CN108361735A - 一种集导流和旋流一体化的叶栅式装置及燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明所述一种集导流和旋流一体化的叶栅式装置和含有该装置的燃烧室，所述叶栅式装置包括前叶栅段、与前叶栅段连接的使气流产生部分切向流动的旋流段和与旋流段另一端连接的后叶栅段；所述前叶栅段包括至少一个第一圆台形导流板；所述后叶栅段包括至少一个第二圆台形导流板。本发明叶栅式装置利用前后叶栅段的导流板完成燃烧室进口流量分配，利用旋流段产生的旋流形成合理、均匀的燃烧室离心力分布，从而强化油气掺混并促进火焰传播。利用该叶栅式装置的燃烧室结构简化，并且减轻了燃烧室重量从而增加了发动机推重比。

Description

一种集导流和旋流一体化的叶栅式装置及燃烧室

技术领域

本发明涉及发动机，特别涉及发动机中的燃烧室及其中的集导流和旋流一体化的叶栅式装置。

背景技术

随着飞行速度和飞行空域的不断扩展，对发动机的性能要求日益提高，现代高性能加力/冲压组合燃烧室的工作条件与前期燃烧室相比有很大变化。

高性能加力/冲压组合燃烧室的气流速度最高可达Ma0.4以上，局部区域甚至可达到Ma0.6，在如此高速气流下，一方面燃油穿透深度很小，燃油很难在周向散开，另一方面点火后在稳定器尾迹区内形成的点火源很难向四周传播，因此为了达到截面上燃油分布均匀，促进火焰的传播，需要利用大量支板等流线型钝体或凹腔结构，采用多点、多路供油，而在高速气流中这些必然会带来较大的阻力损失，同时在高温气流中需要采取冷却与热防护措施。为了降低流动损失，目前大多将火焰稳定器、喷油装置和冷却装置进行一体化设计，即在火焰稳定器内部安置燃油管路，并引外涵空气冷却稳定器及燃油管路。虽然一体化设计的稳定器改善了供油和火焰稳定之间的匹配，但对燃油的均布及燃油和空气间的掺混改善不大，且重量和结构复杂度加大。

针对上述问题，国内外有研究采用旋转气流产生的切向速度和离心效应强化油气掺混及内外涵冷、热气流的混合，缩短掺混段从而减小燃烧室长度，实现合理的油气分布及温度分布。同时旋流下的强离心效应还能增加火焰传播速度，实现火焰在整个截面上的快速传播，从而减少常规冲压燃烧室中采用的支板等稳定器，保证整个燃烧室的总压损失处于先进水平。但加力/冲压组合燃烧室的冲压涵道并没有现成的旋流源，需要在流道中增加相应的旋流装置，而这必然会带来额外的流动损失，故如何低阻高效地产生旋流是旋流燃烧室中需要解决的关键问题。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种集导流和旋流一体化的叶栅式装置，以较低的阻力损失实现加力/冲压组合燃烧室转化模态和冲压模态下燃烧室内的流量分配和旋流分布。本发明的另一目的是通过将导流装置和旋流装置一体化设计，降低结构复杂性，减轻燃烧室重量。本发明还提供了利用该叶栅式装置的燃烧室。

技术方案：本发明所述一种集导流和旋流一体化的叶栅式装置，包括前叶栅段、与前叶栅段连接的使气流产生部分切向流动的旋流段和与旋流段另一端连接的后叶栅段；所述前叶栅段包括至少一个第一圆台形导流板；所述后叶栅段包括至少一个第二圆台形导流板。当前叶栅段和后叶栅段包括多个圆台形导流板，圆台形导流板之间为同轴前后非等距设置；在前叶栅段和后叶栅段设置圆台形导流板的目的在于实现气流从燃烧室侧面进口进入时转为轴向流动，流向燃烧室的燃烧区。本发明通过在旋流段前后两端设置圆台形导流板，在进行流量分配的同时，使得旋流段产生的旋流在内外轴流作用下不会径向分散，防止旋流离心力带来内锥面气流分离，并防止进入隔热屏外侧气流具有较大的旋转角带来推力损失。

所述导流板包括第一圆台形导流板和第二圆台形导流板；导流板与中心轴线的夹角为5-45°。

优选地，所述第一圆台形导流板的间距沿纵向逐渐减小；所述第二圆台形导流板的间距沿纵向间距逐渐减小。进一步地，所述第一圆台形导流板、第二圆台形导流板与中心轴线的夹角沿纵向逐渐减小，实现对气流速度大小和方向的分配作用。

