CN109780571A - 一种蒸发式组合火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸发式组合火焰稳定器，包括外壁式火焰稳定器，所述外壁式火焰稳定器包括水平延伸的第一段、沿着所述第一段末端与水平方向呈锥角向内延伸的第二段以及沿着所述第二段末端水平延伸的第三段；围绕所述第一段的内壁面与第二段的内壁面交接处设置的蒸发管，所述蒸发管在第二段上开设有油气出口；所述第三段下表面设置有径向火焰稳定器。本发明蒸发式组合火焰稳定器解决了组合火焰稳定器的值班点火性能受径向火焰稳定器影响，值班火焰稳定器的贫油点熄火界限在宽飞行包线下偏小，值班区流场被破坏的问题，改善了值班火焰稳定器的点火性能，拓宽了值班火焰稳定器的工作范围。

Description

一种蒸发式组合火焰稳定器

技术领域

本发明涉及一种燃烧室中使用的火焰稳定器，特别涉及一种蒸发式组合火焰稳定器。

背景技术

涡轮基组合循环发动机(Turbine-based combined cycle，简称TBCC)作为一种吸气式发动机具有飞行范围广、可常规起降和可重复使用等性能优势被认为是现阶段最有希望的高超声速飞行器动力装置。由于涵道比在整个工作范围内变化大的特点造成TBCC发动机多模态燃烧室内部来流温度较低和局部流速过大的流动条件给多模态燃烧室内部的点火和火焰稳定带来困难。

随着现代高性能多模态燃烧室内气流速度的提高，为了保证燃烧室可靠的点火性能，通常在燃烧室外环采用值班火焰稳定器进行软点火，并组合使用径向火焰稳定器以提高火焰传播的能力，形成凹腔/支板组合或后台阶/支板组合火焰稳定器。但大量采用的径向火焰稳定器会提高稳定器尾缘速度、破坏值班区流场，对燃烧室的值班点火性能产生不利影响。

同时将组合火焰稳定器直接应用于多模态燃烧室，其性能必然会受到多模态燃烧室苛刻流动条件的制约。一方面目前加力燃烧室的进口温度范围为650K～1050K，而多模态燃烧室的大涵道比工作时的最低温度可达450K，对航空燃油的雾化蒸发不利；另一方面加力燃烧室的Ma一般不大于0.25，而多模态燃烧室在冲压模式下的局部Ma相对较大，最大可到0.4，这样的低温和高速条件对点火及火焰稳定的要求远超过现有加力燃烧室和亚燃冲压燃烧室的技术水平。因此，后台阶/支板组合火焰稳定器需要具有更宽广的贫油点火性能和贫油熄火性能才能满足多模态燃烧室整个工作包线内来流条件变化大的使用需求。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种蒸发式组合火焰稳定器，在不影响燃烧室火焰传播性能的前提下，改善值班火焰稳定器的点火性能，拓宽值班火焰稳定器的工作范围，解决了现有组合稳定器在相对低温和高速气流下的贫油点熄火性能不足的问题。

技术方案：本发明所述的一种蒸发式组合火焰稳定器，包括外壁式火焰稳定器，所述外壁式火焰稳定器包括水平延伸的第一段、沿着所述第一段末端与水平方向呈锥角，向内延伸的第二段以及沿着所述第二段末端水平延伸的第三段；围绕所述第一段的内壁面与第二段的内壁面交接处设置有蒸发管，所述蒸发管在第二段上开设有油气出口；所述第三段下表面设置有径向火焰稳定器。

本发明外壁式火焰稳定器与径向火焰稳定器的组合形式，保证值班区连续完整的回流区结构，能在不影响火焰传播性能的前提下改善值班点火性能，增强燃油的雾化、蒸发，拓宽贫油熄火界限。

