CN101334174A - 转子发动机用的v型锥火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子发动机用的V型锥火焰稳定器，其特征在于：包含支架和V型锥，V型锥通过螺纹方式与支架上的V型锥连接座连接固定，置于燃烧通道的高位；所述的支架为中空结构，燃料供给通过支架的下端口进入支架中间的燃油通道，通过安装在支架末端的离心喷嘴雾化形成喷嘴油雾，对喷嘴油雾点火形成预燃级稳定器高温火焰；当整个装置随转子发动机旋转时，利用高速转子上的高离心力场特点，使预燃级稳定器高温火焰从高位向内半径的低位区飘溢，引燃低位区的主燃级，从而提高燃烧的效率，保证燃烧的稳定性。本发明为转子发动机的燃烧***提供稳定的高位稳火源，保证整个燃烧***具有宽广的稳定工作范围和高效的燃烧。

Description

转子发动机用的V型锥火焰稳定器

技术领域

本发明涉及一种发动机的火焰稳定装置，特别涉及一种转子发动机用的预燃级火焰稳定装置-V型锥火焰稳定器。

背景技术

国外目前已研制出一种集冲压发动机技术和燃气涡轮发动机技术为一体的新概念发动机-冲压转子发动机。该种发动机可分为两类：一类冲压转子发动机是采用冲压转子压缩空气，其后紧跟燃烧室及涡轮进行燃烧和做功；另一类是在一个转子上实现气体压缩、燃烧和膨胀做功。美国Ramgen公司针对这两类冲压转子发动机都进行了研究和运行试验，其主要目的还是将冲压转子发动机应用在工业燃气轮机方面提供动力，并且均采用气体燃料。

特别是第二类冲压转子发动机，它是将冲压模型、燃烧室和尾喷管安装在一个转子轮缘上组成冲压推进模块，以实现空气压缩、燃烧和膨胀做功三大功能，成为一个独立工作的转子式发动机。由于燃烧***跟随转子高速旋转，其进口来流相对速度高，要实现高效稳定燃烧，对燃烧组织形式、可靠稳火技术以及燃气密封等提出了新的挑战。

Ramgen公司在转子上的燃烧室采用气体燃料(天然气+氢气)成功地实现了点火、冲压和稳定运行。为了给燃烧室提供可靠的稳火源，Ramgen公司在转子上采用三种稳定火焰方式：纯后台阶方式，旋涡发生器+后台阶方式以及灯塔+后台阶方式。后台阶火焰稳定器是依靠台阶内的驻涡回流区形成稳定点火源，将高温燃烧产物传播到新鲜来流，以点燃剪切层，但是引燃气和主流气的掺混很差，大部分引燃气直接进入了回流区，导致该处富油熄火，在离心效应和油气浓度分布共同作用下，火焰向燃烧室中心偏移。而旋涡发生器通过产生旋涡来增强引燃气和主流的掺混而使燃烧区径向扩展，但掺混强度和燃烧稳定性需要平衡，湍流度过大可能导致熄火。灯塔稳定器能够提供灵活的供油方式，在径向明显增强燃烧强度，能够增大火焰表面积和放热率，提供更均匀的温度分布、更高的燃烧强度和燃烧室压力，但目前所采用的灯塔堵塞率过小，在燃烧区展向扩展不够充分。

转子发动机上的燃烧***随转子高速旋转，会产生强烈的离心力场，以及随之而生的浮升力效应，这对燃料的分布以及火焰传播将产生深远影响。第二类冲压转子发动机试验研究还表明，当该发动机转速在2000rpm以上时，其离心加速度在3800g以上，随着燃烧室离心力增大和驻留时间下降，剪切层火焰稳定性变差，只有回流区内的局部驻留时间利于燃烧，而其正常工作转速达到4300rpm，此时离心加速度高达17600g。而Ramgen公司还是采用火焰传播速率较高的气体燃料，如果要采用液体燃料，例如航空煤油等，对其燃烧性能影响将更大。

因此，在转子发动机上，转子转速高，气流相对马赫数达到0.2以上，燃烧室内气流具有离心力场，离心加速度达到1000g～50000g，高流速和高离心力场给燃烧室内的火焰稳定带来非常大的困难，需要对稳火装置进行精心设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于转子发动机的预燃级V型锥式火焰稳定器，利用稳定器后因气体粘性产生的低速区组织燃烧，再充分利用高速转子上的高离心力场特点，用向内飘溢的高位高温火焰引燃低位区的主燃级，从而保证燃烧室的燃烧稳定性，提高燃烧效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：转子发动机用的V型锥火焰稳定器，其特征在于：包含支架和V型锥，V型锥通过螺纹方式与支架上的V型锥连接座连接固定，置于燃烧通道的高位；所述的支架为中空结构，燃料供给通过支架的下端口进入支架中间的燃油通道，通过安装在支架末端的离心喷嘴雾化形成喷嘴油雾，对喷嘴油雾点火形成预燃级稳定器高温火焰；当整个装置随转子发动机旋转时，利用高速转子上的高离心力场特点，使预燃级稳定器高温火焰从高位向内半径的低位区飘溢，引燃低位区的主燃级，从而提高燃烧的效率，保证燃烧的稳定性。。