上述叶栅式装置呈圆台形，所形成的圆台母线与中心轴线之间的角度为3-6°。前叶栅段、旋流段和后叶栅段距中心轴线径向距离逐渐增大，以较小的损失对所有燃烧室进口气流实现流量分配。本发明所用的旋流段可以采用现有技术中的旋流叶片来产生旋流，但是现有的旋流叶片在实际使用时，无法实现燃烧室内的流量分配。本发明对旋流段进行了改进，所述旋流段包括若干固定板和设置于固定板之间的若干旋流叶片。所述旋流叶片与纵切面之间的角度为15-45°。

本发明所述的固定板优选为圆台形，与前叶栅段和后叶栅段的同轴设置，固定板与中心轴线的夹角为5-45°。

优选地，所述旋流段包括前后同心设置的若干第一旋流叶片和若干第二旋流叶片；所述第二旋流叶片与第一旋流叶片数目相同，一一对应设置，且第一旋流叶片与第二旋流叶片交错设置。

所述旋流叶片包括旋流部和固定部，旋流部呈直角梯形状、固定部呈平行四边形状；所述旋流叶片通过固定部两端与固定板连接。

所述第二旋流叶片前缘长度大于第一旋流叶片后缘长度。所述第二旋流叶片的长度为第一旋流叶片长度的60-100％。

所述后叶栅段包含多个同轴非等距前后设置的第二圆台形导流板。第一圆台形导流板、圆台形固定板和第二圆台形导流板之间形成气流通道，所述导流板间距沿纵向逐渐减小。

所述前叶栅段纵向长度占整个叶栅式装置长度的10-20％，后叶栅段占整个叶栅式装置长度的30-50％。

一种燃烧室，包括上述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置。

有益效果：本发明叶栅式装置可以实现燃烧室进口流量分配和旋流产生于一体，并保持简单的结构，减轻燃烧室重量从而增加发动机推重比。通过导流板间距和导流板与中心轴线夹角的变化调整流体流动阻力，低阻、高效地对冲压涵道来流进行合理的流量分配，使外环轴向来流向燃烧室中心偏转，实现燃烧区内合适的速度分布；本发明的叶栅式装置利用旋流段产生旋流，强化油气掺混，内外涵冷、热气流的混合，缩短掺混段从而减小燃烧室长度，并利用切向速度改善燃油周向分布，加速火焰径向传播；本发明利用旋流自加速作用，在较小的进口旋流叶片角度下形成较大的燃烧区旋流强度，从而避免旋流段带来过大的总压损失。

附图说明

图1为本发明叶栅式装置结构示意图；

图2为本发明叶栅式装置所形成的气流通道的二维示意图；

图3为本发明旋流叶片结构示意图；

图4为本发明叶栅式装置在40°燃烧室模型中的工作示意图；

图5为基于本发明叶栅式装置的燃烧室冷态流线图；

图6为基于本发明叶栅式装置的燃烧室切向速度分布；

图7为有无本发明叶栅式装置时的燃烧区进出口轴向速度对比；

图8为有无本发明叶栅式装置的燃烧区进出口切向速度对比。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，包括依次连接的前叶栅段1、用于改变气流的流动方向产生部分切向的旋流段2和后叶栅段3；所述前叶栅段1包括一个第一圆台形导流板11；所述后叶栅段3包括6个同轴前后设置的第二圆台形导流板31，本发明所述纵向指图2中的X方向。圆台形导流板之间的间距S从第一圆台形导流板到第二圆台形导流板呈逐渐减小的趋势，目的是为了沿纵向对气流产生不同的流动阻力，本实施例中，圆台形导流板之间的间距与叶栅式装置的长度比值从7％减少至3％。第二圆台形导流板之间形成气流通道5，所形成的气流通道与中心轴线夹角β从30°减小到15°。本发明叶栅式装置，整体呈圆台形，圆台母线与中心轴线的夹角α为4°。冲压涵道轴向来流在流经叶栅式装置时，在前叶栅段和后叶栅段的圆台形导流板的环形分布下获得周向均匀的速度分布，减小速度不均匀性带来的额外阻力损失。

