基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，包括共軸線順序連接的二次空氣進氣分流預熱段、火焰穩定凹腔段、旋流式斜縫反向射流段和漸擴漸縮出口段。本發明在裝置頭部采用分流板，主流通道壁面采用旋流式斜縫反向射流進氣和漸擴漸縮出口段，將燃燒室內燃燒區進行分割，分流板兩側的斜孔進氣進入凹腔內，與凹腔前后壁面進氣進行摻混擾動，促進凹腔內主燃區的燃燒過程，分流板中心進氣與兩股旋流式斜縫反向射流進氣形成的氣流墻，將主流通道內燃燒區分割為三個燃燒區，使得在進氣量較大時仍能保證火焰良好的穩定性，提高燃燒效率，拓寬了裝置的穩燃范圍，同時溫度沿軸向分布更加均勻，避免了局部溫度過高，延長了使用壽命。
【專利說明】
基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置
技術領域
[0001]本發明涉及發動機燃燒控制技術領域，具體涉及一種基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置。
【背景技術】
[0002]發動機作為廣泛應用的動力機械，已經滲入到各個主要的經濟部門，其應用領域涉及海、陸、空等多個方面，服務對象惠及軍用、民用。燃燒室是發動機的重要組成部分，發展穩定高效低污染發動機燃燒室是研究者追求的目標。由于燃燒室內燃料處于高速流動中，燃料點火、混合和燃燒通常比較困難，現有技術中，為使燃料更加順利點火，通常會在點火區域設置凹腔。氣流流過凹腔會在凹腔內形成回流區，回流區作用下，火焰始終駐留在凹腔內，該區域作為穩定的點火源持續點燃來流新鮮燃料，并不斷促進未燃盡氣體的燃燒。凹腔在燃燒室中集燃料噴注、混合增強及火焰穩定作用于一身，在提高發動機性能方面發揮了重要的作用。
[0003]但是，本申請的發明人經過研究發現，帶有凹腔的發動機也存在如下缺陷:第一、傳統帶有凹腔的燃燒室，主流直通道進氣方式下，凹腔底部形成的燃燒區較為穩定，凹腔上部的燃燒區不夠穩定，燃料燃燒效率仍待提高;第二、現有的燃燒室采用單一進氣口，燃料在凹腔內部的停留時間不長，造成燃料燃燒不充分;第三、凹腔內未燃盡氣體進入主流通道，燃燒區逐漸向燃燒室后方移動，容易造成燃燒室內局部溫度過高，溫度分布不均勻的情況;第四、現有發動機燃燒室內進氣量較小時，燃燒較為穩定，而高功率燃燒裝置要求的大流量與吹熄現象存在矛盾。
【發明內容】
[0004]針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，該裝置在保證燃料高效穩定燃燒的同時，通過控制燃燒室內燃燒區，使燃燒室內溫度分布更加均勻。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案:
[0006]—種基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，包括共軸線順序連接的二次空氣進氣分流預熱段、火焰穩定凹腔段、旋流式斜縫反向射流段和漸擴漸縮出口段;其中，
[0007]所述二次空氣進氣分流預熱段包括二次空氣入口及安裝于燃燒裝置頭部的W型分流板，所述分流板的中心區域為凹型并開設有與中心軸線平行的長條形直孔，所述分流板的兩側區域開設有與中心軸線成12°?18°夾角的圓形斜孔；
[0008]所述火焰穩定凹腔段包括相對配置的上部火焰穩定凹腔和下部火焰穩定凹腔，所述上部火焰穩定凹腔和下部火焰穩定凹腔的后壁面均設有至少一個一次空氣噴孔，凹腔的前壁面均設有至少一個燃料氣噴孔，且所述一次空氣噴孔和燃料氣噴孔交錯布置；
[0009]所述旋流式斜縫反向射流段包括安裝在主流通道上的上三次空氣噴孔和下三次空氣噴孔，所述上下三次空氣噴孔均為旋流式斜縫反向射流噴孔，其進氣方向與主氣流方向相反，且安裝成與中心軸線成30°?60°夾角；
