CN110748918A - 一种适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，包括火焰稳定器、设置于所述火焰稳定器前端用于向所述火焰稳定器送入气流的进气管以及与所述进气管连通的供油系统；所述供油系统包括用于燃油预热的第一供油管道、与所述第一供油管道连通的位于所述火焰稳定器腔体内的第二供油管道以及与所述第二供油管道连通的出油管道，所述出油管道的出口与所述进气管连通。本发明通过火焰稳定器内部燃烧反应回热对航空燃油预热、强化液体燃油的雾化及蒸发，从而改善燃烧室在低温低压等极端条件下的点火及火焰稳定性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种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涵道燃烧室的火焰稳定器，特别涉及一种适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器。
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、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。
随着现代高性能加力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，通常在燃烧室内采用值班火焰稳定器进行软点火。其中蒸发式火焰稳定器以其优越的贫油熄火性能和点火性能在俄罗斯的AL31-F发动机加力燃烧室和英国的斯贝发动机加力燃烧室的工程应用中取得了成功，利用蒸发管稳定器较宽的贫油点、熄火性能满足小加力比下的发动机推进性能。
但是将以加力燃烧室为背景设计的蒸发式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。尤其是在高空低压的条件下，航空煤油蒸发速率过低且燃烧化学反应速率较慢，多模态燃烧室内的可靠点火和火焰稳定更是一大技术难点。因此蒸发式火焰稳定器需要在低温低压的极端条件下使航空煤油能够较好地雾化及蒸发，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：为了解决多模态燃烧室工作范围宽，在低温低压等极端条件下燃烧室存在点火和火焰稳定的困难的问题，本发明提供一种适用于低温低压条件的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，通过外部热源和稳定器燃烧回热对航空煤油进行预热，利用航空煤油中低沸点成分在低压环境中的闪急沸腾强化煤油的雾化和蒸发性能。
技术方案：本发明所述的一种适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，包括火焰稳定器、设置于所述火焰稳定器前端用于向所述火焰稳定器送入气流的进气管以及与所述进气管连通的供油系统；
所述供油系统包括用于燃油预热的第一供油管道、与所述第一供油管道连通的位于所述火焰稳定器腔体内的第二供油管道以及与所述第二供油管道连通的出油管道，所述出油管道的出口与所述进气管连通。
所述出油管道的出口与所述进气管之间设置有闪急沸腾喷嘴，所述闪急沸腾喷嘴包括用于燃油进入的第一喷孔、送出燃油的第二喷口以及闪急沸腾腔。
所述第一喷孔的孔径小于第二喷口的孔径。
所述火焰稳定器包括蒸发腔以及通过若干通孔与所述蒸发腔连通的值班火焰腔，所述进气管与所述蒸发腔连通。
所述火焰稳定器通过隔板将蒸发腔与值班火焰腔分隔。
所述第一供油管道的外周套设有加热元件。
所述第二供油管道包括沿着隔板边缘铺设的周向供油管以及与所述周向供油管出口连通的位于蒸发腔内的轴向供油管。
所述周向供油管为与隔板边缘以及值班火焰腔内壁贴合的扇形管道。
有益效果：(1)本发明针对低温低压的情况，设置了两级燃油预热管道，一是通过外部加热元件对进入管道的燃油预热，二是利用燃烧反应回热对航空煤油预热，降低外部热源供应量；(2)本发明针对低压条件具有相比常压或高压条件更低的闪急沸腾加温需求，利用闪急沸腾强化液体煤油的雾化及蒸发，改善燃烧室在低温低压等极端条件下的点火及火焰稳定性能；(3)本发明采用闪急沸腾腔使气泡回流增加闪急沸腾时间，从而改善喷嘴出口粒径大小和分布及气相比例。
附图说明
图1为本发明闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器的三维模型图；
图2为本发明供油系统结构示意图；
图3为本发明蒸发腔火焰稳定器的剖面图
图4为本发明闪急沸腾喷嘴的剖面图；
