CN106642200B - 一种驻涡式的凹腔支板火焰稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种驻涡式的凹腔支板火焰稳定器，包括支板、喷油杆，支板具有上表面和下表面，支板内部具有前腔、中腔、后腔，前腔和后腔分别设置在中腔的两侧，喷油杆设置在前腔中，下表面具有凹腔，上表面不具有凹腔。本发明通过在支板内部合理设置空腔，减轻稳定器重量，并利用冷却气射流和燃油混合气射流两股射流，在凹腔结构内实现漩涡驻定，满足宽广范围内的点火要求，同时将喷油杆设置在支板内部，实现火焰稳定器与供油系统的一体化设计。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机加力燃烧室中的火焰稳定装置。具体地，本发明特别涉及驻涡式的凹腔支板火焰稳定器。
背景技术
航空发动机的加力燃烧室主流的气流速度很高，远远大于湍流火焰的传播速度。因此，一般在通道中设置钝体障碍物，使得迎面来流沿钝体表面流到钝体后缘，产生附面层分离，生成尾迹旋涡和回流区；回流区内某些部分气体流速等于或低于紊流火焰传播速度，使其具备火焰稳定的必要条件。
目前基于该技术发展起来的火焰稳定器主要有V型槽火焰稳定器、楔型稳定器、双V型火焰稳定器、吸入式火焰稳定器、蒸发式火焰稳定器、尾缘吹气式火焰稳定器、沙丘驻涡火焰稳定器等。这些火焰稳定器均是非流线型钝体。随着加力燃烧室进口速度的提高，火焰稳定器在非加力状态下的流动阻力随之增大，影响了航空发动机的性能。因而，近年来流线型凹腔支板火焰稳定器受到了越来越多的关注。
专利文献CN102200292A提出一种用于燃气涡轮发动机加力燃烧室的火焰稳定装置，即带凹腔的支板火焰稳定器，在翼型支板的基础上，通过支板上的凹腔结构以及尾缘突扩结构形成低速回流区，实现稳焰目的。
专利文献CN104373964A提出一种喷油系统和凹腔支板火焰稳定装置一体化设计的方案，将喷油杆内置于凹腔支板内部空腔内，减少加力燃烧室的零部件数量，降低流动损失，提高加力燃烧室的整体性能。同时，内置的喷油杆利用流过凹腔支板内的冷却气流进行气动雾化，进一步提高火焰稳定器的组织燃烧能力。
但是上述两篇专利文献中所提到的凹腔支板火焰稳定器，适用于来流温度较高的情况，凹腔发挥传焰、联焰的功能，燃烧主要发生在支板尾缘的回流区内，此时燃烧火焰相对较长，不利于降低加力燃烧室的重量。
发明内容
因此，为克服现有技术的上述不足，本发明在不明显改变凹腔支板形状的前体下，重新设计凹腔结构，将喷油杆设置在支板内部，并利用冷却气射流和燃油混合气射流两股射流，在凹腔结构内实现漩涡驻定，既能够满足宽广范围内的点火，又实现了火焰稳定装置的一体化设计。
本发明提出一种驻涡式的凹腔支板火焰稳定器，包括支板、喷油杆，所述支板具有上表面和下表面；所述支板内部具有前腔、中腔、后腔；所述前腔和所述后腔分别设置在所述中腔的两侧；所述喷油杆设置在所述前腔中；所述下表面具有凹腔，所述上表面不具有凹腔。
根据本发明的优选实施方式，所述中腔用于引入冷却空气，所述前腔和所述中腔之间具有连通前腔与中腔的圆形通道，所述中腔和所述后腔之间具有连通中腔与后腔的圆形通道。
根据本发明的优选实施方式，所述凹腔的前侧壁为直壁，所述凹腔的后侧壁为向所述支板的尾部倾斜的斜壁；所述直壁上开有沿水平方向的孔，连通所述前腔与所述凹腔；所述斜壁上也开有沿水平方向的孔，连通所述后腔与所述凹腔。
根据本发明的优选实施方式，所述直壁上开有的沿水平方向的孔为圆形孔，数目优选为1、2、4、6、8或10个；所述斜壁上开有的沿水平方向的孔为圆形孔，数目优选为1、2、4、6、8或10个。
根据本发明的优选实施方式，所述斜壁上开有的沿水平方向的孔的高度高于所述直壁上开有的沿水平方向的孔的高度。
根据本发明的优选实施方式，所述凹腔的最大深度为所述支板最大高度的1/4至1/3，所述凹腔的最大长度与最大深度之比优选为2:1至3:1。
