CN113513408A - 组合供油装置、燃烧室及供油方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合供油装置、燃烧室及供油方法。本发明所述的组合供油装置，包括径向延伸的供油机构、设置于供油机构后方的径向稳定器和用于连接所述供油机构以及所述径向稳定器的连接段；所述供油机构包括喷油杆以及与喷油杆同轴分布的设置于喷油杆外侧的供油管，喷油杆上开设有用于燃油喷射的沿着径向分布的若干个喷油嘴，所述喷油嘴的开口位于供油管的外侧，所述喷油嘴的燃油喷射方向与来流方向垂直。本发明的组合供油装置使能够兼顾高温大来流条件下的热防护问题和低温大来流条件下的高效燃烧组织问题。

Description

组合供油装置、燃烧室及供油方法
技术领域
本发明涉及亚燃冲压发动机燃烧室，特别涉及一种组合供油结构、燃烧室及供油方法。
背景技术
亚燃冲压发动机在飞行速域Ma2.0～Ma6.0、高度5km～30km范围下工作时，稳定器面临着在高温大来流条件下的热防护问题和低温大来流条件下的高效燃烧组织问题。为了兼顾亚燃冲压发动机在Ma2.0～Ma6.0宽域飞行包线范围内的高效和可靠工作，需要开展高空、高温来流条件兼顾低空大流量条件下的火焰稳定装置和相适应的的供油方案研究。目前广泛采用一体化稳定器，即将涡轮排气框架的整流支板和加力燃烧室的火焰稳定器一体化设计，在其内部安置燃油管路，并通过外涵气体进行冷却。燃油从火焰稳定器侧面喷入核心流，燃油喷油嘴和火焰稳定器采用“近配合”技术，利用稳定器后突扩所形成的回流区稳定火焰。一体化设计的稳定器下游火焰区直接受燃油分布的影响，当地油气分布直接影响着加力燃烧室的静态和动态稳定特性。必须设计不对压力降敏感的先进喷油方法。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中燃油都只能局限于喷射点位置分布，限制火焰在截面上的快速传播的问题，本发明提供了一种组合供油装置该供油装置能够兼顾高温大来流条件下的热防护问题和低温大来流条件下的高效燃烧组织问题。本发明还提供了燃烧室及利用该组合供油装置进行供油的方法。
技术方案：本发明所述的一种组合供油装置，包括径向延伸的供油机构、设置于供油机构后方的径向稳定器和用于连接所述供油机构以及所述径向稳定器的连接段；所述供油机构包括喷油杆以及与喷油杆同轴分布的设置于喷油杆外侧的供油管，喷油杆上开设有用于燃油喷射的沿着径向分布的若干个喷油嘴，所述喷油嘴的开口位于供油管的外侧，所述喷油嘴的燃油喷射方向与来流方向垂直。
本发明的组合供油装置，解决了低温低速来流条件下，低温来流导致的燃油蒸发掺混困难的问题，本发明在径向稳定器前方设置有供油机构，该供油机构径向延伸，然后的喷射方向垂直来流方向，燃油从喷油杆中喷出，到径向稳定器后方点火位置之间有较长的掺混距离，能够得到更好的蒸发和掺混效果。本发明设置的供油机构解决了现有技术中燃油从径向稳定器喷出，则蒸发掺混距离过短，蒸发效果不好的问题。同时，本发明的供油机构结合径向稳定器，在高温高速来流条件下，燃油仅从供油管进入径向稳定器喷出，此时温度足够高，也能够满足点火的油雾分布要求。
作为本发明一种优选结构，所述喷油嘴包括位于喷油杆和供油管之间的隔绝段以及与隔绝段连通的喷射段，所述喷射段上设置有喷射孔，所述喷射孔的截面小于所述隔绝段的截面。
作为本发明的一种优选结构，所述喷油杆的两侧设置有两列间隔分布的若干个喷油嘴。
作为本发明的一种优选结构，所述喷油杆通过第一进油口供油，所述供油管通过第二进油口供油。
作为本发明的一种优选结构，所述供油管的末端设置有焊接段，所述供油管(通过焊接段与连接段焊接。
作为本发明的一种优选结构，所述连接段的进油口与供油管的出油口连通，所述连接段的出油口与所述径向稳定器的腔体连通。
作为本发明一种优选结构，所述径向稳定器的两侧壁分布有若干个喷油孔。
本发明所述的一种燃烧室，包含上述的组合供油装置。
本发明所述的利用上述的组合供油装置进行供油的方法，包括以下步骤：
当低空大来流条件下：通过第一进油口供油，燃油通过喷油杆从喷油嘴喷出，供油机构与径向稳定器之间的距离供喷出的燃油蒸发和油气掺混后，在径向稳定器后形成良好的油气分布；
当高空高温来流条件下：通过第二进油口供油，燃油低温度快速流过供油管，燃油同时带走供油管的热量，实现对供油管的热防护，燃油供油管经过连接段进入径向稳定器，对径向稳定器进行射流冲击冷却并从径向稳定器侧壁面设置的喷油孔喷出，完成供油。
