CN117232008A - 一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其包括：火焰稳定器，其下游区域形成有稳定的回流点火区域；喷油杆；冷却气进气管；以及设置于火焰稳定器后侧的尾缘翼板；其中，位于两个尾缘翼板之间的火焰稳定器后侧板上开设有多个冷却通道，冷却通道出口处的气流方向倾斜于流向方向设置，从而在尾缘空腔内形成冷却涡，以使火焰稳定器与回流点火区域相互间隔，从而将火焰稳定器与下游的回流点火区域相互隔离以减少火焰稳定器及燃油喷管等组件的热负荷，避免出现烧蚀和结焦问题，同时不会破坏火焰稳定器的稳焰功能，对稳定器后方的回流点火区域的影响较小。

Description

一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及变循环发动机，具体涉及一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器。

背景技术

变循环发动机(Variable Cycle Engine，VCE)作为一种能在亚音速巡航时保持低油耗、超声速巡航时保持高推力的动力装置，兼顾了涡喷和涡扇发动机各自的性能优势，其通过调整部件的结构形状或者位置，改变发动机热力学循环，能满足多种任务和环境特征对航空发动机的性能需求，是目前航空发动机领域研究的重点发展方向。

加力燃烧室是航空发动机的重要部件之一，相比于第三代加力燃烧室，变循环发动机加力燃烧室进口温度大幅提高，处于900～1400K之间，高性能军用航空发动机加力燃烧室的最高进口温度可超过1300K。加力燃烧室进口温度的大幅上升极大地加重了火焰稳定器、燃油喷管等组件的热负荷，这会引入新的科学问题及设计难点：其一，加力燃烧室内涵极高的温度已超过镍基单晶合金耐受温度，这会导致喷油杆和火焰稳定器出现烧蚀和结焦问题，尤其是火焰稳定器尾缘，因为距离火焰区最近，所以最容易发生烧蚀问题，进而影响航空发动机的可靠性与安全性；其二，气冷技术是最广泛应用于航空发动机高温部件的冷却技术之一，但是冷却气的排出方式可能对稳定器后方回流区造成影响，进而影响航空发动机的点火性能及燃烧稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其能够一体化地实现喷油、火焰稳定和冷却，有效解决变循环发动机加力燃烧室中喷油杆和火焰稳定器的烧蚀和结焦问题，同时对稳定器后方的回流区影响较小。

本发明提供一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其包括：

火焰稳定器，其内设有相互连通的油气混合腔室和冷却气腔室，其下游区域形成有稳定的回流点火区域；

喷油杆，连接于所述油气混合腔室的内部；

冷却气进气管，连接于所述冷却气腔室的内部；以及

尾缘翼板，设置于所述火焰稳定器的后侧，并分别从所述火焰稳定器的两个周向侧板的后端向后伸出，从而在两个所述尾缘翼板之间形成尾缘空腔；

其中，位于两个所述尾缘翼板之间的所述火焰稳定器的后侧板上开设有多个冷却通道，所述冷却通道出口处的气流方向倾斜于流向方向设置，从而在所述尾缘空腔内形成冷却涡，以使所述火焰稳定器与所述回流点火区域相互间隔。

优选地，所述冷却通道出口处的气流方向与流向方向之间的夹角为30°到60°。

优选地，多个所述冷却通道出口处的气流方向相对于流向方向向所述火焰稳定器的径向方向倾斜，从而在所述尾缘空腔内形成多个涡量沿周向方向延伸的冷却涡，且多个所述冷却涡沿径向方向排布。

优选地，多个所述冷却通道出口处的气流方向相对于流向方向向所述火焰稳定器的径向内侧倾斜，且多个冷却通道沿径向均匀设置，以使每个冷却通道排出的冷却气体所形成的冷却涡能够对该冷却通道与位于径向内侧的相邻冷却通道之间的部分所述后侧壁进行冷却。

优选地，多个所述冷却通道出口处的气流方向相对于流向方向向所述火焰稳定器的周向方向倾斜，从而在所述尾缘空腔内形成涡量沿径向方向延伸的所述冷却涡。

优选地，多个所述冷却通道沿周向方向分为两部分，且每一部分的所述冷却通道出口处的气流方向相对于流向方向向与该部分的所述冷却通道相靠近的一侧所述尾缘翼板倾斜，从而由两部分的所述冷却通道在所述尾缘空腔内形成多对沿周向方向排列的冷却涡。