本发明的一种优选方式为所述第一段上表面垂直设置有喷油杆，所述第一段下表面设置有水平延伸的引气管，所述引气管末端与所述蒸发管连通。

本发明的一种优选方式为所述喷油杆通过燃油喷嘴与所述引气管连通。

本发明的一种优选方式为所述引气管内部设置有位于所述燃油喷嘴下方的溅油板。

本发明的一种优选方式为所述径向火焰稳定器的尾缘与所述外壁式火焰稳定器尾缘平齐。

本发明的一种优选方式为所述径向火焰稳定器横截面呈V型结构。

本发明的一种优选方式为所述油气出口为矩形孔。

本发明的一种优选方式为所述蒸发管为与第一段及第二段形成的内角相匹配的扇形管。

本发明的一种优选方式为所述引气管为方形管。

本发明的一种优选方式为所述溅油板位于所述引气管的中部。

工作原理：燃油由喷油杆供入燃油喷嘴，并由燃油喷嘴向溅油板表面进行初次雾化，在从引气管进入的空气的气动力作用下二次雾化，破碎成为粒径大小不一的油珠。引气管内的油珠随气流进入蒸发管内，蒸发后的富燃混气由油气出口进入外壁式火焰稳定器。混合油气在外壁式火焰稳定器的低速回流区内达到油气恰当比，经电火花放电点燃后形成连续稳定的值班火焰。值班火焰随主流运动的过程中受径向火焰稳定器尾迹区卷吸，自外壁式稳定器尾缘沿径向火焰稳定器向燃烧室中心传播，最终燃烧室内形成连续稳定的火焰。

有益效果：(1)本发明蒸发式组合火焰稳定器能改善燃油的雾化、蒸发，提高值班稳定器内的气相油气比，改善混气质量，扩宽贫油熄火界限；(2)本发明外壁式火焰稳定器内存在连续完整的低速回流区，受径向稳定器影响小，气流在外壁式稳定器内的停留时间长，具有较好的点火性能；(3)本发明矩形油气出口能强化油气掺混，改善值班区内燃油的分布，降低燃烧室温度分布的周向不均匀性。

附图说明

图1为本发明蒸发式组合火焰稳定器结构示意图；

图2为本发明蒸发式组合火焰稳定器结构剖视图；

图3为本发明蒸发式组合火焰稳定器结构俯视图；

图4为本发明蒸发式组合火焰稳定器结构侧视图；

图5为本发明蒸发式组合火焰稳定器工作方法示意图；

图6为本发明蒸发式组合火焰稳定器与现有组合火焰稳定器形成的流线分布对比图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：如图1所示，本发明蒸发式组合火焰稳定器包括外壁式火焰稳定器1与设置于外壁式火焰稳定器末端的径向火焰稳定器4。

为了方便描述，如图2所示，本发明中所述的轴向为x轴的方向，径向为y轴方向，外壁式火焰稳定器1由水平轴向延伸的第一段11、沿着第一段11末端与水平方向呈锥角α向内延伸的第二段12以及沿着第二段12末端水平轴向延伸的第三段13组成，锥角α的角度范围为0°＜α＜90°在，在本实施例中α为60°；第二段12以及第三段13的外壁面上方形成了连续完整的低速回流区，该区域受径向稳定器影响小，气流在外壁式稳定器1内的停留时间长，具有较好的点火性能。

第一段11的内壁面与第二段12的内壁面交接处设置有蒸发管2，蒸发管2为扇形管，扇形管的角度与第一段11及第二段12内壁面形成的角度相匹配，本实施例中的扇形管的角度为120°。

如图3所示，扇形管与第二段12的接触面上开设有若干油气出口3，油气出口3为矩形孔，油气出口3周向均匀排布在第二段12上，距第二段12顶端4mm，油气出口3的长宽为5mm×2.5mm，相邻两个油气出口3的间距为20mm，从油气出口3出来的混气运动方向与外壁式火焰稳定器1的第二段12形成的斜面垂直，相较于圆孔，具有更大的射流深度和扩张角。

如图4所示，第一段11上表面垂直设置有喷油杆5，喷油杆5通过焊接或机械安装的方式固定在外壁式火焰稳定器1的第一段11的上表面，喷油杆5通过设置于喷油杆5顶端的燃油喷嘴7与引气管6连通，本实施例中燃油喷嘴的直径为0.5mm，引气管6为8mm×8mm的方管，喷油杆5下方设置有溅油板8，溅油板8位于引气管6的中间位置，溅油板8距引气管6的进气口为5mm，溅油板3的宽度为10mm。如图1所示，引气管6水平设置于第一段11下表面，末端与蒸发管2连通。