有益效果：(1)本发明组合供油装置包括供油机构以及径向稳定器，供油机构使在低空大来流条件下能够增加燃油的蒸发和掺混距离，使燃油能够得到充分的蒸发和掺混，使燃油浓度分布均匀，解决了一体化火焰稳定器低温下在径向稳定器中喷油所产生的蒸发和掺混不足的情况，达到稳定器后良好的油气分布；(2)本发明的供油机构包括了喷油杆、喷油嘴与供油管相结合，该结构在高空、高温来流条件下具有热防护效果，提高亚燃冲压发动机的飞行速域，降低材料耐温要求，从而降低成本；(3)本发明的供油机构的供油管为两部分焊接结构，使喷油杆与喷油嘴结合后，仍能够顺利与供油管进行装配焊接，保证了整个装置的完整性；(4)本发明的组合供油装置包括供油机构与径向稳定器，能够在高空、高温来流条件下实现对燃油的预热，并对易损坏结构进行热防护，使亚燃冲压发动机在较高的飞行速域也有较好的热防护性能。
附图说明
图1为本发明的供油机构结构示意图；
图2为本发明的供油机构中喷油嘴的结构示意图；
图3为本发明的组合供油装置结构示意图；
图4为本发明的燃烧室结构示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，供油机构1沿着径向延伸(图3中Y轴延伸的方向)，供油机构1包括喷油杆101以及与喷油杆101同轴(O1)分布的设置于喷油杆101外侧的供油管102，喷油杆101上开设有用于燃油喷射的若干个喷油嘴103，喷油嘴103的开口位于供油管102外侧。在本实施例中，喷油杆101通过第一进油口104供油，供油管102通过第二进油口105供油。燃油可选择从第一进油口104进入喷油杆101或者从第二进油口105进入供油管102。在本实施例中，喷油杆101外径与供油管102内径相差1-2mm，使得流过外油管的燃油能够快速流过。
为使内喷油杆101之中的燃油能够顺利喷出，在喷油杆101上焊接了若干个喷油嘴103，喷油嘴103的数量视燃烧室尺寸及内喷油杆长度而定，为保证掺混质量，喷油嘴103沿着喷油杆101长度延伸方向(图3中Y轴延伸的方向)均匀分布，作为一种优选方式，本实施例中选择在喷油杆101上设置有两列喷油嘴103，喷油方向垂直于燃烧室来流方向。如图3所示，图3中X轴的延伸方向为来流方向(轴向)，喷油嘴103分布于喷油杆101两侧，喷油嘴103的喷油方向与Z轴平行(周向延伸)，位于喷油杆101两侧的喷油嘴103向着喷油杆两侧喷油。
如图2所示，喷油嘴103包括位于喷油杆101和供油管102之间的隔绝段1031以及与隔绝段1031连通的喷射段1032，喷射段1032上设置有喷射孔1033，喷射孔1033的截面小于隔绝段1031的截面，在实际应用过程中，喷射孔的截面面积与隔绝段比值为1：49-1：225，作为一种优选方案，喷射孔1033孔径小于1mm。喷射孔1033以及隔绝段1031的中心轴线重合，均为喷油嘴的中心轴线O2，在本实施例中，隔绝段1031为中空的筒形结构，隔绝段1031主要作用为隔绝供油管102中的燃油进入喷油嘴103腔内，以及隔绝供油管102中的燃油进入燃烧室内，同时为防止燃油结焦等情况的发生，隔绝段1031壁厚不宜过厚，以1mm左右为宜，使得喷油嘴103腔内面积足够大。在实际使用中，隔绝段1031的内径可以在2-4mm之间。喷射段1032主要作用为保证喷射速度，因此在喷射段1032的中心位置设置有喷射孔1033，喷射孔1033的直径(喷射段1032的内径)较小。在具体应用中喷射孔1033的直径小于1.0mm。为防止结焦等情况的发生，以及减少来流温度过高时对该段的结构影响，喷射段1032长度不宜过长，以1-2mm为宜。
为便于装配，供油管102的末端设置有焊接段106，焊接段106为供油管102被切割出用于焊接的连接段，喷油杆101与供油管102剩余部分装配完成后，再进行焊接段106的装配，使整个喷油装置能够顺利装配完成。供油机构通过以下方法装配：喷油嘴103与喷油杆101及供油管102均紧密连接，装配步骤为：喷油嘴103先与喷油杆101装配焊接(或采用3D打印等技术直接做出)，而后将装有喷油嘴103的喷油杆101与供油管102去除焊接部分的其他部分焊接，最后，将供油管102的焊接段106分别与供油管102已焊接部分和喷油嘴103焊接，具体焊接位置视实际使用情况确定。
供油管102的末端连接有连接段3，连接段3的出油口与径向稳定器2连通，供油机构1的供油管与径向稳定器2连通并能在高温条件下为之供油。如图3所示，连接段3的出油口连接在径向稳定器2的后端，借以增加掺混距离。
