CN113898973B - 一种油气复合冷却式火焰稳定器及燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气复合冷却式火焰稳定器及燃烧室。本发明所述的火焰稳定器包括火焰稳定器主体，所述火焰稳定器主体被隔板分成V型段和平直段；所述V型段的内部腔体由内向外被分隔成若干层相互连通的油冷腔；所述平直段的内部腔体与冷却气引管连通，所述平直段的外壁上设置有若干个用于将所述冷却气引管送入的气体送出的通孔。燃油经油冷腔后由燃油喷射孔垂直喷射进入高温主流。冷气经冷却引气管进入气冷腔，随后一部分经气膜孔在侧壁面形成气膜，剩余部分经冷气射流孔进入稳定器后端面近壁区形成冷气涡，既能降低稳定器平直段的壁温，还能提高稳定器尾迹区中的氧含量和燃烧效率。

Description

一种油气复合冷却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，特别涉及一种油气复合冷却式火焰稳定器及燃烧室。

背景技术

随着先进航空动力推进技术不断发展，为达到更大的推重比，涡扇和组合发动机主燃烧室的温升增大，燃气在涡轮前温度明显提高，使得进入加力/冲压燃烧室的来流温度大大提高。来流温度越来越高，各部件的热负荷越来越大，其供油方案也越来越复杂，燃油在喷射进入高温来流之前可以被用于冷却加力/冲压燃烧室的部分热端部件。此外，为了缩短燃烧室的长度、减轻发动机重量、增加喷油杆寿命、降低流动损失，在部分先进加力/冲压燃烧室中，已将燃油杆与稳定器进行一体化设计。

来流温度的提高给稳定器设计工作带来新的挑战，为使稳定器在高温条件下稳定可靠地工作，必须保证稳定器的壁面温度要在材料可以承受的范围内。此外，航空煤油的理论燃烧温度可以达到2200℃。然而，目前应用在稳定器上的耐高温合金材料熔点远低于火焰温度。因此，为了避免火焰稳定器被高温燃气烧蚀，在开发出理想材料之前燃气轮机高性能的获得必须采取一定的冷却技术提高火焰稳定器的寿命。火焰稳定器是保证先进航空发动机加力/冲压燃烧室稳定燃烧的核心部件，提高火焰稳定器的寿命，就是保证加力/冲压燃烧室的工作可靠性。气冷和油冷便是最广泛应用于航空发动机高温部件的冷却的两种冷却技术。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几种类型。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种油气复合冷却式火焰稳定器，解决了现有技术中，钝体火焰稳定器在高温来流及尾迹区高温火焰中容易烧蚀、喷油杆容易结焦堵塞的问题，该油气复合冷却式火焰稳定器可降低稳定器的所有外壁面温度、防止燃油结焦、提高燃油蒸发效果，提高火焰稳定器的工作可靠性和稳定性。

技术方案：本发明所述的一种油气复合冷却式火焰稳定器，包括火焰稳定器主体，所述火焰稳定器主体被隔板分成V型段和平直段；所述V型段的内部腔体由内向外被分隔成若干层相互连通的油冷腔，每个所述油冷腔之间通过设置在腔体壁面上的若干个燃油冲击孔连通，在所述V型段的外壁开设有若干个径向排列的与最外层的油冷腔连通的燃油喷射孔，最内层的油冷腔与燃油引管连通，所述燃油引管与吹油气引管连通；所述平直段的内部腔体与冷却气引管连通，所述平直段的外壁上设置有若干个用于将气体送出的通孔。

作为本发明的一种优选结构，所述平直段的内部腔体被分隔成双层气冷腔，每个气冷腔之间相互连通，所述冷气引管与最内层的气冷腔连通。

作为本发明的一种优选结构，所述平直段的内部腔体被分隔成位于内层的第一气冷腔以及位于所述第一气冷腔外周的第二气冷腔；所述第一气冷腔的壁面上设置有若干个冷气冲击孔用于与所述第二气冷腔连通，所述第二气冷腔的侧壁设置有若干个气膜孔，所述第二气冷腔的后壁设置有若干个冷气射流孔。

作为本发明的一种优选结构，所述平直段的内部腔体被矩形空腔隔板分隔成两层气冷腔。

作为本发明的一种优选结构，位于所述第一气冷腔的后壁面的冷气冲击孔与位于所述第二气冷腔的后壁面的冷气射流孔交叉排列。

作为本发明的一种优选结构，位于所述第二气冷腔侧壁的气膜孔与位于所述第一气冷腔的侧壁的冷气冲击孔交叉排列，所述气膜孔的开孔方向与所述第二气冷腔的侧壁呈30°夹角。

作为本发明的一种优选结构，所述V型段的内部腔体被第一三角形空腔隔板以及第二三角形空腔隔板隔成第一油冷腔、第二油冷腔以及第三油冷腔，相邻所述油冷腔壁面上的燃油冲击孔交叉排列。

