CN110160083B - 气-气混合稳焰装置 - Google Patents
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Abstract
气‑气混合稳焰装置，涉及发动机技术领域；包括斜切式波瓣混合器和盖板；斜切式波瓣混合器为轴向两端开口的中空锥柱状结构；盖板为截面内凹的板状结构；斜切式波瓣混合器的入口端与外部涡轮的出口端连接；盖板的内凹面与斜切式波瓣混合器的出口端形状一至；盖板的内凹面对应固定安装在斜切式波瓣混合器的出口端面上；盖板的外凸面与外部燃烧室的入口端对接；盖板为花瓣式结构；包括中心板和n个波瓣；中心板为圆形板状结构；n个波瓣均匀环状分布在中心板的侧边处；n为12‑24的正整数；本发明结构简单可靠，重量轻，可以在压力损失较低(富燃燃气在混合器中总压恢复系数≮0.80)的情况下，实现内涵富燃燃气与外涵空气的高效混合燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机技术领域，特别是气-气混合稳焰装置。
背景技术
空气涡轮火箭发动机等组合动力发动机工作范围宽(Ma0～3.5+)，燃烧室入口空气和富燃燃气的流量、流速、温度、角度以及混合比等参数随发动机工况的变化而不断变化。在燃烧室内组织内涵富燃燃气与外涵空气的二次稳定高效燃烧，对于发动机性能至关重要，而提高富燃燃气与空气的混合均匀度是燃烧室实现高效率燃烧的最有效途径。常规内外涵气流混合采用波瓣式混合器，利用波瓣尾缘两股气流边界层黏性剪切强化混合。但富燃燃气在气态环境中的穿透能力有限，单纯依靠内、外涵气流速度差的黏性剪切很难实现两股气流在短距离内的高效均匀混合。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供气-气混合稳焰装置，结构简单可靠，重量轻，可以在压力损失较低(富燃燃气在混合器中总压恢复系数≮0.80)的情况下，实现内涵富燃燃气与外涵空气的高效混合燃烧。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
气-气混合稳焰装置，包括斜切式波瓣混合器和盖板；其中，斜切式波瓣混合器为轴向两端开口的中空锥柱状结构；盖板为截面内凹的板状结构；斜切式波瓣混合器的入口端与外部涡轮的出口端连接；盖板的内凹面与斜切式波瓣混合器的出口端形状一至；盖板的内凹面对应固定安装在斜切式波瓣混合器的出口端面上；盖板的外凸面与外部燃烧室的入口端对接。
在上述的气-气混合稳焰装置，所述的盖板为花瓣式结构；包括中心板和n个波瓣；中心板为圆形板状结构；n个波瓣均匀环状分布在中心板的侧边处；n为12-24的正整数。
在上述的气-气混合稳焰装置，所述斜切式波瓣混合器包括入口端座、锥柱段和n个凸起筋；其中，入口端座为环状结构；锥柱段为轴向两端开口的中空结构；锥柱段的大径端与入口端座对接；n个凸起筋沿轴向均匀环绕分布在锥柱段的外壁处；凸起筋为中空结构；且凸起筋内部与锥柱段的内部连通；凸起筋轴向远离入口端座的一端设置有开口结构；开口结构与锥柱段的小径端连通，共同组成斜切式波瓣混合器的花瓣状出口端；凸起筋轴向靠近入口端座的外壁为密封结构。.
在上述的气-气混合稳焰装置，所述中心板轴向对应固定安装在锥柱段的小径端；n个波瓣对应安装在n个凸起筋的开口结构处。
在上述的气-气混合稳焰装置，所述波瓣所在平面与中心板所在平面的夹角a为135°-160°。
在上述的气-气混合稳焰装置，所述锥柱段的侧壁、凸起筋的侧壁、中心板、和n个波瓣上均均匀对称设置有喷注孔。
在上述的气-气混合稳焰装置，所述斜切式波瓣混合器出口端中部的圆形通孔直径r为外部燃烧室直径的15％-40％。
在上述的气-气混合稳焰装置，所述斜切式波瓣混合器和盖板均采用高温合金材料；斜切式波瓣混合器的壁厚为1mm，盖板的壁厚为2mm。
在上述的气-气混合稳焰装置，所述喷注孔为圆形通孔，喷注孔直径为0.5-8mm；全部喷注孔的总面积为入口端座截面积的8％。
在上述的气-气混合稳焰装置，气-气混合稳焰装置的工作过程为：
