一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室的製作方法

2023-06-25 09:18:21 4

專利名稱：一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型航空渦輪風扇發動機加力燃燒室，特別是一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室。
背景技術：
新一代戰鬥機要實現非加力狀態超聲速巡航，這要求發動機及加力燃燒室結構更加緊湊，減少加力部件，部件利用效率更高，縮短加力燃燒室長度，降低非加力狀態總壓損失，提高中間狀態推力。傳統加力燃燒室的結構設計，已經成為制約加力燃燒室性能進一步提高的重要因素。在傳統加力燃燒室結構發展潛力有限的情況下，探索新型加力燃燒室技術方案有著很大的現實和軍事意義。美國在「多用途、經濟可承受的先進渦輪發動機」(VAATE)計劃中將一體化的渦輪後框架和加力燃燒室作為先進發動機的主要技術特徵之一被提出。20世紀90年代，美國聯合技術公司提出一種加力燃燒室與渦輪後框架一體化的設計方案，將低壓渦輪後整流支板與火焰穩定器一體化設計，燃油噴嘴和火焰穩定器採用近配合技術，燃油從支板兩側橫向噴出，利用穩定器後突擴形成的回流區穩定火焰。目前針對該技術有2項美國專利(美國專利號為US005385015，US005685140)。所採用的技術方案都是基於這個思路，即將整流支板和火焰穩定器一體化設計，燃油從支板兩側橫向噴射， 燃油與來流燃氣混合形成燃油混合氣，利用火焰穩定器後面的局部回流區穩焰燃燒。但是從仿真計算和實驗研究的角度證明，整流支板後面形成的回流區比較小，橫向噴射的主燃油只有很少一部分被卷吸到回流區內部，火焰穩定器穩焰的能力非常有限。加力燃燒室內涵和外涵組織燃燒的方式有很大差別，此前的設計並沒有對外涵火焰穩定器及組織燃燒的方式進行特別的設計。對加力燃燒室的軟點火、聯焰器、內外涵混合器也沒有進行特別的設計。

發明內容
本發明主要解決的問題本設計方案提供了一種新型的加力燃燒室設計方案，可以有效克服傳統設計方案的加力燃燒室的固有弊端，對之前提出的加力燃燒室與渦輪後框架一體化設計的方案進行優化，提高部件利用效率，減輕發動機重量，提高發動機推重比。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，包括由錐體(7)、後軸承機匣(20)、整流支板(1)、內涵火焰穩定器 (13)、內涵燃油管路08)、內涵主燃油噴嘴(5)、內涵值班燃油噴嘴(27)、分流環、環形火焰穩定器( 、環形火焰穩定器值班燃油噴嘴(3 、外涵支承( 、外涵火焰穩定器(12)、 外涵燃油管路( )、外涵主燃油噴嘴(22)、外涵值班燃油噴嘴和加力筒體(8)；所述整流支板(1)下端與上端分別與錐體(7)和分流環(4)連接組成加力燃燒室的內涵通道 (55)，整流支板(1)的內部為空心結構，形成內涵冷卻氣路09)；外涵支承(2)下端與上端分別與分流環(4)和加力筒體(8)連接組成加力燃燒室的外涵通道(6)；所述環形火焰穩定器( 連接在分流環(4)末端；所述錐體(7)是後軸承機匣00)的外表面部分，所述錐體⑵與加力筒體⑶共同組成加力燃燒室擴壓器G6)；所述外涵支承(2)的內部為空心結構，形成外涵冷卻氣路(25)，外涵支承冷卻氣路0 