CN110762554B - 一种燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器，包括凹腔火焰稳定器，凹腔火焰稳定器的后壁后端水平延伸有防护板，所述防护板上方设置有蒸发式供油机构，所述蒸发式供油机构具有一个与喷油装置连通的蒸发腔，所述蒸发式供油机构与所述后壁之间形成用于外涵道气流引入的第一流道，所述蒸发式供油机构与防护板之间形成与所述第一流道连通的第二流道。本发明利用燃气回流对液态煤油预热的方式加速煤油的雾化、蒸发及与空气的混合，改善凹腔火焰稳定器的点火性能和火焰稳定能力，解决现有凹腔火焰稳定器在低温和高速气流下的贫油点火和稳定燃烧性能不足的问题。
Description
技术领域
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中的火焰稳定器，特别涉及一种燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器。
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超级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。
随着现代高性能燃烧室内气流速度的提高和来流温度的降低，为了保证燃烧室可靠的点火性能并降低火焰稳定器带来的流动损失，通常在燃烧室外环采用值班火焰稳定器进行软点火。凹腔火焰稳定器具有阻力损失低、稳焰性能好和能增强主流混合等优势，是宽范围来流条件下极具潜力的火焰稳定器。
在以液态煤油为燃料的亚燃凹腔火焰稳定器内，为了提高燃烧室的点火性能，希望煤油在凹腔火焰稳定器内快速雾化、蒸发并与空气混合。直接在凹腔火焰稳定器壁面上采用直射式喷嘴供油时，由于其较差的雾化性能，燃油易直接喷离值班区、区内气相燃油浓度低而点火失败，或液滴在稳定器壁面附着形成积碳而不利于燃烧和热防护；而凹腔火焰稳定器较小的深度，也不适用于具有较大雾化锥角的离心喷嘴。因此，需要对以液态煤油为燃料的凹腔火焰稳定器的供油方案进行优化设计，使其具有更宽广的贫油点火和火焰稳定性能才能满足现代高性能发动机燃烧室在来流条件变化大时的使用需求。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器。
技术方案：本发明所述的一种燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器，包括凹腔火焰稳定器，所述凹腔火焰稳定器具有凹腔以及围成所述凹腔的前壁、主板和后壁，所述后壁后端水平延伸有防护板，所述防护板上方设置有蒸发式供油机构，所述蒸发式供油机构具有一个与喷油装置连通的蒸发腔，所述蒸发式供油机构与所述后壁之间形成用于外涵道气流引入的第一流道，所述蒸发式供油机构与防护板之间形成与所述第一流道连通的第二流道，所述第一流道和/或第二流道设置有气流出口；所述凹腔与所述蒸发腔之间设置有用于将凹腔内燃气送入蒸发腔的若干第三流道以及用于将蒸发腔内的预混油气送出的若干第四流道。
所述蒸发式供油机构包括倾斜向下延伸的与所述后壁之间形成第一流道的第一壁板、设置与所述第一壁板后端的与所述防护板之间形成第二流道的第二壁板以及自所述第一壁板前端延伸至所述防护板后端的第三壁板，所述第一壁板与第二壁板之间通过第三壁板密封形成蒸发腔。
所述第一壁板与所述后壁平行设置，所述第二壁板与所述防护板平行设置。
若干所述第三流道以及若干所述第四流道沿着横向分布；所述第四流道位于所述第三流道上方。
所述第三流道与第四流道沿着横向方向交错分布。
所述凹腔火焰稳定器前端设置有水平延伸的前涵道分流板。
所述防护板后端设置有水平延伸的后涵道分流板。
