CN109654533B - 一种适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器结构，主要由环形稳定器与径向V型槽值班稳定器组成。工作时，迎面来流由稳定器吸气缝吸入混合腔，在挡板边缘处对喷溅雾化燃油进一步剪切雾化，燃油在混合腔内蒸发并与气流掺混，大部分油气混气由尾缘进一步雾化并吹出，与来流掺混燃烧、被卷入回流区，后挡板吹气缝吹出少量油气混气加强回流区燃烧，可以实现在来流畸变条件下的火焰稳定，有效缩短燃烧室前掺混区长度，克服燃烧室进口气流速度快、温度分布不均匀的困难，解决供油装置、点火与火焰稳定等问题，改善了燃油雾化质量、点火性能、提高了燃烧效率与扩宽燃烧室稳定工作范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种火焰稳定器结构，尤其涉及一种针对组合动力装置（TBCC）中亚燃冲压燃烧室的来流畸变条件的火焰稳定器结构。
背景技术
目前，邻近空间飞行器是各国竞相研究的热点，涡轮基组合动力循环（TurbineBased Combined Cycle, TBCC）具有比冲大、可实现性强、重复使用和经济性高等突出优点成为发展吸气式推进系统的首要选择。要想实现TBCC能够全速域连续可靠工作，大量的技术难题需要克服，其中亚燃冲压燃烧室的可靠稳定工作就是众多技术难题中突出的一个问题。
根据TBCC组合动力装置的工作特点，其要求亚燃冲压燃烧室能够在马赫2-4.5宽速域范围内稳定可靠工作；在涡轮发动机与冲压发动机接力状态时能够可靠点火并稳定高效地燃烧。并且因为亚燃冲压燃烧室位于TBCC的引射火箭管道中火箭下游，当TBCC处于火箭冲压模态时，火箭与亚燃冲压燃烧室同时工作，火箭喷管出口的高速高温气流与引射的低速低温气流在管道内掺混，在燃烧室进口处形成中心速度和温度高、外围速度和温度低的流场分布不均现象，则TBCC的亚燃冲压燃烧室还需要面对来流畸变的条件。因而如何实现亚燃冲压燃烧室在整个工作包线内的可靠点火和火焰稳定是当前设计方案的技术难点，而实现火焰稳定的火焰稳定器设计是当前工作的重中之重。
目前采用的火焰稳定技术主要为钝体火焰稳定技术，其中航空军用发动机广泛用的V型钝体火焰稳定器，具有结构简单、使用经验丰富等优点，但是若要满足要求的稳定特性，则需要有较大的流动阻塞比，流动损失大，且稳焰边界较窄，燃烧效率低，并且容易热变形；气动式火焰稳定器不同于钝体稳定器，可以依靠射流与主流相互作用形成类似钝体后的回流区，拓宽火焰稳定边界，但使用时需要额外引入气流，增加结构设计复杂性和发动机整体性能，因此均不能满足TBCC组合动力系统的宽广范围工作要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适应来流畸变、点火性能好、燃烧效率高，可有效克服亚燃冲压燃烧室进口气流速度大、温度分布不均匀等困难，组织稳定燃烧，缩短加力燃烧室长度，提高燃烧效率的火焰稳定器结构。
本发明采用的技术方案如下：一种适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器，主体由环形稳定器与径向V型槽值班稳定器组成，其中环形稳定器由Y型稳定器头部、环形稳定器吸气缝、混合腔、稳定器后挡板、稳定器后挡板吹气缝和逆喷挡板式燃油装置组成；所述Y型稳定器头部构成所述环形稳定器的环形壳体，其前段外部是弧形罩壳，前段内部开设环形稳定器吸气缝，其中段构成内外环半径不变的环形的混合腔，其后段构成喇叭口形扩张段；所述环形稳定器吸气缝中心线与气流来流方向夹角呈锐角；所述稳定器后挡板位于所述Y型稳定器头部的后段的扩张段内，其截面呈V型，其内外两侧与所述Y型稳定器头部的后段内外两侧构成稳定器尾缘的内外尾缘；所述稳定器后挡板吹气缝位于稳定器后挡板中心线外区域一侧；所述逆喷挡板式燃油装置由挡板与直射式喷孔组成，所述挡板设置在所述Y型稳定器头部中段的内环壳体上方，其向外侧倾斜一定角度，以与所述Y型稳定器头部前段外部的弧形罩壳构成所述环形稳定器吸气缝，并使所述环形稳定器吸气缝中心线与气流来流方向夹角呈锐角，所述直射式喷孔周向分布在伸入到混合腔的环形燃油输送管上，其喷孔轴线垂直于所述挡板，以使燃油由喷孔喷出，垂直射向挡板，部分撞击雾化，部分沿挡板四周扩展形成薄膜，在挡板边缘被气流剪切雾化。所述直射式喷孔直径为0.5mm，喷射孔周向分布，数目为24。