作为本发明的一种优选结构，所述第一油冷腔的壁面均匀设置有的第一燃油冲击孔，所述第二油冷腔的壁面设置有第二燃油冲击孔；所述第一燃油冲击孔以及第二燃油冲击孔的开孔方向均垂直于油冷腔的壁面。

作为本发明的一种优选结构，所述燃油喷射孔位于所述V型段的下游。

本发明所述的一种燃烧室，包含上述的火焰稳定器。

有益效果：(1)本发明通过将燃烧室的供油集成到稳定器内部，取消喷油杆的布置，既可以免去喷油杆容易结焦需要热防护的问题，还可以缩短燃烧室的长度；(2)本发明多层油冷腔和燃油冲击冷却的设计可以增加燃油在V型段内的停留时间，提高燃油与稳定器壁面的换热效果，同时燃油在进入主流前温度已经被大幅度提高，这有利于燃油喷射进入主流后迅速蒸发，从而增强火焰稳定器的点火性能和火焰稳定性；当加力燃烧室不点火时，引入冷气吹除积油的设计可以有效防止油冷腔内高温燃油结焦，从而提高其供油系统的可靠性。由于V型段位于稳定器上游，远离尾迹区火焰，壁面承受的主要是主流高温燃气带来的热负荷，这段的外壁面温度比平直段的低很多，因此采用较小油量即可实现较好的热防护效果，可以根据燃烧室的需求供油；(3)本发明采用的冲击/气膜和冲击/射流复合冷却方式可以较好解决了稳定器平直段的热防护问题，解决了处于尾迹区下游受高温主流燃气和尾迹区中的火焰两种热负荷容易烧蚀的问题；(4)本发明的稳定器内部的冲击冷却方式可以实现一定的冷却效果带走部分壁面热量，结合外壁的气膜冷却方式可以将高温热燃气阻隔在近壁区外一定距离，从而实现对侧壁面的高效冷却，而且气膜孔与主流夹角很小，可以将流阻损失控制在较低的水平；(5)本发明内部的冲击冷却同样可以带走一部分热量，由冷却射流孔喷射的冷气射流可以在稳定器下游近尾迹区产生一系列的冷气涡，冷气进入近尾迹区后还可以降低混合物的温度和油气比，制造一个火焰镂空区，从而实现对稳定器后壁面的高效热防护作用，同时可以通过调节冷气量实现对尾迹区燃烧区强度和火焰稳定性的主动控制。

附图说明

图1为本发明的油气复合冷却式火焰稳定器示意图；

图2为本发明的油气复合冷却式火焰稳定器的透视效果图；

图3为本发明的火焰稳定器燃油喷射孔截面A-A向剖视图；

图4为火焰稳定器周边流场及火焰位置图。

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，本发明的油气复合冷却式火焰稳定器，包括火焰稳定器主体100，火焰稳定器主体100中空被隔板101分成V型段200和位于V型段200下游的平直段300。V型段200为中空的截面呈三角形的腔体，V型段200的内部腔体由内向外被分隔成若干层相互连通的油冷腔20，每个油冷腔20之间通过设置在油冷腔20的腔体壁面上的若干个燃油冲击孔连通，在V型段200的外壁开设有若干个径向排列的与最外层的油冷腔20连通的燃油喷射孔201，最内层的油冷腔20与燃油引管202连通，若干层油冷腔20的设置可以通过在油冷腔20内的冲击燃油冷却V型段200。燃油引管203与吹油气引管203连通，在本实施例中，燃油引管202与吹油气引管203的结构为在V型段200的上方安装的一根三通管，该三通管一个进口连接燃油引管202，三通管的另一进口连接吹油气引管203。V型段200的燃油由安装在上方的燃油引管202进入，燃油首先进入最内层的油冷腔20内，然后由最内层的油冷腔20壁面上的燃油冲击孔喷射进入相邻的下一层油冷腔20，通过该层油冷腔20壁面上的燃油冲击孔喷射进入外层的油冷腔20，最后再从分布于V型段200尾缘两侧的燃油喷射孔201喷射进入主流。当燃烧室不点火时，则通过吹油气引管203引入冷气将V型段200内部积油全部吹出，防止结焦，同时可以起到一定的冷却作用。