根据本发明的优选实施方式，所述斜壁与前方来流的夹角范围为大于等于30°且小于等于45°。
根据本发明的优选实施方式，所述支板的尾部采用截断设计。
根据本发明的优选实施方式，所述喷油杆开有喷油孔，喷油孔的数目优选为1、2、3、4或5个，所述喷油孔的喷射方向与由所述中腔进入所述前腔的冷却气方向相同。
根据本发明的优选实施方式，所述连通前腔与中腔的圆形通道与所述连通中腔与后腔的圆形通道的尺寸相同；所述连通前腔与中腔的圆形通道和所述连通中腔与后腔的圆形通道的数目均优选为1、2或3条，两者数目相同。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用翼型结构的支板，流阻小。在支板内设置前腔、中腔、后腔，减轻了稳定器的重量，同时实现了火焰稳定器与喷油杆的一体化设计，有助于增强发动机性能。
2)本发明中综合利用压力雾化、碰撞雾化、气动雾化等方式对燃油进行雾化，有效地改善了燃油雾化效果，燃油的燃烧效率更高。
3)本发明在凹腔内注入冷却空气、燃油两股逆向射流，加强凹腔内的漩涡强度，有助于燃油与空气的充分掺混，有助于实现较低温度下点火成功和火焰稳定。
附图说明
图1驻涡式的凹腔支板火焰稳定器的剖面示意图。
图2驻涡式的凹腔支板火焰稳定器的空气流动示意图。
图中符号说明如下：1支板，2凹腔，3前腔，4中腔，5后腔，6支板的上表面，7支板的下表面，8支板的尾部，9连通前腔与中腔的圆形通道，10喷油杆，11喷油杆上的喷油孔，12连通前腔与凹腔的孔，13连通中腔与后腔的圆形通道，14连通后腔与凹腔的孔。
具体实施方式
下面，将结合附图1、2来描述根据本发明的驻涡式的凹腔支板火焰稳定器的的具体实施方式。
图1是本发明的驻涡式的凹腔支板火焰稳定器的剖面示意图，下面结合图1详细描述本发明的驻涡式的凹腔支板火焰稳定器。本发明的驻涡式的凹腔支板火焰稳定器包括支板1，喷油杆10，支板1具有上表面6和下表面7，支板1内部具有前腔3、中腔4、后腔5，前腔3和后腔5分别设置在中腔4的两侧，喷油杆10设置在前腔3中，下表面7具有凹腔2，上表面6不具有凹腔。
中腔4用于引入冷却空气，前腔3和中腔4之间具有连通前腔与中腔的圆形通道9，中腔4和后腔5之间具有连通中腔与后腔的圆形通道13。
凹腔2的前侧壁为直壁，凹腔2的后侧壁为向支板1的尾部8倾斜的斜壁，直壁上开有沿水平方向的孔12，连通前腔3与凹腔2，斜壁上也开有沿水平方向的孔14，连通后腔5与凹腔2。
直壁上开有的沿水平方向的孔12为圆形孔，数目优选为1、2、4、6、8或10个(图1仅示出1个)，斜壁上开有的沿水平方向的孔14为圆形孔，数目优选为1、2、4、6、8或10个(图1仅示出了1个)。斜壁上开有的沿水平方向的孔14的高度高于直壁上开有的沿水平方向的孔12的高度。斜壁与前方来流的夹角范围为大于等于30°且小于等于45°。
凹腔2的最大深度为支板1最大高度的1/4至1/3，凹腔2的最大长度与最大深度之比优选为2:1至3:1，优选2:1。
连通前腔与中腔的圆形通道9与连通中腔与后腔的圆形通道13的尺寸相同，连通前腔与中腔的圆形通道9和连通中腔与后腔的圆形通道13的数目优选为1、2或3条(图1仅示出了1条)，两者数目相同。
本发明的驻涡式的凹腔支板火焰稳定器的支板1的上表面6、下表面7采用翼型结构，当然也可以采用其他合适的结构，支板1的尾部8采用截断设计，当然也可以采用其他合适设计，例如凹式设计(图1未示出)。
本发明的驻涡式的凹腔支板火焰稳定器的喷油杆10开有1、2、3、4或5个喷油孔11(图1仅示出了1个)，喷油孔11的喷射方向与由中腔4进入前腔3的冷却气方向相同。燃油在较高的油压下由喷油孔11喷射到前腔3中，实现初始的压力雾化。燃油撞击前腔3壁面实现碰撞雾化，并在冷却气流的牵引下，对燃油进一步气动雾化，最终从凹腔2的所述直壁上的圆形孔12喷射到凹腔2中。后腔5通过连通中腔与后腔的圆形通道13和中腔5相连通。后腔5中的冷却空气从凹腔2的上述斜壁上的圆形孔14喷射到凹腔2中。圆形孔12喷射的燃油射流与圆形孔14喷射的冷却气射流，方向相反，加强了凹腔2内的旋流流动，凹腔2内始终保持有较强的漩涡流动，即漩涡驻定，从而有助于凹腔2内的燃油与空气的掺混，有助于在凹腔2内实现点火，进而传播到支板1的尾部8处，继续燃烧。