所述径向V型槽值班稳定器沿环形稳定器外侧周向分布，共三根，其中一根V型槽用于放置伸入到混合腔的环形燃油输送管的供油总管，另外两根V型槽内部设V型槽值班稳定器供油管，供油管表面开有燃油喷出孔，V型槽沿中心线开有V型槽值班稳定器吸气缝，用于吸入来流气体与燃油掺混，利用在V型槽后方回流区燃烧形成稳定的点火源，并连接环形稳定器尾缘燃烧区改善稳定器点火性能。所述开缝面积约为V型槽轴向投影面积10%。
所述环形稳定器阻塞比为0.3，稳定器尾缘外环直径为31mm；稳定器头部吸气缝偏向中心区域，吸气缝中心线与来流方向夹角35°，开缝面积约为环形稳定器轴向投影面积10%；稳定器混合腔宽度窄，约为12mm，混合腔内的气流流动速度增大，有利于燃油雾化、蒸发与进气掺混；所述稳定器尾缘分为内外尾缘，宽均为1.5mm，混合腔中大部分油气混气由此吹出并雾化，与来流气体掺混燃烧，卷吸进入回流区燃烧；所述稳定器后挡板与环形稳定器水平面的夹角为120°，混合腔内油气混气出流顺畅、流动损失减小，利于尾缘剪切雾化与挡板后回流区形成；所述稳定器后挡板吹气缝位于稳定器中心线外区域2/3槽宽处，面积约为稳定器总出气面积的1/4。
工作时，燃油由直射式喷孔喷出，垂直射向挡板，部分燃油撞击雾化，部分燃油在挡板上四周扩展形成油膜并溢出，实现对燃油的第一次雾化；迎面来流由稳定器头部吸气缝进入混合腔，对挡板边缘燃油进行剪切雾化；混合腔内燃油蒸发，并与来流气体掺混；油气混气大部分由尾缘进一步雾化与吹出，与来流气体掺混燃烧；尾缘油气被卷入稳定器后方回流区燃烧，小部分油气混气由后挡板吹气缝直接进入回流区加强燃烧，保证高效稳定燃烧。
本发明与传统火焰稳定器相比具有如下优点：
（1）结合了钝体稳定器与气动式稳定器的优点，可以实现宽广范围内与来流畸变条件下的火焰稳定；采用环形尾缘吹气式稳定器，可以组织稳定高效燃烧，减小亚燃冲压燃烧室长度;将燃油喷射与稳定器一体化设计，提高了空间使用率，加强了燃油的雾化与蒸发，提高燃烧效率；采用V型槽值班稳定器，可以改善点火性能，拓宽燃烧极限；
（2）稳定器头部开缝，工作时利用前方冲压直接吸入来流气体，不需要额外引入空气，稳定器结构简单，适用于亚燃冲压燃烧室；并且可以根据来流条件自主改变稳定器内的进气量，机械与气动稳定相结合，主动可控，回流区可变，结合了传统钝体式火焰稳定器与气动式火焰稳定器的优点；吸气缝不在稳定器中心线处对称，偏向中心区域，通过合理设置吸气缝偏移角度则可以引入中心高速、高温气流，利于燃油的蒸发与掺混，适用于进气畸变条件的亚燃冲压燃烧室；
（3）Y型稳定器头部采用窄混合腔，增大了混合腔内气流速度，加强了气流对燃油的剪切雾化作用，利于燃油的蒸发与掺混；
（4）稳定器后挡板采用带角度形状，使混合腔内气流出流顺畅，流动损失小，利于燃油的尾缘剪切雾化与稳定器后回流区的形成；
（5）后挡板吹气缝位于挡板外围区域，混合腔内少量油气混气由此直接吹入回流区参与燃烧，可以增强回流区燃烧并拓宽稳定燃烧边界；
（6）通过合理设计稳定器上下两侧尾缘面积比例，可以不借助机械结构划分燃烧室内外区域油气混气比例，有利于简化燃烧室结构，合理安排燃烧区的位置；
（7）逆喷挡板式燃油装置与环形稳定器形成一体化结构，油气全部引入回流区，可以极大地扩宽稳定燃烧边界。并且逆喷挡板式燃油喷射方式加强燃油雾化，燃油前后经过三次雾化，雾化较好，蒸发良好，混合腔内油气掺混均匀，为后续组织高效燃烧做准备；