[0010]所述漸擴漸縮出口段包括漸擴漸縮通道和燃燒室出口，所述漸擴漸縮通道中的漸擴入口當量直徑大于漸縮出口當量直徑。
[0011]與現有技術相比，本發明提供的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，燃燒裝置頭部采用W型分流板，主流通道壁面采用旋流式斜縫反向射流進氣和漸擴漸縮出口段，將燃燒室內燃燒區進行分割，分流板兩側的斜孔進氣進入凹腔內，與凹腔前后壁面進氣進行摻混擾動，促進凹腔內主燃區的燃燒過程;分流板軸向(即中心)進氣與兩股旋流式斜縫反向射流進氣形成的氣流墻，將主流通道內燃燒區分割為三個燃燒區，使得在進氣量較大時仍能保證火焰良好的穩定性，提高燃燒效率，拓寬了燃燒裝置的穩燃范圍；同時溫度沿軸向分布更加均勻，避免了局部溫度過高，延長了燃燒裝置的使用壽命，進一步拓寬了燃燒裝置的應用范圍。
[0012]進一步，所述分流板采用具有強蓄熱功能的陶瓷材料。
[0013]進一步，所述分流板的中心區域設有多列長條形直孔，中間的長條形直孔孔徑較大且分布密集，中間兩側的長條形直孔孔徑較小且分布稀疏;所述分流板的兩側區域設有多列圓形斜孔，且靠近所述分流板邊緣的圓形斜孔分布較密集。
[0014]進一步，所述凹腔后壁面的一次空氣噴孔靠近凹腔頂部，所述凹腔前壁面的燃料氣噴孔靠近凹腔底部。
[0015]進一步，所述一次空氣噴孔預設的進氣速度是燃料氣噴孔預設的進氣速度的I?2倍。
[0016]進一步，所述凹腔前壁面燃料氣、凹腔后壁面一次空氣和部分二次空氣在凹腔內相互擾動，在凹腔內形成主燃燒區。
[0017]進一步，所述凹腔后壁面與凹腔前壁面的高度比為I?1.2，所述凹腔長度與凹腔前壁面的高度比為I?1.4。
[0018]進一步，所述斜縫反向射流段、斜縫反向射流段的兩股三次空氣和分流板中心二次空氣形成的扁平狀氣流相互交叉對沖擾動，氣流擾動形成的氣流墻將主流通道燃燒區分割成三個區域:兩個二次燃燒區和一個反向回流燃盡區。
[0019]進一步，所述一次空氣噴孔、二次空氣入口和三次空氣噴孔預設的空氣進氣量比為3:4:4。
[0020]進一步，所述二次空氣入口漸擴段與火焰穩定凹腔后壁面，以及火焰穩定凹腔前壁面與主流通道均采用倒角圓弧連接。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明提供的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置的剖面結構示意圖。
[0022]圖2是本發明提供的二次空氣入口分流板左視結構示意圖。
[0023]圖中，11、二次空氣入口；12、分流板；121、長條形直孔；122、圓形斜孔;21、上部火焰穩定凹腔;22、下部火焰穩定凹腔;23、一次空氣噴孔;24、燃料氣噴孔;31、上三次空氣噴孔;32、下三次空氣噴孔;41、漸擴漸縮通道;42、燃燒室出口。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。
[0025]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“縱向”、“徑向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0026]請參考圖1和圖2所示，本發明提供一種基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，包括共軸線順序連接的二次空氣進氣分流預熱段、火焰穩定凹腔段、旋流式斜縫反向射流段和漸擴漸縮出口段;其中，