优选地，所述火焰稳定器的后侧板呈折板结构，且所述折板结构中的至少一个板面垂直于流向设置，所述折板结构中沿周向位于最外侧的两个板面与所述尾缘翼板的后缘连接。

优选地，所述冷却通道开设于所述折板结构中周向外侧的两个板面之上，且所述冷却通道出口处的气流方向与流向方向之间的夹角大于90°，从而在所述折板结构的后侧形成一对涡量沿径向延伸的冷却涡。

优选地，所述火焰稳定器还包括：

前冲击隔板，分隔设置于油气混合腔室和冷却气腔室之间，且其上设有多个冲击气孔；以及

后冲击隔板，设置于所述火焰稳定器的后侧板的前侧，且其上设有多个冲击气孔。

优选地，所述冷却通道包括冷却狭缝和/或冷却孔。

基于此，本发明通过尾缘翼板在火焰稳定器的后侧板后方形成尾缘空腔，并通过在后侧板上构建冷却通道，从而在该尾缘空腔内形成冷却涡，将火焰稳定器与下游的回流点火区域相互隔离从而减少火焰稳定器及燃油喷管等组件的热负荷，避免出现烧蚀和结焦问题，同时不会破坏火焰稳定器的稳焰功能，对稳定器后方的回流点火区域的影响较小。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第一实施例在沿垂直于周向剖面的立体结构示意图；

图2为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第一实施例在沿垂直于径向剖面的立体结构示意图；

图3为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第二实施例在沿垂直于周向剖面的立体结构示意图；

图4为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第二实施例在沿垂直于径向剖面的立体结构示意图；

图5为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第三实施例在沿垂直于周向剖面的立体结构示意图；

图6为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第三实施例在沿垂直于径向剖面的立体结构示意图；

图7为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第四实施例在沿垂直于周向剖面的立体结构示意图；

图8为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第四实施例在沿垂直于径向剖面的立体结构示意图；

图9为本发明提供的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器的第四实施例在纵截面的温度云图；

附图标记：

1-火焰稳定器，11-油气混合腔室，12-冷却气腔室，13-回流点火区域，14-周向侧板，15-后侧板，16-前冲击隔板，17-后冲击隔板；

2-喷油杆；

3-冷却气进气管；

4-尾缘翼板，41-尾缘空腔；

5-冷却通道，51-冷却涡，52-冷却狭缝，53-冷却孔。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，并不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本发明可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明清楚且完整，并且向本领域技术人员充分表达本发明的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

如图1-9所示，在本发明提供的一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其包括火焰稳定器1、喷油杆2、冷却气进气管3和尾缘翼板4。其中的火焰稳定器1内设有相互连通的油气混合腔室11和冷却气腔室12，喷油杆2连接于油气混合腔室11的内部，而冷却气进气管3则连接于冷却气腔室12的内部。由此，冷却气将从冷却气进气管3进入冷却气腔室12，并在压力差的作用下流动至油气混合腔室11，随后在油气混合腔室11内部与从喷油杆2喷出的燃油混合，最终从油气混合腔室11壁面上开设的喷油孔中喷出，随气流流动至火焰稳定器1的下游而点火燃烧。

上述的冷却气可以取自温度相对较低的加力燃烧室的外涵区域，也可以直接取自温度更低的压气机，从而确保无论加力状态还是非加力状态，冷却气都能够对火焰稳定器1进行充分地冷却。在加力状态下，燃油从喷油杆2上设置的若干喷油孔中喷出，在喷射并撞击至油气混合腔室11内壁面的过程中逐渐雾化为小液滴，并受油气混合腔室11外部高温来流的影响而蒸发，从而充满油气混合腔室11，这些燃油小液滴或燃油蒸汽将进一步与来自冷却气腔室12的冷却气混合，并从喷油孔中喷出而组织燃烧。

本发明的火焰稳定器1的油气混合腔室11位于冷却气腔室12的上游区域，且油气混合腔室11具有流线型的迎风面结构，而冷却气腔室12的壁面则沿流向延伸，由此一方面能够使油气混合腔室11接触温度更高的来流而促进燃油的蒸发，另一方面则能够在火焰稳定器1的下游区域形成有稳定的回流点火区域13。

