适用于先进低污染涡轮发动机的三涡系组织燃烧的火焰筒制造技术

本发明专利技术属于涡轮发动机技术领域，具体涉及一种适用于先进低污染涡轮发动机的三涡系组织燃烧的火焰筒。其通过射流孔的合理设计，在火焰筒头部形成了两个大尺度的涡系结构，属于火焰筒的头部区域，涡系尺寸与火焰筒特征结构几何尺寸在同一数量级。该火焰筒的内壁、端壁通过焊接的形式连接在一起，而后可通过螺纹连接固定在发动机高压涡轮导向器或是机匣上；外壁通过螺纹连接的方式固定在发动机机匣上。该方案燃烧过程具有明显的RQL特征，且相对传统折流燃火焰筒能够有效提高燃烧效率，降低燃烧污染排放，且结构紧凑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于涡轮发动机
，具体涉及一种适用于先进低污染涡轮发动机的三涡系组织燃烧的火焰筒。
技术介绍
涡轮发动机主要由空气压缩系统、燃烧系统、膨胀做功系统组成。如图1所示。燃烧系统一般称作燃烧室，主要由雾化装置和火焰筒组成。火焰筒的作用是保证压缩系统出口空气与燃料充分掺混并发生化学应能以将燃料的化学能转化为热能。折流式火焰筒结构是火焰筒结构类型中的一种。如图1所示，现有的环形折流火焰筒与套筒5、甩油盘3、机匣2等构成燃烧室，火焰筒由外环1和内环4组成，外环1和内环4均无夹层，且内环4呈拱起状；机匣2和外环1组成外环腔，套筒5和内环4组成内环腔。外环腔中的部分空气通过外环1上的孔进入火焰筒，而内环腔的空气则是通过空心涡轮导向器将外环腔的余下空气引过来，最终通过内环4上的孔进入火焰筒；燃油从甩油盘3的均布孔中甩出，进入火焰筒内雾化、并和空气燃烧，放出热量。现有的环形折流火焰筒不能满足先进低污染涡轮发动机燃烧室的需求。该种燃烧室在头部流场内形成了混乱的涡系结构，有利于油气掺混，但存在火焰筒头部燃烧效率低下，污染排放大等特点。在结构上传统折流火焰筒结构需要设置一定的轴向段作为补燃(将在火焰筒头部未燃烧完全的燃料进行进一步燃烧)，掺混的空间。因此，火焰筒的长径比较大，紧凑程度不高，容易造成发动机总长度增加，降低发动机推重比。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是：如何提供一种适用于小尺寸折流式火焰筒结构、能够形成具有RQL特征的三涡系内流场结构，能够以较小的长径比，较高的紧凑程度实现燃料的高效燃烧和低污染排放。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供一种适用于先进低污染涡轮发动机的三涡系组织燃烧的火焰筒，其包括：燃烧室进口1、燃烧室外机匣2、燃烧室内环气流通道3、燃烧室出口4、火焰筒内壁5、燃烧室后机匣6、燃烧室内机匣后段7、甩油盘8、燃烧室内机匣前段9、燃烧室前机匣10、火焰筒外壁11；其中，所述燃烧室内环气流通道3通过焊接形式，连接火焰筒的内、外壁；所述甩油盘8以两端压紧的形式，通过摩擦力固定在发动机的旋转轴上，并随旋转轴同转速旋转；火焰筒内壁5、火焰筒外壁11以搭接的形式进行连接，火焰筒外壁11通过法兰固定在下游静止结构中；在火焰筒内壁5、火焰筒外壁11上，布置有具有组织涡系结构的射流孔组，射流孔组内的射流孔的孔径分布在5mm～10mm之间，此外，火焰筒内壁5、火焰筒外壁11上还设置有直径0.5～0.7mm的发散冷却孔，且发散冷却孔的开孔方向与火焰筒的壁面法向呈60°～70°角度；发散冷却孔的密度分布为5～8个/cm2；空气同样可以通过发散冷却孔进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；燃烧室进口空气从燃烧室进口1流入燃烧室外机匣2和火焰筒外壁11之间的流道；而后，分为两路，一路通过燃烧室内环气流通道3，另一路通过燃烧室内机匣前段9、燃烧室前机匣10、火焰筒外壁11之间形成的通道；其中，上述通过燃烧室内环气流通道3的一路空气再次分流，进入火焰筒内壁5与燃烧室后机匣6、燃烧室内机匣后段7之间形成的通道，而后通过火焰筒内壁5上设置的射流孔进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；前述通过燃烧室内机匣前段9、燃烧室前机匣10、火焰筒外壁11之间通道的气流通过火焰筒外壁11上的射流孔和发散冷却孔，进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；所述甩油盘8用于将其内部的燃料通过旋转的方式进行雾化，并喷射进入火焰筒内部，从而参与前述的燃烧化学反应；空气与燃料发生