基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，包括共轴线顺序连接的二次空气进气分流预热段、火焰稳定凹腔段、旋流式斜缝反向射流段和渐扩渐缩出口段。本发明在装置头部采用分流板，主流通道壁面采用旋流式斜缝反向射流进气和渐扩渐缩出口段，将燃烧室内燃烧区进行分割，分流板两侧的斜孔进气进入凹腔内，与凹腔前后壁面进气进行掺混扰动，促进凹腔内主燃区的燃烧过程，分流板中心进气与两股旋流式斜缝反向射流进气形成的气流墙，将主流通道内燃烧区分割为三个燃烧区，使得在进气量较大时仍能保证火焰良好的稳定性，提高燃烧效率，拓宽了装置的稳燃范围，同时温度沿轴向分布更加均匀，避免了局部温度过高，延长了使用寿命。
【专利说明】
基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置
技术领域
[0001]本发明涉及发动机燃烧控制技术领域，具体涉及一种基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置。
【背景技术】
[0002]发动机作为广泛应用的动力机械，已经渗入到各个主要的经济部门，其应用领域涉及海、陆、空等多个方面，服务对象惠及军用、民用。燃烧室是发动机的重要组成部分，发展稳定高效低污染发动机燃烧室是研究者追求的目标。由于燃烧室内燃料处于高速流动中，燃料点火、混合和燃烧通常比较困难，现有技术中，为使燃料更加顺利点火，通常会在点火区域设置凹腔。气流流过凹腔会在凹腔内形成回流区，回流区作用下，火焰始终驻留在凹腔内，该区域作为稳定的点火源持续点燃来流新鲜燃料，并不断促进未燃尽气体的燃烧。凹腔在燃烧室中集燃料喷注、混合增强及火焰稳定作用于一身，在提高发动机性能方面发挥了重要的作用。
[0003]但是，本申请的发明人经过研究发现，带有凹腔的发动机也存在如下缺陷:第一、传统带有凹腔的燃烧室，主流直通道进气方式下，凹腔底部形成的燃烧区较为稳定，凹腔上部的燃烧区不够稳定，燃料燃烧效率仍待提高;第二、现有的燃烧室采用单一进气口，燃料在凹腔内部的停留时间不长，造成燃料燃烧不充分;第三、凹腔内未燃尽气体进入主流通道，燃烧区逐渐向燃烧室后方移动，容易造成燃烧室内局部温度过高，温度分布不均匀的情况;第四、现有发动机燃烧室内进气量较小时，燃烧较为稳定，而高功率燃烧装置要求的大流量与吹熄现象存在矛盾。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，该装置在保证燃料高效稳定燃烧的同时，通过控制燃烧室内燃烧区，使燃烧室内温度分布更加均匀。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案:
[0006]—种基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，包括共轴线顺序连接的二次空气进气分流预热段、火焰稳定凹腔段、旋流式斜缝反向射流段和渐扩渐缩出口段;其中，
[0007]所述二次空气进气分流预热段包括二次空气入口及安装于燃烧装置头部的W型分流板，所述分流板的中心区域为凹型并开设有与中心轴线平行的长条形直孔，所述分流板的两侧区域开设有与中心轴线成12°?18°夹角的圆形斜孔；
[0008]所述火焰稳定凹腔段包括相对配置的上部火焰稳定凹腔和下部火焰稳定凹腔，所述上部火焰稳定凹腔和下部火焰稳定凹腔的后壁面均设有至少一个一次空气喷孔，凹腔的前壁面均设有至少一个燃料气喷孔，且所述一次空气喷孔和燃料气喷孔交错布置；
