一种两级涡流器可调的变几何燃烧室

技术领域

本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种两级涡流器可调的变几何燃烧室。

背景技术

随着人类环保、健康意识不断增强，人们对排放的要求也日益严苛，低排放燃烧室已成为航空发动机、燃气轮机技术先进和市场竞争力强的主要标志之一，各组织、地方对航空发动机、燃气轮机的污染排放标准作出了明确规定。在燃烧排放的产物中，对氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)有着较为严苛的要求，这两种气态污染物不仅有毒，还能导致形成光化学烟雾，破坏地球臭氧层。为实现燃烧室的低污染燃烧，通常采取的方法是将主燃区的燃烧温度控制在1670K～1900K的范围内，在该温度范围内产生的氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)都很少，其中主燃区的燃烧温度主要由该区内的空气和燃料比例所决定。然而，燃烧室除了要控制工作状态的燃烧温度，还要兼顾点火起动和燃烧稳定性，在固定几何燃烧室上，这两者在设计上是相互矛盾的，单纯的通过增加主燃区空气量来降低燃烧温度，会造成燃烧室的点火起动和燃烧稳定性出现恶化。

为保证燃烧室既具有低的污染排放又具有良好的点熄火性能，目前普遍采用了分级燃烧的方式，即将燃烧室内的燃烧区分为值班级和主燃级，其中值班级用于保证点火起动和燃烧稳定性，主燃级则用于控制燃烧温度实现低的污染排放，典型的分级燃烧方式有轴向分级燃烧、径向分级燃烧、周向分级燃烧等，这些分级结构会造成燃烧室的复杂程度大幅提升，燃烧室的长度、体积、重量、冷却面积也相应增加，还容易出现温度分布不均、涡轮效率下降等问题。除此之外，还有一些通过复杂机构主动调节燃烧室进气面积的变几何燃烧室方案，但由于需要增加调节机构，存在复杂度高、重量大、成本高、高温高压的恶劣工作环境导致机构可靠性低等问题，并未得到广泛应用。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种两级涡流器可调的变几何燃烧室，包括：

火焰筒以及在火焰筒头部安装的自适应的进气装置，自适应的进气装置包括：内旋流器、冷却环、外旋流器、SMA弹簧以及偏置弹簧；

外旋流器为筒状，外旋流器后端壁面上具有将外壁外空气引入壁内的外旋流通道；

内旋流器包括内旋流通道，所述内旋流通道的外壁前缘连接迎气流面，在背离迎气流面的一侧具有环槽，所述环槽的外壁面与外旋流器前端连接；

外旋流器的内壁面，所述环槽以及所述内旋流通道的外壁形成安装SMA弹簧、偏置弹簧以及冷却环的窄口环腔，冷却环前端间隙套在窄口环腔腔口中，冷却环外壁面具有的法兰，SMA弹簧一端抵住所述环槽的槽底，另一端抵住法兰，偏置弹簧一端抵住外旋流器内壁面具有的台阶面，另一端抵住法兰，SMA弹簧与偏置弹簧分别向法兰提供方向相反的轴向力；

冷却环的外壁具有与所述外旋流通道形成外旋流通道出口的外锥面，冷却环的内壁具有与所述内旋流通道形成内旋流通道出口的内锥面，SMA弹簧的弹力系数随温度变化而变化，温度变化时SMA弹簧与偏置弹簧的合力推动冷却环轴向移动，冷却环的轴向移动使所述内旋流通道出口的出口面积以及所述外旋流通道出口的出口面积增大或者减小。

优选的是，所述环槽具有将空气引入环槽的进气口，冷却环为环腔结构，冷却环的环腔的腔口朝向所述环槽中SMA弹簧所在位置，冷却环的环腔的腔底具有排气孔，所述环槽的空气通过冷却环的环腔后通过所述排气孔排出，同时降低冷却环2火焰侧的温度。

优选的是，内旋流器的内旋流通道包括内环通道与中环通道，内环通道具有周向分布的多个内环叶片，中环通道具有周向分布的多个中环叶片，内环通道与中环通道之间通过文氏管隔开，所述文氏管沿气流后方延伸与内锥面形成排出中环通道气体的所述内旋流通道出口。

