CN102980206A - 火焰稳定器及包含该火焰稳定器的发动机燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火焰稳定器及包含该火焰稳定器的发动机燃烧室。该火焰稳定器包括安装座（10），安装座（10）内设置有凹腔（20），凹腔（20）的上游设置有导流孔（41），凹腔（20）位于导流孔（41）下游的位置设置有与导流孔（41）相连通并朝第一方向延伸的导流孔出口（44），凹腔（20）的底壁上设置有朝第二方向延伸的底壁燃料喷孔（22），底壁燃料喷孔（22）连接至燃料接口，导流孔出口（44）的延伸方向与底壁燃料喷孔（22）的延伸方向相交叉。根据本发明的火焰稳定器，能够有效增强点火性能，提高火焰稳定性。

Description

火焰稳定器及包含该火焰稳定器的发动机燃烧室

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机领域，具体而言，涉及一种火焰稳定器及包含该火焰稳定器的发动机燃烧室。

背景技术

凹腔、支板等火焰稳定器目前广泛应用于超燃冲压发动机燃烧室中。超声速气流流过凹腔或支板会在凹腔内、支板尾部形成回流区，能够使火焰始终驻留在其中，并作为新的火源持续点燃上游来的燃料，从而实现火焰稳定。凹腔、支板在超声速燃烧室中可集燃料喷注、混合增强及火焰稳定作用于一身，在提高超燃冲压发动机性能方面发挥了重要的作用。

论文《Experimental Study of Cavity-Strut Combustionin Supersonic Flow》提出了一种与支板组合使用的凹腔，支板用于加强燃料向中心主流区的喷射，凹腔后壁采用空气与燃料的同时喷射用于加强凹腔内的点火和燃烧，火花塞设置在凹腔的底壁中间。

论文《Aerodynamic loss and mixing over a cavity flame holder located downstream ofpylon-aided fuel injection》给出了一种与塔门（类似于支板的装置）喷注组合使用的凹腔方案，塔门用于阻挡超声速来流形成背风低压区，从而增强塔门后射流的穿透深度。

目前的凹腔、支板设计已经具有大量的结构形式，对应的燃料喷射也有多种方案。通常来讲，由于凹腔内部的高温低速环境，点火一般设置在凹腔内部。目前增强点火的方案采用的通常是直接在凹腔内部喷入燃料或者在喷入燃料的同时补喷入空气，使得存在连续的混合气。对于增强燃烧通常的方案通常有两种，一是通过设置塔门等类型的扰流装置设法提高壁面燃料喷射的穿透度，二是采用支板等类型的装置直接将燃料均匀分布喷射入主流中心。

上述方案存在以下缺点：

1.凹腔质量交换率低，在凹腔回流区外部的燃料喷射容易形成回流区的贫燃，在凹腔回流区内的喷射容易形成回流区的富燃，对于点火都造成不利影响；

2.采用增强点火的方案（例如在凹腔内部补喷空气或氧气）需要增加额外高压气源。

发明内容

本发明旨在提供一种火焰稳定器及包含该火焰稳定器的发动机燃烧室、发动机，能够有效增强点火性能，提高火焰稳定性。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种火焰稳定器，包括安装座，安装座内设置有凹腔，凹腔的上游设置有导流孔，凹腔位于导流孔下游的位置设置有与导流孔相连通并朝第一方向延伸的导流孔出口，凹腔的底壁上设置有朝第二方向延伸的底壁燃料喷孔，底壁燃料喷孔连接至燃料接口，导流孔出口的延伸方向与底壁燃料喷孔的延伸方向相交叉。