穿過分流環(4)與內涵整流支板冷卻氣路09)相貫通，內涵整流支板冷卻氣路09)穿過錐體(7)與錐體內部空腔相貫通；所述整流支板(1)表面氣動外形採用對稱葉型，整流支板(1)表面有三部分構成，兩個整流支板側壁面G7)和一個整流支板後壁面(48)，整流支板後壁面08)位於整流支板葉型厚度最大處(51)，整流支板後壁面08)形狀為內陷V型(56)；整流支板後壁面G8)即為內涵火焰穩定器(1 ；整流支板前緣G9)與水平方向垂直，整流支板後緣(50)與內涵燃氣A流出方向垂直；內涵燃油管路08)布置在整流支板(1)內部，內涵主燃油噴嘴( 布置在整流支板側壁面G7)上，內涵值班燃油噴嘴(XT)布置在整流支板後壁面G8)的中心線上； 外涵支承( 由外涵支承前V型壁面(5 和外涵支承後V型壁面(5 構成；外涵支承前V 型壁面(5 夾角角度小於外涵支承後V型壁面(5 夾角角度，外涵支承前V型壁面(52) 與外涵支承後V型壁面(5 焊接組成外涵支承封閉腔體(54)；外涵支承後V型壁面(53) 即為外涵火焰穩定器(1 ；外涵燃油管路布置在外涵支承O)內部，外涵主燃油噴嘴 (22)位於外涵支承( 的頭部，外涵支承( 前面設擋板(M)，與外涵燃主油噴嘴02)共同形成擋板噴嘴，外涵值班燃油噴嘴位於外涵支承後V型壁面(53)的中心線上；內涵火焰穩定器(1 和外涵火焰穩定器(1 之間布置環形火焰穩定器(3)，環形火焰穩定器 (3)整體採用V型設計，環形火焰穩定器C3)上面連接外涵火焰穩定器(12)，環形火焰穩定器C3)下面連接內涵火焰穩定器(13)。所述內涵主燃油噴嘴(5)採用直射式噴嘴，內涵主燃油噴嘴(5)噴射出內涵主燃油(38)，內涵主燃油(38)的噴射方向垂直於內涵燃氣A，內涵主燃油(38)垂直於內涵燃氣 A噴射相比於傳統的順噴能縮短燃油與燃氣的混合段長度，內涵主燃油噴嘴( 距離整流支板後緣(50)的距離為20mm-25mm，整流支板(1)兩側的內涵主燃油噴嘴(5)對稱分布，從內涵主燃油噴嘴(5)橫向噴射出的內涵主燃油(38)到達整流支板後緣(50)處時能與內涵燃氣A初步混合，開始內涵主火焰的形成。所述內涵值班燃油噴嘴、2Τ)採用直射式噴嘴；內涵值班燃油噴嘴、2Τ)位於整流支板後壁面G8)的中心線上，內涵值班燃油噴嘴(XT)與內涵主燃油噴嘴(5)處於同一條水平位置上，內涵值班燃油噴嘴、2Τ)噴射出內涵值班燃油(39)，內涵值班燃油(39)為順噴，內涵值班燃油噴嘴(27)數量是內涵主燃油噴嘴(5)數量的1/2，內涵值班燃油(39)的質量流量是內涵主燃油(3 的質量流量的1/4-1/5，使內涵值班燃油(39)燃燒形成的內涵值班火焰儘可能順利地引燃內涵主燃油(38)。所述整流支板後壁面08)內陷V型(56)夾角為60°，內陷V型(56)夾角末端採用圓弧型過渡，圓弧半徑為2mm-3mm，整流支板後壁08)即為內涵火焰穩定器(13)，採用上述結構能使內涵火焰穩定器(1 後面較容易地形成內涵火焰穩定器後的回流區(30)。所述環形火焰穩定器C3)採用吸入式穩定器，環形火焰穩定器C3)上半部分設置補燃氣孔(31)，補燃氣孔(31)形狀為矩形，矩形沿周向方向上的邊長為10mm，沿徑向方向的邊長為6mm，補燃氣孔(31)底端布置橫向擋板(34)；環形火焰穩定器內部與分流環(4) 相連接處設置環形穩定器值班燃油噴嘴(3 ；環形穩定器值班燃油噴嘴(3 採用直射式噴嘴；相鄰兩個整流支板(1)之間設置2個環形穩定器值班級燃油噴嘴(32)，設置位置是兩個相鄰整流支板⑴之間環形火焰穩定器⑶圓弧的1/3分割點和2/3分割點處，整個環形火焰穩定器C3)內布置32個環形穩定器值班級燃油噴嘴(32)，這樣在環形火焰穩定器 (3)後面可以形成周向的值班火焰，從而在內涵火焰穩定器(13)和外涵火焰穩定器(12)後面實現火焰的周向傳播與聯焰。