專利名稱：轉子發動機用塔臺式火焰穩定器的制作方法
技術領域：
本發明是一種適用于轉子發動機的預燃級火焰穩定裝置，能為主燃級提供穩定的點火源， 保證高速進口氣流條件下的高速旋轉燃燒系統的穩定高效燃燒。
技術背景國外目前已研制出一種集沖壓發動機技術和燃氣渦輪發動機技術為一體的新概念發動機一 沖壓轉子發動機。該種發動機可分為兩類 一類沖壓轉子發動機是采用沖壓轉子壓縮空氣，其 后緊跟燃燒室及渦輪進行燃燒和做功；另一類是在一個轉子上實現氣體壓縮、燃燒和膨脹做功。 美國Ramgen公司針對這兩類沖壓轉子發動機都進行了研究和運行試驗，其主要目的還是將沖壓 轉子發動機應用在工業燃氣輪機方面提供動力，并且均采用氣體燃料。特別是第二類沖壓轉子發動機，它是將沖壓模型、燃燒室和尾噴管安裝在一個轉子輪緣上 組成沖壓推進模塊，以實現空氣壓縮、燃燒和膨脹做功三大功能，成為一個獨立工作的轉子式 發動機。由于燃燒系統跟隨轉子高速旋轉，其進口來流相對速度高，要實現高效穩定燃燒，對 燃燒組織形式、可靠穩火技術以及燃氣密封等提出了新的挑戰。Ramgen公司在轉子上的燃燒室采用氣體燃料(天然氣+氫氣)成功地實現了點火、沖壓和 穩定運行。為了給燃燒室提供可靠的穩火源，Ramgen公司在轉子上采用三種穩定火焰方式純 后臺階方式，旋渦發生器+后臺階方式以及燈塔+后臺階方式。后臺階火焰穩定器是依靠臺階內 的駐渦回流區形成穩定點火源，將高溫燃燒產物傳播到新鮮來流，以點燃剪切層，但是引燃氣 和主流氣的摻混很差，大部分引燃氣直接進入了回流區，導致該處富油熄火，在離心效應和油 氣濃度分布共同作用下，火焰向燃燒室中心偏移。而旋渦發生器通過產生旋渦來增強引燃氣和 主流的摻混而使燃燒區徑向擴展，但摻混強度和燃燒穩定性需要平衡，湍流度過大可能導致熄 火。燈塔穩定器能夠提供靈活的供油方式，在徑向明顯增強燃燒強度，能夠增大火焰表面積和 放熱率，提供更均勻的溫度分布、更高的燃燒強度和燃燒室壓力，但目前所采用的燈塔堵塞率 過小，在燃燒區展向擴展不夠充分。轉子發動機上的燃燒系統隨轉子高速旋轉，會產生強烈的離心力場，以及隨之而生的浮升 力效應，這對燃料的分布以及火焰傳播將產生深遠影響。第二類沖壓轉子發動機試驗研究還表 明，當該發動機轉速在2000rpm以上時，其離心加速度在3800g以上，隨著燃燒室離心力增大 和駐留時間下降，剪切層火焰穩定性變差，只有回流區內的局部駐留時間利于燃燒，而其正常 工作轉速達到4300rpm，此時離心加速度高達17600g。而Ramgen公司還是采用火焰傳播速率 較高的氣體燃料，如果要采用液體燃料，例如航空煤油等，對其燃燒性能影響將更大。因此，在轉子發動機上，轉子轉速高，氣流相對馬赫數達到0.2以上，燃燒室內氣流具有離 心力場，離心加速度達到1000g 25000g，高流速和高離心力場給燃燒室內的火焰穩定帶來非常 大的困難，需要對穩火裝置進行精心設計。 發明內容本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種轉子發動機用塔臺式火焰穩定 器，它利用旋流低速區局部穩定火焰，再充分利用高速轉子上的高離心力場特點，用向內飄溢 的高溫火焰引燃低位區的主燃級，從而保證燃燒室的燃燒穩定性，提高燃燒效率。本發明的技術解決方案是轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于由支架和火焰 穩定筒構成，支架將火焰穩定筒固定在轉子上，使火焰穩定筒與轉子一起轉動；所述的火焰穩 定筒包括擴壓器和旋流器，火焰穩定筒氣流經過擴壓器擴壓后進入旋流器，在旋流器內利用旋 流產生的低速回流區穩定火焰，最后在火焰穩定筒出口形成高溫火焰射流，為主燃級提供穩定 火源。本發明的原理本發明利用高速旋轉的轉子上燃燒室內的強離心力場，先在高位建立起一 股穩定的火焰射流，該火焰射流在離心力和浮升力共同作用下向低位區飄溢，增加射流火焰的 徑向覆蓋區域，為主燃級燃料提供穩定點火源，保證了燃燒室的火焰穩定性和燃燒效率。本發明與現有技術相比的優點如下(1) 本發明充分利用了旋流低速區局部穩定火焰，再充分利用高速轉子上的高離心力場特 點，用向內飄溢的高溫火焰引燃低位區的主燃級，在沒有明顯增加穩火器堵塞面積的情況下增 大了火焰表面積和放熱率，從而保證燃燒室的燃燒穩定性，提高燃燒效率。(2) 通過擴大器，減小了總壓損失；(3) 旋流器中加文氏管后的低速回流區穩定，具有更強的穩火能力，對轉子發動機的穩定 工作范圍具有拓寬作用；(4) 燃料供應方式靈活，既可供氣體燃料，也可供液體燃料，帶文氏管喉道的旋流器對液 體燃料的霧化蒸發更具適應性。
