CN109780572B - 一种可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，包括外凹腔火焰稳定器、径向火焰稳定器、用于调节径向火焰稳定器相对于外凹腔火焰稳定器轴向相对位置的调节机构以及用于限定所述调节机构轴向最大行程的导向槽；外凹腔火焰稳定器包括凹腔段以及沿着凹腔段向前端水平轴向延伸出的水平段，径向火焰稳定器位于水平段内壁面。本发明通过改变径向火焰稳定器与凹腔的相对位置来调节凹腔涡区结构，获得较高的燃烧室点火和火焰稳定性能，解决现有常规凹腔/支板稳定器相对低温和高速气流下贫油点熄火性能不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及涡扇发动机加力燃烧室、亚燃冲压发动机燃烧室和涡扇/冲压组合循环发动机多模态燃烧室，特别涉及一种可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器及其工作方法。
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。但径向火焰稳定器会破坏凹腔值班区流场，对燃烧室的值班点火性能产生不利影响。
为了获得更高的多模态燃烧室性能，希望点火时值班区存在连续完整的低速回流区以获得足够的气流停留时间从而保证燃烧室的点火性能，而在值班区自持火焰形成后希望值班区与主流区存在较大的质量交换率从而保证燃烧室的火焰稳定能力。但对于固定结构的凹腔/支板火焰稳定器，气流停留时间和质量交换率呈相反的变化，，值班火焰稳定器的贫油点熄火界限受径向火焰稳定器影响在宽飞行包线下偏小，现有的火焰稳定器很难在燃烧室进口来流温度更低、速度更大的情况下同时获得可靠的点火及火焰稳定性能，因此，为了同时获得较高的点火和火焰稳定性能，需要对凹腔涡区结构进行调节，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：本发明提供了一种可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，通过改变径向火焰稳定器与外凹腔火焰稳定器的凹腔间的相对位置来调节凹腔涡区结构，获得较高的燃烧室点火和火焰稳定性能，解决现有常规凹腔/支板稳定器相对低温和高速气流下贫油点熄火性能不足的问题。
技术方案：本发明所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，包括外凹腔火焰稳定器、径向火焰稳定器、用于调节所述径向火焰稳定器相对于所述外凹腔火焰稳定器轴向距离的调节机构以及用于限定所述调节机构轴向最大行程的导向槽；所述外凹腔火焰稳定器包括凹腔段以及沿着所述凹腔段向前端水平延伸出的水平段，所述导向槽为设置于所述水平段上的贯穿水平段厚度方向的开槽；所述调节机构一端位于所述水平段的外壁面，另一端穿过导向槽与径向火焰稳定器顶端固定连接，使得径向火焰稳定器顶端卡在水平段的内壁；
调节机构带动所述径向火焰稳定器使其以所述导向槽为最大行程相对于所述水平段内壁面滑动，增大或减小所述外凹腔火焰稳定器与径向火焰稳定器的轴向距离。
所述调节机构包括T型滑块，所述T型滑块上端固定有与齿轮传动连接的齿条；所述T型滑块与所述导向槽间隙配合，下端穿过所述导向槽与所述径向火焰稳定器上端固定。
所述径向火焰稳定器的前缘与后缘之间的轴向距离大于所述导向槽的轴向长度。
所述T型滑块带动所述径向火焰稳定器轴向移动时，所述径向火焰稳定器上端完全遮盖所述导向槽。
所述径向火焰稳定器的横截面为V型，沿着径向火焰稳定器的前缘至后缘方向宽度逐渐增加。
所述径向火焰稳定器的前缘具有倒圆角结构。
所述径向火焰稳定器具有后倾角。
上述可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器的工作方法，包括以下步骤：(1)燃烧室点火前，通过调节机构使径向火焰稳定器前移，增加径向火焰稳定器与外凹腔火焰稳定器间的轴向距离；(2)值班区开始供油，高能火花放电点火，点燃值班区内的油气混气，形成值班火焰；(3)值班区形成稳定自持火焰后，通过调节机构使径向火焰稳定器后移，逐渐减小径向火焰稳定器与外凹腔火焰稳定器间的轴向距离，增加值班区与主流区间的质量交换率；(4)主燃区开始供油，进入径向火焰稳定器尾迹区的值班火焰逐渐点燃油气混合气，形成稳定的燃烧室火焰。
有益效果：(1)本发明能根据具体需求调节凹腔涡区结构，拓宽燃烧室工作范围；(2)本发明通过调节凹腔涡区结构，为燃烧室值班点火创造有利条件，拓宽燃烧室贫油点熄火界限；(3)本发明在实现可靠点火后，凹腔涡区结构的调节能加速值班火焰向主流的传播，保证燃烧室的火焰稳定性能。
附图说明
图1为本发明的组合火焰稳定器的结构示意图；
图2为本发明的组合火焰稳定器的剖面结构示意图；
