CN113757723B - 一种复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器及燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器及燃烧室。所述壁式火焰稳定器包括水平延伸的导流板、前气冷斜板、气冷平板、后气冷斜板以及设置在所述后气冷斜板后端的油冷分流板；所述前气冷斜板、气冷平板以及后气冷斜板中空形成相互连通的气冷腔体，所述气冷腔体被分隔成第一腔体以及位于所述第一腔体下方的第二腔体；所述油冷分流板上设置有燃油引管；所述油冷分流板中空形成油冷蒸发腔。本发明在壁式稳定器凹腔区域组合使用冲击冷却和气膜冷却，在其火焰尾迹辐射的分流板内部使用油冷，有效地降低稳定器热侧壁面温度，提高稳定器在高温燃气中的寿命。

Description

一种复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器及燃烧室

技术领域

本发明涉及航空动力推进系统技术领域，特别涉及一种复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器及燃烧室。

背景技术

伴随着现代先进航空器对发动机最大推力和机动性能的要求不断提升，推力增强装置的温升要求也逐渐提高，这给各关键热端部件的设计带来了新的挑战。目前，使用在航空发动机热端部件的常规材料为高温合金，其耐温极限在1200-1300K以下，然而可以预见的是，未来随着先进加力/冲压燃烧室的发展，其火焰稳定器在高温火焰中壁面温度将远高于这个温度，火焰稳定器热侧壁面的热防护设计也必然成为一个关键部分。此外，先进航空发动机加力燃烧室和冲压燃烧室进口速度越来越高，为了高效、可靠和稳定地组织燃烧，需要优化燃烧室的火焰稳定装置。

目前，在航空发动机中常用的冷却技术主要包括气冷和油冷两种。其中，常规的气冷技术主要包括气膜冷却、冲击冷却和射流冷却等。在过去几十年中，在先进的加力/冲压燃烧室中，广泛使用的火焰稳定器包括钝体火焰稳定、蒸发式火焰稳定器、一体化火焰稳定器和壁式火焰稳定器等。其中，壁式火焰稳定器可以被用来产生一个较大的低速回流区，从而实现较好的点火性能和火焰稳定性，其既可以在加力燃烧室或组合发动机多模态燃烧室中做值班点火作用，也可以使用在冲压燃烧室中组织燃烧。为了实现对壁式火焰稳定器热侧壁面的高效冷却，可以考虑从压气机单独引入冷气对其进行冷却。此外，还可以优化设计壁式火焰稳定器的供油方案，充分利用低温燃油对稳定器的部分区域进行冷却，同时提高燃油温度，改善燃油射流的蒸发效果，提高稳定器的点火和火焰稳定性能。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，可以降低所有与火焰接触的热侧壁面温度，实现对冷却效果和凹腔火焰的主动控制，同时获得较好的点火和火焰稳定性能，解决了高温高速来流中点火和火焰稳定困难，且与火焰直接接触的热侧壁面温度超出常规高温合金的耐温极限需要做热防护的缺点，保证了火焰稳定器的工作可靠性。本发明还提供了含有该壁式火焰稳定器的燃烧室。

技术方案：一种复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，所述壁式火焰稳定器包括水平延伸的导流板、设置在所述导流板后端的前气冷斜板、设置在所述前气冷斜板后端的气冷平板、设置在所述气冷平板后端的后气冷斜板以及设置在所述后气冷斜板后端的油冷分流板；所述前气冷斜板、气冷平板以及后气冷斜板之间形成下凹腔，所述前气冷斜板、气冷平板以及后气冷斜板中空形成相互连通的气冷腔体，所述气冷腔体被分隔成第一腔体以及位于所述第一腔体下方的第二腔体，所述第一腔体与第一冷气引管连通，所述第一腔体以及第二腔体之间通过若干个气膜孔连通；所述第二腔体通过若干个气膜孔与下凹腔连通，所述气冷平板上设置有点火器；所述油冷分流板上设置有燃油引管；所述油冷分流板中空形成油冷蒸发腔，所述油冷蒸发腔靠近下凹腔侧开设与所述下凹腔连通的燃油喷射孔，所述燃油引管与所述油冷蒸发腔连通。