外部涡轮作用后的富燃燃气经斜切式波瓣混合器的入口端座进入气-气混合稳焰装置；后经斜切式波瓣混合器侧壁和盖板的喷注孔二次分流至外部燃烧室的入口处；外部空气经气-气混合稳焰装置外壁与外部燃烧室入口的缝隙进入外部燃烧室；实现二次分流后的富燃燃气与空气充分掺混后进入外部燃烧室燃烧。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明在斜切式波瓣混合器内涵燃气路出口安装盖板对富燃燃气进行收集，并利用混合器本体及盖板上的喷注孔实现二次差异化分流，提高了富燃燃气在空气中的穿透能力，缩短了气流掺混距离，增强了空气-富燃燃气混合的均匀性及混合器的火焰稳定能力，能够在压力损失较低(富燃燃气在混合器中总压恢复系数≮0.80，混合器引起的空气路总压恢复系数约为0.98)的情况下，实现Ma0～3.5来流条件下组合动力发动机燃烧室空气-富燃燃气的稳定高效燃烧；
(2)本发明在混合器内涵燃气路出口安装盖板对富燃燃气进行收集，并利用混合器本体及盖板上的喷注孔实现二次差异化分流，通过调整喷注孔尺寸、位置、数量可以均衡整个燃烧室的余气系数，使得燃烧释热位置可控，既能够在混合器后方的燃烧室轴线附近形成一个低速稳焰区，实现空气和富燃燃气稳定高效燃烧，又可避免燃烧室外壁出现局部高温区，降低了燃烧室热防护难度；
(3)本发明在混合器内涵燃气路出口安装盖板增加了结构整体刚度，混合器选择相对较小的壁厚即可满足工作需求；此外，掺混、稳焰装置采用一体化设计，结构简单紧凑、可靠性高，无需在燃烧室中额外布置火焰稳定器装置，气流损失小，有利于缩短发动机长度，减轻重量。
附图说明
图1为本发明气-气混合稳焰装置轴端示意图；
图2为本发明斜切式波瓣混合器A-A方向示意图；
图3为本发明盖板示意图；
图4为本发明气-气混合稳焰装置工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种气-气混合稳焰装置，实现了进入燃烧室前的气-气混合、稳焰装置，结构简单可靠，重量轻，可以在压力损失较低(富燃燃气在混合器中总压恢复系数≮0.80)的情况下，实现内涵富燃燃气与外涵空气的高效混合燃烧，满足发动机在Ma0～3.5范围内工作要求。
如图1所示为气-气混合稳焰装置轴端示意图，由图可知，气-气混合稳焰装置，包括斜切式波瓣混合器1和盖板2；其中，斜切式波瓣混合器1为轴向两端开口的中空锥柱状结构；盖板2为截面内凹的板状结构；斜切式波瓣混合器1的入口端与外部涡轮的出口端连接；盖板2的内凹面与斜切式波瓣混合器1的出口端形状一至；盖板2的内凹面对应固定安装在斜切式波瓣混合器1的出口端面上；盖板2的外凸面与外部燃烧室的入口端对接。在斜切式波瓣混合器1内涵燃气路出口安装盖板2，在斜切式波瓣混合器1本体及盖板2上布置若干喷注孔3，利用斜切式波瓣混合器1本体与盖板2间形成的集气腔，将富燃燃气收集起来，通过斜切式波瓣混合器1本体及盖板2上的喷注孔3进行二次分流。根据外部燃烧室尺度和入口来流参数优化混合器波瓣22数目、喷注孔3大小、相对位置、方向和数目以及斜切式波瓣混合器1出口尾端截面直径等参数，在气流压力损失较低富燃燃气在混合器中总压恢复系数≮0.80的情况下，实现外涵空气与内涵富燃燃气的强化掺混及稳定高效燃烧。此外，盖板2的布置能够增加斜切式波瓣混合器1后方燃烧室轴线附近的低速回流区范围。通过调整喷注孔尺寸、位置分布及数目，可以使得低速区的余气系数在一个合理的范围内，范围为0.8～1.2；进而在斜切式波瓣混合器1后方的燃烧室轴线附近形成一个低速稳焰区，保证混气在燃烧室中的稳定燃烧。斜切式波瓣混合器1和盖板2均采用高温合金材料；斜切式波瓣混合器1的壁厚为1mm，盖板2的壁厚为2mm。
如图3所示为盖板示意图，由图可知，盖板2为花瓣式结构；包括中心板21和n个波瓣22；中心板21为圆形板状结构；n个波瓣22均匀环状分布在中心板21的侧边处；n为12-24的正整数。
如图2所示为斜切式波瓣混合器A-A方向示意图，由图可知，斜切式波瓣混合器1包括入口端座11、锥柱段12和n个凸起筋13；其中，入口端座11为环状结构；锥柱段12为轴向两端开口的中空结构；锥柱段12的大径端与入口端座11对接；n个凸起筋13沿轴向均匀环绕分布在锥柱段12的外壁处；凸起筋13为中空结构；且凸起筋13内部与锥柱段12的内部连通；凸起筋13轴向远离入口端座11的一端设置有开口结构131；开口结构131与锥柱段12的小径端连通，共同组成斜切式波瓣混合器1的花瓣状出口端；凸起筋13轴向靠近入口端座11的外壁为密封结构132。.
