一种用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部

摘要

本发明公开了一种用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部，多微旋流器头部与内机匣和火焰筒相连，沿气体流向置于火焰筒头部。微旋流器沿周向均匀分布，个数可随燃烧室火焰筒尺寸进行调整。微旋流器由出口、起旋腔、切向进气孔三部分组成。调整三者尺寸的大小可以对燃烧室设计的压降要求进行匹配。燃烧室头部的燃料‑空气混合物经由微旋流器切向孔进入起旋腔内旋转产生切向动量，并通过旋流器出口沿轴向进入火焰筒。其生成的强旋流流场在火焰筒主燃区轴向产生低速回流区，加强了未燃气体与已燃气体之间的掺混，减少了火焰向燃烧室壁面的热量损失。更协助火焰稳定在旋流器出口，拓宽了燃烧室稳定工作的当量比‑流量范围，提高了燃烧效率。

权利要求

1.一种用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部，其特征在于：适用于使用气体燃料的超微涡喷发动机全环燃烧室，由头部基座(1)、微旋流器(2)、旋流器基座(3)三部分构成，头部基座(1)内孔与燃烧室内机匣(13)连接，外径处与火焰筒(10)相连，微旋流器(2 )沿周向均匀排布于火焰筒环腔(14)对称轴圆带之上，旋流器个数参照火焰筒环腔(14)高度与内机匣(13)尺寸进行选取以保证燃烧室联焰特性，旋流器由旋流器出口(4)、起旋腔(6)、切向偏心进气孔(5)组成，起旋腔(6)下方与旋流器基座(3)相连，空气经由燃烧室进口(7)进入到燃烧室环腔(14)之内，部分空气经由掺混孔(15)进入火焰筒(10)以调整燃烧室出口(16)的燃气温度分布，剩余空气与通过燃料孔(9)进入燃烧室环腔(14)的气体燃料混合，经由多微旋流器头部(11)进入火焰筒(10)内，燃料-空气混合物通过切向偏心孔(5)进入旋流器起旋腔(6)中，在离心力的作用下高速旋转，产生切向动量，通过微旋流器出口(4)进入到火焰筒(10)后被点燃，由于旋流的作用，燃料-空气混合物产生了一个强旋流流场，燃料-空气混合物在火焰筒(10)轴向产生低速回流区，协助火焰驻停在旋流器出口(4)，增强了火焰稳定性，使得燃烧室可以工作在更宽的当量比-参考速度范围之内，燃烧室可以稳定工作的流量上限得到了极大的拓宽，同时由于回流区的存在加强了已燃气体与未燃气体之间的掺混和热量交换，未燃气体得到了预热，提高了燃烧的效率，由于旋流流场的作用，冷的未燃气体在火焰筒(10)壁面附近处产生了一层气膜，减少了火焰向火焰筒(10)壁面的热损失，燃烧室整体热损失减小，火焰筒(10)壁面温度降低，寿命与性能得到提高，则多微旋流器头部(11)的引入极大拓宽了超微涡喷发动机燃烧室的工作范围，提高了燃烧效率，减少了热损失，延长了火焰筒(10)寿命，在保证了结构紧凑性的同时普适性良好，可应用于多种超微涡喷发动机全环燃烧室；

所述的多微旋流器头部(11)间距与火焰筒头部高度比值在0.5～3.0之间；

所述的多微旋流器头部(11)各个微旋流器(2)及基座(3)之间彼此不能发生干涉，且彼此之间应保证一定间隙以保证进气；

所述的多微旋流器头部(11)，各旋流器(2)及基座(3)应保持相同，每个微旋流器出口(4)直径，切向偏心孔(5)直径和起旋腔(6)直径三者之间应遵循一定的关系以保持进入火焰筒(10)后旋流流场足够的强度；

所述的多微旋流器头部(11)，旋流器基座(3)在焊接之后不能阻挡微旋流器切向偏心孔(5)的进气；

所述的多微旋流器头部(11)空气量占总气量的10％～80％；所述的多微旋流器头部(11)混合气当量比在0.3～2.0之间。

说明书

一种用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多微旋流器头部设计的技术领域，特别涉及一种用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部。

背景技术

[0002] 自上世纪八十年代以来，随着激光加工等微加工技术的发展，机械电子系统向着微型化、便捷化的方向发展。小至手机等民用微型通讯器材，大至军用微型飞行器、医用微型手术机器人、微型卫星，微机电系统在诸多领域广阔的发展前景已经引起了人们持续的关注。然而随着系统整体尺寸的下降，如何为微机电系统(MEMS)配置配套的能源装置以满足系统功能模块的需求也成为日前研究的热点。