旋流段采用常规定角度旋流叶片，旋流叶片围绕中心轴线4设置，各旋流叶片与中心轴线的径向距离相同，旋流叶片沿着纵向延伸。

如图2所示，为了更好的实现对燃烧室气流的调节和减少旋流装置的阻力，并且实现旋流装置燃烧室进口气流的流量分配，本发明的旋流段优选为以下结构：旋流段分段设计，通过固定板21之间设置有若干旋流叶片22，固定板包括第一固定板211、第二固定板212和第三固定板213，位于固定板之间的第一旋流叶片2201和第二旋流叶片2202数目相同，一一对应设置。如图3所示，组成旋流段的旋流叶片22由直角梯形状的旋流部223和平行四边形状的固定部224构成，旋流部前缘221长度小于旋流部后缘222长度；本发明的旋流叶片通过固定部前段225和固定部后端226与固定板连接，减小旋流产生的阻力损失并增加旋流叶片与固定板之间的固定强度。本实施例中第一旋流叶片与纵切面的角度为15°，第二旋流叶片与纵切面的角度为25°，第二旋流叶片前缘长度大于第一旋流叶片后缘长度，第一旋流叶片前缘长度为10mm增加到第二旋流叶片后缘长度为40mm。

本发明中选用的固定板为圆台形，在旋流段前后与前叶栅段和后叶栅段的第一圆台形导流板、固定板、第二圆台形导流板之间形成气流通道，且气流通道宽度沿着纵向逐渐减小；第一圆台形导流板、固定板、第二圆台形导流板与中心轴线之间的夹角逐渐减小。本发明叶栅式装置通过若干支撑杆8固定于燃烧室内机匣。

叶栅式装置的其他参数选择为前叶栅段纵向长度占叶栅式装置长度的15％，旋流段占叶栅式装置长度的45％，后叶栅段长度占叶栅式装置长度的40％；所述第二旋流叶片的纵向长度为第一旋流叶片纵向长度的80％，叶栅式装置的厚度h为2mm。

圆台形导流板的间距沿纵向逐渐减小，气流通道的流通面积随之减小，燃烧室内环堵塞小、外环堵塞大，不同径向高度上的流体受到不同的流动阻力，使外环气流更多的向内环移动，从而实现燃烧室内速度大小的合理分配。而旋流叶片横截面长度沿中心轴线方向逐渐增加与导流叶栅间距沿纵向的逐渐减小相匹配，旋流叶片长度增加时占据的流道面积随之增加，对流体产生不同的流动阻力，同样可以实现速度大小的合理分配。冲压涵道气流进口与燃烧室中心存在较大的径向距离，为使流体更多进入燃烧室中心区域，需要使轴向来流产生较大的偏转角。而气流通道与燃烧室轴线的夹角沿纵向逐渐减小，气流流动方向也逐渐变为轴向，使得叶栅式装置横截面纵向距离较小处的气流向燃烧室中心流动，纵向距离较大处的气流向燃烧室外环流动，同时旋流叶片角度的变化与圆台形导流板(包括第一圆台形导流板和第二圆台形导流板)间距的变化匹配，使得外环流体更多的向燃烧室中心偏转，形成合理的速度分布。通过改变部分旋流装置厚度h、部分旋流装置与水平轴向夹角α、气流通道与水平轴线夹角β和筒形导板间距S来调整导流叶栅形状及相互间的匹配关系，在不同纵向位置上产生不同的流动阻力，从而可以根据实际需要调整流量分配。

旋流叶片段采用分段式设计，其中靠近燃烧室内环的旋流叶片角度较小而靠近外环的旋流叶片角度较大，因为离心力由气流切向速度和旋转半径决定，通过旋流叶片角度与旋转半径的匹配，使得气流切向速度随着半径的增大而增加以达到相同的离心力水平，从而实现燃烧室内旋流区均匀的离心力分布。同时旋流叶片在叶栅式旋流装置上的位置与轴向气流的偏转角匹配，气流偏转越大则半径越小，在切向动量守恒的前提下，切向速度随之增加，因此可在较小的旋流叶片角度下在燃烧室中产生较大的离心力，从而抑制旋流装置产生的总压损失。通过旋流叶片位置和角度的改变，还可以调整燃烧室中离心力场的分布和强度，从而满足不同燃烧室来流工况条件对离心力的需求。

图5和图6是燃烧室的冷态流线图和切向速度分布，从图中可以看到，冲压涵道轴向来流首先经导流板和旋流叶片作用完成流量分配，实现燃烧室内合理的速度分布，然后在向下游流动的过程中在扩张通道中逐渐减速扩压，在防震隔热屏6作用下分为两股气流，其中外股气流参与冷却，内股气流在防震隔热屏6和截锥7形成的扩张通道中进行二次减速扩压，气流在截锥后方形成的低速回流区用于形成稳定的截锥火焰。由于旋流叶片位于叶栅式装置的中间，产生旋转气流也位于流道中间，避免了旋流与附面层的相互干扰，从而有助于抑制流动损失的增加。而此时集中分布在燃烧室外环的离心力场，可以加速燃烧室外环存在值班火焰稳定器时产生的稳定火焰源沿径向的快速传播，并与截锥火焰相连从而实现燃烧室整个截面上的联焰。同时旋流叶片产生的旋流还能强化油气掺混，内外涵冷、热气流的混合，缩短掺混段从而减小燃烧室长度，并利用切向速度改善燃油周向分布，降低对先进喷油方案的需求。

