CN110762555B - 一种气动辅助式凹腔支板火焰稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，包括前涵道分流板、与所述前涵道分流板后端连接的凹腔火焰稳定器、设置于所述凹腔火焰稳定器后端的后涵道分流板以及支板火焰稳定器；所述前涵道分流板包括沿着气流流入的方向，逐渐向着远离燃烧室外壁方向延伸第一分流板：所述第一分流板后端连接有沿着水平方向延伸的第二分流板；所述支板火焰稳定器固定于所述第二分流板的下表面；所述第二分流板上设置有用于外涵道气体流入所述凹腔火焰稳定器腔体内的若干第一流道。本发明一种气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，改善凹腔支板火焰稳定器的点火和火焰稳定能力，使其具有比常规凹腔支板火焰稳定器更宽的点熄火边界条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡扇发动机加力燃烧室、亚燃冲压发动机燃烧室和涡扇/冲压组合循环发动机多模态燃烧室中使用的火焰稳定器，特别涉及一种气动辅助式凹腔支板火焰稳定器。
背景技术
涡轮基组合循环发动机（Turbine-based combined cycle ，简称TBCC）作为一种吸气式发动机具有飞行范围广、常规起降和可重复使用等性能优势被认为是现阶段最有希望的高超声速飞行器动力装置。由于涵道比在整个工作范围内变化大的特点造成TBCC多模态燃烧室内部来流温度较低和局部流速过大的流动条件给多涵道燃烧室内部的点火和火焰稳定带来困难。
随着现代高性能加力燃烧室内气流速度的提高，为了保证燃烧室可靠的点火性能，通常在燃烧室外环采用值班火焰稳定器进行软点火，并组合使用径向火焰稳定器以提高火焰传播的能力，形成凹腔/支板组合火焰稳定器。但径向火焰稳定器会堵塞流道造成值班火焰稳定器内流动速度增加，同时径向稳定器后形成的低速回流区还会卷吸值班区流动、破坏值班区流动形式，进而恶化燃烧室的值班点火性能和火焰稳定能力。
同时将组合火焰稳定器直接应用于多涵道燃烧室，其性能必然会受到多涵道燃烧室苛刻流动条件的制约。多涵道燃烧室内的低温、高速条件对点火及火焰稳定的要求远超过现有加力燃烧室和亚燃冲压燃烧室的技术水平。因此，凹腔/支板火焰稳定器需要具有更宽广的贫油点火性能和贫油熄火性能才能满足多涵道燃烧室整个工作包线内来流条件变化大的使用需求。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种气动辅助式凹腔支板火焰稳定器。
技术方案：本发明所述的一种气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，包括前涵道分流板、与所述前涵道分流板后端连接的凹腔火焰稳定器、设置于所述凹腔火焰稳定器后端的后涵道分流板以及支板火焰稳定器；
所述前涵道分流板包括沿着气流流入的方向，逐渐向着远离燃烧室外壁方向延伸第一分流板：所述第一分流板后端连接有沿着水平方向延伸的第二分流板；
所述支板火焰稳定器固定于所述第二分流板的下表面；所述第二分流板上设置有用于外涵道气体流入所述凹腔火焰稳定器腔体内的若干第一流道。
所述支板火焰稳定器两侧均分布有第一流道，第一流道包括向着远离燃烧室外壁面方向延伸的导流板以及位于所述导流板两侧的用于连接导流板与第二分流板的封板。
所述第一流道的气流出口为矩形开口。
所述凹腔火焰稳定器由径向延伸的前缘板、水平延伸的底板以及自底板后端向着远离燃烧室外壁方向延伸的后缘板组成。
所述支板火焰稳定器为沿着轴向方向宽度逐渐增加的中空三棱体；沿着轴向方向，所述支板火焰稳定器内部依次设有第一空气腔、储油腔以及第二空气腔；所述储油腔的两侧壁分布有若干径向分布的喷油孔。
所述后涵道分流板向着靠近燃烧室外壁方向扩张。
所述底板上固定有点火电嘴以及值班供油装置。
所述值班供油装置由离心喷嘴、稳压腔和第一供油杆组成。
所述储油腔与第二供油杆的出口连通。