圖1是本發明在轉子發動機上的工作示意圖；圖2是本發明的結構剖視圖；圖3是軸流葉片式旋流器的文氏管剖視圖;圖4是軸流式旋流器的旋流葉片結構示意圖,其中4a為其剖視圖；4tr為其右視圖，4c為 其正等測試圖，4d為其前視圖；圖5是徑流開孔式旋流器剖視圖；圖6徑流開孔式旋流器的開孔文氏管剖視圖，其中6a為其橫向剖視圖，6b為其縱向剖視圖。 圖中l是來流氣流，2是塔臺式火焰穩定器進氣流，3是主燃級氣流，4是擴壓器后的減速 氣流，5是旋流器外穩定氣流，6是穩定器低速回流區，7是穩定器中心回流，8是供入燃料，9 是穩定器燃料噴射流，10是塔臺式預燃級穩定器高溫火焰，ll是主燃區，12是外機匣，13是 內機匣，14是塔臺式火焰穩定器，40是旋流器，15是擴壓器，16是火焰穩定筒筒壁，17是文 氏管與筒壁的固定座，18是軸流式旋流器的文氏管，19是軸流式旋流器的旋流葉片，20是輸油 管，21是底座，22是支架，23是筒壁外徑，24是筒壁內徑尺寸，25是文氏管出口外徑尺寸， 26是文氏管出口內徑尺寸，27是喉道直徑，28是擴壓器進口直徑，29是擴壓器出口直徑。對于旋流器的結構尺寸，以下給出了主要的幾何特征30是文氏管與中心旋流體的安裝尺 寸，它與旋流器葉片或中心體外徑尺寸33構成緊配合；31是文氏管長度；32是文氏管出口角 度；34是旋流器葉片與軸向夾角，它在很大程度上決定了旋流強度；35是徑流開孔式旋流器文 氏管；36是徑流開孔式旋流器中心體；37是徑流開孔式旋流器的開孔孔排距；38是旋流器開孔， 其直徑和開孔個數決定了旋流流量；39是旋流器開孔射流的入射半徑，決定了旋流器旋流數。
具體實施方式
如圖1所示，在轉子發動機上，燃燒室內機匣13隨轉子一同旋轉，旋轉角速度co,而燃燒 室外機匣12由于轉子發動機結構設計的不同，可以是隨轉子一起轉動，也可以是靜止不動的。 氣流I以一定的相對速度流入燃燒室，目前的典型沖壓轉子發動機中該氣流的相對馬赫數在0.2 以上。在流經本發明塔臺式火焰穩定器中火焰穩定筒14時氣流分股， 一部分氣流2進入火焰穩 定筒14的供預燃級燃燒使用，另一部分氣流3從火焰穩定筒14外流入燃燒室供主燃級燃燒和 摻混使用。塔臺式火焰穩定器的燃料供給8通過轉子輪緣供入。由于整個燃燒室隨轉子一同旋 轉，將參考坐標系固定在轉子上，則在轉子輪緣上的燃燒室內存在離心力場，其離心加速度為 (7 =及。2。由于該離心力場的存在，會使氣流在徑向上產生壓力梯度，進而對高溫燃氣產生浮 升力效應，使從火焰穩定筒出來的火焰射流10從高位向內半徑的低位區飄溢，加強了火焰的徑 向傳播，也與從低位區噴射出來的主燃級燃料產生交叉摻混，有利于點燃并穩定燃燒，主要燃 燒過程在主燃區11完成。如圖l、 2所示，本發明的塔臺式火焰穩定器主要由支架22和火焰穩定筒14構成。支架的 作用主要是將火焰穩定筒固定在轉子輪緣上，其高度可以根據預燃級和主燃級的氣動熱力和結 構參數調整，為了保證本發明的塔臺式火焰穩定器有良好的徑向擴展性和火焰穩定性， 一般調 節的高度為總高度的0.4-0.9之間。支架22需要根掘結構強'度和低流阻要求設計。支架外壁邊 角采用倒圓設計，平滑的外壁結構有利于減小流阻。轉子轉動時會產生的離心力，支架22會受 到運動載荷，在設計中可以采用有限元分析的方法計算轉子上支架在不伺轉速下的應力分布， 結合材料的強度極限確定支架的結構強度。支架22與火焰穩定筒14上的安裝座21固定連接將 火焰穩定筒14固定在轉子上，使火焰穩定筒14與轉子一起轉動。支架22中間為一孔，孔徑為 輸油管20外徑的1.1~1.2倍，用于輸油管20的通過。火焰穩定筒14采用直射式燃料噴嘴，既 能用氣體燃料也能用液體燃料。