[实用新型]一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构

说明书

技术领域

本实用新型主要应用在燃气轮机旋流燃烧室设计中，尤其在燃油雾化和火焰稳定方面，具体涉及一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构。

背景技术

    在燃气轮机燃烧室设计中，燃油雾化和油气匹配是决定高性能燃烧室综合性能的关键，进而影响着整个发动机的动力性，经济性及排放指标。在燃气涡轮发动机燃烧室上，采用旋流燃烧方案一方面是为了使高速气流旋转产生离心力，形成回流区，从而维持火焰稳定，另一方面是为了使油气充分混合，保证燃烧完全，减少污染物生成。因此，燃烧室性能的好坏直接与燃烧室头部旋流燃烧装置（通称为火焰筒头部）的设计相关，对发动机起动特性、燃烧性能、污染排放和火焰筒寿命起决定作用。因此旋流燃烧装置的性能对燃烧室乃至整机性能具有至关重要的作用。

早期，不少学者提出双级旋流器、文氏管与离心喷嘴组合的旋流燃烧室头部方案，将形成回流区的进气功能与燃油气动雾化功能融为一体，同时具有燃油雾化、油气混合和回流区形成的功能。但由于旋流燃烧流场的复杂性，其流动和雾化特性与其结构、气动参数及其匹配有很大关系。因此有必要对旋流燃烧过程进行深入了解，才能对旋流燃烧装置的设计不断的优化和改进。

    本实用新型在双级旋流器、文氏管与离心喷嘴组合的旋流方案基础上，进行了结构改进。依据Rayleigh和Weber的雾化理论，通过构造一种设有开孔式文氏管的旋流结构，引入横向射流，对燃油射流产生气动力作用，从而改善燃油雾化质量和混气形成，避免了主燃区燃烧不均匀性造成的局部高温，减少了污染物生成，提高了燃烧室性能。

发明内容

本实用新型设计了一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧装置，其具体技术方案如下：

一种设有开孔式文氏管的旋流燃烧室头部结构：包括双级轴向旋流器，所述的双级轴向旋流器包括外旋流器和内旋流器，外旋流器和内旋流器旋向相反；内旋流器后连接着内文氏管，内文氏管喉部直伸段沿周向开孔；外旋流器后连接着外文氏管，外文氏管采用二次曲线造型；燃油喷嘴位于内旋流器轮毂中央，燃油喷嘴出口端面位于内文氏管喉部上游；内、外文氏管出口端面之间存在预混段。

所述的外旋流器叶片安装角大于内旋流器。所述的内文氏管设有喉部直伸段、收敛段和扩张段，喉部直伸段、收敛段和扩张段均采用直线造型。所述的内文氏管喉部直伸段沿周向的开孔选择单排圆孔或方孔。所述的内文氏管收敛角大于外文氏管，而内文氏管扩张角小于外文氏管。

该装置的第一个特点是双级轴向旋流器的设计，外旋流器的旋流强度要大于内旋流器，因而外旋流器叶片安装角要大于内旋流器。这样，外旋流能够控制下游火焰筒回流区，起稳定火焰作用，而内旋流与燃油混合，主要起改善雾化作用。

该装置第二个特点就是设计了一种带喉部直伸段的开孔式文氏管通道。开孔的目的是为了引入外旋射流，外旋射流以一定的角度进入内文氏管通道，正好与喷嘴中喷射出的锥形燃油射流相互作用。

阐述开孔引入外旋射流的机理，根据Rayleigh和Weber的雾化理论，燃油雾化是气动力、黏性力、液体表面张力和惯性力等四种力相互作用的结果，当液体表面所受的气动力作用大于表面张力时，液柱表面就会发生破裂，并进一步细化成不同直径的油粒。在内文氏管喉部处开圆孔引入外旋射流，一方面在横向的外旋射流气动力作用下，燃油射流会沿着气流流动方向弯曲，射流横截形状由圆形逐渐变成扁平形，最后变成越来越薄的油膜。另一方面油气之间相对速度使射流表面出现波动，这些波动加剧了燃油射流表面的弯曲，当一定程度时在波动的波谷处射流发生断裂，分裂成一段段碎片，进而可以破碎成许多细小的油粒，这样改善了燃油的雾化特性。

进一步阐述开孔引入外旋射流，喉部开孔的原因是内旋气流经过收敛通道后，速度增加，压力减小，因此在内文氏管喉部的内外两侧形成压力差。一方面有利于外旋气流的引入，另一方面使内旋气流速度增大，对油气之间的快速混合起强化作用。

进一步阐述开孔引入外旋射流，考虑到内文氏管结构周向对称性，孔的形状设计成圆孔或方孔；又由于内文氏管流动空间的限制，应选择在喉部中间位置开单排孔。

该实用新型的第三个特点是外文氏管的设计，通常的文氏管型面大都是先收缩后扩张的直线型面，而本装置外文氏管采用二次曲线型面设计。平滑的二次曲线型面保证了气流加速减压和减速增压过程能较平稳的过渡，这样避免了流场状态变化过大，以至在开孔引气处造成较大的局部阻力，从而产生较大的流动损失。