CN110686275A - 一种强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，应用在涡轮喷气发动机涡轮级间燃烧室及组合发动机加力燃烧室中，用以增强高速条件下的火焰稳定性，降低流动损失，提高燃料和氧化剂掺混均匀性并提高燃烧效率。本发明中，环形凹腔的前端壁面上设置非联通的扇形喷气孔，V型径向火焰稳定器的后端沿径向设置矩形喷气孔；凹腔的前端壁与V型径向稳定器的后端壁平齐；凹腔前端的燃料与扇形喷气孔后的空气掺混过程中被点燃，高温燃气回流进入凹腔。凹腔内的高温燃气径向上引燃V型径向稳定器回流区内可燃混合物，V型径向稳定器的高温燃气引燃稳定器之间的可燃混合物。在级间燃烧室中高温燃气与V型径向稳定器之间的低温燃料掺混，燃气温度逐渐降低。
Description
技术领域
本发明涉及动力装置燃烧领域，是一种加强火焰稳定性、降低流动损失、提高燃料与氧化剂掺混均匀性并提高燃烧效率的燃烧组织结构装置，具体地说涉及一种应用在涡轮喷气发动机涡轮级间燃烧室及组合发动机加力燃烧室的火焰稳定结构。
背景技术
在高速流动条件下，燃烧室内必须要采用专门装置来稳定火焰。火焰稳定装置设计的要点是构造低速的流动区域以点燃可燃混合物。在航空发动机主燃烧室中气流速度为30～60米/秒，通常采用旋流结构来稳定火焰，在加力燃烧室中，气流速度高达120～180米/秒，远高于主燃烧室，通常采用扩压器减速，并设置钝体火焰稳定器减小流动损失并稳定火焰。火焰稳定器的作用是稳定和传播火焰。
钝体火焰稳定器的稳定性与来流状态及稳定器的槽宽密切相关。来流速度越高，温度越低，则稳定火焰所需要的槽宽尺寸越大。槽宽越大，低速流动区域越大，则火焰稳定性越好。但是在相同的流动损失下，槽宽越大，则稳定器数量越少，稳定器之间的间距越大，这将导致火焰的联焰性能及燃烧效率降低，燃烧室长度增大。常规加力燃烧室中火焰稳定器的槽宽一般为40mm左右，燃烧室长度达到2倍燃烧室直径，而燃烧效率不超过0.95。在高速气流中燃烧组织的重点是在满足火焰稳定性的条件下同时满足压力损失及燃烧效率的要求。其中减小稳定器的槽宽是一个重要内容。
涡轮级间燃烧室位于高压涡轮后方，燃烧室进口为高温高速来流，气流速度高于加力燃烧室。级间燃烧室的空间尺寸较小，如采用传统、单一的大槽宽火焰稳定器来稳定和传播火焰将导致流动损失较大，燃烧效率较低的问题。同时设置在高速气流中的燃料喷射结构也将带来额外的气动损失。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足，本发明的目的是提供一种强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，采用带扇形喷气孔的环形凹腔结构及带矩形喷气孔的V型径向火焰稳定器，环形凹腔结构用来提高在燃烧室在高速来流条件下的火焰稳定性，带矩形喷气孔的V型径向火焰稳定器可降低气流的压力损失，提高燃料与空气的掺混均匀性，从而提高燃烧效率。
为实现上述技术目的，本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构主要通过以下技术方案实现：
一种强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，包括燃烧室内筒体、燃烧室外筒体、设置在所述燃烧室内筒体上的一环形凹腔、以及设置在所述燃烧室内筒体与燃烧室外筒体之间的多个V型径向火焰稳定器，其特征在于，
--所述环形凹腔为设置在所述燃烧室内筒体上的一环形内凹腔体，所述环形凹腔包括轴向前端壁、轴向后端壁和凹腔底壁，
其中，
所述轴向前端壁、轴向后端壁均与所述凹腔底壁基本呈垂直状态，且所述轴向前端壁的高度大于所述轴向后端壁的高度，所述凹腔底壁的轴向长度大于所述轴向前端壁的径向高度，使得所述环形凹腔形成一单回流区结构；
所述轴向前端壁上沿周向均匀间隔设置多个离散的扇形喷气孔，且各所述扇形喷气孔在径向上靠近所述轴向前端壁的顶端设置，所述扇形喷气孔用以向所述环形凹腔内喷射空气；
--所述多个V型径向火焰稳定器沿周向均匀设置在所述燃烧室内筒体与燃烧室外筒体之间，各所述V型径向火焰稳定器的后端壁至少基本与所述环形凹腔的轴向前端壁在轴向上保持平齐，且每一所述扇形喷气孔在周向上位于相邻两所述V型径向火焰稳定器之间；