优选的是，SMA弹簧具有一系列多个厚度不同的SMA弹簧调整垫，偏置弹簧具有一系列多个厚度不同的偏置弹簧调整垫。

优选的是，外旋流器内壁面上具有凹槽，凹槽与法兰具有的防转凸台配合，防止法兰和冷却环在工作时转动。

优选的是，SMA弹簧由高温形状记忆合金制造成型。

优选的是，冷却环的轴向位移包括由其前端面与内旋流器的台阶面抵接形成的第一限位处以及法兰与外旋流器的台阶面抵接形成的第二限位处。

优选的是，外旋流通道的最大出口面积与外旋流通道的最小出口面积之比为1.1～+∞；内旋流通道的最大出口面积与内旋流通道的最小出口面积之比为1.1～3。

优选的是，所述内环通道、所述中环通道以及所述外旋流通道中均具有周向分布的弯曲叶片。

优选的是，所述环槽的外壁面与外旋流器前端通过螺纹连接。

本申请主要实现了燃烧室进气的自动调节功能，即根据来流温度自动调节中、外两级旋流器的出口几何面积，实现火焰筒头部进气量的自动调整，即可保证点火起动和燃烧稳定性，又可控制典型工作状态的燃烧温度，实现低的污染排放，该方法的优点如下：1.实现了自动调节燃烧室进气几何结构，调整头部进气量的功能；2.SMA弹簧可快速与来流温度进行热量交换，调节时间较短；3.弹簧初始弹力可根据需要进行调整；4.无复杂的主动调节机构，结构简单、重量轻、成本低、可靠性高；5.比单级可调涡流器的流量调节范围更广。

附图说明

图1是本申请一优选实施方式两级涡流器可调的变几何燃烧室剖视图；

图2是本申请自适应的进气装置剖视图；

图3是本申请自适应的进气装置立体图；

图4是本申请实施例中组合件示意图；

图5是本申请火焰筒进气装置模式切换示意图；

图6是本申请冷却环剖视图；

图7是本申请冷却环立体图；

图8是本申请法兰剖视图；

图9是本申请法兰立体图；

图10是本申请外旋流器剖视图；

图11是本申请外旋流器立体图；

图12是本申请内旋流器剖视图；

图13是本申请内旋流器立体图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

如图1所示，为了解决上述问题，本申请提供了一种两级涡流器可调的变几何燃烧室A，包括：

火焰筒以及在火焰筒头部安装的自适应的进气装置B，如图2图3，自适应的进气装置B通过外旋流器4上的安装面4-1装配在火焰筒头部，通过压板C进行固定，外旋流器4的外防转凸台4-2用于防止自适应的进气装置B随气流转动，内旋流器1上的内孔1-2中安装燃油喷嘴D；自适应的进气装置B由内旋流器1、冷却环2、法兰3、外旋流器4、SMA弹簧5、偏置弹簧6、SMA弹簧调整垫7、偏置弹簧调整垫8组成；首先由冷却环2、法兰3、外旋流器4、偏置弹簧6、偏置弹簧调整垫8通过螺纹2-3、螺纹3-1相互连接成组合件E，如图4所示，组合件E再与内旋流器1、SMA弹簧5、SMA弹簧调整垫7通过第一螺纹1-4、第二螺纹4-4相互连接组成自适应的进气装置B。

外旋流器4为筒状，如图10图11所示，外旋流器4后端壁面上具有将外壁外空气引入壁内的外旋流通道；

内旋流器1包括内旋流通道，如图12图13所示，所述内旋流通道的外壁前缘连接迎气流面1-5，在背离迎气流面1-5的一侧具有环槽，所述环槽的外壁面与外旋流器4前端连接；

外旋流器4的内壁面，所述环槽以及所述内旋流通道的外壁形成安装SMA弹簧5、偏置弹簧6以及冷却环2的窄口环腔，冷却环2前端间隙套在窄口环腔腔口中，冷却环2外壁面具有的法兰3，如图8图9所示，SMA弹簧5一端抵住所述环槽的槽底，另一端抵住法兰3，偏置弹簧6一端抵住外旋流器4内壁面具有的台阶面，另一端抵住法兰3，SMA弹簧5与偏置弹簧6分别向法兰3提供方向相反的轴向力；法兰3由SMA弹簧5和偏置弹簧6共同压紧固定，法兰3可带动冷却环2沿内旋流器1的中心轴在一定范围内移动；

如图6图7所示，冷却环2的外壁具有与所述外旋流通道形成外旋流通道出口的外锥面2-4，冷却环2的内壁具有与所述内旋流通道形成内旋流通道出口的内锥面2-5，SMA弹簧5的弹力系数随温度变化而变化，温度变化时SMA弹簧5与偏置弹簧6的合力推动冷却环2轴向移动，冷却环2的轴向移动使所述内旋流通道出口的出口面积以及所述外旋流通道出口的出口面积增大或者减小；如图5所示，其中备选的是，内旋流器1的内旋流通道包括内环通道的与中环通道，内环通道具有周向分布的多个内环叶片1-6，中环通道具有周向分布的多个中环叶片1-7，内环通道与中环通道之间通过文氏管1-8隔开，所述文氏管1-8沿气流后方延伸与内锥面2-5形成排出中环通道气体的所述内旋流通道出口；