[0003] 低廉的成本，简单成熟的结构使得化学电池成为MEMS目前最常用的能源。化学电池成本低，系统简单可靠。然而对于更加广泛的应用环境而言，化学电池有着如下几个缺点。首先，电池能源密度低，而微型卫星、军用微型侦察设备等系统常需要短时间内极大的动力来进行机动，电池难以提供。同时相同功率条件下，电池及其配套供能装置体积较大，制约了系统的体积。其次，电池使用周期短，恢复使用所需时间长，对于医用微型机器人、野外探测机器人等在极端环境下工作的MEMS设备而言，电池在无配套充能设施条件下难以保证长时间稳定高效的续航要求。

[0004] 相比之下，碳氢燃料的能量密度是电池的六十倍。基于碳氢燃料燃烧的微型发动机具有推重比高，功率密度高等优点，应用前景广泛。然而随着整体尺度的降低，微型发动机的特征尺度在几毫米到几十毫米之间。相比较传统尺度，热量损失大，燃气停留时间短，反应自由基团易在壁面淬熄，这些使得微型发动机燃烧室效率低，火焰稳定性差。如何采用紧凑高效的结构设计来保持火焰稳定和高燃烧效率是微型发动机燃烧室设计的关键。

[0005] 通过在燃烧室头部设计旋流器产生的旋流火焰，有助于在紧凑的结构之中产生稳定，高效的燃烧。使用多微旋流器作为燃烧室头部可以有效解决微小型发动机稳定燃烧的问题。根据微尺度燃烧及旋流燃烧的技术特点，如何设计一种微小尺寸的旋流器和可用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部，正是本发明所要解决的问题。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种微尺度下的旋流器，并根据微尺度燃烧的特性以及旋流燃烧技术的相关特点，设计一种可用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部。最大程度利用与发挥旋流燃烧技术的特点和优势，增强超微涡喷发动机燃烧室内火焰稳定性，扩展超微涡喷发动机稳定工作范围，提高燃烧室燃烧效率。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部。适用于使用气体燃料的超微涡喷发动机全环燃烧室。由头部基座、微旋流器、旋流器基座三部分构成。头部基座内孔与燃烧室内机匣通过焊接方式连接，外径处与火焰筒相连。微旋流器沿周向均匀排布于火焰筒环腔对称轴圆带之上，旋流器个数参照火焰筒环腔高度与内机匣尺寸进行选取以保证燃烧室联焰特性，同时旋流器排布时彼此之间需不发生干涉。旋流器由旋流器出口、起旋腔、切向偏心进气孔组成。通过调整三者的尺寸大小可以调节多微旋流器头部的有效面积以满足燃烧室设计的压降要求。起旋腔下方与旋流器基座相连。来自燃烧室前方压气机的空气经由燃烧室进口进入到燃烧室环腔之内，部分空气经由掺混孔进去火焰筒以调整燃烧室出口的燃气温度分布。剩余空气与通过燃料孔进入燃烧室环腔的气体燃料混合，经由多微旋流器头部进入火焰筒内。燃料-空气混合物通过切向偏心孔进入旋流器起旋腔中，在离心力的作用下高速旋转，产生切向动量。通过微旋流器出口进入到火焰筒后被点燃。由于旋流的作用，燃料-空气混合物产生了一个强旋流流场，在火焰筒轴向产生了一个低速回流区，协助火焰驻停在旋流器出口，增强了火焰稳定性，使得燃烧室可以工作在更宽的当量比-参考速度范围之内。燃烧室可以稳定工作的流量上限得到了极大的拓宽。同时由于回流区的存在加强了已燃气体与未燃气体之间的掺混和热量交换，未燃气体得到了预热，提高了燃烧的效率。由于旋流流场的作用，冷的未燃气体在火焰筒壁面附近处产生了一层气膜，减少了火焰向火焰筒壁面的热损失，燃烧室整体热损失减小，火焰筒壁面温度降低，寿命与性能得到提高。则多微旋流器头部的引入极大拓宽了超微涡喷发动机燃烧室的工作范围，提高了燃烧效率，减少了热损失，延长了火焰筒寿命，在保证了结构紧凑性的同时普适性良好，可应用于多种超微涡喷发动机全环燃烧室。

[0008] 其中，所述的多微旋流器头部为保证联焰特性，微旋流器中间间距与火焰筒头部高度比值在0.5～3.0之间。

[0009] 其中，所述的多微旋流器头部各个微旋流器之间彼此不能发生干涉，且彼此之间应保证一定间隙以保证进气。

[0010] 其中，所述的多微旋流器头部，各旋流器应保持相同，每个微旋流器出口直径，切向偏心孔直径和起旋腔直径三者之间应遵循一定的关系以保持进入火焰筒后旋流流场足够的强度。

