CN103868098B - 一种膜冷却的火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膜冷却的火焰稳定器，包括连接段、稳定器前体和稳定器后体。连接段为一个安装用的法兰；稳定器前体为一个多孔的V型钝体圆环；稳定器后体为一个圆环形的薄片；稳定器前体和稳定器后体封闭形成冷却剂腔；V型稳定器前体的两侧上有沿圆周均布的冷却剂喷注孔；冷却剂通过喷注孔喷注形成气膜或液膜来冷却火焰稳定器；本发明所提供的火焰稳定器结构简单、成本低，具有火焰稳定性能好、耐高温、可长时间工作的特点。

Description

一种膜冷却的火焰稳定器

技术领域

本发明涉及燃气发生器、亚燃冲压发动机以及航空发动机领域，具体涉及燃气发生器、亚燃冲压发动机以及航空发动机燃烧室中的火焰稳定领域。

背景技术

无论是航空发动机、燃气发生器还是冲压发动机，火焰稳定都是其燃烧室设计中的重要方面。在高速气流中主要通过构造低速的回流区来获得足够燃料剧烈化学反应所需的停留时间。在实际的发动机中主要采用钝体火焰稳定器形成回流区来稳定火焰是一种重要形式。

文献“凹腔火焰稳定器阻力特性的实验研究[J].航空学报，2006，27(4)：556-560”、“Effect of cavity flame holder configuration on combustion flow fieldperformance ofintegrated hypersonic vehicle[J].SCIENCE CHINA，2010，53：2725-2733”、“凹腔稳定的超声速火焰结构的实验研究[J].推进技术，2008，29(6)：654-661.”等均公布了超燃冲压发动机中广泛采用的凹腔火焰稳定器，将这类火焰稳定器及其变种(扰流环)记为A类火焰稳定器。A类火焰稳定器适合于来流为超声速时燃料喷注采用壁面喷射方式的发动机，其燃烧组织方式为边区式。而对于液体火箭发动机、燃气发生器和航空发动机这些采用喷注器来喷注雾化燃料的发动机，在燃烧室壁面附近燃料含量较少，A类火焰稳定器的火焰稳定性较差。进一步地，由于燃烧发生在壁面附近，上述发动机内的温度场分布非常不均匀。由此可见A类火焰稳定器更多地适用于冲压发动机。

文献“燃气发生器点火与燃烧性能研究[D].长沙：国防科学技术大学，2008”中公布了一种用在燃气发生器上用的V槽火焰稳定器。V型槽火焰稳定器已经在亚燃冲压发动机和航空发动机中得到广泛应用。将V型槽火焰稳定器及其变种(双V型槽、开缝V型槽、三角形钝体等)记为B类火焰稳定器。B类火焰稳定器适用于燃烧室内气流速度不高的发动机，这样总压损失才不至于严重影响发动机的性能。由于B类火焰稳定器直接安装在燃烧室内，自身没有任何冷却措施，因此要求燃烧室温度不能太高，并且工作时间受限。而火焰传播速度与燃烧室温度息息相关，使得B类火焰稳定器的火焰稳定性能有限。B类火焰稳定器用于燃气发生器限制了燃气发生器的工况范围和工作时间。

总的来看，目前已经用于液体火箭发动机或燃气发生器等火焰稳定的钝体火焰稳定器，均没有冷却措施，只能靠钝体的热沉与辐射，这严重制约了火焰稳定器的工作范围和工作时间。

发明内容

本发明提供一种膜冷却的火焰稳定器，以解决液体火箭发动机、燃气发生器和航空发动机采用火焰稳定器时，工况范围和工作时间受限、流场均匀度和燃烧效率不高的问题。本发明结构简单、成本低，具有火焰稳定性能好、耐高温、可长时间工作的特点。

