一种蒸发管式紧凑型燃烧室论文和设计-张琦

全文摘要

本发明公开了一种蒸发管式紧凑型燃烧室，该燃烧室的内外壁和蒸发管一体化成型，减轻重量、减小外廓尺寸，提升整体性能；在内、外壁上分别设置内气膜孔和外气膜孔，内气膜孔和外气膜孔均为渐扩形气膜孔，即内气膜孔和外气膜孔在火焰筒一侧形成的孔面积大于另一侧的面积，使得火焰筒内壁面的表面积增大，强化壁面传热，优化流场均匀性，提高燃烧效率，降低燃烧室出口温度分布系数，减少污染物排放。

主设计要求

1.一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，包括内壁(6)和外壁(5)，内壁(6)和外壁(5)均为圆柱体，内壁(6)形成的圆柱体套装在外壁(5)形成的圆柱体内，内壁(6)的前端和外壁(5)的前端通过曲形壁面(3)连接，曲形壁面(3)向燃烧室的外部凸出，外壁(5)、内壁(6)和曲形壁面(3)形成的空间为火焰筒(1)；外壁(5)的后端设置有垂直于外壁(5)的后端面(7)，后端面(7)为环形板，后端面(7)的外边缘和外壁(5)的后端连接，后端面(7)的内边缘形成的圆的直径大于内壁(6)形成的圆柱体的直径；从后端面(7)向火焰筒(1)的内部设置有若干个蒸发管(2)，蒸发管(2)沿后端面(7)的周向布置，每一个蒸发管(2)内插入有一个燃油喷嘴(4)；内壁(6)、外壁(5)、曲形壁面(3)和蒸发管(2)一体成型；内壁(6)上开设有若干个内气膜孔(11)，外壁(5)上开设有若干个外气膜孔(12)；内气膜孔(11)在火焰筒(1)一端的孔为内出气口(15)，另一端为内进气口(16)；外气膜孔(12)在火焰筒(1)一端的孔为外出气口(17)，另一端为外进气口(18)；内出气口(15)的面积大于内进气口(16)的面积，外出气口(17)的面积大于外进气口(18)的面积；内进气口(16)和外进气口(18)均为圆形或椭圆；内气膜孔(11)和外气膜孔(12)的侧壁均划分为前侧壁(19)和后侧壁(20)，内气膜孔(11)的后侧壁(20)相对于内壁(6)倾斜，外气膜孔(12)的后侧壁(20)相对于外壁(5)倾斜，前侧壁(19)和后侧壁(20)首尾相接。

设计方案

内壁(6)上开设有若干个内气膜孔(11)，外壁(5)上开设有若干个外气膜孔(12)；内气膜孔(11)在火焰筒(1)一端的孔为内出气口(15)，另一端为内进气口(16)；外气膜孔(12)在火焰筒(1)一端的孔为外出气口(17)，另一端为外进气口(18)；内出气口(15)的面积大于内进气口(16)的面积，外出气口(17)的面积大于外进气口(18)的面积；

内进气口(16)和外进气口(18)均为圆形或椭圆；内气膜孔(11)和外气膜孔(12)的侧壁均划分为前侧壁(19)和后侧壁(20)，内气膜孔(11)的后侧壁(20)相对于内壁(6)倾斜，外气膜孔(12)的后侧壁(20)相对于外壁(5)倾斜，前侧壁(19)和后侧壁(20)首尾相接。

2.根据权利要求1所述的一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，内气膜孔(11)的轴线和内壁(6)的夹角范围为28°～40°；外气膜孔(12)的轴线和外壁(5)的夹角范围为28°～40°。

3.根据权利要求1所述的一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，内进气口(16)和外进气口(18)的面积均为2mm^{2<\/sup>～23mm^{2<\/sup>，内出气口(15)和外出气口(17)的面积均为3mm^{2<\/sup>～35mm^2<\/sup>。}}}

4.根据权利要求3所述的一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，内气膜孔(11)的厚度为0.3mm～0.6mm，外气膜孔(12)的厚度为0.3mm～0.6mm。