每一所述V型径向稳定器沿其高度方向的横截面整体呈一对称的V型结构，其内部形成一中空腔体，其前部尖端部分正对燃料来流方向，其后端开口处设置一位于其中心的矩形挡板，使得所述V型径向稳定器的后端形成两对称的矩形喷气孔，其内侧的中空腔体中引入空气并由设置在其后端的两所述矩形喷气孔喷出；
--相邻两所述V型径向火焰稳定器之间的周向空间形成为燃料供应通道，燃料与所述扇形喷气孔喷射的空气在所述环形凹腔轴向前端掺混形成靠近所述环形凹腔顶部的第一可燃混合物，所述第一可燃混合物燃烧后形成第一高温燃气，在所述单回流区结构的作用下，所述第一高温燃气回流进入所述环形凹腔内，并基本沿所述环形凹腔的轴向前端壁沿径向上升，作为高温的稳定点火源将热量传递给新生成的所述第一可燃混合物以及第二可燃混合物；沿所述V型径向稳定器的侧壁流动的燃料与所述矩形喷气孔喷射的空气在所述V型径向稳定器的尾缘掺混形成所述第二可燃混合物，所述第二可燃混合物燃烧后形成第二高温燃气，所述第二高温燃气与第一高温燃气共同作为稳定的点火源，持续点燃所述V型径向稳定器下游的可燃混合物。
本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，采用大尺寸的环形凹腔结构来稳定火焰，因此可将V型径向火焰稳定器的槽宽尺寸设计为小于传统稳定器的尺寸，这有利于降低堵塞面积，从而减小流动损失。采用小槽宽的V型径向火焰稳定器来传播火焰。火焰的稳定及传播功能分离，结构上采用不同的槽宽尺寸，从而满足高速气流中稳定火焰和降低流动损失的要求。同时将喷射装置与稳定器一体化设计，从而进一步减少流动损失。本发明中的部分空气在环形凹腔前端壁的扇形喷气孔后与燃料掺混进入环形凹腔内，形成低速、可燃区域。同时在V型径向稳定器内设置径向矩形喷气孔，空气与燃料在径向稳定器尾缘掺混，然后被高温燃气引燃。燃烧后的高温燃气与径向稳定器之间的相对低温的燃料掺混降温。
此外，本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，在扇形喷气孔和/或矩形喷气孔内喷射的介质可以是燃料或空气，与进入燃烧室的空气或含燃料的气态介质掺混燃烧，本发明的燃烧室火焰稳定结构可用于宽速域、高推重比涡轮喷气发动机涡轮级间燃烧室及组合发动机加力燃烧室中。
优选地，所述V型径向火焰稳定器的数量为18～24个。
优选地，各所述扇形喷气孔的喷孔方向为轴向。
优选地，所述扇形喷气孔的数量为18～24个。
优选地，所述凹腔底壁的轴向长度与所述轴向前端壁的径向高度之比为1.5～2。
优选地，所述凹腔底壁的轴向长度约为60mm。
优选地，所述V型径向火焰稳定器的周向宽度约为15mm。
优选地，所述环形凹腔上游的所述燃烧室内筒体与所述燃烧室外筒体之间形成为扩张通道，燃料进入所述扩张通道后扩压减速。
优选地，所述环形凹腔下游的所述燃烧室内筒体与所述燃烧室外筒体之间形成为渐缩通道，高温燃气进入所述渐缩通道后增速减压。
优选地，所述环形凹腔上游的所述燃烧室内筒体的外侧形成一环形供气腔，所述环形供气腔用以向各所述扇形喷气孔以及各所述V型径向火焰稳定器的中空腔体供应空气。
优选地，所述燃烧室为涡轮喷气发动机的涡轮级间燃烧室或组合发动机的加力燃烧室。
本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构相比于现有技术具有显著的技术效果：本发明可应用在涡轮喷气发动机涡轮级间燃烧室及组合发动机加力燃烧室中，用以能够增强燃烧室在高速条件下火焰稳定性，降低流动损失，提高燃料和氧化剂掺混均匀性并提高燃烧效率。
附图说明
图1为本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构示意图；
图2为环形凹腔结构示意图；
图3为V型径向火焰稳定器结构示意图；
图4为V型径向火焰稳定器的A-A截面剖面图；
图5为V型径向火焰稳定器尾缘附近空气流动及燃气流动示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1～图5所示，本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，应用在涡轮喷气发动机涡轮级间燃烧室或组合发动机的加力燃烧室中，用以降低高速来流条件下流动损失、增强燃烧稳定性、提高燃料与氧化剂掺混均匀性并提高燃烧效率。图1中示出的是本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构应用于级间燃烧室的情形，级间燃烧室位于高、低压涡轮之间，工作介质为高温燃料。