[0009]所述旋流式斜缝反向射流段包括安装在主流通道上的上三次空气喷孔和下三次空气喷孔，所述上下三次空气喷孔均为旋流式斜缝反向射流喷孔，其进气方向与主气流方向相反，且安装成与中心轴线成30°?60°夹角；
[0010]所述渐扩渐缩出口段包括渐扩渐缩通道和燃烧室出口，所述渐扩渐缩通道中的渐扩入口当量直径大于渐缩出口当量直径。
[0011]与现有技术相比，本发明提供的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，燃烧装置头部采用W型分流板，主流通道壁面采用旋流式斜缝反向射流进气和渐扩渐缩出口段，将燃烧室内燃烧区进行分割，分流板两侧的斜孔进气进入凹腔内，与凹腔前后壁面进气进行掺混扰动，促进凹腔内主燃区的燃烧过程;分流板轴向(即中心)进气与两股旋流式斜缝反向射流进气形成的气流墙，将主流通道内燃烧区分割为三个燃烧区，使得在进气量较大时仍能保证火焰良好的稳定性，提高燃烧效率，拓宽了燃烧装置的稳燃范围；同时温度沿轴向分布更加均匀，避免了局部温度过高，延长了燃烧装置的使用寿命，进一步拓宽了燃烧装置的应用范围。
[0012]进一步，所述分流板采用具有强蓄热功能的陶瓷材料。
[0013]进一步，所述分流板的中心区域设有多列长条形直孔，中间的长条形直孔孔径较大且分布密集，中间两侧的长条形直孔孔径较小且分布稀疏;所述分流板的两侧区域设有多列圆形斜孔，且靠近所述分流板边缘的圆形斜孔分布较密集。
[0014]进一步，所述凹腔后壁面的一次空气喷孔靠近凹腔顶部，所述凹腔前壁面的燃料气喷孔靠近凹腔底部。
[0015]进一步，所述一次空气喷孔预设的进气速度是燃料气喷孔预设的进气速度的I?2倍。
[0016]进一步，所述凹腔前壁面燃料气、凹腔后壁面一次空气和部分二次空气在凹腔内相互扰动，在凹腔内形成主燃烧区。
[0017]进一步，所述凹腔后壁面与凹腔前壁面的高度比为I?1.2，所述凹腔长度与凹腔前壁面的高度比为I?1.4。
[0018]进一步，所述斜缝反向射流段、斜缝反向射流段的两股三次空气和分流板中心二次空气形成的扁平状气流相互交叉对冲扰动，气流扰动形成的气流墙将主流通道燃烧区分割成三个区域:两个二次燃烧区和一个反向回流燃尽区。
[0019]进一步，所述一次空气喷孔、二次空气入口和三次空气喷孔预设的空气进气量比为3:4:4。
[0020]进一步，所述二次空气入口渐扩段与火焰稳定凹腔后壁面，以及火焰稳定凹腔前壁面与主流通道均采用倒角圆弧连接。
【附图说明】
[0021]图1是本发明提供的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置的剖面结构示意图。
[0022]图2是本发明提供的二次空气入口分流板左视结构示意图。
[0023]图中，11、二次空气入口；12、分流板；121、长条形直孔；122、圆形斜孔;21、上部火焰稳定凹腔;22、下部火焰稳定凹腔;23、一次空气喷孔;24、燃料气喷孔;31、上三次空气喷孔;32、下三次空气喷孔;41、渐扩渐缩通道;42、燃烧室出口。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0025]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0026]请参考图1和图2所示，本发明提供一种基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，包括共轴线顺序连接的二次空气进气分流预热段、火焰稳定凹腔段、旋流式斜缝反向射流段和渐扩渐缩出口段;其中，
[0027]所述二次空气进气分流预热段包括二次空气入口11及安装于燃烧装置头部的W型分流板12，所述分流板12的中心区域为凹型并开设有与中心轴线平行的长条形直孔121，所述分流板12的两侧区域开设有与中心轴线成12°?18°夹角的圆形斜孔122;
