CN103411236A - 一种开孔侧裙板式值班火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开孔侧裙板式值班火焰稳定器，该稳定器在稳定器两侧裙板开一排引气孔，引入了一股气流，对火焰稳定器点火燃烧后的中心区域进行了补气掺混，从而使气流中心温度降低，两侧温度升高，最终达到提高温度场均匀度的目的，同时引入的气流可以与未燃烧的燃料掺混燃烧，这样达到了提高了稳定器的燃烧效率的目的。本发明能够有效提高火焰稳定器后温度场均匀度和燃烧效率。而传统钝体火焰稳定器火焰宽度小，温度均匀度差。

Description

一种开孔侧裙板式值班火焰稳定器

技术领域

本发明涉及钝体火焰稳定器的技术领域，具体涉及一种开孔侧裙板式值班火焰稳定器，本装置在稳定器上下两各有一个稳定器开孔侧裙板，在常压工况下，该装置相比传统的钝体火焰稳定器能较好的改善燃烧室出口温度分布，提高燃烧效率，缩短火焰长度。

背景技术

加力燃烧室是利用复燃原理，通过向涡轮后燃气喷油点火，利用燃气中剩余的氧气再次燃烧以提高气流温度、增大喷气速度，进而在很短时间内增大发动机推力的装置。对当代各型歼击机发动机而言，加力燃烧室是必须的重要部件，启动加力燃烧室后，发动机总推力较原有最大状态推力可增加大约50%；对于涡扇发动机可增加70%以上甚至更高。

因为气流经过涡轮膨胀做功后，即便经过扩压器减速，加力燃烧室内的气流速度仍然远高于湍流火焰的传播速度，在这样的高速气流中不能存在稳定燃烧的火焰。所以，为了油气混合物能点火并稳定燃烧，需要火焰稳定装置。因为钝体火焰稳定器具有点火平稳可靠、燃烧稳定、结构简单的特点，加力燃烧室通常采用钝体火焰稳定器进行稳焰，钝体火焰稳定器其结构形式主要包括V型槽火焰稳定器、吸入式火焰稳定器、双V型火焰稳定器、蒸发式火焰稳定器、沙丘驻涡火焰稳定器等。

本发明提供的开孔侧裙板式值班火焰稳定器是一种值班火焰稳定器，其供油方式为通过燃油分布管向回流区进行局部供油。而回流区受到稳定器头部面板和稳定器侧板的保护，因此基本上不受外部主流流动的干扰，并可以单独控制附加燃油，因此，有利于在高速来流的条件下可靠工作。并且这种供油方案在贫油状态下，可以使回流区的局部保持较大的油气比，所以这种方案的点火和稳定工作范围宽广。

传统的钝体火焰稳定器后方中心回流区是主燃区，所以中心温度高，两侧温度低，具有温度场不均匀的缺点。本发明提出的开孔侧裙板式值班火焰稳定器具有稳定器后温度场均匀，燃烧效率高和火焰长度短的优点，因此可用于加力燃烧室或地面高温加温装置。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：传统钝体火焰稳定器燃烧反应集中在回流区，所以回流区温度高，两侧温度低，使稳定器后方温度场不均匀，而且在常压工作环境下效率低下。

本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：一种开孔侧裙板式值班火焰稳定器，该稳定器包括：稳定器开孔侧裙板，稳定器侧板，稳定器头部面板，稳定器燃油分布管进气管，喷油杆和稳定器燃油分布管；其中：

稳定器开孔侧裙板扩张角γ=75°，稳定器开孔侧裙板上、下各开有16个均布的椭圆孔，孔中心距离裙板中间线3mm，稳定器开孔侧裙板开孔面积占沿流向投影面积的11%，稳定器开孔侧裙板沿流向投影面积占该开孔侧裙板式值班火焰稳定器沿流向投影面积的40.5%；

所述的稳定器侧板扩张角α=31°，沿流向投影面积占开孔侧裙板式值班火焰稳定器沿流向投影面积的22%；

所述的稳定器头部面板开有2个稳定器燃油分布管进气管的椭圆安装孔，以及16个椭圆进气孔，稳定器头部面板总开孔面积占稳定器沿流向投影面积的8.1%；稳定器头部面板沿流向投影面积占开孔侧裙板式值班火焰稳定器沿流向投影面积的37.5%；