有益效果：(1)本发明通过蒸发式供油机构以及与凹腔之间形成的流道，采用燃气自循环预热煤油的方式，加速液态煤油的雾化、蒸发，改善燃烧室的点火及火焰稳定性能；(2)本发明通过蒸发式供油机构以及与凹腔之间形成的流道，使得燃气自循环，不需要从外涵道引气，降低了内外涵之间流道设计的复杂度，且外涵道因无需向内涵供气而具有更高的冷气量对热端部件进行热防护；(3)本发明将蒸发式供油机构紧邻凹腔设置，使得油气预混气从凹腔后壁面顺流线喷入，燃料能顺流线到达任意点火位置，拓宽点火电嘴的布置范围；(4)本发明的蒸发式供油机构中的蒸发腔结构使得外涵气流自凹腔主板流经凹腔后壁时的气流扩张角减小，避免气流发生流动分离，从而降低燃烧室的流动损失；(5)本发明的蒸发腔外围的壳体形成稳定的三角形结构，对凹腔火焰稳定器起加强筋作用，能强化热端部件的结构可靠性。
附图说明
图1为本发明燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器的三维模型图；
图2为本发明蒸发式供油机构的结构示意图；
图3为燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器的俯视图；
图4为本发明在第三流道截面和第四流道中间截面处的流动示意图；
图5为本发明在第四流道截面和第三流道中间截面处的流动示意图；
图6为采用Fluent软件计算得到的燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器内的流线分布。
具体实施方式
实施例1：本实施例中提供了一种燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器，蒸发式凹腔火焰稳定器包括一个凹腔火焰稳定器1，本实施例中的凹腔火焰稳定器1具有一个凹腔101，围成凹腔101的前壁102、主板103和后壁104结构、相互之间的连接关系和位置关系为已有结构。
蒸发式凹腔火焰稳定器的结构如图1所示，本实施例中描述的轴向为X轴方向，X轴延伸方向也为蒸发式凹腔火焰稳定器的前端至后端方向，轴向也为从燃烧室进口流入的气流的流向；Y轴的方向为本实施例中描述的横向；Z轴的方向为本实施例中描述的径向，Z轴的方向也为本实施例中描述的下端或底端至上端的方向，本实施例中描述的水平延伸为X-Y轴形成的平面平行方向为水平方向。
从图1中可以看出，本实施例在凹腔火焰稳定器1的后壁104为从主板103的后端倾斜向下延伸的斜板形成，后壁104后端水平延伸有防护板2，凹腔火焰稳定器1前端设置有水平延伸的前涵道分流板8，防护板2后端设置有水平延伸的后涵道分流板9。
蒸发式供油机构3设置于防护板2上方，蒸发式供油机构3前端向着后壁104方向倾斜，使得蒸发式供油机构3与后壁104形成一个狭缝通道作为第一流道4，位于外涵道内的气流可以通过该狭缝通道流入第一流道4，本实施例中该第一流道4的延伸方向与后壁104的延伸方向相同。
蒸发式供油机构3与防护板2形成一个与第一流道4连通的第二流道5，第二流道 5使得蒸发式供油机构3与防护板2之间分离，形成一个气腔，在第一流道4或者第二流道5设置有气流出口，如该气流出口可以为在后壁104以及防护板2上设置的均匀分布的若干气膜冷却孔，进入第一流道4以及第二流道5内的气流通过设置于后壁104以及防护板2上的气膜冷却孔排出。
为了实现燃气循环，蒸发式供油机构3具有一个与喷油装置10连通的蒸发腔301，凹腔101与蒸发腔301之间设置有用于将凹腔101内气流送入蒸发腔301的若干第三流道6，同时凹腔101与蒸发腔301之间设置有用于将蒸发腔301内的预混油气送出的若干第四流道7。
蒸发式供油机构3的一种可选结构如图3所示，防护板2上方设置有蒸发式供油机构3，蒸发式供油机构3由倾斜向下延伸的与后壁104之间形成第一流道4的第一壁板 302、设置与第一壁板302后端的与防护板2之间形成第二流道5的第二壁板303以及第三壁板304组成。
第一壁板302与后壁104平行，在平行的后壁104与第一壁板302之间形成了第一流道4；第二壁板303与防护板2平行设置，在平行的第二壁板303与防护板2之间形成了第二流道5；自第一壁板302前端倾斜向下延伸的第三壁板304，第三壁板304与第一壁板302以及第二壁板303之间围成了蒸发腔301；第三壁板304与第一壁板302 之间设置有一段水平延伸的连接板305用于与固定杆306连接，第三壁板304斜向下延伸至与防护板2后端相接，凹腔火焰稳定器1的后壁104和防护板2上布置有气膜冷却孔对后壁104和防护板2进行热防护。
