专利名称：后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器的制作方法
技术领域：
本发明是一种适用于转子发动机的燃烧装置，特别是一种后台阶式预燃级加v型
槽式主燃级一体化燃烧器。
背景技术：
国外目前已研制出一种集冲压发动机技术和燃气涡轮发动机技术为一体的新概 念发动机-冲压转子发动机。该种发动机可分为两类一类冲压转子发动机是采用冲压转 子压縮空气，其后紧跟燃烧室及涡轮进行燃烧和做功；另一类是在一个转子上实现气体压 縮、燃烧和膨胀做功。美国Ramgen公司针对这两类冲压转子发动机都进行了研究和运行试 验，其主要目的还是将冲压转子发动机应用在工业燃气轮机方面提供动力，并且均采用气 体燃料。 特别是第二类冲压转子发动机，它是将冲压模型、燃烧室和尾喷管安装在一个转
子轮缘上组成冲压推进模块，以实现空气压縮、燃烧和膨胀做功三大功能，成为一个独立工
作的转子式发动机。由于燃烧系统跟随转子高速旋转，其进口来流相对速度高，要实现高效
稳定燃烧，对燃烧组织形式、可靠稳火技术以及燃气密封等提出了新的挑战。 Ramgen公司在转子上的燃烧室采用气体燃料(天然气+氢气)成功地实现了点
火、冲压和稳定运行。为了给燃烧室提供可靠的稳火源，Ramgen公司在转子上采用三种稳
定火焰方式纯后台阶方式，旋涡发生器+后台阶方式以及灯塔+后台阶方式。后台阶火焰
稳定器是依靠台阶内的驻涡回流区形成稳定点火源，将高温燃烧产物传播到新鲜来流，以
点燃剪切层，但是引燃气和主流气的掺混很差，大部分引燃气直接进入了回流区，导致该处
富油熄火，在离心效应和油气浓度分布共同作用下，火焰向燃烧室中心偏移。而旋涡发生器
通过产生旋涡来增强引燃气和主流的掺混而使燃烧区径向扩展，但掺混强度和燃烧稳定性
需要平衡，湍流度过大可能导致熄火。后台阶式稳定器能够提供灵活的供油方式，在径向明
显增强燃烧强度，能够增大火焰表面积和放热率，提供更均匀的温度分布、更高的燃烧强度
和燃烧室压力，但目前所采用的灯塔堵塞率过小，在燃烧区展向扩展不够充分。 转子发动机上的燃烧系统随转子高速旋转，会产生强烈的离心力场，以及随之而
生的浮升力效应，这对燃料的分布以及火焰传播将产生深远影响。第二类冲压转子发动机
试验研究还表明，当该发动机转速在2000rpm以上时，其离心加速度在3800g以上，随着燃
烧室离心力增大和驻留时间下降，剪切层火焰稳定性变差，只有回流区内的局部驻留时间
利于燃烧，而其正常工作转速达到4300rpm，此时离心加速度高达17600g。而Ramgen公司
还是采用火焰传播速率较高的气体燃料，如果要采用液体燃料，例如航空煤油等，对其燃烧
性能影响将更大。 因此，在转子发动机上，转子转速高，气流相对马赫数达到0. 2以上，燃烧室内气 流具有离心力场，离心加速度达到1000g 50000g，高流速和高离心力场给燃烧室内的火 焰稳定带来非常大的困难，需要对稳火装置进行精心设计。 现有的转子发动机或附带有离心力的燃烧室中对两相液雾的燃烧还没有可在较
3宽的工作范围内都可以提供稳定高效燃烧的方案，个别的只是针对气态燃料或对两相液雾 的燃烧只是提供稳定的点火源，并不能应用在实际上有较宽工作范围的发动机上，尤其是 在发动机的各个工作状态都取得稳定的工作及较高的工作效率，并且由于转子发动机的特 有离心力场的影响出口温度场的分布也是一个技术难题。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种后台阶式预燃级加V 型槽式主燃级一体化燃烧器，它能为转子发动机的燃烧系统提供稳定的高位稳火源和良好 的低位燃烧效率，保证整个燃烧系统具有宽广的稳定工作范围和高效的燃烧；且一体化设 计保证了结构的简单、紧凑同时节省了重量。 