CN105402769B - 一种带有凸台扰流结构的火焰稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有凸台扰流结构的新型火焰稳定器，包括相连的V型段和长直段，所述V型段呈三角形柱状体，长直段呈长方体，V型段和长直段相连；在所述长直段的对称侧面上设有凸台扰流结构和燃油喷注孔；凸台扰流结构在长直段的轴向前后位置应根据稳定器壁面上的燃油喷注位置确定。该火焰稳定器除了能增强对稳定器下游的扰流作用、改进稳定器下游的流场结构外，还能在高速气流中增加喷注燃油的射流深度，提高燃油喷出后和高速气流的掺混能力，缩短火焰稳定器之间的联焰距离，明显改善了火焰稳定器下游的燃油浓度分布和燃烧性能。
Description
技术领域
本发明属于涡轮/冲压组合发动机和涡扇发动机加力/冲压燃烧室技术领域，特别涉及一种喷油和稳定一体化设计的火焰稳定器。
背景技术
涡轮/冲压组合发动机以拓宽飞行包线、实现常规起落、可重复使用的性能优点备受关注，也是现阶段被认为最有潜力的高超声速飞行器动力装置。现代先进的涡扇发动机为达到更大的推重比，主燃室的温升大，燃气在涡轮前温度明显提高，燃气流量大，流速更快，使得进入涡扇加力燃烧室或冲压/加力燃烧室的来流温度和速度大大提高，来流温度提高有利于燃油的蒸发，但也使燃油喷出后的穿透距离缩短、掺混能力减弱，而来流速度的提高更加剧了燃油和空气掺混的不利因素；同时，来流速度增加后缩短了燃油在燃烧室内的停留时间，给燃烧组织带来了更大的困难。并且在高温气流中工作的稳定器和供油管都需要进行冷却，因此把稳定器和供油系统进行一体化设计，引入适量的冷却气对稳定器和供油系统进行冷却，以提高稳定器的工作稳定性、可靠性。设计能解决以上问题的喷油和稳定一体化火焰稳定器结构是涡轮/冲压组合发动机和涡扇发动机中加力/冲压燃烧室亟需解决的关键。
发明内容
本实用新型旨在克服现有技术的不足，提供一本发明要解决的问题是在高温、高速的进气条件下组织稳定燃烧，提高燃油的喷射深度，改善燃油的扩散和掺混性能，缩短火焰稳定器之间的联焰距离，并且有效抑制稳定器下游的燃烧脉动现象。
本发明提供的一种带有凸台扰流结构的新型火焰稳定器，包括相连的V型段1和长直段2，所述V型段1呈三角形柱状体，长直段2呈长方体，V型段1和长直段2相连；在所述长直段2的对称侧面上设有凸台扰流结构3和燃油喷注孔4。
进一步的，所述V型段1为等腰三角形的柱状体，其底面与长直段2的一个侧面完全重合，二者为一体化加工而成。
作为一种优选，所述凸台扰流结构3为三角形的凸台扰流结构或者楔形的凸台扰流结构。
更进一步的，所述凸台扰流结构3的外形参数与V型段1和长直段2相匹配设计而成；所述燃油喷注孔4位置的选定根据凸台扰流结构3所决定。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）强化燃油的雾化，加强油雾掺混。在三角型、楔形凸台的后方，会形成小涡，燃油喷出后，经过小涡的气动扰动、剪切作用，加剧油雾液滴破碎，油气会更好的实现掺混。
火焰稳定器的长直段上排布三角型凸台的结构，更易使喷油分流，经过凸台后方的气动扰动，加强了油气的掺混，尤其是在稳定器的径向方向更易形成均匀态势，在同一根稳定器的径向方向的火焰传焰更快速，火焰稳定器后方可以组织稳定燃烧。
火焰稳定器的长直段上排布楔形凸台的结构中，更易使喷油沿凸台壁面向周向喷射，提高了燃油的喷射深度，在楔形凸台的后方会有小涡出现，在气动剪切的作用下，加强了燃油的雾化及掺混，燃烧的高温区联焰距离缩短，保证火焰稳定器后方组织稳定燃烧。
（2）缩短联焰距离。燃油的喷射深度提高，相邻火焰稳定器之间燃油可以在更短的距离内相交，反映了火焰稳定器后方的火焰可以在更短的距离内相交，实现了缩短联焰距离的要求。
（3）有效抑制火焰稳定器下游的燃烧脉动现象。与常规V型段+长直段的火焰稳定器相比，在不同的油气比、进气条件下，燃烧的高温区脉动现象得到抑制，保证了火焰稳定器的稳定组织燃烧。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明中带有三角型凸台结构的新型火焰稳定器示意图；
