CN114738795A - 具有混气功能的支板稳定器和一体化加力燃烧室 - Google Patents

Abstract

为解决现有加力燃烧室一体化设计方案使得回流区和燃烧区域前移导致燃烧不充分、点火和火焰稳定的难度增加的问题，本发明提出了一种具有混气功能的支板稳定器和一体化加力燃烧室。本发明支板稳定器中部设有两个对称的开式凹腔，该开式凹腔具有混气作用，能替代传统加力燃烧室中的混合器，简化了加力燃烧室的结构且由于外涵气流通过开式凹腔前壁面上的孔流入内涵道与内涵气流混合，缩短了内、外涵气流的混合距离，加强了内、外涵气流的混合效果，有利于后方燃油与混气的掺混，改善燃油分布均匀性，此外由于外涵气流的含氧量高于内涵气流，两者混合后提高混气的含氧量，外涵气流与内涵气流边混合边燃烧，使燃烧更充分，提高了火焰稳定性和燃烧效率。

Description

具有混气功能的支板稳定器和一体化加力燃烧室

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种具有混气功能的支板稳定器和一体化加力燃烧室。

背景技术

加力燃烧室发展至今已有大约80年的历史，虽然加力燃烧室质量约占发动机的20％，却能极大地提升推力。一般来说，涡喷发动机开启加力后推力能提升40％到50％，而涡扇发动机推力提升甚至可达70％以上。推力提升带来飞行机动性能的提升，飞行包线的扩大，因而加力燃烧室的发展对于军用战机至关重要。传统加力燃烧室中的火焰稳定器直接安装在主流中，气流流经火焰稳定器，在其后方形成回流区，用于组织燃烧，提高了火焰的稳定性。但传统的火焰稳定器会导致流动阻塞，造成不可避免的流动损失。

20世纪90年代，国际上提出了一种加力燃烧室和涡轮后框架一体化设计方案，将加力燃烧室中的整流支板和火焰稳定器进行一体化设计构成支板稳定器。这种方案取消了传统火焰稳定器，能有效减小流动阻塞，降低流动损失。其燃油采用近配合技术，燃油从整流支板两侧横向喷出，利用整流支板后方形成的回流区稳定火焰。这种方案加力燃烧室的回流区整体前移，燃烧区域也前移，但这前移对于加力燃烧是不利的。一方面气流中的含氧量降低，加力燃烧室中含氧较多的外涵气流与含氧较少的内涵气流在混合器后方混合，燃烧区域的前移使得燃油在混合器之前开始燃烧，此时只有含氧较少内涵气流参与燃烧，这对燃油的充分燃烧十分不利；另一方面气流的流速增大，导致燃油液滴的滞留时间变短，燃油的雾化效果差，整流支板后方回流区中燃油质量分布不均，使点火和火焰稳定的难度大大增加。另外，该方案的整流支板外侧暴露在高温内涵气流中，支板外侧壁温高，所承受的热应力较大。

发明内容

为解决现有加力燃烧室一体化设计方案使得回流区和燃烧区域前移导致燃烧不充分、点火和火焰稳定的难度大大增加的技术问题，本发明提出了一种具有混气功能的支板稳定器和一体化加力燃烧室。本发明在支板稳定器中部设置了两个开式凹腔，该开式凹腔具有混合器的作用，可替代传统加力燃烧室中的混合器；除此之外，该开式凹腔一方面还能使支板稳定器形成前、后通道分配外涵气流，另一方面在不增加支板阻塞面积的情况下将外涵气流引入开式凹腔内，同时开式凹腔倾斜后壁面使外涵气流顺利流向后方，外涵气流紧贴支板稳定器外侧壁面，能有效冷却支板稳定器。相较于现有技术,采用本发明所提供的支板稳定器构成加力燃烧室时，可以取消传统火焰稳定器和传统混合器，减少了部件数量和气流的流动阻塞损失。此外，本发明支板稳定器使内、外涵气流能在开式凹腔处提前混合，提高了回流区燃烧气流的含氧量，且混合过程中气流的湍流度增加改善了燃油的雾化质量，能有效降低点火和火焰稳定的难度，提高火焰稳定性和燃烧效率。

