CN115076721A - 一种预蒸发驻涡值班火焰稳定器及其工作方法 - Google Patents

一种预蒸发驻涡值班火焰稳定器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预蒸发驻涡值班火焰稳定器及其工作方法。本发明的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，包括驻涡值班稳定器、设置在所述驻涡值班稳定器下方的径向稳定器、设置在所述驻涡值班稳定器后方的蒸发腔、设置在所述蒸发腔内的供油装置、用于将外涵气流引入所述蒸发腔的引气通道、连通所述驻涡值班稳定器的凹腔以及蒸发腔的进气通道，所述凹腔上方设置有点火装置。本发明利用在蒸发腔内形成的回流区加强燃油和空气的混合，增加燃油在燃烧室内的停留时间，提高燃油的蒸发效果，并且提高了点火性能。

Description

一种预蒸发驻涡值班火焰稳定器及其工作方法
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TBCC发动机超级燃烧室，特别涉及一种预蒸发驻涡值班火焰稳定器及其工作方法。
背景技术
高超声速飞行器被誉为继螺旋桨和喷气式飞机之后的又一次航空技术革命，目前处在航空航天技术领域的制高点。能否实现高超声速飞行，动力装置是关键。TBCC发动机具备可常规起降、经济性好、安全性好和作战效能高等诸多优点。可以作为各类高超声速飞行器的动力装置，具有很好的应用前景。由于涵道比在整个工作范围内变化大的特点造成TBCC超级燃烧室内部来流温度较低和局部流速过大的流动条件，给超级燃烧室内部的点火和火焰稳定带来困难。
随着发动机飞行包线的拓宽，加力/冲压燃烧室来流速度增加、来流温度降低，气流在燃烧室内停留时间的降低、对燃油的蒸发作用减弱，同时气流温度降低导致燃油黏度的增加也不利于燃油的雾化。研究表明，蒸发式火焰稳定器具有贫油点熄火包线宽、燃烧效率高、工作稳定等优点，并已经应用于AL31-F和斯贝发动机的加力燃烧室。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，形成值班与径向组合火焰稳定器。
驻涡燃烧技术采用后向台阶+前向台阶组合的方式能将回流区锁住，减少值班区与主流的接触以保护值班区流场稳定性。具有可燃速度极限大、贫油熄火极限低和高效燃烧范围宽等优点。目前凹腔驻涡稳定器供油多采用喷嘴贴近壁面喷注的方式，主要用到离心喷嘴，但是在高温的作用下，离心喷嘴内容易发生燃油结焦堵塞喷孔的问题。还有将蒸发管置于凹腔内的供油方式，但这种方式存在蒸发管式喷嘴被高温火焰包围导致喷嘴被烧蚀的问题。由于驻涡凹腔包含后向台阶结构，气流在流过后向台阶时，流道突然扩张，气流在后向台阶处会形成涡，使得冷气不能贴着凹腔壁面流动，冷却效果变差，容易导致凹腔后壁面被烧蚀。典型的驻涡模式为双涡模式，一部分凹腔空气与燃油采用非预混的方式从凹腔前壁底部供入凹腔，另一部分凹腔空气从凹腔后壁中部位置供入凹腔，在前后壁射流的共同作用下，凹腔中形成了双涡流动结构。双涡模式虽然加强了凹腔气流与主流的掺混，但却忽略了后壁的冷却，并且在主流流速较大时能否保持稳定还有待研究。
综上，现有技术主要存在以下问题：一是燃烧室来流速度大，混气在凹腔内停留时间变短，燃油未能够充分蒸发就已经流出燃烧室；此外，燃油与空气的掺混时间缩短，不易形成气相油气混合物；冲压工况下来流温度低，导致燃油黏度增大，对燃油的雾化和蒸发均不利；这些因素均导致了点火性能的下降；二是由于组成凹腔的后向台阶与机匣形成突扩通道，外涵气流流经后向台阶时会在凹腔后壁形成回流区，降低外涵气流与后壁面的传热效果，不利于冷却；三是点火器头部处于高速气流中，点火器放电产生的热量小于散失的热量，导致热量无法积累，因此点火失败。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种预蒸发驻涡值班火焰稳定器，利用蒸发腔内形成的回流区加强燃油和空气的混合，增加燃油在燃烧室内的停留时间，提高燃油的蒸发效果，并且提高了点火性能。本发明还提供了预蒸发驻涡值班火焰稳定器的工作方法。