图2为本发明中带有楔形凸台结构的新型火焰稳定器示意图；
图3常规的V型段+长直段的火焰稳定器示意图；
图4三种火焰稳定器后方油雾场（50mm、150mm、300mm）浓度曲线；
图5带有三角型凸台结构模型的热态温度场等值线图；
图6常规的V型段加长直段的火焰稳定器热态温度场等值线图；
图7带有楔型凸台结构模型的热态温度场等值线图；
图8三种火焰稳定器后方温度场（50mm、150mm、300mm）温度曲线；
图中，1-V型段、2-长直段、3-凸台扰流结构、4-燃油喷注孔。
具体实施方式
本发明提供一种带有凸台扰流结构的新型火焰稳定器，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2所示，一种带有凸台扰流结构的新型火焰稳定器，包括V型段1，长直段2（两者连接为一体），凸台扰流结构3和燃油喷注孔4加装在长直段2之上。
所述的V型段1与长直段2是相互匹配的，凸台扰流结构3的外形参数也是和V型段1和长直段2相匹配设计的；燃油喷注孔4位置的选定是和凸台扰流结构3相关联的。
通过凸台增加对喷油位置下游局部气流的横向扰流作用，增加喷注燃油的穿透深度、促进燃油和空气的混合。凸台结构的设计应兼顾考虑提高掺混和降低阻力损失的要求，在无凸台扰流结构的模型计算中得到燃油的喷射轨迹和喷射深度，初步确定凸台扰流结构的最小高度和最小宽度，且由于降低阻力损失的要求，限制凸台扰流结构的最大高度以及最大宽度，采用楔形凸台的扰流结构就是在保持掺混强度的基础上，降低阻力损失的改进设计。
凸台扰流结构在长直段上的离散布置则与燃油喷注孔位置相匹配，根据无凸台扰流结构的模型中数值模拟结果，分别比较在长直段上的前置喷油与后置喷油的不同结果，得到前置喷油的计算结果要明显好于后置喷油，所以在长直段上的喷注孔以及凸台扰流结构轴向位置已确定。
凸台扰流结构3尾缘与长直段尾缘并不齐平。主要目的是在凸台扰流结构之后先形成小涡扰动，由于气流扰动对燃油进行第一次剪切掺混。
燃油喷注孔4位置的选取，在长直段的的侧面开孔喷油，选在凸台扰流结构3正前方位置。
本实施例是本发明的火焰稳定器在超级燃烧室一体化设计中的应用，在高温、高来流速的条件下，保证组织稳定燃烧。
1、为验证本发明中火焰稳定器性能，在二元方管中进行稳定器下游流动和燃烧性能研究，带有三角型凸台结构的新型火焰稳定器示意图，如图1所示；带有楔形凸台结构的新型火焰稳定器示意图，如图2中所示；常规的V型段+长直段的火焰稳定器示意图，如图3所示；在方管二元模型中对本发明的新型火焰稳定器进行了数值模拟计算。
2、三种模型下游的油雾浓度分布曲线
图4为无扰流凸台、带三角扰流凸台、带楔形扰流凸台结构在稳定器后方50mm、150mm、300mm位置处直线位置的油雾浓度分布曲线，所取高度位置为稳定器喷油孔位置。对比同一高度坐标下三种结构的油雾场浓度分布曲线结果可以看出：带有三角型扰流凸台和没有扰流凸台的稳定器下游油雾分布曲线形状还比较相似，但带有三角扰流凸台的结构在稳定器后方油雾场更为均匀，达到更好的掺混效果。并且在300mm位置处直线位置的油雾浓度分布曲线的对比图线中可以更清楚的看到带有三角型凸台结构的两稳定器之间的油雾分布增加的更快，为相邻稳定器之间的联焰提供有利条件，从而缩短相邻稳定器之间的联焰距离。而带楔形扰流凸台的油雾场浓度曲线与前两者完全不同，在两稳定器中间位置的油雾浓度曲线达到峰值，油雾场在稳定器后方很快相遇，为缩短联焰提供条件，极大地缩短了联焰距离，在高速、高温的来流条件下，大大缩短稳定器之间的联焰，以满足更苛刻的来流条件。
3、三种模型下的燃烧室温度分布曲线