如图4所示，本发明所述的燃烧室包括加力燃烧室总体4、径向稳定器2和供油机构1，其中，供油机构1位于燃烧室扩压段中段，径向稳定器2位于扩压段后段，且二者之间留出一定距离作为连接段用于燃油掺混。
本发明的供油方法为：当低空大来流条件下(如高度在5-17km，飞行速度2-4Ma)，来流温度较低，燃烧主要问题为掺混状况不理想，无法依靠射流来促使燃油和空气的掺混，无需多考虑热防护问题。此时采用第一进油口104进油，燃油通过喷油杆101从喷油嘴103喷出，经过供油机构1与径向稳定器2之间足够的距离供燃油蒸发和油气掺混，在径向稳定器后形成良好的油气分布，使其在径向稳定器2后尾迹区点燃时有较好的燃烧情况。
当高空、高温来流条件下(如高度在17-30km，飞行速度4-6Ma)，由于来流温度高，燃油射流蒸发较快，点火和燃烧都比较容易，但是供油机构1及径向稳定器2的热防护问题较为突出，此时采用第二进油口105进油，一方面使燃油以较低温度快速流过供油管102，减少高温来流对喷油杆101及喷油点的隔绝段1031的结构影响，另一方面带走供油管102的一部分热量，对供油管102进行一定的热防护，而后加温后的燃油通过供油管102进入径向稳定器2，对径向稳定器2进行射流冲击冷却并从径向稳定器2侧壁面喷出，对径向稳定器2起到一定的热防护作用，同时加温后的燃油更有利于燃油的蒸发和油气掺混，提高燃烧效率。
本发明解决了在TBCC冲压燃烧室在低空大来流条件下来流速度高，来流温度相对较低，在高速气流下，燃油穿透深度很小，不能依靠射流来促使燃油和空气的掺混，点火后在稳定器尾迹区内形成的点火源很难向四周传播，在高空高温条件下来流温度高，喷油及火焰稳定装置热防护困难的问题。

Claims (9)

1.一种组合供油装置，其特征在于，包括径向延伸的供油机构(1)、设置于供油机构(1)后方的径向稳定器(2)和用于连接所述供油机构(1)以及所述径向稳定器(2)的连接段(3)；所述供油机构(1)包括喷油杆(101)以及与喷油杆(101)同轴分布的设置于喷油杆(101)外侧的供油管(102)，喷油杆(101)上开设有用于燃油喷射的沿着径向分布的若干个喷油嘴(103)，所述喷油嘴的开口位于供油管(102)的外侧，所述喷油嘴(103)的燃油喷射方向与来流方向垂直。
2.根据权利要求1所述的组合供油装置，其特征在于，所述喷油嘴(103)包括位于喷油杆(101)和供油管(102)之间的隔绝段(1031)以及与隔绝段(1031)连通的喷射段(1032)，所述喷射段(1032)上设置有喷射孔(1033)，所述喷射孔(1033)的截面小于所述隔绝段(1031)的截面。
3.根据权利要求1所述的组合供油装置，其特征在于，所述喷油杆(101)的两侧设置有两列间隔分布的若干个喷油嘴(103)。
4.根据权利要求1所述的组合供油装置，其特征在于，所述喷油杆(101)通过第一进油口(104)供油，所述供油管(102)通过第二进油口(105)供油。
5.根据权利要求1所述的组合供油装置，其特征在于，所述供油管(102)的末端设置有焊接段(106)，所述供油管(102)通过焊接段(106)与连接段(3)焊接。
6.根据权利要求1所述的组合供油装置，其特征在于，所述连接段(3)的进油口与供油管(102)的出油口连通，所述连接段(3)的出油口与所述径向稳定器(2)的腔体连通。
7.根据权利要求1所述的组合供油装置，其特征在于，所述径向稳定器(2)的两侧壁分布有若干个喷油孔。
8.一种燃烧室，其特征在于，包含如权利要求1-7任一所述的组合供油装置。
9.一种利用权利要求1所述的组合供油装置进行供油的方法，其特征在于，包括以下步骤：
当低空大来流条件下：通过第一进油口(104)供油，燃油通过喷油杆(101)从喷油嘴(103)喷出，供油机构(1)与径向稳定器(2)之间的距离供喷出的燃油蒸发和油气掺混后，在径向稳定器(2)后形成良好的油气分布；
当高空高温来流条件下：通过第二进油口(105)供油，燃油低温度快速流过供油管(102)，燃油同时带走供油管(102)的热量，实现对供油管(102)的热防护，燃油供油管(102)经过连接段(3)进入径向稳定器(2)，对径向稳定器(2)进行射流冲击冷却并从径向稳定器(2)侧壁面设置的喷油孔喷出，完成供油。
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