具体而言，参照图1～图5，本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，包括燃烧室内筒体100、燃烧室外筒体200、设置在燃烧室内筒体100上的一环形凹腔300、以及设置在燃烧室内筒体100与燃烧室外筒体200之间的多个V型径向火焰稳定器400。环形凹腔300为设置在燃烧室内筒体100上的一环形内凹腔体，环形凹腔300包括轴向前端壁301、轴向后端壁302和凹腔底壁303，其中，轴向前端壁301、轴向后端壁302均与凹腔底壁303基本呈垂直状态，且轴向前端壁301的高度大于轴向后端壁302的高度，凹腔底壁303的轴向长度大于轴向前端壁301的径向高度，使得环形凹腔300形成一单回流区结构；轴向前端壁301上沿周向均匀间隔设置多个离散的扇形喷气孔304，且各扇形喷气孔304在径向上靠近轴向前端壁301的顶端设置，扇形喷气孔304用以向环形凹腔300内喷射空气。多个V型径向火焰稳定器400沿周向均匀设置在燃烧室内筒体100与燃烧室外筒体200之间，各V型径向火焰稳定器400的后端壁至少基本与环形凹腔300的轴向前端壁301在轴向上保持平齐，且每一扇形喷气孔304在周向上位于相邻两V型径向火焰稳定器400之间；每一V型径向稳定器400沿其高度方向的横截面整体呈一对称的V型结构，其内部形成一中空腔体402，其前部尖端部分正对燃料来流方向，其后端开口处设置一位于其中心的矩形挡板403，使得V型径向稳定器400的后端形成两对称的矩形喷气孔404，其内侧的中空腔体402中引入空气并由设置在其后端的两矩形喷气孔404喷出。
相邻两V型径向火焰稳定器400之间的周向空间形成为燃料供应通道，燃料1流动方向为从涡轮出口进入燃烧室，空气2从环形供气腔500及扇形喷气孔304进入环形凹腔300，空气6从环形供气腔500及矩形喷气孔404进入V型径向火焰稳定器。燃料与空气掺混燃烧后产生高温燃气经燃烧室出口5排出燃烧室。
如图2所示，燃料1进入级间燃烧室后，在环形凹腔300上游的燃烧室内筒体100与燃烧室外筒体200之间形成的扩张通道内扩压减速。空气2与燃料1在环形凹腔300的轴向前端掺混形成第一可燃混合物3。燃烧室点火后第一可燃混合物3燃烧生成第一高温燃气4，在单回流区结构的作用下，第一高温燃气4回流进入环形凹腔300内，并基本沿环形凹腔300的轴向前端壁301沿径向上升，作为高温的稳定点火源将热量传递给新生产的可燃混合物，可燃混合物着火燃烧和形成高温燃气。环形凹腔300内形成稳定、持续的点火源。
如图3～图5所示，空气6经V型径向火焰稳定器400的矩形喷气孔404喷入燃烧室，与流经V型径向火焰稳定器400的侧壁401的燃料1，在V型径向稳定器400的尾缘掺混后形成第二可燃混合物7。环形凹腔300内形成的第一高温燃气4向上流动，将传递给第二可燃混合物7，第二可燃混合物7着火燃烧和形成第二高温燃气8。第一高温燃气4和第二高温燃气8作为稳定的点火源，持续点燃径向稳定器后方的可燃混合物。V型径向火焰稳定器400的作用主要用于燃料1和空气6的掺混，第一高温燃气4是稳定的点火源，因此V型径向火焰稳定器400的槽宽尺寸小于传统稳定器的尺寸，这有利于降低堵塞面积，从而减小流动损失。V型径向火焰稳定器的数量增多，将降低径向稳定器之间的距离，从而增强燃料1和空气6的快速掺混燃烧、从而缩短燃烧室的长度。第一高温燃气4和第二高温燃气8向后流动过程中，与剩余的温度更低的燃料掺混，燃烧室出口燃气温度及环形凹腔300及燃烧室外筒体200附近的燃气温度降低。
本发明的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，采用大尺寸的环形凹腔结构来稳定火焰，因此可将V型径向火焰稳定器的槽宽尺寸设计为小于传统稳定器的尺寸，这有利于降低堵塞面积，从而减小流动损失。采用小槽宽的V型径向火焰稳定器来传播火焰。火焰的稳定及传播功能分离，结构上采用不同的槽宽尺寸，从而满足高速气流中稳定火焰和降低流动损失的要求。同时将喷射装置与稳定器一体化设计，从而进一步减少流动损失。本发明中的部分空气在环形凹腔前端壁的扇形喷气孔后与燃料掺混进入环形凹腔内，形成低速、可燃区域。同时在V型径向稳定器内设置径向矩形喷气孔，空气与燃料在径向稳定器尾缘掺混，然后被高温燃气引燃。燃烧后的高温燃气与径向稳定器之间的相对低温的燃料掺混降温。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，包括燃烧室内筒体、燃烧室外筒体、设置在所述燃烧室内筒体上的一环形凹腔、以及设置在所述燃烧室内筒体与燃烧室外筒体之间的多个V型径向火焰稳定器，其特征在于，
