CN117869937A - 一种在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其包括火焰稳定器、喷油杆、冷却气进气管、尾缘翼板以及尾缘凸台。一方面，本发明利用尾缘翼板在火焰稳定器后侧板的下游形成尾缘空腔，并在后侧板上设置尾缘凸台，从而利用尾缘凸台、后侧板及尾缘翼板上设置的冷却气孔在尾缘空腔内形成冷却涡，将火焰稳定器与其下游的回流区相隔离，进而降低火焰稳定器的热负荷，避免出现热烧蚀问题；同时，此冷却方式对稳定器后方回流区的影响较小，不会破坏火焰稳定器的稳焰功能。另一方面，冷却气进入火焰稳定器内部后还可以对喷油杆进行冷却，从而解决喷油杆结焦问题。

Description

一种在尾缘空腔内设有凸台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，涉及一体化加力燃烧室，具体涉及一种在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器。

背景技术

加力燃烧室是一种在飞机起飞、短暂加速和超音速飞行时使用，用于短暂增加航空发动机最大状态推力的设备，能大幅度地提高发动机的推重比。但是在传统加力燃烧室中，其内部各部件单独存在、独立工作，导致传统加力燃烧室的长度较长，重量较高，并且由于稳定器堵塞了内部通道，其在非加力状态下的“冷态”损失较大。

除此之外，随着新一代发动机性能的提高，主燃烧室的温升增大，燃气的涡轮前温度明显提高，加力燃烧室进口的燃气温度更高，从而带来一些问题。首先，更高的来流温度会增加燃油自燃、结焦的风险。其次，充当点火源的回流区温度极高，会对距离最近的稳定器尾缘造成极大的热负荷，从而引发稳定器的热烧蚀问题。因此，有必要对稳定器进行喷油/稳定/冷却一体化设计，以提高其工作寿命，并且冷却气的引入要考虑到尽量不干扰稳定器后方的回流区，降低对稳焰性能的影响。

中国专利CN202311340500.5公开了一种具有尾缘空腔的一体化火焰稳定器，它通过在稳定器后方构造尾缘空腔，利用冷却涡将稳定器尾缘与后方回流区隔离开，从而达到一定的冷却效果。但是申请人经研究发现，该专利技术方案仍存在一些不足之处：其冷却涡的冷却方式较为单一，没有对稳定器的尾缘壁面进行充分冷却；并且其开设冷却通道的位置较为单一，对于冷却涡的形态控制不够好。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种在尾缘空腔内设有凸台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，较为灵活的控制尾缘空腔内的冷却涡，有效降低燃油自燃、结焦以及稳定器热烧蚀的风险，同时对稳定器后方的回流区的干扰较小。

本发明提供一种在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，包括：

火焰稳定器，其包含火焰稳定器前缘、周向侧板、前隔板、后侧板和径向侧板，并在内部形成相互连通的油气混合腔、冷却气腔，在外部的下游形成回流区；

喷油杆，连接于所述油气混合腔的内部；

冷却气进气管，连接于所述冷却气腔的内部；

尾缘翼板，设置于所述火焰稳定器的后侧，并分别从两个所述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；

尾缘凸台，设置于所述后侧板上，并介于两个所述尾缘翼板的中间；

其中，所述尾缘翼板和所述尾缘凸台均呈与所述冷却气腔连通的中空结构，并且所述尾缘凸台和所述后侧板上，或者所述尾缘凸台和所述尾缘翼板上开设有多个冷却气孔，从而在所述尾缘空腔内所述尾缘凸台的周向两侧分别形成冷却涡，以使所述火焰稳定器与所述回流区相间隔。

优选地，所述尾缘翼板的后端面上设有沿平行于流向方向喷射冷却气的第一冷却孔。

优选地，当所述尾缘凸台的高度介于所述尾缘空腔流向长度的1/5至1/2时，所述冷却气孔包括位于所述尾缘凸台周向侧壁的第二冷却孔和位于所述后侧板的第三冷却孔。

优选地，所述第二冷却孔设置在所述尾缘凸台周向侧壁靠近所述后侧板的一侧，多个所述第二冷却孔沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于流向方向。