[0027]所述二次空氣進氣分流預熱段包括二次空氣入口11及安裝于燃燒裝置頭部的W型分流板12，所述分流板12的中心區域為凹型并開設有與中心軸線平行的長條形直孔121，所述分流板12的兩側區域開設有與中心軸線成12°?18°夾角的圓形斜孔122;
[0028]所述火焰穩定凹腔段包括相對配置的上部火焰穩定凹腔21和下部火焰穩定凹腔22，所述上部火焰穩定凹腔21和下部火焰穩定凹腔22的后壁面均設有至少一個一次空氣噴孔23，凹腔的前壁面均設有至少一個燃料氣噴孔24，且所述一次空氣噴孔23和燃料氣噴孔24交錯布置；
[0029]所述旋流式斜縫反向射流段包括安裝在主流通道上的上三次空氣噴孔31和下三次空氣噴孔32，所述上下三次空氣噴孔均為旋流式斜縫反向射流噴孔，其進氣方向與主氣流方向相反，且安裝成與中心軸線成30°?60°夾角；
[0030]所述漸擴漸縮出口段包括漸擴漸縮通道41和燃燒室出口42，所述漸擴漸縮通道41中的漸擴入口當量直徑大于漸縮出口當量直徑。
[0031]與現有技術相比，本發明提供的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，燃燒裝置頭部采用W型分流板，主流通道壁面采用旋流式斜縫反向射流進氣和漸擴漸縮出口段，將燃燒室內燃燒區進行分割，分流板兩側的斜孔進氣進入凹腔內，與凹腔前后壁面進氣進行摻混擾動，促進凹腔內主燃區的燃燒過程;分流板軸向(即中心)進氣與兩股旋流式斜縫反向射流進氣形成的氣流墻，將主流通道內燃燒區分割為三個燃燒區，使得在進氣量較大時仍能保證火焰良好的穩定性，提高燃燒效率，拓寬了燃燒裝置的穩燃范圍；同時溫度沿軸向分布更加均勻，避免了局部溫度過高，延長了燃燒裝置的使用壽命，進一步拓寬了燃燒裝置的應用范圍。
[0032]作為具體實施例，所述分流板12的材料為陶瓷材料，具有較強的蓄熱功能，因而可以得用主流通道內燃燒輻射熱量初步預熱二次空氣，降低著火熱，當然本領域技術人員在前述實施例的基礎上，還可以采用其它具有蓄熱功能的材料。W型分流板兩側開設有圓形斜孔122，其方向與側壁面平行(即與中心軸線成12°?18°夾角)，例如設成與中心軸線成15°的夾角，以便于將二次空氣引入凹腔，促進凹腔內回流區域的形成，增強凹腔內燃燒的穩定性;W型分流板的中心區域為凹型，開設有長條形直孔121，其方向與中心軸線平行，通過分流板中心直孔的氣流量和氣體射程均大于通過兩側圓形斜孔的氣流量和氣體射程，通過漸擴段連接凹腔。同時，分流板中心二次空氣與斜縫反向射流段的兩股三次空氣相互對沖擾動，形成扁平狀的氣流墻將主流通道內的燃燒區分割，并為二次燃燒區提供空氣，提高燃料的燃燒效率。
[0033]作為優選實施例，所述分流板12的中心區域設有多列長條形直孔121，中間的長條形直孔孔徑較大且分布密集，中間兩側的長條形直孔孔徑較小且分布稀疏，由此可以更好地將分流板中心二次空氣引入旋流式斜縫反向射流段;所述分流板12的兩側區域設有多列圓形斜孔122，且靠近所述分流板邊緣的圓形斜孔分布較密集，由此可以更好地將分流板兩側二次空氣引入火焰穩定凹腔段。
[0034]作為具體實施例，所述火焰穩定凹腔前后壁面噴孔23和24的位置錯位安裝，便于凹腔內回流區域的形成;進一步地，將所述凹腔后壁面的一次空氣噴孔23靠近凹腔頂部，所述凹腔前壁面的燃料氣噴孔24靠近凹腔底部，由此可以使燃料與一次空氣相互擾動，在凹腔底部形成穩定的點火源，實現燃料的初步燃燒;而燃燒室的點火裝置從凹腔的底部插入凹腔，向燃燒室內延伸。
[0035]作為優選實施例，所述一次空氣噴孔23預設的進氣速度是燃料氣噴孔24預設的進氣速度的I?2倍，由此增加了燃料流出凹腔的阻力，并為凹腔內回流區的形成提供動力。
