CN113864819A - 一种带气冷结构的加力燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带气冷结构的加力燃烧室，包括燃烧室筒体、涵道分流板、气冷支板火焰稳定器、气冷中心锥以及设置于所述涵道分流板后端的气冷壁式火焰稳定器。本发明通过一体化设置加力燃烧室，燃烧室的主要核心部件均带冷却结构，充分利用外涵低温空气和燃油进行冷却。且该燃烧室的结构紧凑，各核心部件工作可靠，并通过气冷壁式火焰稳定器和气冷中心锥环形凹腔的双值班点火方案拓宽了加力燃烧室的工作范围和点火可靠性。

Description

一种带气冷结构的加力燃烧室

技术领域

本发明涉及航空动力推进系统技术领域，特别涉及一种带气冷结构的加力燃烧室。

背景技术

传统加力燃烧室的喷油装置和火焰稳定器单独安装在主流中，会增加发动机长度，带来额外的冷态流动阻力，增加发动机的重量和油耗率。新一代加力燃烧室将涡轮后整流支板、火焰稳定器和中心锥等部件进行一体化设计，可以降低加力关闭状态下的流阻损失，缩短发动机的长度，减轻重量，提高推重比。当前先进航空发动机涡轮出口温度高达1300K，为了提升战斗机的作战性能，涡轮出口温度越来越高，加力核心温度也随之升高，这给加力燃烧室结构设计提出了新的要求，为了保证发动机的工作可靠性，必须对加力燃烧室的各核心部件进行冷却设计。此外，加力燃烧室主流速度的变化范围较大，高马赫数飞行时，在高速气流中的点火和火焰组织更加困难，需要优化设计火焰稳定器等核心部件从而提高加力燃烧室的点火性能、联焰/传焰性能和火焰稳定性能。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种带气冷结构的加力燃烧室，在涡轮出口高温高速来流条件下，对加力燃烧室各核心部件进行一体化设计和热防护设计，提高加力燃烧室的结构紧凑性，缩短燃烧室长度，减轻附件重量，拓宽加力燃烧室的工作范围，提高加力燃烧室核心部件的耐久性和工作可靠性。

技术方案：本发明所述的一种带气冷结构的加力燃烧室，包括燃烧室筒体、涵道分流板、气冷支板火焰稳定器、气冷中心锥以及设置于所述涵道分流板后端的气冷壁式火焰稳定器；所述燃烧室筒体、涵道分流板以及气冷中心锥均同轴设置，若干个所述气冷支板火焰稳定器周向分布于涵道分流板以及气冷中心锥之间，所述涵道分流板与气冷支板火焰稳定器的连接处设置有气体流道；每个所述气冷支板火焰稳定器连接有支板供油杆，所述气冷壁式火焰稳定器上设置有点火器以及离心供油装置；所述气冷支板火焰稳定器内部被分割成若干个气冷腔，每个所述气冷腔均与所述气流通道连通，所述气冷腔的外壁设置有若干个冷气射流孔；所述气冷支板火焰稳定器内设置有与所述支板供油杆连通的供油腔，在所述气冷支板火焰稳定器的侧壁以及后端均设置有与所述供油腔连通的燃油喷射孔；所述气冷中心锥包括依次设置的扩压段、环形凹腔以及气冷头部，所述气冷中心锥的外周设置有与所述气冷腔连通的腔体，所述腔体上设置有若干个气膜孔；所述气冷壁式火焰稳定器包括设置在所述涵道分流板后端的向外扩张的斜板以及设置于所述斜板后端水平延伸的水平板。

作为本发明的一种优选结构，所述气冷支板火焰稳定器由前至后依次被第一隔板以及呈T型的第二隔板’分隔成第一气冷腔、第二气冷腔以及位于所述第二气冷腔后方且并列分布的两个第三气冷腔，所述第二冷气腔两侧开设第一冷气射流孔；所述第二隔板的横板中空形成供油腔，所述供油腔在所述气冷支板火焰稳定器的两侧壁开设有若干个第一燃油喷射孔。