[0028]所述火焰稳定凹腔段包括相对配置的上部火焰稳定凹腔21和下部火焰稳定凹腔22，所述上部火焰稳定凹腔21和下部火焰稳定凹腔22的后壁面均设有至少一个一次空气喷孔23，凹腔的前壁面均设有至少一个燃料气喷孔24，且所述一次空气喷孔23和燃料气喷孔24交错布置；
[0029]所述旋流式斜缝反向射流段包括安装在主流通道上的上三次空气喷孔31和下三次空气喷孔32，所述上下三次空气喷孔均为旋流式斜缝反向射流喷孔，其进气方向与主气流方向相反，且安装成与中心轴线成30°?60°夹角；
[0030]所述渐扩渐缩出口段包括渐扩渐缩通道41和燃烧室出口42，所述渐扩渐缩通道41中的渐扩入口当量直径大于渐缩出口当量直径。
[0031]与现有技术相比，本发明提供的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，燃烧装置头部采用W型分流板，主流通道壁面采用旋流式斜缝反向射流进气和渐扩渐缩出口段，将燃烧室内燃烧区进行分割，分流板两侧的斜孔进气进入凹腔内，与凹腔前后壁面进气进行掺混扰动，促进凹腔内主燃区的燃烧过程;分流板轴向(即中心)进气与两股旋流式斜缝反向射流进气形成的气流墙，将主流通道内燃烧区分割为三个燃烧区，使得在进气量较大时仍能保证火焰良好的稳定性，提高燃烧效率，拓宽了燃烧装置的稳燃范围；同时温度沿轴向分布更加均匀，避免了局部温度过高，延长了燃烧装置的使用寿命，进一步拓宽了燃烧装置的应用范围。
[0032]作为具体实施例，所述分流板12的材料为陶瓷材料，具有较强的蓄热功能，因而可以得用主流通道内燃烧辐射热量初步预热二次空气，降低着火热，当然本领域技术人员在前述实施例的基础上，还可以采用其它具有蓄热功能的材料。W型分流板两侧开设有圆形斜孔122，其方向与侧壁面平行(即与中心轴线成12°?18°夹角)，例如设成与中心轴线成15°的夹角，以便于将二次空气引入凹腔，促进凹腔内回流区域的形成，增强凹腔内燃烧的稳定性;W型分流板的中心区域为凹型，开设有长条形直孔121，其方向与中心轴线平行，通过分流板中心直孔的气流量和气体射程均大于通过两侧圆形斜孔的气流量和气体射程，通过渐扩段连接凹腔。同时，分流板中心二次空气与斜缝反向射流段的两股三次空气相互对冲扰动，形成扁平状的气流墙将主流通道内的燃烧区分割，并为二次燃烧区提供空气，提高燃料的燃烧效率。
[0033]作为优选实施例，所述分流板12的中心区域设有多列长条形直孔121，中间的长条形直孔孔径较大且分布密集，中间两侧的长条形直孔孔径较小且分布稀疏，由此可以更好地将分流板中心二次空气引入旋流式斜缝反向射流段;所述分流板12的两侧区域设有多列圆形斜孔122，且靠近所述分流板边缘的圆形斜孔分布较密集，由此可以更好地将分流板两侧二次空气引入火焰稳定凹腔段。
[0034]作为具体实施例，所述火焰稳定凹腔前后壁面喷孔23和24的位置错位安装，便于凹腔内回流区域的形成;进一步地，将所述凹腔后壁面的一次空气喷孔23靠近凹腔顶部，所述凹腔前壁面的燃料气喷孔24靠近凹腔底部，由此可以使燃料与一次空气相互扰动，在凹腔底部形成稳定的点火源，实现燃料的初步燃烧;而燃烧室的点火装置从凹腔的底部插入凹腔，向燃烧室内延伸。
[0035]作为优选实施例，所述一次空气喷孔23预设的进气速度是燃料气喷孔24预设的进气速度的I?2倍，由此增加了燃料流出凹腔的阻力，并为凹腔内回流区的形成提供动力。
[0036]作为优选实施例，所述凹腔前壁面燃料气、凹腔后壁面一次空气和部分二次空气在凹腔内相互扰动，在凹腔内形成主燃烧区，由此可以使凹腔底部形成的稳定燃烧区成为稳定的点火源，不断点燃新鲜燃料，凹腔上部形成回流稳定燃烧区不断卷吸周围高温烟气，促进周围气体之间的掺混预热，并具有保护凹腔底部燃烧区的作用。