本发明的技术方案是：

具有混气功能的支板稳定器，其特殊之处在于：包括沿气流方向依次连接的支板稳定器前通道、连接板和支板稳定器后通道，所述支板稳定器前通道的后壁面、连接板、支板稳定器后通道的前壁面共同形成两个相对于所述连接板对称分布的开式凹腔；

支板稳定器前通道内设置有用于分流的隔板，支板稳定器前通道的后壁面上沿其长度方向均匀开设有多个用于将其内气流引入所述开式凹腔的气孔；

支板稳定器后通道的左右两侧壁上均开设有多个均布的主燃油喷射孔，在每个主燃油喷射孔的前方还开设有用于喷出空气射流以减缓主燃油喷射孔位置处气流速度的喷气孔；支板稳定器后通道的后壁面上均匀开设有多个用于形成值班火焰的值班燃油喷射孔。

进一步地，所述支板稳定器前通道的迎流面上设有用于整流的钝体。

进一步地，单个所述开式凹腔的深度为1/3-2/5W,宽度为3/5-1W；W为支板稳定器尾端的宽度。

进一步地，所述支板稳定器前通道的后壁面上的气孔为圆孔；所述圆孔的直径为3/20-1/4W，数量为8-12个。

进一步地，所述主燃油喷射孔的孔径为0.5mm-2.0mm，数目为6-15个；所述喷气孔的孔径为1-2mm；所述值班燃油喷射孔的孔径为0.5mm-1.5mm，数目为6-15个。

进一步地，所述支板稳定器的阻塞比为0.25-0.30。

本发明还提供了一种一体化加力燃烧室，包括由内向外依次同轴设置的加力筒体、后涵道引射器、多个支板稳定器和中心锥；多个支板稳定器沿圆周、成辐射状分布在所述中心锥外壁上；其特征在于：所述支板稳定器采用权利要求1-6任一所述的支板稳定器。

进一步地，支板稳定器的尾部后壁沿径向设置有倾角。

进一步地，所述倾角为60°-75°。

本发明的有益效果是：

1、本发明的支板稳定器中部设置有两个对称的开式凹腔，该开式凹腔具有混气的作用，能够替代传统加力燃烧室中的混合器，从而实现了混合器与支板稳定器的一体化设计，简化了加力燃烧室的结构且由于外涵气流通过开式凹腔前壁面上的孔流入内涵道与内涵气流混合，相对于现有的加力燃烧室，内、外涵气流混合提前，缩短了内、外涵气流的混合距离，加强了内、外涵气流的混合效果，同时内、外涵气流在混合过程中发生的热质交换增加了混气的湍流度，有利于后方燃油与混气的掺混，改善燃油分布均匀性，此外由于外涵气流的含氧量高于内涵气流，两者混合后提高混气的含氧量，外涵气流与内涵气流边混合边燃烧，使燃烧更加充分，进而提高了火焰稳定性和燃烧效率。

2、本发明的支板稳定器兼具整流、混气和火焰稳定功能，能够替代传统加力燃烧室中的涡轮整流支板、混合器和火焰稳定器，减少了构成加力燃烧室的部件数量，降低了***的复杂程度和附加质量，提高了结构紧凑性，缩短了加力燃烧室的长度。

3、采用本发明的支板稳定器构成加力燃烧室时，可取消传统火焰稳定器，减少了对气流的流动阻塞，有利于提高加力燃烧室总压恢复性能。

4、本发明将喷油杆设置在支板稳定器后通道内部，利用进入支板稳定器后通道内的外涵气流冷却喷油杆，防止了燃油结焦和部件烧蚀，提高了喷油杆的使用寿命和可靠性；同时，进入支板稳定器后通道内的外涵气流还能到达支板，中心锥进行冷却，提高了中心锥的使用寿命和可靠性。