如圖1、 2所示，火焰穩定筒14包括擴壓器15和旋流器40，擴壓器15包括漸擴段和突擴 段，由于火焰穩定筒氣流2在擴壓器15內要降速擴壓，但要完全達到旋流器進口速度要求，漸 擴式擴壓器長度太長，因此在漸擴式擴壓器15后加有一后臺階形成突擴式擴壓器，突擴擴壓器 出口內徑等于火焰穩定筒內徑24，突擴段出口的氣流速度在28 32m/s。經過降速擴壓的氣流4 同樣也是分股流過旋流器40。可以采用軸流葉片式旋流器和徑流開孔式旋流器，其中軸流葉片 式旋轉流器由V型文氏管18和旋流器葉片19構成，V型文氏管18和旋流器葉片19采用過盈 配合的方式進行連接，前方氣流經過旋流器葉片19對輸油管20噴出的油霧進行液化，油氣混 合物經過V型文氏管18內部在其后方所產生低速回流區燃燒并穩定火焰。徑流開孔式入旋流器 由開孔V型文氏管35和中心體36構成，開孔V型文氏管35和中心體36采用過盈配合的連接 方式，開孔V型文氏管35和中心體36構成旋流器出口環縫結構，保證氣流的旋轉流動。如圖2、 3、 4所示，對于軸流葉片式旋流器一部分從V型文氏管18與筒壁16間流過形成 保護氣流5，另一部分從旋流器葉片19流過產生一定強度的旋流，在V型文氏管18后形成旋 渦低速區6和回流7穩定火焰。塔臺式火焰穩定器的燃料供給8通過輸油管20穿過支架22和 底座21從旋流器葉片19中心直接射入旋流器，形成直射式燃料噴射流9。在文氏管內，燃料和 旋流摻混，實現燃料的霧化蒸發，最后在旋渦低速區6和回流7的作用下穩定燃燒，在火焰穩 定筒出口形成高溫火焰射流，為主燃級提供穩火源。如圖5所示，對于徑流開孔式旋流器， 一部分從開孔V型文氏管35與筒壁16間流過形成 保護氣流5，另一部分從開孔V型文氏管35前部的孔內流入，在開孔V型文氏管35與中心體 36形成的環縫處產生一定強度的旋流，在開孔V型文氏管35形成旋渦低速區6和回流7穩定 火焰。此外，本發明的塔臺式火焰穩定器的堵塞比為0.3~0.8。穩定器的氣流流量應為燃燒室總流 量的2%~20%,其燃料供應應該保證其出口火焰射流的當量比為0.7 2。旋流器流量占火焰穩定 器總流量的20%~80%。軸向葉片式旋流器的葉片角度34為15° ~60° ，可以保證旋流器旋流數 在0.5-1.2范圍內。旋流器V型文氏管的堵塞比為0.35 0.8。圖1~6中給出了塔臺式火焰穩定器 的部分特征尺寸，若以火焰穩定筒內徑24為基準D，為7保證塔臺式火焰穩定器的氣流流量、 總壓損失和穩定范圍等性能參數，其結構尺寸需要在以下給出的范圍內擴壓.器進口直徑28為 0.2-0.6D,擴壓器出口直徑29為0.3 0.85D, V型文氏管到火焰穩定筒出口距離31為0.5~2.5D， V型文氏管出口外徑25為0.6~0.9D。本發明的設計方法是根據燃燒室的進口空氣流量和理想壓降給出塔臺式火焰穩定器的流 量分配和堵塞比，以及工作高度。按照火焰穩定器的流量和壓力損失設計擴壓器進出口尺寸和 長度。確定預燃級當量比后配合旋流器設計經驗關系計算旋流器的流量和旋流數，得到其幾何 尺寸。在具體實施案例中，塔臺式預燃級火焰穩定器的空氣流量占燃燒室總進氣量的2.5%，預燃 級的壓力損失為進口總壓的4.24%，采用航空煤油為燃料，預燃級當量比為1.52。火焰穩定器漸 擴式擴壓器的擴張角為8° ，進口直徑7mm,進出口面積比為0.5。突擴式擴壓器進口直徑為 lOmm，出口直徑為17mm。旋流器V型文氏管出口外徑12mm，錐角角度30° 。旋流器空氣流 量占預燃級的41%，旋流器燃油當量比為3.7。采用徑流開孔式旋流器，開孔直徑1.6mm，開孔 總個數16個，分兩排， 一排8個，其入射半徑2.3mm，旋流數為0.6。旋流器文氏管距火焰穩 定簡出口 20nun。
權利要求
1、 轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于由支架(22)和火焰穩定筒(14)構成, 支架(22)將火焰穩定筒(14)固定在轉子上，使火焰穩定筒(14)與轉子一起轉動；所述的 火焰穩定筒(14)包括擴壓器(15)和旋流器(40)，火焰穩定筒氣流(2)經過擴壓器(15) 擴壓后進入旋流器，在旋流器內利用旋流產生的低速回流區穩定火焰，最后在火焰穩定筒(14) 出口形成高溫火焰射流，為主燃級提供穩定火源。
