CN108253456B - 一种基于外凹腔的旋流加力燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外凹腔的旋流加力燃烧室，包括外筒体组件、中心体组件和油路组件；所述外筒体组件包含外机匣和防震隔热屏；所述中心体组件包括旋流装置、内机匣、截锥、分流板、外凹腔火焰稳定器。本发明通过外凹腔火焰稳定器、旋流装置、截锥间的配合，能够以较低的阻力损失来实现高速气流中火焰的稳定及快速传播，从而实现高效、低阻燃烧和对热端部件的有效热防护，并满足燃烧室出口温度的均匀、合理分布。

Description

一种基于外凹腔的旋流加力燃烧室

技术领域

本发明属于涡扇发动机燃烧室，特别涉及一种加力燃烧室。

背景技术

随着飞行速度和飞行空域的不断扩展，对发动机的性能要求日益提高，现代高性能涡扇加力燃烧室的工作条件与前期燃烧室相比有很大变化。

随着进口燃气温度大大提高，加力燃烧室中的点火变得容易，燃油喷杆和火焰稳定器等部件的结构可靠性问题则变得突出。同时高温下快速蒸发的燃油在高速气流中的穿透深度很小，已经不能依靠射流来促使燃油和空气的掺混，点火后在稳定器尾迹区内形成的点火源很难向四周传播，因此为了达到截面上燃油分布均匀，促进火焰的传播，需要利用支板等流线型钝体或凹腔结构，采用多点、多路供油，而在高速气流中这些必然会带来较大的阻力损失。另外，随着战斗机对隐身性能的不断重视，加力燃烧室作为发动机尾部的热端部件，设计中也需要满足红外隐身和雷达隐身要求。因此，从20世纪90年代开始，国外就提出了一种加力燃烧室与涡轮后框架一体化设计的方案，即将涡轮排气框架的整流支板和加力燃烧室的火焰稳定器一体化设计，并在其内部安置燃油管路，取消了设置在流路中的加力稳定器和喷油装置，大大降低了流体损失，同时还有效缩短了加力燃烧室长度，使结构更加紧凑，引外涵空气冷却整流支板、稳定器及燃油管路可以有效提高结构耐久性，提高发动机推重比。

一体化设计的稳定器解决了供油和火焰稳定技术及其两者的匹配技术，但其下游火焰区直接受燃油分布的影响，当地油气分布直接影响着加力燃烧室的静态和动态稳定特性，必须设计不对压力降敏感的先进喷油方法来实现合理的油气分布。对于先进加力燃烧室，必须兼顾供油、掺混和稳定三方面的影响因素，采用供油、掺混和稳定一体化设计来实现合理的油气分布，达到全工况下的火焰稳定，获得高效、低阻的燃烧特性，实现对热端部件的有效热防护，从而满足先进涡扇加力燃烧室的寿命要求。

发明内容

发明目的：本发明提出一种加力燃烧室，该燃烧室通过外凹腔火焰稳定器、旋流装置、截锥间的配合实现火焰的稳定及快速传播，解决现有燃烧室火焰传播难、燃烧效率低的问题，从而实现高效、低阻燃烧和对稳定和供油结构的有效热防护，并满足燃烧室出口温度的均匀、合理分布。

技术方案：本发明所述一种加力燃烧室，包括外筒体组件、中心体组件和油路组件；所述外筒体组件包含外机匣和防震隔热屏；所述中心体组件包括内机匣、旋流装置、分流板、截锥、外凹腔火焰稳定器；所述油路组件包含主流喷油杆和凹腔喷油孔，所述外凹腔火焰稳定器位于分流板后端，外凹腔火焰稳定器向外筒体方向形成凸起并向后延伸，与防震隔热屏留有间隔，形成二次流通道。

所述外凹腔火焰稳定器包括前壁面、中壁面与后壁面；所述前壁面与截锥尾端轴向对齐；所述腔面位于前壁面后端，与外机匣平行设置；所述中壁面与后壁面分别与腔面后端连接，向后延伸。