本实施例中的若干第三流道6以及若干第四流道7均沿着横向分布，第三壁板303与第一壁板302前端相接的一端为第一端310，第三壁板303与防护板2后端相接的一端为第二端320，第四流道7与第三流道6自第一端310至第二端320方向分布，即相对于第三流道6，第四流道7更靠近于第一端310设置，在横向方向上，第三流道与第四流道沿着交错分布，使得气流自第四流道7中间流入，降低从第四流道7绕流的阻力损失。
本发明设置的第三流道6与第四流道7均与凹腔火焰稳定器1的凹腔101联通构成流通区域，使得燃气能从第三流道6流入蒸发腔301中与从喷油装置10喷入的燃油雾化、蒸发后形成的气相燃料预混后从第四流道7供入凹腔101回流区内。
本发明通过在后壁104与第一壁板302之间形成的第一流道4以及在防护板2与第二壁板303之间形成的第二流道5组成了热防护机构，在第一流道4的进气口处设置有若干横向间隔分布的固定杆306，将第一流道4的进气口分隔成若干个矩形通孔，形成了进气网，固定杆306前端与凹腔底壁12连接，固定杆306后端与蒸发式供油机构3 连接。外涵气流经第一流道4和第二流道5后通过若干按热防护要求排布的气膜冷却孔流入内涵后对热端部件的内壁面进行气膜冷却。
如图2所示，为了降低燃气流入蒸发式供油机构3的流动损失，第三流道6优选的结构为细长形通道作为进气狭缝，该细长通道在后壁或者第一壁板上的开口为矩形，该矩形的长边横向延伸，进气狭缝在后壁104上的轴向位置优选为距后壁104后端1/3处，如图3所示，作为第三流道6的进气狭缝距离后壁104后端的轴向距离S为后壁104轴向距离的三分之一，与本实施例凹腔(长深比5，后缘角30°)气流与凹腔的后壁104 的撞击点相匹配；进气狭缝内气流流动方向优选为10-20°，即第三流道6与X-Y轴平面形成的角度优选为10-20°，与气流撞击后壁104时的速度方向匹配。而为了防止火焰传入蒸发腔301，进气狭缝的宽度(自第一端310至第二端320方向)优选为1-3mm，使火焰在进入进气狭缝时发生淬熄，而进气狭缝的长度根据第四流道7在第一壁板上的开孔总面积确定，使得第四流道7在第一壁板302的开口总面积与进气狭缝在第一壁板302 的开口总面积的比值在1.25-1.75。
图3是本实施例中燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器顶视图，为了保证凹腔回流区内油气分布的均匀性，从图中可以看出，第三流道6和第四流道7均沿横向均布；同时第三流道6和第四流道7交错布置，以增加燃气在蒸发腔301内的停留时间。
本实施例中为蒸发腔301供油的喷油装置10采用现有结构的离心喷嘴，使得自离心喷嘴喷出的燃油具有较小的粒径，从而在高温燃气中快速蒸发。
本发明燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器的工作流程为：
如图4是本发明的蒸发式凹腔火焰稳定器在第三流道6截面和第四流道7中间截面处的流动示意图，图5为本装置在第四流道7截面和第三流道6中间截面处的流动示意图，从图中可以看出，内涵气流和外涵气流分别从前涵道分流板8的内侧和外侧流入燃烧室，其中内涵气流在流经凹腔前缘时会在凹腔内形成低速回流区，并在凹腔与主流之间形成剪切层，而由于凹腔的卷吸作用，剪切层会向凹腔内偏转。本发明采用的凹腔火焰稳定器为开式凹腔结构，剪切层会撞击在凹腔的后壁104上，故部分气流将从开设在撞击点附近的进气狭缝流入蒸发腔301。从离心喷嘴10喷入蒸发腔301的燃油在燃气气动力作用和预热作用下迅速雾化、蒸发并与燃气混合后经第四流道7供入凹腔回流区。由于预混气的流动方向与凹腔回流区的运动方向相同，故燃料可以扩散至凹腔任意区域从而扩大点火电嘴的布置范围。而外涵气流流经凹腔主板103后端时，部分冷气将在压差作用下流入第一流道4对热端部件外壁面进行冷却后经凹腔后壁及防护板上的气膜冷却孔流入内涵对热端部件的内壁面进行气膜冷却，保证热端部件的结构可靠性。剩余的外涵气流流经蒸发腔、后涵道分流板外壁面后与内涵气流混合。