在一些可选实施方式中，所述环槽具有将空气引入环槽的进气口1-1，冷却环2为环腔结构，冷却环2的环腔的腔口朝向所述环槽中SMA弹簧5所在位置，冷却环2的环腔的腔底具有排气孔，所述环槽的空气通过冷却环2的环腔后通过所述排气孔排出，来流空气可由该进气口1-1流经SMA弹簧5所在位置的弹簧腔，弹簧腔中的SMA弹簧5可快速与来流温度进行热量交换，调节自身温度，另外，该空气从出气口2-2流出后还可对冷却环2的表面进行冷却，防止出现烧蚀。

在一些可选实施方式中，冷却环2的轴向位移包括由其前端面与内旋流器1的台阶面抵接形成的第一限位处1-3以及法兰3与外旋流器4的台阶面抵接形成的第二限位处4-3；其中SMA弹簧5弹力受自身温度影响大，其特征是在自身温度低于相变温度时弹簧弹力下降，在自身温度高于相变温度时弹簧弹力上升，偏置弹簧6由普通合金制造成型，弹簧弹力受自身温度影响小。当SMA弹簧5自身温度低于相变温度时，偏置弹簧6与SMA弹簧5的合力推动法兰3和冷却环2左移，直至到达第一限位处1-3，中旋流器和外旋流器的出口面积切换为小流量状态Ar1和Br1，进入火焰筒头部的空气流量减小；当SMA弹簧5自身温度高于相变温度时，SMA弹簧5推动法兰3和冷却环2右移，直至到达第二限位处4-3，中旋流器和外旋流器的出口面积切换为大流量状态Ar2和Br2，进入火焰筒头部的空气流量增大。

在一些可选实施方式中，SMA弹簧5具有一系列多个厚度不同的SMA弹簧调整垫7，偏置弹簧6具有一系列多个厚度不同的偏置弹簧调整垫8，通过更换不同厚度的垫片可调整SMA弹簧5和偏置弹簧6的初始弹力。

在一些可选实施方式中，外旋流器4内壁面上具有凹槽4-5，凹槽4-5与法兰3具有的防转凸台3-2配合，防止法兰3和冷却环2在工作时转动。

在一些可选实施方式中，外旋流通道的最大出口面积与外旋流通道的最小出口面积之比为1.1～+∞；内旋流通道的最大出口面积与内旋流通道的最小出口面积之比为1.1～3。

在一些可选实施方式中，所述内环通道、所述中环通道以及所述外旋流通道中均具有周向分布的弯曲叶片。

内旋流器1一方面用于固定和包裹SMA弹簧5，通过第一螺纹1-4与外旋流器4上的第二螺纹4-4连接，其迎气流面1-5为流线型，可减小气流损失；另一方面，其上内环叶片1-6和中环叶片1-7为弯曲叶片，用于使气流旋转，起到稳定燃烧和辅助雾化的作用。

在一些可选实施方式中，所述变几何燃烧室A上安装了1～30个自适应的进气装置B。

在一些可选实施方式中，所述自适应的进气装置B上的法兰3和冷却环2沿内旋流器1中心轴的移动距离为1～10毫米，大流量状态和小流量状态的中旋流器出口面积比Ar2/Ar1为1.1～3，外旋流器出口面积比Br2/Br1为1.1～+∞。

在一些可选实施方式中，所述外旋流器4上的外防转凸台4-2的数量为1～5个，凹槽4-5的数量为1～6个。

在一些可选实施方式中，所述内旋流器1上的进气口1-1的数量为1～20个，口宽为0.5～5毫米。

在一些可选实施方式中，所述冷却环2上的环槽2-1的数量为1～8个，槽宽为0.5～5毫米，出气孔2-2的数量为10～100个，直径为0.5～3毫米。

在一些可选实施方式中，所述法兰3上的防转凸台3-2的数量为1～6个。

在一些可选实施方式中，所述外旋流器4上的外环叶片4-6的数量为10～60个。

在一些可选实施方式中，所述内旋流器1上的内环叶片1-6、中环叶片1-7的数量为5～30个。

在一些可选实施方式中，所述冷却环2、外旋流器4上的螺纹2-3、4-4的螺距为0.5～3毫米。

在一些可选实施方式中，所述SMA弹簧5、偏置弹簧6的丝径为1～8毫米，节距为2～10毫米。

在一些可选实施方式中，所述SMA弹簧调整垫7、偏置弹簧调整垫8的厚度在0.1～5毫米范围。

本申请主要实现了燃烧室进气的自动调节功能，即根据来流温度自动调节中、外两级旋流器的出口几何面积，实现火焰筒头部进气量的自动调整，即可保证点火起动和燃烧稳定性，又可控制典型工作状态的燃烧温度，实现低的污染排放，该方法的优点如下：1.实现了自动调节燃烧室进气几何结构，调整头部进气量的功能；2.SMA弹簧可快速与来流温度进行热量交换，调节时间较短；3.弹簧初始弹力可根据需要进行调整；4.无复杂的主动调节机构，结构简单、重量轻、成本低、可靠性高；5.比单级可调涡流器的流量调节范围更广。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。