5.根据权利要求3所述的一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，相邻的内气膜孔11的轴线之间的间距比为2～5，相邻的外气膜孔12的轴线之间的间距比为2～5。

6.根据权利要求1所述的一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，曲形壁面(3)沿其周向均匀设置有前气膜孔(13)，后端面(7)沿其周向均匀设置有后气膜孔(14)。

7.根据权利要求6所述的一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，内气膜孔(11)的数量为80～100个；外气膜孔(12)的数量为180～200个；前气膜孔(13)的数量为10～15个。

8.根据权利要求1所述的一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，燃油喷嘴(4)的轴线和蒸发管(2)的轴线重合，燃油喷嘴(4)的轴线和燃烧室轴线之间的夹角为15°～35°。

9.根据权利要求8所述的一种蒸发管式紧凑型燃烧室，其特征在于，燃油喷嘴(4)在蒸发管(2)内部的长度占蒸发管(2)总长的1％～5％。

设计说明书

【技术领域】

本发明属于微小型航空发动机燃烧系领域，具体涉及一种蒸发管式紧凑型燃烧室。

【背景技术】

采用蒸发管结构的燃烧室广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机燃烧室中，尤其是微小型动力设备，国外对于微小型发动机进行了大量研究工作，已相应制造出各个量级的成熟型号，形成相应的军事、民用市场。采用蒸发管方案的燃烧室具有结构简单、易于加工、成本低和综合燃烧性能好等优势。燃烧室本身的重量和体积是飞行器性能的一个重要限制，在保留蒸发管式燃烧室本身优点的同时降低重量和体积，是一个重要的设计方向。在航空发动机燃烧室制造和维修过程中的焊接或补焊会导致材料性能损失，一些零件焊接或补焊后无法通过热处理消除应力和恢复性能，对产品性能和质量影响极大，如何恢复或增强焊缝性能一直是难以解决的工艺问题。

随着现代高性能航空发动机性能的改善，涡轮入口温度不断提高。燃烧室出口的燃气流向涡轮叶片，考虑到高速旋转的涡轮叶片承受的应力已很大，再加上高温气流的冲击，工作条件十分恶劣。所以燃烧室出口气流温度场必须符合涡轮叶片高温强度的要求，不要有局部过热点，以保证涡轮正常的工作和寿命。为了保证热端部件的正常工作，必须使用高效的冷却方式。气膜冷却就是目前涡轮热端部件重要的冷却形式。参见图1，传统圆柱形气膜孔在主流压力和摩擦力作用下，射流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜，将高温燃气和壁面隔开，起到隔热和冷却作用，但是流动损失大，气膜覆盖率低，在高吹风比下容易产生射流而脱离壁面，冷却效果有限。气膜孔形状对于气膜的冷却效率和流场品质具有重要影响，因此针对气膜孔结构的优化一直是重要的研究内容。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种蒸发管式紧凑型燃烧室；该燃烧室通过渐扩形气膜孔促进燃油和空气掺混，提高燃烧稳定性和效率的同时改善冷气在壁面贴附性，起到更好隔热冷却效果。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种蒸发管式紧凑型燃烧室，包括内壁和外壁，内壁和外壁均为圆柱体，内壁形成的圆柱体套装在外壁形成的圆柱体内，内壁的前端和外壁的前端通过曲形壁面连接，曲形壁面向燃烧室的外部凸出，外壁、内壁和曲形壁面形成的空间为火焰筒；外壁的后端设置有垂直于外壁的后端面，后端面为环形板，后端面的外边缘和外壁的后端连接，后端面的内边缘形成的圆的直径大于内壁形成的圆柱体的直径；从后端面向火焰筒的内部设置有若干个蒸发管，蒸发管沿后端面的周向布置，每一个蒸发管内插入有一个燃油喷嘴；内壁、外壁、曲形壁面和蒸发管一体成型；