本发明的径向火焰稳定器4的尾缘在外壁式火焰稳定器1和径向火焰稳定器4的交界面上与外壁式火焰稳定器1的尾缘平齐，径向火焰稳定器4的中心线与其相对应的引气管6的轴向中心线需对齐，径向火焰稳定器4前缘至尾缘方向，宽度逐渐增加，整体呈V型结构。

工作方法：如图5所示，燃油由喷油杆5供入燃油喷嘴7，并由燃油喷嘴7向溅油板8表面进行初次雾化，在从引气管6进入的空气的气动力作用下二次雾化，破碎成为粒径大小不一的油珠，引气管6内的油珠随气流进入蒸发管2内，蒸发后的富燃混气由油气出口3进入外壁式火焰稳定器1，油气出口3靠近外壁式稳定器剪切层，剪切层脉动能增强新鲜空气与富燃混气间的掺混；矩形油气出口3具有比圆形出气孔更大的射流深度和扩张角，进一步强化新鲜空气与富燃混气的混合效果。混合后的新鲜空气与富燃混气在外壁式火焰稳定器1的低速回流区内达到油气恰当比，经电火花放电点燃后形成连续稳定的值班火焰。值班火焰随主流运动的过程中受径向火焰稳定器尾迹区卷吸，自外壁式火焰稳定器1尾缘沿径向火焰稳定器4向燃烧室中心传播，最终燃烧室内形成连续稳定的火焰。连续稳定的值班火焰还可以促进“热态”时蒸发管对燃油的蒸发，改善外壁式火焰稳定器1回流区内的油气比，提高贫油熄火性能。

应用例1：使用Fluent软件对现有技术组合火焰稳定器与本发明蒸发式组合火焰稳定器形成的流场进行数值模拟，具体的流线分布图见图6，当来流速度(V)为150m/s,温度(T)为900K时，其中图6(a)与图6(c)为常规后台阶/支板稳定器，图6(b)和图6(d)为本发明蒸发式组合火焰稳定器的流场。从两种稳定器内的流线分布可见，后台阶形成的回流区受径向稳定器影响很大，不论是径向稳定器截面或相邻径向稳定器中间截面，低速回流区均在一定程度上被破坏。而本发明的外壁式火焰稳定器受径向稳定器影响较小，存在连续完整的低速回流区，气流在外壁式稳定器内的停留时间更长，有助于获得更好的值班点火性能；混气在外壁式稳定器内参与化学反应后受径向稳定器尾迹区卷吸，沿径向向燃烧室中心传播，满足燃烧室对火焰传播的要求。

Claims (10)

1.一种蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，包括外壁式火焰稳定器(1)，所述外壁式火焰稳定器(1)包括水平延伸的第一段(11)、沿着所述第一段(11)末端与水平方向呈锥角(α)向内延伸的第二段(12)以及沿着所述第二段(12)末端水平延伸的第三段(13)；围绕所述第一段(11)的内壁面与第二段(12)的内壁面交接处设置的蒸发管(2)，所述蒸发管(2)在第二段(12)上开设有油气出口(3)；所述第三段(13)下表面设置有径向火焰稳定器(4)。

2.根据权利要求1所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述第一段(11)上表面垂直设置有喷油杆(5)，所述第一段(11)下表面设置有水平延伸的引气管(6)，所述引气管(6)末端与所述蒸发管(2)连通。

3.根据权利要求2所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述喷油杆(5)通过燃油喷嘴(7)与所述引气管(6)连通。

4.根据权利要求3所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述引气管(6)内部设置有位于所述燃油喷嘴(7)下方的溅油板(8)。

5.根据权利要求1所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述径向火焰稳定器(4)的尾缘与所述外壁式火焰稳定器(1)的尾缘平齐。

6.根据权利要求1所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述径向火焰稳定器(4)横截面呈V型结构。

7.根据权利要求1所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述油气出口(3)为矩形孔。

8.根据权利要求1所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述蒸发管(2)为与第一段(11)及第二段(12)形成的内角相匹配的扇形管。

9.根据权利要求2所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述引气管(6)为方形管。

10.根据权利要求4所述的蒸发式组合火焰稳定器，其特征在于，所述溅油板(8)位于所述引气管(6)的中部。