如图5和图6所示，两模型热态温度场的等值线图，所取截面为稳定器侧面喷油孔所在截面。图5为带有三角型凸台结构模型的热态计算结果，图6为不带有三角型凸台结构模型的热态计算结果。可以清楚地看到图6中所示温度场脉动严重，稳定器后方的高温区不稳定，直至出口位置也没有消除温度场的波动问题，图5的热态温度场等值线示意图中，可以看到稳定器后方有稳定的高温区，并未出现高温区脉动现象，可以保证组织稳定燃烧。两模型的差别就在于稳定器长直段上是否排布了三角型凸台结构，数值模拟计算时喷油位置相同，由此可见带有三角凸台结构的新型火焰稳定器可以一直燃烧中温度场的脉动问题。
4、有无三角型凸台结构模型的热态温度场比较
如图6和图7所示，两模型热态温度场的等值线图，图7为带有楔型凸台结构模型的热态计算结果，图6为不带有楔型凸台结构模型的热态计算结果。图7所示的热态温度场的等值线示意图中，并未出现高温区振荡现象，保证组织稳定燃烧。并且在图7所示的等值线示意图中可以明显比较出，喷油的喷射深度提高之后，在稳定尾缘很近的位置就达到了1200K，而在图6中，可以清楚看到标记的1200K位置大约要在稳定器后方150mm的位置才达到，说明在带有楔型凸台结构的新型火焰稳定器模型中，大大的缩短了相邻稳定器之间的联焰距离，有利于组织燃烧。
5、有无楔形凸台结构模型的热态温度场比较
图8无凸台、带三角型凸台、带楔形凸台扰流结构在稳定器后方50mm、150mm、300mm位置处的温度分布曲线，所取高度位置为稳定器喷油孔位置。在图8中稳定器后方50mm处温度分布曲线示意图，可以看出三种结构下相邻稳定器中间位置温度在1200K，并未表现出差异。从楔形扰流结构的的温度分布来看，此时的高温区主要集中在剪切层，而其余两种结构高温区主要集中在火焰稳定器正后方；图8中稳定器后方150mm处温度曲线示意图，可以看出带有楔形扰流结构的稳定器结构下已经联焰成功，由于燃油喷射距离的增加，二元模型的壁面位置也会有油雾的分布，发生燃烧，计算时会出现壁面挂火问题，所以温度会出现如图的分布；图8中稳定器后方300mm处温度曲线示意图，可以看出三种结构中相邻稳定器中间位置的温度分别约为2300K、1800K、2500K，楔形凸台扰流结构的温度值最高，并且带有楔形凸台扰流结构的燃烧温度场中，温度分布最高与最低温度差值最小，分布最为均匀。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种带有凸台扰流结构的火焰稳定器，其特征在于：包括相连的V型段（1）和长直段（2），所述V型段（1）呈三角形柱状体，长直段（2）呈长方体，V型段（1）和长直段（2）相连；在所述长直段（2）的对称侧面上设有凸台扰流结构（3）和燃油喷注孔（4）；
所述凸台扰流结构（3）为三角形的凸台扰流结构或者楔形的凸台扰流结构。
2.根据权利要求1所述的一种带有凸台扰流结构的火焰稳定器，其特征在于：所述V型段（1）为等腰三角形的柱状体，其底面与长直段（2）的一个侧面完全重合，二者为一体化加工而成。
3.根据权利要求2所述的一种带有凸台扰流结构的火焰稳定器，其特征在于：所述凸台扰流结构（3）的外形参数与V型段（1）和长直段（2）相匹配设计而成；所述燃油喷注孔（4）位置的选定根据凸台扰流结构（3）所决定。
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Application publication date: 20160316 Assignee: BEIJING POWER MACHINERY Research Institute Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Contract record no.: X2021980000450 Denomination of invention: A flame holder with boss structure Granted publication date: 20190402 License type: Common License Record date: 20210118 |