图5为采用Fluent软件计算得到的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器内的流线分布。
具体实施方式
实施例：如图1所示，本实施例中提供了一种适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，包括火焰稳定器1、设置于火焰稳定器1前端用于向火焰稳定器1送入气流的进气管2、与进气管2连通的供油系统3以及设置于进气管2与供油系统之间的闪急沸腾喷嘴4。
本实施例中的火焰稳定器1为V型火焰稳定器，V型火焰稳定器的外壳为现有结构，如图2所示，该机构具有一个前端面101，以及沿着轴向延伸，相互之前逐渐远离的第一壳体102以及第二壳体103，组成了整体呈近似V型的火焰稳定器1的外壳。
进气管2固定在V型火焰稳定器1的前端面101上，闪急沸腾喷嘴4的出口与进气管2固定，闪急沸腾喷嘴4的进口与供油系统3的出口固定。
如图3所示，本实施例中的轴向为X轴延伸的方向，该方向为通常所述的火焰稳定器前端至后端的方向，与空气进入的方向一致；径向为Y轴延伸的方向。火焰稳定器1的腔体包括蒸发腔11以及通过若干通孔12作为出气孔与蒸发腔11连通的值班火焰腔13，进气管2与蒸发腔11连通，本实施例中，火焰稳定器1通过隔板14将蒸发腔11与值班火焰腔13分隔。
火焰稳定器1的前端面101上还设置有一个用于安装进气管2的进气孔104，该进气孔与进气管同心等径，若干通孔12在隔板14上横向均布，作为一种优选的结构，本实施例中在隔板14上设置了两排横向分布的通孔12，径向布置在火焰稳定器1中心线S两侧，每排通孔12距离中心线S的距离为隔板径向高度的1/6，通孔12与水平面的角度与火焰稳定器1外壳的半锥角相同，即位于中心线S上方的靠近第一壳体102的通孔的轴向延伸角度与第一壳体102的轴向延伸角度相同，位于中心线S下方靠近第二壳体103的通孔的轴向延伸角度与第二壳体103的延伸角度相同；通孔12的总孔面积与进气孔104的孔面积比为1.25-1.75。
如图2所示，本实施例中的供油系统3包括用于燃油预热的第一供油管道31、与第一供油管道31连通的位于火焰稳定器1腔体内的第二供油管道32以及与第二供油管道32连通的出油管道33，出油管道33的出口与进气管2连通。
第一供油管道31位于火焰稳定器1的腔体外，第一供油管道31的进口与供油装置连通，第一供油管道31的出口设置于火焰稳定器1的外壳体上，将经过预热的燃油送入位于火焰稳定器1的值班火焰腔13内的第二供油管道3；第一供油管道31外周套设有加热元件311，加热元件311用于给燃油加温，本实施例中给出的加热元件311为紧密缠绕在第一供油管道31外侧的高热流量电阻丝，但其他类似但不局限于加热棒等加热装置也能达到相同效果，为本发明的加热元件311的等同置换。
第二供油管道32位于火焰稳定器1的腔体内，是为了实现燃油的进一步预热，本实施例中提供了第二供油管道32在其火焰稳定器1的腔体内的一种优选的分布方式，具体为：第二供油管道32设置有周向供油管321以及轴向供油管322，周向供油管321在位于值班火焰腔13的隔板14边缘铺设，形成一侧边不闭合的周向管道，即在本实施例中周向供油管321沿着隔板14的任意三条边布置，随后周向管道的出口位于蒸发腔11内的轴向供油管322的进口连通，轴向供油管322在蒸发腔内延伸至前端板101，与固定于前端板101上的出油管道33连通。
周向供油管321的两个底面与隔板14边缘以及值班火焰腔13内壁贴合，轴向供油管322的两个底面位于火焰稳定器1蒸发腔11的两个相接的内壁贴合，故本实施例中，周向供油管321以及轴向供油管322的流通截面均为扇形，与V型火焰稳定器1内壁面形成向匹配。燃油从第一供油管道31进入依次流经第二供油管道32的周向供油管321、轴向供油管322后，通过出油管道33供入闪急沸腾喷嘴4。预热燃油回路的流通面积及流通长度根据航空煤油所需预热温度决定。
如图4所示，本实施例在出油管道33的出口与进气管2之间设置有闪急沸腾喷嘴4，闪急沸腾喷嘴4包括一个圆柱形闪急沸腾腔43，闪急沸腾喷嘴4与出油管道33的连接处设置有一个第一喷孔41用于燃油进入，在与进气管2连接处设置有一个第二喷口42用于燃油送出，从第一喷孔41送入的燃油进入闪急沸腾腔43后由第二喷口42送出，第一喷孔41的孔径小于第二喷口42的孔径。高温燃油自出油管道33通过第一喷孔41喷入闪急沸腾腔43，由于燃油所处环境压力骤降至饱和压力以下，低沸点成分闪蒸形成气泡，促使煤油发生闪急沸腾，强化雾化及蒸发效果，一种优选地比例为第一喷孔41与第二喷口42的直径比为0.6-0.75；闪急沸腾腔43的长径比为2-4。