作为本发明的一种优选结构，所述第三气冷腔在所述气冷支板火焰稳定器的尾缘开设有若干个第二冷气射流孔；所述供油腔沿着所述气冷支板火焰稳定器的尾缘中心线均匀开设有若干个第二燃油喷射孔。

作为本发明的一种优选结构，所述扩压段的尾部至气冷头部的外周设置有第四冷气腔；所述第四冷气腔外周在环形凹腔对应位置设置有凹腔冷气腔，所述第四冷气腔通过若干个第一冷气进口与所述第一气冷腔以及第二气冷腔连通；所述凹腔冷气腔通过若干个第二冷气进口与第二气冷腔连通；所述第四冷气腔以及所述凹腔冷气腔外周设置有若干个气膜孔与主燃区连通。

作为本发明的一种优选结构，所述凹腔冷气腔的上端面设置有若干个第一气膜孔，所述凹腔冷气腔的后端面设置有若干个第二气膜孔；所述第四冷气腔在对应气冷头部的位置设置有若干个第三气膜孔。

作为本发明的一种优选结构，所述凹腔冷气腔上端面均匀开设有垂直于燃烧室中心轴的第一气膜孔，所述凹腔冷气腔的后端面均匀开设有平行于燃烧室中心轴的第二气膜孔；所述第四冷气腔在尾部均匀开设有平行于燃烧室中心轴的第三气膜孔。

作为本发明的一种优选结构，所述斜板以及水平板上分别设置有若干个冷气射流孔。

作为本发明的一种优选结构，所述气冷壁式火焰稳定器下游段安装有气冷防振隔热屏；所述气冷防振隔热屏上设置有若干个冷气射流孔。

作为本发明的一种优选结构，所述水平板上分别安装有点火器以及位于所述点火器后端的离心供油装置。

作为本发明的一种优选结构，所述气冷支板火焰稳定器前缘呈倒圆角结构，所述气冷支板火焰稳定器的中间为平直段，所述气冷支板火焰稳定器后端呈月牙形，所述气冷支板火焰稳定器沿着涵道分流板至气冷中心锥方向呈等比例收缩；所述供油腔的下端开设一个与水平方向呈-60°夹角的第三燃油喷射孔。

有益效果：(1)本发明将涵道分流板、整流支板、火焰稳定器、中心锥和供油杆进行一体化设计，强化了加力燃烧室的结构紧凑性，有效缩短燃烧室长度和减轻发动机重量；(2)本发明的壁式火焰稳定器和中心锥环形凹腔的双值班方案，可以提高加力燃烧室的点火可靠性和拓宽其工作范围，并且充分利用外涵低温冷空气对支板火焰稳定器、中心锥、壁式火焰稳定器和防振隔热屏进行冷却，可以提高加力燃烧室核心部件的耐久性和工作可靠性，并且加强内外涵气冷的掺混，提高核心流的燃烧效率；(3)本发明为了实现对支板火焰稳定器和中心锥的冷却，在涵道分流板上开设冷气进口，支板稳定器内部设计有冷气腔，中心锥内部设置冷气腔，引外涵低温空气对支板火焰稳定器和中心锥进行冷却；(4)本发明为了实现对壁式火焰稳定器和防振隔热屏的冷却，在二者壁面均匀开设冷却孔，利用外涵与内涵气流的压差促使冷气覆盖壁面形成冷气薄膜隔热层；(5)本发明通过特殊设计的气冷支板火焰稳定器的结构外形具有较低的流阻，较好周向联焰能力；(6)本发明的气冷支板火焰稳定器两侧冷气射流孔和燃油喷射孔的设置方式，可以有效提高燃油穿透深度，增强主流中燃油的雾化和掺混效果；(7)本发明的气冷支板火焰稳定器后端面同时设置冷气射流孔和喷油孔，既可以实现较好的热防护效果，又可以防止支板尾迹区因为冷气射流稀释导致熄火。

