CN106765310B - 用于发动机燃烧室的带预掺混腔的火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于发动机燃烧室的带预掺混腔的火焰稳定器，包括支板、主油路喷油杆、中心进气通道、中心出气通道，支板具有支板尾部，支板尾部具有支板尾缘，支板具有支板头部，中心进气通道与中心出气通道共轴，支板中设置有预掺混腔，中心进气通道由支板头部延伸至预掺混腔，中心出气通道由预掺混腔延伸至支板尾缘，支板的上表面和下表面均具有凹腔，凹腔位于支板头部和支板尾部，主油路喷油杆的出油孔与预掺混腔连通。中心进气通道引入主流高速空气对主油路喷油在预掺混腔内进行气动雾化，高速喷入支板尾缘的回流区内，增强了掺混效果。支板上下两侧设计对称的具有后向台阶结构的凹腔，作为值班稳焰区，改善了主油路燃油雾化效果，提高了掺混效率。

Description

用于发动机燃烧室的带预掺混腔的火焰稳定器

技术领域

本发明涉及飞行器发动机燃烧室的火焰稳定器。具体地，本发明尤其涉及用于发动机燃烧室的带预掺混腔的火焰稳定器。

背景技术

高超声速飞行器是目前世界各军事强国大力发展的制高点，动力装置是飞行器性能的决定因素。以涡轮基组合冲压发动机是最具潜力应用于水平起降的高超声速飞行器的动力装置。高性能亚燃冲压燃烧室是组合发动机的关键部件，其中液体燃料在高马赫数气流中的可靠点火及稳定燃烧是目前难点。针对未来TBCC发动机中高性能冲压燃烧室研制，本发明提出高点火可靠性、宽的火焰稳定边界的新型火焰稳定器。国内外学者针对火焰稳定器的结构设计提出了以下几种方式：

专利文献CN102200292A提出了一种用于燃气涡轮发动机的加力燃烧室的火焰稳定器装置。该装置在涡轮后框架支板上开有凹腔，尾缘突扩翼型，气流流经支板凹腔及尾缘突扩处形成低速回流区，实现稳定火焰的目的。

专利文献CN104373964A提出了一种喷油系统和凹腔支板火焰稳定器一体化设计方案，喷油杆内置于凹腔支板内部空腔中，一方面减少零件数，减轻重量，降低流动损失，另一方面利用流过凹腔支板内的冷却气流对喷油进行气动雾化，提高加力燃烧室整体性能。

专利文献CN104776448A提出了一种多功能模态可调稳焰支板方案。其在非加力状态具有小流阻，在加力状态，产生大尺度漩涡，能够有效稳焰联焰，同时在整流状态下能够改善流场均匀性。

专利文献CN104819484A提出了一种径向点火的蒸发式火焰稳定器。基于传统蒸发式火焰稳定器的结构，增加了适当长度的流向裙板。在不增加流动阻力的前提下，能够实现高速气流中的低温可靠点火并稳定燃烧。

V型槽等钝体火焰稳定器在目前加力燃烧室中广泛采用。在低飞行马赫数工况，进入加力燃烧室的气流马赫数较低，气流在钝体尾缘形成低速回流区，能起到较好的点火和稳定火焰的效果。但是当飞行马赫数不断增大(M>3)，进入燃烧室的气流马赫数随之提高，燃油喷射入高速气流中，雾化、蒸发和掺混时间短，掺混效率低不利于燃烧，同时V型槽和传统支板的尾缘处所形成的回流区范围小，火焰容易被高速气流吹熄，难以稳定。

本发明在支板内部设计预掺混腔，并引入主流空气对主油路喷油进行气动雾化，利于掺混腔内的高温低速回流区增强燃油的掺混效率，并在支板基体上对称设计了后向台阶结构，结构简单、流动阻力小、吸收了凹腔和后向台阶两种结构的优点，具有低速回流区的范围大、高马赫数稳焰性能好、稳焰边界宽等优点，可以作为例如加力燃烧室、亚燃冲压燃烧室中的火焰稳定装置，以提高燃烧室性能。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种用于发动机燃烧室的带预掺混腔的火焰稳定器，包括：支板、主油路喷油杆、中心进气通道、中心出气通道、所述支板具有支板尾部，所述支板尾部具有支板尾缘，所述支板具有支板头部，所述中心进气通道与所述中心出气通道共轴，所述支板中设置有预掺混腔，所述中心进气通道由支板头部延伸至所述预掺混腔，所述中心出气通道由所述预掺混腔延伸至所述支板尾缘，所述支板的上表面和下表面均具有凹腔，所述凹腔位于所述支板头部和所述支板尾部之间，所述主油路喷油杆的出油孔与所述预掺混腔连通。