本发明提供了一种膜冷却的火焰稳定器，包括连接段、稳定器前体和稳定器后体；所述连接段包括冷却剂入口；连接段安装在燃烧室上；所述火焰稳定器后体为一光滑圆环薄片，火焰稳定器前体与火焰稳定器后体封闭连接形成冷却剂腔；所述稳定器前体固接在连接段内，包含一个多孔的V型钝体圆环；稳定器前体的两侧上有沿圆周均布的冷却剂喷注孔；火焰稳定器前体上的冷却剂输入接口与连接段上的冷却剂入口同轴相接，构成冷却剂通道；所述冷却剂在冷却剂腔内均匀分配进入冷却剂喷注孔，冷却剂从冷却剂喷注孔喷注进入燃烧室。

优选冷却剂采用液体冷却剂，其冷却剂喷注孔的数量n与直径d的确定方法如下：

$d=\sqrt{\frac{4\stackrel{\·}{m}}{\mathrm{\πn\μ}\sqrt{2\mathrm{\ρ}\mathrm{\Δp}}}}---\left(1\right)$

式中：为注入冷却剂腔的冷却剂的总流量(kg/s)，μ为冷却剂喷注孔的流量系数，取μ＝0.70～0.85，ρ为冷却剂密度(kg/m³)，Δp为冷却剂的喷注压降(Pa)，取0.3～0.6MPa，通过反复迭代设计，使得0.5mm≤d≤0.2D时即可，其中D为火焰稳定器的宽度。

优选冷却剂采用气态冷却剂，其冷却剂喷注孔的数量n与直径d的确定方法如下：

$d=\sqrt{\frac{4{\stackrel{\·}{m}}_g}{\mathrm{n\π}{\mathrm{\μ}}_g{P}_i^{*}\sqrt{\frac{2k}{(k-1){\mathrm{RT}}_i}({\left(\frac{P_c}{P_i^{*}}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_c}{P_i^{*}}\right)}^{\frac{k+1}{k}})}}}---\left(2\right)$

$P_i^{*}=P_c+{\mathrm{\ΔP}}_g---\left(3\right)$

式中：为注入冷却剂腔的气态冷却剂的总流量(kg/s)，μ_g为冷却剂喷注孔流量系数，取μ_g＝0.75～0.85，pc为燃烧室压力(Pa)，Δp_g为气态冷却剂的喷注压降(Pa)，取燃烧室压力的10％～30％，k，R，Ti均为气体的物性参数，表示比热比、气体常数和温度；通过反复迭代设计，使得其中，D为火焰稳定器的宽度。

采用本发明可以取得以下技术效果：

1.本发明采用气体或液体冷却剂对火焰稳定器实施膜冷却，可以有效的增加火焰稳定器的耐高温特性和工作时间，从而扩展了燃气发生器等燃烧装置的工况范围和工作时间；

2.当燃烧装置的氧化剂含氧量较低(如空气)时，采用氧化剂本身作为火焰稳定器的冷却剂可以显著减少火焰稳定器前的流场速度，使得火焰稳定性更好，燃烧装置的燃烧效率更高；

3.冷却剂喷注会产生一定的回流区，这进一步增强了火焰稳定器稳定火焰的能力；

4.火焰稳定器结构简单，易于加工。

附图说明

图1：现有技术中A类火焰稳定器结构示意图；

图2：现有技术中B类火焰稳定器结构示意图；

图3：本发明火焰稳定器的总体结构示意图；

图3a：本发明火焰稳定器的俯视图；

图3b：图3a沿A-A方向的剖视图

图4：本发明中稳定器前体的示意图；

图4a：稳定器前体的俯视图

图4b：稳定器前体的三维图

图号说明：

连接段1、稳定器前体2、稳定器后体3、冷却剂入口11、安装法兰12、V型钝体圆环21、安装凸台22、冷却剂喷注孔24、冷却剂输入接口25。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明火焰稳定器如图3所示。包括连接段1、稳定器前体2和稳定器后体3，均采用不锈钢材料加工。连接段1包括冷却剂入口11和安装法兰12。