所述外凹腔火焰稳定器中壁面的后缘角30-90°；所述外凹腔火焰稳定器的后壁面的后缘角为10-15°。

所述外凹腔火焰稳定器的长度和凸起深度的比值为3-7。

所述截锥的锥面扩张角为8-12°。

所述截锥的上端与分流板的距离为燃烧室半径的60-65％，为截锥到外机匣后端的距离的25-50％。

所述旋流装置包含内环、外环及连接内环与外环的若干叶片。

所述叶片等距排列，叶片与旋流装置的纵切面的角度为15-45°。

所述外环与外机匣之间的间距为燃烧室进口直径的25-30％；所述旋流装置的内环与内机匣之间的间距为燃烧室进口直径的10％-15％。

有益效果：(1)本发明通过外凹腔火焰稳定器、旋流装置、截锥间的配合，利用离心力加快凹腔火焰的径向传播，实现整个燃烧室截面上的联焰，从而大量减少径向或周向火焰稳定器，增加总压恢复系数，提高燃烧室性能。(2)本发明外凹腔作为值班火焰稳定器，以较低的阻力损失实现可靠点火及值班火焰稳定，通过单独供油拓宽燃烧室点火极限。(3)本发明经过旋流装置产生的部分旋流强化油气掺混，改善油雾周向分布，降低对喷油***的严苛的要求，并调整旋流与轴流的比例控制总压损失。(4)本发明通过对燃烧室结构的改进，产生的离心力抑制截锥火焰与未燃混气分界面上导致熄火的火焰大规模畸变，拓宽燃烧室熄火界限。(5)本发明燃烧室中产生的离心力使得高温产物在浮力作用下向燃烧室中心迁移，降低隔热屏等部件内壁面温度，进而降低燃烧室及尾喷管的冷却难度。

附图说明

图1是本发明60°燃烧室三维结构示意图；

图2是本发明燃烧室进口空气流示意图；

图3为本发明外凹腔火焰稳定器结构示意图；

图4是本发明燃烧室冷态流场流线图；

图5是本发明燃烧室切向速度等值线图；

图6是本发明Y20Z0布局的燃烧室冷态流场流线图；

图7是本发明Y0Z50布局的燃烧室冷态流场流线图；

图8是本发明不同凹腔位置下旋流腔进出口轴向速度分布图；

图9是本发明不同凹腔位置下旋流腔进出口切向速度分布图；

图10是本发明不同凹腔位置下沿程火焰面发展图。

具体实施方式

实施例1：如图1和图2所示，一种加力燃烧室，包括外筒体组件，中心体组件和油路组件；外筒体组件包含外机匣1和防震隔热屏2；所述中心体组件包括内机匣3、旋流装置4、分流板5、截锥6、外凹腔火焰稳定器7；所述旋流装置包含内环41、外环42及连接内环与外环的若干叶片43，叶片等距排列，叶片与旋流装置的纵切面的角度为25°。所述外环与外机匣之间的间距为燃烧室进口直径的25％；所述旋流装置的内环与内机匣之间的间距为燃烧室进口直径的10％。外凹腔火焰稳定器7位于分流板5后端，如图3所示，外凹腔火焰稳定器包括前壁面71、腔面72、中壁面73与后壁面74。形成腔体结构；所述前壁面与截锥尾端轴向对齐，外凹腔火焰稳定器深度20mm、外凹腔火焰稳定器长度与深度比值为5、中壁面的后缘角为θ₁为30°，后壁面的后缘角θ₂为15°，防止气流在后壁面上分离。所述油路组件包含位于旋流装置后端的主流喷油杆8和位于外凹腔火焰稳定器前壁面的凹腔喷油孔9。

来流从燃烧室进口进入燃烧室，来流经过旋流装置可形成部分旋转流体，通过旋流装置外环与外机闸之间形成外环轴流10，通过旋流装置内环与内机闸之间形成内环轴流11，通过旋流装置的内环与外环之间的来流形成旋流13，内环轴流11对旋流13起阻挡作用，保证截锥表面不产生分离。外环轴流10、内环轴流11和旋流13的气体，经过位于旋流装置后端的主流喷油杆，喷油杆的喷油孔主要分布在旋流13区内，喷油孔的大小及分布与旋流装置的设计相匹配，喷射燃油方向与燃烧室轴向平行，经过主流喷油杆后形成的油气混合气，利用旋流切向速度强化油气掺混、改善燃油周向分布，并利用离心力场下不同粒径油珠上离心力的差异实现燃油合理的径向分布，从而实现燃油的均匀、合理分布。通过内环与内机匣之间的距离，外环与、外机闸之间的距离分布的相互匹配及叶片的角度可以调整轴向来流经过旋流叶片的流体分布形式，控制旋流与轴流的比例，从而实现燃烧室内离心力场的调节。与常规旋流燃烧室形成轴向低速回流区稳定火焰的机制不同，本发明中旋流的作用为产生离心力场加速火焰径向传播。

来流经过截锥与分流板形成扩压段14，本实施例中截锥的锥面扩张角为10°，高度为70mm，在避免气流沿锥面流动时发生分离的前提下，利用较短的燃烧室轴向长度实现气流的扩压减速；与截锥锥面扩张角相互匹配，在截锥后方形成合理的低速回流区，以较低的流动损失形成稳定的截锥火焰。