所述外涵支承前V型壁面(5 夾角為30°，外涵支承前V型壁面(5 夾角末端採用圓弧形過渡，圓弧半徑為1. 5mm-2. 5mm ；外涵支承後V型壁面(5 夾角為60°，外涵支承後V型壁面(5 夾角末端採用圓弧形過渡，圓弧半徑為4mm-5mm。外涵支承O)的整體外形為V型鈍體，有利於減少外涵通道(6)內的流動總壓損失以及有利於外涵值班火焰的形成。所述外涵支承(2)前面的擋板04)離外涵主燃油噴嘴02)為lmm-2mm，外涵主燃油噴嘴0 噴射出的外涵主燃油GO)與擋板04)碰撞霧化，從而優化外涵主燃油GO) 的霧化效果。所述外涵主燃油噴嘴0 噴射出外涵主燃油(40)，外涵主燃油00)遇到擋板 (24)後流動方向變為垂直於外涵空氣B的橫向噴射；外涵值班燃油噴嘴採用直射式噴嘴，外涵值班燃油噴嘴噴射出外涵值班燃油Gl)；外涵值班燃油噴嘴Gl)位於外涵後V 型壁面(53)的中心線上，外涵值班燃油噴嘴與外涵主燃油噴嘴02)處於同一條水平位置上，外涵值班燃油噴嘴的數目與外涵主燃油噴嘴0 的數目相同；外涵值班燃油 (41)的質量流量為外涵主燃油GO)的質量流量的1/4-1/5，使外涵值班燃油燃燒形成的外涵火焰儘可能順利地引燃外涵主燃油GO)。所述外涵支承( 橫截面軸向長度是整流支板(1)橫截面軸向長度的1/3 ；內涵整流支板(1)與外涵支承( 成軸對稱分布，相鄰整流支板之間的夾角為22. 5°，共計16 個整流支板，相鄰外涵支承之間的夾角為22. 5°，共計16個外涵支承.，這種布置使內涵火焰穩定器(1 和外涵火焰穩定器(1 的堵塞比以及內涵火焰穩定器(1 和外涵火焰穩定器(1 的整體重量達到折中較好的狀態。所述錐體(7)表面上布置冷卻氣膜孔(45)，冷卻氣膜孔05)交錯排列，冷卻氣膜孔G5)直徑為0. Smm-Imm,使錐體(7)表面上形成均勻覆蓋的冷卻氣模，降低錐體(7)表面溫度，從而降低錐體(7)的紅外輻射，提高隱身性能。所述錐體(7)的錐角角度為37. 5° -38.5°，這個範圍內的錐體角度使得加力燃燒室擴壓器G6)的流動總壓損失最小。本發明的工作過程是將傳統設計的加力燃燒室中直接布置在氣路中的燃油總管和火焰穩定器去掉，將內涵燃油管路布置在整流支板內部，通冷卻氣體對其進行冷卻，防止部件燒蝕和燃油結焦；內涵主燃油從支板兩側橫向噴出，內涵值班燃油從支板後壁面噴出， 利用支板後突擴形成的局部回流區穩定火焰；整流支板氣動外形設計為流線型，降低總壓損失，整流支板表面由三部分構成，兩個整流支板側面和一個整流支板後壁面，整流支板後壁面向內凹陷形成V型凹槽，形成內涵火焰穩定器，內涵燃氣流經整流支板時，依靠後壁面的突擴效應形成局部低速回流區，值班燃油和主燃油的一部分在回流區內形成值班火焰， 