5、喷气孔的空气射流能改善燃油的穿透距离和燃油质量分布；通过合理控制支板稳定器燃油喷射孔的开闭，实现从小加力到全加力工况的切换。

6、本发明一体化加力燃烧室装配完成后，支板稳定器的尾部后壁相对于水平面具径向倾角，在火焰稳定燃烧的基础上促使火焰沿径向和轴向的传播，实现加力燃烧室的稳焰与联焰，形成良好的燃烧组织，有利于燃烧的进行，提高燃烧效率。

7、本发明在工作时，流入支板稳定器前通道的外涵气流由圆孔流出后覆盖(或贴近)在支板稳定器外表面，将其与高温来流隔离，能有效地对支板稳定器进行冷却。

附图说明

图1是混合器与支板稳定器一体化加力燃烧室的整体结构示意图。

图2是一体化加力燃烧室中心锥及支板稳定器的结构示意图。

图3是混合器与支板稳定器一体化加力燃烧室整体剖视图。

图4是支板稳定器的结构示意图。

图5是支板稳定器空气射流及燃油喷射示意图。

附图标记：

1-加力筒体、2-隔热屏、3-后涵道引射器、4-支板稳定器、5-中心锥、6-前端钝体、7-圆孔、8-开式凹腔、9-喷气小孔、10-主燃油喷射孔、11-值班燃油喷射孔、12-支板稳定器前通道、13-支板稳定器后通道、14-空气射流、15-主燃油、16-值班燃油。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，本发明提供的混合器与支板稳定器一体化的加力燃烧室，包括由内向外依次同轴设置的加力筒体1、后涵道引射器3、支板稳定器4和中心锥5。加力筒体1和后涵道引射器3之间形成外涵道。后涵道引射器3与中心锥5之间形成内涵道。支板稳定器4的一端与后涵道引射器3相连，另一端与中心锥5相连。在加力筒体1与支板稳定器4之间还设置有隔热屏2，隔热屏2的一端与后涵道引射器3的尾端相连，与加力筒体1之间具有间隙，该间隙用于通过外涵气流。

如图4所示，支板稳定器4有多个，沿圆周、成辐射状分布在中心锥5外壁上；定义支板稳定器的迎流面处为前端，每个支板稳定器包括沿气流方向依次连接的支板稳定器前通道12、连接板和支板稳定器后通道13，且支板稳定器前通道12的后壁面、连接板、支板稳定器后通道13的前壁面共同形成开式凹腔8，该开式凹腔8有两个，对称分布在连接板的左右两侧；支板稳定器前通道12和支板稳定器后通道13均为自后涵道引射器3向中心锥5方向延伸的气流通道；支板稳定器前通道12内还设置有用于分流的隔板，使得外涵气流从支板稳定器前通道12后壁面更均匀地流入两个开式凹腔8内；在支板稳定器前通道12的后壁面(也即开式凹腔8的前壁面)上沿其长度方向均匀开设有多个圆孔7(在其他实施例中也可以采用其他形式的孔，但是圆孔的流动损失最小)，支板稳定器前通道12内的外涵气流可通过圆孔7进入内涵，以与内涵气流掺混并参与后续燃烧；支板稳定器后通道13内部设置有气路和油路，气路为与中心锥5内部连通的外涵气流气路，油路包括主燃油油路和值班燃油油路；支板稳定器后通道13的左右两侧壁上均开设有多个沿长度方向均布的直射式主燃油喷射孔10，在每个主燃油喷射孔10的前方还开设有喷气孔9，喷气孔9用于喷出空气射流，该空气射流的方向垂直于内涵气流，能够减缓主燃油喷喷射孔10位置处的气流速度，增大燃油的穿透距离，改善燃油分布，使得燃油在支板稳定器两侧扩散燃烧，形成主火焰；支板稳定器后通道13的后壁面上沿长度方向均匀开设有多个直射式值班燃油喷射孔11，燃油喷射孔11能够向支板稳定器后方回流区内喷入燃油，形成值班火焰，提高火焰稳定性。