图3为本发明调节机构与径向火焰稳定器位置结构示意图；
图4为径向火焰稳定器轴向移动时对凹腔内的涡区结构的影响；
图5为火焰稳定器不同轴向间距S对燃烧室的贫油点火极限的影响；
图6为值班区形成自持火焰后，火焰稳定器之间相对轴向距离对燃烧室内的火焰形态的影响。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：如图1所示，本发明所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，该组合火焰稳定器由外凹腔火焰稳定器1、径向火焰稳定器2、用于调节径向火焰稳定器2相对于外凹腔火焰稳定器1轴向相对位置的调节机构3以及用于限定调节机构3轴向最大行程的导向槽4组成。
外凹腔火焰稳定器1由位于前端的水平延伸的水平段12和位于水平段12后端的凹腔段11组成，在水平段上开设有导向槽4，导向槽4为贯穿水平段12厚度方向的矩形开槽，调节机构3一端位于水平段的外壁面，另一端穿过导向槽4与径向火焰稳定器2顶端固定连接，使得径向火焰稳定器顶端卡在水平段的内壁。
调节机构3带动径向火焰稳定器沿着轴向移动，使其以导向槽为最大行程相对于水平段内壁面滑动，增大或减小径向火焰稳定器相对于凹腔段11的轴向距离。
如图2所示，图中X轴为本发明所述的轴向，Y轴为本发明中所述的径向。本发明在水平段12上表面设置有下端与径向火焰稳定器2固定的调节机构3，该调节机构3通过沿着导向槽4滑动，实现了径向火焰稳定器2与外凹腔火焰稳定器1的凹腔段12的轴向距离的调节，进而实现涡区结构的调节。
调节机构3由T型滑块31和固定于T型滑块上端面的齿条32组成，T型滑块的下端311穿过导向槽4与径向火焰稳定器2顶端固定。
为了实现整个组合火焰稳定器的气密性，本发明进行了以下设计：
首先，T型滑块31上端的台阶面310两端搭在导向槽4的两侧边，覆盖于导向槽4上表面，与外凹腔火焰稳定器1外壁面齐平，且T型滑块轴向移动过程中，T型滑块的台阶面310均完整覆盖导向槽4上表面。
其次，T型滑块31的下端311的径向高度与导向槽4的径向高度相同，使得径向火焰稳定器2上端面刚好卡在水平段12的内壁，与水平段12的内壁面齐平，不影响径向火焰稳定器2移动的同时，使得径向火焰稳定器2上端面覆盖于导向槽4的下表面；为了保证径向火焰稳定器2完整覆盖导向槽4的下表面，导向槽4的轴向长度小于径向火焰稳定器2前后缘间距，保证轴向移动过程中径向火焰稳定器上端面均能覆盖整个导向槽，防止气体泄漏。
为了实现调节机构3在调节径向火焰稳定器的轴向位移时，不发生过大震动，本发明的T型滑块上端面的轴向中心线和齿条32下端面的轴向中心线重合，T型滑块下端滑块面的轴向中心线与径向火焰稳定器2上端面的轴向中心线重合，保证T型滑块轴向移动过程中受力的均匀性，避免T型滑块31与导向槽4间隙配合时存在过大的径向及周向震动。
如图3所示，径向火焰稳定器2横截面为V型，沿着径向火焰稳定器2的前缘至后缘方向宽度逐渐增加，在径向火焰稳定器迎着来流的顶端设有倒圆角，且径向火焰稳定器2具有后倾角为β，从而避免应力集中并降低对气流的阻力损失。为了保证径向火焰稳定器2不影响凹腔段11的结构，要求径向火焰稳定器2的后缘，轴向最大位移不超过凹腔段11的前端面。
如图2所示，径向火焰稳定器2尾缘至外凹腔火焰稳定器1凹腔段11前端面的轴向距离为S，齿轮5与齿条32啮合，带动齿条32轴向移动，固定于齿条32下端的T型滑块31也同时轴向移动，固定于T型滑块下端的径向火焰稳定器2轴向运动，使得径向火焰稳定器2与外凹腔火焰稳定器1间的轴向距离随齿轮齿条间的传动变化，实现径向火焰稳定器2与外凹腔火焰稳定器1的轴向相对距离的调整，进而调节外凹腔火焰稳定器1内的涡区结构以满足宽广的工况要求。
本发明组合火焰稳定的工作方法如下：
(1)燃烧室点火前，通过调节机构3使径向火焰稳定器2前移，增加径向火焰稳定器2与外凹腔火焰稳定器1间的轴向距离，在值班区内形成连续完整的低速回流区，增加气流的停留时间，为燃烧室值班点火创造有利条件；
(2)值班区开始供油，高能火花放电点火，点燃值班区内油气比恰当的油气混合气，形成值班火焰；
(3)值班区形成稳定自持火焰后，通过齿轮5和齿条32的传动使径向火焰稳定器2后移，逐渐减小径向火焰稳定器2与外凹腔火焰稳定器1间的轴向距离，增加值班区与主流间的质量交换率，为值班火焰向主流的传播提供有利条件；
(4)主燃区开始供油，进入径向稳定器尾迹区的值班火焰逐渐点燃油气比恰当的主流油气混合气，建立燃烧室尺度上的稳定火焰，保证燃烧室的火焰稳定性能。
应用例1：利用Fluent软件模拟燃烧室流场，来流速度为50m/s，来流温度为300K。图4是径向火焰稳定器沿燃烧室轴向移动时凹腔内的涡区结构变化示意图，其中，图4(a)为径向火焰稳定器2的尾缘距离凹腔段11的前端距离为20mm，后倾角β为20°，