内壁上开设有若干个内气膜孔，外壁上开设有若干个外气膜孔；内气膜孔在火焰筒一端的孔为内出气口，另一端为内进气口；外气膜孔在火焰筒一端的孔为外出气口，另一端为外进气口；内出气口的面积大于内进气口的面积，外出气口的面积大于外进气口的面积。

本发明的进一步改进在于：

优选的，内进气口和外进气口均为圆形或椭圆；内气膜孔和外气膜孔的侧壁均划分为前侧壁和后侧壁，内气膜孔的后侧壁相对于内壁倾斜，外气膜孔的后侧壁相对于外壁倾斜，前侧壁和后侧壁首尾相接。

优选的，内气膜孔的轴线和内壁的夹角范围为28°～40°；外气膜孔的轴线和外壁的夹角范围为28°～40°。

优选的，内进气口和外进气口的面积均为2mm^{2<\/sup>～23mm^{2<\/sup>，内出气口和外出气口的面积均为3mm^{2<\/sup>～35mm^2<\/sup>。}}}

优选的，内气膜孔的厚度为0.3mm～0.6mm，外气膜孔的厚度为0.3mm～0.6mm。

优选的，相邻的内气膜孔11的轴线之间的间距比为2～5，相邻的外气膜孔12的轴线之间的间距比为2～5。

优选的，曲形壁面沿其周向均匀设置有前气膜孔，后端面沿其周向均匀设置有后气膜孔。

优选的，内气膜孔的数量为80～100个；外气膜孔的数量为180～200个；前气膜孔的数量为10～15个。

优选的，燃油喷嘴的轴线和蒸发管的轴线重合，燃油喷嘴的轴线和燃烧室轴线之间的夹角为15°～35°。

优选的，燃油喷嘴在蒸发管内部的长度占蒸发管总长的1％～5％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种蒸发管式紧凑型燃烧室，该燃烧室的内外壁和蒸发管一体化成型，减轻了设备的整体重量、减小燃烧室的外廓尺寸，减少了结构件之间的连接件使用量，提升了整体性能；在内、外壁上分别设置内气膜孔和外气膜孔，内气膜孔和外气膜孔均为渐扩形气膜孔，即内气膜孔和外气膜孔在火焰筒一侧形成的孔面积大于另一侧的面积，使得火焰筒内壁面的表面积增大，强化壁面传热，优化流场均匀性，提高燃烧效率，降低燃烧室出口温度分布系数，减少污染物排放。

进一步的，沿着空气从外向内的流动方向，后侧壁相对于壁面倾斜，使得空气从进气孔进入到出气口输出，其截面积为一个逐渐增大的过程，即利用气膜孔流向扩张和展向结构，在后侧壁上能够形成一个温度和进入空气温度相当的微小区域，降低冷气在气膜孔出口处动量，改善冷气在壁面贴附性，起到更好隔热冷却效果。

进一步的，限定了后侧壁和壁面的夹角，不同角度的渐扩孔使孔内漩涡充分发展，优化射流流场，燃气通过燃烧室内外壁面渐扩孔，相对喷射，促进油气混合更加均匀，极大程度避免局部高温区的出现，促使燃烧更加稳定，效率显著提高。

进一步的，限定了进气口和出气口的面积、布置方式，进气口的面积和布置方式均由空气的气量决定，而火焰筒沿轴向的气量分配范围根据设计点燃油消耗量确定，在此范围基础上决定各排孔径的大小及数量。

进一步的，曲形壁面和后端面上均设置有气膜孔，曲形壁面即前端面进气可以避免蒸发管直接暴露在主燃区高温区，一定程度上减少烧蚀的几率；后端面进气能够促进燃油和空气混合更加均匀。

进一步的，蒸发管沿燃烧室火焰筒后端壁周向均匀排列，和火焰筒的轴线成一定角度，燃油喷嘴沿轴向插至蒸发管内，蒸发管内油路长度占蒸发管总长的1％～5％，与来流空气形成逆向喷射，利用高温燃气回流区内的高温低氧条件，实现稳定高效超低污染的燃烧模式。

