CN107676816A - 一种出口处内置旋流器的蒸发管、燃烧室、发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种出口处内置旋流器的蒸发管，旋流器包括中心通道以及设置在中心通道周向外围的旋流通道，采用该结构的蒸发管一方面可以利用空气的旋流作用，促进燃油液滴的破碎雾化，改善燃油雾化质量，提高燃油和空气的掺混作用。另一方面可以在蒸发管出口下游区域形成一定尺寸的稳定的回流区，增加停留时间，同时提高火焰在蒸发管燃烧室头部燃烧的稳定性，降低燃烧室贫油熄火极限。本发明的优势在于将传统蒸发管燃烧室结构简单和具有中心通道和旋流通道的旋流器稳焰优势结合在一起，极大提升蒸发管燃烧室燃油雾化质量和火焰稳定性。本发明提出的蒸发管出口带旋流器的方案，可用于微小型航空发动机和地面燃气轮机燃烧室。

Description

一种出口处内置旋流器的蒸发管、燃烧室、发动机

技术领域

本发明属于微小型航空发动机和地面燃气轮机燃烧室领域，具体涉及一种出口处内置旋流器的蒸发管以及包含该蒸发管的燃烧室、发动机，能有效改善燃油和空气掺混效果，提高火焰稳定性。

背景技术

采用蒸发管类型的燃烧室广泛应用于微小型动力设备如航空发动机和地面燃气轮机，如荷兰AMT、英国Rolls-Royce、Artesjet等一系列的产品。与常燃烧室相比，此种燃烧室具有结构简单和成本低等优势，蒸发管一般和直射喷嘴匹配，但由于缺乏专用的油气混合装置，燃油雾化效果较差，导致燃烧不够充分，且由于没有专用稳焰装置，容易出现贫油熄火现象。

国内外高性能微小型发动机由于成本和空间限制，大都采用简单紧凑的蒸发管燃烧室，通过直射式喷口和蒸发管来匹配实现燃油雾化蒸发和掺混，这种结构加单且易于加工，采用此种方案可以在较短的燃烧停留时间条件下实现相对比较良好的燃烧性能。但由于采用蒸发管的燃烧室在结构上没有喷油嘴，没有离心甩油盘，燃油从直射孔进入蒸发管，靠从蒸发管进入的空气进行加温雾化蒸发，由于燃油供油压力低，雾化蒸发效果差，贫油熄火差，且在低工况工作时，会造成燃烧效率下降。

现有技术中的微型燃烧室蒸发管，有通过改变蒸发管壁面的形状，提高管壁与燃烧室内高温气体的接触面积，增加换热效果，从而提高在蒸发管内燃油的雾化效果。或通过在蒸发管内部增加肋片结构，通过增大燃油与蒸发管的接触面积来强化换热效果，肋片结构在一定程度上能够降低气流的流速，从而达到提高燃油和空气混合物在蒸发管内的停留时间，换热效果得到加强。这些方案基本上是通过增加燃油和空气在蒸发管内的换热面积来改善掺混效果，提高燃烧效率，但是这些措施是在蒸发管内部，并无法改变油气混合物在蒸发管出口下游没有稳定的回流区这一关键特征，无法改善高温燃气在下游的停留时间，在低负荷状态容易发生熄火现象。

发明内容

本发明解决的技术问题：为克服上述现有蒸发管燃烧技术的不足，本发明提供了一种出口处内置旋流器的蒸发管方案，在蒸发管出口处安装旋流器，油气混合物经过中心通道及旋流通道后在旋流作用下，在下游掺混效果改善，且有助于提高雾化质量，改善贫油熄火特性；且在中心通道气流以及旋流通道的旋流作用会在下游产生一定尺寸的回流区，能够提高燃烧稳定性。

本发明的解决技术方案：本发明提出了一种出口处内置旋流器的蒸发管方案，在不改变原有蒸发管结构和尺寸的前提下，在蒸发管出口段内置一个小型旋流器，蒸发管内油气混合物从旋流器叶片通道内流出，在空气旋流作用下，油气迅速剧烈掺混，改善雾化效果，提高燃烧效率。