技术方案：本发明所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，包括驻涡值班稳定器、设置在所述驻涡值班稳定器下方的径向稳定器、设置在所述驻涡值班稳定器后方的蒸发腔、设置在所述蒸发腔内的供油装置、用于将外涵气流引入所述蒸发腔的引气通道、连通所述驻涡值班稳定器的凹腔以及蒸发腔的进气通道，所述凹腔上方设置有点火装置。
本发明的预蒸发式驻涡值班稳定器，将蒸发腔与凹腔后壁面结合，直射式点火装置置于蒸发腔内，使其远离高温燃烧区，可以有效避免喷嘴被高温影响，与双涡模式不同，本发明的凹腔在后壁面气流的作用下形成一个连续完整的涡，属于单涡模式。
作为本发明的一种优选结构，所述供油装置设置在所述蒸发腔下方，所述供油装置的喷油孔设置在所述供油装置下方。
作为本发明的一种优选结构，所述进气通道由若干个进气槽组成，所述进气槽错位分布。
作为本发明的一种优选结构，位于两侧的进气槽的高于位于中间的进气槽
作为本发明的一种优选结构，所述驻涡值班稳定器包括前板、主板以及设置在所述主板后方的倾斜向下延伸的后板。
作为本发明的一种优选结构，所述供油装置的供油管通过底板安装在后板的底端。
作为本发明的一种优选结构，所述进气通道包括进气隔板，所述进气槽设置在进气隔板上。
作为本发明的一种优选结构，所述蒸发腔包括蒸发腔底板，所述蒸发腔底板后端设置有隔热屏。
作为本发明的一种优选结构，所述后板后方设置有引气隔板，所述引气隔板与所述后板之间的间隙形成引气通道。
作为本发明的一种优选结构，所述燃烧室包括机匣，所述径向稳定器设置在燃烧室内涵。
本发明所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器的工作方法，包括以下步骤：
(a)燃烧室进口气流分为内涵气流和外涵气流，内涵气流流过径向稳定器时，在径向稳定器后方形成一个稳定的回流区，起到稳定火焰的作用；外涵气流流过点火装置后，一部分继续向后方流动，另一部分则进入引气通道中，然后分别流向蒸发腔和隔热屏；
(b)流向蒸发腔的气流用于雾化和蒸发自供油装置中送出的燃油，流向隔热屏的气流用于对隔热屏前端进行冷却；蒸发腔内的燃油蒸汽和空气经过进气通道喷入驻涡值班稳定器中形成回流区；
(c)点火装置放电点燃驻涡值班稳定器内的油气混合物，形成值班火焰。从两侧进气槽喷出的油气混合物在驻涡值班稳定器内形成了完整连续的回流区，该回流区内形成自持火焰，作为稳定的点火源；
(d)驻涡值班稳定器内的高温燃烧产物顺着径向稳定器传向主流当中，与主流气流发生质量交换，主流开始供油，进入径向稳定器后方的值班火焰点燃主流中的油气混合物，完成火焰从驻涡值班稳定器向主流的传播。
有益效果：(1)本发明的蒸发腔设置在凹腔后壁面后方，与凹腔形成一个整体，一方面利用蒸发腔内形成的回流区增强气流与燃油的掺混并且增加燃油的停留时间，易于形成气相油气混合物，同时凹腔点火后燃烧产生的热量提高值班稳定器内燃油的蒸发率，有利于燃油蒸发，提高燃油的蒸发效果，提高点火性能；(2)本发明的引气通道从蒸发腔后方引入外涵气流，另一方面外涵气流在进入蒸发腔后会贴着凹腔后壁面流动，后壁表面气流速度较大，可以强化换热，另外利用燃油蒸发吸收热量可以进一步降低稳定器壁面的温度，增强后壁面的冷却效果，防止壁面烧蚀；(3)本发明的进气槽设置的方式为中间低两侧高，可以保证即使进气槽进气速度较大，在中间进气槽和凹腔底壁之间依然能够形成低速区域，有利于提高点火性能，使得值班稳定器在较高的来流速度下均能够点火成功。