本发明的技术解决方案是后台阶式预燃级加V型槽式主燃级一体化燃烧器由后 台阶式预燃级和V型槽式主燃级构成，其中后台阶式预燃级包括后台阶头部、预燃级喷嘴、 预燃级喷油孔和后台阶挡板，其中预燃级喷嘴通过螺纹或焊接与后台阶头部连接为一体， 预燃级喷油孔和后台阶挡板单独加工好后与后台阶头部焊接为一整体；v型槽式主燃级包 括预燃级进油管，主燃级进油管，主燃级喷油孔、后台阶安装座，主燃级v型槽火焰稳定器； 主燃级喷油孔开在主燃级进油管上；预燃级进油管套在主燃级进油管内为一体化设计成 型，并与后台阶预燃级的安装座固定连接；主燃级v型槽火焰稳定器和后台阶挡板固定连 接。 本发明的原理如下在转子发动机上，燃烧室内机匣9随转子一同旋转，旋转角速 度"。而燃烧室外机匣10由于转子发动机结构设计的不同，可以是随转子一起转动，也可 以是静止不动的。气流1以一定的相对速度流入燃烧室，目前的典型冲压转子发动机中该 气流的相对马赫数在0. 2以上。在流经后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器5 前端时气流分股， 一部分气流2进入后台阶预燃级与燃烧室外机匣10之间供预燃级燃烧使 用，另一部分气流2从后台阶与内机匣9之间流入燃烧室供主燃级燃烧和掺混使用。其中 流入后台阶预燃级的气流会由于后台阶的存在而产生一个低速回流区，位置如图1中预燃 级燃烧区7。进入主燃级的气流在流过主燃级喷油孔13处于喷出的燃油混合使其掺混并 雾化然后流过。整个燃烧器的燃料供给通过主燃级进油管12和预燃级进油管11从转子轮 缘供入。由于整个燃烧室随转子一同旋转，将参考坐标系固定在转子上，则在转子轮缘上的 燃烧室内存在离心力场，其离心加速度为G = R"2。由于该离心力场的存在，会使气流在 径向上产生压力梯度，进而对高温燃气产生浮升力效应，使从火焰稳定筒出来的火焰射流7 从高位向内半径的低位区飘溢，加强了火焰的径向传播，也与从低位区喷射出来的主燃级 燃料产生交叉掺混，有利于点燃并稳定燃烧，主要燃烧过程在主燃区8完成。
本发明与现有技术相比的优点如下 (1)本发明针对转子发动机上有限的燃烧室空间，后台阶式预燃级在高位稳火，为
低位主燃级提供持续稳火源；后台阶式预燃级加v型槽式主燃级确保了燃烧的高效稳定，
两者共同保证了旋转燃烧室对强离心加速度下稳定高效燃烧的性能要求。
(2)本发明充分利用了转子高速旋转产生的离心力效应，帮助高温火焰在径向上
的扩散传播，在没有明显增加后台阶预燃级堵塞面积的情况下增大了火焰表面积和放热率。
4
(3)本发明的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器中的预燃级进油管
和主燃级进油管一体化设计，使结构简单减小了总压损失同时提高了可靠性。
(4)本发明的主燃级采用多点直射式喷油方式，在点火前方加装v型槽用于稳定
主燃级使其具有良好的火焰稳定性和联焰可靠性。 (5)本发明的后台阶式预燃级的低速回流区稳定，具有更强的稳火能力，对转子发 动机的稳定工作范围具有拓宽作用。 (6)本发明的v型槽式主燃级的回流区稳定，可使主燃级的工作范围更宽，对转子 发动机的稳定工作范围具有拓宽作用。 (7)本发明的联焰槽，可在小工况下依然保证联焰的稳定对整个燃烧器的稳定工 作起了保证作用，对转子发动机的稳定工作范围具有拓宽作用。 (8)本发明的燃料供应方式灵活，既可供气体燃料，也可供液体燃料，主燃级与预 燃级都可直接喷射或加装喷嘴对液体燃料的雾化蒸发更具适应性 (9)而且本发明结构的简单、紧凑同时节省了重量，对将来的应用提供了方便。
