CN110822474A - 一种燃烧室火焰稳定结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧室火焰稳定结构及包含该结构的燃烧室，包括设置在火焰筒内的截锥体以及多个沿周向均匀布置在截锥体外围的V型径向火焰稳定器，截锥体和V型径向火焰稳定器均为空心结构且均设有喷油孔，V型径向火焰稳定器的顶端将低温空气引入到V型径向火焰稳定器和截锥体中并分别对这些部件进行冷却，通过上述结构设置，本发明采用大尺寸截锥体形成的低速回流区来增强火焰稳定性，采用小槽宽的V型径向火焰稳定器来传播火焰并降低气流损失，火焰的稳定及传播功能分离，燃油喷射装置与稳定器一体化设计可进一步降低流动损失。本发明可广泛应用于宽速域高推重比涡轮喷气发动机加力燃烧室、冲压发动机燃烧室及涡轮基组合循环发动机超级燃烧室中。

Description

一种燃烧室火焰稳定结构
技术领域
本发明涉及动力装置燃烧领域，涉及一种燃烧室火焰稳定结构，是一种加强火焰稳定性、降低流动损失的燃烧组织结构装置，具体地说涉及一种应用在宽速域、高推重比涡轮喷气发动机加力燃烧室的燃烧组织结构。
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。在涡轮喷气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，并设置钝体结构的火焰稳定器来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。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，温度及压力越低，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。此外，在稳定器上游设置燃料喷射结构也将带来额外的气动损失，燃烧室长度随燃油与空气的掺混距离增大而增大。常规加力燃烧室及冲压发动机燃烧室中火焰稳定器的槽宽为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以及稳定器与燃油喷射结构一体化设计是重要研究内容。
新一代高推重比发动机加力燃烧室的进口速度和温度更高，为防止燃料在稳定器前自燃，需要减小燃油在稳定器前与高温燃气掺混的时间和距离。同时在高速来流条件下由于燃油的穿透距离缩短，为满足燃油分布要求，则需要缩短喷油孔的间距，从而需要设置更多的喷油结构。传统加力燃烧室所采用的大槽宽稳定器结构及燃油在稳定器前喷射掺混的结构方案难以满足新一代加力燃烧室对于流动阻力及燃烧效率的要求。
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火焰稳定与降低流动损失的燃烧室火焰稳定结构及包含该结构的燃烧室，通过采用截锥突扩结构以提高烧室在高速来流条件下的火焰稳定性，通过采用小槽宽的V型径向火焰稳定器来传播火焰以降低气流损失，火焰的稳定及传播功能分离，从而满足高速气流中稳定火焰和降低流动损失的要求。同时截锥体和V型径向稳定器上均设置喷油孔，使燃油喷射装置与燃烧组织结构一体化设计，从而进一步降低流动损失。本发明中的燃油在钝体前端壁的喷气孔后与空气掺混进入截锥体后内，形成低速可燃区域。V型径向稳定器喷射的燃烧与空气在稳定器尾缘掺混，然后被高温燃气引燃。本发明的强化火焰稳定与降低损失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加力燃烧室、冲压发动机燃烧室及涡轮基组合循环发动机超级燃烧室中。
为实现上述技术目的，本发明的强化火焰稳定与降低流动损失的燃烧室火焰稳定结构主要通过以下技术方案实现：
一种强化火焰稳定与降低流动损失的燃烧室火焰稳定结构，包括一设置在火焰筒内的截锥体以及多个沿周向均匀布置在所述截锥体外围的V型径向火焰稳定器，所述火焰筒同轴布置在燃烧室内，其特征在于，
所述截锥体同轴布置在所述火焰筒内，包括一位于上游的前端壁、一位于下游的后端壁和一位于所述前端壁和后端壁之间的环形侧壁，所述前端壁、后端壁和环形侧壁围成一中空腔体，所述前端壁、后端壁的中心均位于所述火焰筒的中心线上，所述前端壁的直径大于所述后端壁的直径，使得所述环形侧壁与所述火焰筒之间的空间形成一突扩的扩压通道，且至少所述后端壁与所述火焰筒的中心线垂直布置；所述中空腔体中设置有第一环形供油管和第二环形供油管，每一环形供油管均设置有与外界供油管路连通的供油口，所述第一环形供油管用以向各所述V型径向火焰稳定器供油，所述截锥体的后端壁上设置有多个与所述第二环形供油管连通的喷油孔以及多个与所述中空腔体连通的通气孔；