采用喷油杆供油，喷油杆为一根双孔直射式喷油杆，该喷油杆上开有直径为0.7mm大小的喷油孔，喷油孔位置对应着值班火焰稳定器的稳定器燃油分布管进气管，喷油孔的燃油喷射方向与气流方向呈45°夹角；

所述的稳定器燃油分布管上下两侧各开有均布的16个直径为4mm的圆孔，圆孔的法向方向与稳定器前的气流流向夹角β=90°，稳定器燃油分布管直径占稳定器头部面板宽度的5/6。本发明供油方案采用燃油分布管直接向回流区内供油的方式，燃油雾化效果较理想，油气混合较为均匀，这种供油方案可以保证贫油状态下的点火和燃烧稳定性，增大稳定器稳定工作范围。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1，本发明具有稳定器后温度场均匀的优点。

2，本发明具有燃烧效率高的优点。

3，本发明具有火焰长度短的优点。

4，本发明结构简单，点火性能好，燃烧稳定性好，稳定器稳定工作范围大。

附图说明

图1为本发明的结构剖视图；

图2为本发明的结构正视图；

图3为本发明的空气引气示意图；

图4为不同马赫数不同油气比条件下温度分布结果图；

图5为裙板不同开孔位置结构图。

上述示意图中标号的说明：

1.稳定器开孔侧裙板，2.稳定器侧板，3.稳定器头部面板，4.稳定器燃油分布管进气管，5.直射式喷油杆，6.稳定器燃油分布管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明，带有开孔侧裙板的加力燃烧室值班火焰稳定器的具体的结构优化及达到的效果进行说明。

实施例1

图1，图2是本发明的结构示意图。本发明一种开孔侧裙板式值班火焰稳定器包括稳定器开孔侧裙板1，稳定器侧板2，稳定器头部面板3，稳定器燃油分布管进气管4，直射式喷油杆5和稳定器燃油分布管6。

图1是剖视图，如图1，稳定器开孔侧裙板1，稳定器侧板2，稳定器头部面板3，稳定器燃油分布管6，稳定器燃油分布管进气口4是焊接关系，其供油方案是采用一根双孔直射式喷油杆5，喷油杆上开有直径为0.7mm大小的喷油孔，喷油孔位置对应着值班火焰稳定器的稳定器燃油分布管进气管4，喷油孔的燃油喷射方向与气流方向呈45°夹角。

如图1所示，稳定器侧板2扩张角较小，α=31°，可以给稳定器开孔侧裙板1的安装留出足够的位置，使阻塞比不至于过大，在上下稳定器侧板2上各连接一个稳定器开孔侧裙板1，侧裙板扩张角较大，γ=75°，侧裙板上开有均布的16个椭圆圆孔，开孔面积占整个稳定器沿流向投影面积的11%。头部面板3开2个稳定器燃油分布管进气管4的椭圆形安装孔以及16个椭圆形进气孔，头部面板3总开孔面积占整个稳定器沿流向投影面积的8.1%。稳定器燃油分布管6上下两侧各开有16个直径为4mm的圆孔，圆孔的法向方向与稳定器前的气流流向夹角β=90°。

通过稳定器开孔侧裙板1的开孔引入一股气流，对稳定器的燃烧中心区进行掺混和补气，降低中心温度，提高两侧温度，使温度场趋于均匀，在稳定器后获得较为均匀的温度场。补气的作用使第三股气流与未燃烧的燃料掺混燃烧，提高了稳定器的燃烧效率。

图3是本发明提供的开孔侧裙板式值班火焰稳定器工作原理图。本发明的火焰稳定器供油方案是，燃油通过直射式喷油杆5喷射到装在稳定器进气稳定器燃油分布管进气管4的溅板上。分布管进气孔4从来流吸入空气，并和燃油一起形成乳浊混合物流入稳定器内的分布管6。在分布管两侧各有一排小孔，使油气混合物沿分布管流入稳定器后，稳定器头部面板3开有进气孔，作用是引入气流b进一步使燃油雾化以及混合，冷却稳定器壁。其内回流区受到开孔侧裙板1和稳定器侧板2的保护，因此基本上不受外部主流流动的干扰，可以单独控制燃油，因此，有利于在高速来流的条件下可靠工作，扩大了贫油状态的点火和稳定工作范围，贫油熄火油气比可以达到0.003，并能提高燃烧效率。特别是在来流温度低，流速高时，其优越性更显得十分突出。