附图说明

图1为本发明的带气冷结构的一体化设计加力燃烧室整体示意图；

图2为本发明的加力燃烧室核心部件剖视图；

图3为本发明的加力燃烧室供油及点火装置排布方案示意图；

图4为本发明的加力燃烧室支板火焰稳定器排布示意图；

图5为本发明的加力燃烧室支板火焰稳定器截面A-A向剖视图；

图6为本发明的加力燃烧室支板火焰稳定器结构示意图；

图7为本发明的加力燃烧室气冷中心锥外形示意图；

图8为本发明的加力燃烧室气冷中心锥中心对称截面剖视图。

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、图3、图4所示，本发明的包括燃烧室筒体1、涵道分流板2、气冷支板火焰稳定器3、气冷中心锥4、气冷壁式火焰稳定5、支板供油杆6、点火器7、离心供油装置8和气冷防振隔热屏9。为了缩短加力燃烧室长度，减轻发动机重量，将涵道分流板2、气冷支板火焰稳定器3、气冷中心锥4、气冷壁式火焰稳定5器、支板供油杆6进行一体化设计。本发明所述的燃烧室中心轴为图2中所示的轴向中心轴O，本发明所述的轴向为图2中X轴延伸的方向，也是本发明中所述的前至后的方向，图2中Y轴的延伸方向为本发明所述的径向，也是本发明中所述的下至上的方向。

如图2所示，本实施例中燃烧室筒体1、涵道分流板2以及气冷中心锥4均同轴(图2中的中心轴O)设置，涵道分流板2将加力燃烧室内部分为内、外两个涵道。涵道分流板2与气冷支板火焰稳定器3的连接处设置有气体流道20，在本实施例中，气体流道20为周向分布在涵道分流板2上的长条形通道，用于将外涵气送入气冷支板火焰稳定器3，气体流道20在X轴方向的长度与气冷支板火焰稳定器3内部气冷腔的长度相同。

本发明中，若干个气冷支板火焰稳定器3周向分布于涵道分流板2以及气冷中心锥4之间，在本实施例中，气冷支板火焰稳定器3安装在涵道分流板2的后端，气冷支板火焰稳定器3共12根，沿加力燃烧室周向均匀分布，固定在环形的涵道分流板2和气冷中心锥4之间，每个气冷支板火焰稳定器3上端外接有支板供油杆6，同样地，支板供油杆6共计12根。

为了减小总压损失，气冷支板火焰稳定器3的前缘为倒圆角结构，气冷支板火焰稳定器3的中间为平直段，气冷支板火焰稳定器3的后端呈月牙形，为了提高支板靠近涵道分流板2一侧的周向联焰能力，气冷支板火焰稳定器3沿着涵道分流板2至气冷中心锥4方向(径向方向)，呈等比例收缩。

气冷壁式火焰稳定器5安装在涵道分流板2的后端，具体地，气冷壁式火焰稳定器5包括设置在涵道分流板2后端的向外扩张的斜板501以及设置于斜板501后端水平延伸的水平板502，点火器7以及离心供油装置8安装在水平板502上，在本实施例中，周向设置有6个点火器7和12个离心供油装置8，具体地，每根气冷支板火焰稳定器3正后方的气冷壁式火焰稳定器5的后端对应安装一个离心供油装置8，共计12个，每隔一根气冷支板火焰稳定器3正后方的气冷壁式火焰稳定器5的前端对应安装一个点火器7，共计6个。气冷防振隔热屏9安装在燃烧室筒体1和气冷壁式火焰稳定器5之间的下游段。