连接段为一个安装用的法兰，通过法兰与燃烧室上的法兰联接，可以将整个火焰稳定器安装到燃烧室上；

火焰稳定器后体3为一光滑圆环薄片。火焰稳定器前体2与火焰稳定器后体3通过焊接封闭形成冷却剂腔。

图4为本实施例稳定器前体的示意图，包含一个多孔的V型钝体圆环21；圆环上呈对角线分布有两个安装凸台，通过凸台可以将稳定器前体卡入连接段对应的台阶上，在前体与连接段接触的上表面进行焊接；V型稳定器前体的两侧上有沿圆周均布的冷却剂喷注孔；冷却剂通过喷注孔喷注形成气膜或液膜来冷却火焰稳定器；火焰稳定器前体2上的冷却剂输入接口25与连接段1上的冷却剂入口11同轴相接，共同构成冷却剂通道。冷却剂在冷却剂腔内均匀分配进入冷却剂喷注孔24，冷却剂从冷却剂喷注孔24喷注进入燃烧室，并在V型钝体圆环21上形成冷却气膜或液膜。

冷却剂可采用液体冷却剂和气态冷却剂，孔的数量n与直径d的确定可参见专著《液体火箭发动机设计》。

当采用液体冷却剂时，孔的数量n与直径d由以下公式确定：

$d=\sqrt{\frac{4\stackrel{\·}{m}}{\mathrm{\πn\μ}\sqrt{2\mathrm{\ρ}\mathrm{\Δp}}}}---\left(1\right)$

式中：为注入冷却剂腔的冷却剂的总流量(kg/s)，μ为冷却剂喷注孔的流量系数，取μ＝0.70～0.85，ρ为冷却剂密度(kg/m³)，Δp为冷却剂的喷注压降(Pa)，取0.3～0.6MPa，n为小孔个数。应通过反复迭代设计，使得0.5mm≤d≤0.2D时即可，其中D为火焰稳定器的宽度。

当采用气态冷却剂时，孔的数量n与直径d由以下公式确定：

$d=\sqrt{\frac{4{\stackrel{\·}{m}}_g}{\mathrm{n\π}{\mathrm{\μ}}_g{P}_i^{*}\sqrt{\frac{2k}{(k-1){\mathrm{RT}}_i}({\left(\frac{P_c}{P_i^{*}}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_c}{P_i^{*}}\right)}^{\frac{k+1}{k}})}}}---\left(2\right)$

$P_i^{*}=P_c+{\mathrm{\ΔP}}_g---\left(3\right)$

式中：为注入冷却剂腔的气态冷却剂的总流量(kg/s)，μ_g为冷却剂喷注孔流量系数，取μ_g＝0.75～0.85，pc为燃烧室压力(Pa)，Δp_g为气态冷却剂的喷注压降(Pa)，取燃烧室压力的10％～30％，n为注入喷注孔的个数，k，R，Ti均为气体的物性参数，表示比热比、气体常数和温度。应通过反复迭代设计，使得1mm≤d≤0.2D。

定义圆环形的火焰稳定器所占的流道面积与总的来流横截面积之比为阻塞比，阻塞比的选取是根据发动机工况参数以及所要求的火焰稳定性能、燃烧性能、总压损失等综合考虑的。通常阻塞比取为0.2～0.6。

冷却剂经入口进入冷却剂腔，其流量根据传热计算得到，与发动机的工况参数，火焰稳定器的具体尺寸等有关。冷却剂根据实际情况可以选择水，也可以选择含氧的气体(如空气)，在冷却稳定器的同时可以促进掺混燃烧，使火焰稳定性增强。以水作为冷却剂，其流量用如下计算方法(依据胡小平等编的《传热传质分析》进行计算)进行估算确定：

本发明提供的一种膜冷却的火焰稳定器，将冷却剂通过连接段上的冷却剂入口进入稳定器的冷却剂腔内，在冷却剂腔内均匀分配到各个喷注孔，进一步以气态或液态的形式喷注进入燃烧室，在火焰稳定器表面形成一层膜隔离高温燃烧区域起到冷却的作用，增强燃气发生器、航空发动机等燃烧装置中钝体火焰稳定器的耐高温特性，延长上述燃烧装置的工作时间。同时冷却剂的喷注产生额外的回流区，使得稳定器后的回流区尺寸增加，从而火焰稳定性能更好。。

