CN105650677A - 带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器 - Google Patents

带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器，包括冷气腔、燃油引管、燃油喷注孔和隔板、外壳体及其冲击孔、冷却孔。上述的带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器，除了能够在不同工作条件下提供有利于火焰稳定的回流区外，还具有调节稳定器后回流区位置和尺度，及控制稳定器底端壁温的功能。从稳定器底端面冷却孔流出的冷却气一方面对壁面冷却，提高稳定器在高温燃气中的结构可靠性和工作寿命；另一方面可以通过调节冷却气压力及流量，控制回流区的轴向位置及回流区大小尺度，实现对稳定器下游燃烧特性的主动控制，提高在高温高速气流中的火焰稳定性能，抑制振荡燃烧。

Description

带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器
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，特别涉及一种带有新型冷却结构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，涡轮前燃气温度明显提高，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，来流温度提高既是有利条件但又给设计工作带来新的挑战。为使稳定器在高温条件下稳定可靠的工作，必须保证稳定器的壁面温度要在材料可以承受的范围内，避免火焰稳定器被高温气流烧蚀，因此需引入适量的冷却气对稳定器进行冷却，以提高稳定器的工作稳定性、可靠性。在高温气流中对火焰稳定器的冷却问题是亟需解决的关键。同时，在高温、高速气流中的火焰稳定性能有明显变化，从喷嘴喷出的雾化燃油在高温条件下快速蒸发后，随气流进入稳定器下方的回流区内，很容易在回流区内形成富油燃烧，回流燃烧区对稳定器底部的高温辐射进一步增强了稳定器壁面材料的负担。本发明能有效解决以上问题，在冷却稳定器的壁面的同时，通过对冷却气喷射结构及冷却气流量的调节，可以实现对高温回流区的燃烧性能主动控制，从而实现在高温高速气流中的稳定高效燃烧。
发明内容：
本发明要解决的问题是在高温气流以及燃烧区域内，稳定器容易被烧蚀、喷油管易导致结焦堵塞，为确保火焰稳定器工作性能的可靠性，本发明提供带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器可冷却燃油喷管、降低稳定器外壁面温度、对回流燃烧区实现主动控制，提高稳定器的工作稳定性、可靠性。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器，包括燃油引管、燃油喷注孔、隔板以及外壳体，所述隔板位于外壳体中以将外壳体分隔成冷气腔和冲击冷却腔，所述燃油引管位于冷气腔中，所述燃油喷注孔形成于外壳体上与隔板相垂直的外表面上，所述隔板上形成有若干个冲击孔，所述外壳体上与隔板相平行的外表面上形成有若干个气膜孔。
进一步地，所述气膜孔在外壳体外表面上的排布方式选用阵列式排布。
进一步地，所述气膜孔在外壳体外表面上以径向中心线为分界，两侧的气膜孔偏转一定角度，形成相向喷射，径向中心线位置为垂直喷射。
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)冷却燃油喷管。燃油喷管在冷气的冲刷下，既保证了燃油喷射时易于蒸发的温度，又避免由于温度过高引起的喷嘴结焦，发生堵塞，解决稳定器一体化设计过程中的供油系统冷却问题。
(2)降低火焰稳定器外壁面温度。通过冲击孔+相向气膜孔冷却之后，气膜孔流出的冷却气形成涡团气膜附着在稳定器外壁面，壁面温降可以达到300K，避免了由于温度过高而导致稳定器毁坏，保证正常工作，提高火焰稳定器的稳定性和可靠性。
