一种斜喷环流环形燃烧室的制作方法

本发明属于航空发动机和燃气轮机研究领域，更具体地，涉及一种具有高切向速度分量的新型燃烧系统，特别是针对旋流多头部斜喷入射的具有环形燃烧室结构的斜喷环流燃烧器。

背景技术：

燃烧室是航空发动机和地面燃气轮机的核心机部件之一，其设计对整机效率和污染物排放具有很大决定作用。如何在提高热负荷的同时，降低燃烧峰值温度，提高温度场均匀性，并兼顾燃烧稳定性、点火可靠性和结构重量，是燃烧室设计所需要解决的主要矛盾。

目前，航空发动机和轻型燃气轮机主要采用环形燃烧室，其使用多个(一般为6至24个)周向均匀布置的旋流燃烧器，气流绕每个旋流燃烧器出口轴线形成多个旋流火焰，旋流燃烧器的出口中心线与环形燃烧室中心轴线平行，即传统环形燃烧室内气流主要是平行于中心轴线运动。自九十年代开始，环形燃烧室在轴线方向长度被进一步缩短，出现短环形燃烧室，具有重量轻、尺寸小、布局紧凑，空间利用率高等优点，是目前在役或在研涡喷和涡扇发动机所普遍采用的主流燃烧室系统。

在采用离心式压气机的中小型航空发动机中，如涡轴和涡桨发动机，为了缩短轴距并利用离心压气机径向尺寸较大的特点，常常采用回流型或折流型环形燃烧室，使得发动机结构更为紧凑。这类燃烧室的旋流器喷嘴出口轴线方向平行于发动机轴线，流动主要方向还是平行于轴向。

斜切主燃孔助旋低污染回流燃烧室，头部旋流器旋流中心轴线还是平行于发动机轴线，部分空气通过内外环主燃孔斜切进入燃烧室，加强了环腔内的旋转流动，使得油雾场更加均匀，有利于控制出口温度分布均匀性，并能降低污染物排放水平。

驻涡燃烧室是一种新的燃烧室设计概念。与环形燃烧室不同，它不使用旋流器，而是采用凹腔稳焰。驻涡燃烧室由产生值班火焰的凹腔结构和钝体稳焰主燃区组成,驻涡凹腔结构为主燃区提供了一个连续而稳定的值班火焰与点火源，空腔和主燃区形成分级燃烧：发动机在点火、慢车等小工况状态时，燃烧室只有驻涡凹腔区工作；而在起飞等大功率状态下燃烧室驻涡区和主燃区同时工作。

切向驻涡燃烧室提出高速气流切向进入驻涡燃烧室，利用切向旋流产生的高离心加速度加强两相液雾燃烧，提高燃烧效率，并用双重驻涡技术提高燃烧稳定性，拓展稳定工作范围。

斜流驻涡燃烧室将主燃级燃烧区和值班级燃烧区集成在一个凹体结构中，并且在一个凹体结构中能够形成不同的涡，保证主燃级和值班级既能够分别独立燃烧，又能够一起燃烧，从而提高了功重比。

技术实现要素：

基于高切向速度分量的全环燃烧室的优势与潜力以及现阶段实现方案的不足，本发明的目的在于提供一种斜喷环流燃烧器，一方面保持全环燃烧室和旋流器的结构特征，一方面实现环形燃烧室内的流动具有高切向速度分量的特征，并旨在实现所设计的新型燃烧系统相较于“直流式”环形燃烧室能够具有(且不限于)以下优势：

-增加点火可靠性；

-加强燃气的掺混，增大稳定工作裕度；

-较小的空间内具有较长的燃气驻留时间，燃烧完全；

-增强燃烧室出口的温度品质。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明的斜喷环流燃烧器主要包括底部法兰盘、顶部法兰盘、筒状的内壁和外壁、及若干斜喷旋流头部，底部法兰盘与顶部法兰盘紧固，二者之间形成密闭的配气室，在底部法兰盘周向设有若干等方位角分布的混合气体入口；所述的内壁与外壁同轴固定于顶部法兰盘上，三者之间形成环流燃烧室，外壁上开有用于插入点火针的通孔，在环流燃烧室内位于顶部法兰盘上开有若干呈等方位角周向分布的斜孔，每个斜孔内设置一只斜喷旋流头部，所述的斜喷旋流头部为开有轴向盲孔的柱体，上表面为斜面，柱体下部设有与上表面相平行的斜面台阶，斜面台阶与顶部法兰盘下表面压力接触，在斜喷旋流头部轴向盲孔末端沿径向开有若干切向通孔。