燃烧化学后，形成高温热燃气流，通过燃烧室出口4排放出燃烧室；其中，沿着火焰筒内燃气主要流动方面，简称主流方向，来描述火焰筒的截面结构形状：所述火焰筒外壁11由主燃段23、竖直补燃段22、水平掺混段21组成；射流孔组包括第一射流孔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圆弧过渡段组成；竖直补燃段22是由竖直方向的平直结构形成；掺混段21为靠近燃烧出口的平直段与倾斜段的组合结构；上述三段为整体结构，无需连接；其中，第一射流孔13位于主燃段23的过渡段区域，第二射流孔12位于竖直补燃段22上部，第三射流孔11位于水平掺混段21平直段与倾斜段交接区域；所述火焰筒内壁5由预燃段24、第二补燃段25、第二掺混段26组成；预燃段24由下平直结构、竖直结构、上平直结构三个结构组成，互相之间通过圆弧段过渡，且三者为一体结构，无需连接；在预燃段24中，平直结构、竖直结构、上平直结构三者的长度比例为1.3：1.2：1；第四射流孔16分布在半径较大的上平直结构中；第二补燃段25为圆弧段，起到连接预燃段和掺混段的作用，同时第五射流孔15分布在该圆弧段中间半径区域；第二掺混段26为圆弧段结构和倾斜段结构组成，第六射流孔14位于圆弧段结构和倾斜段结构相过渡的区域。其中，射流孔组中的第一射流孔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各自孔的数量分布为6的倍数；孔的精确位置根据流场结构的组织需要而确定；发散冷却孔的数量，根据前述孔面积确定；火焰筒内壁5的预燃段24的下平直结构、竖直结构、上平直结构三个结构配合形成第一涡系结构301，起到掺混和预燃的作用；燃烧室进口1和燃烧室出口4用于对已经完全燃烧的高温燃气进行掺混，确保燃烧室出口温度场的均匀性；火焰筒内壁5、燃烧室后机匣6、燃烧室外机匣2共同作用，通过射流柱的相对方向形成的剪切作用，形成第二涡系结构302和第三涡系结构303，从而分别起到主燃和补燃的作用。其中，所述第一涡系结构301的形成来自于第四射流孔16与预燃段24的配合作用，也即第四射流孔16的射流通过撞击预燃段24的壁面形成了滞止流动，从而改变射流方向，形成平直射流，并引射周边气体，从而促进了第一涡系结构301的形成；同理，第二涡系结构302的形成来自于第五射流孔15与第一射流孔13的射流的相对剪切和引射作用；第三涡系结构303的形成来自于第二射流孔12和第一射流孔13的射流的共同剪切、引射作用。(三)有益效果与现有技术相比较，本专利技术具备如下显著特征：(1)通过射流孔的合理设计，在火焰筒头部形成了两个大尺度的涡系结构，属于火焰筒的头部区域，涡系尺寸与火焰筒特征结构几何尺寸在同一数量级。(2)通过射流孔的合理设计，在火焰筒径向的出口区域形成了一个既能够补燃又能够掺混大尺度涡系结构，其尺寸与火焰筒特征结构尺寸在同一数量级。(3)火焰筒的轴向长度和径向高度比值小于1。(4)火焰筒头部空间由第一涡系结构和第二涡系结构组成，其中第一涡系结构内油气比较高属于富油燃烧，第二涡系结构油气比很小属于贫油燃烧。(5)火焰筒整体结构为C型。该火焰筒的内壁、端壁通过焊接的形式连接在一起，而后可通过螺纹连接固定在发动机高压涡轮导向器或是机匣上；外壁通过螺纹连接的方式固定在发动机机匣上。该方案燃烧过程具有明显的RQL特征，且相对传统折流燃火焰筒能够有效提高燃烧效率，降低燃烧污染排放，且结构紧凑。附图说明图1为折流式火焰筒结构。图2为燃烧室1/18周期结构特征图。图3为火焰筒结构示意图。图中宽曲箭头所指的方向为火焰筒内燃气主要流动方面，简称“主流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于先进低污染涡轮发动机的三涡系组织燃烧的火焰筒，其特征在于，其包括：燃烧室进口(1)、燃烧室外机匣(2)、燃烧室内环气流通道(3)、燃烧室出口(4)、火焰筒内壁(5)、燃烧室后机匣(6)、燃烧室内机匣后段(7)、甩油盘(8)、燃烧室内机匣前段(9)、燃烧室前机匣(10)、火焰筒外壁(11)；其中，所述燃烧室内环气流通道(3)通过焊接形式，连接火焰筒的内、外壁；所述甩油盘(8)以两端压紧的形式，通过摩擦力固定在发动机的旋转轴上，并随旋转轴同转速旋转；火焰筒内壁(5)、火焰筒外壁(11)以搭接的形式进行连接，火焰筒外壁(11)通过法兰固定在下游静止结构中；在火焰筒内壁(5)、火焰筒外壁(11)上，布置有具有组织涡系结构的射流孔组，射流孔组内的射流孔的孔径分布在5mm～10mm之间，此外，火