有益效果：（1）本发明在支板火焰稳定器两侧设置有用于外涵道气体流入凹腔的第一流道，解决了支板火焰稳定器对火焰稳定器的值班区流场的破坏，改善凹腔支板火焰稳定器的点火性能和火焰稳定能力，拓宽常规凹腔支板火焰稳定器的工作范围；（2）本发明的前涵道分流板分为与水平向呈一定角度的第一分流板以及水平的第二分流板，更合理地分配进入燃烧室的气流；（3）本发明的后涵道分流板带有一定扩张角，能防止内涵高温气流热壅塞、同时增加有效燃烧面积以提高燃烧效率；（4）本发明在储油腔前后分别设置有导热系数较低的空气腔，能对储油腔内的燃油进行热防护；（5）本发明自第二喷油杆送入储油腔的燃油，通过支板火焰稳定器两侧壁上设有的喷油孔喷出实现支板火焰稳定器的一体化供油。
附图说明
图1为本发明凹腔支板火焰稳定器的三维模型图。
图2为本发明凹腔支板火焰稳定器在矩形燃烧室内的装配示意图。
图3为本发明第一流道的结构示意图。
图4为本发明支板火焰稳定器的横截面示意图。
图5为本发明凹腔支板火焰稳定器工作流程示意图。
图6为现有技术凹腔支板火焰稳定器与本发明的凹腔支板火焰稳定器的流线分布。
图7为现有技术凹腔支板火焰稳定器与本发明的凹腔支板火焰稳定器的贫油点熄火油气比。
实施方式
实施例1：本实施例中的一种气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，包括前涵道分流板1、与前涵道分流板1后端连接的凹腔火焰稳定器2、设置于凹腔火焰稳定器2后端的后涵道分流板3以及支板火焰稳定器4。
本实施例中描述的前端/方至后端/方方向为进入燃烧室的气流流动方向，也为本实施例中描述的轴向（图3中的X轴方向）。本实施例中描述的径向为燃烧室上端/方至下端/方的方向（图3中的Y轴方向）。
本实施例中描述的燃烧室为现有结构，燃烧室的外壁指位于燃烧室上方，安装有供油装置的燃烧室壁面。
如图1所示，前涵道分流板1由第一分流板101以及与第一分流板101连接的水平延伸的第二分流板102；第一分流板101沿着气流流入的方向，逐渐向着远离燃烧室8外壁801方向延伸，第一分流板101后端连接有沿着水平方向延伸的第二分流板102，即两块带夹角的平板组成了前涵道分流板1。
本实施例中的凹腔火焰稳定器2为现有的凹腔火焰稳定器的结构，凹腔火焰稳定器2由径向延伸的与第二分流板102垂直的前缘板201、水平延伸的底板202以及自底板202后端向着远离燃烧室8外壁801方向延伸的后缘板203组成，前缘板201、底板202以及后缘板203围成凹腔火焰稳定器2的凹腔。前缘板201与前涵道分流板1固接，后缘板203的后端连接有后涵道分流板3，后涵道分流板3向着靠近燃烧室外壁方向延伸，使得后涵道分流板3向着燃烧室外壁方向扩张。前涵道分流板1起内外涵流量分配作用、后涵道分流板3带有一定扩张角，能防止内涵高温气流热壅塞、同时增加有效燃烧面积以提高燃烧效率。
凹腔火焰稳定器2的底板202上设有点火电嘴配合孔204用于安装点火电嘴6，还设置有燃油喷嘴配合孔205用于安装值班供油装置7，用于实现凹腔火焰稳定器的值班点火作用。作为本实施例的一种优选方式，点火电嘴配合孔204设在底板202上距前缘板1/4轴向长度处、燃油喷嘴配合孔205则设在在底板1/2轴向长度处。值班供油装置7为现有结构，本发明中采用了由离心喷嘴701、稳压腔702和第一供油杆703组成的值班供油装置7。
如图2所示，支板火焰稳定器4固定于第二分流板102下表面，支板火焰稳定器4横向位于凹腔火焰稳定器2的中间位置，支板火焰稳定器4尾部端面与凹腔火焰稳定器1前端面齐平。支板火焰稳定器4为薄壁空心件，横向截面呈V型，支板火焰稳定器4的整体形状呈三棱柱形，沿着轴向方向，支板火焰稳定器4的横向截面宽度逐渐增加，支板火焰稳定器4内部中空腔体沿着轴向依次被分隔成第一空气腔401、储油腔402以及第二空气腔403，储油腔402的两侧壁分布有若干径向分布的喷油孔404，储油腔402与第二供油杆405（第二供油杆405为现有结构）的出口连通，本实施例中，在储油腔402的侧壁上，设置了一列径向分布的喷油孔404。