（8）径向V型槽值班稳定器设计不仅作为环形稳定器的支撑，并在其后形成低速回流区，在此可以组织稳定燃烧，并且可以连接尾缘后燃烧区，可有效解决高速来流、低压条件下点火困难的问题，拓宽了亚燃冲压燃烧室稳定工作边界。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的剖视图；
图3为本发明的局部剖视图；
图4为本发明的正等侧视图；
图5为本发明燃烧室径向截面流线图；
图6为本发明稳定器后挡板部分流线放大图；
图中：1、环形稳定器，2、V型槽值班稳定器，3、环形稳定器吸气缝，4、挡板， 5、直射式喷孔，6、混合腔，7、稳定器尾缘，8、稳定器后挡板，9、稳定器后挡板吹气缝，10、供油总管，11、V型槽值班稳定器供油管，12、V型槽值班稳定器吸气缝。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，即此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-4所示，本发明的适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器，主体由环形稳定器1与径向V型槽值班稳定器2组成，其中环形稳定器由Y型稳定器头部、环形稳定器吸气缝3、混合腔6、稳定器后挡板8、稳定器后挡板吹气缝9和逆喷挡板式燃油装置组成；所述Y型稳定器头部构成所述环形稳定器1的环形壳体，其前段外部是弧形罩壳，前段内部开设环形稳定器吸气缝3，其中段构成内外环半径不变的环形的混合腔6，混合腔6宽度约为12mm，其后段构成喇叭口形扩张段；所述环形稳定器吸气缝3中心线与气流来流方向夹角呈35°，开缝面积约为环形稳定器轴向投影面积10%；所述稳定器后挡板8位于所述Y型稳定器头部的后段的扩张段内，其截面呈V型，其内外两侧与所述Y型稳定器头部的后段内外两侧构成稳定器尾缘7的内外尾缘，内外尾缘宽均为1.5mm；所述稳定器后挡板吹气缝9位于稳定器后挡板中心线外区域一侧，距离中心线占外区域宽度的2/3部位处，面积约为稳定器总出气面积的1/4；所述逆喷挡板式燃油装置由挡板4与直射式喷孔5组成，所述挡板4设置在所述Y型稳定器头部中段的内环壳体上方，其向外侧倾斜一定角度，与环形稳定器1水平面的夹角为120°，以与所述Y型稳定器头部前段外部的弧形罩壳构成所述环形稳定器吸气缝3，并使所述环形稳定器吸气缝中心线与气流来流方向夹角呈35°，所述直射式喷孔5周向分布在伸入到混合腔的环形燃油输送管上，其喷孔轴线垂直于所述挡板4，以使燃油由喷孔喷出，垂直射向挡板，部分撞击雾化，部分沿挡板四周扩展形成薄膜，在挡板边缘被气流剪切雾化，所述直射式喷孔5直径为0.5mm，喷射孔周向分布，数目为24。
所述环形稳定器1阻塞比为0.3，稳定器尾缘外环直径为31mm；工作时，燃油由直射式喷孔5喷出，垂直射向挡板4，部分燃油撞击雾化，部分燃油在挡板4上四周扩展形成油膜并溢出，实现对燃油的第一次雾化；迎面来流由环形稳定器吸气缝3进入混合腔6，对挡板4边缘燃油进行剪切雾化；混合腔6内燃油蒸发，并与来流气体掺混；油气混气大部分由稳定器尾缘7进一步雾化与吹出，与来流气体掺混燃烧；尾缘油气被卷入稳定器后方回流区燃烧，小部分油气混气由稳定器后挡板吹气缝9直接进入回流区加强燃烧，保证高效稳定燃烧。
如图5-6所示，图5是本发明燃烧室径向截面流线图，图6是本发明稳定器后挡板部分流线放大图，从图中可看出，当气流流经环形稳定器时，由于稳定器后的气体被卷吸产生回流，形成两个大致对称的回流区，用于火焰稳定，而稳定器后挡板吹气缝9的存在，使一部分油气直接进入稳定器后方回流区，不仅可以提高局部燃油雾化特性，并且在稳定器头部进气面积与尾缘缝宽不变的条件下，可以在贫油状态时使回流区的燃油分配比例提高，进而拓宽贫熄边界。
