CN112128799A - 一种薄膜蒸发式火焰稳定器及燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜蒸发式火焰稳定器及燃烧室。所述的薄膜蒸发式火焰稳定器，包括凹腔火焰稳定器以及设置于所述凹腔火焰稳定器前端的水平延伸的第一分流板，所述凹腔火焰稳定器包括垂直延伸的前缘板、沿着所述前缘板的上端面水平向后延伸的主板以及设置于所述主板尾端倾斜向下延伸的后缘板，所述第一分流板下壁面固定有支板火焰稳定器，所述前缘板的下端固定有沿着水平延伸的若干个液膜覆盖板。本发明通过利用薄膜覆盖板对凹腔部分遮挡的方式削弱径向支板火焰稳定器对凹腔火焰稳定器流场的破坏，并利用薄膜蒸发供油的方式增加值班区内的气相燃油浓度，拓宽常规凹腔/支板火焰稳定器的工作范围。

Description

一种薄膜蒸发式火焰稳定器及燃烧室

技术领域

本发明涉及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模态燃烧室，特别涉及一种薄膜蒸发式火焰稳定器及燃烧室。

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，通常在燃烧室外环采用值班火焰稳定器进行软点火，并组合使用径向火焰稳定器以提高火焰传播的能力，形成凹腔/支板组合火焰稳定器。由于燃烧室进口来流工况范围变宽，来流温度更低、速度更大，径向火焰稳定器会堵塞流道造成值班火焰稳定器内流动速度增加，同时径向稳定器后形成的低速回流区还会卷吸值班区流动、破坏值班区流动形式，缩小的低速回流区和增大的速度梯度均不利于点火和火焰稳定，进而恶化燃烧室的值班点火性能和火焰稳定能力。

同时组合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，多模态燃烧室内的低温、高速条件对点火及火焰稳定的要求远超过现有加力燃烧室和亚燃冲压燃烧室的技术水平。因此，凹腔/支板火焰稳定器需要具有更宽广的贫油点火性能和火焰稳定性能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：为了解决现有凹腔/支板火焰稳定器中起值班点火作用的凹腔火焰稳定器易受径向支板火焰稳定器的影响，导致火焰稳定器的贫油点火和火焰稳定能力很难满足宽飞行包线工作要求的问题，本发明提供了一种薄膜蒸发式火焰稳定器，利用薄膜覆盖板对凹腔部分遮挡的方式削弱径向支板火焰稳定器对凹腔火焰稳定器流场的破坏并改善点火性能和火焰稳定能力。本发明还提供了含有该火焰稳定器的燃烧室。

技术方案：本发明所述的一种薄膜蒸发式火焰稳定器，包括凹腔火焰稳定器以及设置于所述凹腔火焰稳定器前端的水平延伸的第一分流板，所述凹腔火焰稳定器包括垂直延伸的前缘板、沿着所述前缘板的上端面水平向后延伸的主板以及设置于所述主板尾端倾斜向下延伸的后缘板，所述第一分流板下壁面固定有支板火焰稳定器，所述前缘板的下端固定有沿着水平延伸的若干个液膜覆盖板。

所述支板火焰稳定器的两侧设置有翼型供油结构，所述翼型供油结构沿着横向方向延伸且与所述第一分流板的下壁面之间具有用于气流通过的流道，所述液膜覆盖板与翼型供油结构的位置相匹配。