燃油自主油路从第二供油杆405进入储油腔402后，通过支板火焰稳定器4两侧壁上设有的喷油孔404喷出实现支板火焰稳定器的一体化供油。第一空气腔401和第二空气腔403内导热系数较低的空气能对储油腔402内的燃油进行热防护，同时第二空气腔403还可以进行冷却孔设计对支板火焰稳定器4的尾端面进行热防护。
如图3所示，图中的X轴方向为轴向，Y轴方向为径向，Z轴方向为横向，如图所示，第二分流板102上设置有用于外涵道气体流入凹腔的若干第一流道5作为气动辅助装置，第一流道5用于将通过外涵道的气流送入凹腔火焰稳定器1的凹腔，气动辅助装置并不局限于本实施例中给出的第一流道5的结构，故其他能实现外涵气流流入内涵的装置均为本发明气动辅助装置的等同置换。为了保护凹腔火焰稳定器2的凹腔内流动结构，第一流道5布置在支板火焰稳定器4的两侧，第一流道5位于前涵道分流板4的第二分流板102上，靠近凹腔火焰稳定器2处。
第一流道5由倾斜向下延伸的矩形导流板501以及固定于导流板501两侧的三角形封板502构成，导流板501逐渐向着远离燃烧室外壁面方向延伸，在前涵道分流板1上形成了的矩形孔构成了二股气流通道，同时对内涵气流和外涵气流起导流作用。导流板501两侧的封板502将导流板501与第二分流板102连接；侧板502为三角形垂直设置的平板，起固定封闭作用减小流动损失；第一流道5的气流出口503为矩形开口。优选的，气动辅助装置后缘距凹腔火焰稳定器2前缘轴向距离S为5~15mm，气流出口503径向开度H为2~8mm，第一流道5在前涵道分流板1形成的矩形孔轴向长度优选值为20~40mm，第一流道5横向（即第一流道的宽度）可延伸至支板火焰稳定器4也可提前截断，优选值为20~35mm。
如图4所示，将本实施例中的气动辅助式凹腔支板火焰稳定器在矩形燃烧室内装配，前涵道分流板1、凹腔火焰稳定器2、和后涵道分流板3通过两侧面与矩形燃烧室8侧壁面固接，燃烧室8的上壁面为本实施例中所述的外壁面801；支板火焰稳定器4上端面与前涵道分流板1的第二分流板102固接，下端面与燃烧室8下壁面802固接。点火电嘴6与点火电嘴配合孔204同心配合，值班供油装置7与燃油喷嘴配合205同心配合；点火电嘴6和值班供油装置7通过焊接或机械配合的方式固定在矩形燃烧室8上壁面。
本实施例中的气动辅助式凹腔支板火焰稳定器工作流程为：
如图5所示，从矩形燃烧室进口流入的空气流经前涵道分流板时分为外涵气流和内涵气流。外涵气流一部分在第一流道（气动辅助装置）处从二股气流通道汇入内涵气流中，剩余部分在外涵通道中对热端部件进行热防护，在后涵道分流板与内涵气流汇合并参与燃烧；而内涵气流流经凹腔支板火焰稳定器，并在二股气流的作用下在凹腔火焰稳定器内和支板火焰稳定器后方形成适合点火和火焰稳定的低速回流区。利用离心喷嘴对凹腔火焰稳定器进行值班区供油，凹腔内恰当的油气匹配经点火电嘴放电在凹腔内形成值班火焰，值班火焰沿支板火焰稳定器向燃烧室中心传播时逐渐点燃支板稳定器主流区供油，最终在矩形燃烧室中形成稳定火焰。同时气动辅助的方式具有自适应性，点火前二股进气使得凹腔支板火焰稳定器内具有适合点火的流场结构；成功点火并稳定燃烧后燃烧室内涵压力的升高使得外涵进气量下降，更多外涵气将用于热端部件的热防护上以保证结构可靠性；而在燃烧室接近熄火极限时内涵压力的下降又会重新增加外涵进气量以提高火焰稳定性。
应用例：图6是两种凹腔/支板火焰稳定器的流线分布，其中图6a、图6c为常规凹腔支板稳定器，图6b、图6d为本装置气动辅助式凹腔支板稳定器。比较两种稳定器内的流线分布可见，凹腔内形成的回流区受支板稳定器影响很大，支板稳定器截面（图6a所示）的凹腔内低速回流区被完全破坏，而远离支板稳定器截面（图6c所示）凹腔内的低速回流区也受三维流动影响被挤压缩小，使得其点火和火焰稳定的性能下降。而本发明提出的气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，利用二股进气对凹腔内的低速回流区进行保护，削弱支板火焰稳定器对凹腔流动的影响，所以远离支板稳定器截面（图6d所示）处凹腔内存在连续完整的低速回流区，且支板稳定器截面（图6b所示）处凹腔与支板间也存在一定的回流，使得气流在凹腔/支板火焰稳定器内的停留时间更长，有助于获得更好的点火和火焰稳定性能。