多个所述V型径向火焰稳定器沿周向均匀布置在所述截锥体的环形侧壁上，每一所述V型径向火焰稳定器的底端固定设置在所述截锥体的环形侧壁上、顶端穿过所述火焰筒并延伸至所述火焰筒与燃烧室外壳之间的低温空气夹层中；每一所述V型径向火焰稳定器均包括两侧壁和一后壁，所述两侧壁与所述后壁相互连接形成一沿径向延伸并两端开口的V型空间，所述两侧壁的交汇处形成为所述V型径向火焰稳定器的前缘，所述后壁形成为所述V型径向火焰稳定器的尾缘；所述V型空间的顶端与所述低温空气夹层连通、底端与所述截锥体的中空腔体连通，所述V型空间中设置一沿其长度方向延伸的径向供油管，所述径向供油管的底端与设置在所述截锥体的中空腔体中的所述第一环形供油管连通，所述后壁上设置有多个与所述径向供油管连通的喷油孔。
本发明的上述强化火焰稳定与减低损失的火焰稳定结构中，所述截锥体的后端壁上设置喷油孔，所述V型径向火焰稳定器中设置径向供油管、后壁上设置喷油孔。所述截锥体的上游为高速气流，经过所述截锥体形成的扩压通道后在所述截锥体的后方形成为低速回流区，从所述截锥体中喷出的燃油与空气掺混向后流动形成为可燃混合物，点火器点火后燃烧形成为高温燃气，截锥体后方的低速回流区内充满高温燃气，起到持续稳定点火源的作用。所述V型径向火焰稳定器外侧流动为空气，稳定器后燃料与空气掺混形成可燃混合物，截锥体后方的低速回流区内的高温燃气径向向上流动过程中引燃V型径向稳定器内可燃混合物。此外，所述截锥体及V型径向稳定器采用低温空气冷却，火焰筒与燃烧室外壳之间的低温空气夹层中的低温空气进入V型径向火焰稳定器，冷却V型径向稳定器及径向供油管后进入截锥体的中空腔体内，对各环形供油管及截锥体冷却后，升温后的冷却空气通过截锥体后端壁上的通气孔进入燃烧区。
优选地，所述截锥体为中心轴对称非流线体结构，所述截锥体的后端壁的直径是稳定火焰的特征尺寸，所述截锥体的后端壁上的喷油孔在周向上位于相邻各所述V型径向火焰稳定器之间。
优选地，各所述V型径向稳定器的槽宽约为15mm。使得各所述V型径向稳定器的截面为小槽宽V型结构。
优选地，各所述V型径向稳定器的后壁在其底端与所述截锥体的后端壁平齐。
优选地，所述V型径向稳定器的数量范围为18～24个。
优选地，所述截锥体的半径与所述火焰筒的半径比值在0.3～0.4之间。
优选地，所述截锥体及V型径向稳定器的喷油孔直径为0.6～1.5mm之间。
优选地，各所述V型径向稳定器均为倾斜设置，并均向所述燃烧室的下游侧倾斜。
优选地，所述燃烧室中还设置有沿中心线延伸的扩压器，所述燃烧室外壳与扩压器之间形成为扩压通道，所述截锥体形成在所述扩压器的后端。从所述低压涡轮排出的高速气流在燃烧室外壳与扩压器形成的扩压通道中减速扩压。
优选地，所述燃烧室为涡轮喷气发动机的加力燃烧室、冲压发动机燃烧室或涡轮基组合循环发动机超级燃烧室。
根据本发明的另一方面，还提供了一种燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括本发明的上述火焰稳定结构。
与现有技术相比，本发明的燃烧室火焰稳定结构的有益效果是：本发明的强化火焰稳定与降低损失的火焰稳定结构，可广泛应用于宽速域、高推重比涡轮喷气发动机加力燃烧室、冲压发动机燃烧室及涡轮基组合循环发动机超级燃烧室中，能够增强燃烧室在高速条件下火焰稳定性，降低流动损失。本发明通过采用截锥体形成突扩的扩压通道以提高烧室在高速来流条件下的火焰稳定性，采用小槽宽的V型径向火焰稳定器来传播火焰以降低气流损失，火焰的稳定及传播功能分离，结构上采用不同的钝体尺寸，从而满足高速气流中稳定火焰和降低流动损失的要求。同时截锥体及火焰稳定器上均设置喷油孔，使燃油喷射装置与稳定器一体化设计，从而进一步降低流动损失。本发明中的燃油从截锥体的后端壁喷出后与空气掺混进入截锥体后的回流区内，形成低速可燃区域。同时在V型径向稳定器内设置喷油孔，空气与燃料在径向稳定器尾缘掺混，然后被高温燃气引燃。
附图说明
图1为本发明的燃烧室火焰稳定结构及其在燃烧室中的安装示意图；
图2为图1结构的B向视图；
图3为图1结构的C向视图；
图4为通过截锥体上喷油孔中心的剖视图；
图5为V型径向稳定器结构及后方回流区视图；
图6为图4中供油管的局部放大图；