作为本实施例的一种优选结构，V型段200的内部腔体被第一三角形空腔隔板204以及第二三角形空腔隔板205隔成第一油冷腔206、位于第一油冷腔206外侧的第二油冷腔207以及位于第二油冷腔207外侧的第三油冷腔208，三个油冷腔的形状与V型段200的形状相同，均为三棱柱型空腔，相邻油冷腔20壁面上的的燃油冲击孔交叉排列。如图3所示，第一油冷腔206的壁面均匀设置有的第一燃油冲击孔209，第二油冷腔207的壁面设置有第二燃油冲击孔210；第一燃油冲击孔209以及第二燃油冲击孔210的开孔方向均垂直于油冷腔的壁面，即第一燃油冲击孔209为开设在第一三角形空腔隔板204上的通孔，第二燃油冲击孔210为开设在第二三角形空腔隔板205上的通孔。作为一种优选地开孔结构，第一三角形空腔隔板204的两侧壁上开设的第一燃油冲击孔209交叉排列，第二三角形空腔隔板205的两侧壁上开设的第二燃油冲击孔210交叉排列，同时第一燃油冲击孔209和第二燃油冲击孔210在三维空间位置上交错排列。

本发明的平直段300采用冲击/气膜和冲击/射流复合冷却，平直段300为中空的矩形空腔，平直段300的内部腔体与冷却气引管301连通，平直段300的冷气由安装在平直段300上方的冷却气引管301进入，平直段300的外壁上设置有若干个用于将冷却气引管301送入的气体送出的通孔。优选地，通孔的位置设置在平直段的侧壁以及后壁，实现对平直段300的冷却。

作为本实施例的一种优选结构，平直段300的内部腔体被矩形空腔隔板307分隔成双层气冷腔30，每个气冷腔30之间相互连通，如图3所示，平直段300的内部腔体分别为第一气冷腔302以及位于第一气冷腔302外周的第二气冷腔303，第一气冷腔302的结构也为矩形柱状腔体，第一气冷腔302的壁面上设置有若干个冷气冲击孔304用于与第二气冷腔303连通，冷气冲击孔304的开孔方向与第一气冷腔302的壁面垂直；第二气冷腔303的侧壁设置有若干个气膜孔305，第二气冷腔303的后壁设置有若干个冷气射流孔306。冷气引管301与最内层的气冷腔30连通将冷气送入第一气冷腔302内，然后由设置在矩形空腔隔板307两侧和后侧的冷气冲击孔喷射进第二气冷腔内303，随后在两侧的冷气经平直段300两侧壁面的气膜孔进入壁面近壁区与主流汇合，在后侧的冷却则由平直段300后侧壁面的冷气射流孔喷射进入稳定器尾迹区。

作为本实施例的一种优选结构，矩形空腔隔板307的两侧壁面即为第一气冷腔302的第一侧壁3021，第一侧壁3021均匀开设交叉排列的第一冷气冲击孔3041，在第一气冷腔302的第一后壁3022均匀开设交叉排列的第二冷气冲击孔3042；平直段300外壁的两侧壁面为第二侧壁3031，在第二侧壁3031上均匀开设与高温主流燃气夹角为30°的交叉排列的气膜孔305，平直段300的第二后壁3032均匀开设交叉排列的冷气射流孔306，冷气射流孔306的开孔方向与第二后壁3032垂直；第一气冷冲击孔3041和气膜孔305在三维空间位置上交错排列，第二气冷冲击孔3042和冷气射流孔306在三维空间位置上交错排列。

如图2所示，在具体应用中，可以选择以下参数的设置，V型段200的外壁面尾缘处均匀开设燃油喷射孔201，其间距为0.6W，W为平直段300的槽宽。平直段300的上方安装冷却引气管301。

加力燃烧室点火时，如图4所示，由前方涡轮排出的高温燃气先流经一体化火焰稳定器的V型段200，随后在平直段300后方形成一对对称的回流区。燃油由燃油引管1进入V型段200后，先进入第一层油冷腔206，然后经第一三角形空腔隔板204上的第一燃油冲击孔209喷射进入第二层油冷腔207，第一燃油射流211冲击冷却第二三角形空腔隔板205，随后由第二燃油冲击孔210喷射进入第三层油冷腔208，第二燃油射流212冲击冷却V型段200两侧外壁，用于冷却后的燃油最后从燃油喷射孔201垂直喷射进入主流中，在主流高温燃气中破碎、雾化、蒸发，并被卷入到平直段300后方的近壁区和回流区中稳定燃烧。新鲜冷却气由冷却气引管301进入第一冷气腔302，随后，一部分由矩形空腔隔板307两侧的第一侧壁3021上的第一冷气冲击孔3041喷射形成第一冷气射流308，冲击冷却平直段300的两侧壁面，并在第二冷气腔303稍作停留后由气膜孔305流出成为斜射流309进入侧壁面近壁区，形成气膜削减高温燃气与壁面的热传递，最终逐渐与主流掺混流向下游；同时，另一部分经矩形空腔隔板307的第一后壁面3022上的第二冷气冲击孔3042喷射形成第三冷气射流310，冲击冷却平直段300的第二后壁面3032，并在第二冷气腔303稍作停留后由冷气射流孔306喷射成为第四冷气射流311进入第二后壁面3032近壁区，在下游回流区的阻隔作用下形成冷气涡，冷气涡区域的温度和油气比均下降，促使该区域混合物无法着火而出现一个火焰镂空区，降低火焰与后壁面的辐射或热传递。最终，在采用冲击燃油冷却、冲击/气膜冷却和冲击/射流冷却等油气复合冷却设计下，实现对一体化火焰稳定器的高效热防护。此外，还可以通过控制稳定器的冷却气进气量，从而实现对稳定器下游火焰强度和稳定性的主动控制。