具体而言，如图9所示，在垂直于径向的截面上，温度云图中线条标识出气流的流线在火焰稳定器1的前缘被分为两股并分别贴合着火焰稳定器1的两个周向侧板14流动至火焰稳定器1的尾缘。当气流脱离火焰稳定器1尾缘后，由于气流周向内侧的压力较低，因此会产生向内运动的趋势并在火焰稳定器1的下游形成稳定的回流点火区域13。可以理解的是，该回流点火区域13卷积了大量从油气混合腔室11壁面的喷油孔中喷出的油气混合物，这些油气混合物将在高温作用下自燃从而形成稳定的点火源，从而帮助加力燃烧的组织与稳定。

进一步地，本发明将尾缘翼板4设置于火焰稳定器1的后侧，并使尾缘翼板4分别从火焰稳定器1的两周向侧板14的后端向后伸出，从而在两个尾缘翼板4之间形成尾缘空腔41。在此基础上，本发明在位于两个尾缘翼板4之间的火焰稳定器1的后侧板15上开设有多个冷却通道5，并将冷却通道5出口处的气流方向倾斜于流向方向设置，从而在尾缘空腔41内形成冷却涡51，以使火焰稳定器1与回流点火区域13相互间隔，减少从回流点火区域13向火焰稳定器1的热量传递。

由于尾缘翼板4相对于火焰稳定器1的两周向侧板14向后延伸，因此同样地能够将气流脱离火焰稳定器1尾缘的位置向后延伸，这一方面使温度更高的回流点火区域13远离火焰稳定器1及喷油杆2，减少高温影响而产生的烧蚀和结焦问题，另一方面，更靠后的回流点火区域13与火焰稳定器1之间流出足够的空间形成冷却涡51，从而避免冷却涡51对该回流点火区域13产生的不利影响。

优选地，冷却通道5出口处的气流方向与流向方向之间的夹角为30°到60°。相对于流向方向倾斜设置的气流方向，能够为冷却通道5排出的气体赋予垂直于流向方向的分速度，从而有助于冷却涡51的形成。并且，经计算发现，若夹角小于30°，则垂直于流向方向的分速度过小，无法形成足够强度的冷却涡51，而若夹角大于60°，则沿流向方向的分速度过大，部分冷气气流可能直接撞击到回流区13并对其产生影响。

优选地，火焰稳定器1还包括分隔设置于油气混合腔室11和冷却气腔室12之间的前冲击隔板16和设置于火焰稳定器1的后侧板15的前侧的后冲击隔板17，且前冲击隔板16和后冲击隔板17上均设有多个冲击气孔。

前冲击隔板16和后冲击隔板17的设置，一方面能够有效间隔火焰稳定器1内的油气混合腔室11、冷却气腔室12及火焰稳定器1的后侧板15，阻止热量在火焰稳定器1内部传递，另一方面冲击隔板上设置的冲击气孔则可以提高冷却气从冷却气腔室12进入油气混合腔室11或撞击至火焰稳定器1后侧板15的速度，从而进一步提高冷却效果。

以下结合附图对本发明的各个实施例做进一步说明。

如图1-2所示，在本发明的第一实施例中，多个冷却通道5出口处的气流方向相对于流向方向向火焰稳定器1的径向方向倾斜，从而在尾缘空腔41内形成多个涡量沿周向方向延伸的冷却涡51，且多个冷却涡51沿径向方向排布。

考虑到冷却涡51的尺寸，单个冷却涡51难以直接填满尾缘空腔41内的所有区域，因而本发明在火焰稳定器1的后侧壁上开设多个冷却通道5，形成多个涡量沿周向方向延伸的冷却涡51，从而通过多个冷却涡51沿径向方向排布的方式有效地填充尾缘空腔41，确保冷却涡51的间隔和冷却效果。