图7为图4中扩压器、截锥体及径向火焰稳定器的局部结构放大图。
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。
本发明的强化火焰稳定与降低损失的燃烧室火焰稳定结构，可广泛应用在宽速域高推重比涡轮喷气发动机加力燃烧室、冲压发动机燃烧室或涡轮基组合循环发动机超级燃烧室中，用以增强高速来流条件下的火焰稳定、降低流动损失。图1～3所示为本发明的燃烧室火焰稳定结构，应用于宽速域高推重比涡轮喷气发动机加力燃烧室中的情形。
如图1～3所示，加力燃烧室100位于低压涡轮后方，火焰筒104同轴设置在加力燃烧室100内，火焰筒104的头部设置一截面积逐渐缩小的扩压器105，燃烧室外壳103与火焰筒104之间形成一低温空气夹层，火焰筒104与扩压器之间的扩压通道内为高温燃气1，火焰筒104外侧的低温空气夹层内为低温空气2。高温燃气1与部分空气掺混后进入加力燃烧室100。本发明的强化火焰稳定与降低损失的燃烧室火焰稳定结构包括一形成在扩压器105后端的截锥体101和多个沿周向均匀布置在截锥体101外围的V型径向稳定器102。燃油喷入截锥体101及V型径向稳定器102的后方，与空气燃烧后形成高温燃气，火焰筒104将高温燃气与燃烧室外壳103隔离，低温空气进入燃烧室外壳103及火焰筒104之间的低温空气夹层中，作为冷却空气对火焰筒104、V型径向稳定器102及截锥体101进行冷却。V型径向稳定器102及截锥体101内的供油管由低温空气冷却。对V型径向稳定器102及截锥体101及供油管进行冷却后的空气通过截锥体101后端壁的通气孔进入截锥体101后方的低速回流区并参与燃烧。
如图1、图4、图6、图7所示，截锥体101形成在扩压器105的后端，包括一设置在扩压器105末端的后端壁、一设置在扩压器105内并位于该后端壁上游的前端壁7以及位于该前端壁和后端壁之间的部分扩压器105的环形侧壁，前端壁7的直径大于后端壁的直径，使得环形侧壁与火焰筒104之间的空间形成一突扩的扩压通道，高速气流在燃烧室外壳103与扩压器105形成的扩压通道中减速扩压，且后端壁与火焰筒104的中心线垂直布置。截锥体101的前端壁、后端壁及环形侧壁围成一中空腔体，中空腔体中设置有第一环形供油管8和第二环形供油管9，每一环形供油管8、9均设置有与外界供油管路连通的供油口，第一环形供油管8用以向各V型径向火焰稳定器102供油，截锥体101的后端壁上设置有多个与第二环形供油管9连通的喷油孔10以及多个与中空腔体连通的通气孔。
如图1、图4、图5、图7所示，多个V型径向火焰稳定器102沿周向均匀布置在截锥体101的环形侧壁上，每一V型径向火焰稳定器102的底端固定设置在截锥体101的环形侧壁上、顶端穿过火焰筒104并延伸至火焰筒104与燃烧室外壳之103间的低温空气夹层中；每一V型径向火焰稳定器102均包括两侧壁3和一后壁4，两侧壁3与后壁4相互连接形成一沿径向延伸并两端开口的V型空间，两侧壁3的交汇处形成为V型径向火焰稳定器102的前缘，后壁4形成为V型径向火焰稳定器102的钝尾缘；V型空间的顶端与低温空气夹层连通、底端与截锥体101的中空腔体连通，V型空间中设置一沿其长度方向延伸的径向供油管5，径向供油管5的底端与设置在截锥体101的中空腔体中的第一环形供油管8连通，后壁4上设置有多个与径向供油管5连通的喷油孔6。低温空气夹层中的部分低温空气2通过V型空间进入V型径向稳定器102中，通过V型空间进入截锥体101的中空腔体内。
如图6所示，燃油进入截锥体101的中空腔体内的第一环形供油管8及第二环形供油管9，第一环形供油管8与各径向供油管5连接。第二环形供油管9与截锥体101连接。第二环形供油管9通过喷油孔10进入截锥体101后方的低速回流区中，与截锥体101后方的空气形成可燃混合物。从喷油孔10喷出的燃油与扩压器105后的燃气/空气混气气体在截锥后掺混形成可燃混合物11。燃烧室点火后可燃混合物11燃烧生成高温燃气12，高温燃气12回流进入回流区，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。截锥体101后内形成稳定、持续的点火源。