另一方面，当燃烧装置的氧化剂中含氧量较低时，由于氧化剂流量较大造成稳定器前流场速度较大，点火和火焰稳定较为困难。采用本发明的火焰稳定器，将部分氧化剂作为冷却剂，可以显著减小稳定器前的流场速度，可同时起到冷却火焰稳定器和减小来流速度使得火焰稳定性能更好，燃烧装置的燃烧效率更高。在燃气发生器中采用该火焰稳定器并用水作为冷却剂，可以收到冷却火焰稳定器和增加燃气产量的双重效果。

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 (5)

1.一种膜冷却的火焰稳定器，包括连接段(1)、稳定器前体(2)和稳定器后体(3)；

所述连接段(1)包括冷却剂入口(11)；连接段安装在燃烧室上；

所述火焰稳定器后体(3)为一光滑圆环薄片，火焰稳定器前体(2)与火焰稳定器后体(3)封闭连接形成冷却剂腔；

所述稳定器前体(2)固接在连接段(1)内，包含一个多孔的V型钝体圆环(21)；稳定器前体(2)的两侧上有沿圆周均布的冷却剂喷注孔；火焰稳定器前体(2)上的冷却剂输入接口(25)与连接段(1)上的冷却剂入口(11)同轴相接，构成冷却剂通道；

所述冷却剂在冷却剂腔内均匀分配进入冷却剂喷注孔(24)，冷却剂从冷却剂喷注孔(24)喷注进入燃烧室。

2.如权利要求1所述的一种膜冷却的火焰稳定器，其特征在于所述冷却剂采用液体冷却剂。

3.如权利要求2所述的一种膜冷却的火焰稳定器，其特征在于所述冷却剂喷注孔的数量n与直径d的确定方法如下：

$d=\sqrt{\frac{4\stackrel{\·}{m}}{\mathrm{\π}n\mathrm{\μ}\sqrt{2\mathrm{\ρ}\mathrm{\Δ}p}}}---\left(1\right)$

式中：为注入冷却剂腔的冷却剂的总流量(kg/s)，μ为冷却剂喷注孔的流量系数，取μ＝0.70～0.85，ρ为冷却剂密度(kg/m³)，Δp为冷却剂的喷注压降(Pa)，取3×10⁵～6×10⁵，通过反复迭代设计，使得0.5mm≤d≤0.2D时即可，其中D为火焰稳定器的宽度。

4.如权利要求1所述的一种膜冷却的火焰稳定器，其特征在于所述冷却剂采用气态冷却剂。

5.如权利要求4所述的一种膜冷却的火焰稳定器，其特征在于所述冷却剂喷注孔的数量n与直径d的确定方法如下：

$d=\sqrt{\frac{4{\stackrel{\·}{m}}_g}{{\mathrm{n\π\μ}}_g{P}_i^{*}\sqrt{\frac{2k}{\left(k-1\right){\mathrm{RT}}_i}\left({\left(\frac{P_c}{P_i^{*}}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_c}{P_i^{*}}\right)}^{\frac{k+1}{k}}\right)}}}---\left(2\right)$

$P_i^{*}=P_c+{\mathrm{\ΔP}}_g---\left(3\right)$

式中：为注入冷却剂腔的气态冷却剂的总流量(kg/s)，μ_g为冷却剂喷注孔流量系数，取μ_g＝0.75～0.85，p_c为燃烧室压力(Pa)，Δp_g为气态冷却剂的喷注压降(Pa)，取燃烧室压力的10％～30％，k，R，Ti均为气体的物性参数，表示比热比、气体常数和温度；通过反复迭代设计，使得1mm≤d≤0.2D，其中D为火焰稳定器的宽度。