上述技术方案中，所述的斜喷旋流头部的上表面与喷嘴通道轴线成α角，斜喷倾角α为15°～75°。

所述的斜喷旋流头部与顶部法兰盘的斜孔间进行10^-2mm量级的间隙配合。

所述的斜喷旋流头部上位于上表面及斜面台阶之间开有第一定位孔，顶部法兰盘下表面开有对应的第二定位孔，装配时通过定位螺钉/定位销与第一、二定位孔三者配合对斜喷旋流头部进行固定，定位孔根据所选用固定部件为定位螺钉或定位销来分别对应为螺纹孔或通孔。

所述的斜孔数目通常可以为6～24个。

所述的每个斜喷旋流头部上的切向通孔所形成的旋流方向与所有斜喷旋流头部喷嘴所形成的旋流方向为同向。

所述的每个斜喷旋流头部上的切向通孔所形成的旋流方向与所有斜喷旋流头部喷嘴所形成的旋流方向为反向。

所述的顶部法兰盘下表面开有用于装配密封圈的外环形槽和内环形槽，与底部法兰盘进行螺栓紧固实现配气室的密封。密封圈厚度大于顶部法兰盘对应位置的内外环形槽深度，在外环螺栓组合和内环螺栓组合紧固时密封圈承受较大压力，有利于密封效果。

工作时，高压的空气和燃料混合气体通过混合气体入口进入配气室，通过斜喷旋流头部侧壁上的切向通道进入主喷嘴通道形成旋流，之后由于斜喷旋流头部的主喷嘴通道轴线与喷嘴表面呈一斜角，旋流射流从喷嘴喷出时会与顶部法兰盘的上表面以一定角度射入燃烧室中，呈环状分布的斜喷旋流头部阵列喷出的气流同样会形成旋流，点火针从燃烧室外壁上所开通孔插入，工作时引燃斜喷旋流混合气体，高温气体在燃烧室内形成螺旋上升的流动形式。

有利地，环形燃烧室内外壁面可以采用石英材质，使得通过光学设备获取全环的火焰特征和燃烧状态成为可能。

所述斜喷旋流头部属于一种切向孔式旋流器，其最重要的特征为与顶部的斜孔匹配的斜上表面和斜阶梯面(斜面台阶)结构，由于斜喷角的存在，对于同等轴向尺寸的旋流头部，其主流道的长度会随斜喷角的增大而增大。

特别地，斜喷旋流头部内流场具有顺/逆时针旋流两种设计选择，而由于斜喷造成的在全环范围内的周向流动同样具有顺/逆时针两种设计选择，规定按气流走势从下游向上游看，同为顺时针或同为逆时针时为“同向”模式，其中一者为顺时针另一者为逆时针时为“反向”模式，两种模式在流场形态、回流区特征、火焰传播特点等方面具有不同的表现形式。

采用本发明的结构设计，使得斜喷环流燃烧室在全环范围内具有较大的切向速度分量，同时又保留了单头部的旋流特征，强化了环形燃烧室中的掺混和燃烧。本发明能够有效增加燃烧室内火焰驻留时间，提高燃烧室出口温度品质，而且能够扩大燃烧室稳定工作裕度。

附图说明

图1是本发明斜喷环流燃烧器的结构剖视图；

图2是本发明斜喷旋流头部的主视图、剖视图和旋流通道示意图；

图3是本发明顶部法兰盘结构的轴测图；

图4是本发明完成点火测试后稳定燃烧的实拍图；

图5是同直喷环形燃烧室火焰(a)与本发明(b)的对比图；

图中：1、燃烧器底部法兰盘，2、燃烧器顶部法兰盘，3、环流燃烧室外壁，4、环流燃烧室内壁，5、混合气体入口，6、斜喷旋流头部，7、定位螺钉/定位销，8、环形配气室，9、环流燃烧室，10、第一定位孔，11、斜喷旋流头部斜阶梯面(斜面台阶)，12、斜喷旋流头部喷口斜上表面，13、斜喷旋流头部旋流入口通道，14、顶部法兰盘斜孔，15、第二定位孔，16、密封圈外环形槽；17、密封圈内环形槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明：