[0011] 其中，所述的多微旋流器头部，旋流器基座在焊接之后不能阻挡微旋流器切向偏心孔的进气。

[0012] 其中，所述的多微旋流器头部，在所述的燃烧室中，流经多微旋流器头部的空气量占总气量的10％～80％。

[0013] 其中，所述的多微旋流器头部，在所述的燃烧室中，流经多微旋流器头部的混合气的当量比在0.3～2.0之间。

[0014] 本发明的工作原理：燃料与来自燃烧室进口的部分空气混合后，经由微旋流器的切向偏心孔进入起旋腔内，并在离心力的作用下旋转产生切向动量。经过旋流器出口沿轴向进入燃烧室火焰筒内。产生的强旋流流场在火焰筒轴向产生低速回流区，点火成功后协助火焰驻定在旋流器出口，增强了火焰稳定性，使得燃烧室可以稳定工作在更宽的当量比-参考速度范围之内。燃烧室可以稳定工作的流量上限得到了极大的拓宽。同时回流区的存在也加强了已燃气体与未燃气体的掺混和热量交换，对未燃气体加热可以提高燃烧室的效率。同时由于旋流流场的作用，冷的未燃气体在火焰筒壁面附近处产生了一层气膜，减少了火焰向火焰筒壁面的热损失。多微旋流头部的燃料-空气混合物当量比在满足稳定工作的同时需保证燃烧室一定调节比的要求。多微旋流器头部的空气流量可参考燃烧室总体温升要求给出。多微旋流器头部基座尺寸可参照内机匣及火焰筒尺寸进行设计。头部微旋流器个数可由燃烧室尺寸决定。微旋流器出口直径、切向偏心孔直径和起旋腔直径需参照燃烧室压降要求进行设计。三者之间需满足一定的关系以保证进入火焰筒的燃料-空气混合物具有足够的旋流强度。

[0015] 本发明与现有技术相比具有的优点如下：

[0016] (1)本发明的多微旋流器头部使用了设计的一种微型旋流器，其引入的回流区拓宽了燃烧室稳定工作的当量比-参考速度范围，提高了燃烧室稳定工作的流量上限。同时加强了已燃气体和未燃气体之间的热量交换，减少了火焰向壁面的热量损失，提高了微型燃烧室的燃烧效率。

[0017] (2)本发明的多微旋流器头部及微旋流器结构紧凑，设计灵活，其尺寸可以参照燃烧室的整体尺寸、流量要求及压降要求进行调整。多微旋流器头部结构参照超微涡喷发动机结构设计，具有极强的普适性和可移植性，可以应用作多种超微涡喷发动机全环燃烧室的头部。

附图说明

[0018] 图1为本发明的多微旋流器头部结构正等轴测图，其中，1为头部基座，2为微型旋流器，3为微型旋流器基座；

[0019] 图2为本发明的多微旋流器头部结构俯视图；

[0020] 图3为本发明的多微旋流器头部结构示意图，其中，图3(a)为本发明的多微旋流器头部正视图，图3(b)为过多微旋流器头部中心轴线截面剖视后的右视图；

[0021] 图4为本发明的微型旋流器及基座结构示意图，其中，图4(a)为本发明的微型旋流器及基座的正视图，图4(b)为本发明的微旋流器及基座的正等轴测图；

[0022] 图5为本发明的微型旋流器及基座结构剖视图，其中，图5(a)为过微型旋流器中心轴线截面剖视后的右视图，图5(b)为过微型旋流器切向偏心进气孔中心截面剖视后的俯视图，4为微型旋流器出口，5为切向偏心进气孔，6为起旋腔；

[0023] 图6为本发明的多微旋流器头部在举例的一种超微涡喷发动机燃烧室中安装示意图，其中，7为燃烧室进气口，8为燃烧室外机匣，9为燃烧室燃料进口，10为火焰筒，11为多微旋流器头部，12为尾喷管，13为燃烧室内机匣，14为环腔，15为火焰筒掺混孔，16为燃烧室燃气出口。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