图1是本发明在转子发动机上的工作示意图； 图2是本发明的结构剖视图； 图3是本发明的关键几何尺寸示意图； 图4a和图4b是后台阶式预燃级的结构俯视图与侧视图； 图5a和图5b是v型槽的结构示意图； 其中1是来流气流，2是经由后台阶分别进入预燃级和主燃级的气流，3是主燃级 燃油，4是预燃级燃油，5是后台阶是预燃级与v型槽式主燃级一体化燃烧器主体，6是主燃 级喷射燃油雾化掺混区，7是预燃级燃烧区，8是主燃级燃烧区，9是燃烧室内机匣，10是燃 烧室外机匣，11是预燃级进油管，12是主燃级进油管，13是主燃级喷油孔，14是后台阶安装 座，15是后台阶头部，16是预燃级喷嘴，17是预燃级喷油孔，18是后台阶挡板，19是后台阶 挡板联焰槽，20是主燃级v型槽火焰稳定器，21是后台阶长度，22是后台阶的高度，23是喷 油孔的个数，距离与孔径，24是整个燃烧器的高度，25是主燃级进油管的直径，26是后台阶 式预燃级挡板的长度，27是后台阶式预燃级的宽度，28是后台阶式预燃级长度，29是联焰 槽的宽度，30是联焰槽的角度，31是主燃级v型槽的高度；32是主燃级v型槽的角度；33是 主燃级v型槽的宽度。
具体实施例方式
本发明的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器主要适用于转子发动
机及其他强有离心加速度的燃烧室，能为转子发动机的燃烧系统提供稳定的高位稳火源和
良好的低位燃烧效率，保证整个燃烧系统具有宽广的稳定工作范围和高效的燃烧。 如图2所示，本发明的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器5主要由
后台阶式预燃级和v型槽式主燃级构成，主燃级的作用主要是为燃烧室提供稳定的燃油供
给并保证雾化。后台阶式预燃级与v型槽式主燃级一同固定在燃烧室内壁9上随燃烧室一
起转动。后台阶式预燃级包括后台阶头部15、预燃级喷嘴16、预燃级喷油孔17和后台阶挡板18。其中预燃级喷嘴16通过螺纹或焊接与后台阶头部15连结为一体，预燃级喷油孔17 和后台阶挡板18单独加工好后与后台阶头部15焊接为一整体。v型槽式主燃级包括预燃 级进油管11，主燃级进油管12，主燃级喷油孔13、后台阶安装座14，主燃级v型槽火焰稳定 器20 ;主燃级喷油孔13开在主燃级进油管12上，本发明中的主燃级喷油孔13为直射式喷 嘴，由于作用在燃烧器的离心加速的作用可确保燃油雾化，根据具体要求也可增加孔径加 装其他类型的喷嘴；预燃级进油管11套在主燃级进油管12内为一体化设计成型，其中一 体化设计过程为根据燃烧器的最大转速与整个燃烧器的质量计算出作用在预燃级进油管 11与主燃级进油管12上的离心力，再加上作用在整个燃烧器上的气动力，可推算出两个油 管所要受的合力大小，然后由油管的材料特性及强度与应力分布计算确定两个进油管的截 面总面积；最后根据预燃级与主燃级各自的燃油流量与油压便可确定两个进油管内外径的 具体尺寸，但是主燃级进油管12的外径尺寸要确保满足阻塞比的设计要求。具体设计中既 要考虑离心加速度与气动力对连接强度与刚度的要求又要考虑到阻塞比的限制(强度、刚 度要求截面尺寸越大越好，而阻塞比的设计要求外径和迎风面积越小越好，这是一对矛盾 需要综合考虑相互协调，实际应用中可作适当变化如截面可改为椭圆形或其他形状)。
转子的高离心加速度会使一体化燃烧器受到巨大的离心力作用，因此预燃级进油 管ll，主燃级进油管12与后台阶预燃级的安装座14通过螺纹或焊接固定连接(本实施例 中为焊接)；主燃级v型槽火焰稳定器20和后台阶挡板18通过螺纹或焊接固定连接(本 实施例中为焊接)。 预燃级进油管ll，主燃级进油管12和v型槽20需要根据结构强度和低流阻要求 设计。实际应用中可通过对流场的计算或模拟选取合适主燃级进油管12的外径(也可设 计成椭圆或其他截面型状)和主燃级v型槽的角度32，主燃级v型槽的宽度33，使得流阻 与阻塞比满足设计的要求。 后台阶15将燃烧室气流分为两部分分别进入主燃级与预燃级燃烧。调节预燃级 进油管ll，主燃级进油管12和主燃级v型槽火焰稳定器20的高度可控制这两股气流的比 例，已满足不同的燃烧室的设计要求。