專利名稱：切向駐渦燃燒室的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適用于進口氣流具有高切向速度的新型燃燒系統(tǒng)，特別是針對燃燒室進口切向速度大的燃氣輪機用的切向駐渦燃燒室。
背景技術：
國外目前已研制出一種集沖壓發(fā)動機技術和燃氣渦輪發(fā)動機技術為一體的新概念發(fā)動機-沖壓轉子發(fā)動機。該種發(fā)動機可分為兩類一類沖壓轉子發(fā)動機是采用沖壓轉子壓縮空氣，其后緊跟燃燒室及渦輪進行燃燒和做功；另一類是在一個轉子上實現(xiàn)氣體壓縮、燃燒和膨脹做功。美國Ramgen公司針對這兩類沖壓轉子發(fā)動機都進行了研究和運行試驗，其主要目的還是將沖壓轉子發(fā)動機應用在工業(yè)燃氣輪機方面提供動力，并且均采用氣體燃料。
針對第一類沖壓轉子發(fā)動機，美國Ramgen公司的燃燒方案是一個單管燃燒室，與發(fā)動機本體垂直，燃料為氣體燃料-天然氣。很明顯，這種方案的燃燒室獨立于整機之外，只適合于地面燃氣輪機用，并且壓縮空氣經(jīng)過很復雜的路徑流進不規(guī)則裝配的燃燒室，其流動損失也相當大。
第一類沖壓轉子發(fā)動機是用沖壓轉子達到高效壓縮空氣的目的，其后緊隨燃燒室以及帶動沖壓轉子的渦輪，其工作循環(huán)過程與當今主流燃氣輪機相似。但是，由于沖壓轉子出口氣流是高速切向旋流，若采用常規(guī)的燃燒室方案，則需要增加消旋葉柵和渦輪進口導向器，這就增加了氣動損失和結構的復雜性。因此，采用一個切向燃燒方式的燃燒室是更合理的選擇。
國外針對切向旋流和空腔駐渦的先進燃燒室技術有相當多的研究，如VRT(Variable Residence Time)，UCC(Ultra-Compact Combustor)和TVC(Trapped-Vortex Combustor)等。
TVC依靠分離于主流腔外的空腔機械結構穩(wěn)定旋渦氣流，并在空腔內噴入燃料，主流區(qū)通過高速空氣，其進口也有燃料噴入，駐渦為主流區(qū)提供了一個連續(xù)而穩(wěn)定的值班火焰與點火源?？涨缓椭魅紖^(qū)形成分級燃燒，燃燒方式可采用富油-淬熄-貧油燃燒方式(RQL)減少污染。與傳統(tǒng)旋流器穩(wěn)定燃燒室相比，TVC地面點火、高空再點火和貧油熄火性能都有所改善，污染排放也有所減少。但TVC只是對常規(guī)燃燒室的一種輔助技術，對強旋流進口條件下的燃燒并沒有任何作用。
UCC燃燒技術主要是應用在定溫循環(huán)(CT)和渦輪內燃燒器(ITB)上，目的是為了補償燃氣在渦輪中膨脹做功驅動壓氣機的推力損失。其結構是在渦輪靜葉機匣外環(huán)上制造一個周向空腔，在空腔內供應燃油和空氣，產(chǎn)生繞發(fā)動機軸線旋轉的周向流動氣流，并通過渦輪葉片上的徑向空腔將火焰?zhèn)鞑サ捷S向主流中。空腔中繞軸線產(chǎn)生大的旋轉流動，加強油氣和燃氣的摻混。在周向空腔中富油燃燒，并且作為穩(wěn)定的點火源，燃燒產(chǎn)物通過徑向空腔傳輸?shù)街髁髦?，在徑向空腔中淬熄，主流中再貧油燃燒，減小了污染排放。在很小的空間內燃氣駐留時間較長，燃燒完全。因此UCC中火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒效率、放熱率提高，污染排放降低，火焰長度縮短，增強了燃燒穩(wěn)定性。然后，UCC只是一種類似于加力燃燒室的補償性燃燒技術，并不能直接應用于主燃燒室。