中心锥5为加力燃烧室中的典型部件，用于内涵气流的减速扩压，为现有单元。

为了促使火焰在径向和轴向传播，实现加力联焰，形成良好的燃烧组织，本发明在装配支板稳定器时，将其尾部后壁(直射式值班燃油喷射孔11所在的后壁)沿径向倾斜设置一定的倾角，由于该倾角影响着火焰传播效果，经大量实验验证，该倾角优选60°-75°。

为了对高速来流进行整流，本发明还在支板稳定器的前端设置了钝体6，用于改变高速来流(内涵气流)的流动方向，达到整流效果。

优选的：本发明每个支板稳定器上单个开式凹腔8的深度为1/3-2/5W,宽度为3/5-1W；在支板稳定器前通道12的后壁面(即开式凹腔8前壁面)上开设的圆孔7直径为3/20-1/4W，数量为8-12个；W为支板稳定器尾端的宽度，也即支板稳定器后通道的宽度，如图5所示；在支板稳定器后通道13左右两侧壁上均开设6-15个孔径为0.5mm-2.0mm的规格相同、数目一致的主燃油喷射孔10，以保证支板稳定器两侧的燃烧组织相似，确保加力燃烧的燃烧稳定性；在主燃油喷射孔10前方开设的喷气孔9的孔径为1-2mm，数目与主燃油喷射孔10相等，且位置与主燃油喷射孔10一一对应(喷气小孔的作用在于增大主燃油的穿透深度，更长的燃油喷射距离能提高燃油分布的均匀性，有利于燃油的雾化、蒸发；但喷气小孔的数量过多对燃油穿透距离效果并不明显且会增大总压损失)；在支板稳定器后通道13的后壁面上开设6-15个孔径为0.5mm-1.5mm的值班燃油喷射孔11；设定支板稳定器所堵塞内涵流道面积的比例为支板稳定器阻塞比，在保证总压恢复性能情况下，将支板稳定器的阻塞比设计为0.25-0.30，该范围的阻塞比在总压损失和回流区大小的效益权衡上较为合适。

本发明的原理是：

外涵气流从加力筒体1与后涵道引射器3所形成的外涵道沿轴向流入加力燃烧室，外涵气流用于参与燃烧、冷却及提供喷气孔9喷出的空气射流。

流入加力燃烧室的外涵气流分为四路：一路外涵气流通过支板稳定器前通道12流入支板稳定器4，主要参与燃烧；第二路外涵气流通过支板稳定器后通道13流入支板，用于冷却中心锥5和为喷气孔9提供空气射流；第三路外涵气流由加力筒体1与隔热屏2之间的通道流入，用于冷却隔热屏2；第四路外涵气流通过隔热屏2上的小孔流入燃烧区，用于改善点火条件。

内涵气流从后涵道引射器3与中心锥5所形成的内涵道流入加力燃烧室，在支板稳定器4的作用下实现整流。

主要参与燃烧的外涵气流进入支板稳定器前通道12后，被其内的隔板划分为两部分，以确保外涵气流从图4中对称分布的开式凹腔8前壁面上的圆孔7均匀流出，从圆孔7流出的外涵气流在支板稳定器4上的开式凹腔8处与经前端钝体6整流后的内涵气流发生混合，缩短了气流混合距离，混合过程中两股气流进行热质交换，增加了混气的湍流度，加速了后续油气的掺混进度，从而改善燃油分布均匀性，提高燃烧效率。