【附图说明】

图1为传统燃烧室结构的剖面图；

图2为本发明的燃烧室三维立体结构示意图；

图3为本发明的燃烧室后视图；

图4为本发明的燃烧室的A-A截面立体图；

图5为本发明的燃烧室的A-A截面平面图；

图6为本发明的内气膜孔或外气膜孔的侧面剖面图；

图7为本发明的内气膜孔或外气膜孔的一种结构示意图；

图8为本发明的内气膜孔或外气膜孔的另一种结构示意图；

其中：1-火焰筒；2-蒸发管；3-曲形壁面；4-燃油喷嘴；5-外壁；6-内壁；7-后端面；8-第一后壁；9-环状凸起；10-第二后壁；11-内气膜孔；12-外气膜孔；13-前气膜孔；14-后气膜孔；15-内出气口；16-内进气口；17-外出气口；18-外进气口；19-前侧壁；20-后侧壁。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：

参见图2和图3，本发明公开了一种蒸发管式紧凑型燃烧室；该燃烧室包括外壁5和内壁6，外壁5和内壁6均为圆柱筒状结构，内壁6形成的圆柱桶直径小于外壁5形成的圆柱桶直径，内壁6形成的圆柱桶高度小于外壁5形成的圆柱桶高度，外壁5的前端和内壁6的前端通过曲形壁面3连接，曲形壁面3向外部凸出，曲形壁面3的弧度为2π\/3～π，即曲形壁面3的度数为120°～180°，使得来流空气更加贴合壁面，优化高速流场，使速度场更加均匀，避免局部出现高速区；外壁5、曲形壁面3和内壁6形成一个环形的带有底面的圆柱桶状结构，外壁5的后端设置有垂直外壁5的后端面7，后端面7同为环形片状结构，该环形片状结构的外边缘和外壁5的后端之间设置有圆弧形倒角，环形片状结构的内边缘设置有向外凸出的环形片状的第一后壁8，第一后壁8的垂直于后端面7，第一后壁8的前端和后端面7的内边缘固定连接；后端面7及第一后壁8均和内壁6不接触；外壁5、曲形壁面3、内壁6和后端面7形成火焰筒1；后端面7的内边缘设置有向内凸出的环状凸起9，即向火焰筒1内部凸出的环状凸起9；内壁6的后端设置有向外凸出的环形片状的第二后壁10，第二后壁10的环形直径大于内壁6形成的圆柱桶直径，第二后壁10的前端和内壁6的后端通过圆形倒角连接。

参见图3和图4，内壁6、外壁5、后端面7和曲形壁面3上均设置有气膜孔，其中内壁6上设置有内气膜孔11，内气膜孔11数量为80～100个，外壁5上设置有外气膜孔12，外气膜孔12的个数为180～200个；曲形壁面3上设置有前气膜孔13，前气膜孔13沿着曲形壁面3形成的周向等分均匀布置，个数为10～15；后端面7上设置有后气膜孔14，后气膜孔14沿着后端面7的周向等分布置。该装置的火焰筒沿轴向的气量分配范围根据设计点燃油消耗量确定，在此范围基础上决定各排孔径的大小及数量。本实施例中，空气进气量的分布为，火焰筒前端为1％～4％，主燃孔气量为22％～27％，中间段气量为24％～29％，掺混段气量为42％～47％。