附图说明
图1为本发明的加力燃烧室驻涡与径向组合火焰稳定器二维平面图；
图2为本发明的驻涡值班稳定器与径向组合火焰稳定器结构图；
图3为本发明的径向稳定器结构图；
图4为本发明蒸发腔工作原理图；
图5为本发明进气槽排布方式；
图6为驻涡值班稳定器不同截面流场，其中，(a)图为中间进气槽截面流线图，(b)图为两侧进气槽截面流线图。
具体实施方式
实施例：如图1所示，本发明的预蒸发驻涡值班火焰稳定器包含驻涡值班稳定器1，径向稳定器2，蒸发腔3，供油管4，引气通道5，进气通道6，点火装置7，设置在驻涡值班稳定器1后端的隔热屏8，机匣9以及分流板10。外涵气流9，内涵气流10，本实施例中点火装置7为高能电火花点火器。本发明中所述的前至后的方向为X轴延伸的方向，上至下的方向为Y轴延伸的方向。
驻涡值班稳定器1包括垂直延伸的前板101、水平延伸的主板102以及设置在主板102后方的倾斜向下延伸的后板103，前板101、主板102以及后板103围成了凹腔100，前板101前端设置有分流板10，径向稳定器2后端面与驻涡值班稳定器1前板101对齐，组成驻涡加径向组合火焰稳定器，用于稳定和传播火焰。如图3所示，径向稳定器2上下端面为楔形，端面前端倒圆角，用于抑制流动分离，可以降低气流的流动损失。
驻涡值班稳定器1形成的凹腔100后方为蒸发腔3，蒸发腔3在凹腔100的后板103后方与凹腔100形成一个整体，本发明将蒸发腔3与驻涡值班稳定器1一体化设计，减小了结构复杂性，一方面利用蒸发腔3内形成的回流区增强气流与燃油的掺混并且增加燃油的停留时间，同时凹腔点火后燃烧产生的热量提高驻涡值班稳定器内燃油的蒸发率，有利于燃油蒸发，提高点火性能。本实施例中，蒸发腔3包括了水平延伸的蒸发腔底板301，蒸发腔底板301与进气隔板602以及后板103共同围成了蒸发腔3，进气隔板602设置在蒸发腔底板301前端，与蒸发腔底板301垂直设置，后板103与蒸发腔底板301之间具有用于气流进入蒸发腔3的通道。本发明的驻涡值班稳定器将回流区驻定在凹腔内，受主流影响很小，并且将凹腔放置于燃烧室最大外径处，减小了主流总压损失。
本发明的供油装置4内嵌于蒸发腔3中，避免了对引气通道5中气流的扰动。供油装置4包括供油管401，供油管401通过底板402与后板103固定，供油管401下方设置有喷油孔403，如图4所示，燃油从供油管401喷出后打在蒸发腔底板301的壁面上，在壁面上形成一层油膜，油膜在进入蒸发腔3的气流气动力作用下失稳破碎形成大小不均的液滴，液滴在气动力的作用下进一步破碎成更小的液滴。蒸发腔3内的燃油受到来自壁面的加热，燃油吸收热量后蒸发为油雾蒸汽。燃油吸热的过程即完成了燃油的蒸发又达到了冷却壁面的效果。作为本发明的一种优选的实施方式，如图2所示，供油管4靠近蒸发腔3进气口设置，气流进入蒸发腔3后与燃油掺混形成油气混合物从交错排列的进气槽601流进驻涡值班稳定器1。
本发明的后板103后方形成了引气通道5，引气通道5引入外涵空气一部分用于雾化燃油，另一部分用来冷却隔热屏前端。作为本发明的一种优选实施方式，引气通道5包括了倾斜向下延伸的引气隔板501，引气隔板501与后板103平行设置，同时，引气隔板501前端设置了水平延伸的引气前板502，引气隔板501后端设置了与隔热屏8平行设置的引气后板503，引气前板502和引气后板503起到了导流板的作用，本发明通过在蒸发腔3上方设置的引气通道5，将外涵冷气引入蒸发腔3，冷气一方面可以雾化燃油，另一方面可以贴着凹腔100的后板103流动，流进凹腔内，后板103表面气流速度较大，可以强化换热，另外利用燃油蒸发吸收热量可以进一步降低稳定器壁面的温度，增强后板103的冷却效果，防止壁面烧蚀。另一部分外涵气流在引气后板503的作用下，流经隔热屏8。