本发明中，支冷支板火焰稳定器3内部被分割成若干个气冷腔300，每个气冷腔300均与气流通道20连通，气冷腔300的外壁设置有若干个冷气射流孔，作为本发明的一种优选结构，气冷腔300上的冷气射流孔设置在气冷腔300的后方。气冷支板火焰稳定器3内设置有与支板供油杆6连通的供油腔，供油腔在气冷支板火焰稳定器3的侧壁以及后端均设置有燃油喷射孔，作为本实施例的一种优选结构，供油腔设置在支板火焰稳定器的后方。气冷中心锥4的外周设置有与气冷腔300连通的腔体400，腔体400上设置有若干个用于冷气送出的气膜孔。如图5、图6所示，气冷支板火焰稳定器3的内部前至后方向依次被第一隔板30以及呈T型的第二隔板30’分隔成第一气冷腔301、第二气冷腔302以及位于第二气冷腔302后方且并列分布的两个第三气冷腔303，第一气冷腔301、第二气冷腔302以及第三气冷腔303均与气体流道20连通，第二冷气腔302两侧开设第一冷气射流孔304，第一冷气腔301以及第二气冷腔302的下端与气冷中心锥4连通。第一隔板30为平板结构，第一隔板30沿着径向垂直于来流方向设置；第二隔板30’为T型板结构，T型板包括了横板以及与横板垂直的竖板，第二隔板30’的T型横板内部挖出一个外接支板供油杆6的圆柱形空腔作为供油腔305，供油腔305两侧壁开设有第一燃油喷射孔306，供油腔305后端(气冷支板火焰稳定器3的尾缘)开设有第二燃油喷射孔308，第三冷气腔303后端(气冷支板火焰稳定器3的尾缘)开设有第二冷气射流孔307，供油腔305下端开设与水平方向呈-60°夹角的第三燃油喷射孔309。第一冷气射流孔304和第一燃油喷射孔306在支板火焰稳定器3的两侧壁，在径向上处于同一高度。位于后端的第三冷气腔303的后端面开设的第二冷气射流孔307，在气冷支板稳定器3形成冷气涡以实现冷却，在供油腔305的后端面开设的第二燃油喷射孔308，补充冷气涡区的油气比，提高了火焰稳定。同时，供油腔305下端设置的第二燃油喷射孔309，在气冷中心锥4的环形凹腔402实现软点火。

气冷中心锥4包括依次设置的扩压段401、环形凹腔402以及气冷头部403。环形凹腔402为设置在扩压段401以及气冷头部403之间的向着燃烧室中心轴O方向内凹的一段环形壁面。气冷中心锥4的外周设置有与第一气冷腔301和第二气冷腔302连通的气冷腔，具体地，如图7和图8所示，本实施例在气冷中心锥4的扩压段401的尾部至气冷头部403的外周设置有第四冷气腔406。在本实施例中，环绕在气冷头部403外周的第四冷气腔406与气冷头部403的外壁面的距离大致相同，环绕在扩压段401尾部至环形凹腔402外周的第四气冷腔体与气冷中心锥4的外壁的距离逐渐减小。第四冷气腔406外周在环形凹腔402对应位置设置有凹腔冷气腔407，第四冷气腔406通过周向分布的若干个第一冷气进口404与第一气冷腔301以及第二气冷腔302连通；凹腔冷气腔407通过若干个周向设置的第二冷气进口405与第二气冷腔302连通。凹腔冷气腔407的上端面设置有若干个第一气膜孔408，凹腔冷气腔407的后端面设置有若干个第二气膜孔408，第四冷气腔406在气冷头部403对应位置设置有若干个第三气膜孔410，第一气膜孔408开孔方向垂直于燃烧室中心轴，第二气膜孔409的开孔方向平行于燃烧室中心轴，第三气膜孔410的开孔方向平行于燃烧室中心轴。

本实施例中，斜板501、水平板502以及气冷防振隔热屏9上分别设置有若干个冷气射流孔。具体地，设置在斜板501上的冷气射流孔平行于Y轴方向，设置在水平板502上的冷气射流孔逆着来流方向开孔且与水平板502所在平面呈60°夹角，设置在气冷防振隔热屏9上的冷气射流孔沿着来流方向倾斜，与气冷防振隔热屏9所在平面呈60°夹角。