优选地，所述第三冷却孔设置在所述后侧板靠近所述尾缘翼板的一侧，多个所述第三冷却孔沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向平行于所述尾缘翼板的延伸方向。

优选地，当所述尾缘凸台的高度介于所述尾缘空腔流向长度的1/2至4/5时，所述冷却气孔包括位于所述尾缘凸台周向侧壁的第四冷却孔和位于所述尾缘翼板的第五冷却孔。

优选地，所述第四冷却孔设置在所述尾缘凸台周向侧壁远离所述后侧板的一侧，多个所述第四冷却孔沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于流向方向。

优选地，所述第五冷却孔设置在所述尾缘翼板靠近所述后侧板的一侧，多个所述第五冷却孔沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于所述尾缘翼板的延伸方向。

优选地，所述后侧板与所述尾缘凸台由整板经多次弯折构成，其中构成所述后侧板的板面垂直于流向设置，所述尾缘凸台的周向侧面沿流向设置，所述尾缘凸台的后侧面垂直于流向设置。

优选地，所述在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器还包括：

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。

基于此，一方面，本发明利用尾缘翼板在火焰稳定器的后侧板下游形成尾缘空腔，并在后侧板上设置尾缘凸台，从而利用尾缘凸台、后侧板及尾缘翼板上设置的冷却气孔在尾缘空腔内形成形态更为稳定的冷却涡，将火焰稳定器与其下游的回流区相隔离，进而降低火焰稳定器的热负荷，避免出现热烧蚀问题；同时，此冷却方式对稳定器后方回流区的影响较小，不会破坏火焰稳定器的稳焰功能。另一方面，冷却气通过冷却气孔能够对稳定器的尾缘壁面形成气膜冷却，进而有效提升火焰稳定器的使用寿命。

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为本发明提供的在尾缘空腔内设有凸台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为本发明提供的在尾缘空腔内设有凸台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为本发明提供的在尾缘空腔内设有凸台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温度和流线数值模拟示意图；

图4为本发明提供的在尾缘空腔内设有凸台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5为本发明提供的在尾缘空腔内设有凸台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6为本发明提供的在尾缘空腔内设有凸台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温度和流线数值模拟示意图；

附图标记：

1-火焰稳定器，11-火焰稳定器前缘，12-周向侧板，13-前隔板，14-后侧板，15-径向侧板，16-油气混合腔，17-冷却气腔，18-回流区，19-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-尾缘凸台；

6-冷却气孔，61-第一冷却气孔，62-第二冷却气孔，63-第三冷却气孔，64-第四冷却气孔，65-第五冷却气孔，66-冷却涡。

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。本实用新型可以以许多不同的形式实现，不限于这里的实施例。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1-6所示，本发明提供一种在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其主体结构为火焰稳定器1、喷油杆2、冷却气进气管3、尾缘翼板4和尾缘凸台5。火焰稳定器1主要包含火焰稳定器前缘11、周向侧板12、前隔板13、后侧板14和径向侧板15，并在内部形成相互连通的油气混合腔16、冷却气腔17，在外部的下游形成回流区18。喷油杆2被连接于油气混合腔16的内部，而冷却气进气管3被连接于冷却气腔17的内部。由此，来自外涵道的冷却气体将通过冷却气进气管3进入冷却气腔17，对冷却气腔17进行有效冷却，而部分冷却气将进一步从冷却气腔17进入油气混合腔16，与喷油杆2喷出的燃油充分混合形成油气混合物后从周向侧板12上的喷油孔中喷出，沿着周向侧板12流动至回流区18并驻留燃烧，从而起到构建稳定点火源的作用。

前隔板13能够有效隔离火焰稳定器1内的油气混合腔16与冷却气腔17，从而防止油气混合腔16内的燃油进入冷却气腔17。此外，前隔板13还能够增加冷却气在油气混合腔16内的停留时间，确保冷却效果。