本发明提出的一种出口处内置旋流器的蒸发管方案，由于采用了带有中心通道和旋流通道的旋流器，在旋流器下游和燃烧室头部之间形成具有一定尺寸的低速回流区，增加油气混合物和高温燃气在燃烧室内的停留时间，可有效改善燃烧火焰的稳定性。

具体地，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种出口处内置旋流器的蒸发管，所述蒸发管包括依次连通的蒸发管进口段、蒸发管中间段和蒸发管出口段，其特征在于，

所述蒸发管出口段的出口处内置有旋流器，所述旋流器包括中心通道以及设置在所述中心通道周向外围由多个旋流叶片与所述蒸发管出口段的内壁构成的旋流通道，并且所述中心通道的长度与各旋流叶片沿所述蒸发管出口段轴向的长度相同，

燃油和空气混合物从所述蒸发管进口段进入蒸发管内，经所述蒸发管中间段折流至所述蒸发管出口段，所述蒸发管出口段内的燃油和空气混合物，一部分经所述旋流器的中心通道、另一部分经所述旋流器的旋流通道进入燃烧室火焰筒的头部区域。

优选地，所述蒸发管进口段、蒸发管中间段和蒸发管出口段三段构成L型或T型。

优选地，所述蒸发管整体呈L型，在所述蒸发管出口段内置一个旋流器。

优选地，所述蒸发管整体呈T型，在两个蒸发管出口段内各置一个旋流器。

进一步地，所述T型蒸发管内置的两个旋流器旋流方向相同或者相反。

优选地，所述蒸发管出口段的内径等于所述旋流叶片的外径，两者连接处通过焊接而成。

优选地，所述旋流器为轴向旋流器或者径向旋流器，优先地采用轴向旋流器。

优选地，所述旋流叶片为直叶片或者弯曲叶片，叶片厚度0.5mm～2mm，叶片高度1mm～6mm。

优选地，所述旋流叶片的个数4～16个，具体个数与所需的通道面积有关。

优选地，各所述旋流叶片的安装角为25°～75°，角度取决于所需要的旋流强度和流通面积。

优选地，所述旋流器为多级旋流器，包括一个中心通道和设置在所述中心通道周向外围的多层旋流通道。

根据本发明的另一方面，还提供了一种包括本发明上述蒸发管的燃烧室。

根据本发明的另一方面，还提供了一种包括本发明上述燃烧室的发动机。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

1.本发明在蒸发管出口处内置了一个带有中心通道和旋流通道的旋流器，与传统的蒸发管相比，油气混合物同时从中心通道和旋流通道两个流道流出蒸发管时，气流速度加大，且带有强烈的旋流作用，油气混合物在旋流作用下掺混剧烈，燃油能够快速破碎雾化，有助于改善粒径分布和燃油空间分布均匀性，提高燃烧效率。

2.本发明内置旋流器的蒸发管结构，能够在蒸发管出口至燃烧室头部之间的区域形成具有一定尺寸的低速回流区，控制回流区的尺寸和回流速度，可以增加高温燃气在回流区的停留时间，回流作用可以把新鲜的油气混合物卷吸回流区，有助于改善低负荷工况下的燃烧稳定性，避免熄火的风险，拓宽燃烧室稳定工作范围。

3.本发明提出的内置旋流器方案的蒸发管，结构简单，在不改变现有常规蒸发管燃烧室尺寸和结构方案的基础上，能充分兼顾较高的燃烧效率和拓宽燃烧室稳定工作边界。

附图说明

图1是本发明的出口处内置旋流器的蒸发管的结构示意图；

图2是采用本发明出口处内置旋流器的蒸发管的燃烧室结构示意图；

图3是本发明的旋流器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的出口内置旋流器的蒸发管，包括依次连通的蒸发管进口段2、蒸发管中间段3、蒸发管出口段4，蒸发管进口段2、蒸发管中间段3、蒸发管出口段4三段构成L型或T型(图1中示出的是T型蒸发管结构)。蒸发管出口段4的出口处内置有旋流器5，如图3所示，旋流器5包括中心通道9以及设置在中心通道周向外围由多个旋流叶片11与蒸发管出口段4的内壁构成的旋流通道，并且中心通道9的长度与各旋流叶片11沿蒸发管出口段轴向的长度相同。燃油和空气混合物从蒸发管进口段2进入蒸发管内，经蒸发管中间段3折流至蒸发管出口段4，蒸发管出口段4内的燃油和空气混合物，一部分经旋流器的中心通道9、另一部分经旋流器的旋流通道进入燃烧室火焰筒的头部区域。