进一步地，凹腔的空气进入侧间隔设置有多个支板，导流孔设置在支板的迎风面上，导流孔出口位于支板远离迎风面的一侧。

进一步地，凹腔的空气进入侧还设置有凸块，凸块上间隔设置有朝凹腔延伸的安装槽，支板设置在安装槽内。

进一步地，底壁燃料喷孔延伸方向与导流孔出口延伸方向正交。

进一步地，支板包括梯台部，梯台部的两侧面相平行，导流孔设置在梯台部的远离凹腔一侧的腹部斜面上。

进一步地，支板还包括棱锥部，棱锥部沿梯台部的腹部斜面倾斜设置，棱锥部的两个侧斜面沿支板的纵向中平面对称设置，各侧斜面上均设置有导流孔，支板的与侧斜面相交的两个相对侧面上均设置有与对应侧的导流孔相连通的导流孔出口，底壁燃料喷孔设置在各支板的两侧。

进一步地，支板位于凹腔内的部分竖向设置有导流通道，导流孔和导流孔出口均连接至导流通道，并通过导流通道相连通。

进一步地，凹腔的底壁内设置有沿底壁燃料喷孔的排列方向延伸的第一横向通道，第一横向通道连通各底壁燃料喷孔，燃料接口连通至第一横向通道。

进一步地，多个导流孔出口沿导流通道间隔设置，多个底壁燃料喷孔沿第一横向通道间隔设置。

进一步地，火焰稳定器还包括竖向设置在凸块上的上游燃料喷孔和横向设置在支板的侧壁上的侧向燃料喷孔，上游燃料喷孔和侧向燃料喷孔正交对应设置。

进一步地，凸块上设置有沿支板的排列方向贯穿各支板的第二横向通道，第二横向通道连通各上游燃料喷孔和侧向燃料喷孔，燃料接口连接至第二横向通道。

进一步地，支板包括与第二横向通道相交且竖向设置的支管，侧向燃料喷孔与支管连通，各支管与导流孔和导流通道在支板内不相连通。

进一步地，支管为两个，两个支管相平行，并分别设置在第二横向通道的中心线所在竖向平面的两侧，上游燃料喷孔的中心线与第二横向通道的中心线垂直相交，并平行于支管的中心线。

根据本发明的另一方面，提供了一种发动机燃烧室，包括隔离段和与隔离段固定连接的火焰稳定器，该火焰稳定器为上述的火焰稳定器。

应用本发明的技术方案，火焰稳定器包括位于上游的导流孔和位于导流孔下游并与导流孔相连通的导流孔出口，导流孔出口与凹腔底壁上的底壁燃料喷口相交叉，在实施点火之前，底壁燃料喷孔开启喷注，主流中的空气通过导流孔流经导流通道挤压进入凹腔前缘底部，与底壁燃料喷孔喷射的燃料碰撞、混合并形成一定配比，起到连续新鲜混气生成作用，使得点火前有空气通过导流孔和导流孔出口进入凹腔形成连续新鲜混气，从而增强火花塞开启后的点火性能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的火焰稳定器的立体结构示意图；

图2示出了根据本发明的实施例的火焰稳定器在导流孔位置的剖视结构示意图；

图3示出了根据本发明的实施例的火焰稳定器在支管位置的剖视结构示意图；

图4示出了根据本发明的实施例的火焰稳定器在第二横向通道处的剖视结构示意图；

图5示出了根据本发明的实施例的火焰稳定器在第一横向通道处的剖视结构示意图；

图6示出了根据本发明的实施例的火焰稳定器在火花塞孔处的剖视结构示意图；

图7示出了根据本发明的实施例的发动机燃烧室的结构示意图；以及

图8示出了根据图7的实施例的发动机燃烧室的半剖结构示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的实施例以图1中所示的结构为基础结构，各方位描述均以该结构为基准。

如图1至图6所示，根据本发明的实施例，火焰稳定器包括安装座10，安装座10的一侧设置有凹腔20，凹腔20的上游设置有导流孔41，凹腔20位于导流孔41下游的位置设置有与导流孔41相连通并朝第一方向延伸的导流孔出口44，凹腔20的底壁上设置有朝第二方向延伸的底壁燃料喷孔22，底壁燃料喷孔22连接至燃料接口，导流孔出口44的延伸方向与底壁燃料喷孔22的延伸方向相交叉。