如图1-5所示，一种斜喷环流燃烧室主要包括环形配气室8(主要由燃烧室底部法兰盘1、燃烧室顶部法兰盘2和混合气体入口5构成)、斜喷旋流头部阵列(由斜喷旋流头部6及其定位和固定部件等组成)和环流燃烧室9(主要由环流燃烧室外壁3、内壁4和顶部法兰盘2形成)三个部分，具体如下：主要包括底部法兰盘1、顶部法兰盘2、筒状的内壁4和外壁3、及若干斜喷旋流头部6，底部法兰盘1与顶部法兰盘2紧固，二者之间形成密闭的配气室8，在底部法兰盘1周向设有若干等方位角分布的混合气体入口5；所述的内壁4与外壁3同轴固定于顶部法兰盘2上，三者之间形成环流燃烧室9，外壁3上开有用于插入点火针的通孔，在环流燃烧室9内位于顶部法兰盘2上开有若干呈等方位角周向分布的斜孔14，每个斜孔内设置一只斜喷旋流头部6，所述的斜喷旋流头部6为开有轴向盲孔的柱体，上表面12为斜面，柱体下部设有与上表面相平行的斜面台阶11，斜面台阶与顶部法兰盘2下表面压力接触，在斜喷旋流头部6轴向盲孔末端沿径向开有若干切向通孔13。

如图1所示，底部法兰盘1和顶部法兰盘2构成斜喷环流燃烧器配气室8的主体结构，空气和燃料气体的混合气通过等方位角周向分布的混合气体入口5进入配气室8中，混合气体入口8与底部法兰盘1的侧壁之间为螺纹连接。

如图1、图4所示，环流燃烧室内壁4和外壁3都由石英材质的圆柱筒构成，与燃烧器顶部法兰盘2的上表面环形凸台结构进行最大间隙为毫米量级的间隙配合，点火针从燃烧室外壁3上所开通孔插入，工作时引燃斜喷旋流混合气体，高温气体在环流燃烧室9内形成螺旋上升的流动形式。

如图1、图2所示，在配气室8中混合均匀的空气/燃气预混气体通过斜喷旋流头部6进入下游流道，混合气体气流通过斜喷旋流头部6侧壁上的切向圆孔通道13进入主喷嘴通道形成旋流，后旋流射流与顶部法兰盘2的上表面成一定角度射入环流燃烧室9中，斜喷旋流头部6阵列相对于燃烧器底部法兰盘1的旋转对称轴呈等方位角的周向分布。

如图1、图2和图3所示，所述斜喷旋流头部6与顶部法兰盘2的斜孔14间进行10-2mm量级的间隙配合，斜喷旋流头部6开有第一定位孔10，顶部法兰盘2上也开有对应的第二定位孔15，其中第二定位孔15根据所选用固定部件7为定位螺钉或定位销来分别对应为螺纹孔或通孔，装配时通过定位螺钉/定位销7与定位孔15和10的配合对斜喷旋流头部6进行固定。

如图1、图2和图3所示，所述斜喷旋流头部6的阶梯斜面11与顶部法兰盘2的底面在完成装配时产生压力接触，喷口平面12为与主喷嘴通道轴线成α角度(锐角，通常为15°-75°)的斜面，故在完成装配后喷口平面12与顶部法兰盘2凸台结构的顶面保持在同一平面内。

如图1、图3所示，顶部法兰盘2开有用于装配密封圈的外环形槽16和内环形槽17，通过装配对应尺寸的内外密封圈并与底部法兰盘1进行螺栓紧固实现配气室8的密封，且密封圈厚度大于顶部法兰盘对应位置的内外环形槽16和17的槽深，在外环螺栓组合和内环螺栓组合紧固时密封圈承受较大压力。

如图1、图2所示，按气流走势，从下游向上游看，由于斜喷射流造成的在环形燃烧室9中的切向流动方向和切向圆孔通道13在斜喷旋流头部6中形成的旋流方向具有两种模式，分别为“同向”即都为顺时针或逆时针，和“反向”即一者为顺时针另一者为逆时针。

如图1、图2和图3所示，在具体进行装配斜喷旋流头部6时，可以先将其与斜孔14配合后通过定位螺钉/定位销7紧固，再按环向依次装配下一个斜喷旋流头部至所有单个头部都完成装配，对于相邻喷嘴间距较小的情形，往往可能由于间距过小导致最后一个斜喷旋流头部的定位无法正常实现，只允许设置为定位销的固定模式，即在首个斜喷旋流头部装配前要先将末位定位销与末位定位销孔部分配合，待末位斜喷旋流与斜孔配合后再将该定位销完全紧固。