由外涵进入加力燃烧室的高温低氧热燃气先经中心锥扩压段401，再经气冷支板火焰稳定器3，在气冷支板稳定器3尾迹区形成轴对称的形成低速回流区，在壁式火焰稳定器5凹腔和中心锥环形凹腔402中形成低速回流区。先通过离心供油装置8在壁式火焰稳定器5凹腔内喷入燃油，燃油在壁式凹腔回流区高温燃气的作用下快速雾化蒸发，随后通过点火器7点火，此时由支板供油杆6向支板火焰稳定器和中心锥环形凹腔402供给燃油，燃油卷入回流区中雾化蒸发，壁式凹腔区域的火焰通过支板火焰稳定器3实现径向传焰进入中心锥环形凹腔402区域，周向排布的12根支板火焰稳定器可以快速实现周向联焰作用。壁式火焰稳定器5的凹腔低速区和中心锥环形凹腔402的低速区均可实现在高速来流中构建稳定点火源的作用，因此可以拓宽加力燃烧室的工作范围；由外涵进入内涵的冷气不但可以实现冷却核心部件的作用，还可以提高主流的含氧量，改善加力燃烧室的燃烧效率。

由外涵进入加力燃烧室的低温冷空气一部分通过涵道分流板2上的进口进入气冷支板火焰稳定器3的第一气冷腔301、第二气冷腔302和第三气冷腔303，第一气冷腔301内的冷气对高温内涵燃气中的气冷支板火焰稳定器3的前半部分进行冷却后，进入气冷中心锥4的第四气冷腔406，经过气冷头部403上的第三气膜孔410在壁面形成冷气膜实现热防护作用，最后与主流掺混；第二气冷腔302内的冷气对高温内涵燃气中的气冷支板火焰稳定器3中间部分进行冷却的后，部分进入气冷中心锥4的头第四气冷腔406，部分进入凹腔冷气腔407并经第一气膜孔408和第二气膜孔409分别进入环形凹腔402的回流区以及气冷头部403上方的主流中，另有一小部分由第二冷气腔302两侧的第一冷气射流孔304喷射进入主流中形成射流柱，射流柱下游存在低速区；第三冷气腔303中的冷气则经第二冷气射流孔307进入支板火焰稳定器3下游近壁区，在主流和回流区的共同作用下，形成冷气涡，实现热防护作用。另有部分外涵气在压差的作用下经壁式火焰稳定器5上的冷气射流孔在壁式火焰稳定器5近壁区域形成冷气层，其余气体经壁式火焰稳定器5上方的通道流向下游，在防振隔热屏9的作用下分为两股流，一股由壁式火焰稳定器5与防振隔热屏9之间的通道进入内涵通道与高温火焰掺混，防振隔热屏9上方通道的冷气在压差作用下在热侧形成一层冷气层。本发明充分利用外涵低温冷空气，对加力燃烧室燃烧区域的部件热侧进行冷却，有效提高加力燃烧室核心部件的耐久性和可靠性。

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 (10)

1.一种带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，包括燃烧室筒体(1)、涵道分流板(2)、气冷支板火焰稳定器(3)、气冷中心锥(4)以及设置于所述涵道分流板(2)后端的气冷壁式火焰稳定器(5)；所述燃烧室筒体(1)、涵道分流板(2)以及气冷中心锥(4)均同轴设置，若干个所述气冷支板火焰稳定器(3)周向分布于涵道分流板(2)以及气冷中心锥(4)之间，所述涵道分流板(2)与气冷支板火焰稳定器(3)的连接处设置有气体流道(20)；每个所述气冷支板火焰稳定器(3)连接有支板供油杆(6)，所述气冷壁式火焰稳定器(5)上设置有点火器(7)以及离心供油装置(8)；所述气冷支板火焰稳定器(3)内部被分割成若干个气冷腔(300)，每个所述气冷腔(300)均与所述气流通道(20)连通，所述气冷腔(300)的外壁设置有若干个冷气射流孔；所述气冷支板火焰稳定器(3)内设置有与所述支板供油杆(6)连通的供油腔，在所述气冷支板火焰稳定器(3)的侧壁以及后端均设置有与所述供油腔连通的燃油喷射孔；所述气冷中心锥(4)包括依次设置的扩压段(401)、环形凹腔(402)以及气冷头部(403)，所述气冷中心锥(4)的外周设置有与所述气冷腔(300)连通的腔体(400)，所述腔体(400)上设置有若干个气膜孔；所述气冷壁式火焰稳定器(5)包括设置在所述涵道分流板(2)后端的向外扩张的斜板(501)以及设置于所述斜板(501)后端水平延伸的水平板(502)。