在凹腔20的空气进入侧间隔设置有多个支板40，导流孔41设置在支板40的迎风面上，导流孔出口44位于支板40远离迎风面的一侧。凹腔20的迎风一侧即空气进入侧设置有凸块30，凹腔20靠近凸块30的底壁上设置有火花塞孔21，凸块30上间隔设置有朝凹腔20延伸的安装槽，支板40设置在安装槽内。支板40伸入凹腔20内，支板40高出凸块30部分的迎风面上设置有导流孔41，支板40位于凹腔20内的部分设置有与导流孔41连通的导流孔出口44，凹腔20上对应导流孔出口44的位置设置有底壁燃料喷孔22，底壁燃料喷孔22连接至燃料接口。支板40上的迎风面为沿空气的流动方向从位于凸块上的底部向顶部延伸并倾斜的斜面，用于在空气流动过程中对进入燃烧室的空气进行压缩，形成迎风面高压。在凹腔20的另一侧设置有与凸块30相对的另一凸块，该凸块上也设置有迎风斜面。在安装座的周缘设置有多个螺栓安装孔，用于将安装座固定连接在隔离段50上，从而将火焰稳定器固定设置在发动机燃烧室上。

在实施点火之前，底壁燃料喷孔22开启喷注，利用支板40压缩形成的迎风面高压，将主流中的空气通过导流孔41流经导流孔出口44之后挤压进入凹腔前缘底部，与底壁燃料喷孔22喷射的燃料碰撞、混合并形成一定配比，起到连续新鲜混气生成作用，使得点火前有空气通过导流孔41和导流孔出口44进入凹腔20形成连续新鲜混气，从而增强火花塞开启的点火性能。

优选地，底壁燃料喷孔22延伸方向与导流孔出口44延伸方向正交。正交且对应设置的底壁燃料喷孔22和导流孔出口44，能够使得导流孔出口44流出的空气与底壁燃料喷孔22喷射的燃料碰撞，空气和燃料的混合更加均匀，获得更好的混合效果，从而使得火花塞开启性能进一步提升。

在本实施例中，支板40包括梯台部42，梯台部42的横截面为矩形，沿远离凸台的方向横截面的宽度不变，长度逐渐变小，梯台部42靠近凹腔20的一侧边缘为垂直于凹腔底壁的直面，远离凹腔20的一侧为沿空气的流动方向倾斜的腹部斜面，导流孔41设置在梯台部42的远离凹腔20一侧的腹部斜面上。支板40还可以包括棱锥部43，棱锥部43沿梯台部42的腹部斜面倾斜设置，棱锥部43的两个侧斜面431沿支板40的纵向中平面对称设置，各侧斜面431上均设置有导流孔41，支板40的与侧斜面431相交的两个相对侧面上均设置有与对应侧的导流孔41相连通的导流孔出口44，底壁燃料喷孔22设置在各支板40的两侧。棱锥部43的侧斜面431倾斜设置，使得支板40的迎风面形成楔形面，可以使支板40获得更好的空气压缩效果，保证空气能够与燃料充分地混合。上述的侧斜面431可以为直面，也可以为弧面。

在支板40位于凹腔20内的部分竖向设置有导流通道45，多个导流孔41和多个导流孔出口44均连接至导流通道45，并通过导流通道45相连通。多个导流孔41和多个导流孔出口44均沿导流通道45的中心线方向均匀间隔设置，各导流孔41和各导流孔出口44均水平设置，且导流孔41设置在支板20上部，导流孔出口44设置在支板20下部，从而将导流孔41和导流孔出口44的设置位置相隔离，使得空气在进入导流通道45后不会发生乱流，影响空气的输送。支板40将进入的空气输送至导流通道45后，由导流通道45输送至导流孔出口44，然后输送至凹腔的前缘底部，完成空气的输送。