根据本发明的优选实施方式，所述支板头部的上部和下部均设置有值班油路喷油杆，优选的，上部的值班油路喷油杆和下部的值班油路喷油杆对称设置。

根据本发明的优选实施方式，所述主油路喷油杆的出油孔的喷油方向与空气在所述中心进气通道内的流动方向成钝角，使得主油路喷油杆将燃油从出油孔逆进气方向喷入所述预掺混腔。

根据本发明的优选实施方式，所述凹腔具有前壁和后壁，所述前壁垂直于所述中心进气通道，所述后壁为斜壁并向所述支板尾缘倾斜，所述前壁呈后向台阶结构，所述支板的上表面的凹腔和所述支板的下表面的凹腔对称设置。

根据本发明的优选实施方式，所述中心进气通道的口径大于所述中心出气通道的口径，优选的，中心进气通道的口径是所述中心出气通道的口径的2倍。

根据本发明的优选实施方式，优选的，所述前壁在凹腔深度方向上的尺寸约为所述支板的厚度的1/3，所述后壁与所述中心出气通道的夹角范围为大于等于30°且小于等于60°，所述凹腔的最大长度与最大深度的比值2:1至3:1。优选的，所述后壁在竖直方向上的高度与所述前壁的高度的比值大于等于1:2且小于等于2:3。

根据本发明的优选实施方式，所述支板头部的上部和下部的所述值班油路喷油杆的出油口分别位于所述支板头部的上表面和下表面。

根据本发明的优选实施方式，所述主油路喷油杆在所述支板尾部的上部和下部对称设置。

根据本发明的优选实施方式，优选的，所述预掺混腔位于所述支板的上表面的凹腔和所述支板的下表面的凹腔之间。

本发明的有益效果是：

1)针对传统的钝体类火焰稳定器的燃油喷射掺混效果差，导致燃烧不稳定和燃烧效率低的缺点，本发明以支板火焰稳定器为基体，设计了中心进气通道，引入高速主流空气在支板内部的预掺混腔内对主油路喷油进行气动雾化，并且在预掺混腔内的高温低速回流区内进一步雾化、蒸发和掺混，增强了掺混效果。油气混合物从中心出气通道喷入支板尾缘的回流区内，保证了点火的可靠性并稳定燃烧。

2)本发明的中心进气通道和中心出气通道的口径配置进一步提高了气动雾化效果和预掺混效果。

3)本发明中预掺混腔和主油路喷油杆的出油孔相连通，增强了主油路喷油的预掺混效果。

4)本发明在传统支板火焰稳定器基础上，在支板上下两侧设计了后向台阶结构的凹腔作为值班稳焰区，并对凹腔的竖直前壁和倾斜后壁的尺寸进行了独特设计。这种新型结构吸收了凹腔结构气动性能好、后向台阶回流区范围大和质量交换率高等优点，具有较小的流场阻力。

与现有的V型槽等钝体火焰稳定器相比，本发明所设计的新型火焰稳定器能够在不增加流场阻力的限制条件下，增强燃油的掺混效率，改善燃油雾化效果，明显增强燃烧稳定性，拓宽火焰稳定器的稳焰边界，不但能应用于传统的加力燃烧室，而且能应用于来流马赫数更高的亚燃冲压燃烧室中。

附图说明

图1带预掺混腔的火焰稳定器的二维轴向纵截面示意图。

图中符号说明如下：

1支板，2中心进气通道，3值班油路出油孔，4值班油路喷油杆，5前壁，6后壁，7预掺混腔，8主油路喷油杆，9主油路出油孔，10中心出气通道，11支板尾缘。

具体实施方式

下面，将结合附图1来描述根据本发明的用于发动机燃烧室的带预掺混腔的火焰稳定器的具体实施方式。

本发明的用于发动机燃烧室的带预掺混腔的火焰稳定器，包括：支板1，主油路喷油杆8，中心进气通道2，中心出气通道10，支板1具有支板尾部，支板尾部具有支板尾缘11，支板1具有支板头部，中心进气通道2与中心出气通道10共轴，支板1中设置有预掺混腔7，中心进气通道2由支板头部延伸至预掺混腔7，中心出气通道10由预掺混腔7延伸至支板尾缘11，支板1的上表面和下表面均具有凹腔，凹腔位于支板头部和支板尾部之间，主油路喷油杆8的出油孔9与预掺混腔7连通。

支板头部的上部和下部均设置有值班油路喷油杆4，优选的，上部的值班油路喷油杆和下部的值班油路喷油杆对称设置。

主油路喷油杆8的出油孔9的喷油方向与空气在中心进气通道2内的流动方向成钝角，使得主油路喷油杆8将燃油从出油孔9逆进气方向(进气方向即空气在进气通道2内的流动方向)喷入预掺混腔7。