所述第一冷气引管设置于所述前气冷斜板与气冷平板的连接顶角处；所述后气冷斜板与所述气冷平板的连接处设置有以及第二冷气引管。

所述前气冷斜板内部中空且由第一隔板分隔成第一层气冷腔和第二层气冷腔；所述前气冷斜板靠近下凹腔一侧的第一热侧壁面上均匀开设有交叉排列的第一气膜孔，第一隔板上均匀开设有垂直于第一隔板壁面的交叉排列的第一气冷冲击孔。

所述前气冷斜板与气冷平板的夹角为120°；所述第一气膜孔与第一热侧壁面的夹角为30°；和/或所述第一气膜孔与第一气冷冲击孔交错排列。

所述气冷平板内部中空且由第二隔板分隔成第三层气冷腔和第四层气冷腔；所述气冷平板靠近下凹腔一侧的第二热侧壁面上均匀开设交叉排列的第二气膜孔，所述第二隔板上均匀开设垂直于所述第二隔板壁面的交叉排列的第二气冷冲击孔。

所述第二气膜孔与第二热侧壁面的夹角为30°；和/或所述第一气膜孔与第二气冷冲击孔交错排列。

所述后气冷斜板内部中空由第三隔板分隔成第五层气冷腔和第六层气冷腔；所述气冷平板靠近下凹腔一侧的第三热侧壁面上均匀开设交叉排列的第三气膜孔，所述第三隔板上均匀开设垂直于所述第三隔板壁面的交叉排列的第三气冷冲击孔。

所述第三气膜孔与第三热侧壁面的夹角为30°；和/或所述气膜孔与气冷冲击孔交错排列。

所述导流板与前气冷斜板夹角为60°；所述气冷平板与后气冷斜板的夹角为150°；所述油冷分流板与气冷平板平行设置；所述第一冷气引管的气体出口由所述前气冷斜板与气冷平板的连接顶角均分；所述第二冷气引管的气体出口由气冷平板与后气冷斜板的连接顶角均分。

本发明还提供了一种包含上述的壁式火焰稳定器的燃烧室。

有益效果：(1)本发明通过对壁式火焰稳定器凹腔内高温火焰区域的采用复合冲击气膜冷却技术，可以实现对凹腔热侧壁面的有效冷却，开设的气膜孔喷射的冷气射流可以加速凹腔内部与下方主流的质量交换，改善凹腔内的燃油雾化和蒸发速率，进而提高其点火和火焰稳定性能，由外壁单独引气的方式还可以实现对冷却效果和凹腔内部火焰的主动控制；(2)本发明将供油耦合设计到稳定器分流板上，不但可以在有效冷却在高温火焰上方的壁面，还可以充分利用该壁面火焰辐射的热量提高燃油喷射前温度，加快燃油进入凹腔后的蒸发速率，增强点火和火焰稳定能力；(3)本发明将喷油杆位置设计在凹腔右下角、主流回流起始区域，有利于提高燃油射流进入凹腔后在回流区内的掺混效果，此外，由于具有高效的冷却效果，可靠的点火和火焰稳定能力，这种复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器既可以用在加力燃烧室和多模态燃烧室中做值班点火，也可以用在冲压燃烧室组织燃烧；(4)本发明通过在连接顶角处设置的两路引气均匀分散到三块板的设计，可以提高冷却后壁面的温度均匀性。

附图说明

图1为本发明的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器示意图；

图2为本发明的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器凹腔区域局部图；

图3为装配复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器的加力燃烧室示意图；

图4为装配复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器的冲压燃烧室示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，现结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明中X轴延伸的方向为来流方向，也是本发明中所述的前至后的方向，Y轴延伸的方向为下至上的方向，也是本发明所述的径向延伸方向。本发明所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器1，包括导流板2、前气冷斜板3、气冷平板4、后气冷斜板5、油冷分流板6、第一冷气引管7、点火器8、第二冷气引管9和燃油引管10。

