一种带旋流式火焰筒的燃烧室的制作方法

本发明属于航空发动机燃烧室领域，具体涉及一种带旋流式火焰筒的燃烧室。

背景技术：

随着人类文明发展越来越迅猛，国际航空产业也愈发壮大，这对于全球经济发展与沟通带来了极大的便利，但是同时也造成了环境方面的诸多问题。据有效数据显示，在1999年，航空类产业向大气排放的温室气体占了全部人类活动的3.5％，这意味着航空产业的发展也严重影响了大气环境，因此，对于航空发动机的排放要求也越来越高。通过调查显示，航空发动机对于氮氧化物(nox)的排放要求要比国际民航组织所规定的排放标准还要减少45％～60％。除了氮氧化物(nox)，航空发动机所排放的其他污染物(一氧化碳、未燃碳氢化合物、烟雾等)同样是需要进一步降低其排放量的。

航空发动机燃烧室上重点需要解决的是氮氧化物，控制氮氧化物排放的关键在于控制燃烧室内的燃烧反应温度。目前已有低污染燃烧室通过采用贫油预混预蒸发技术来控制火焰温度从而降低氮氧化物生成，也有采用分级燃烧技术来降低污染物的排放，但是这两种方法都可能导致在高进口温度下发生自动点火或回火，同时燃烧室要冒险运行在贫油熄火极限附近，因此对于这两者运行受燃烧室本身结构影响很大，对减小污染物的排放也受到了限制。

本发明通过对航空发动机燃烧室火焰筒结构进行改进，可以有效防止自燃与回火，在主燃区进入的旋流气体同旋流器喷射出来的混合气混合，增加回流区域面积，对主燃区的燃烧更加充分，减少的主燃区内污染气体的生成量。气体之后进入中间区，此时从主燃区过来的燃气与中间区旋流孔进入的旋转气流形成第二处旋流区，可以有效将未燃燃气及中间燃烧产物完全燃烧。最后进入掺混区的燃气流受到旋流孔进入的旋转气流的影响，形成低速回流区，依靠尾焰作用，并可以由旋流方向控制回流温度，利用贫油燃烧进一步减少氮氧化物等污染物的排放量，从而实现污染物的极低排放。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提出一种带旋流特征火焰筒的燃烧室。与现有燃烧室结构相比，本发明的优点是在原有火焰筒结构的基础上，对火焰筒壁面进行合理的改变。在主燃区壁面上将部分主燃孔改造成旋流孔，在这里称为主燃区旋流孔，增加回流区域面积，对主燃区的燃烧更加充分，减少的主燃区内污染气体的生成量；在中间区壁面上将部分中间孔改造成旋流孔，在这里称为中间区旋流孔，有效将未燃燃气及中间燃烧产物完全燃烧；在掺混区壁面上将部分掺混孔改造成旋流孔，在这里称为掺混区旋流孔，控制回流温度，利用贫油燃烧进一步减少氮氧化物等污染物的排放量，提高燃烧效率。

技术方案

本发明的目的在于提供一种带旋流式火焰筒的燃烧室。

本发明技术方案如下：

一种带旋流式火焰筒的燃烧室，包括基本燃烧室结构(壳体、旋流器、喷嘴等)和带旋流特征的火焰筒壁面。其特征在于：基于原燃烧室火焰筒的主燃孔、中间孔及掺混孔的不同作用，在火焰筒壁面上三个不同部位处增加旋流式气流孔，同原主燃孔、中间孔、掺混孔呈间隔配合。这样所设计成的火焰筒，从主燃孔进入的空气流与旋流区边缘部分燃油充分混合，随后在主燃区充分燃烧后的燃气流流入中间区，与中间孔进入的旋流进一步充分燃烧，减少不完全燃烧了，最后生成的不完全燃烧产物和残余燃油通过掺混区，靠主燃区喷出的火焰尾部来使其与掺混孔进入的旋流气体进行贫氧燃烧，之后燃烧产物与未参与反应的空气排出火焰筒。

所述火焰筒壁面旋流孔，其特征在于：所用旋流孔为火焰筒前端旋流器形状类似，其旋流角度及旋流特征应与旋流器类似，与原主燃区引起的旋流起强化作用而非抑制作用。主燃区、中间区、掺混区壁面上的旋流孔区域范围根据原火焰筒壁面是主燃孔、中间孔、掺混孔的分布范围确定，所开旋流孔排数约为1～5排、1～5排、1～3排。火焰筒壁面上三区域所开的旋流孔排数超过一排时可以采取插排或顺排的方式，排列间距主燃孔、中间孔、掺混孔分布区域旋流孔孔径大小的1～10倍。