火焰稳定器1的后侧还设有一对尾缘翼板4，并分别从火焰稳定器1的两个周向侧板12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。并且，本发明在尾缘空腔41的内部，火焰稳定器1的后侧板14上设置有尾缘凸台5，并使尾缘凸台5介于两个尾缘翼板4的中间。该尾缘翼板4和尾缘凸台5共同构成的火焰稳定器1的尾缘结构能够更有利于布置冷却气孔6以形成冷却涡66。

具体而言，尾缘翼板4和尾缘凸台5均呈与冷却气腔17连通的中空结构，并且尾缘凸台5和后侧板14上或是尾缘凸台5和尾缘翼板4上开设有冷却气孔6，冷却气孔6被构造为喷出的气流可以在尾缘空腔41内尾缘凸台5的周向两侧分别形成冷却涡66，以使火焰稳定器1与回流区18相互间隔，保护火焰稳定器1的后侧板14免受回流区18的高温影响而产生热烧蚀问题。

考虑到冷却涡66的尺寸，单个冷却涡66难以直接填满尾缘空腔41内的所有区域，因而本发明在尾缘凸台5、后侧板14以及尾缘翼板4上沿径向开设多个冷却气孔6，形成多个涡量沿周向方向延伸的冷却涡66，从而通过多个冷却涡66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66的间隔和冷却效果。

本发明通过在尾缘空腔41内设置尾缘凸台5，从而能够利用尾缘凸台5沿流向的尺寸更方便地布置冷却气孔6，并且能够使从冷却气孔6喷出的气体具有垂直于流向的初速度，更有利于在尾缘空腔41内部构建冷却涡66。关于冷却气孔6促进冷却涡66形成的具体方式，将在以下两个优选的实施例中予以阐述。

如图1-3所示，在本发明的第一个实施例中，当尾缘凸台5的高度较短，例如介于尾缘空腔41流向长度的1/5至1/2时，冷却气孔6包括位于尾缘凸台5周向侧壁的第二冷却孔62和位于后侧板14的第三冷却孔63。由此，如图3所示，第二冷却孔62所产生的垂直于流向的气流速度与第三冷却孔63所产生的沿流向的气流速度将促使冷却气在尾缘凸台5的周向两侧分别形成涡量沿径向向外(即图3尾缘凸台5下部区域示出的逆时针旋转的旋流区域)和沿径向向内(即图3尾缘凸台5上部区域示出的顺时针旋转的旋流区域)的两组涡。

并且，第二冷却孔62和第三冷却孔63持续喷出冷却气流一方面能够如前文所述促进冷却涡66的形成，另一方面则通过不断注入新鲜的冷却气能够持续不断地维持冷却涡66，确保该处的冷却涡66不至于耗散，且保持冷却涡66处的气流处于一个相对低温的环境，防止火焰稳定器1的尾缘区域被烧蚀破坏。

优选地，第二冷却孔62设置在尾缘凸台5周向侧壁靠近后侧板14的一侧，多个第二冷却孔62沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于流向方向。由此，第二冷却孔62喷出的冷却气能够在其垂直于流向的初始速度的作用下贴着后侧板14流动，为火焰稳定器1的后侧板14提供一定程度的气膜冷却。

优选地，第三冷却孔63设置在后侧板14靠近尾缘翼板4的一侧，多个第三冷却孔63沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向平行于尾缘翼板4的延伸方向。由此，第三冷却孔63喷出的冷却气能够在其平行于流向的初始速度的作用下贴着尾缘翼板4的内侧面流动，为尾缘翼板4的内侧面提供一定程度的气膜冷却。

如图4-6所示，在本发明的第二实施例中，优选地，当尾缘凸台5的高度较高时，例如介于尾缘空腔41流向长度的1/2至4/5时，冷却气孔6包括位于尾缘凸台5周向侧壁的第四冷却孔64和位于尾缘翼板4的第五冷却孔65。由此，如图5所示，第四冷却孔64和第五冷却孔65所产生的垂直于流向的气流将相对地作用于凸台的不同高度处，即第四冷却孔64在更远离后侧板14的流向位置处朝向尾缘翼板4喷射气流，而第五冷却孔65在更靠近后侧板14的流向位置处朝向尾缘凸台5喷射气流，以此促使冷却涡66在尾缘凸台5的周向两侧分别形成涡量沿径向向外(即图6尾缘凸台5上部区域示出的逆时针旋转的旋流区域)和沿径向向内(即图6尾缘凸台5下部区域示出的顺时针旋转的旋流区域)的两组涡。