通过开孔侧裙板1上的气孔，引入气流c，有两方面作用：一是使主燃区的未燃成分补充燃烧；二是促使主燃区的离解产物完成复合反应。这两方面的作用决定了从中间区进入火焰筒的空气不宜过多，否则会导致燃气温度急剧下降，既不利于补燃，也可能使离解产物冻结，对复合反应应有抑制作用。

在决定了蒸发式稳定器作为结构主体后，需要确定以下几个关键设计参数：稳定器槽宽、顶角、头部相对开孔率、分布管（燃油分布管）尺寸、分布管上下两侧的开孔面积及分布角度等。

火焰稳定器槽宽、张角的选取：

槽宽和张角是决定稳定器回流区大小的主要因素。槽宽和张角越大，则稳定器后的回流区越大，相同来流条件下，火焰稳定性越好；但槽宽和张角越大，燃烧室流动堵塞比越大，尾缘附近流速越大，将使流动损失增加，过大了也不利于火焰稳定。

本发明是为了在燃烧器后面获得尽可能宽的高温均匀流场。因此可以选择较大的稳定器槽宽。选取稳定器的张角为31°。该张角与常规钝体火焰稳定器的张角相比偏小，这是为了给开孔侧裙板留出更大的空间，而尽可能缩小前面侧板的长度。

火焰稳定器头部进气面积的确定：

头部面板3的开孔需要遵循一定的原则和规律：头部开孔面积的大小要由试验确定。由于稳定器头部进入空气，稳定器后回流区的气动力有了较大的变化，回流区的负压有所降低。同时回流区的长宽也有变化。燃烧试验表明：头部进气量过多会破坏燃烧稳定性。一般来说相对开孔面积比控制在10%左右，该稳定器的设计也同样遵循以上的原则。设分布管的两个进气管口总面积Ain，稳定器头部进气孔板开孔的总面积为Atz，分布管的出气小孔总面积为Aout，稳定器正面沿正面来流方向的投影总面积Atotal，在本设计中，因为两侧裙板也要开孔，所以决定将头部开孔率适当缩小，开孔率为

稳定器燃油分布管出气孔的安排：

根据经验，为了使得进入分布管油气混合气在回流区附近排气顺畅，要保证分布管的进气面积满足关系式Aout≥Ain。在本设计中，取Aout≈1.1×Ain。根据相关的研究材料，对于气态燃料，分布管出气小孔的开孔角度β实际上是影响了可燃混气进入剪切层的位置，从而影响钝体后的局部浓度分布，进而影响稳定性及燃烧效率。在本设计中，取β=90°，此时由图1可以看出，燃油的喷出位置处于面积较小的喉道位置，这里的气流速度较高，稳定器头部引入空气的剪切雾化和混合作用比较强烈，因此燃油的雾化和混合情况良好。

火焰稳定器分布管尺寸的选取：

分布管在本设计中基本可以看作成是燃油的分布器，燃油由前方两个椭圆形的进气孔与空气一起进入分布管后在分布管中混合并由均布在上下两侧的沿火焰稳定器展向上的小孔喷出，使得可燃混气在展向上分布更加均匀。此外分布管还可以看作一个放置在大稳定器罩内的一个小的柱形稳定器，在一定的条件下，在分布管后会形成一个较小的低速区，这个低速区也会形成一个小的点火源。