--所述环形凹腔为设置在所述燃烧室内筒体上的一环形内凹腔体，所述环形凹腔包括轴向前端壁、轴向后端壁和凹腔底壁，
其中，
所述轴向前端壁、轴向后端壁均与所述凹腔底壁基本呈垂直状态，且所述轴向前端壁的高度大于所述轴向后端壁的高度，所述凹腔底壁的轴向长度大于所述轴向前端壁的径向高度，使得所述环形凹腔形成一单回流区结构；
所述轴向前端壁上沿周向均匀间隔设置多个离散的扇形喷气孔，且各所述扇形喷气孔在径向上靠近所述轴向前端壁的顶端设置，所述扇形喷气孔用以向所述环形凹腔内喷射空气；
--所述多个V型径向火焰稳定器沿周向均匀设置在所述燃烧室内筒体与燃烧室外筒体之间，各所述V型径向火焰稳定器的后端壁至少基本与所述环形凹腔的轴向前端壁在轴向上保持平齐，且每一所述扇形喷气孔在周向上位于相邻两所述V型径向火焰稳定器之间；
每一所述V型径向稳定器沿其高度方向的横截面整体呈一对称的V型结构，其内部形成一中空腔体，其前部尖端部分正对燃料来流方向，其后端开口处设置一位于其中心的矩形挡板，使得所述V型径向稳定器的后端形成两对称的矩形喷气孔，其内侧的中空腔体中引入空气并由设置在其后端的两所述矩形喷气孔喷出；
--相邻两所述V型径向火焰稳定器之间的周向空间形成为燃料供应通道，燃料与所述扇形喷气孔喷射的空气在所述环形凹腔轴向前端掺混形成靠近所述环形凹腔顶部的第一可燃混合物，所述第一可燃混合物燃烧后形成第一高温燃气，在所述单回流区结构的作用下，所述第一高温燃气回流进入所述环形凹腔内，并基本沿所述环形凹腔的轴向前端壁沿径向上升，作为高温的稳定点火源将热量传递给新生成的所述第一可燃混合物以及第二可燃混合物；沿所述V型径向稳定器的侧壁流动的燃料与所述矩形喷气孔喷射的空气在所述V型径向稳定器的尾缘掺混形成所述第二可燃混合物，所述第二可燃混合物燃烧后形成第二高温燃气，所述第二高温燃气与第一高温燃气共同作为稳定的点火源，持续点燃所述V型径向稳定器下游的可燃混合物。
2.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述V型径向火焰稳定器的数量为18～24个。
3.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，各所述扇形喷气孔的喷孔方向为轴向。
4.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述扇形喷气孔的数量为18～24个。
5.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述凹腔底壁的轴向长度与所述轴向前端壁的径向高度之比为1.5～2。
6.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述凹腔底壁的轴向长度约为60mm。
7.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述V型径向火焰稳定器的周向宽度约为15mm。
8.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述环形凹腔上游的所述燃烧室内筒体与所述燃烧室外筒体之间形成为扩张通道，燃料进入所述扩张通道后扩压减速。
9.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述环形凹腔下游的所述燃烧室内筒体与所述燃烧室外筒体之间形成为渐缩通道，高温燃气进入所述渐缩通道后增速减压。
10.根据上述权利要求所述的强化掺混与火焰传播的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述环形凹腔上游的所述燃烧室内筒体的外侧形成一环形供气腔，所述环形供气腔用以向各所述扇形喷气孔以及各所述V型径向火焰稳定器的中空腔体供应空气。
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