[0037]作为具体实施例，所述凹腔后壁面与凹腔前壁面的高度比为I?1.2，所述凹腔长度与凹腔前壁面的高度比为I?1.4，由此在减小压力损失的同时，可以进一步增加燃料在凹腔内的停留时间，提高燃料的燃烧效率。
[0038]作为具体实施例，所述旋流式斜缝反向射流喷孔为三次气体喷孔，其斜缝反向射流喷孔与中心轴线(即水平方向)成30°?60°的夹角，且进气方向与主气流方向相反，喷孔结构为旋流式，因而三次空气旋转进入燃烧室内后，能够卷吸高温烟气，提高自身温度，降低燃料着火热，促进了燃料的高效稳定燃烧，燃烧效果较好；由此构成斜缝反向射流段、斜缝反向射流段的两股三次空气和分流板中心二次空气形成的扁平状气流相互交叉对冲扰动，气流扰动形成气流墙将主流通道燃烧区分割成三个区域:两个二次燃烧区和一个反向回流燃尽区，由此增加燃料在燃烧室内停留时间的同时，可以改善燃烧室内火焰稳定性。
[0039]作为具体实施例，所述主流通道后方与旋流式斜缝反向射流段相连接的渐扩渐缩出口段，其渐缩出口当量直径小于渐扩入口当量直径，由此使得流体流经渐扩段时，可以充分扩散燃烧，有利于将燃烧室内的高温集中在燃烧室的中心位置;而当流体经过渐缩段壁面时，流体改变流动方向，形成反向流动，促进和强化了反向回流燃尽区域的燃烧。
[0040]作为具体实施例，所述燃料由凹腔前壁面进气，一次空气由凹腔后壁面进气，二次空气从主流通道进气，三次空气通过旋流式斜缝反向射流进入燃烧通道，优选将一次空气喷孔、二次空气入口和三次空气喷孔预设的空气进气量比例设为3:4:4，由此可以便于燃烧装置内各个回流区域的形成，增加了燃料在燃烧室内的停留时间，提高了燃料的燃烧效率，使燃烧区域更加稳定，通道内温度沿轴向分布更加均匀。[0041 ]作为具体实施例，所述二次空气入口渐扩段与火焰稳定凹腔后壁面，以及火焰稳定凹腔前壁面与主流通道均采用倒角圆弧连接，由此可以减少应力在连接处的集中问题。
[0042]本发明提供的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置中，所述二次空气入口 11的进气通过分流板12上的圆形斜孔122和长条形直孔121，将二次空气分成沿上部火焰稳定凹腔21、下部火焰稳定凹腔22和沿主流通道方向。所述凹腔内的燃料气喷孔24、一次空气喷孔23和部分二次空气相互混合扰动，在凹腔内形成上下两个回流区域，不断卷吸周围高温烟气，在凹腔内形成稳定点火源，增加燃料的停留时间且不断点燃来流新鲜燃料。所述燃烧装置中的斜缝反向射流喷孔31为旋流式，两股三次空气以预定的角度射入主流通道内，与分流板12中心区域长条形直孔121引入的部分二次空气相互混合对冲扰动，将主流通道内的燃烧区分成三个:两个二次燃烧区和一个反向回流燃尽区，进一步增加了燃料在燃烧室内的停留时间，并将火焰稳定在燃烧室的前方，提高燃料燃烧效率的同时，流场内温度沿轴向分布也更加均匀。所述燃烧装置中的燃烧高温烟气进入渐扩渐缩通道41后，燃料不断扩散燃烧，使燃烧集中在燃烧室内的中心，使温度场分布更加均匀，流体流经渐缩段壁面时改变流向，促进和强化了反向回流燃尽区的燃烧，最后高温燃烧产物从燃烧室出口 42处排出，采用该种结构的燃烧室，其出口处的温度沿径向分布比较均匀。因此，采用本发明提供的空气分级燃烧方式能够降低燃料的着火热，对于提高燃料的燃烧效率和改善燃烧稳定性具有重要的作用。