2、 根據權利要求1所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的火焰穩定 筒(14)在燃燒通道內的高度可以通過支架(22)調節，調節的高度為總高度的0.4 0.9之間。
3、 根據權利要求1所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于 所述的支架(22)中間為一孔，孔徑為輸油管(20)外徑的1.1~1.2倍，用于輸油管(20)的通過。
4、 根據權利要求l所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的火焰穩定 筒(14)中的旋流器(40)為軸流葉片式旋流器，它由V型文氏管(18)和旋流器葉片(19) 構成，V型文氏管(18)和旋流器葉片(19)采用過盈配合的方式進行連接，前方氣流經過旋 流器葉片(19)對輸油管(20)噴出的油霧進行液化，油氣混合物經過V型文氏管(18)內部 在其后方所產生低速回流區燃燒并穩定火焰。
5、 根據權利要求l所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的火焰穩定 筒(14)中的旋流器(40)為徑流開孔式旋流器，它由開孔V型文氏管(35)和中心體(36) 構成，開孔V型文氏管(35)和中心體(36)采用過盈配合的連接方式，開孔V型文氏管(35) 和中心體(36)構成旋流器出口環縫結構，保證氣流的旋轉流動。
6、 根據權利要求1所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的火焰穩定 筒(14)中的擴壓器包括漸擴段擴壓器和在漸擴式擴壓器后形成的臺階式的突擴式擴壓器構成， 在有限的尺寸范圍內保證了低的總壓損失。
7、 根據權利要求6所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的漸擴段的 擴壓擴張角為6。 ~12° ，進口直徑(28)是火焰穩定筒內徑.(24)的,(12^0.6倍，出口直徑(29) 是火焰穩定筒內徑(24)的0.3-0.85倍。
8、 根據權利要求6所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的突擴段出 口直徑等于火焰穩定筒內徑(24)，突擴段出口的氣流速度在28 32m/s。
9、 根據權利要求1所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的旋流器氣 量占預燃級總氣量的20%~80%,旋流數0.5-1.2。
10、 根據權利要求4或5所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的旋 流器(40)中V型文氏管堵塞比為0.35-0.8，到火焰穩定筒出口距離(31)是火焰穩定筒內徑(24)的0.5 2.5倍,出口外徑(25)是火焰穩定筒內徑(24)的的0.6 0.9倍。
11、 根據權利要求1所述的轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，其特征在于所述的火焰穩 定筒(14)采用直射式燃料噴嘴，既能用氣體燃料也能用液體燃料。
全文摘要
轉子發動機用塔臺式火焰穩定器，由支架和火焰穩定筒構成，支架將火焰穩定筒固定在轉子上，使火焰穩定筒與轉子一起轉動；所述的火焰穩定筒包括擴壓器和旋流器，火焰穩定筒氣流經過擴壓器擴壓后進入旋流器，在旋流器內利用旋流產生的低速回流區穩定火焰，最后在火焰穩定筒出口形成高溫火焰射流，為主燃級提供穩火源。本發明能為轉子發動機的燃燒系統提供穩定的高位穩火源，保證整個燃燒系統具有寬廣的穩定工作范圍和高效的燃燒。
文檔編號F02C7/26GK101144430SQ20071017609
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月19日 優先權日2007年10月19日
發明者弛 張, 林宇震, 汪志強 申請人:北京航空航天大學