本发明的进气通道6连通蒸发腔3和凹腔100，蒸发腔3内的燃油与外涵空气混合后经过进气通道6喷入驻涡值班稳定器1中形成回流区。如图5所示，本发明的进气通道6包括了若干个进气槽601，进气槽601设置在进气隔板602上，作为本实施例的一种优选结构，进气槽601错位分布。在本实施例中，进气槽601的分布形式为：在进气隔板602的两侧内凹形成条状的进气槽，在进气隔板602的中间同样开设有一个条状的进气槽，两侧的进气槽高于位于中间的进气槽，可以保证即使进气槽进气速度较大，在中间进气槽和凹腔100底壁之间依然能够形成低速区域，有利于提高点火性能。
本发明的点火装置7为高能电火花点火器，点火装置7从驻涡值班稳定器1的主板102中心插入，插入深度约为1-2mm，点火器头部直径约为10-12mm，放电后点燃驻涡值班稳定器1中的油气混合物。
本发明的燃烧室包括了上述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，还包括了设置在预蒸发驻涡值班火焰稳定器外周的机匣9。
本发明的预蒸发驻涡值班火焰稳定器工作方法为：
(a)燃烧室进口气流在分流板10的作用下分为外涵气流11以及内涵气流12，径向稳定器2为V型钝体，放置在内涵中对通道形成一定的堵塞作用，内涵气流12流过径向稳定器2时，会在径向稳定器后方形成一个稳定的回流区，起到稳定火焰的作用。
(b)外涵气流11流过高能电火花点火器后，一部分继续向后方流动，另一部分则进入引气通道5中，然后分别流向蒸发腔3和隔热屏8，流向蒸发腔3的气流用于雾化、蒸发燃油，流向隔热屏8的气流用于对隔热屏8前端进行冷却；
(c)蒸发腔3内的燃油蒸汽和空气经过进气槽601喷入驻涡值班稳定器1中形成回流区，从中间进气槽601喷出的油气混合物形成的回流区位于进气通道6和高能电火花点火器之间，在高能电火花点火器7附近形成低速回流区，高能电火花点火器放电点燃驻涡值班稳定器1内的油气混合物，形成值班火焰；从两侧进气槽601喷出的油气混合物在驻涡值班稳定器1内形成了完整连续的回流区，该回流区内能够形成自持火焰，可以作为稳定的点火源；
(d)驻涡值班稳定器1内的高温燃烧产物顺着径向稳定器2传向主流当中，与主流气流发生质量交换，主流开始供油，进入径向稳定器2后方的值班火焰点燃主流中的油气混合物，完成火焰从驻涡值班稳定器1向主流的传播。
应用例：图6是驻涡和径向组合火焰稳定器流场结构，可以看到中间进气槽截面中从进气槽喷出的油气混合物沿着径向稳定器流向主流，主流中部分气流也进入到驻涡值班稳定器，二者完成质量交换。同时进气槽喷出的油气混合物与驻涡值班稳定器底部之间形成一个回流区，该回流区可以为点火提供有利条件。两侧进气槽截面中喷入驻涡值班稳定器的油气混合物形成了一个完整连续的回流区，该回流区可以作为稳定的点火源，形成自持火焰。蒸发腔内也形成了回流区，可以增加燃油停留时间，增强燃油和空气的混合。同时，从引气通道进入的外涵气流可以紧贴凹腔后壁面流动，可以带走更多的热量，增强后壁面的冷却效果。

Claims (10)

1.一种预蒸发驻涡值班火焰稳定器，其特征在于，包括驻涡值班稳定器(1)、设置在所述驻涡值班稳定器(1)下方的径向稳定器(2)、设置在所述驻涡值班稳定器(1)后方的蒸发腔(3)、设置在所述蒸发腔(3)内的供油装置(4)、用于将外涵气流引入所述蒸发腔(3)的引气通道(5)、连通所述驻涡值班稳定器(1)的凹腔(100)以及蒸发腔(3)的进气通道(6)，所述凹腔(100)上方设置有点火装置(7)。