2.根据权利要求1所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述气冷支板火焰稳定器(3)由前至后方向依次被第一隔板(30)以及呈T型的第二隔板(30’)分隔成第一气冷腔(301)、第二气冷腔(302)以及位于所述第二气冷腔(302)后方且并列分布的两个第三气冷腔(303)，所述第二冷气腔(302)两侧开设有第一冷气射流孔(304)；所述第二隔板(30’)的横板中空形成供油腔(305)，所述供油腔(305)在所述气冷支板火焰稳定器(3)的两侧壁开设有若干个第一燃油喷射孔(306)。

3.根据权利要求2所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述第三气冷腔(303)在所述气冷支板火焰稳定器(3)的尾缘开设有若干个第二冷气射流孔(307)；所述供油腔(305)沿着所述气冷支板火焰稳定器(3)的尾缘中心线均匀开设有若干个第二燃油喷射孔(308)。

4.根据权利要求3所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述扩压段(401)的尾部至气冷头部(403)的外周设置有第四冷气腔(406)；所述第四冷气腔(406)外周在环形凹腔(402)对应位置设置有凹腔冷气腔(407)，所述第四冷气腔(406)通过若干个第一冷气进口(404)与所述第一气冷腔(301)以及第二气冷腔(302)连通；所述凹腔冷气腔(407)通过若干个第二冷气进口(405)与第二气冷腔(302)连通；所述第四冷气腔(406)以及所述凹腔冷气腔(407)外周设置有若干个气膜孔与主燃区连通。

5.根据权利要求4所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述凹腔冷气腔(407)的上端面设置有若干个第一气膜孔(408)，所述凹腔冷气腔(407)的后端面设置有若干个第二气膜孔(408)；所述第四冷气腔(406)在对应气冷头部(403)的位置设置有若干个第三气膜孔(410)。

6.根据权利要求5所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述凹腔冷气腔(407)上端面均匀开设有垂直于燃烧室中心轴的第一气膜孔(408)，所述凹腔冷气腔(407)的后端面均匀开设有平行于燃烧室中心轴的第二气膜孔(409)；所述第四冷气腔(406)在尾部均匀开设有平行于燃烧室中心轴的第三气膜孔(410)。

7.根据权利要求6所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述斜板(501)以及水平板(502)上分别设置有若干个冷气射流孔。

8.根据权利要求7所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述气冷壁式火焰稳定器(5)下游段安装有气冷防振隔热屏(9)；所述气冷防振隔热屏(9)上设置有若干个冷气射流孔。

9.根据权利要求8所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述水平板(502)上分别安装有点火器(7)以及位于所述点火器(7)后端的离心供油装置(8)。

10.根据权利要求9所述的带气冷结构的加力燃烧室，其特征在于，所述气冷支板火焰稳定器(3)前缘呈倒圆角结构，所述气冷支板火焰稳定器(3)的中间为平直段，所述气冷支板火焰稳定器(3)后端呈月牙形；所述气冷支板火焰稳定器(3)沿着涵道分流板(2)至气冷中心锥(4)方向呈等比例收缩；所述供油腔(305)的下端开设一个与水平方向呈-60°夹角的第三燃油喷射孔(309)。

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