CN101329072A - 转子发动机用的后台阶式火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

转子发动机用的后台阶式火焰稳定器包括台阶头、带曲率的台阶板、台阶头部安装座、台阶底部安装座和油管；离心喷嘴安装在油管的顶部的喷嘴安装座上，然后与台阶头安装在一起，雾化方式采用离心喷嘴喷射；台阶头部安装座和台阶底部安装座组成的支座将台阶头和带曲率的台阶板固定在高位，后台阶火焰稳定器通过台阶底部安装座固定转子上，使得后台阶火焰稳定器与转子一起转动。本发明能为转子发动机的燃烧系统提供稳定的高位稳火源，保证整个燃烧系统具有宽广的稳定工作范围和高的燃烧效率，同时结构简单。

Description

转子发动机用的后台阶式火焰稳定器

技术领域

本发明涉及一种转子发动机的火焰稳定装置，能在强离心力效应的条件下为主燃级提供稳定的点火源，保证高速旋转条件下能够稳定高效燃烧的火焰稳定装置-后台阶式火焰稳定器。

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。由于燃烧系统跟随转子高速旋转，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(GT-2002-30084)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：壁面后台阶方式，旋涡发生器+壁面后台阶方式以及灯塔火焰稳定器方式。壁面后台阶火焰稳定器是依靠台阶内的局部低速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系统随转子高速旋转，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。此外，非常重要的一点是Ramgen公司在进行转子上火焰稳定器设计的时候没有考虑到离心效应对火焰传播的影响，这导致了在高的离心加速度下预燃级的火焰在紧贴壁面的地方进行燃烧，火焰的稳定性变差，燃烧效率降低。

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，在对火焰稳定器进行设计时，要充分考虑旋转产生的离心效应对液雾和火焰传播的影响。国内关于高位火焰稳定器的专利(专利号：200710176096.7)介绍了转子发动机用塔台式火焰稳定器，不过该转子发动机用塔台式火焰稳定器有很大的局限性：首先，它的结构比较复杂，加工要求精度高；其次，燃烧室的气流速度可调范围狭窄，不能应用于高Ma数的情形；再有，燃油雾化采用直射式喷嘴，燃油的雾化性能非常差，燃烧的稳定性变差，燃烧室的稳定工作范围变窄等。

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后台阶式火焰稳定器，在充分考虑离心效应对火焰传播影响的同时做到结构简单，且同时能够使得燃烧的稳定性和燃烧效率得到提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的后台阶火焰稳定器置于燃烧室的外机匣与燃烧室的内机匣中，它包括台阶头、带曲率的台阶板、台阶头部安装座、台阶底部安装座和油管；离心喷嘴安装在油管的顶部的喷嘴安装座上，然后与台阶头安装在一起，雾化方式采用离心喷嘴喷射；台阶头部安装座和台阶底部安装座组成的支座将台阶头和带曲率的台阶板固定在高位，后台阶火焰稳定器通过台阶底部安装座固定转子上，使得后台阶火焰稳定器与转子一起转动。

本发明的原理如下：燃烧室主流气流经过后台阶头部的迎风面上下分离，上部气流流经台阶头后在台阶头后部和带曲率的台阶板上部形成局部低速驻涡回流区，由于高速旋转的转子上会产生很强的离心力效应，在高位建立起一股稳定的火焰，该火焰在强离心力效应的影响下，受到浮升力的作用向着圆心的方向传播，增加了火焰的径向覆盖面积，为低位的主燃级提供稳定点火源，同时考虑到稳定器稳定工作范围要宽，在结构简单化的同时能够提高燃烧的稳定性和燃烧效率。

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后台阶式火焰稳定器，充分利用了转子高速旋转产生的强离心力效应，帮助高位火焰在径向上的扩散传播，为低位主燃级提供持续稳火源，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，同时结构简单，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后台阶式火焰稳定器，带曲率的台阶板弧长和台阶高度之比可以在设定的范围之内灵活的调整，进而形成稳定的局部低速驻涡回流区，从而更进一步提供了一个稳定的点火源，进一步保证了燃烧的稳定性。