内气膜孔11和外气膜孔12均为异形孔洞，内气膜孔11在内壁6形成的筒状的内壁上为内进气口16，内进气口16为椭圆形或圆形，内气膜孔11在火焰筒1的壁面上(即内壁6形成的筒状的外壁上)为内出气口15；外气膜孔12在外壁5形成的筒状外壁上为外进气口18，外进气口18为椭圆形和圆形，在火焰筒1的壁面上(即外壁5形成的筒状的内壁上)为外出气口17；参见图7和图8，内气膜孔11和外气膜孔12的侧壁均包括前侧壁19和后侧壁20，后侧壁20向火焰筒1的内壁面倾斜，前侧壁19和后侧壁20首尾相接，后侧壁20的外边缘能够为弧形或直线；因为后侧壁20的倾斜，使得内气膜孔11和外气膜孔12为异形孔，且内出气口15的面积大于内进气口16的面积，外出气口17的面积大于外进气口18的面积；当空气从燃烧室外部向火焰筒内部流动时，若后侧壁20垂直于壁面，则低温空气一旦进入火焰筒，就被火焰筒内的高温气体传热升温，难以形成低温气膜，若后侧壁20为斜面，则改变了低温空气的进入到火焰筒瞬间的走向，使得沿着火焰筒的内壁形成一个温度层，理想或微观状态下为层流的温度层，当此类的内气膜孔11在内壁6上的数量和间距根据火焰筒的尺寸，空气进气量设计合理时，将会形成多个微小的理想的层流温度层，提高低温空气的冷却效果；空气从燃烧室火焰筒内外壁和前端壁面进入燃烧室，利用切向进气在火焰筒内部形成稳定燃烧。前端进气可以避免蒸发管直接暴露在主燃区高温区，一定程度上减少烧蚀的几率。此处的前到后为整个燃烧室的前、后方向相同，曲形壁面3在燃烧室的前端，后端面在燃烧室的后端；即沿着燃烧室从前到后的方向，从进气口18进入火焰筒1的气体的截面积为一个增大的过程，使得气膜孔流向扩张和出口展向结构降低冷气在气膜孔出口处动量，改善冷气在壁面贴附性；内进气口16和外进气口18的面积为2mm^{2<\/sup>～23mm^{2<\/sup>，内出气口15和外出气口17的面积为3mm^{2<\/sup>～35mm^{2<\/sup>，相邻的内气膜孔11的轴线之间的间距比为2～5，相邻的外气膜孔12的轴线之间的间距比为2～5，内气膜孔11的轴线之间的间距比或外气膜孔12的轴线之间的间距比具体定义为相邻气膜孔的轴线之间的距离比，分别测量出每两个相邻气膜孔(为内气膜孔11或外气膜孔12)的轴线之间距离，距离与距离的比值为2～5；内气膜孔11的厚度为0.3mm～0.6mm，外气膜孔12的厚度为0.3mm～0.6mm，此处的内气膜孔11的厚度实际即为内壁6的厚度，外气膜孔12的厚度实际即为外壁5的厚度；参见图6，定义内进气口16的中心点和内出气口15的中心点连线所在的直线为内气膜孔11的轴线，外进气口18的中心点和外出气口17的中心点连线所在的直线为外气膜孔12的轴线，内气膜孔11的轴线和内壁6的壁面夹角范围为28°～40°，外气膜孔12和外壁5的壁面夹角范围同为28°～40°；空气通过燃烧室内外壁面渐扩孔，相对喷射，促进油气混合更加均匀，极大程度避免局部高温区的出现，促使燃烧更加稳定，效率显著提高。}}}}

上述内气膜孔11在内壁6上设置有80～100个，沿着内壁16形成的桶状的周向，层层布置，每一层的内气膜孔11的尺寸根据气流需求布置；同理，外壁5上的外气膜孔12层层布置，每一层的外气膜孔12的尺寸根据气流需求布置；需要强调的是，同一层的内气膜孔11尺寸大小，后侧壁20在内壁6上的倾斜角度相同，但是不同层的内气膜孔11的尺寸大小，及后侧壁20在内壁6上倾斜的角度可能相同，也可能不同；外气膜孔12的布置方式和思路同内气膜孔11的布置方式和思路，因为构造不同角度和不同尺寸的气膜孔能够使孔内漩涡充分发展，优化出口射流流场；空气通过燃烧室内外壁面渐扩孔，相对喷射，促进油气混合更加均匀，极大程度避免局部高温区的出现，促使燃烧更加稳定，效率显著提高。

前气膜孔13和后气膜孔14能够为圆形孔或椭圆形孔洞，为形状均匀的孔洞；，曲形壁面即前端面进气可以避免蒸发管直接暴露在主燃区高温区，一定程度上减少烧蚀的几率；后端面进气能够促进燃油和空气混合更加均匀。