VRT燃燒技術在全環(huán)形燃燒室中加大切向進氣速度，讓所有空氣與燃油均切向進入環(huán)形火焰筒以加強沿周向的旋流。周向旋流使噴嘴注入的燃油中較大油滴在離心力作用下，沿火焰筒外層圓周旋轉，有較長時間進行蒸發(fā)摻混，直到燃燒殆盡或被更大油滴代替位置而進入內層燃燒，而較輕油霧則保持在內層圓周燃燒。對于不同大小的油滴在燃燒室中的駐留時間并不一樣，從而提高整個燃燒室的燃燒效率，這也正是可變駐留時間VRT燃燒技術的由來?？山档土薔OX排放，周向摻混旋流降低燃燒室出口徑向溫度梯度。由于允許氣流以較大切向速度進出燃燒室，壓氣機出口與渦輪前的導向靜葉的作用降低，對發(fā)動機的尺寸與重量有所減小。但VRT中周向旋流在整個火焰筒內產(chǎn)生，其穩(wěn)定性較差，并不適合于強旋流進口條件下的燃燒組織。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種適用于高切向速度進口條件下的切向駐渦燃燒室，利用切向旋流產(chǎn)生的高離心加速度加強兩相液霧燃燒，提高燃燒效率，并用雙重駐渦技術提高燃燒穩(wěn)定性，拓展穩(wěn)定工作范圍。
本發(fā)明的技術解決方案是切向駐渦燃燒室，其特點在于它采用全環(huán)形火焰筒結構，主要由內外機匣和位于其內的內外火焰筒構成，在外火焰筒沿周向安裝有頭部和主燃孔，主燃孔位于在頭部下游位置，頭部和主燃孔的中心線與圓周切線存在傾角；頭部包括供油噴嘴和穩(wěn)火管；內外摻混孔分別位于內外火焰筒燃燒室出口前的位置，保證其良好的出口溫度分布；內外火焰筒的筒壁上開有大量冷卻多斜孔，冷卻多斜孔和主燃孔之間存在有偏角。
本發(fā)明的原理如下高速氣流切向進入燃燒室內，并以一定的速度在機匣和火焰筒形成的環(huán)腔內保持切向流動。在外火焰筒表面，沿圓周設置多個頭部和主燃孔，主燃孔安排在頭部下游位置，頭部包括供油噴嘴和穩(wěn)火管，在不同的供油壓力和流量下可采用不同的噴嘴，目前可選的有離心噴嘴和空氣霧化噴嘴兩種，穩(wěn)火管的作用是在噴嘴出口下游的較短距離內穩(wěn)定局部低速回流區(qū)，將其與切向主流區(qū)域分離，提高火焰穩(wěn)定性，為切向空腔提供必要的富油火焰射流。穩(wěn)火管的中心線與圓周切線存在一定的傾角，主燃孔為富油火焰射流提供充足的空氣，氣流進入內外火焰筒沿周向形成的空腔，仍然沿著切向流動，形成切向環(huán)形大旋渦。為了使空腔內的氣流產(chǎn)生繞切向大旋渦的第二道小旋渦，火焰筒上的冷卻多斜孔和主燃孔與切向大旋渦之間存在一定的偏角，即形成所謂的正交雙重旋渦。整個火焰筒均采用多斜孔冷卻方式，冷卻多斜孔的主要目的是利用冷氣冷卻火焰筒，保護其不受燃氣燒蝕。燃油通過噴嘴的霧化后進入穩(wěn)火管，在穩(wěn)火管中的局部低速回流區(qū)起燃，再進入空腔內的旋渦中，沿周向和徑向傳播，高溫燃氣在摻混孔處與冷空氣快速摻混，最后仍然以較大的切向速度旋轉著排出燃燒室。摻混孔安排在燃燒室出口前的適當位置，保證其良好的出口溫度分布。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點如下(1)具有比常規(guī)軸向燃燒室更適合于高切向速度旋流進口條件下的燃燒組織形式，從技術上拋棄了燃燒室進口消旋葉柵和渦輪進口導向器的使用，減少了氣動損失，降低結構的復雜性和重量；(2)頭部所采用的離心噴嘴或空氣霧化噴嘴和穩(wěn)火管的結構有非常好的霧化效果和局部火焰穩(wěn)定性；(3)切向大旋渦能加長液霧火焰駐留時間，所產(chǎn)生的高離心力也能加強燃燒，提高燃燒效率；(4)繞切向大旋渦旋轉的小駐渦，雙重駐渦技術能提高火焰穩(wěn)定性，拓展穩(wěn)定燃燒工作范圍。