(3)本发明的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，采用油管一体化，即油管上安装有雾化喷嘴，有效地解决了燃油的密封问题。采用离心喷嘴能够更好的雾化燃油，拓宽了燃烧室的稳定工作范围。

(4)此外，本发明的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，可以通过调节底部安装座的高度灵活的变更高位稳定点火源的高度，从而可以适应不同的燃烧室通道。

(5)另外，本发明的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，采用了适当的阻塞比，有效的减少了气动损失，从而提高了燃烧效率。

(6)而且本发明的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，头部和底座迎风面均采用倒角的设计，减小气动阻力。

附图说明

图1是后台阶式火焰稳定器在转子发动机上的工作示意图；

图2是后台阶式火焰稳定器的整体结构剖视图；

图3是后台阶式火焰稳定器的台阶头结构剖视图；

图4是后台阶式火焰稳定器的台阶头部支座结构剖视图；

图5是后台阶式火焰稳定器的台阶底部支座结构剖视图；

图6是后台阶式火焰稳定器的油管结构剖视图。

其中1是燃烧室主流气流，2是通过后台阶火焰稳定器的气流，3是燃料供给，4是后台阶稳定器高温火焰，5是主燃区，6是后台阶内回流区，7是喷嘴油雾，8是燃烧室外机匣，9是燃烧室内机匣，10是后台阶式火焰稳定器，11是后台阶式火焰稳定器顶部距燃烧通道上壁面的距离，12是台阶高度，13是带曲率台阶板的弧长，14是台阶头，15是带曲率的台阶板，16是台阶头部安装座，17是台阶底部安装座，18是油管，19是离心喷嘴，20是油管通道，21是台阶头迎风面，22是台阶头高度，23是台阶头部安装座迎风面，24是台阶头部安装座安装孔，25是台阶底部安装座安装孔，26是台阶底部安装座迎风面，27是台阶底部安装座高度，28是轮缘安装螺纹孔，29是喷嘴安装座。

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。

将后台阶式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9随转子一同旋转，旋转角速度为ω，而燃烧室外机匣8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；在流经后台阶式火焰稳定器10中的台阶头14时，流经后台阶火焰稳定器的气流2在台阶头迎风面21处上下分流，上部气流在台阶头14后部和带曲率的台阶板15上部形成局部低速驻涡回流区6，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；后台阶式火焰稳定器10的燃料供给3通过转子轮缘从油管18的下端口进入，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高离心力效应，其离心加速度为G＝Rω²。由于该高离心力效应的存在，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高位火焰4从高位向内半径的低位区传播，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2所示，本发明的后台阶式火焰稳定器10包含有台阶头14，带曲率的台阶板15，台阶头部安装座16，台阶底部安装座17以及油管18，19是离心喷嘴。台阶底部安装座17将后台阶火焰稳定器10固定在转子轮缘上，如图1所示。台阶头部安装座16用以固定带曲率的台阶板15和台阶头14。转子转动时会产生离心力，台阶头部安装座16和台阶底部安装座17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台阶头部安装座16和台阶底部安装座17在不同转速下的应力分布，结合材料的强度极限确定安装座的结构强度。

本发明的安装顺序：将离心喷嘴19安装在油管18的喷嘴安装座29上，然后套入台阶头14内使之成为一体，将油管18套入台阶头部安转座16和台阶底部安装座17的油管通道20，并将台阶头部安装座16和台阶头14与带曲率的台阶板15连接固定，将台阶头部安装座16和台阶底部安装座17通过台阶头部安装座安装孔24和台阶底部安装座安装孔25进行螺栓连接固定，最后通过轮缘螺纹安装孔28将后台阶火焰稳定器10固定在转子上。

影响后台阶式火焰稳定器10的稳火效果的主要因素有三个，分别为后台阶式火焰稳定器顶部距燃烧通道上壁面的距离11，台阶高度12，带曲率台阶板的弧长13。要使后台阶式火焰稳定器能够在台阶后产生完整的台阶内回流区6，需要保证带曲率台阶板的弧长13与台阶高度12的比值为4～6。如图2所示，通过对台阶底部安装座高度27的调整来对后台阶式火焰稳定器顶部距燃烧通道上壁面的距离11来进行调节。台阶高度12通过调整台阶头高度22来进行调节。通过更换不同的带曲率的台阶板来调节带曲率台阶板的弧长13。