喷嘴16为直射式喷嘴也可根据需要加装其他类型的 喷嘴或不装喷嘴由预燃级喷油孔17直接喷出。在不装预燃级喷嘴16时喷油孔17的孔径 大小根据离心力大小设计可保证预燃级的燃油雾化。后台阶挡板18为预燃级回流区提供 了保障，确保了回流区的完整增加了火焰长度，配合联焰槽19使得联焰更加可靠。主燃级 v型槽火焰稳定器20可为从主燃级喷油孔13喷入掺混区6的油气混和物提供稳定的低速 回流区确保主燃级燃烧稳定高效。在后台阶15与主燃级的一体化设计下，共同保证了整个 方案的高效稳定的，以满足燃烧室对强离心力下燃烧组织的要求。 整个燃烧器的具体外形尺寸如图3 5所示，其中后台阶长度21由喷嘴16和后 台阶安装座14的尺寸决定以保证安装和强度的要求，后台阶高度22有进口流速及对回流 区的设计要求确定。后台阶挡板长度26、后台阶预燃级的宽度27以保证回流区的稳定为标 准设计。喷油孔个数，距离与孔径23由设计的燃油流量与雾化要求设计给出。整个燃烧器 的高度24，主燃级进油管的直径，主燃级v型槽角度32与主燃级v型槽宽度33决定了燃烧 室的阻塞比和流动损失，因此上述尺寸需要协调以共同满足设计要求。同时在后台阶挡板 18上为联焰的稳定可靠设计有联焰槽19，即在挡板18上开有与主燃级v型槽20相通的v 型槽，其中联焰槽的宽度29，联焰槽的角度30，可由实际的联焰需要给出。
为了保证后台阶式预燃级和v型槽式主燃级一体化燃烧器有良好的燃烧稳定性和可靠性，及高的燃烧效率，后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃器的高度位于整个燃烧室高度的0. 4 0. 95。后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器的整体堵塞比为0. 3 0. 8。后台阶式预燃级的气流流量应为燃烧室总流量的2% 40%，其燃料供应应该保证其出口火焰射流的当量比为0. 7 2。主燃级喷油孔13的直径为0. 05mm 2mm，具体由供油压力与主燃级燃油雾化要求决定，喷油孔的个数由孔径与主燃级燃油流量共同决定，孔的数目为1 10个。主燃级燃油占整个燃油比例的20% 80%。 v型槽所产生的回流区可在相当宽广的范围内保证主燃级的稳定高效的燃烧，其中主燃级v型槽火焰稳定器20的宽度33为燃烧室宽度的10% 50%，主燃级v型槽火焰稳定器20的角度32为20° 150° ，具体尺寸由燃油工作范围和稳定性的要求给出。为保证预燃级在较宽的工作范围内都能确保稳定的提供点火源，在所述后台阶挡板18上开有联焰槽19，使得预燃级火焰在离心加速度的作用下可稳定的引燃主燃级。其中联焰槽19的宽度29为主燃级v型槽的宽度33的30% 100%，联焰槽19的角度30为5° 150° ，具体宽度和角度可以由工作范围决定。 具体实施案例中，后台阶式预燃级的空气流量占燃烧室总进气量的20%。采用航空煤油为燃料，预燃级燃油流量为30%，后台阶高度占整个燃烧室径向高度的5%，挡板长度为后台阶高度的4倍总高度为燃烧室高度的85%。主燃级燃油喷射孔直径为0. 4mm个数为5个在整个进油管上均布。v型槽宽度为25mm，角度30。，联焰槽与v型槽尺寸一致。整个燃烧器的阻塞比为O. 45。
权利要求
后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器(5)，其特征在于由后台阶式预燃级和v型槽式主燃级构成，其中后台阶式预燃级包括后台阶头部(15)、预燃级喷嘴(16)、预燃级喷油孔(17)和后台阶挡板(18)，其中预燃级喷嘴(16)与后台阶头部(15)固定连接为一体，预燃级喷油孔(17)和后台阶挡板(18)单独加工好后与后台阶头部(15)焊接为一整体；v型槽式主燃级包括预燃级进油管(11)，主燃级进油管(12)，主燃级喷油孔(13)、后台阶安装座(14)，主燃级v型槽火焰稳定器(20)；主燃级喷油孔(13)开在主燃级进油管(12)上；预燃级进油管(11)套在主燃级进油管(12)内为一体化设计成型，并与后台阶预燃级的安装座(14)固定连接；主燃级v型槽火焰稳定器(20)和后台阶挡板(18)固定连接。