参见图5，沿着后端面7的周向，向火焰筒1内部设置有若干个蒸发管2，蒸发管2将后端面7的周向等分，本实施例中优选为12个蒸发管；蒸发管2各段内外径相同，出口部分带有收口，蒸发管2的轴线和整个燃烧室的轴线之间的夹角为15°～35°；从蒸发管2的外部，沿蒸发管2的轴线，向蒸发管2内部插入有燃油喷嘴4，燃油喷嘴4在蒸发管2内部的长度占蒸发管2总长的1％～5％，燃油从燃油喷嘴4喷进蒸发管2内，相对来流空气逆向喷射，燃油和蒸发管2中的空气混合，该油气混合物逆向喷入燃烧室火焰筒1中，再和从燃烧室火焰筒1内壁6、外壁5、前端壁3上渐扩孔1中喷射进来的空气混合，利用切向进气在燃烧室火焰筒1内形成稳定火焰。逆向喷射改变了传统航空发动机燃烧室头部喷射燃油和旋流稳定燃烧的燃烧组织方式，它利用高温燃气回流区内的高温低氧条件，实现稳定高效超低污染的燃烧模式。

该装置的制作过程采用增材制造，增材制造工艺以数字化CAD模型为基础，应用分层制造思想，提取成型路径，将粉末分层沉积到基体上，尺寸精度高，其中火焰筒内外壁、蒸发管采用增材制造工艺一体化成型为轻量化单一部件，简化连接密封结构；采用快速凝固技术，加工过程在惰性气体保护中进行，可获得组织均匀致密的金相组织，达到或超过锻件水平，更为重要的是，此类装置的工作环境通常较差，如震动幅度大，温度场温差大，通过增材制造一体成型，减少了连接件(如螺栓等)的使用量，将大大提高结构的整体性，延长使用寿命，均匀致密的金相组织使得整个材料抗温差能力加强。该制作过程简化连接和密封结构，减少振动、安装不当造成的风险，有效增加寿命，减少设计及加工成本。同时减轻重量、减小外廓尺寸，加快迭代，缩短设计周期，尺寸精度高，提升燃烧室整体性能，减轻重量能有效降低材料成本和燃油消耗，提升市场竞争力。渐扩形气膜孔出口展向和流向扩张结构可以降低冷气在气膜孔出口动量，减弱冷气和燃气掺混程度，改善冷气在璧面贴附性，起到更好隔热冷却效果。冷气通过连续布置的渐扩孔后在相邻两孔交界处形成涡结构，该涡强度不大，但具有良好的持续性，使冷气射流紧贴壁面增加气膜覆盖面积，导致冷却气流间的相互作用位置前移，同时表现出部分槽缝孔的特性，改善孔出口处的冷气速度分布以及冷气和燃气掺混形成的涡流结构，出口射流更均匀。同时，渐扩形气膜孔横截面面积较大，能将孔内的漩涡充分发展，强化换热，提高冷却效果。

该燃烧室的相关数据计算入下表1所示：

表1一种蒸发管式紧凑型燃烧室计算数据

出口温度分布系数OTDF，是评价燃烧室出口温场品质的重要参数，OTDF越小，温场品质越高，对燃烧室第一级涡轮导向叶片和工作叶片寿命和可靠性的不利影响越小。从上表1可以看出常规燃烧室设计的OTDF值一般在0.2以下。对比传统圆柱形气膜孔，渐扩气膜孔蒸发管式紧凑型燃烧室OTDF达到0.11，远小于0.2，燃烧室出口温场品质良好，有利于提高涡轮工作叶片热工转换效率；因为燃烧室燃油喷嘴采用逆向喷射到蒸发管内壁，配合空气在蒸发管内部流动，增加燃油和空气混合湍流度，改善燃油在蒸发管中蒸发率；与此同时燃烧室在火焰筒内外壁和前端壁上开设有渐扩孔，利用不同角度和尺寸的渐扩形气膜孔，切向进气，改善流场，在火焰筒内形成稳定火焰，于传统燃烧室模型相比提高燃烧效率0.2％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

设计图

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