并且，第四冷却孔64和第五冷却孔65持续喷出冷却气流一方面能够如前文所述促进冷却涡66的形成，另一方面则通过不断注入新鲜的冷却气能够持续不断地维持冷却涡66，确保该处的冷却涡66不至于耗散，且保持冷却涡66处的气流处于一个相对低温的环境，防止火焰稳定器1的尾缘区域被烧蚀破坏。

优选地，第四冷却孔64设置在尾缘凸台5周向侧壁远离后侧板14的一侧，多个第四冷却孔64沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于流向方向。由此，第四冷却孔64喷出的冷却气能够在其垂直于流向的初始速度的作用下冲击至尾缘翼板4，为尾缘翼板4的内侧面提供一定程度的冲击冷却。

优选地，第五冷却孔65设置在尾缘翼板4靠近后侧板14的一侧，多个第五冷却孔65沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于尾缘翼板4的延伸方向。由此，第五冷却孔65喷出的冷却气能够在其垂直于流向的初始速度的作用下贴着后侧板14的外侧面流动，为后侧板14提供一定程度的气膜冷却。

优选地，尾缘翼板4的后端面上设有出口处气流沿平行于流向方向喷射的第一冷却孔61，第一冷却孔61能够促使冷却气腔17内的冷却气从内部流经整个尾缘翼板4，并从尾缘翼板4的后端喷出，为尾缘翼板4提供相应的冷却。

优选地，后侧板14与尾缘凸台5由整板经多次弯折构成，由此提升后侧板14与尾缘凸台5的整体性，避免采用拼接或焊接工艺而在反复热胀冷缩的过程中出现热变形失效的问题，其中构成后侧板14的板面垂直于流向设置，尾缘凸台5的周向侧面沿流向设置，尾缘凸台5的后侧面垂直于流向设置。

优选地，在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器还包括：后冲击隔板19，设置于火焰稳定器1的后侧板14的前侧，且其上设有多个冲击气孔。

后冲击隔板19能够有效隔离火焰稳定器1内的冷却气腔17及火焰稳定器1的后侧板14，从而阻止热量在火焰稳定器1内部的传递。此外，后冲击隔板19还能够增加冷却气在火焰稳定器1的后侧板14前方的停留时间，确保冷却效果。而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17撞击至火焰稳定器1后侧板14的速度，从而进一步提高冷却效果。

因此，一方面，本发明利用尾缘翼板4在火焰稳定器1的后侧板14下游形成尾缘空腔41，并在后侧板14上设置尾缘凸台5，从而利用尾缘凸台5、后侧板14及尾缘翼板4上设置的冷却气孔6在尾缘空腔41内形成形态稳定的冷却涡66，将火焰稳定器1与其下游的回流区18相隔离，进而降低火焰稳定器1的热负荷，避免出现烧蚀问题；同时，此冷却方式对稳定器后方回流区18的影响较小，不会破坏火焰稳定器1的稳焰功能。另一方面，冷却气通过冷却气孔6能够对稳定器的尾缘壁面形成气膜冷却，进而有效提升火焰稳定器1的使用寿命。除此之外，通过在后侧板14上开设尾缘凸台5，不仅可以对尾缘空腔41进行分割，而且使得冷却气孔6的位置更加灵活。并且，冷却气进入火焰稳定器1内部后还可以对喷油杆2进行冷却，从而解决喷油杆结焦问题。