所述的支架为“拐”形，支架的拐角角度可以调节，便于调节V型锥在燃烧通道内的位置。

在所述支架的末端安装有喷射装置离心喷嘴，并与安装在支架末端的喷嘴安装座采用螺纹方式连接固定。

所述的V型锥为圆锥型，V型锥的顶角角度范围为30°至60°之间，堵塞比的范围为0.25～0.5。

所述的V型锥的顶部设计有V型锥顶部倒角，有助于于减小气流流阻。

所述的V型锥连接座后设计有便于加工V型锥安装座退刀槽和防止V型锥移动的档板。

本发明的原理如下：本发明利用高速旋转的转子上燃烧室内的强离心力场，先在高位建立起一股稳定的火焰，该火焰在离心力和浮升力共同作用下向低位区飘溢，增加了火焰的径向覆盖面积，为主燃级燃料提供稳定点火源，保证了燃烧室的火焰稳定性和燃烧效率。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

(1)本发明的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，充分利用了转子高速旋转产生的离心力效应，帮助高温火焰在径向上的扩散传播，在没有明显增加稳火器堵塞面积的情况下增大了火焰表面积和放热率，从而保证燃烧室的燃烧稳定性，提高了燃烧效率；

(2)本发明的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，针对转子发动机上有限的燃烧室空间，V型锥式火焰稳定器在高位稳火，为低位主燃级提供持续稳火源；

(3)本发明的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，V型锥式钝体后的低速回流区稳定，具有较强的稳火能力，对转子发动机的稳定工作范围具有拓宽作用；

(4)本发明的转子发动机用的V型锥火焰稳定器结构简单，稳定器受离心力场影响较小，易于稳定火焰；

(5)本发明的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，可以根据不同的燃烧条件更换不同阻塞比的V型锥以减小气动损失并达到最佳的稳火效果。

附图说明

图1是V型锥火焰稳定器在转子发动机上的工作示意图；

图2是V型锥火焰稳定器的整体结构剖视图；

图3是V型锥火焰稳定器的V型锥结构剖视图；

图4是V型锥火焰稳定器的支架结构剖视图；

其中1是燃烧室主流气流，2是V型锥外壁面流动气流，3是燃料供给，4是预燃级稳定器高温火焰，5是主燃区，6是喷嘴油雾，7是V型锥式火焰稳定器，8是支架，9是V型锥安装座，10是喷嘴安装座，11是燃烧室外机匣，12是燃烧室内机匣，13是V型锥，14是离心喷嘴，15是喷嘴出口与V型锥底面距离，16是V型锥螺纹长度，17是V型锥长度，18是V型锥底面内径，19是V型锥底面外径，20是V型锥顶角角度，21是V型锥顶部倒角，22是V型锥螺纹，23是喷嘴安装座螺纹，24是V型锥安装座螺纹，25是挡板，26是V型锥安装座螺纹长度，27是喷嘴安装座退刀槽，28是喷嘴安装座螺纹长度，29是V型锥安装座退刀槽，30是支架高度，31是支架角度，32是燃油通道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

将V型锥火焰稳定器安装在转子发动机上，如图1所示；在转子发动机上，燃烧室内机匣12随转子一同旋转，旋转角速度为ω，而燃烧室外机匣11由于转子发动机结构设计的不同，可以是随转子一起转动，也可以是静止不动的；燃烧室主流气流1以一定的相对速度流入燃烧室，目前典型冲压转子发动机中该气流的相对马赫数在0.2以上；在流经V型锥火焰稳定器7中的V型锥13时，V型锥外壁面流动气流2在V型锥13的尾缘处由于粘性形成回流区，该低速回流区稳定，具有较强的稳火能力，对转子发动机的稳定工作范围具有拓宽作用；V型锥式火焰稳定器7的燃料供给3通过转子轮缘从支架8的下端口进入支架8中间的燃油通道32，经离心喷嘴14雾化形成喷嘴油雾6，对喷嘴油雾6点火形成预燃级稳定器高温火焰4。由于整个燃烧室随转子一同旋转，将参考坐标系固定在转子上，则在转子轮缘上的燃烧室内存在离心力场，其离心加速度为G＝Rω²。由于该离心力场的存在，会使气流在径向上产生压力梯度，进而对高温燃气产生浮升力效应，使预燃级稳定器高温火焰4从高位向内半径的低位区飘溢，加强了火焰的径向传播，也与从低位区喷射出来的主燃级燃料产生交叉掺混，有利于点燃并稳定燃烧，主要燃烧过程在主燃区5完成。