[0036]作為優選實施例，所述凹腔前壁面燃料氣、凹腔后壁面一次空氣和部分二次空氣在凹腔內相互擾動，在凹腔內形成主燃燒區，由此可以使凹腔底部形成的穩定燃燒區成為穩定的點火源，不斷點燃新鮮燃料，凹腔上部形成回流穩定燃燒區不斷卷吸周圍高溫煙氣，促進周圍氣體之間的摻混預熱，并具有保護凹腔底部燃燒區的作用。
[0037]作為具體實施例，所述凹腔后壁面與凹腔前壁面的高度比為I?1.2，所述凹腔長度與凹腔前壁面的高度比為I?1.4，由此在減小壓力損失的同時，可以進一步增加燃料在凹腔內的停留時間，提高燃料的燃燒效率。
[0038]作為具體實施例，所述旋流式斜縫反向射流噴孔為三次氣體噴孔，其斜縫反向射流噴孔與中心軸線(即水平方向)成30°?60°的夾角，且進氣方向與主氣流方向相反，噴孔結構為旋流式，因而三次空氣旋轉進入燃燒室內后，能夠卷吸高溫煙氣，提高自身溫度，降低燃料著火熱，促進了燃料的高效穩定燃燒，燃燒效果較好；由此構成斜縫反向射流段、斜縫反向射流段的兩股三次空氣和分流板中心二次空氣形成的扁平狀氣流相互交叉對沖擾動，氣流擾動形成氣流墻將主流通道燃燒區分割成三個區域:兩個二次燃燒區和一個反向回流燃盡區，由此增加燃料在燃燒室內停留時間的同時，可以改善燃燒室內火焰穩定性。
[0039]作為具體實施例，所述主流通道后方與旋流式斜縫反向射流段相連接的漸擴漸縮出口段，其漸縮出口當量直徑小于漸擴入口當量直徑，由此使得流體流經漸擴段時，可以充分擴散燃燒，有利于將燃燒室內的高溫集中在燃燒室的中心位置;而當流體經過漸縮段壁面時，流體改變流動方向，形成反向流動，促進和強化了反向回流燃盡區域的燃燒。
[0040]作為具體實施例，所述燃料由凹腔前壁面進氣，一次空氣由凹腔后壁面進氣，二次空氣從主流通道進氣，三次空氣通過旋流式斜縫反向射流進入燃燒通道，優選將一次空氣噴孔、二次空氣入口和三次空氣噴孔預設的空氣進氣量比例設為3:4:4，由此可以便于燃燒裝置內各個回流區域的形成，增加了燃料在燃燒室內的停留時間，提高了燃料的燃燒效率，使燃燒區域更加穩定，通道內溫度沿軸向分布更加均勻。[0041 ]作為具體實施例，所述二次空氣入口漸擴段與火焰穩定凹腔后壁面，以及火焰穩定凹腔前壁面與主流通道均采用倒角圓弧連接，由此可以減少應力在連接處的集中問題。
[0042]本發明提供的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置中，所述二次空氣入口 11的進氣通過分流板12上的圓形斜孔122和長條形直孔121，將二次空氣分成沿上部火焰穩定凹腔21、下部火焰穩定凹腔22和沿主流通道方向。所述凹腔內的燃料氣噴孔24、一次空氣噴孔23和部分二次空氣相互混合擾動，在凹腔內形成上下兩個回流區域，不斷卷吸周圍高溫煙氣，在凹腔內形成穩定點火源，增加燃料的停留時間且不斷點燃來流新鮮燃料。所述燃燒裝置中的斜縫反向射流噴孔31為旋流式，兩股三次空氣以預定的角度射入主流通道內，與分流板12中心區域長條形直孔121引入的部分二次空氣相互混合對沖擾動，將主流通道內的燃燒區分成三個:兩個二次燃燒區和一個反向回流燃盡區，進一步增加了燃料在燃燒室內的停留時間，并將火焰穩定在燃燒室的前方，提高燃料燃燒效率的同時，流場內溫度沿軸向分布也更加均勻。所述燃燒裝置中的燃燒高溫煙氣進入漸擴漸縮通道41后，燃料不斷擴散燃燒，使燃燒集中在燃燒室內的中心，使溫度場分布更加均勻，流體流經漸縮段壁面時改變流向，促進和強化了反向回流燃盡區的燃燒，最后高溫燃燒產物從燃燒室出口 42處排出，采用該種結構的燃燒室，其出口處的溫度沿徑向分布比較均勻。因此，采用本發明提供的空氣分級燃燒方式能夠降低燃料的著火熱，對于提高燃料的燃燒效率和改善燃燒穩定性具有重要的作用。