焰筒内壁(5)、火焰筒外壁(11)上还设置有直径0.5～0.7mm的发散冷却孔，且发散冷却孔的开孔方向与火焰筒的壁面法向呈60°～70°角度；发散冷却孔的密度分布为5～8个/cm2；空气同样可以通过发散冷却孔进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；燃烧室进口空气从燃烧室进口(1)流入燃烧室外机匣(2)和火焰筒外壁(11)之间的流道；而后，分为两路，一路通过燃烧室内环气流通道(3)，另一路通过燃烧室内机匣前段(9)、燃烧室前机匣(10)、火焰筒外壁(11)之间形成的通道；其中，上述通过燃烧室内环气流通道(3)的一路空气再次分流，进入火焰筒内壁(5)与燃烧室后机匣(6)、燃烧室内机匣后段(7)之间形成的通道，而后通过火焰筒内壁(5)上设置的射流孔进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；前述通过燃烧室内机匣前段(9)、燃烧室前机匣(10)、火焰筒外壁(11)之间通道的气流通过火焰筒 外壁(11)上的射流孔和发散冷却孔，进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；所述甩油盘(8)用于将其内部的燃料通过旋转的方式进行雾化，并喷射进入火焰筒内部，从而参与前述的燃烧化学反应；空气与燃料发生燃烧化学后，形成高温热燃气流，通过燃烧室出口(4)排放出燃烧室。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于先进低污染涡轮发动机的三涡系组织燃烧的火焰筒，其特征在于，其包括：燃烧室进口(1)、燃烧室外机匣(2)、燃烧室内环气流通道(3)、燃烧室出口(4)、火焰筒内壁(5)、燃烧室后机匣(6)、燃烧室内机匣后段(7)、甩油盘(8)、燃烧室内机匣前段(9)、燃烧室前机匣(10)、火焰筒外壁(11)；其中，所述燃烧室内环气流通道(3)通过焊接形式，连接火焰筒的内、外壁；所述甩油盘(8)以两端压紧的形式，通过摩擦力固定在发动机的旋转轴上，并随旋转轴同转速旋转；火焰筒内壁(5)、火焰筒外壁(11)以搭接的形式进行连接，火焰筒外壁(11)通过法兰固定在下游静止结构中；在火焰筒内壁(5)、火焰筒外壁(11)上，布置有具有组织涡系结构的射流孔组，射流孔组内的射流孔的孔径分布在5mm～10mm之间，此外，火焰筒内壁(5)、火焰筒外壁(11)上还设置有直径0.5～0.7mm的发散冷却孔，且发散冷却孔的开孔方向与火焰筒的壁面法向呈60°～70°角度；发散冷却孔的密度分布为5～8个/cm2；空气同样可以通过发散冷却孔进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；燃烧室进口空气从燃烧室进口(1)流入燃烧室外机匣(2)和火焰筒外壁(11)之间的流道；而后，分为两路，一路通过燃烧室内环气流通道(3)，另一路通过燃烧室内机匣前段(9)、燃烧室前机匣(10)、火焰筒外壁(11)之间形成的通道；其中，上述通过燃烧室内环气流通道(3)的一路空气再次分流，进入火焰筒内壁(5)与燃烧室后机匣(6)、燃烧室内机匣后段(7)之间形成的通道，而后通过火焰筒内壁(5)上设置的射流孔进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；前述通过燃烧室内机匣前段(9)、燃烧室前机匣(10)、火焰筒外壁(11)之间通道的气流通过火焰筒外壁(11)上的射流孔和发散冷却孔，进入火焰筒内部与燃料发生燃烧化学反应；所述甩油盘(8)用于将其内部的燃料通过旋转的方式进行雾化，并喷射进入火焰筒内部，从而参与前述的燃烧化学反应；空气与燃料发生燃烧化学后，形成高温热燃气流，通过燃烧室出口(4)排放出燃烧室。2.如权利要求1所述的适用于先进低污染涡轮发动机的三涡系组织燃烧的火焰筒，其特征在于，沿着火焰筒内燃气主要流动方面，简称主流方向，来描述火焰筒的截面结构形状：所述火焰筒外壁(11)由主燃段(23)、竖直补燃段(22)、水平掺混段(21)组成；射流孔组包括第一射流孔(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(...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡文哲，杨凯，陈素荣，赵学成，王大磊，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11