凹腔具有前壁5和后壁6，前壁5垂直于中心进气通道2，后壁6为斜壁并向支板尾缘11倾斜；前壁5呈后向台阶结构，支板1的上表面的凹腔和支板1的下表面的凹腔对称设置。

中心进气通道2的口径大于中心出气通道10的口径，例如图1所示。优选的，中心进气通道2的口径是中心出气通道10的口径的2倍。

前壁5在凹腔深度方向上的尺寸约为支板1的厚度的1/3，即上下两个前壁5在凹腔深度方向上的尺寸(即前壁5的长度)之和约为支板1的厚度的2/3；后壁6与中心出气通道10的夹角范围为大于等于30°且小于等于60°，凹腔的最大长度与最大深度的比值为2:1至3:1，优选3:1。优选的，后壁6在竖直方向上的高度与前壁5的高度的比值大于等于1:2且小于等于2:3，优选2:3。

支板头部的上部和下部的值班油路喷油杆4的出油口3分别位于支板头部的上表面和下表面。

主油路喷油杆8在支板尾部的上部和下部对称设置，预掺混腔7位于支板1的上表面的凹腔和支板1的下表面的凹腔之间。

主油路喷油杆8将燃油通过主油路出油孔9逆流喷入支板内部的预掺混腔7，燃油在中心进气通道2引入的高速空气的气动雾化的作用下，初步破碎雾化，并在预掺混腔7内的高温低速回流区内进行雾化、蒸发、掺混，并通过中心出气通道10喷入支板尾缘11的回流区内，和主流进一步掺混、燃烧。在支板上下两侧设计的对称的具有后向台阶结构的凹腔作为值班稳焰区，燃油从值班油路喷油杆4通过出油口3横向喷入主流中，在主流空气的作用下卷入下游的后向台阶(后向台阶由前壁5形成)内部的回流区。

可见，本发明以传统支板火焰稳定器为基体，在支板内部设计预掺混腔7，并引入主流空气对主油路喷油进行气动雾化，上下两侧对称设计了具有后向台阶结构的凹腔。本发明的火焰稳定器的新结构利于预掺混腔7内的高温低速回流区增强主油路喷油的掺混效率，同时采用后向台阶结构吸收了后向台阶和凹腔两种稳焰结构的优点，形成值班稳焰区。这将改善高马赫数下燃烧稳定性能，有效地拓宽稳定器的稳焰边界，同时减少零件数，减轻结构重量。

如图1，优选的，本发明的火焰稳定器整体呈对称结构。

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 (10)

1.一种用于发动机燃烧室的带预掺混腔的火焰稳定器，包括：

支板(1)；

主油路喷油杆(8)；

中心进气通道(2)；

中心出气通道(10)；

所述支板(1)具有支板尾部，所述支板尾部具有支板尾缘(11)；所述支板(1)具有支板头部；

所述中心进气通道(2)与所述中心出气通道(10)共轴；

其特征在于：

所述支板(1)中设置有预掺混腔(7)；

所述中心进气通道(2)由支板头部延伸至所述预掺混腔(7)；

所述中心出气通道(10)由所述预掺混腔(7)延伸至所述支板尾缘(11)；

所述支板(1)的上表面和下表面均具有凹腔；所述凹腔位于所述支板头部和所述支板尾部之间；

所述主油路喷油杆(8)的出油孔(9)与所述预掺混腔(7)连通。

2.根据权利要求1所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述支板头部的上部和下部均设置有值班油路喷油杆(4)，上部的值班油路喷油杆和下部的值班油路喷油杆对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述主油路喷油杆(8)的出油孔(9)的喷油方向与空气在所述中心进气通道(2)内的流动方向成钝角。

4.根据权利要求1或2所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述凹腔具有前壁(5)和后壁(6)；所述前壁(5)垂直于所述中心进气通道(2)，所述后壁(6)为斜壁并向所述支板尾缘(11)倾斜；所述前壁(5)呈后向台阶结构；所述支板(1)的上表面的凹腔和所述支板(1)的下表面的凹腔对称设置。

5.根据权利要求1或2所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述中心进气通道(2)的口径大于所述中心出气通道(10)的口径。

6.根据权利要求4所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述前壁(5)在凹腔深度方向上的尺寸为所述支板(1)的厚度的1/3；所述后壁(6)与所述中心出气通道(10)的夹角范围为大于等于30°且小于等于60°；所述凹腔的最大长

度与最大深度的比值2:1至3:1。

7.根据权利要求2所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述支板头部的上部和下部的所述值班油路喷油杆(4)的出油口(3)分别位于所述支板头部的上表面和下表面。

8.根据权利要求1或2所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述主油路喷油杆(8)在所述支板尾部的上部和下部对称设置。

9.根据权利要求1或2所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述预掺混腔(7)位于所述支板(1)的上表面的凹腔和所述支板(1)的下表面的凹腔之间。

10.根据权利要求4所述的火焰稳定器，其特征在于：

所述后壁(6)在竖直方向上的高度与所述前壁(5)的高度的比值大于等于1:2且小于等于2:3。