中心板21轴向对应固定安装在锥柱段12的小径端；n个波瓣22对应安装在n个凸起筋13的开口结构131处。所述波瓣22所在平面与中心板21所在平面的夹角a为135°-160°。
锥柱段12的侧壁、凸起筋13的侧壁、中心板21、和n个波瓣22上均均匀对称设置有喷注孔3。喷注孔3为圆形通孔，喷注孔3直径为0.5-8mm；全部喷注孔3的总面积为入口端座11截面积的8％。斜切式波瓣混合器1出口端中部的圆形通孔直径r为外部燃烧室直径的15％-40％。
如图4所示为气-气混合稳焰装置工作示意图，由图可知，气-气混合稳焰装置的工作过程为：
外部涡轮作用后的富燃燃气经斜切式波瓣混合器1的入口端座11进入气-气混合稳焰装置；后经斜切式波瓣混合器1侧壁和盖板2的喷注孔3二次分流至外部燃烧室的入口处；外部空气经气-气混合稳焰装置外壁与外部燃烧室入口的缝隙进入外部燃烧室；实现二次分流后的富燃燃气与空气充分掺混后进入外部燃烧室燃烧。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.气-气混合稳焰装置，其特征在于：包括斜切式波瓣混合器(1)和盖板(2)；其中，斜切式波瓣混合器(1)为轴向两端开口的中空锥柱状结构；盖板(2)为截面内凹的板状结构；斜切式波瓣混合器(1)的入口端与外部涡轮的出口端连接；盖板(2)的内凹面与斜切式波瓣混合器(1)的出口端形状一致；盖板(2)的内凹面对应固定安装在斜切式波瓣混合器(1)的出口端面上；盖板(2)的外凸面与外部燃烧室的入口端对接；
所述的盖板(2)为花瓣式结构；包括中心板(21)和n个波瓣(22)；中心板(21)为圆形板状结构；n个波瓣(22)均匀环状分布在中心板(21)的侧边处；n为12-24的正整数；
所述斜切式波瓣混合器(1)包括入口端座(11)、锥柱段(12)和n个凸起筋(13)；其中，入口端座(11)为环状结构；锥柱段(12)为轴向两端开口的中空结构；锥柱段(12)的大径端与入口端座(11)对接；n个凸起筋(13)沿轴向均匀环绕分布在锥柱段(12)的外壁处；凸起筋(13)为中空结构；且凸起筋(13)内部与锥柱段(12)的内部连通；凸起筋(13)轴向远离入口端座(11)的一端设置有开口结构(131)；开口结构(131)与锥柱段(12)的小径端连通，共同组成斜切式波瓣混合器(1)的花瓣状出口端；凸起筋(13)轴向靠近入口端座(11)的外壁为密封结构(132)。
2.根据权利要求1所述的气-气混合稳焰装置，其特征在于：所述中心板(21)轴向对应固定安装在锥柱段(12)的小径端；n个波瓣(22)对应安装在n个凸起筋(13)的开口结构(131)处。
3.根据权利要求2所述的气-气混合稳焰装置，其特征在于：所述波瓣(22)所在平面与中心板(21)所在平面的夹角a为135°-160°。
4.根据权利要求3所述的气-气混合稳焰装置，其特征在于：所述锥柱段(12)的侧壁、凸起筋(13)的侧壁、中心板(21)、和n个波瓣(22)上均均匀对称设置有喷注孔(3)。
5.根据权利要求4所述的气-气混合稳焰装置，其特征在于：所述斜切式波瓣混合器(1)出口端中部的圆形通孔直径r为外部燃烧室直径的15％-40％。
6.根据权利要求5所述的气-气混合稳焰装置，其特征在于：所述斜切式波瓣混合器(1)和盖板(2)均采用高温合金材料；斜切式波瓣混合器(1)的壁厚为1mm，盖板(2)的壁厚为2mm。
7.根据权利要求6所述的气-气混合稳焰装置，其特征在于：所述喷注孔(3)为圆形通孔，喷注孔(3)直径为0.5-8mm；全部喷注孔(3)的总面积为入口端座(11)截面积的8％。
8.根据权利要求7所述的气-气混合稳焰装置，其特征在于：气-气混合稳焰装置的工作过程为：
外部涡轮作用后的富燃燃气经斜切式波瓣混合器(1)的入口端座(11)进入气-气混合稳焰装置；后经斜切式波瓣混合器(1)侧壁和盖板(2)的喷注孔(3)二次分流至外部燃烧室的入口处；外部空气经气-气混合稳焰装置外壁与外部燃烧室入口的缝隙进入外部燃烧室；实现二次分流后的富燃燃气与空气充分掺混后进入外部燃烧室燃烧。
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