用于冷却中心锥5和提供空气射流的外涵气流由支板稳定器后通道13流入，一部分外涵气流沿着支板稳定器后通道13流入支板稳定器4底部的中心锥5内，以冷却中心锥5壁面，另一部分外涵气流由图4中的喷气孔9喷出，形成图5所示的空气射流14；由于每个主燃油喷射孔10的前方均设置有喷气孔9，喷气孔9射流方向垂直于壁面，空气射流14与内涵来流相互作用，减缓了主燃油喷射孔10处的气流速度，减小了主燃油15的切向速度分量，从而增大主燃油的穿透深度和喷射距离，更长的喷射距离将提高燃油分布的均匀性，有利于燃油的雾化、蒸发。

掺混均匀的混合气流与值班燃油16在支板稳定器4后方的低速回流区内燃烧，形成值班火焰，有利于火焰稳定，同时值班火焰沿支板稳定器4后壁面径向和轴向传播，实现火焰联焰，形成良好的燃烧组织，使混气能充分燃烧，提高燃烧效率。

通过合理的控制支板稳定器4上燃油喷射孔11的开闭，可实现从小加力至全加力的工况转变：当接通小加力工况时，图4中支板稳定器4后壁面上的值班燃油喷射孔11全部打开，两侧壁面上的主燃油喷射孔10全部关闭；当接通全加力工况时，图4中支板稳定器4两侧壁面上的主燃油喷射孔10和后壁面上的值班燃油喷射孔11全部打开。

Claims (9)

1.具有混气功能的支板稳定器，其特征在于：包括沿气流方向依次连接的支板稳定器前通道、连接板和支板稳定器后通道，所述支板稳定器前通道的后壁面、连接板、支板稳定器后通道的前壁面共同形成两个相对于所述连接板对称分布的开式凹腔；

支板稳定器前通道内设置有用于分流的隔板，支板稳定器前通道的后壁面上沿其长度方向均匀开设有多个用于将其内气流引入所述开式凹腔的气孔；

支板稳定器后通道的左右两侧壁上均开设有多个均布的主燃油喷射孔，在每个主燃油喷射孔的前方还开设有用于喷出空气射流以减缓主燃油喷射孔位置处气流速度的喷气孔；支板稳定器后通道的后壁面上均匀开设有多个用于形成值班火焰的值班燃油喷射孔。

2.根据权利要求1所述的具有混气功能的支板稳定器，其特征在于：所述支板稳定器前通道的迎流面上设有用于整流的钝体。

3.根据权利要求1或2所述的具有混气功能的支板稳定器，其特征在于：单个所述开式凹腔的深度为1/3-2/5W,宽度为3/5-1W；W为支板稳定器尾端的宽度。

4.根据权利要求3所述的具有混气功能的支板稳定器，其特征在于：所述支板稳定器前通道的后壁面上的气孔为圆孔；所述圆孔的直径为3/20-1/4W，数量为8-12个。

5.根据权利要求4所述的具有混气功能的支板稳定器，其特征在于：所述主燃油喷射孔的孔径为0.5mm-2.0mm，数目为6-15个；所述喷气孔的孔径为1-2mm；所述值班燃油喷射孔的孔径为0.5mm-1.5mm，数目为6-15个。

6.根据权利要求5所述的具有混气功能的支板稳定器，其特征在于：所述支板稳定器的阻塞比为0.25-0.30。

7.一体化加力燃烧室，包括由内向外依次同轴设置的加力筒体、后涵道引射器、多个支板稳定器和中心锥；多个支板稳定器沿圆周、成辐射状分布在所述中心锥外壁上；其特征在于：所述支板稳定器采用权利要求1-6任一所述的支板稳定器。

8.根据权利要求7所述的一体化加力燃烧室，其特征在于：支板稳定器的尾部后壁沿径向设置有倾角。

9.根据权利要求8所述的一体化加力燃烧室，其特征在于：所述倾角为60°-75°。

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