图4(b)为径向火焰稳定器2的尾缘距离凹腔段11的前端距离为10mm，后倾角β为20°，图4(c)为径向火焰稳定器2的尾缘距离凹腔段11的前端距离为0mm，后倾角β为20°。从图中可以看到随着径向火焰稳定器与外凹腔火焰稳定器间距S的增加，径向火焰稳定器对凹腔回流区产生的挤压和拉拽作用减弱，值班区内的低速回流区更连续、完整，这可以增加气流在值班区内的停留时间，拓宽燃烧室的贫油点火界限。
图5是不同轴向间距S下，T＝750K时燃烧室的贫油点火极限，从图5中可以看到，随着间距S的增加，燃烧室的贫油点火界限逐渐扩大。由于S＝20mm时组合火焰稳定器中的低速回流区最完整，故该结构的可燃点火范围最宽，此时径向稳定器所起强化掺混的作用使得其可燃点火范围比单凹腔结构更大。通过本装置调节凹腔涡区结构的方法能使得燃烧室贫油点火当量比降低60％，可燃点火范围拓宽55％。
图6是值班区形成自持火焰后减小径向火焰稳定器与外凹腔火焰稳定器间距时燃烧室内的火焰形态，从图6中可以看出，由于径向火焰稳定器向凹腔的靠近使得更多凹腔气流沿径向火焰稳定器尾迹区向主流运动，增加了值班区与主流间的质量交换，加速值班火焰向主流的传播，有助于提高燃烧室的火焰稳定能力。
Claims (8)
1.一种可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，其特征在于，包括外凹腔火焰稳定器（1）、径向火焰稳定器（2）、用于调节所述径向火焰稳定器（2）与所述外凹腔火焰稳定器（1）轴向相对位置的调节机构（3）以及用于限定所述调节机构（3）轴向最大行程的导向槽（4）；所述外凹腔火焰稳定器（1）包括凹腔段（11）以及沿着所述凹腔段（11）向前端水平延伸出的水平段（12），所述导向槽为设置于所述水平段（12）上的贯穿水平段厚度方向的开槽；所述水平段（12）上表面设置有下端与所述径向火焰稳定器（2）固定的调节机构（3），所述调节机构（3）一端位于所述水平段的外壁面，另一端穿过导向槽与径向火焰稳定器（2）顶端固定连接，径向火焰稳定器顶端卡在水平段的内壁；
调节机构（3）带动所述径向火焰稳定器（2）沿着轴向移动，使其以所述导向槽（4）为最大行程相对于所述水平段（12）内壁面滑动，增大或减小所述外凹腔火焰稳定器（1）与径向火焰稳定器（2）的轴向距离，实现径向火焰稳定器（2）与外凹腔火焰稳定器（1）的凹腔段（11）的轴向距离的调节。
2.根据权利要求1所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，其特征在于，所述调节机构（3）包括T型滑块（31），所述T型滑块（31）上端固定有与齿轮传动连接的齿条（32）；所述T型滑块（31）与所述导向槽（4）间隙配合，下端穿过所述导向槽（4）与所述径向火焰稳定器（2）顶端固定。
3.根据权利要求1所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，其特征在于，所述径向火焰稳定器（2）的前缘与后缘之间的轴向距离大于所述导向槽（4）的轴向长度。
4.根据权利要求2所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，其特征在于，所述T型滑块带动所述径向火焰稳定器（2）轴向移动时，所述径向火焰稳定器（2）上端面均需遮盖所述导向槽（4）。
5.根据权利要求1所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，其特征在于，所述径向火焰稳定器（2） 的横截面为V型，沿着径向火焰稳定器的前缘至后缘方向宽度逐渐增加。
6.根据权利要求1所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，其特征在于，所述径向火焰稳定器（2）的前缘具有倒圆角结构。
7.根据权利要求1所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器，其特征在于，所述径向火焰稳定器（2）具有后倾角（β）。
8.一种如权利要求1-7任一所述的可调节凹腔涡区结构的组合火焰稳定器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）燃烧室点火前，通过调节机构使径向火焰稳定器前移，增加径向火焰稳定器与外凹腔火焰稳定器间的轴向距离；
（2）值班区开始供油，高能火花放电点火，点燃值班区内的油气混气，形成值班火焰；
（3）值班区形成稳定自持火焰后，通过调节机构使径向火焰稳定器后移，逐渐减小径向火焰稳定器与外凹腔火焰稳定器间的轴向距离，增加值班区与主流间的质量交换率；
（4）主燃区开始供油，进入径向稳定器尾迹区的值班火焰逐渐点燃油气混气，形成稳定的燃烧室火焰。
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