优选地，凹腔20的底壁内设置有沿底壁燃料喷孔22的排列方向延伸的第一横向通道23，多个底壁燃料喷孔22沿第一横向通道23均匀间隔设置。第一横向通道23连通各底壁燃料喷孔22，燃料接口连通至第一横向通道23。第一横向通道将各底壁燃料喷孔22连通，在进行燃料输送时，能够保证各底壁燃料喷孔22均能够输送相同压力的燃料，保证各处的底壁燃料喷孔22喷出的燃料与从导流孔出口44流出的空气混合均匀，在凹腔20内所形成的混气混合更加均匀，提高火焰稳定器的点火性能和火焰燃烧的稳定性。

优选地，火焰稳定器还包括竖向设置在凸块30上的上游燃料喷孔31和横向设置在支板40的侧壁上的侧向燃料喷孔46，上游燃料喷孔31和侧向燃料喷孔46正交对应设置。凸块30上设置有沿支板40的排列方向贯穿各支板40的第二横向通道32，第二横向通道32连通各上游燃料喷孔31和侧向燃料喷孔46，燃料接口连接至第二横向通道32。支板40包括与第二横向通道32相交且竖向设置的支管47，侧向燃料喷孔46与支管47连通，各支管47与导流孔41和导流通道45在支板40内不相连通。在输送燃料的过程中，燃料可以进入第二横向通道32后分别经侧向燃料喷孔46和上游燃料喷孔31喷出，一方面参与燃烧过程，另一方面可以向凹腔20内补充燃料，保证燃烧的稳定性。

优选地，支管47为两个，两个支管47相平行，并分别设置在第二横向通道32的中心线所在竖向平面的两侧，上游燃料喷孔31的中心线与第二横向通道32的中心线垂直相交，并平行于支管47的中心线。

本发明给出的火焰稳定器，使用了支板-凹腔组合结构，采用上游燃料喷孔31和底壁燃料喷孔22的形式，凹腔20的底壁设置火花塞孔21以加装火花塞用于点火。凹腔前缘加装支板阵列，在支板20的迎风面上设置导流孔41，导流孔41经过导流通道45与导流孔出口44连通。支板20上设置两排侧向燃料喷孔46，在凹腔20靠近前缘底壁上布置一排底壁燃料喷孔22，与导流孔41出口正交相对。火花塞孔21布置在底壁燃料喷孔22下游。

本发明的火焰稳定器，在实施点火之前，底壁燃料喷孔22、上游燃料喷孔31和侧向燃料喷孔46均开启喷注，利用支板20压缩形成的迎风面高压，将主流中的空气通过导流孔41流经导流通道45挤压进入凹腔前缘底部的支板20上的导流孔出口44，与凹腔20的底壁燃料喷孔22喷射的燃料碰撞、混合并形成一定配比，起到连续新鲜混气生成作用，使得点火前有空气通过导流孔41和导流孔出口44进入凹腔20形成连续新鲜混气，从而增强火花塞开启时的点火性能。

在点火完成后关闭凹腔底壁燃料喷孔22的喷注。正常燃烧过程中，支板40侧面的侧面燃料喷孔46将燃料均匀的喷注到主流管路中，有助于空气与燃料的充分均匀混合；凹腔上游的上游燃料喷孔31喷注的燃料进入凹腔20形成稳定火焰，从而与侧面燃料喷孔46结合在一起形成高效的燃烧过程。

根据本发明的实施例，发动机燃烧室包括隔离段50和与隔离段50固定连接的火焰稳定器，该火焰稳定器为上述的火焰稳定器。

下面给出采用本发明的支板-凹腔点火增强性能的定量估算。

导流孔布置在支板的迎风面上，利用斜激波压缩的作用增强导流孔入出口的压差。

根据斜激波关系式

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}=\frac{(\mathrm{\γ}+1)M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}{2+(\mathrm{\γ}-1)M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}$

$\frac{p_2}{p_1}=1+\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}(M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-1)$

$\frac{T_2}{T_1}=\frac{[2\mathrm{\γ}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-(\mathrm{\γ}-1)][(\mathrm{\γ}-1)M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}+2]}{(\mathrm{\γ}+1)M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}$