图2是本发明的驻涡式的凹腔支板火焰稳定器的空气流动示意图。根据本发明的一个实施方式，火焰稳定器在工作时，从中腔4引入冷却空气，一部分通过连通前腔与中腔的圆形通道9(图中仅示出了1个)流向前腔3，一部分通过连通中腔与后腔的圆形通道(图中仅示出了1个)流向后腔5。前腔3中喷油杆10的喷油孔11(图中仅示出了1个)喷出的燃油首先与前腔3的内壁面进行碰撞雾化，进而在冷却气的带动下，进行气动雾化，并通过连通前腔3与凹腔2的孔12(图中仅示出了1个)以射流形式喷射到凹腔2内。
后腔5中的冷却空气通过凹腔2的斜壁上的连通后腔5与凹腔2的孔14(图中仅示出了1个)以射流形式喷射到凹腔2内。上述两股射流的方向相反，在凹腔2内形成稳定的漩涡，即漩涡驻定，从而有助于凹腔2内的燃油与空气的掺混，有助于在凹腔2内实现点火，充分发挥凹腔低速回流区组织燃烧的功能，未燃烧完全的燃油在支板1的尾部8处的回流区内继续燃烧。
以上仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种驻涡式的凹腔支板火焰稳定器，包括：
支板(1)；
喷油杆(10)；
所述支板(1)具有上表面(6)和下表面(7)；
所述支板(1)内部具有前腔(3)、中腔(4)、后腔(5)；
所述前腔(3)和所述后腔(5)分别设置在所述中腔(4)的两侧；
所述喷油杆(10)设置在所述前腔(3)中；
其特征在于：
所述中腔(4)用于引入冷却空气，所述前腔(3)和所述中腔(4)之间具有连通前腔与中腔的圆形通道(9)，所述中腔(4)和所述后腔(5)之间具有连通中腔与后腔的圆形通道(13)；所述下表面(7)具有凹腔(2)，所述上表面(6)不具有凹腔；
所述凹腔(2)的前侧壁为直壁，所述凹腔(2)的后侧壁为向所述支板(1)的尾部倾斜的斜壁；所述直壁上开有沿水平方向的孔(12)，连通所述前腔(3)与所述凹腔(2)；所述斜壁上也开有沿水平方向的孔(14)，连通所述后腔(5)与所述凹腔(2)；
所述斜壁上开有的沿水平方向的孔(14)的高度高于所述直壁上开有的沿水平方向的孔(12)的高度。
2.根据权利要求1所述的凹腔支板火焰稳定器，其特征在于：
所述直壁上开有的沿水平方向的孔(12)为圆形孔，数目为1、2、4、6、8或10个；所述斜壁上开有的沿水平方向的孔(14)为圆形孔，数目为1、2、4、6、8或10个。
3.根据权利要求1或2所述的凹腔支板火焰稳定器，其特征在于：
所述凹腔(2)的最大深度为所述支板(1)最大高度的1/4至1/3，所述凹腔(2)的最大长度与最大深度之比为2:1至3:1。
4.根据权利要求1或2所述的凹腔支板火焰稳定器，其特征在于：
所述斜壁与前方来流的夹角范围为大于等于30°且小于等于45°。
5.根据权利要求4所述的凹腔支板火焰稳定器，其特征在于：
所述支板(1)的尾部(8)采用截断设计。
6.根据权利要求5所述的凹腔支板火焰稳定器，其特征在于：
所述喷油杆(10)开有喷油孔(11)，所述喷油孔(11)的数目优选1、2、3、4或5个；所述喷油孔(11)的喷射方向与由所述中腔(4)进入所述前腔(3)的冷却气方向相同。
7.根据权利要求1或2所述的凹腔支板火焰稳定器，其特征在于：
所述连通前腔与中腔的圆形通道(9)与所述连通中腔与后腔的圆形通道(13)的尺寸相同；所述连通前腔与中腔的圆形通道(9)和所述连通中腔与后腔的圆形通道(13)的数目均优选为1、2或3条，且两者数目相同。
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