值班火焰引燃主燃油從在內涵流域組織燃燒；整流支板內端與錐體相連，外端與分流環相連，非加力狀態時，內涵整流支板起到承力框架的作用，支撐後軸承機匣和渦輪機匣，加力狀態時，同時起到承力框架、噴油系統和火焰穩定器的作用；外涵支承是由兩個不同角度的V型壁面構成的封閉腔體，外涵支承同時起到外涵火焰穩定器的作用；將外涵燃油管路布置在外涵支承內部，通冷卻氣體對其進行冷卻，外涵主燃油從外涵支承頭部利用擋板噴嘴橫向噴出，外涵值班燃油從外涵支承後面的凹槽內噴出；外涵支承內端連接分流環，外端連接加力筒體，非加力狀態時用作渦輪機匣與外機匣的支承，加力狀態時同時起到外涵支承和外涵火焰穩定器的作用；在內外涵混合邊界靠近內涵一側布置環形火焰穩定器，環形火焰穩定器連接在分流環的末端，設計成吸入式穩定器，在周向方向起穩定火焰和傳播火焰作用；環形火焰穩定器同時是一個環形混合器，進行內外涵氣體混合；此外，環形火焰穩定器同時起到預燃室的作用，發動機接通加力時，有小股燃油從預燃室內噴出並首先點火燃燒，實現加力燃燒室的軟點火，加力狀態時有值班燃油從後面噴出，形成環形值班火焰，在周向上同時起到穩定器與聯焰器的作用，在周向方向傳播火焰，使火焰在整個加力燃燒室儘可能均勻分布。本發明的原理如下，加力燃燒室的整流支板和外涵支承是航空發動機結構必不可少的組成部分，起到後承力框架的作用，是發動機的「骨架」，支承後軸承機匣、渦輪機匣和加力筒體。而加力燃燒室的燃油總管和火焰穩定器只是在發動機開加力的時候起作用，在非加力狀態時則作為非必要重量掛在發動機上。由於加力燃燒室燃油總管和火焰穩定器直接布置在高溫燃氣中，極易產生火焰穩定器燒蝕和噴油杆故障，此外，還會造成明顯的總壓損失。本發明將加力燃燒室的燃燒部件整體前移，將內涵燃油管路布置在整流支板內部，通冷卻氣體進行冷卻，燃油從整流支板側面橫向噴射霧化與內涵燃氣混合形成油氣混合氣。 對整流支板後壁面進行特殊設計構成突擴型內涵火焰穩定器，內涵火焰穩定器後面局部低速回流區產生。將外涵支承設計成由兩個不同角度的V型壁面構成的封閉型腔體，外涵燃油管路布置在外涵支承內部，通冷卻氣進行冷卻。外涵支承的後壁面構成外涵火焰穩定器， 外涵火焰穩定器後面有局部低速回流區產生。在內外涵火焰穩定器之間布置一個環形火焰穩定器，用於周向方向的火焰穩定和火焰傳播，環形火焰穩定器後面同樣有局部低速產生。 在上述所形成的回流區內分配恰當濃度的燃油，就可在加力燃燒室內形成值班火焰，值班火焰引燃內外涵主燃油，從而在整個加力燃燒室內形成燃燒。對加力錐體進行特殊設計，與加力筒體內壁面組成擴壓通道，合理組織擴壓過程，降低摩擦損失和加熱損失。這樣就把加力燃燒室的後承力框架、噴油系統和火焰穩定器融合在一起，提高了加力燃燒室的部件利用效率，縮短了加力燃燒室長度，減輕了發動機重量。本發明與現有技術相比的優點在於(1)與傳統設計方案的加力燃燒室相比，由於把加力燃燒室火焰穩定器與承力框架整合設計，把燃油管路布置在整流支板和外涵支承內部，並通冷卻氣進行冷卻，很大程度上解決了加力燃燒室火焰穩定器和燃油杆燒蝕的技術難題，提高了加力燃燒室部件的可靠性。(2)與傳統設計方案的加力燃燒室相比，減少了加力燃燒內的部件數量，使設計結構更加緊湊，取消了直接布置在主氣路中的火焰穩定器、燃油總管等部件，大大降低了非加力時的總壓損失。通過仿真計算和實驗研究得出，採用燃油噴嘴和火焰穩定器的近配合技術可以縮短火焰長度，從而縮短加力燃燒室長度，減輕加力燃燒室重量，提高發動機的推重比。(3)本發明與之前的2項美國專利(美國專利號為US005385015，US005685140)相比，優化了一體化加力燃燒室內涵組織燃燒的方式，在內涵火焰穩定器的凹槽處加入一股值班燃油形成值班火焰，穩定器的穩焰能力大幅度提高，同時提高了內涵的燃燒效率。(4)本發明與之前的專利相比提出了一體化加力燃燒室外涵組織燃燒的方案。一體化加力燃燒室的內外涵分別組織燃燒，外涵與內涵組織燃燒的方式有很大不同。外涵採用V型穩定器，利用主燃油和值班燃油相配合在外涵組織燃燒。