2. 根据权利要求1所述的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器(5)，其特 征在于所述v型槽式主燃级固定在燃烧室内机匣(9)上随燃烧室一起转动，v型槽式主燃 级在燃烧通道内的高度由预燃级进油管(ll)，主燃级进油管(12)和主燃级v型槽火焰稳定 器(20)的高度调节，进而控制整个燃烧器的高度。
3. 根据权利要求1所述的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器(5)，其特 征在于所述后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃料器的高度为整个燃烧室总高度 的0. 4 0. 95，整体堵塞比为0. 3 0. 8。
4. 根据权利要求1所述的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器(5)，其特 征在于所述后台阶式预燃级的气量占整个燃烧室总气量的2% 40%，产生的火焰射流 当量比为0. 7 2。
5. 根据权利要求1所述的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器(5)，其特 征在于所述主燃级喷油孔(13)的数目和孔径控制主燃级与预燃级的燃油分配，其中孔径 为0. 05mm 2mm，开孔数目1 10个。
6. 根据权利要求1所述的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器(5)，其特 征在于所述主燃级v型槽火焰稳定器(20)的宽度(33)为燃烧室宽度的10% 50%，主 燃级v型槽火焰稳定器(20)的角度(32)为20° 150° 。
7. 根据权利要求1所述的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧装置，其特征 在于在所述后台阶挡板(18)上开有联焰槽(19)，使得预燃级火焰在离心加速度的作用下 可稳定的引燃主燃级；所述联焰槽(19)的宽度(29)为主燃级v型槽火焰稳定器(20)宽度 (33)的30% 100%，联焰槽(19)的角度(30)为5° 150° 。
8. 根据权利要求1所述的后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧装置，其特征 在于所述的燃烧器(5)既能用气体燃料也能用液体燃料。
全文摘要
后台阶式预燃级加v型槽式主燃级一体化燃烧器包括预燃级与主燃级两部分。预燃级采用后台阶式火焰稳定器产生的低速回流区稳定火焰，在燃烧通道内的高位产生稳定火焰射流，利用转子发动机的旋转离心力将高温火焰射流向低位传播，从而引燃位于低位的主燃级燃料，并为之提供稳定点火源。主燃级采用多点直射式喷油方式，在点火前方加装v型槽用于稳定主燃级使其具有良好的火焰稳定性和联焰可靠性。本发明能为转子发动机的燃烧系统提供稳定的高位稳火源和良好的低位燃烧效率，保证整个燃烧系统具有宽广的稳定工作范围和高效的燃烧。一体化设计保证了结构的简单、紧凑同时节省了重量，对将来的应用提供了方便。
文档编号F02K7/00GK101749142SQ20091024185
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者孙强, 李林, 林宇震, 郭新华 申请人:北京航空航天大学