè)與燃燒室?guī)缀纬叽缭谕涣考?jí)的渦系結(jié)構(gòu)，因此本文中將該燃燒室命名為C型三渦結(jié)構(gòu)燃燒室。

其中，所述第一渦系結(jié)構(gòu)301的形成來(lái)自于第四射流孔16與預(yù)燃段24的配合作用，也即第四射流孔16的射流通過(guò)撞擊預(yù)燃段24的壁面形成了滯止流動(dòng)，從而改變射流方向，形成平直射流，并引射周邊氣體，從而促進(jìn)了第一渦系結(jié)構(gòu)301的形成；

同理，第二渦系結(jié)構(gòu)302的形成來(lái)自于第五射流孔15與第一射流孔13的射流的相對(duì)剪切和引射作用；

第三渦系結(jié)構(gòu)303的形成來(lái)自于第二射流孔12和第一射流孔13的射流的共同剪切、引射作用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。