(3)气膜孔的垂直与相向喷射，控制稳定器双涡结构与尾缘壁面的间隙。稳定器后方是组织燃烧的高温区，稳定器正后方壁面的热负荷最大，而本发明中气膜孔垂直+相向喷射的方式，由于垂直喷射的气膜孔存在，与斜向气膜孔喷出冷却气相遇时，阻挡斜向气膜孔喷出的冷却气平稳蔓延，冷却气传播受到阻碍，破坏已形成的冷却气膜层，致使斜向气膜孔喷出的冷却气在稳定器正后方壁面出现小涡区，形成涡团状气膜层，加大冷却气膜层厚度，使燃烧高温区向后移动，同时冷却结构、内外压差、引气量的不同可以控制高温区与壁面之间的间隙大小，通过改变冷却结构、调节压差、冷气量，实现对燃烧区强度和燃烧稳定性的主动控制。
附图说明：
图1带有新型冷却结构一体化设计的稳定器结构示意图。
图2无冷却结构一体化设计的火焰稳定器结构示意图。
图3带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器二维示意图。
图4带有新型冷却结构(斜开孔30°)一体化设计的火焰稳定器冷态流场流线图。
图5带有新型冷却结构(斜开孔60°)一体化设计的火焰稳定器冷态流场流线图。
图6无冷却结构的一体化设计火焰稳定器冷态流场流线图。
图7带有新型冷却结构(斜开孔30°)一体化设计的火焰稳定器外壁面温度等值线。
图8带有新型冷却结构(斜开孔60°)一体化设计的火焰稳定器外壁面温度等值线。
图9无冷却结构一体化设计的火焰稳定器外壁面温度等值线。
图中：
1-冷气腔、2-燃油引管、3-燃油喷注孔、4-隔板、5-外壳体、6-冲击孔、7-气膜孔。
具体实施方式：
本发明提供一种带有新型冷却结构一体化设计的稳定器，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所示，本发明提供一种带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器，包括燃油引管2、燃油喷注孔3、隔板4以及外壳体5，隔板4位于外壳体5中以将外壳体5分隔成冷气腔1和冲击冷却腔8，燃油引管2位于冷气腔1中，燃油喷注孔3形成于外壳体5上与隔板4相垂直的外表面上，隔板4上形成有若干个冲击孔6，外壳体5上与隔板4相平行的外表面上形成有若干个气膜孔7。
隔板4与设有气膜孔7的外壳体外表面之间间距的选择，与冲击孔孔径的大小相互关联。冷气腔内的冷却气由于内外压差的存在，向外喷射，冲击被冷却壁面，冲击孔孔径的大小决定冷却气喷射动量及喷射距离，即限制了隔板4与设有气膜孔7的外壳体外表面之间的间距。
气膜孔7在外壳体5外表面的排布方式、开孔角度、孔间距以及孔径尺寸对冷却效果的影响极为关键。在斜向开孔前方要有垂直喷射孔，使斜开孔喷射的冷却气形成小涡结构附着在壁面，形成涡团状气膜层，所以排布方式选用阵列式排布；斜向开孔角度的大小在下面有算例作详细说明；孔间距与孔径尺寸决定附着在外表面的小涡结构的大小，孔间距过大形成的涡团状气膜层无法均匀稳定附着在外表面，孔间距过小，小涡结构之间相互干扰影响，也无法稳定附着在外表面。本发明中气膜孔7的开孔角度以径向中心线为分界，两侧气膜孔偏转一定角度，形成相向喷射，径向中心线位置气膜孔垂直稳定器底端面喷射。由于垂直喷射的气膜孔存在，与斜向气膜孔喷出冷却气相遇时，阻挡斜向气膜孔喷出的冷却气平稳蔓延，冷却气传播受到阻碍，破坏已形成的冷却气膜层，致使斜向气膜孔喷出的冷却气在稳定器正后方壁面出现小涡区，形成涡团状气膜层，加大冷却气膜层厚度，使燃烧高温区向后移动，同时冷却结构、内外压差、引气量的不同可以控制高温区与壁面之间的间隙大小，通过改变冷却结构、调节压差、冷气量，实现对燃烧区强度和燃烧稳定性的主动控制。
冷却气进入冷气腔1之中，首先燃油引管2在冷气的冲刷下，既保证了燃油喷射时易于蒸发的温度，又避免由于温度过高引起的喷嘴结焦，发生堵塞，解决稳定器一体化设计过程中的供油系统冷却问题。
冷却气会通过隔板4的冲击孔6冲击设有气膜孔7的外壳体的外表面，冲击作用后的冷却气在冲击冷却腔8之中，再由气膜孔7流出，形成的涡团状气膜附着在设有气膜孔7的外壳体外表面，隔绝高温区对稳定器的烧蚀。