如图4和图5，台阶头部安装座16与台阶底部安装座17之间通过台阶头部安装座安装孔24与台阶底部安装座安装孔25之间的螺栓连接进行固定。台阶底部安装座17与转子轮缘通过轮缘安装螺纹孔28进行固定。

如图2和图6，油管18上装置喷嘴安装座29；油管18装置在油管通道20内部，喷嘴安装座29装置在台阶头14内部，雾化方式采用离心喷嘴19；离心喷嘴19与喷嘴安装座29采用螺纹方式连接固定；后台阶式火焰稳定器10的燃料供给3从油管通过油管18从喷嘴座进入离心喷嘴19，离心喷嘴19雾化燃油形成喷嘴油雾7。

转子发动机用后台阶式火焰稳定器10的阻塞比在0.25～0.5的范围内，火焰稳定器的阻塞比是指火焰稳定器的迎风面积与燃烧室的横截面积之比；同时，本发明为了避免造成气流流动损失，将台阶头迎风面21，台阶头部安装座迎风面23，台阶底部安装座迎风面26设计成倒角，有利于减小流阻。

具体实施案例中，采用航空煤油为燃料，后台阶式火焰稳定器阻塞比为0.3，后台阶式火焰稳定器顶部距燃烧通道外机匣的距离为15mm，带曲率台阶板的弧长与台阶高度的比值为5∶1，其中带曲率台阶板的弧长100mm，台阶高度为20mm，台阶头高度为18mm，台阶头底部安装座高度为15mm，台阶头迎风面倒角半径为20mm，台阶头部安装座迎风面和台阶底部安装座迎风面的倒角半径为5mm。采用的离心喷嘴的喷雾张角为60°。

Claims (10)

1、转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的后台阶火焰稳定器(10)置于燃烧室的外机匣(8)与燃烧室的内机匣(9)中，所述的后台阶火焰稳定器(10)包含台阶头(14)、带曲率的台阶板(15)、台阶头部安装座(16)、台阶底部安装座(17)和油管(18)；离心喷嘴(19)安装在油管(18)的顶部的喷嘴安装座(29)上，然后与台阶头(14)安装在一起，雾化方式采用离心喷嘴(19)喷射；台阶头部安装座(16)和台阶底部安装座(17)组成的支座将台阶头(14)和带曲率的台阶板(15)固定在高位，后台阶火焰稳定器(10)通过台阶底部安装座(17)固定转子上，使得后台阶火焰稳定器(10)与转子一起转动。

2、根据权利要求1所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的带曲率的台阶板(15)的弧长(13)与台阶高度(12)之比在4～6之间，所述的台阶高度(12)包括台阶头(14)的高度(22)，及台阶头部安装座(16)连接台阶头(14)和带曲率台阶板(15)的壁面的高度。

3、根据权利要求1或2所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的台阶高度(12)通过调整台阶头部(14)的高度(22)进行调节。

4、根据权利要求1或2所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的带曲率台阶板(15)的弧长(13)通过调换带曲率的台阶板(15)来进行调节。

5、根据权利要求1所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的台阶底部安装座(17)可以调节，用于调整后台阶式火焰稳定器(10)顶部距燃烧室外机匣(8)之间的距离(11)。

6、根据权利要求1所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的油管(18)从底部通过燃料供给(3)供油。

7、根据权利要求6所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的燃料采用液体燃料。

8、根据权利要求1所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的离心喷嘴(19)与喷嘴安装座(29)采用螺纹方式连接固定。

9、根据权利要求1所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的台阶式火焰稳定器(10)的堵塞比的范围为0.25～0.5。

10、根据权利要求1所述的转子发动机用的后台阶式火焰稳定器，其特征在于：所述的后台阶式稳定器(10)的台阶头迎风面(21)，台阶头部安装座迎风面(23)，台阶底部安装座的迎风面(26)均设计为倒角。

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