所述翼型供油结构设置有位于所述翼型供油结构上表面的第一喷油孔以及位于所述翼型供油结构下表面的第二喷油孔。

所述第一分流板下壁面固定有多个支板火焰稳定器，用于燃烧室横向联焰，多个所述支板火焰稳定器相对于凹腔火焰稳定器的轴向中心线对称设置。

所述支板火焰稳定器的水平截面呈三角形，所述支板火焰稳定器的两侧壁分布有若干个径向分布的第三喷油孔，所述支板火焰稳定器的尾缘与所述第一分流板的尾缘齐平。

所述翼型供油结构的尾缘与所述第一分流板的尾缘齐平。

所述液膜覆盖板为水平延伸的矩形板。

所述凹腔火焰稳定器后端设置有水平延伸的第二分流板。

本发明所述的一种燃烧室，含有上述的薄膜蒸发式火焰稳定器。

所述主板上设置有点火喷嘴，所述液膜覆盖板的尾缘不超过点火喷嘴的开口位置。

所述主板上设置有点火喷嘴。

所述液膜覆盖板的尾缘不超过点火喷嘴的开口位置。

有益效果：(1)本发明通过在凹腔火焰稳定器的前缘板处设置液膜覆盖板，利用薄膜覆盖板对凹腔部分遮挡的方式削弱径向支板火焰稳定器对凹腔火焰稳定器流场的破坏，保证凹腔稳定器内存在连续完整的回流区结构，改善凹腔/支板火焰稳定器的点火性能和火焰稳定能力，拓宽常规凹腔/支板火焰稳定器的工作范围，使得本发明的火焰稳定器具有比常规凹腔/支板稳定器更广的可燃点火位置；(2)本发明的火焰稳定器利用薄膜蒸发的供油方式强化了燃油的蒸发，增加了值班区内的气相燃油浓度，能降低值班火焰稳定器的点熄火极限；(3)本发明的液膜覆盖板吸收高温燃气热量用以加温壁面液膜以强化燃油蒸发，同时液膜蒸发吸热又能冷却液膜覆盖板以保证结构的热可靠性；(4)本发明通过翼型供油结构的流线型表面，使得翼型供油结构与第一分流板形成了收扩通道，气流流经收敛通道时的加速会强化燃油在空气中的雾化，而流经扩张通道时能加强液膜的铺展以增加燃油的蒸发速率；(5)本发明通过翼型供油结构的第一喷油孔和第二喷油孔实现主副油路供油，其中上表面设置的第一喷油孔为副油路供油，用于对值班区进行供油；而下表面设置的第二喷油孔为主油路供油，与支板稳定器上的第三喷油孔配合共同完成主流区供油，其中翼型供油结构上的第二喷油孔起到在支板火焰稳定器中间补充供油的作用以解决环形燃烧室大半径处第三喷油孔燃油横向穿透深度不够的问题。

附图说明

图1为实施例1的薄膜蒸发式火焰稳定器的三维模型图；

图2为实施例1的薄膜蒸发式火焰稳定器的俯视图；

图3为支板火焰稳定器的横截面示意图；

图4为实施例1的翼型供油结构的剖视图；

图5为实施例1的翼型供油结构的俯视图；

图6为本装置在矩形燃烧室内的二维示意图

图7为来流经过第一分流板与翼型供油结构之间的状态示意图；

图8为两种凹腔/支板火焰稳定器的流线分布。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，图中X中的方向为本实施例中描述的轴向，也为前至后方向，图中Z轴延伸的方向为本实施例中描述的径向，也为上至下的方向，图中Y轴延伸的方向为本实施例中描述的横向，也是左至右的方向，本实施例中所述的水平方向为与X-Y轴形成的平面平行的方向，本实施例中所述的垂直方向为与Z-Y轴形成的平面平行的方向。

如图1和图2所示，本发明的薄膜蒸发式火焰稳定器，包括凹腔火焰稳定器1以及设置于凹腔火焰稳定器1前端的水平延伸的第一分流板2，凹腔火焰稳定器1包括垂直向上延伸的前缘板11、沿着前缘板11的上端面水平向后延伸的主板12以及设置于主板12的尾端倾斜向下延伸的后缘板13，后缘板13尾端(后端)设置有水平向后延伸的第二分流板8(前缘板11与第一分流板2固接，后缘板13与第二分流板8固接)。

第一分流板2下壁面(本实施例中，靠近燃烧室外壁的为上壁面，远离燃烧室外壁的为下壁面)固定有支板火焰稳定器3，支板火焰稳定器3上端面与第一分流板2下壁面固定，支板火焰稳定器3的尾端面与第一分流板3的尾缘齐平(即支板火焰稳定器3尾端面与凹腔火焰稳定器1的前端面齐平)，支板火焰稳定器3的两侧壁设置有若干个径向分布的第三喷油孔31。本实施例中，凹腔火焰稳定器1的轴向中心线S两侧对称设置有两个支板火焰稳定器3，在中心轴S两侧分布的支板火焰稳定器3用于燃烧室横向联焰，解决燃油横向穿透深度不够的问题。如图3所示，支板火焰稳定器3的水平截面(X-Y轴平面)呈三角形，支板火焰稳定器3为薄壁空心件，外壳体32形成三角形钝体结构(由前至后方向，三角体的两侧壁逐渐扩张)，燃油供入储油腔33后通过支板火焰稳定器3两侧壁上设有的第三喷油孔31喷出，实现支板火焰稳定器的一体化供油。

前缘板11的下端固定有沿着水平延伸的若干个液膜覆盖板4，本实施例中液膜覆盖板4为水平延伸的矩形板，液膜覆盖板4下端面与第一分流板2的下端面齐平，通过液膜覆盖板4的前端面与前缘板11固接。