油气混合气体随后经过外凹腔火焰稳定器、防震隔热屏和截锥之间形成的旋流腔15，旋流腔位于扩压段后方，截锥上端与分流板之间的距离为旋流腔的半径，旋流腔半径为燃烧室最大半径的60％，旋流腔长度为旋流腔直径的4倍。凹腔喷油孔9等距排列于外凹腔火焰稳定器前壁，对外凹腔值班稳定器单独供油从而拓宽燃烧室点火界限。旋流装置产生的旋流经扩压段作用后，在旋流腔内形成合理、均匀的离心力分布。旋流产生的离心力和热浮力作用加强冷热流体间的掺混，加剧外凹腔火焰面的皱褶，增大火焰表面积和放热率，使凹腔火焰加速沿径向向燃烧室中心传播，并与截锥火焰相接从而实现整个燃烧室截面上的联焰，从而保证燃烧室的燃烧稳定性，提高燃烧效率；而离心力对截锥火焰产生相反的影响，抑制截锥火焰与未燃混气分界面上导致熄火的火焰大规模畸变，从而拓宽燃烧室熄火界限。外凹腔火焰稳定器与旋流装置产生的旋流比例相匹配，使旋流在燃烧室出口大幅耗散，避免尾喷管内气流旋转角过大引起额外的推力损失。

所述防震隔热屏前缘与外凹腔火焰稳定器后缘形成扩张性二次流通道16。二次流通道使隔热屏外含氧量较高的二次高速冷流在扩压减速后进入燃烧区，防止高速气流引射作用对火焰稳定产生影响。由于外凹腔作为值班稳定器供油较富，含氧量较高的二次流与凹腔值班火焰掺混后补燃，提高燃烧效率。防震隔热屏的长度根据旋流13的大小进行调整，可使旋流在燃烧室出口大幅耗散，避免尾喷管内气流旋转角过大引起额外的推力损失。离心力对二次冷流和高温产物的分层作用使高温产物向燃烧室中心迁移，降低隔热屏等部件内壁面温度，进而降低燃烧室及尾喷管的冷却难度。

本发明通过外凹腔火焰稳定器、旋流装置、截锥间的配合，实现值班点火源在旋流腔内的快速传播和火焰稳定，可以大量减少常规径向或周向火焰稳定器的使用，减少燃烧室阻力损失，本发明燃烧室在来流马赫数0.3、总温900K的条件下总压恢复系数可达97％。

如图4和图5所示，来流经过旋流装置后，在分流板流量分配及扩压段减速扩压的作用下形成合理的速度分布，并在外凹腔火焰稳定器和截锥处形成低速回流区，为值班点火源的形成提供条件。相比于其他火焰稳定器，外凹腔火焰稳定器阻力损失低，特有的后台阶结构将高温环境和自由基锁在凹腔内有助于火焰稳定，配合单独供油的凹腔喷油孔，能拓宽燃烧室点火界限。分布在截锥及外凹腔之间的旋流区为整个燃烧室截面上的联焰提供了可能，由于旋流产生的离心效应使得凹腔外密度较大的未燃混气向外甩，而外凹腔内密度较低的稳定值班火焰则在该离心效应产生的浮升力作用下向燃烧室中心迁移，冷热流体的相对运动加快了外凹腔值班火焰沿径向向中心的传播，增大火焰表面积和放热率，从而增加燃烧速度，提高燃烧效率，最终实现凹腔火焰与截锥火焰的连接。离心效应对截锥后稳定火焰的影响与外凹腔相反，使未燃混气与燃烧产物相互分开，抑制截锥火焰与未燃混气分界面上导致熄火的火焰大规模畸变，拓宽燃烧室熄火界限。

本发明利用旋流产生的强离心效应加速火焰传播，强化油气掺混，减少火焰稳定器数量，在保证燃烧室的燃烧稳定性和总压损失的前提下提高燃烧效率，缩短燃烧室长度，拓宽点熄火界限，降低壁面冷却难度，并实现燃烧室出口温度的均匀、合理分布。

实施例2：使用商业计算流体力学软件Fluent,对实施例1所述的基于外凹腔的旋流加力燃烧室进行了数值模拟，分析了外凹腔火焰稳定器与截锥间的相对位置对流动特性和火焰传播的影响，其中实施例1燃烧室为Y0Z0布局，此时外凹腔前壁面与截锥尾端轴向对齐，外凹腔火焰稳定器沿径向下移20mm时构成Y20Z0布局，外凹腔火焰稳定器沿轴向后移50mm时构成Y0Z50布局。