(5)本發明與之前的專利相比提出了一體化加力燃燒室實現軟點火的方案。一體化加力燃燒室配備的是新一代渦輪風扇發動機，設計加力燃燒室時需考慮接通加力時的軟點火問題。在內外涵火焰穩定器之間設置一個環形預燃室，接通加力時首先點燃預燃室，實現加力燃燒室的軟點火。(6)本發明與之前的專利相比提出了一體化加力燃燒室的內外涵混合方式。設計方案內外涵混合器是類似於環形的混合器，內外涵混合度較小。一體化加力燃燒室配備的新一代航空發動機是小涵道比發動機，外涵氣量很小，從氣動性能方面來分析，全面均勻混合沒有太大的好處，從組織燃燒方面來看也沒有必要。(7)本發明與之前的專利相比提出了一體化加力燃燒室的聯焰方式。環形火焰穩定器同時起到環形聯焰器的作用，聯焰器後面有值班燃油噴出形成值班火焰，在周向方向上實現火焰的傳播。環形聯焰器上下分別連接外涵火焰穩定器和內涵火焰穩定器，這樣在每個整流支板後面就形成了 2個縱向1個周向漩渦回流區的氣流結構，如果在這樣的回流區內分配恰當濃度的燃油，就可實現縱向和周向火焰的傳播，從而引燃整個加力燃燒室流場區域的燃燒。


圖1為發動機整體結構示意圖；圖2為本發明的加力燃燒室結構示意圖；圖3為本發明的加力燃燒室燃燒部件示意圖；圖4為本發明的加力燃燒室後視圖；圖5為本發明的整流支板內涵火焰穩定器後的回流區示意圖；圖6為本發明的外涵火焰穩定器後面的回流區示意圖；圖7為本發明的環形火焰穩定器後面的回流區示意圖；圖8為本發明的內涵燃油噴射示意圖；圖9為本發明的外涵燃油噴射示意圖；圖10為本發明的環形火焰穩定器後面的值班燃油噴射示意圖；圖11為本發明的加力燃燒室燃燒部件(錐體、整流支板、內涵火焰穩定器、分流環、環形火焰穩定器、外涵支承、外涵火焰穩定器)立體示意圖；圖12為本發明的加力燃燒室整體立體示意圖。示意圖中部件的標號說明1.整流支板，2.外涵支承，3.環形火焰穩定器，4.分流環，5.內涵主燃油噴嘴， 6.外涵通道，7.錐體，8.加力筒體，9.燃油管路，10.燃油閥門，11.冷卻氣管路，12.外涵火焰穩定器，13.內涵火焰穩定器，14.主燃燒室，15.高壓渦輪，16.低壓渦輪，17.加力燃燒室，18.渦輪機匣，19.外機匣，20.後軸承機匣，21.外涵值班燃油噴嘴，22.外涵主燃油噴嘴，23.外涵燃油管路，24.擋板，25.外涵火焰穩定器內部冷卻氣路，26.外涵火焰穩定器後的回流區，27.內涵值班燃油噴嘴，28.內涵燃油管路，29.整流支板內部冷卻氣路，30.內涵火焰穩定器後的回流區，31.補燃氣孔，32.環形火焰穩定器值班燃油噴嘴，33.燃油管路， 34.橫向擋板，35.環形火焰穩定器，36.環形火焰穩定器後的下回流區，37.環型穩定器後的上回流區，38.內涵主燃油，39.內涵值班燃油，40.外涵主燃油，41.外涵值班燃油，42.環形火焰穩定器值班級燃油，43.風扇，44.高壓壓氣機，45.冷卻氣膜孔，46.加力燃燒室擴壓器，47.整流支板側壁面，48.整流支板後壁面，49.整流支板前緣，50.整流支板後緣，51.整流支板葉型厚度最大處，52.外涵前V型壁面，53.外涵後V型壁面，54.外涵支承封閉腔體， 55.內涵通道，56.內陷V型，57.錐體內部空腔，58.低壓壓氣機，A.內涵燃氣，B.外涵空氣， Cl.加力燃燒室冷卻氣，C2.外涵冷卻氣，C3.內涵冷卻氣，C4.後軸承機匣冷卻氣，C5.氣膜冷卻氣