如图4和图5所示，支板火焰稳定器3的两侧设置有翼型供油结构5，翼型供油结构5沿着横向方向延伸且与第一分流板2的下壁面之间具有用于气流通过的流道6，由于翼型供油结构5的上下表面自翼型供油结构的前端至后端方向，分别先进行扩张(上下方向的扩张)随后收缩，导致翼型供油结构5与第一分流板2之间的间距由前至后方向，先减小后增加，即流道6的高度(Z轴方向)先减小后增加。翼型供油结构5位于支板火焰稳定器2两侧，翼型供油结构5尾缘与支板火焰稳定器2尾端面(第一分流板2的尾缘)齐平，并通过翼型供油结构5的两侧面与支板火焰稳定器3固接，液膜覆盖板4在燃烧室横向方向上与翼型供油结构5相对应，如图2中所示，本实施例中在两个支板火焰稳定器3的中间以及两侧共设置了三段翼型供油结构5，在翼型供油结构5的对应位置分别对应设置有三块液膜覆盖板4。

翼型供油结构5设置有位于翼型供油结构5上表面的第一喷油孔51以及位于翼型供油结构5下表面的第二喷油孔52，由于翼型供油结构5是设置于第一分流板2尾部，沿着第一分流板2尾部横向延伸，故设置于翼型供油结构5上方的第一喷油孔51也沿着横向等间距分布，同样，位于翼型供油结构5下方的第二喷油孔52也横向等间距分布，在翼型供油结构5中布置有第一供油通道53和第二供油通道54，其中若干个第一喷油孔51与第一供油通道53相连，而第二喷油孔52与第二供油通道54相连。值班区供油由翼型供油结构5上的第一喷油孔51向上喷射实现，主流区供油则由支板稳定器3上的第三喷油孔31和翼型供油结构5上的第二喷油孔52共同完成，其中第三喷油孔31为横向喷射，而第二喷油孔52为向下喷射，起到在两个支板火焰稳定器2中间补充供油的作用。

实施例2：如图6所示，将实施例1的薄膜蒸发式火焰稳定器应用于矩形燃烧室中，燃烧室的点火喷嘴7在主板12上开口，液膜覆盖板4的尾缘最好不超过点火喷嘴7的开口位置。凹腔火焰稳定器1、第一分流板2和第二分流板8通过两侧面与矩形燃烧室9的侧壁面固接；支板火焰稳定器3的上端面与前分流板4固接，支板火焰稳定器3的下端面与矩形燃烧室9的下壁面固接，支板火焰稳定器3为薄壁空心件，外壳体32形成三角形钝体结构，点火电嘴7通过焊接或机械配合的方式固定在矩形燃烧室9的上壁面，并穿过主板12伸入凹腔火焰稳定器1内部进行电火花点火。

在具体应用中，凹腔火焰稳定器1为开式凹腔结构，其中凹腔深度D为15～20mm，长度L为75～100mm，后缘角θ为30°，支板稳定器3的横截面为具有30°锥角的等腰三角形，尾缘宽为30mm；液膜覆盖板4长度S为15～25mm，每个液膜覆盖板4与支板稳定器3在横向上具有一定间隔，具体应用时，每个液膜覆盖板4靠近支板火焰稳定器3的侧壁面(侧面)与支板火焰稳定器3的尾端的横向间距为5～10mm。

翼型喷油结构5的上下表面均为流线型，翼型喷油结构厚度为3～5mm，长度为20～30mm，单个翼型供油结构上布置有三个第一喷油孔51和一个第一喷油孔52，其中第一喷油孔51的直径为0.3～0.4mm，孔间距为5～10mm，第二喷油孔52和设置在支板火焰稳定器上的第三喷油孔31的直径均为0.5～0.7mm。优选的，翼型喷油结构5的上端与第一分流板2的下壁面的间距为3～5mm，作为流道6。

本发明的工作原理：

如图7所示，来流(空气)自燃烧室进口流入后，流经第一分流板2与翼型供油结构5之间的流道6时，从翼型供油结构5的第一喷油孔51喷出的燃油在高速气流中进行雾化，破碎、雾化后的油珠附着在第一分流板2和液膜覆盖板4上形成壁面液膜，由于翼型供油结构5和第一分流板2形成了收扩的流道6，气流流经收敛流道(收敛流道高度为H₁)时的加速会强化燃油在空气中的雾化，而流经扩张流道(扩张流道的高度为H₂)时能加强液膜的铺展以增加燃油的蒸发速率。

