CN103032898A - 一种燃烧室混合增强装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃烧室混合增强装置，在燃料喷嘴的进出口之间增加一个声学凹腔，燃料喷嘴安装在燃烧室室壁上，燃料经燃料喷嘴入口、声学凹腔、燃料喷嘴出口进入燃烧室内。本发明增强燃烧室混合，结构简单、无热防护问题，燃烧室流动损失小，扰动能量利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，具体涉及航空发动机燃烧室混合增强装置。
背景技术
燃烧发生的前提是燃料和氧化剂达到分子量级的混合，而在吸气式航空发动机(如涡轮发动机和冲压发动机等)燃烧室内，空气流和燃料流从不同入口进入燃烧室，呈非预混状态。由于气流速度高、驻留时间短，对燃料和氧化剂的快速有效混合提出了挑战。因此如何增强混合是决定该类燃烧室设计成功与否的一个关键问题。
混合增强技术的原理基本都是采用不同方式产生旋涡，将空气卷入燃料流核心，增大燃料与空气接触面积，使得分子扩散能更充分地进行，一般可将其分为两类：主动式和被动式。
主动式混合增强方法通常采用主动控制的外部扰动来激发燃料与氧化剂混合层中的不稳定波以产生旋涡，促进混合。如Vandsburger(U.Vandsburger.A Self-Exited WireMethod for Control of the Evolution of a Turbulent Mixing Layer.AIAA Paper 93-0443，1993.)采用振荡板/线引入扰动，Bogdanoff(D.W.Bogdanoff.Advanced Injection andMixing Techniques for Scramjet Combustor.Journal of Propulsion and Power，10(2)：354-361，1994.)利用脉冲射流产生一定频率的声波对混合层进行激励。
被动式混合增强方法一般是利用特殊的几何结构来增强混合，而且分为两类。一类是采用斜坡等侵入式结构(R.C.Rogers，et al.Experimental Supersonic CombustionResearch at NASA Langly.AIAA Paper 98-2506，1998.)，如图1所示，其中11为氧化剂流，12为燃烧室室壁，21为燃料流，4为斜坡；另一类是采用声学凹腔等壁面凹进式结构(A.Quick，et al.Upstream Mixing Cavity Coupled with a Downstream Flameholding CavityBehavior in Supersonic Flow.AIAA Paper 2005-3709，2005.)，如图2所示，其中11为氧化剂流，12为燃烧室室璧，21为燃料流，3为声学凹腔。这些装置均可在燃烧室流道内产生一定的扰动，促进燃燃料和氧化剂的混合。
现有技术存在的缺点为：
主动式混合增强技术实现比较复杂，且通常难以达到足够高的激励频率和激励能量。
现有的侵入式被动混合增强技术使物理结构直接暴露于高温、高速燃烧室气流中，通常具有热防护困难及流动损失大的缺点。
现有的凹进式被动混合增强技术将声学凹腔直接安置于燃烧室壁面，此时声学凹腔产生的扰动会影响整个燃烧室流道，因而实际用于促进混合的扰动能量通常只占扰动总能量的很小一部分，而其余很大一部分扰动能量都转化为相应的流动损失。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种燃烧室混合增强装置。本发明增强燃烧室混合，结构简单、无热防护问题，燃烧室流动损失小，扰动能量利用率高。