加力燃烧室不点火时，由吹油气引管202引入冷气将整个V型段200内的燃油吹除，既可以有效防止油冷腔内高温燃油结焦，又可以实现在高温燃气中对V型段200起到一定的热防护效果。同时，可以大量降低平直段300的冷气供应量，在既实现有效冷却的条件下，尽可能降低冷气带来的额外流动损失。

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 (8)

1.一种油气复合冷却式火焰稳定器，其特征在于，包括火焰稳定器主体（100），所述火焰稳定器主体（100）被隔板（101）分成V型段（200）和平直段（300）；所述V型段（200）的内部腔体由内向外被分隔成若干层相互连通的油冷腔（20），每个所述油冷腔（20）之间通过设置在腔体壁面上的若干个燃油冲击孔连通，在所述V型段（200）的外壁开设有若干个径向排列的与最外层的油冷腔（20）连通的燃油喷射孔（201），所述燃油喷射孔（201 ）位于所述V型段（200）的尾缘两侧；最内层的油冷腔（20）与燃油引管（202）连通，所述燃油引管（202）与吹油气引管（203）连通；所述平直段（300）的内部腔体与冷却气引管（301）连通，所述平直段（300）的内部腔体被分隔成双层气冷腔（30），每个气冷腔（30）之间相互连通，所述冷却气引管（301）与最内层的气冷腔（30）连通，所述平直段（300）的外壁上设置有若干个用于将气体送出的通孔。

2.根据权利要求1所述的油气复合冷却式火焰稳定器，其特征在于，所述平直段（300）的内部腔体被分隔成位于内层的第一气冷腔（302）以及位于所述第一气冷腔（302）外周的第二气冷腔（303）；所述第一气冷腔（302）的壁面上设置有若干个冷气冲击孔（304）用于与所述第二气冷腔（303）连通，所述第二气冷腔（303）的侧壁设置有若干个气膜孔（305），所述第二气冷腔（303）的后壁设置有若干个冷气射流孔（306）。

3.根据权利要求2所述的油气复合冷却式火焰稳定器，其特征在于，所述平直段（300）的内部腔体被矩形空腔隔板（307）分隔成两层气冷腔。

4.根据权利要求3所述的油气复合冷却式火焰稳定器，其特征在于，位于所述第一气冷腔（302）的后壁面的冷气冲击孔（304）与位于所述第二气冷腔（303）的后壁面的冷气射流孔（306）交叉排列。

5.根据权利要求4所述的油气复合冷却式火焰稳定器，其特征在于，位于所述第二气冷腔（303）侧壁的气膜孔（305）与位于所述第一气冷腔（302）的侧壁的冷气冲击孔（304）交叉排列，所述气膜孔（305）的开孔方向与所述第二气冷腔（303）的侧壁呈30°夹角。

6.根据权利要求5所述的油气复合冷却式火焰稳定器，其特征在于，所述V型段（200）的内部腔体被第一三角形空腔隔板（204）以及第二三角形空腔隔板（205）隔成第一油冷腔（206）、第二油冷腔（207）以及第三油冷腔（208），相邻所述油冷腔（20）壁面上的燃油冲击孔交叉排列。

7.根据权利要求6所述的油气复合冷却式火焰稳定器，其特征在于，所述第一油冷腔（206）的壁面均匀设置有的第一燃油冲击孔（209），所述第二油冷腔（207）的壁面设置有第二燃油冲击孔（210）；所述第一燃油冲击孔（209）以及第二燃油冲击孔（210）的开孔方向均垂直于油冷腔的壁面。

8.一种燃烧室，其特征在于，包含如权利要求1-7任一所述的火焰稳定器。

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