[0043]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，包括共軸線順序連接的二次空氣進氣分流預熱段、火焰穩定凹腔段、旋流式斜縫反向射流段和漸擴漸縮出口段;其中， 所述二次空氣進氣分流預熱段包括二次空氣入口及安裝于燃燒裝置頭部的W型分流板，所述分流板的中心區域為凹型并開設有與中心軸線平行的長條形直孔，所述分流板的兩側區域開設有與中心軸線成12°?18°夾角的圓形斜孔； 所述火焰穩定凹腔段包括相對配置的上部火焰穩定凹腔和下部火焰穩定凹腔，所述上部火焰穩定凹腔和下部火焰穩定凹腔的后壁面均設有至少一個一次空氣噴孔，凹腔的前壁面均設有至少一個燃料氣噴孔，且所述一次空氣噴孔和燃料氣噴孔交錯布置； 所述旋流式斜縫反向射流段包括安裝在主流通道上的上三次空氣噴孔和下三次空氣噴孔，所述上下三次空氣噴孔均為旋流式斜縫反向射流噴孔，其進氣方向與主氣流方向相反，且安裝成與中心軸線成30°?60°夾角； 所述漸擴漸縮出口段包括漸擴漸縮通道和燃燒室出口，所述漸擴漸縮通道中的漸擴入口當量直徑大于漸縮出口當量直徑。2.根據權利要求1所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述分流板采用具有強蓄熱功能的陶瓷材料。3.根據權利要求1所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述分流板的中心區域設有多列長條形直孔，中間的長條形直孔孔徑較大且分布密集，中間兩側的長條形直孔孔徑較小且分布稀疏;所述分流板的兩側區域設有多列圓形斜孔，且靠近所述分流板邊緣的圓形斜孔分布較密集。4.根據權利要求1所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述凹腔后壁面的一次空氣噴孔靠近凹腔頂部，所述凹腔前壁面的燃料氣噴孔靠近凹腔底部。5.根據權利要求4所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述一次空氣噴孔預設的進氣速度是燃料氣噴孔預設的進氣速度的I?2倍。6.根據權利要求4所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述凹腔前壁面燃料氣、凹腔后壁面一次空氣和部分二次空氣在凹腔內相互擾動，在凹腔內形成主燃燒區。7.根據權利要求1所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述凹腔后壁面與凹腔前壁面的高度比為I?1.2，所述凹腔長度與凹腔前壁面的高度比為I?1.4。8.根據權利要求1所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述斜縫反向射流段、斜縫反向射流段的兩股三次空氣和分流板中心二次空氣形成的扁平狀氣流相互交叉對沖擾動，氣流擾動形成的氣流墻將主流通道燃燒區分割成三個區域:兩個二次燃燒區和一個反向回流燃盡區。9.根據權利要求1所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述一次空氣噴孔、二次空氣入口和三次空氣噴孔預設的空氣進氣量比為3:4:4。10.根據權利要求1所述的基于空氣分級反向射流技術的雙凹腔火焰穩定燃燒裝置，其特征在于，所述二次空氣入口漸擴段與火焰穩定凹腔后壁面，以及火焰穩定凹腔前壁面與主流通道均采用倒角圓弧連接。
【文檔編號】F23R3/18GK105972639SQ201610330834
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】閆云飛, 郭紅艷, 崔宇, 馮帥, 李龍, 許卿云, 張力, 楊仲卿, 蒲舸, 唐強, 陳艷容, 冉景煜, 丁林, 秦昌雷, 杜學森
【申請人】重慶大學