本发明一种燃烧室混合增强装置，在燃料喷嘴的出口23与燃料喷嘴入口22之间增加一个声学凹腔3，使声学凹腔3安置于燃料喷嘴流道21内；燃料喷嘴安装在燃烧室室壁12上，燃料经燃料喷嘴入口22、声学凹腔3、燃料喷嘴出口23进入燃烧室内。
所述声学凹腔尺度应近似满足D/θ≥15，
其中D为声学凹腔的深度，L为声学凹腔的长度，θ为燃料流在凹腔前缘形成的边界层动量厚度，
为基于θ的雷诺数，u为燃料流声学凹腔前缘处流道中心的速度，v为燃料流的分子粘性。
本发明的有益效果：
1、本发明采用声学凹腔产生燃料流剪切层，并利用其高强度非定常声波激励剪切层，促进不稳定波增长，以在燃料喷流出口快速产生大尺度涡结构；燃料流进入燃烧室后与空气掺混，其边界上形成的大尺度结构卷起空气形成混合层，从而增强混合；
2、本发明在燃料喷嘴流道内增加声学凹腔，达到增强混合的作用，结构简单、无热防护问题；仅在小流量燃料喷嘴流道内引起一定的流动损失，而不造成燃烧室大流量氧化剂的流动损失，总的流动损失小，因此扰动能量利用率高。
3、本发明同时达到增强混合与减小流动损失的效果。
附图说明
图1：现有技术中斜坡等侵入式结构示意图
图2：现有技术中声学凹腔等壁面凹进式结构示意图
图3：本发明燃烧室混合增强装置结构示意图
图例标号说明：
11为氧化剂流，12为燃烧室室璧，21为燃料喷嘴流道，22为燃料喷嘴入口，23为燃料喷嘴出口，4为斜坡，3为声学凹腔，31为声学凹腔长度L，32为声学凹腔深度D，33为声学凹腔前缘边界层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明利用声学凹腔增强燃烧室混合。如图3所示。
在燃料喷嘴的出口23与燃料喷嘴入口22之间增加一个声学凹腔3，使声学凹腔3安置于燃料喷嘴流道21内。燃料喷嘴安装在燃烧室室壁12上，燃料经燃料喷嘴入口22、声学凹腔3、燃料喷嘴出口23进入燃烧室内。
声学凹腔仅在燃料喷嘴流道内引起一定的流动损失，而不影响燃烧室主流。通常情况下，发动机中氧化剂流量比燃料流量大成百上千倍，因此这样的设计相对于原有的在燃烧室主流道内设置声学凹腔增强混合的措施来说可以大大减小流动损失。
现有技术中，在燃烧室内设置声学凹腔，扰动会影响整个燃烧室流道，而只有与燃料/氧化剂形成的混合层相互作用的那部分扰动才起到了增强混合的作用，而其它很大一部分扰动能量并未起到增强混合的作用，而仅仅增大了流动损失和燃烧室阻力；在燃料喷嘴内设置声学凹腔，扰动能量基本全部用于增强燃料混合，因此相当于在很大程度上提高了激励效率。
为了使产生强烈振荡使混合增强作用明显，声学凹腔尺度应近似满足D/θ≥15，
其中D为声学凹腔的深度，L为声学凹腔的长度，θ为燃料流在凹腔前缘形成的边界层33动量厚度，
为基于θ的雷诺数，u为燃料流声学凹腔前缘处流道中心的速度，v为燃料流的分子粘性。图3中31为声学凹腔长度L，32为声学凹腔深度D。
各种举例说明不对发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式作修改或变形，不背离发明的实质和范围。
Claims (2)
1.一种燃烧室混合增强装置，其特征在于，在燃料喷嘴的出口(23)与燃料喷嘴入口(22)之间增加一个声学凹腔(3)，使声学凹腔(3)安置于燃料喷嘴流道(21)内；燃料喷嘴安装在燃烧室室壁(12)上，燃料经燃料喷嘴入口(22)、声学凹腔(3)、燃料喷嘴出口(23)进入燃烧室内。
2.如权利要求1所述的一种燃烧室混合增强装置，其特征在于，所述声学凹腔(3)尺度应近似满足D/θ≥15，
其中D为声学凹腔的深度，L为声学凹腔的长度，θ为燃料流在凹腔前缘形成的边界层动量厚度，为基于θ的雷诺数，u为燃料流声学凹腔前缘处流道中心的速度，ν为燃料流的分子粘性。
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