圖1為本發(fā)明的切向駐渦燃燒室外形示意圖；圖2為本發(fā)明的火焰筒結構示意圖；圖3為本發(fā)明的橫截面示意圖；圖4為本發(fā)明的縱截面示意圖；圖5為本發(fā)明形成的正交雙重旋渦空間示意圖；圖6為本發(fā)明的多斜孔冷卻結構示意圖；圖7為本發(fā)明的橫截面流場圖；圖8為本發(fā)明的橫截面上油霧顆粒分布；圖9為本發(fā)明的橫截面溫度分布；圖10為本發(fā)明的縱截面溫度分布。
其中1是頭部，2是外機匣，3是內機匣，4是外火焰筒，5是內火焰筒，6是燃油噴嘴，7是穩(wěn)火管，8是主燃孔，9是外摻混孔，10是內摻混孔，11是切向大旋渦；12是繞切向大旋渦旋流的小旋渦，13為冷卻多斜孔。
具體實施例方式
如圖1、2、3所示，本發(fā)明主要由內機匣3、外機匣2、內火焰筒5和外火焰筒4構成，在外火焰筒4沿周向均勻安裝有頭部1和主燃孔8，根據(jù)不同的進口氣量、旋流度和結構尺寸要求，供油頭部的數(shù)量一般在2～20個之間，在不同的供油壓力和流量下可采用不同的噴嘴，目前可選的有離心噴嘴和空氣霧化噴嘴兩種；主燃孔8位于在頭部1下游位置，頭部1和主燃孔8的中心線與圓周切線的傾角為15°～75°；頭部1包括供油噴嘴6和穩(wěn)火管7；外摻混孔9和內摻混孔10分別位于內外火焰筒燃燒室出口前的位置，保證其良好的出口溫度分布，主要根據(jù)摻混孔氣量決定摻混孔開孔總面積，同時根據(jù)摻混射流的穿透深度設計摻混孔的開孔大小，從而可確定摻混孔個數(shù)，其數(shù)量大致為20～200，外摻混孔9和內摻混孔10與頭部之間的傾角為15°～75°；內外火焰筒的筒壁上開有多個冷卻多斜孔13，其孔徑到大小為0.5～1.2mm，根據(jù)冷卻氣量決定其開孔總面積，單位面積冷卻壁上開孔個數(shù)3000～12000，為了產(chǎn)生一定強度的第二道小旋渦，冷卻多斜孔和主燃孔之間有0°～90°的偏角；冷卻多斜孔的傾角為20°～60°。
如圖5所示，氣流從頭部和主燃孔進入周向空腔，主要在其中沿著切向流動，形成切向環(huán)形大旋渦11，而冷卻多斜孔和主燃孔與切向大旋渦流動中心線之間存在一定的偏角，氣流進入空腔后存在一定的切向速度，產(chǎn)生繞切向大旋渦的第二道小旋渦12，形成正交雙重旋渦。
如圖6所示，在多斜孔壁冷側有環(huán)腔冷卻空氣對流換熱冷卻，冷卻氣從環(huán)腔進入多斜孔13，與孔壁之間有強烈的對流換熱器，從多斜孔出來的冷氣射流在多斜孔壁燃氣側行成覆壁氣膜，將火焰筒壁與燃氣隔離。由于多斜孔內換熱量大大增加和氣膜的良好隔離作用，該冷卻方式的冷卻效率高，保證了切向駐渦燃燒室可靠工作。
本發(fā)明的設計方法是首先根據(jù)燃燒室的進口空氣流量和理想壓降設計火焰筒的有效開孔面積，然后根據(jù)燃燒室出口的理想速度和切向角度確定出口面積，為了保證火焰筒進口為燃燒室限流截面，出口面積必須大于火焰筒開孔面積。為了保證燃燒室較寬的穩(wěn)定工作范圍，當總油氣比為0.005時，頭部噴嘴的當量比為0.5～1，以確定頭部氣量分配。另外，切向槽內的當量比設計為1.2，由此可確定空腔內的氣量分配。為保證多斜孔對火焰筒的良好冷卻能力，單位面積單位壓力冷卻氣量取0.5～0.8kg/sm2bar，再根據(jù)整個火焰筒的面積，便可確定冷卻氣量分配和多斜孔結構排列參數(shù)?？涨粴饬糠峙錅p去頭部供氣量和空腔部分火焰筒冷卻氣量，則可確定主燃孔所需氣量。剩下的空氣全部通過摻混孔進入火焰筒內。整個氣量分配規(guī)則為頭部氣量2％～20％，整個火焰筒冷卻氣量20％～60％，主燃孔氣量2％～25％，摻混孔氣量20％～70％，其中空腔內的氣量包括頭部、主燃孔以及部分冷卻氣量，大約為10％～70％。