由于火焰稳定器1的径向外侧靠近外涵低温区域，而径向内侧靠近内涵高温区域，因而火焰稳定器1径向内侧的冷却需求将远大于其径向外侧。针对于此，在一个优选的实施例中，本发明将多个冷却通道5出口处的气流方向相对于流向方向向火焰稳定器1的径向内侧倾斜，且多个冷却通道5沿径向均匀设置，以使每个冷却通道5排出的冷却气体所形成的冷却涡51能够对该冷却通道5与位于径向内侧的相邻冷却通道5之间的部分后侧壁进行冷却，从而确保火焰稳定器1的径向内侧处有冷却涡51的分布。而对于冷却需求相对较低的火焰稳定器的径向外侧，则直接以温度较低的冷却气流进行冷却。

如图3-4所示，在本发明的第二实施例中，多个冷却通道5出口处的气流方向相对于流向方向向火焰稳定器1的周向方向倾斜，从而在尾缘空腔41内形成涡量沿径向方向延伸的冷却涡51。在第二实施例中，涡量沿径向方向延伸的冷却涡51的径向尺寸基本等同于火焰稳定器1，因而通过单一的冷却涡51即可有效填充整个尾缘空腔41。

然而，若尾缘空腔41内仅形成单一的涡量向径向内侧或径向外侧的冷却涡51，则该单一的冷却涡51就容易受来流的扰动而具有不稳定的形态，这对于冷却涡51所起到的间隔高温区域的作用无疑是不利的。因此，优选地，本发明的多个冷却通道5沿周向方向分为两部分，且每一部分的冷却通道5出口处的气流方向相对于流向方向向与该部分的冷却通道5相靠近的一侧尾缘翼板4倾斜，从而由两部分的冷却通道5在尾缘空腔41内形成多个冷却涡51，该多个冷却涡51可分为沿周向方向排列且涡量相互平衡的两部分。由于两部分的冷却通道5所分别形成的冷却涡51构成了多组涡量相互平衡的对涡，因而冷却涡51的形态更加稳定，更不容易受到来流的干扰而发生形态的异变。

如图5-6所示，在本发明的第三实施例中，冷却通道5被设置为冷却孔53的形态，其与本发明的第一实施例和第二实施例中的冷却狭缝52的形态相区别，能够使火焰稳定器1具有更优的结构强度，且能够通过控制每一个冷却孔53出口处的气流方向和/或开孔大小从而更精准地调控冷却涡51的形态。

如图7-9所示，在本发明的第四实施例中，优选地，火焰稳定器1的后侧板15呈折板结构，且折板结构中的至少一个板面垂直于流向设置，折板结构中沿周向位于最外侧的两个板面与尾缘翼板4的后缘连接。

其中，折板结构中垂直于流向设置的板面将为冷却涡51的形成提供足够的容纳空间，而沿周向位于最外侧的两个板面与尾缘翼板4后缘的直接连接，则可以在折板结构、尾缘翼板4与后冲击隔板17之间形成一冷却腔室，更有利于对尾缘翼板4的冷却。

优选地，冷却通道5开设于折板结构中沿周向位于最外侧的两个板面之上，且冷却通道5出口处的气流方向与流向方向之间的夹角大于90°，从而在折板结构的后侧形成一对涡量沿径向延伸的冷却涡51。

本发明利用相对于流向倾斜设置的折板结构中沿周向位于最外侧的两个板面，将冷却通道5的出口设置于该两个板面处，并调控冷却通道5出口处的气流方向与流向方向之间的夹角大于90°，能够更精准地调整气流在垂直于流向方向的周向方向上的分速度，从而更好地调整冷却涡51的形态。

因此，本发明通过尾缘翼板4在火焰稳定器1的后侧板15后方形成尾缘空腔41，并通过在后侧板15上构建冷却通道5，从而在该尾缘空腔41内形成冷却涡51，将火焰稳定器1与下游的回流点火区域13相互隔离从而减少火焰稳定器1及燃油喷管等组件的热负荷，避免出现烧蚀和结焦问题，同时不会破坏火焰稳定器1的稳焰功能，对稳定器后方的回流点火区域13的影响较小。