分布管直径D对火焰稳定器局部供油的燃油雾化特性造成影响：相关资料表明，温度在573K以下蒸发常数会急剧下降，而且这样的温度条件，只相当于涡轮加力外涵的温度水平，按照涡扇加力外涵的经典数据，燃油的蒸发比率大约只有20%～30%，在这样燃油蒸发十分不利的情况下，燃油初始雾化质量对燃烧效率的影响更加突出。液态燃油从分布管的出气小孔排出后，会在稳定器头部进气的剪切作用下在稳定器侧板和分布管外壁形成的槽道中继续雾化，参考空气雾化喷嘴的试验数据，雾化空气速度对雾化有很大的影响，雾化空气速度大可以显著地改善雾化质量。因此在选择分布管直径时，需要使排出小孔的油气混合气具有尽可能大的沿主流向的分速度。由试验结构可看出，在一定的范围内，随着分布管直径D的增加，其出口混合气沿流向的分速度越大，燃烧效率呈明显的上升趋势。

由以上分析，并根据实际试验台的安装条件，确定火焰稳定器分布管直径是头部面板宽度的5/6。

图4（a），（b），（c）是试验结果，（a）是马赫数0.12，不同油气比的稳定器后温度分布图，（b）是马赫数0.14，不同油气比的稳定器后温度分布图，（c）是马赫数0.16，不同油气比的稳定器后温度分布图，从结果图可以看出，最高温度和最低温度相差在18%以内，而传统的蒸发式火焰稳定器后最高温度和最低温度相差30%以上，由此可以证明，本发明提供的带有开孔侧裙板的值班火焰稳定器可以使稳定器后温度场均匀度有效提高。通过计算燃烧效率，不同工况的燃烧效率大于75%，证明本发明提供的带有开孔侧裙板的值班火焰稳定器具有较高的燃烧效率。

实施例2

在稳定器两侧裙板上开孔，需要确定两个参数：一是开孔的位置；二是开孔的面积。不同的开孔位置会使空气掺混的位置不同，对稳定器后的稳定区域流场产生不同的影响，继而影响燃烧性能，而不同的开孔面积则决定了所引入气量的多少，不同的引气量将会影响对后部温度场掺混效果，也会影响稳定器后温度场的均匀性。

设计了2种不同结构的火焰稳定器，下面具体介绍这2种火焰稳定器的具体设计参数。

本发明提出的带开孔侧裙板式火焰稳定器在除裙板部分具有相同的结构参数：槽宽，流向长度，稳定器展向长度；分布管直径，此外分布管进气孔和分布管上下两侧排气孔的面积也相同。

不同的结构形式与结构参数为：如图5，只有开孔位置不同，开孔在侧板末端与裙板相接处。开孔面积相同。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种开孔侧裙板式值班火焰稳定器，其特征在于，该稳定器包括：稳定器开孔侧裙板（1），稳定器侧板（2），稳定器头部面板（3），稳定器燃油分布管进气管（4），喷油杆（5）和稳定器燃油分布管（6）；其中：

稳定器开孔侧裙板（1）扩张角γ=75°，稳定器开孔侧裙板（1）上、下各开有16个均布的椭圆孔，孔中心距离裙板中间线3mm，稳定器开孔侧裙板（1）开孔面积占沿流向投影面积的11%，稳定器开孔侧裙板（1）沿流向投影面积占该开孔侧裙板式值班火焰稳定器沿流向投影面积的40.5%；

所述的稳定器侧板（2）扩张角α=31°，沿流向投影面积占开孔侧裙板式值班火焰稳定器沿流向投影面积的22%；

所述的稳定器头部面板（3）开有2个稳定器燃油分布管进气管（4）的椭圆安装孔，以及16个椭圆进气孔，稳定器头部面板（3）总开孔面积占稳定器沿流向投影面积的8.1%；稳定器头部面板（3）沿流向投影面积占开孔侧裙板式值班火焰稳定器沿流向投影面积的37.5%；

采用喷油杆（5）供油，喷油杆（5）为一根双孔直射式喷油杆，该喷油杆（5）上开有直径为0.7mm大小的喷油孔，喷油孔位置对应着值班火焰稳定器的稳定器燃油分布管进气管（4），喷油孔的燃油喷射方向与气流方向呈45°夹角；

所述的稳定器燃油分布管（6）上下两侧各开有均布的16个直径为4mm的圆孔，圆孔的法向方向与稳定器前的气流流向夹角β=90°，稳定器燃油分布管（6）直径占稳定器头部面板（3）宽度的5/6。

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