上述公式中，ρ₁为斜激波前空气密度，ρ₂为斜激波后空气密度，γ为空气的比热比，对于纯净空气取γ=1.4，M₁为斜激波前马赫数，β为斜激波角，p₁为斜激波前空气静压，p₂为斜激波后空气静压，T₁为斜激波前空气静温，T₂为斜激波后空气静温。

以及支板前缘斜坡倾角θ与激波角β之间的对应关系式

$\mathrm{tg\θ}=2\mathrm{ctg\β}\frac{M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-1}{M_1^2(\mathrm{\γ}+\cos 2\mathrm{\β})+2}$

可以计算出来，在斜坡倾角θ=10度时候，即可以导致2倍的压升，从而有助于将空气从斜坡表面挤压入凹腔底壁。

根据文献《超声速燃烧火焰稳定凹腔质量交换特性的数值研究》以及《超声速燃烧凹腔质量交换特性的混合RANS/LES模拟》的结果，凹腔的驻留时间在冷流以及反应流中均在2ms左右，凹腔的质量交换率，或者说空气的进入流率由凹腔的气体容量和驻留时间相除得到。针对本发明的一个示例，取燃烧室的凹腔的尺寸为：长(L)140mm*宽(W)230mm*深(D)20mm，燃烧室凹腔的容积为：L*W*D=0.000644m³。此时取数值模拟的计算结果，在Ma4条件下凹腔内的空气密度为0.5kg/m³（凹腔内的密度分布不均，这是取平均的结果）。那么该条件下凹腔内的空气质量为0.000644m3*0.5kg/m3=0.000322kg，那么空气进入凹腔的流率为：

根据文献结果，进入凹腔的空气主要是集中于凹腔剪切层的下游，由于凹腔前缘回流区的流速非常低，即便是进入凹腔的空气也很难完成与凹腔前缘流区的交换，因此凹腔前缘的空气流率要小于0.161kg/s。

采用Φ2mm单孔压缩可以将如下流量的空气压缩进入凹腔底壁。取导流管的流量系数C_d=0.9（可以通过导流管的设计进一步提高），支板前缘后斜坡倾角气流的静压P₀=0.2Mpa，气流的静温T₀=590K，那么采用Φ2mm单孔压缩可以将如下流量的空气压缩进入凹腔底壁。单孔面积A₀=π(D/2)²=3.1416e-006，那么

$\stackrel{\·}{m}=C_d\mathrm{\κ}\frac{P_0}{\sqrt{T_0}}{A}_o\≈0.0008\mathrm{kg}/s$

其中

为空气流量，κ为等熵特征系数，对于空气κ=0.04042。

则采用10个孔压缩，可获得0.008kg/s的空气流量，采用50个孔压缩，可以获得0.04kg/s的空气流量，因此相对于空气进入凹腔前缘的流率，完全可以取得引入空气的效果。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1.利用支板激波压缩自身产生的高压促进点火，无须携带氧化剂高压气源装置；

2.采用导流孔与凹腔底壁连通，形成在点火前促进点火的方案，这种方案具有结构简单、自适应的特点，易于推广。

3.支板的燃料喷射与凹腔结合在一起，具有均匀混合、火焰稳定的特点，对于燃烧有明显的增强作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种火焰稳定器，其特征在于，包括安装座（10），所述安装座（10）内设置有凹腔（20），所述凹腔（20）的上游设置有导流孔（41），所述凹腔（20）位于所述导流孔（41）下游的位置设置有与所述导流孔（41）相连通并朝第一方向延伸的导流孔出口（44），所述凹腔（20）的底壁上设置有朝第二方向延伸的底壁燃料喷孔（22），所述底壁燃料喷孔（22）连接至燃料接口，所述导流孔出口（44）的延伸方向与所述底壁燃料喷孔（22）的延伸方向相交叉。