本实施例是本发明叶栅式装置在燃烧室冲压涵道中的应用，冲压涵道轴向来流在本发明叶栅式装置作用下进行流量分配从而实现燃烧区合理的速度分布，中间一部分轴向来流在旋流叶片作用下转变为旋转气流，在燃烧室内形成合理、均匀的离心力分布，从而强化油气掺混并促进火焰传播。

使用商业计算流体力学软件Fluent,对上述的基于叶栅式装置的冲压涵道冷态流场进行了数值模拟，分析了叶栅式装置对燃烧室轴向速度和切向速度分布产生的影响。

图7和图8是有无本发明的叶栅式装置时燃烧区进出口的轴向速度分布曲线和切向速度分布曲线。在无叶栅式装置的燃烧室中，由于冲压涵道进口处径向高度较大，来流较大的轴向惯性使得大量流体分布在燃烧室外环，内环气流的轴向速度较小，如图8所示，Y表示距离燃烧室中心轴线的径向距离，在Y＝0.07m上方无叶栅式装置的轴向速度较大，而在Y＝0.07m下方区域则是有叶栅式装置的轴向速度较大，这说明本发明的叶栅式装置对来流的导流作用使得更多的外环流体向燃烧室中心移动。在叶栅式装置的作用下，燃烧区内的最大轴向速度减小了10m/s，轴向速度在径向高度上的分布显得更加均匀，且此时燃烧区进口处最大轴向速度的径向位置有所下移，燃烧室内的轴向速度分布更合理。

在无叶栅式装置的燃烧室中，气流主要沿轴向运动，燃烧区内基本不存在切向速度。而采用叶栅式装置后，来流经旋流叶片产生的旋流在燃烧区内Y＝0.06m和Y＝0.16m之间产生了较大的切向速度，且最大切向速度达到35m/s。此时燃烧区外环形成的离心力场加强高温燃气与低温混气间的掺混，从而加速燃烧室外环稳定点火源沿径向向燃烧室中心的传播。同时叶栅式装置产生旋流区在向下游流动的过程中逐渐在径向扩展，而切向强度相应有所下降，从而抑制气流在尾喷管中旋转产生过大的推力损失。

Claims (10)

1.一种集导流和旋流一体化的叶栅式装置，其特征在于，包括前叶栅段(1)、与前叶栅段连接的使气流产生部分切向流动的旋流段(2)和与旋流段另一端连接的后叶栅段(3)；所述前叶栅段(1)包括至少一个第一圆台形导流板(11)；所述后叶栅段(3)包括至少一个第二圆台形导流板(31)。

2.根据权利要求1所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，其特征在于所述旋流段(2)包括若干固定板(21)和设置于固定板之间的若干旋流叶片(22)；所述旋流叶片与纵切面之间的角度为15-45°。

3.根据权利要求2所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，其特征在于所述叶栅式装置呈圆台形。

4.根据权利要求3所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，其特征在于所述旋流段包括前后同心设置的若干第一旋流叶片(2201)和若干第二旋流叶片(2202)；所述第一旋流叶片与第二旋流叶片交错设置。

5.根据权利要求4所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，其特征在于所述旋流叶片(22)包括旋流部(223)和固定部(224)，旋流部呈直角梯形状、固定部呈平行四边形状；所述旋流叶片通过固定部两端与固定板连接。

6.根据权利要求5所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，其特征在于所述第一旋流叶片与第二旋流叶片数目相同，所述第二旋流叶片前缘长度大于第一旋流叶片后缘长度。

7.根据权利要求1所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，其特征在于所述后叶栅段包含多个非等距设置的第二圆台形导流板。

8.根据权利要求7所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，其特征在于所述第二圆台形导流板间距沿纵向逐渐减小；所述第二圆台形导流板与中心轴线夹角沿纵向逐渐减小。

9.根据权利要求1所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置，所述第一圆台形导流板和所述第二圆台形导流板与中心轴线的夹角为5-45°。

10.一种燃烧室，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的集导流和旋流一体化的叶栅式装置。