本发明可以实现在来流畸变条件下的火焰稳定，可以有效缩短燃烧室前掺混区长度，克服燃烧室进口气流速度快、温度分布不均匀的困难，解决供油装置、点火与火焰稳定等问题，改善了燃油雾化质量、点火性能、提高了燃烧效率与扩宽燃烧室稳定工作范围。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (6)
1.一种适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器，主体由环形稳定器(1)与径向V型槽值班稳定器(2)组成，其中环形稳定器(1)由Y型稳定器头部、环形稳定器吸气缝(3)、混合腔(6)、稳定器后挡板(8)、稳定器后挡板吹气缝(9)和逆喷挡板式燃油装置组成；所述Y型稳定器头部构成所述环形稳定器(1)的环形壳体，其前段外部是弧形罩壳，前段内部开设环形稳定器吸气缝(3)，其中段构成环形的混合腔(6)，其后段构成喇叭口形扩张段；所述环形稳定器吸气缝(3)中心线与气流来流方向夹角呈锐角；所述稳定器后挡板(8)位于所述Y型稳定器头部的后段的扩张段内，其截面呈V型，其内外两侧与所述Y型稳定器头部后段的内外两侧构成稳定器尾缘(7)的内外尾缘；所述稳定器后挡板吹气缝(9)位于稳定器后挡板中心线外区域一侧；所述逆喷挡板式燃油装置由挡板(4)与直射式喷孔(5)组成，所述挡板(4)设置在所述Y型稳定器头部中段的内环壳体上方，与所述Y型稳定器头部前段外部的弧形罩壳构成所述环形稳定器吸气缝(3)，所述直射式喷孔(5)周向分布在伸入到混合腔(6)的环形燃油输送管上，其喷孔轴线垂直于所述挡板(4)；
所述径向V型槽值班稳定器(2)沿环形稳定器(1)外侧周向分布，共三根，其中一根V型槽用于放置伸入到混合腔的环形燃油输送管的供油总管(10)，另外两根V型槽内部设V型槽值班稳定器供油管(11)，供油管表面开有燃油喷出孔，V型槽沿中心线开有V型槽值班稳定器吸气缝(12)。
2.根据权利要求1所述的适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器，其特征还在于，所述环形稳定器吸气缝(3)中心线与气流来流方向夹角呈35°，开缝面积为环形稳定器轴向投影面积约10％。
3.根据权利要求1所述的适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器，其特征还在于，所述挡板(4)设置在所述Y型稳定器头部中段的内环壳体上方，其向外侧倾斜一定角度，与环形稳定器(1)水平面的夹角为120°。
4.根据权利要求1所述的适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器，其特征还在于，所述混合腔(6)的宽度为8～16mm，稳定器尾缘(7)的内外尾缘宽均为1～3mm，所述直射式喷孔(5)直径为0.5mm，喷射孔周向分布，数目为24。
5.根据权利要求4所述的适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器，其特征还在于，所述环形稳定器(1)阻塞比为0.3，稳定器尾缘(7)的外环直径为31mm。
6.根据权利要求1所述的适应来流畸变的尾缘吹气式稳定器，其特征还在于，所述混合腔(6)的宽度为12mm，稳定器尾缘(7)的内外尾缘宽均为1.5mm，所述直射式喷孔(5)直径为0.5mm，喷射孔周向分布，数目为24。
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- 2018-12-04 CN CN201811471702.2A patent/CN109654533B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN109654533A (zh) | 2019-04-19 |
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