导流板2水平延伸，迎着来流平行安装。前气冷斜板3设置在导流板2后端，导流板2和前气冷斜板3夹角为60°。气冷平板4与导流板2平行，设置在前气冷斜板3的后端。后气冷斜板5设置在气冷平板4的后端，后气冷斜板5与气冷平板4夹角为150°。油冷分流板6设置在后气冷斜板5后端且与气冷平板4平行。前气冷斜板3沿着来流方向倾斜向上延伸，后气冷斜板5沿着来流方向倾斜向下延伸，前气冷斜板3、气冷平板4和后气冷斜板5依次连接形成一个向着上凸起的下凹腔11，用于产生低速回流区实现可靠的点火和火焰稳定性能。前气冷斜板3、气冷平板4以及后气冷斜板5各自中空形成相互连通的气冷腔体12，气冷腔体12被隔板分隔成第一腔体121以及位于第一腔体121下方的第二腔体122，第一腔体121以及第二腔体122之间通过若干个气膜孔连通，气膜孔设置在隔板上，该气膜孔的开孔方向垂直于隔板平面；第二腔体122通过若干个气膜孔与下凹腔11连通。设置在第二腔体122下方的气膜孔分别分布于前气冷斜板3、气冷平板4以及后气冷斜板5的下壁面，分布于前气冷斜板3下壁面上的气膜孔的开孔方向与Y轴延伸方向平行，与前气冷斜板3所在平面呈30°角。设置在气冷平板4下壁面的气膜孔的开孔方向与气冷平板4所在平面呈30°角，倾斜向前延伸；设置在后气冷斜板5下壁面的气膜孔开孔方向与后气冷斜板5所在平面呈30°夹角，与X轴延伸方向平行。

气冷腔体12至少设置有一根冷气引气管将外涵冷气引入气冷腔体内，在本实施例中，前气冷斜板3与气冷平板4连接顶角处设置第一冷气引管7，气冷平板4与后气冷斜板5连接顶角处设置第二冷气引气管9，两根引气管由顶角一分为二。从第一冷气引管7引入的冷气经过顶角处后，分两路进入前气冷斜板3的腔体内以及气冷平板4的腔体内，同样地，从第二冷气引气管9引入的冷气经过顶角处后，分两路进入气冷平板4的腔体内以及后气冷斜板5的腔体内，可以提高冷却后壁面的温度均匀性。

油冷分流板6右端垂直安装一根燃油引管10用于供油，油冷分流板6中空形成油冷蒸发腔601，油冷蒸发腔601靠近下凹腔11侧开设与下凹腔11连通的燃油喷射孔602，燃油引管10与油冷蒸发腔601连通。

如图2所示，前气冷斜板3内部由第一隔板301分割成为两层气冷腔，分别为第一气冷腔302和第二气冷腔303，气冷平板4内部由第二隔板401分割成为两层气冷腔，分别为第三气冷腔402和第四气冷腔403，后气冷斜板5内部由第三隔板501分割成为两层气冷腔，分别为第五气冷腔502和第六气冷腔503，各气冷腔相互连通。前气冷斜板3靠近下凹腔11侧的壁面为第一热侧壁面304，第一热侧壁面304上沿逆时针方向均匀开设与第一热侧壁面壁面夹角为30°的交叉排列的第一气膜孔305，第一隔板301上均匀开设有垂直于第一隔板301壁面且交叉排列的第一气冷冲击孔306。气冷平板4靠近下凹腔11的壁面为第二热侧壁面405，第二热侧壁面405上沿逆时针方向均匀开设与第二热侧壁面夹角为30°的交叉排列的第二气膜孔406，第二隔板401上均匀开设垂直于第二隔板401壁面的交叉排列的第二气冷冲击孔407。后气冷斜板5靠近下凹腔11的壁面为第三热侧壁面504，第三热侧壁面504上沿逆时针方向均匀开设与第三热侧壁面504壁面夹角为30°的交叉排列的第三气膜孔505，第三隔板301上均匀开设垂直于第三隔板301壁面且交叉排列的第三气冷冲击孔506。上述第一气膜孔305、第二气膜孔406、第三气膜孔505与第一气冷冲击孔306、第二气冷冲击孔407、第三气冷冲击孔506分别交错排列，从而实现冲击气膜复合冷却效果。