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16内填充有值班燃油和冷却气，而冷却气腔17内仅填充有冷却气。具体而言，冷却气分为两部分：第一部分冷却气向后流动，首先通过后冲击隔板19上的冲击气孔进入尾缘内侧，对火焰稳定器1后侧板14的内壁面进行冲击冷却，之后通过尾缘凸台5、后侧板14及尾缘翼板4上开设的冷却气孔6到达尾缘后侧，在火焰稳定器1的后侧板14以及尾缘翼板4上形成冷却气膜保护壁面，或者在尾缘空腔41内形成冷气涡66，延长冷气停留时间，增强冷却效果；第二部分冷却气向前流动，经前隔板13上的气孔，到达火焰稳定器1的油气混合腔16，冷却其中的喷油杆2与火焰稳定器前缘11的内壁面，从而解决喷油杆结焦问题，最后从周向侧板12上的喷油孔离开火焰稳定器1。

至此，已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，包括：

火焰稳定器(1)，其包含火焰稳定器前缘(11)、周向侧板(12)、前隔板(13)、后侧板(14)和径向侧板(15)，并在内部形成相互连通的油气混合腔(16)、冷却气腔(17)，在外部的下游形成回流区(18)；

喷油杆(2)，连接于所述油气混合腔(16)的内部；

冷却气进气管(3)，连接于所述冷却气腔(17)的内部；

尾缘翼板(4)，设置于所述火焰稳定器(1)的后侧，并分别从两个所述周向侧板(12)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)；

尾缘凸台(5)，设置于所述后侧板(14)上，并介于两个所述尾缘翼板(4)的中间；

其中，所述尾缘翼板(4)和所述尾缘凸台(5)均呈与所述冷却气腔(17)连通的中空结构，并且在所述尾缘凸台(5)和所述后侧板(14)上，或者所述尾缘凸台(5)和所述尾缘翼板(4)上开设有多个冷却气孔(6)，从而在所述尾缘空腔(41)内所述尾缘凸台(5)的周向两侧分别形成冷却涡(66)，以使所述火焰稳定器(1)与所述回流区(18)相间隔。

2.根据权利要求1所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述尾缘翼板(4)的后端面上设有沿平行于流向方向喷射冷却气的第一冷却孔(61)。

3.根据权利要求1所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，当所述尾缘凸台(5)的高度介于所述尾缘空腔(41)流向长度的1/5至1/2时，所述冷却气孔(6)包括位于所述尾缘凸台(5)周向侧壁的第二冷却孔(62)和位于所述后侧板(14)的第三冷却孔(63)。

4.根据权利要求3所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述第二冷却孔(62)设置在所述尾缘凸台(5)周向侧壁靠近所述后侧板(14)的一侧，多个所述第二冷却孔(62)沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于流向方向。

5.根据权利要求3所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述第三冷却孔(63)设置在所述后侧板(14)靠近所述尾缘翼板(4)的一侧，多个所述第三冷却孔(63)沿径向均匀排列，并被构造为出口处气流方向平行于所述尾缘翼板(4)的延伸方向。

6.根据权利要求1所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，当所述尾缘凸台(5)的高度介于所述尾缘空腔(41)流向长度的1/2至4/5时，所述冷却气孔(6)包括位于所述尾缘凸台(5)周向侧壁的第四冷却孔(64)和位于所述尾缘翼板(4)的第五冷却孔(65)。

7.根据权利要求6所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述第四冷却孔(64)设置在所述尾缘凸台(5)周向侧壁远离所述后侧板(14)的一侧，多个所述第四冷却孔(64)沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于流向方向。

8.根据权利要求7所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述第五冷却孔(65)设置在所述尾缘翼板(4)靠近所述后侧板(14)的一侧，多个所述第五冷却孔(65)沿径向均匀排列，并被构造为出口处的气流方向垂直于所述尾缘翼板(4)的延伸方向。

9.根据权利要求1所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，所述后侧板(14)与所述尾缘凸台(5)由整板经多次弯折构成，其中构成所述后侧板(14)的板面垂直于流向设置，所述尾缘凸台(5)的周向侧面沿流向设置，所述尾缘凸台(5)的后侧面垂直于流向设置。

10.根据权利要求1所述的在尾缘空腔内设有凸台的一体化火焰稳定器，其特征在于，还包括：

后冲击隔板(19)，设置于所述火焰稳定器(1)的后侧板(14)的前侧，且其上设有多个冲击气孔。