2.根据权利要求1所述的火焰稳定器，其特征在于，所述凹腔（20）的空气进入侧间隔设置有多个支板（40），所述导流孔（41）设置在所述支板（40）的迎风面上，所述导流孔出口（44）位于所述支板（40）远离所述迎风面的一侧。

3.根据权利要求2所述的火焰稳定器，其特征在于，所述凹腔（20）的空气进入侧还设置有凸块（30），所述凸块（30）上间隔设置有朝所述凹腔（20）延伸的安装槽，所述支板（40）设置在所述安装槽内。

4.根据权利要求3所述的火焰稳定器，其特征在于，所述底壁燃料喷孔（22）延伸方向与所述导流孔出口（44）延伸方向正交。

5.根据权利要求3所述的火焰稳定器，其特征在于，所述支板（40）包括梯台部（42），所述梯台部（42）的两侧面相平行，所述导流孔（41）设置在所述梯台部（42）的远离所述凹腔（20）一侧的腹部斜面上。

6.根据权利要求5所述的火焰稳定器，其特征在于，所述支板（40）还包括棱锥部（43），所述棱锥部（43）沿所述梯台部（42）的腹部斜面倾斜设置，所述棱锥部（43）的两个侧斜面（431）沿所述支板（40）的纵向中平面对称设置，各所述侧斜面（431）上均设置有所述导流孔（41），所述支板（40）的与所述侧斜面（431）相交的两个相对侧面上均设置有与对应侧的所述导流孔（41）相连通的所述导流孔出口（44），所述底壁燃料喷孔（22）设置在各所述支板（40）的两侧。

7.根据权利要求6所述的火焰稳定器，其特征在于，所述支板（40）位于所述凹腔（20）内的部分竖向设置有导流通道（45），所述导流孔（41）和所述导流孔出口（44）均连接至所述导流通道（45），并通过所述导流通道（45）相连通。

8.根据权利要求7所述的火焰稳定器，其特征在于，所述凹腔（20）的底壁内设置有沿所述底壁燃料喷孔（22）的排列方向延伸的第一横向通道（23），所述第一横向通道（23）连通各所述底壁燃料喷孔（22），所述燃料接口连通至所述第一横向通道（23）。

9.根据权利要求8所述的火焰稳定器，其特征在于，多个所述导流孔出口（44）沿所述导流通道（45）间隔设置，多个所述底壁燃料喷孔（22）沿所述第一横向通道（23）间隔设置。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的火焰稳定器，其特征在于，所述火焰稳定器还包括竖向设置在所述凸块（30）上的上游燃料喷孔（31）和横向设置在所述支板（40）的侧壁上的侧向燃料喷孔（46），所述上游燃料喷孔（31）和所述侧向燃料喷孔（46）正交对应设置。

11.根据权利要求10所述的火焰稳定器，其特征在于，所述凸块（30）上设置有沿所述支板（40）的排列方向贯穿各所述支板（40）的第二横向通道（32），所述第二横向通道（32）连通各所述上游燃料喷孔（31）和所述侧向燃料喷孔（46），所述燃料接口连接至所述第二横向通道（32）。

12.根据权利要求11所述的火焰稳定器，其特征在于，所述支板（40）包括与所述第二横向通道（32）相交且竖向设置的支管（47），所述侧向燃料喷孔（46）与所述支管（47）连通，各所述支管（47）与所述导流孔（41）和所述导流通道（45）在所述支板（40）内不相连通。

13.根据权利要求12所述的火焰稳定器，其特征在于，所述支管（47）为两个，两个所述支管（47）相平行，并分别设置在所述第二横向通道（32）的中心线所在竖向平面的两侧，所述上游燃料喷孔（31）的中心线与所述第二横向通道（32）的中心线垂直相交，并平行于所述支管（47）的中心线。

14.一种发动机燃烧室，包括隔离段（50）和与所述隔离段（50）固定连接的火焰稳定器，其特征在于，所述火焰稳定器为权利要求1至13中任一项所述的火焰稳定器。

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