本发明中主要采用气膜孔的垂直+相向喷射角度设计，使冷却气在气膜孔流出后，形成气膜层附着在外壁面，壁面涡团的出现加大气膜层的厚度的同时可以控制燃烧高温区与壁面之间的间隙，进一步隔离开高温区，使稳定器壁面得到更好的冷却保护。
本实施例是本发明的带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器的应用，在高温、高来流速的条件下，稳定组织燃烧的同时起到对火焰稳定器的冷却作用，保证稳定器壁面温度在材料承受范围内，供油系统的正常工作，保护稳定器避免高温烧蚀，主动控制回流燃烧区的轴向位置和尺度大小。
1、为验证本发明中带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器的性能，在二元方管中进行研究，带有新型冷却结构一体化设计的稳定器结构示意图，如图1所示；无冷却结构一体化设计的火焰稳定器结构示意图，与发明中的唯一区别在于无冷却结构，作为本发明中结构的对比验证，如图2所示；带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器二维示意图，如图3所示，其中径向中心线位置的气膜孔垂直喷射，两侧气膜孔的偏转角度可以调整，本实施例中仅以30°、60°为例进行初步对比，在方管二元模型中对本发明的带有新型冷却结构一体化设计的稳定器结构示意图进行了数值模拟计算。
2、三种模型下游的冷态速度场流线图
带有新型冷却结构(斜开孔30°)一体化设计的火焰稳定器冷态流场流线图，如图4所示，在稳定器正后方位置形成小涡附着在外壁面，形成气膜层保护稳定器外壁面免受烧蚀；带有新型冷却结构(斜开孔60°)一体化设计的火焰稳定器冷态流场流线图，如图5所示，与图4所示相比，斜开孔60°时外壁面附近的小涡团增大，会导致燃油卷入，达到化学恰当比发生着火，未达到壁面气膜层附着的冷却目的；无冷却结构的一体化设计火焰稳定器冷态流场流线图，如图6所示，作为流场对比的参考。
3、三种模型稳定器外壁面的温度分布等值线
带有新型冷却结构(斜开孔30°)一体化设计的火焰稳定器外壁面温度等值线，如图7所示，经冷却后，最低壁面温度降至1100K，最低温区出现在稳定器正后方外壁面的中间区域，由于此处的气膜孔为垂直喷射冷却气，完全冲散此处的高温燃气，故形成最低温区，且稳定器正后方的外壁面最高温度控制在1200K以下，达到设计目标；带有新型冷却结构(斜开孔60°)一体化设计的火焰稳定器外壁面温度等值线，如图8所示，与图7所示模型相比，最低温区也出现在稳定器正后方外壁面的中间区域，但最低温度降至1140K，最高温度控制在1240K以下，冷却效果差于图7所示模型；无冷却结构一体化设计的火焰稳定器外壁面温度等值线，如图9所示，未加冷却结构，壁面的平均温度在1450K，此模型的壁温计算，仅作为评定带有冷却结构模型冷却效果的参考。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器，其特征在于：包括燃油引管(2)、燃油喷注孔(3)、隔板(4)以及外壳体(5)，所述隔板(4)位于外壳体(5)中以将外壳体(5)分隔成冷气腔(1)和冲击冷却腔(8)，所述燃油引管(2)位于冷气腔(1)中，所述燃油喷注孔(3)形成于外壳体(5)上与隔板(4)相垂直的外表面上，所述隔板(4)上形成有若干个冲击孔(6)，所述外壳体(5)上与隔板(4)相平行的外表面上形成有若干个气膜孔(7)。
2.根据权利要求1所述的带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器，其特征在于：所述气膜孔(7)在外壳体(5)外表面上的排布方式选用阵列式排布。
3.根据权利要求2所述的带有新型冷却结构一体化设计的火焰稳定器，其特征在于：所述气膜孔(7)在外壳体(5)外表面上以径向中心线为分界，两侧的气膜孔偏转一定角度，形成相向喷射，径向中心线位置为垂直喷射。
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