所述火焰筒主燃区，其特征在于：基于原火焰筒主燃孔的位置及大小排布，设计旋流孔大小约为5～7mm之间，设计在主燃孔之间，各主燃区旋流孔间隔夹角约为30°，周向排布。

所述火焰筒中间区，其特征在于：基于原火焰筒中间孔的位置及大小排布，设计旋流孔大小约为4～6mm之间，设计在中间孔之间，各中间区旋流孔间隔夹角约为30°，周向排布。

所述火焰筒掺混区，其特征在于：基于原火焰筒掺混孔的位置及大小排布，设计旋流孔大小约为3～5mm之间，设计在掺混孔之间，各掺混区旋流孔间隔夹角约为30°，周向排布。

本发明具有以下有益效果：

这种带旋流式火焰筒的燃烧室，优势在于在原有火焰筒结构的基础上，对火焰筒壁面进行合理的改变，不用改变其内部结构就可以对火焰筒内部气流走向进行合理改善，能够有效提高燃烧效率，使燃料能够得到最大限度完全燃烧，减少了污染物的排放。而且结构设计相对简单，可行性高，有着很好的应用前景。

附图说明

图1：带旋流式火焰筒的燃烧室示意图

图2：带旋流式火焰筒的燃烧室壁面展开图

图3：旋流孔示意图

图1中1-火焰筒前端装置2-外壁面主燃孔3-外壁面主燃区旋流孔4-外壁面中间孔5-外壁面中间区旋流孔6-外壁面掺混区7-外壁面掺混区旋流孔8-内壁面主燃孔9-内壁面主燃区旋流孔10-内壁面中间孔11-内壁面中间区旋流孔12-内壁面掺混区13-内壁面掺混区旋流孔

图2中1-主燃孔2-主燃区旋流孔3-中间孔4-中间区旋流孔5-掺混区6-掺混区旋流孔7-主燃孔与中间孔过渡区8-中间孔与掺混孔过渡区

图3中1-轮毂2-导向叶片3-外圈

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

结合图1、图2、图3，本发明为一种带旋流式火焰筒的燃烧室。图1为带旋流式火焰筒的燃烧室示意图，图2为带旋流式火焰筒的燃烧室壁面展开图，图3为旋流孔示意图。

为了使燃油在燃烧室火焰筒中充分受热燃烧，在火焰筒壁面上添加旋流孔形成一种新型旋流火焰筒。燃油通过中心喷嘴喷出，与前部旋流器1进入的旋转空气进行充分混合，形成主燃区的回流区。但是回流区中火焰喷出范围较小，燃烧范围无法到达主燃区内全部区域，所以不可避免的存在燃烧不完全的问题，所以在主燃区内外壁面主燃孔处顺排(插排)布置旋流孔3、9，目的是为了在主回流区外围部分形成附旋流区，使旋流区燃油外圈部分与主燃区进入的旋转气流充分混合，火焰也随旋流方向布及主燃区进行有效燃烧。经过主燃区的富油燃烧，进入中间区的气流中存在大量主燃区燃烧所产生的中间产物以及少量的未燃烧燃油，因此在中间区壁面上顺排(插排)布置旋流孔5、11，目的就是为了使燃气流与中间区进入的空气流混合产生新的旋流区域，通过上游火焰点燃中间区的混合油气和未燃产物，这样比原有中间区燃烧效果更好也更充分，几乎可以实现完全燃烧，减少了污染物的生成。在中间区燃烧后的大量燃烧产物已无法进行再次燃烧，但仍有极少的中间产物受到火焰筒壁面挤压或温度极限，使得其不得不流向掺混区进行反应，故在掺混区加入旋流孔7、13，一方面是旋转气流与热燃气流充分混合，可以对燃气流进行有效降温，避免涡轮前燃气温度超过温度极限，另一方面也是为了使燃气流内可燃气体进一步完全燃烧，保证燃烧室出口气流无污染物，使燃烧室设计最优化。能有效提高燃烧效率，减少污染物排放，充分降低出口温度。