如图1、图5所示，燃油经径向稳定器102的喷油孔6进入燃烧室，与流经径向稳定器的空气掺混后形成可燃混合物15。截锥体101后形成的高温燃气13向上流动，点燃可燃混合物15，可燃混合物15着火燃烧和形成高温燃气16。高温燃气12和高温燃气16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。径向稳定器102的作用主要用于燃料和空气的掺混，高温燃气16是稳定的点火源，因此径向稳定器102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。径向稳定器的数量增多，将降低径向稳定器之间的距离，从而增强燃料和空气的快速掺混燃烧、从而缩短燃烧室的长度。
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)

1.一种强化火焰稳定与降低流动损失的燃烧室火焰稳定结构，包括一设置在火焰筒内的截锥体以及多个沿周向均匀布置在所述截锥体外围的V型径向火焰稳定器，所述火焰筒同轴布置在燃烧室内，其特征在于，
所述截锥体同轴布置在所述火焰筒内，包括一位于上游的前端壁、一位于下游的后端壁和一位于所述前端壁和后端壁之间的环形侧壁，所述前端壁、后端壁和环形侧壁围成一中空腔体，所述前端壁、后端壁的中心均位于所述火焰筒的中心线上，所述前端壁的直径大于所述后端壁的直径，且至少所述后端壁与所述火焰筒的中心线垂直布置；所述中空腔体中设置有第一环形供油管和第二环形供油管，每一环形供油管均设置有与外界供油管路连通的供油口，所述第一环形供油管用以向各所述V型径向火焰稳定器供油，所述截锥体的后端壁上设置有多个与所述第二环形供油管连通的喷油孔以及多个与所述中空腔体连通的通气孔；
多个所述V型径向火焰稳定器沿周向均匀布置在所述截锥体的环形侧壁上，每一所述V型径向火焰稳定器的底端固定设置在所述截锥体的环形侧壁上、顶端穿过所述火焰筒并延伸至所述火焰筒与燃烧室外壳之间的低温空气夹层中；每一所述V型径向火焰稳定器均包括两侧壁和一后壁，所述两侧壁与所述后壁相互连接形成一沿径向延伸并两端开口的V型空间，所述两侧壁的交汇处形成为所述V型径向火焰稳定器的前缘，所述后壁形成为所述V型径向火焰稳定器的尾缘；所述V型空间的顶端与所述低温空气夹层连通、底端与所述截锥体的中空腔体连通，所述V型空间中设置一沿其长度方向延伸的径向供油管，所述径向供油管的底端与设置在所述截锥体的中空腔体中的所述第一环形供油管连通，所述后壁上设置有多个与所述径向供油管连通的喷油孔。
2.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述截锥体为中心轴对称非流线体结构，所述截锥体的后端壁的直径是稳定火焰的特征尺寸，所述截锥体的后端壁上的喷油孔在周向上位于相邻各所述V型径向火焰稳定器之间。
3.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，各所述V型径向稳定器的槽宽约为15mm。使得各所述V型径向稳定器的截面为小槽宽V型结构。
4.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，各所述V型径向稳定器的后壁在其底端与所述截锥体的后端壁平齐。
5.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述V型径向稳定器的数量范围为18～24个。
6.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述截锥体的半径与所述火焰筒的半径比值在0.3～0.4之间。
7.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述截锥体及V型径向稳定器的喷油孔直径为0.6～1.5mm之间。
8.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，各所述V型径向稳定器均为倾斜设置，并均向所述燃烧室的下游侧倾斜。
9.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述燃烧室中还设置有沿中心线延伸的扩压器，所述燃烧室外壳与扩压器之间形成为扩压通道，所述扩压器的上游为低压涡轮，所述截锥体形成在所述扩压器的后端。
10.根据上述权利要求所述的燃烧室火焰稳定结构，其特征在于，所述燃烧室为涡轮喷气发动机的加力燃烧室、冲压发动机燃烧室或涡轮基组合循环发动机超级燃烧室。
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