值班区内的高温燃气流经液膜覆盖板4时将加热液膜覆盖板4，受热的液膜覆盖板4会向附着的液膜传递热量从而加速液膜的蒸发，增加值班区内的气相燃油浓度，凹腔内恰当的油气匹配经点火电嘴放电在凹腔内形成值班火焰，值班火焰沿支板稳定器3向燃烧室中心传播时逐渐点燃支板稳定器3的主流区供油，最终在矩形燃烧室中形成稳定火焰。同时，低温燃油形成的液膜与高温液膜覆盖板4间的热传导和液膜的蒸发都会带走液膜覆盖板的热量，从而对处于热环境中的液膜覆盖板4进行冷却，保证本装置的结构热稳定性。

图8是两种凹腔/支板火焰稳定器的流线分布，其中左图为常规凹腔/支板稳定器，右图为本装置薄膜蒸发式凹腔/支板稳定器。比较两种稳定器内的流线分布可见，凹腔内形成的回流区受支板稳定器影响很大，远离支板稳定器截面(图8中a图)凹腔内的低速回流区也受三维流动影响被挤压缩小为角涡，而支板稳定器截面(图8中c图)凹腔内低速回流区被完全破坏，使得其点火和火焰稳定的性能下降。而本发明提出的薄膜蒸发式凹腔/支板火焰稳定器，利用液膜覆盖板对凹腔进行部分遮挡从而对低速回流区进行保护，削弱支板火焰稳定器对凹腔流动的影响，所以支板稳定器截面(图8中b图)处凹腔与支板间也存在一定的回流，且远离支板稳定器截面(图8中d图)处凹腔内存在连续完整的低速回流区，使得气流在凹腔/支板火焰稳定器内的停留时间更长，有助于获得更好的点火和火焰稳定性能。

Claims (10)

1.一种薄膜蒸发式火焰稳定器，包括凹腔火焰稳定器(1)以及设置于所述凹腔火焰稳定器(1)前端的水平延伸的第一分流板(2)，所述凹腔火焰稳定器(1)包括垂直延伸的前缘板(11)、沿着所述前缘板(11)的上端面水平向后延伸的主板(12)以及设置于所述主板(12)尾端倾斜向下延伸的后缘板(13)，其特征在于，所述第一分流板(2)下壁面固定有支板火焰稳定器(3)，所述前缘板(11)的下端固定有沿着水平延伸的若干个液膜覆盖板(4)。

2.根据权利要求1所述的薄膜蒸发式火焰稳定器，其特征在于，所述支板火焰稳定器(3)的两侧设置有翼型供油结构(5)，所述翼型供油结构(5)沿着横向方向延伸且与所述第一分流板(2)的下壁面之间具有用于气流通过的流道(6)，所述液膜覆盖板(4)与翼型供油结构(5)的位置相匹配。

3.根据权利要求1所述的薄膜蒸发式火焰稳定器，其特征在于，所述翼型供油结构(5)设置有位于所述翼型供油结构(5)上表面的第一喷油孔(51)以及位于所述翼型供油结构(5)下表面的第二喷油孔(52)。

4.根据权利要求1所述的薄膜蒸发式火焰稳定器，其特征在于，所述第一分流板(2)下壁面固定有多个支板火焰稳定器(3)，多个所述支板火焰稳定器(3)相对于凹腔火焰稳定器(1)的轴向中心线对称设置。

5.根据权利要求1所述的薄膜蒸发式火焰稳定器，其特征在于，所述支板火焰稳定器(3)的水平截面呈三角形，所述支板火焰稳定器(3)的两侧壁分布有若干个径向分布的第三喷油孔(31)，所述支板火焰稳定器(3)的尾缘与所述第一分流板(2)的尾缘齐平。

6.根据权利要求1所述的薄膜蒸发式火焰稳定器，其特征在于，所述翼型供油结构(5)的尾缘与所述第一分流板(2)的尾缘齐平。

7.根据权利要求1所述的薄膜蒸发式火焰稳定器，其特征在于，所述液膜覆盖板(4)为水平延伸的矩形板。

8.根据权利要求1所述的薄膜蒸发式火焰稳定器，其特征在于，所述凹腔火焰稳定器(1)后端设置有水平延伸的第二分流板(8)。

9.一种燃烧室，其特征在于，含有如权利要求1所述的薄膜蒸发式火焰稳定器。

10.根据权利要求9所述的燃烧室，其特征在于，所述主板(12)上设置有点火喷嘴(7)，所述液膜覆盖板(4)的尾缘不超过点火喷嘴(7)的开口位置。

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