[0043]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，包括共轴线顺序连接的二次空气进气分流预热段、火焰稳定凹腔段、旋流式斜缝反向射流段和渐扩渐缩出口段;其中， 所述二次空气进气分流预热段包括二次空气入口及安装于燃烧装置头部的W型分流板，所述分流板的中心区域为凹型并开设有与中心轴线平行的长条形直孔，所述分流板的两侧区域开设有与中心轴线成12°?18°夹角的圆形斜孔； 所述火焰稳定凹腔段包括相对配置的上部火焰稳定凹腔和下部火焰稳定凹腔，所述上部火焰稳定凹腔和下部火焰稳定凹腔的后壁面均设有至少一个一次空气喷孔，凹腔的前壁面均设有至少一个燃料气喷孔，且所述一次空气喷孔和燃料气喷孔交错布置； 所述旋流式斜缝反向射流段包括安装在主流通道上的上三次空气喷孔和下三次空气喷孔，所述上下三次空气喷孔均为旋流式斜缝反向射流喷孔，其进气方向与主气流方向相反，且安装成与中心轴线成30°?60°夹角； 所述渐扩渐缩出口段包括渐扩渐缩通道和燃烧室出口，所述渐扩渐缩通道中的渐扩入口当量直径大于渐缩出口当量直径。2.根据权利要求1所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述分流板采用具有强蓄热功能的陶瓷材料。3.根据权利要求1所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述分流板的中心区域设有多列长条形直孔，中间的长条形直孔孔径较大且分布密集，中间两侧的长条形直孔孔径较小且分布稀疏;所述分流板的两侧区域设有多列圆形斜孔，且靠近所述分流板边缘的圆形斜孔分布较密集。4.根据权利要求1所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述凹腔后壁面的一次空气喷孔靠近凹腔顶部，所述凹腔前壁面的燃料气喷孔靠近凹腔底部。5.根据权利要求4所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述一次空气喷孔预设的进气速度是燃料气喷孔预设的进气速度的I?2倍。6.根据权利要求4所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述凹腔前壁面燃料气、凹腔后壁面一次空气和部分二次空气在凹腔内相互扰动，在凹腔内形成主燃烧区。7.根据权利要求1所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述凹腔后壁面与凹腔前壁面的高度比为I?1.2，所述凹腔长度与凹腔前壁面的高度比为I?1.4。8.根据权利要求1所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述斜缝反向射流段、斜缝反向射流段的两股三次空气和分流板中心二次空气形成的扁平状气流相互交叉对冲扰动，气流扰动形成的气流墙将主流通道燃烧区分割成三个区域:两个二次燃烧区和一个反向回流燃尽区。9.根据权利要求1所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述一次空气喷孔、二次空气入口和三次空气喷孔预设的空气进气量比为3:4:4。10.根据权利要求1所述的基于空气分级反向射流技术的双凹腔火焰稳定燃烧装置，其特征在于，所述二次空气入口渐扩段与火焰稳定凹腔后壁面，以及火焰稳定凹腔前壁面与主流通道均采用倒角圆弧连接。
【文档编号】F23R3/18GK105972639SQ201610330834
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】闫云飞, 郭红艳, 崔宇, 冯帅, 李龙, 许卿云, 张力, 杨仲卿, 蒲舸, 唐强, 陈艳容, 冉景煜, 丁林, 秦昌雷, 杜学森
【申请人】重庆大学