如图1、图2所示，本发明的V型锥式火焰稳定器7包含有支架8和V型锥13；支架8的作用主要是将V型锥13固定在转子轮缘上，并将V型锥置于燃烧通道的高位，如图1所示，支架高度30和支架角度31可以根据预燃级和主燃级的气动热力和结构参数调整，为了保证本发明的V型锥式火焰稳定器有良好的径向扩展性和火焰稳定性，一般调节的支架高度30为转子发动机燃烧通道总高度的0.4-0.9之间。支架8需要根据结构强度和低流阻要求设计，平滑的支架外壁结构有利于减小流阻。转子转动时会产生的离心力，支架8会受到运动载荷，在设计中可以采用有限元分析的方法计算转子上支架在不同转速下的应力分布，结合材料的强度极限确定支架的结构强度。支架8上的V型锥安装座9与V型锥13采用螺纹方式连接固定，V型锥安装座9的长度26以及V型锥安装座螺纹24与V型锥13配合。在V型锥安装座9后设计有便于加工的退刀槽29和防止V型锥移动的档板25，如图2，支架8上装置喷嘴安装座10，雾化方式采用离心喷嘴14；离心喷嘴14与喷嘴安装座10采用螺纹方式连接固定。在喷嘴安装座10后有喷嘴安装座退刀槽27便于加工；V型锥式火焰稳定器7的燃料供给3从油管通过支架8内的燃油通道32从喷嘴座进入离心喷嘴14，离心喷嘴14雾化燃油形成喷嘴油雾6；通过调节喷嘴出口距V型锥底面的距离15用以防止喷嘴油雾6喷射到V型锥内壁面。

V型锥13作为火焰稳定器7的关键部分，如图2、图3所示，V型锥13的阻塞比主要由V型锥底面外径19决定，V型锥底面内径18较V型锥底面外径19小4mm；V型锥顶角角度20在30°至60°之间选取，以30°为优。为了保证V型锥的固定，同时防止油雾喷射到V型锥内壁面，V型锥螺纹长度16应根据V型锥长度17按1∶4至1∶5的比例范围内选取。V型锥螺纹22需要与支架8的V型锥安装座配合。为了避免气流流动损失，在V型锥的顶部设计V型锥顶部倒角21，有利于减小流阻。

在本实施例中，采用航空煤油为燃料，V型锥阻塞比为0.3，底面外径19为50mm，底面内径18为46mm，V型锥顶角20为35°，V型锥长度17为65mm，V型锥螺纹长度16为12mm，V型锥螺纹22为M12的螺纹标准。如图4，支架高度30为35mm，支架角度31为90°，V型锥安装座螺纹长度26为20mm，V型锥安装座螺纹24为M12的螺纹标准，喷嘴安装座螺纹长度28为3mm，喷嘴安装座螺纹23为M10的螺纹标准。V型锥安装座退刀槽长度29和喷嘴安装座退刀槽长度27均为1mm，挡板25直径为12mm。如图2，离心喷嘴14喷雾角为60°，喷嘴出口距离V型锥底面长度15为35mm。

Claims (6)

1、转子发动机用的V型锥火焰稳定器，其特征在于：包含支架(8)和V型锥(13)，V型锥(13)通过螺纹方式与支架(8)上的V型锥连接座(9)连接固定，置于燃烧通道的高位；所述的支架(8)为中空结构，燃料供给(3)通过支架(8)的下端口进入支架(8)中间的燃油通道(32)，通过安装在支架(8)末端的离心喷嘴(14)雾化形成喷嘴油雾(6)，对喷嘴油雾(6)点火形成预燃级稳定器高温火焰(4)；当整个装置随转子发动机旋转时，利用高速转子上的高离心力场特点，使预燃级稳定器高温火焰(4)从高位向内半径的低位区飘溢，引燃低位区的主燃级，从而提高燃烧的效率，保证燃烧的稳定性。

2、根据权利要求1所述的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，其特征在于：所述的支架(8)为“拐”形，支架(8)的拐角角度(31)可以调节，便于调节V型锥(13)在燃烧通道内的位置。

3、根据权利要求1所述的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，其特征在于：在支架(8)的末端安装有喷射装置离心喷嘴(14)，并与安装在支架(8)末端的喷嘴安装座(10)采用螺纹方式连接固定。

4、根据权利要求1所述的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，其特征在于：所述的V型锥(13)为圆锥型，V型锥(13)的顶角角度(20)范围为30°至60°之间，堵塞比的范围为0.25～0.5。

5、根据权利要求1所述的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，其特征在于：所述的V型锥(13)的顶部设计有V型锥顶部倒角(21)，有助于于减小气流流阻。

6、根据权利要求1所述的转子发动机用的V型锥火焰稳定器，其特征在于：所述的V锥连接座(9)后设计有便于加工V型锥安装座退刀槽(29)和防止V型锥移动的档板(25)。

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