应用例：图6是采用Fluent软件计算得到的燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器内的流线分布，来流速度为100m/s，来流温度为600K。从图6中可以看到，第四流道7中间截面处剪切层流体在第三流道6附近撞击凹腔后壁面后流入蒸发腔301，而第四流道7截面则显示进入蒸发腔的流体通过第三流道6流出汇入凹腔回流区，但由于从第三流道6流出流体的挤压作用，第三流道6截面处的凹腔回流区涡心相比第三流道6 中间截面有所前移，但该变化率并不明显。
本发明蒸发式凹腔火焰稳定器实现了燃气自循环，不需要从外涵道引气，降低了内外涵之间流道结构的复杂度，加速液态煤油的雾化、蒸发，改善燃烧室的点火及火焰稳定性能，解决了亚燃凹腔火焰稳定器的凹腔火焰稳定器深度较小，不利于布置雾化性能较好的离心喷嘴和气动雾化喷嘴，采用的直射式供油方案易带来燃油雾化效果差、燃油喷离值班区或附着壁面等问题，燃烧室进口来流工况范围变宽，来流温度更低、速度更大燃烧室的贫油点火和火焰稳定性能很难满足宽飞行包线工作要求。
Claims (5)
1.一种燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器，包括凹腔火焰稳定器（1），所述凹腔火焰稳定器具有凹腔（101）以及围成所述凹腔（101）的前壁（102）、主板（103）和后壁（104），其特征在于，所述后壁（104）后端水平延伸有防护板（2），所述防护板（2）上方设置有蒸发式供油机构（3），所述蒸发式供油机构（3）具有一个与喷油装置连通的蒸发腔（301），所述蒸发式供油机构（3）与所述后壁（104）之间形成用于外涵道气流引入的第一流道（4），所述蒸发式供油机构（3）与防护板（2）之间形成与所述第一流道（4）连通的第二流道（5），所述第一流道和/或第二流道设置有气流出口；所述凹腔（101）与所述蒸发腔（301）之间设置有用于将凹腔（101）内燃气送入蒸发腔（301）的若干第三流道（6）以及用于将蒸发腔（301）内的预混油气送出的若干第四流道（7）；
所述蒸发式供油机构（3）包括倾斜向下延伸的与所述后壁（104）之间形成第一流道（4）的第一壁板（302）、设置与所述第一壁板（302）后端的与所述防护板（2）之间形成第二流道（5）的第二壁板（303）以及自所述第一壁板前端延伸至所述防护板（2）后端的第三壁板（304），所述第一壁板（302）与第二壁板（303）之间通过第三壁板（304）密封形成蒸发腔（301）；若干所述第三流道（6）以及若干所述第四流道（7）沿着横向分布；所述第四流道位于所述第三流道上方。
2.根据权利要求1所述的燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器，其特征在于，所述第一壁板（302）与所述后壁（104）平行设置，所述第二壁板（303）与所述防护板（2）平行设置。
3.根据权利要求1所述的燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器，其特征在于，所述第三流道与第四流道沿着横向方向交错分布。
4.根据权利要求1所述的燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器，其特征在于，所述凹腔火焰稳定器（1）前端设置有水平延伸的前涵道分流板（8）。
5.根据权利要求1所述的燃气自循环预热的蒸发式凹腔火焰稳定器，其特征在于，所述防护板（2）后端设置有水平延伸的后涵道分流板（9）。
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- 2019-10-24 CN CN201911016171.2A patent/CN110762554B/zh active Active
Patent Citations (5)
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