图7是常规凹腔/支板火焰稳定器和本装置气动辅助式凹腔/支板火焰稳定器的贫油点熄火油气比，来流温度为600K。两种稳定器除气动辅助装置不同外，凹腔火焰稳定器和支板火焰稳定器的其它结构参数均相同。由图7可以看出，本发明提供的气动辅助式凹腔/支板火焰稳定器在T=600K，Ma=0.1~0.3工况下的贫油点、熄火性能均优于传统凹腔/支板火焰稳定器。总的来说，采用本装置的气动辅助式凹腔/支板火焰稳定器能较好得改善燃烧室的贫油点熄火性能，拓宽凹腔/支板火焰稳定器的可点燃速度极限，并使得贫油点、熄火油气比平均下降19.3%和25.6%。
从以上试验验证结果可以看出，本发明采用气动辅助的方式保证凹腔稳定器内存在连续完整的回流区结构，具有比常规凹腔支板稳定器更广的可燃点火位置；气动辅助式凹腔支板火焰稳定器增加了气流在凹腔火焰稳定器内的停留时间，提高了燃烧室的可燃速度极限；本发明采用的气体流道作为气动辅助的方式，相比机械方式具有更强的自适应性，能感受燃烧室内燃烧状态的变化而自适应调节。
Claims (6)
1.一种气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，其特征在于，包括前涵道分流板（1）、与所述前涵道分流板（1）后端连接的凹腔火焰稳定器（2）、设置于所述凹腔火焰稳定器（2）后端的后涵道分流板（3）以及支板火焰稳定器（4）；所述前涵道分流板（1）包括沿着气流流入的方向，逐渐向着远离燃烧室外壁方向延伸的第一分流板（101）：所述第一分流板（101）后端连接有沿着水平方向延伸的第二分流板（102）；
所述支板火焰稳定器（4）固定于所述第二分流板（102）的下表面；所述第二分流板（102）上设置有用于外涵道气体流入所述凹腔火焰稳定器（2）腔体内的若干第一流道（5）；
所述支板火焰稳定器（4）两侧均分布有第一流道（5），第一流道（5）包括向着远离燃烧室外壁面方向延伸的导流板（501）以及位于所述导流板两侧的用于连接导流板与第二分流板（102）的封板（502）；
所述凹腔火焰稳定器（2）由径向延伸的前缘板（201）、水平延伸的底板（202）以及自底板（202）后端向着远离燃烧室外壁方向延伸的后缘板（203）组成；
所述支板火焰稳定器（4）为沿着轴向方向宽度逐渐增加的中空三棱体；所述支板火焰稳定器（4）内部依次设有第一空气腔（401）、储油腔（402）以及第二空气腔（403）；所述储油腔（402）的两侧壁分布有若干径向分布的喷油孔（404）。
2.根据权利要求1所述的气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，其特征在于，所述第一流道（5）的气流出口（503）为矩形开口。
3.根据权利要求1所述的气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，其特征在于，所述后涵道分流板（3）向着靠近燃烧室外壁方向扩张。
4.根据权利要求1所述的气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，其特征在于，所述底板（202）上固定有点火电嘴（6）以及值班供油装置（7）。
5.根据权利要求4所述的气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，其特征在于，所述值班供油装置（7）由离心喷嘴（701）、稳压腔（702）和第一供油杆（703）组成。
6.根据权利要求1所述的气动辅助式凹腔支板火焰稳定器，其特征在于，所述储油腔（402）与第二供油杆（405）的出口连通。
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- 2019-10-24 CN CN201911016174.6A patent/CN110762555B/zh active Active
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