在圖1～圖4的具體實施例中，燃燒室進口空氣質量流量m·a=6kg/s,]]>壓力P3＝1.368MPα，溫度T3*=650K,]]>速度切向角β＝55°，油氣比0.03。所采用的切向駐渦燃燒室外徑420mm，內徑210mm，在外火焰筒上沿周向均勻分布8個頭部，采用徑向開孔式雙旋流器霧化噴嘴供航空煤油。整個燃燒室主要為焊接而成。頭部、主燃孔和摻混孔的傾角30°，主燃孔的偏角0°，冷卻多斜孔偏角45°，冷卻多斜孔的傾角30°。頭部穩(wěn)火管焊接在外火焰筒上，噴嘴和旋流器用細鋼絲捆綁在穩(wěn)火管上，并且有一定的配合余度。主燃孔由圓管構成，焊接在外火焰筒上，共16個。外火焰筒和內火焰筒上均安裝有摻混孔，采用沖壓板金技術加工，沿周向均勻分布，內外各40個。冷卻多斜孔采用激光打孔技術加工，與壁面傾角30°。在該實施方案中，根據(jù)油氣比分布和空氣量分配，頭部氣量9％，整個火焰筒冷卻氣量40％，主燃孔氣量16％，摻混孔氣量35％。
對于具體實施案例，通過三維數(shù)值模擬的方法進行了可行性研究。由于8個頭部沿周向周期分布，于是只需對其中一個頭部的單周期模型進行數(shù)值模擬即可。其進口條件均按實際案例設置。為了方便起見，數(shù)值計算中沒有考慮多斜孔冷卻。從圖7～10可看出，對切向駐渦燃燒室冷態(tài)流場、噴霧以及液霧兩相燃燒的三維數(shù)值模擬研究結果表明，該方案滿足強旋流進口條件下的高效、穩(wěn)定燃燒要求。燃油從噴嘴噴出，在旋流氣作用下于穩(wěn)火管內著火，在離心加速度作用下，未燃大顆粒油滴主要分布在燃燒室的外環(huán)區(qū)域，直至蒸發(fā)燃燒，而炙熱火焰卻向內環(huán)區(qū)域飄溢，并在摻混孔的強制摻混作用下于燃燒室出口前迅速冷卻，完全符合設計要求。
權利要求
1.切向駐渦燃燒室，其特征在于它采用全環(huán)形火焰筒結構，主要由內外機匣和位于其內的內外火焰筒構成，在外火焰筒沿周向安裝有頭部和主燃孔，主燃孔位于在頭部下游位置，頭部和主燃孔的中心線與圓周切線存在傾角；頭部包括供油噴嘴和穩(wěn)火管；內外摻混孔分別位于內外火焰筒燃燒室出口前的位置，保證其良好的出口溫度分布；內外火焰筒的筒壁上開有大量冷卻多斜孔，冷卻多斜孔和主燃孔之間存在有偏角。
2.根據(jù)權利要求1所述的切向駐渦燃燒室，其特征在于所述的頭部沿周向均勻分布2～20個。
3.根據(jù)權利要求1所述的切向駐渦燃燒室，其特征在于所述的頭部、主燃孔和摻混孔與圓周切向之間的傾角為15°～90°。
4.根據(jù)權利要求1所述的切向駐渦燃燒室，其特征在于所述的冷卻多斜孔和主燃孔的偏角為0°～90°。
5.根據(jù)權利要求1所述的切向駐渦燃燒室，其特征在于所述的冷卻多斜孔的傾角為20°～60°。
全文摘要
切向駐渦燃燒室采用全環(huán)形火焰筒結構，主要由內外機匣和位于其內的內外火焰筒構成，在外火焰筒沿周向安裝有頭部和主燃孔，主燃孔位于在頭部下游位置，頭部和主燃孔的中心線與圓周切線存在傾角；頭部包括供油噴嘴和穩(wěn)火管；內外摻混孔分別位于內外火焰筒燃燒室出口前的位置，保證其良好的出口溫度分布；內外火焰筒的筒壁上開有多個冷卻多斜孔，冷卻多斜孔和主燃孔之間存在有偏角。本發(fā)明提高了液霧燃燒的燃燒效率，減小了燃燒室出口溫度分布系數(shù)，而且擴大燃燒室穩(wěn)定工作范圍。
文檔編號F23R3/00GK1858498SQ20061001190
公開日2006年11月8日 申請日期2006年5月16日 優(yōu)先權日2006年5月16日
發(fā)明者林宇震, 張弛, 劉高恩, 許全宏 申請人:北京航空航天大學