本实施例中的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器的工作流程为：
燃油从第一供油管道31进入依次流经第二供油管道32的周向供油管321、轴向供油管322后，通过出油管道33供入闪急沸腾喷嘴4。在燃烧室点火之前，由于燃油无法从高温燃气中吸收热量，故需要通过加热元件311对燃油进行加温使其达到闪急沸腾腔43压力所对应的泡点温度；而当燃烧室稳定工作后，燃油可从高温燃烧回热中吸收热量，此时可关闭加热元件311或调小其功率。燃油预热完成后，高温燃油自出油管道33通过第一喷孔41喷入闪急沸腾腔43，由于燃油所处环境压力骤降至饱和压力以下，低沸点成分闪蒸形成气泡，促使煤油发生闪急沸腾；同时闪急沸腾腔43与第一喷孔41和大第二喷口42形成的突扩流道使得气泡能在闪急沸腾腔43内回流增加气泡的停留时间，进一步改善闪急沸腾的效果，使得喷入进气管2中的燃料具有更低的平均粒径和更高的气相比例。燃料喷入进气管2后在气动力作用下在蒸发腔11中进一步雾化、蒸发、混合后，通过通孔12供入值班火焰区13中进行燃烧。
应用例：图5是采用Fluent软件计算得到的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器内的流线分布，来流速度为100m/s，来流温度为320K。从图中可以看到，燃烧室进口主流在出气孔截面和出气孔中间截面的流动形式相似，均在蒸发腔火焰稳定器后形成一对大回流区结构。但从进气管流入的气流在出气孔截面和出气孔中间截面上存在较大差异：出气孔截面处值班火焰区内形成了两对流向涡结构，用于实现点火和火焰稳定，而出气孔中间截面不对称的涡系结构则有助于强化横向传热传质，提高蒸发腔火焰稳定器内的局部燃烧效率。
本发明通过火焰稳定器内部燃烧反应回热对航空燃油预热、强化液体燃油的雾化及蒸发，从而改善燃烧室在低温低压等极端条件下的点火及火焰稳定性能。
Claims (8)
1.一种适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，其特征在于，包括火焰稳定器(1)、设置于所述火焰稳定器(1)前端用于向所述火焰稳定器(1)送入气流的进气管(2)以及与所述进气管(2)连通的供油系统(3)；
所述供油系统(3)包括用于燃油预热的第一供油管道(31)、与所述第一供油管道连通的位于所述火焰稳定器(1)腔体内的第二供油管道(32)以及与所述第二供油管道(32)连通的出油管道(33)，所述出油管道(33)的出口与所述进气管(2)连通。
2.根据权利要求1所述的适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，其特征在于，所述出油管道(33)的出口与所述进气管(2)之间设置有闪急沸腾喷嘴(4)，所述闪急沸腾喷嘴(4)包括用于燃油进入的第一喷孔(41)、送出燃油的第二喷口(42)以及闪急沸腾腔(43)。
3.根据权利要求2所述的适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，其特征在于，所述第一喷孔(41)的孔径小于第二喷口(42)的孔径。
4.根据权利要求1所述的适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，其特征在于，所述火焰稳定器(1)包括蒸发腔(11)以及通过若干通孔(12)与所述蒸发腔(11)连通的值班火焰腔(13)，所述进气管(2)与所述蒸发腔(11)连通。
5.根据权利要求4所述的适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，其特征在于，所述火焰稳定器(1)通过隔板(14)将蒸发腔(11)与值班火焰腔(13)分隔。
6.根据权利要求1所述的适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，其特征在于，所述第一供油管道(31)的外周套设有加热元件(311)。
7.根据权利要求5所述的适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，其特征在于，所述第二供油管道(32)包括沿着隔板(14)边缘铺设的周向供油管(321)以及与所述周向供油管(321)出口连通的位于蒸发腔(11)内的轴向供油管(322)。
8.根据权利要求7所述的适用于低温低压的闪急沸腾式蒸发腔火焰稳定器，其特征在于，所述周向供油管为与隔板边缘以及值班火焰腔(13)内壁贴合的扇形管道。
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