由此，在非加力状态下，火焰稳定器1的内部充有冷却气，在加力状态下，油气混合腔室11内填充有值班燃油，而冷却气腔室12内则填充有冷却气，冷却气分为三部分：第一部分冷却气向后流动，通过后侧板15上开设的冷却狭缝52或者冷却孔53到达尾缘空腔41，并在尾缘空腔41中停留一段时间，保护火焰稳定器1的后侧板15及尾缘翼板4，或者在尾缘空腔41内形成冷气涡，延长冷气停留时间，增强冷却效果；第二部分冷却气也向后流动，通过后冲击隔板17上的冲击气孔进入尾缘内侧，对火焰稳定器1后侧板15的内壁面进行冲击冷却；第三部分冷却气向前流动，经前冲击隔板16上的冲击气孔，到达火焰稳定器1的油气混合腔室11，冷却其中的喷油杆2与油气混合腔室11的前缘内侧壁面，从而解决喷油杆结焦问题，最后从周向侧板14上的喷油孔离开火焰稳定器1。

Claims (10)

1.一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，包括：

火焰稳定器(1)，其内设有相互连通的油气混合腔室(11)和冷却气腔室(12)，其下游区域形成有稳定的回流点火区域(13)；

喷油杆(2)，连接于所述油气混合腔室(11)的内部；

冷却气进气管(3)，连接于所述冷却气腔室(12)的内部；以及

尾缘翼板(4)，设置于所述火焰稳定器(1)的后侧，并分别从所述火焰稳定器(1)的两个周向侧板(14)的后端向后伸出，从而在两个所述尾缘翼板(4)之间形成尾缘空腔(41)；

其中，位于两个所述尾缘翼板(4)之间的所述火焰稳定器(1)的后侧板(15)上开设有多个冷却通道(5)，所述冷却通道(5)出口处的气流方向倾斜于流向方向设置，从而在所述尾缘空腔(41)内形成冷却涡(51)，以使所述火焰稳定器(1)与所述回流点火区域(13)相互间隔。

2.根据权利要求1所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述冷却通道(5)出口处的气流方向与流向方向之间的夹角为30°到60°。

3.根据权利要求1或2所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，多个所述冷却通道(5)出口处的气流方向相对于流向方向向所述火焰稳定器(1)的径向方向倾斜，从而在所述尾缘空腔(41)内形成多个涡量沿周向方向延伸的冷却涡(51)，且多个所述冷却涡(51)沿径向方向排布。

4.根据权利要求3所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，多个所述冷却通道(5)出口处的气流方向相对于流向方向向所述火焰稳定器(1)的径向内侧倾斜，且多个冷却通道(5)沿径向均匀设置，以使每个冷却通道(5)排出的冷却气体所形成的冷却涡(51)能够对该冷却通道(5)与位于径向内侧的相邻冷却通道(5)之间的部分所述后侧壁进行冷却。

5.根据权利要求1或2所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，多个所述冷却通道(5)出口处的气流方向相对于流向方向向所述火焰稳定器(1)的周向方向倾斜，从而在所述尾缘空腔(41)内形成涡量沿径向方向延伸的所述冷却涡(51)。

6.根据权利要求5所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，多个所述冷却通道(5)沿周向方向分为两部分，且每一部分的所述冷却通道(5)出口处的气流方向相对于流向方向向与该部分的所述冷却通道(5)相靠近的一侧所述尾缘翼板(4)倾斜，从而由两部分的所述冷却通道(5)在所述尾缘空腔(41)内形成多对沿周向方向排列的冷却涡(51)。

7.根据权利要求1所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述火焰稳定器(1)的后侧板(15)呈折板结构，且所述折板结构中的至少一个板面垂直于流向设置，所述折板结构中沿周向位于最外侧的两个板面与所述尾缘翼板(4)的后缘连接。

8.根据权利要求7所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述冷却通道(5)开设于所述折板结构中周向外侧的两个板面之上，且所述冷却通道(5)出口处的气流方向与流向方向之间的夹角大于90°，从而在所述折板结构的后侧形成一对涡量沿径向延伸的冷却涡(51)。

9.根据权利要求1所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述火焰稳定器(1)还包括：

前冲击隔板(16)，分隔设置于油气混合腔室(11)和冷却气腔室(12)之间，且其上设有多个冲击气孔；以及

后冲击隔板(17)，设置于所述火焰稳定器(1)的后侧板(15)的前侧，且其上设有多个冲击气孔。

10.根据权利要求1所述的具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述冷却通道(5)包括冷却狭缝(52)和/或冷却孔(53)。