2.根据权利要求1所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，其特征在于，所述供油装置(4)设置在所述蒸发腔(3)下方，所述供油装置(4)的喷油孔(401)设置在所述供油装置(4)下方。
3.根据权利要求1所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，其特征在于，所述进气通道(6)由若干个进气槽(601)组成，所述进气槽(601)错位分布；和/或位于两侧的进气槽的高于位于中间的进气槽。
4.根据权利要求1所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，其特征在于，所述驻涡值班稳定器(1)包括前板(101)、主板(102)以及设置在所述主板(102)后方的倾斜向下延伸的后板(103)。
5.根据权利要求4所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，其特征在于，所述供油装置(4)的供油管(401)通过底板(402)安装在后板(103)的底端。
6.根据权利要求5所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，其特征在于，所述进气通道(6)包括进气隔板(602)，所述进气槽(601)设置在进气隔板(602)上。
7.根据权利要求6所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，其特征在于，所述蒸发腔(3)包括蒸发腔底板(301)，所述蒸发腔底板(301)后端设置有隔热屏(8)。
8.根据权利要求7所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器，其特征在于，所述后板(103)后方设置有引气隔板(501)，所述引气隔板(501)与所述后板(103)之间的间隙形成引气通道(5)。
9.一种包含如权利要求1所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括机匣(9)，所述径向稳定器(2)设置在燃烧室内涵。
10.一种如权利要求1所述的预蒸发驻涡值班火焰稳定器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)燃烧室进口气流分为内涵气流和外涵气流，内涵气流流过径向稳定器(2)时，在径向稳定器(2)后方形成一个稳定的回流区，起到稳定火焰的作用；外涵气流流过点火装置(7)后，一部分继续向后方流动，另一部分则进入引气通道(5)中，然后分别流向蒸发腔(3)和隔热屏(8)；
(b)流向蒸发腔(3)的气流用于雾化和蒸发自供油装置(4)中送出的燃油，流向隔热屏(8)的气流用于对隔热屏前端进行冷却；蒸发腔(3)内的燃油蒸汽和空气经过进气通道(6)喷入驻涡值班稳定器(1)中形成回流区；
(c)点火装置(7)放电点燃驻涡值班稳定器(1)内的油气混合物，形成值班火焰。从两侧进气槽喷出的油气混合物在驻涡值班稳定器(1)内形成了完整连续的回流区，该回流区内形成自持火焰，作为稳定的点火源；
(d)驻涡值班稳定器(1)内的高温燃烧产物顺着径向稳定器(2)传向主流当中，与主流气流发生质量交换，主流开始供油，进入径向稳定器(2)后方的值班火焰点燃主流中的油气混合物，完成火焰从驻涡值班稳定器(1)向主流的传播。
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