图4是本发明燃烧室的冷态流场流线图，由于分流板与燃烧室轴线方向呈一角度，来流沿分流板运动时向凹腔偏转，凹腔内的低速回流区受挤压而前移，呈三角形，对凹腔值班稳焰的能力有所削弱。图6是Y20Z0布局下的燃烧室冷态流线图，由于此时分流板与燃烧室轴线方向平行，来流沿分流板运动到凹腔前缘时速度方向垂直凹腔前壁，来流受凹腔卷吸作用进入凹腔，形成一个充满整个外凹腔的低速回流区。相比图4中的凹腔回流区，此时的凹腔回流区较大，火焰稳定能力较强。图7是Y0Z50布局下的燃烧室冷态流线图，流经分流板的气流在外凹腔前方平直段的作用下逐渐转变为轴向流体，此时凹腔回流区形状与Y20Z0类似，但比Y20Z0中的小，介于Y0Z0和Y20Z0之间。

图8和图9是上述三种不同凹腔位置下旋流腔进、出口的轴向速度分布曲线和切向速度分布曲线。Y20Z0的轴向速度分布曲线随着外凹腔的下移而向-Y方向移动，由于外凹腔下移带来燃烧区流通面积的减少，轴向流速增加，不利于凹腔火焰沿径向的传播，而随之增加的切向速度可以增强离心效应来抵消轴向速度增加的不利影响，但会导致燃烧室出口气流旋转角增加，造成发动机推力损失；但凹腔下移时外凹腔处的切向速度更大，凹腔火焰能更快地点燃主流混气。与凹腔下移时产生较大影响不同，凹腔后移时燃烧区进口处轴向速度和切向速度的变化较小，不会对火焰传播产生明显的影响。

图10是上述三种不同凹腔位置下燃烧区的沿程火焰面发展，Y0Z0凹腔火焰面从前缘随剪切层发展，由于分流板后气流轴向速度较小，剪切层火焰在离心力作用下沿径向快速传播，燃烧室外环较大的火焰角在沿径向传播时随轴向速度的增加而逐渐降低。

Y20Z0的初始凹腔火焰面随外凹腔下移而下移，由于此时燃烧区主流轴向速度高，相比Y0Z0，凹腔火焰的径向外传较慢，但当火焰发展到燃烧室中部，切向速度的增加使得火焰的径向传播加快，虽然气流轴向速度的增加同样抑制了凹腔火焰的发展，使得Y20Z0的火焰面比Y0Z0低，但总的来说外凹腔的下移缩短了燃烧室实现整个截面联焰所需的长度。外凹腔后移时，Y0Z50凹腔火焰面的发展与Y0Z0相似，随着外凹腔的后移而后移，虽然Y0Z50截锥火焰传播更快，但凹腔火焰与截锥火焰连接所需轴向距离更长。

Claims (8)

1.一种加力燃烧室，包括外筒体组件、中心体组件和油路组件；所述外筒体组件包含外机匣（1）和防震隔热屏（2）；所述中心体组件包括内机匣（3）、旋流装置（4）、分流板（5）、截锥（6），其特征在于，所述中心体组件包括外凹腔火焰稳定器（7）；所述外凹腔火焰稳定器（7）位于分流板（4）后端，外凹腔火焰稳定器向外筒体方向形成凸起并向后延伸，与防震隔热屏留有间隔，形成二次流通道；

所述外凹腔火焰稳定器（7）包括前壁面（71）、腔面（72）、中壁面（73）与后壁面（74）；所述前壁面（71）与截锥尾端轴向对齐；所述腔面（72）位于前壁面后端，与外机匣平行设置；所述中壁面与后壁面分别与腔面后端连接，向后延伸；

所述油路组件包含位于旋流装置后端的主流喷油杆（8）和位于外凹腔火焰稳定器前壁面的凹腔喷油孔（9）。

2.根据权利要求1所述的加力燃烧室，其特征在于所述外凹腔火焰稳定器中壁面的后缘角为30-90°；所述外凹腔火焰稳定器的后壁面的后缘角为10-15°。

3.根据权利要求2所述的加力燃烧室，其特征在于所述外凹腔火焰稳定器的长度和深度的比值为3-7。

4.根据权利要求1所述的加力燃烧室，其特征在于，所述截锥的锥面扩张角为8-12°。

5.根据权利要求1所述的加力燃烧室，其特征在于，所述截锥的上端与分流板的距离为燃烧室半径的60-65%，为截锥到外机匣后端的距离的25-50%。

6.根据权利要求1所述的加力燃烧室，其特征在于，所述旋流装置包含内环（41）、外环（42）及连接内环与外环的若干叶片（43）。

7.根据权利要求6所述的加力燃烧室，其特征在于所述叶片等距排列，叶片与旋流装置的纵切面的角度为15-45°。

8.根据权利要求6所述的加力燃烧室，其特征在于所述外环与外机匣之间的间距为燃烧室进口直径的25-30%；所述旋流装置的内环与内机匣之间的间距为燃烧室进口直径的10%-15%。

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