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室對提高發動機部件利用效率，提高推重比的技術方案做進一步說明。圖1是發動機的總體示意圖，發動機總體由風扇43、低壓壓氣機58、高壓壓氣機 44、主燃燒室14、高壓渦輪15、低壓渦輪16，加力燃燒室17、外機匣19、渦輪機匣18、後軸承機匣20組成。本發明加力燃燒室配備的是新一代小涵道比渦輪風扇發動機，加力燃燒室17 與渦輪後承力框架融為一體，本身作為支承框架的一部分，取消了傳統設計的加力燃燒室直接布置在氣路中的燃油總管和火焰穩定器等部件，降低了非加力狀態時的總壓損失，提高了發動機部件利用效率，提高了發動機的推重比。通過冷卻氣管路11從高壓壓氣機14 引氣對加力燃燒室17部件進行冷卻，提高部件的可靠性和耐久性，同時降低部件溫度，從而降低加力燃燒室的紅外發射率，提高發動機隱身性能。圖2是本發明的加力燃燒室整體示意圖，加力燃燒室17由錐體7、後軸承機匣20、 整流支板1、內涵火焰穩定器13、內涵燃油管路28、內涵主燃油噴嘴5、內涵值班燃油噴嘴 27、分流環4、環形火焰穩定器3、環形火焰穩定器值班燃油噴嘴32、外涵支承2、外涵火焰穩定器12、外涵燃油管路觀、外涵主燃油噴嘴22、外涵值班燃油噴嘴21、燃油管路9、燃油閥門10、冷卻氣管路11、加力筒體8組成。整流支板1下端與上端分別與錐體7和分流環4 連接組成加力燃燒室的內涵通道陽。外涵支承2內端連接分流環4，外涵支承2下端與上端分別與分流環4和加力筒體8連接組成加力燃燒室的外涵通道6。環形火焰穩定器3連接在分流環4末端；錐體7是後軸承機匣20的外表面部分，錐體7與加力筒體8共同組成加力燃燒室擴壓器46。錐體7的錐角角度為37. 5° -38.5°，這個範圍內的錐體角度使得加力燃燒室擴壓器46內的流動總壓損失最小。錐體7表面分布冷卻氣膜孔45，冷卻氣膜孔45交錯排列，冷卻氣膜孔45直徑為0. 8mm-lmm。燃油管路9在燃油閥門10的控制下為內涵燃油管路觀和外涵燃油管路23提供燃油，冷卻氣管路11為加力燃燒室17提供冷卻氣。整流支板下端焊接錐體7，整流支板1上端焊接分流環4，錐體7是後軸承機匣20的表面組成部分，分流環4是渦輪機匣18的組成部分，這樣整流支板1和內涵火焰穩定器13就起到後軸承機匣20和渦輪機匣18之間承力框架的作用。非加力狀態時，整流支板1與內涵火焰穩定器13用作內涵支承，加力狀態時，整流支板1與內涵火焰穩定器13及內涵主燃油燃油噴嘴5內涵值班燃油噴嘴27組成內涵燃燒器，組織內涵燃燒。外涵支承2下端焊接分流環4，外涵支承2上端焊接加力筒體8，分流環4是渦輪機匣18的組成部分，加力筒體8 是外機匣19的組成部分，這樣外涵支承2和外涵火焰穩定器12就起到渦輪機匣18和外機匣19之間承力框架的作用。非加力狀態時，外涵支承2與外涵火焰穩定器12支承渦輪機匣20與外機匣19，加力狀態時，外涵支承2與外涵火焰穩定器12及外涵主燃油噴嘴22外涵值班燃油噴嘴21組成外涵燃燒器，組織外涵燃燒。內涵火焰穩定器13與外涵火焰穩定器12之間布置環形火焰穩定器3，環形火焰穩定器3連接在分流環4末端。環形火焰穩定器3在周向起傳播火焰與穩定火焰的作用。從高壓壓氣機44抽取的部分壓縮空氣經冷卻氣管路11成為加力燃燒室冷卻氣Cl作為加力燃燒室部件的冷卻氣對加力燃燒室部件進行冷卻，以提高部件的耐久性和可靠性。