气冷平板4中间位置安装一个点火器8，用于点火，气冷平板4上安装点火器8的位置开设一个安装孔，第三气冷腔402、第四气冷腔403内部与点火器8间由一个衬套隔绝，防止漏气。

油冷分流板6内部挖空成为油冷蒸发腔601，油冷蒸发腔601与气冷腔体12隔绝，油冷分流板6的左端壁面开设与后气冷斜板壁面呈30°角的燃油射流孔602，燃油射流孔602用于将进入油冷蒸发腔601的燃油送入下凹腔11，燃油经过油冷蒸发腔601在对油冷分流板冷却的同时提高燃油温度，实现充分利用燃油冷却稳定器并提高燃油射流的蒸发效果。

本发明的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器既可以用在加力燃烧室和多模态燃烧室中做值班点火，也可以用在冲压燃烧室组织燃烧。

用于加力燃烧室时，该复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器可做值班点火使用。如图3所示，壁式火焰稳定器1的导流板2可以将加力燃烧室内外涵分列壁式稳定器上下两个通道。由压气机引入的冷气经过第一冷气引管7以及第二冷气引管9进入前气冷斜板3、气冷平板4和后气冷斜板5内部的第一腔体121(即第一气冷腔302、第三气冷腔402、第五气冷腔502，)随后通过第一气冷冲击孔306、第二气冷冲击孔407、第三气冷冲击孔506喷射进入第二气冷腔303、第四气冷腔403、第六气冷腔503并冲击冷却三块气冷板的第一热侧壁面304、第二热侧壁面405、第三热侧壁面504，最后经逆时针开设的与热侧壁面呈30°夹角的第一气膜孔305、第二气膜孔406、第三气膜孔505进入下凹腔11。气膜孔喷射的冷气在下凹腔11内的主流回流区切向流动，在近壁区形成一层冷气膜，可以凹腔内火焰对热侧壁面的烧蚀，降低热侧壁温，实现高效冷却。此外气膜孔喷射的冷气还可以在一定程度上加速凹腔内回流区的流动，即提高凹腔内燃气与主流的质量交换率，从而改善凹腔燃烧雾化和蒸发速率，提高点火和火焰稳定性能。由于油冷分流板6下方火焰直接接触油冷分流板6壁面，容易烧蚀壁面，因此，本发明将低温燃油经燃油引管10进入油冷分流板6的油冷蒸发腔601，燃油在冷却分流板6的同时被来自分流板热侧传递的热量加热升温，最后经位于凹腔回流开始的区域喷射进入凹腔内部，升温后的燃油蒸发速率已经得到提升，在凹腔随回流区的长时间停留也会增强其蒸发和掺混效果。最终，在综合使用外部引入冷气和充分利用供油系统的方式下，不但壁式稳定器上与火焰直接接触的几块板均实现综合冷却，同时还可以实现对冷却效果和凹腔内火焰的主动控制，并得到较好的点火和火焰稳定性能。

本发明的壁式火焰稳定器1用于冲压燃烧室时，如图4所示，其冷却和供油技术实现的原理和效果与用于加力燃烧室时完全一样。主要区别在于其导流板2和油冷分流板6整合到了冲压燃烧室的外壁面上。