图2所示为采用本发明的上述蒸发管结构的燃烧室。从压气机过来的高压空气进入燃烧室，一部分空气进入蒸发管1，从燃油喷口过来的燃油喷射也进入蒸发管1，燃油和空气混合物从蒸发管进口段2经蒸发管中间段3折流，再经蒸发管出口段4，而后经蒸发出口段4，最后从旋流器5的中心通道9和旋流通道流出，进入燃烧室头部区域。

燃油和空气在蒸发管1内进行初步掺混后，再通过旋流器5，一方面燃油在空气的旋流作用下加速破碎雾化蒸发，并和旋流空气剧烈掺混，形成均匀的油气混合物，而后被点燃，有助于提高燃烧效率。另一方面在中心通道气流以及旋流通道的旋流作用使得在旋流器5下游至火焰筒头部7之间形成一定尺寸的低速回流区8，增加高温燃气在燃烧室内的停留时间，同时回流作用卷吸来大量新鲜的油气混合物，而后被高温燃气点燃，从而形成稳定连续的火焰，极大降低燃烧室在低负荷工况下的贫油熄火风险。由于在蒸发出口段4中设置具有中心通道9和旋流通道的旋流器5，能够兼顾提高燃烧室的燃烧效率和拓宽燃烧稳定工作范围。

如图3所示，旋流器5的旋流叶片11可以采用直叶片或者弯曲叶片，叶片的个数为4～16个，根据需要而定；旋流叶片的厚度D和旋流叶片高度H根据所需叶片通道面积而确定；旋流叶片的安装角度α根据所需旋流作用的强弱而确定。

以上所述方案仅为本发明的优选实施方式而已，对于本技术领域的其他人员来说，在不脱离本技术方案和原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰优化，这些改进和润饰等均应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种出口处内置旋流器的蒸发管，所述蒸发管包括依次连通的蒸发管进口段、蒸发管中间段和蒸发管出口段，其特征在于：

所述蒸发管出口段的出口处内置有旋流器，所述旋流器包括中心通道以及设置在所述中心通道周向外围由多个旋流叶片与所述蒸发管出口段的内壁构成的旋流通道，并且所述中心通道的长度与各旋流叶片沿所述蒸发管出口段轴向的长度相同，

燃油和空气混合物从所述蒸发管进口段进入由蒸发管内，经所述蒸发管中间段至所述蒸发管出口段，所述蒸发管出口段内的燃油和空气混合物，一部分经所述旋流器的中心通道、另一部分经所述旋流器的旋流通道进入燃烧室火焰筒的头部区域。

2.根据权利要求1所述的蒸发管，其特征在于，所述蒸发管进口段、蒸发管中间段和蒸发管出口段三段可以组合成L型或者T型。

3.根据权利要求2所述的蒸发管，其特征在于，所述蒸发管整体呈L型，在所述蒸发管出口段内置一个旋流器。

4.根据权利要求2所述的蒸发管，其特征在于，所述蒸发管整体呈T型，在两个蒸发管出口段内各置一个旋流器。

5.根据权利要求4所述的蒸发管，其特征在于，所述T型蒸发管内置的两个旋流器旋流方向相同或者相反。

6.根据权利要求1所述的蒸发管，其特征在于，所述蒸发管的三段可以一体加工成形或者分段焊接而成。

7.根据权利要求1所述的蒸发管，其特征在于，所述蒸发管出口段的内径等于所述旋流叶片的外径，两者连接处采用焊接方式。

8.根据权利要求1所述的蒸发管，其特征在于，所述旋流器为轴向旋流器或者径向旋流器，优先地采用轴向旋流器。

9.根据权利要求1所述的的蒸发管，其特征在于，所述旋流叶片为直叶片或者弯曲叶片，叶片厚度0.5mm～2mm，叶片高度1mm～6mm。

10.根据权利要求1所述的蒸发管，其特征在于，各所述旋流叶片的安装角度根据旋流强度的不同而有所不同，叶片安装角为25°～75°。