[0025] 本实施例所述的一种多微旋流器头部，适用于使用气体燃料的超微涡喷发动机全环燃烧室，头部燃料-空气混合物通过微旋流器进入火焰筒内，在轴向产生回流区，有效拓宽了燃烧室稳定工作的当量比-参考速度范围，提高了稳定工作的流量上限，降低了燃烧室热量损失，提高了燃烧效率。同时，该结构紧凑，设计参考超微涡喷发动机结构，具有极强的普适性。本发明一种可用于超微涡喷发动机全环燃烧室的多微旋流器头部。适用于使用气体燃料的超微涡喷发动机全环燃烧室。由头部基座、微型旋流器、微型旋流器基座三部分构成。头部基座内孔与燃烧室内机匣通过焊接方式连接，外径处与火焰筒相连。微型旋流器沿周向均匀排布于火焰筒环腔对称轴圆带之上，旋流器个数可参照火焰筒环腔高度与内机匣尺寸进行选取以保证燃烧室联焰特性，同时旋流器排布时彼此之间需不发生干涉。微型旋流器由旋流器出口、起旋腔、切向偏心进气孔组成。通过调整三者的尺寸大小可以调节多微旋流器头部的有效面积以满足燃烧室设计的压降要求。起旋腔下方与旋流器基座相连。来自燃烧室前方压气机的空气经由燃烧室进口进入到燃烧室环腔之内，部分空气经由掺混孔进去火焰筒以调整燃烧室出口的燃气温度分布。剩余空气与通过燃料孔进入燃烧室环腔的气体燃料混合，经由多微旋流器头部进入火焰筒内。燃料-空气混合物通过切向偏心孔进入旋流器起旋腔中，在离心力的作用下高速旋转，产生切向动量。通过微型旋流器出口进入到火焰筒后被点燃。由于旋流的作用，燃料-空气混合物产生了一个强旋流流场，在火焰筒轴向产生了一个低速回流区，协助火焰驻停在旋流器出口，增强了火焰稳定性，使得燃烧室可以工作在更宽的当量比-参考速度范围之内。燃烧室可以稳定工作的流量上限得到了极大的拓宽。同时由于回流区的存在加强了已燃气体与未燃气体之间的掺混和热量交换，未燃气体得到了预热，提高了燃烧的效率。由于旋流流场的作用，冷的未燃气体在火焰筒壁面附近处产生了一层气膜，减少了火焰向火焰筒壁面的热损失，燃烧室整体热损失减小，火焰筒壁面温度降低，寿命与性能得到提高。可以说，多微旋流器头部的引入极大拓宽了超微涡喷发动机燃烧室的工作范围，提高了燃烧效率，减少了热损失，延长了火焰筒寿命，在保证了结构紧凑性的同时普适性良好，可应用于多种超微涡喷发动机。所述的多微旋流器头部为保证联焰特性，微型旋流器中间间距与火焰筒头部高度比值在0.5～3.0之间。所述的多微旋流器头部各个微旋流器之间彼此不能发生干涉，且彼此之间应保证一定间隙以保证进气。所述的多微旋流器头部，各旋流器应保持相同，每个微旋流器出口直径，切向偏心孔直径和起旋腔直径三者之间应遵循一定的关系以保持进入火焰筒后旋流流场足够的强度。所述的多微旋流器头部，旋流器基座在焊接之后不能阻挡微旋流器切向偏心孔的进气。所述的多微旋流器头部，在所述的燃烧室中，流经多微旋流器头部的空气量占总气量的10％～80％。所述的多微旋流器头部，在所述的燃烧室中，流经多微旋流器头部的混合气的当量比在0.3～2.0之间。

[0026] 如图1所示，多微旋流器头部由头部基座1、微型旋流器2、微型旋流器基座3三部分组成。

[0027] 如图2所示，微型旋流器沿周向均匀排布于火焰筒环腔对称轴圆带之上，为保证联焰特性，对于所述燃烧室，头部微旋流器个数选择为6。

[0028] 如图3所示，头部基座1、微型旋流器2、微型旋流器基座3三者通过焊接手段连接。头部微旋流器个数参考燃烧室尺寸进行设计，各微旋流器之间彼此不发生干涉，壁厚在
0.5mm～1.0mm之间。

[0029] 如图4所示，微型旋流器与旋流器基座通过起旋腔处6通过焊接相连。旋流器基座应注意避免阻挡微旋流器切向孔进气。

[0030] 如图5所示，微旋流器由微型旋流器出口4、切向偏心进气孔5、起旋腔6三部分构成。出口4直径、切向偏心进气孔5直径、起旋腔6直径可以进行调整以满足燃烧室压降要求。三者之间存在一定关系以保证进入燃烧室内的流动具有足够旋流强度。对于本文设计及其所使用的超微涡喷发动机全环燃烧室。旋流器出口直径1.2mm，起旋腔直径2.8mm，切向偏心孔直径0.8mm。

[0031] 如图6所示，为举例说明多微旋流器头部在一种超微涡喷发动机燃烧室中的安装示意。多微旋流器尺寸由火焰筒10尺寸和内机匣13尺寸决定，三者通过焊接相连。燃料通过燃料孔9进入燃烧室外机匣8后，与来自燃烧室进口7进入环腔14的部分空气经由多微旋流器头部11进入火焰筒10内。剩余空气经由掺混孔15进入火焰筒10内以调节燃烧室出口16的温度分布。通过多微旋流器头部11进入火焰筒的空气量应占总空气量的10％～80％，混合物当量比0.5～2.0。

[0032] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

[0033] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。