本发明的壁式火焰稳定器提高了燃油温度，改善了燃油蒸发效果，提高了壁式稳定器的点火性能及火焰稳定性。且本发明结构简单，可以通过控制冷气流量实现对冷却效果和凹腔内部火焰的主动控制。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明精神和原理的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器（1），其特征在于，所述壁式火焰稳定器（1）包括水平延伸的导流板（2）、设置在所述导流板（2）后端的前气冷斜板（3）、设置在所述前气冷斜板（3）后端的气冷平板（4）、设置在所述气冷平板（4）后端的后气冷斜板（5）以及设置在所述后气冷斜板（5）后端的油冷分流板（6）；所述前气冷斜板（3）、气冷平板（4）以及后气冷斜板（5）之间形成下凹腔（11），所述前气冷斜板（3）、气冷平板（4）以及后气冷斜板（5）中空形成相互连通的气冷腔体（12），所述气冷腔体（12）被分隔成第一腔体（121）以及位于所述第一腔体（121）下方的第二腔体（122），所述第一腔体（121）与第一冷气引管（7）连通，所述第一腔体（121）以及第二腔体（122）之间通过若干个气膜孔连通；所述第二腔体（122）通过若干个气膜孔与下凹腔（11）连通，所述气冷平板（4）上设置有点火器（8），所述第一冷气引管（7）设置于所述前气冷斜板（3）与气冷平板（4）的连接顶角处；所述后气冷斜板（5）与所述气冷平板（4）的连接处设置有第二冷气引管（9）；所述油冷分流板（6）上设置有燃油引管（10）；所述油冷分流板（6）中空形成油冷蒸发腔（601），所述油冷蒸发腔（601）靠近下凹腔（11）侧开设与所述下凹腔（11）连通的燃油喷射孔（602），所述燃油引管（10）与所述油冷蒸发腔（601）连通。

2.根据权利要求1所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，其特征在于，所述前气冷斜板（3）内部中空且由第一隔板（301）分隔成第一层气冷腔（302）和第二层气冷腔（303）；所述前气冷斜板（3）靠近下凹腔（11）一侧的第一热侧壁面（304）上均匀开设有交叉排列的第一气膜孔（305），第一隔板（301）上均匀开设有垂直于第一隔板（301）壁面的交叉排列的第一气冷冲击孔（306）。

3.根据权利要求2所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，其特征在于，所述前气冷斜板（3）与气冷平板（4）的夹角为120度；所述第一气膜孔（305）与第一热侧壁面（304）的夹角为30度；和/或所述第一气膜孔（305）与第一气冷冲击孔（306）交错排列。

4.根据权利要求1所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，其特征在于，所述气冷平板（4）内部中空且由第二隔板（401）分隔成第三层气冷腔（402）和第四层气冷腔（403）；所述气冷平板（4）靠近下凹腔（11）一侧的第二热侧壁面（405）上均匀开设交叉排列的第二气膜孔（406），所述第二隔板（401）上均匀开设垂直于所述第二隔板（401）壁面的交叉排列的第二气冷冲击孔（407）。

5.根据权利要求4所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，其特征在于，所述第二气膜孔（406）与第二热侧壁面（405）的夹角为30度；和/或所述第二气膜孔（406）与第二气冷冲击孔（407）交错排列。

6.根据权利要求1所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，其特征在于，所述后气冷斜板（5）内部中空由第三隔板（501）分隔成第五层气冷腔（502）和第六层气冷腔（503）；所述后气冷斜板（5）靠近下凹腔（11）一侧的第三热侧壁面（504）上均匀开设交叉排列的第三气膜孔（505），所述第三隔板（501）上均匀开设垂直于所述第三隔板（501）壁面的交叉排列的第三气冷冲击孔（506）。

7.根据权利要求6所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，其特征在于，所述第三气膜孔（505）与第三热侧壁面（504）的夹角为30度；和/或所述第三气膜孔（505）与第三气冷冲击孔（506）交错排列。

8.根据权利要求1所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器，其特征在于，所述导流板（2）与前气冷斜板（3）夹角为60度；所述气冷平板（4）与后气冷斜板（5）的夹角为150度；所述油冷分流板（6）与气冷平板（4）平行设置；所述第一冷气引管（7）的气体出口由所述前气冷斜板（3）与气冷平板（4）的连接顶角均分；所述第二冷气引管（9）的气体出口由气冷平板（4）与后气冷斜板（5）的连接顶角均分。

9.一种包含如权利要求1所述的复合冲击气膜冷却壁式火焰稳定器（1）的燃烧室。

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