外涵火焰穩定器冷卻氣路25經分流環4與內涵火焰穩定器冷卻氣路四相連通，從壓氣機44抽取的加力燃燒室冷卻氣Cl經冷卻氣管路11進入外涵火焰穩定器2內部，形成外涵冷卻氣C2，對外涵外涵支承2及外涵火焰穩定器12進行冷卻，外涵冷卻氣C2流經內涵火焰穩定器1內部，形成內涵冷卻氣C3，對整流支板1及內涵火焰穩定器13進行冷卻，內涵冷卻氣C3進入錐體7內部，形成後軸承機匣冷卻氣C4， 對錐體內部空腔57各部件進行冷卻，後軸承機匣冷卻氣C4從錐體表面的冷卻氣膜孔45流出，變成氣膜冷卻氣C5，在錐體表面形成氣膜，對錐體表面進行冷卻，以降低錐體的紅外輻射。圖3是本發明的加力燃燒室燃燒部件示意圖。加力燃燒室燃燒部件由錐體7、整流支板1、內涵火焰穩定器13、內涵燃油管路28、內涵主燃油噴嘴5、內涵值班燃油噴嘴27、分流環4、環形火焰穩定器3、環形火焰穩定器值班燃油噴嘴32、外涵支承2、外涵火焰穩定器 12、外涵燃油管路觀、外涵主燃油噴嘴22、外涵值班燃油噴嘴21組成。整流支板1連接後軸承機匣20和渦輪機匣18，整流支板後壁面48即為內涵火焰穩定器13。從低壓渦輪出來的內涵燃氣A與從整流支板1側面的內涵主燃油噴嘴5噴射的內涵主燃油38混合形成內涵油氣混合氣，依靠整流支板後壁面48突擴效應形成局部回流區30，從內涵值班燃油噴嘴 27噴射出的內涵值班燃油39和部分從內涵主燃油噴嘴5橫向噴射出的主燃油38在回流區38內燃燒形成內涵值班火焰，內涵值班火焰引燃內涵主燃油38在整個內涵流域內組織燃燒。外涵主燃油噴嘴22噴射出外涵主燃油40，外涵主燃油40遇到擋板M後流動方向變為垂直於外涵空氣B的橫向噴射。外涵值班燃油噴嘴噴射出外涵值班燃油41。外涵支承後 V型壁面53即為外涵火焰穩定器12。從風扇43出來的外涵空氣B與從外涵支承2頭部外涵主燃油噴嘴22噴射的燃油混合形成外涵油氣混合氣，依靠外涵支承後V型壁面53突擴效應形成局部低速回流區26，從外涵值班燃油噴嘴21噴射出的外涵值班燃油41在回流區內燃燒形成外涵值班火焰，外涵值班火焰引燃外涵主燃油40在外涵流域內組織燃燒。內外涵分別組織燃燒，先燃燒後混合。內外涵火焰穩定器之間是環形火焰穩定器3，環形火焰穩定器3採用吸入式穩定器，在周向方向上起穩定火焰和傳播火焰的作用。環形火焰穩定器 3同時用作內外涵的混合器，進行內外涵氣體的混合。此外，環形火焰穩定器3用作加力燃燒室17的預燃室，接通加力時，環形火焰穩定器值班燃油噴嘴噴32射出的環形火焰穩定器值班燃油42首先點火燃燒，實現加力燃燒室的軟點火，保證發動機主機穩定工作。圖4是本發明的加力燃燒室後視圖，相鄰的整流支板1及外涵支承2之間的夾角是22. 5°，共計16個整流支板和16個外涵支承，在圓周內成軸對稱分布。這種布置使內涵火焰穩定器13和外涵火焰穩定器12的堵塞比以及內涵火焰穩定器13和外涵火焰穩定器 12的整體重量達到折中較好的狀態。內涵火焰穩定器13、環形火焰穩定器3、外涵火焰穩定器12是相互連通的。這樣整個加力燃燒室內在內涵火焰穩定器13和外涵火焰穩定器12 的作用下形成16個徑向的回流區，這16個徑向的回流區靠環形火焰穩定器3作用下形成的1個周向的回流區連在一起，從在整個加力燃燒室內實現徑向和周向方向的火焰傳播。圖5是整流支板內涵火焰穩定器後面的回流區結構示意圖。整流支板1表面有三部分構成，兩個整流支板側壁面47和一個整流支板後壁面48，整流支板後壁面48位於整流支板葉型厚度最大處51，整流支板1的內部為空心結構，形成內涵冷卻氣路四，整流支板後壁面48形狀為內陷V型56，內陷V型56夾角為60°，內陷V型56夾角末端採用圓弧型過渡，圓弧半徑為2mm-3mm，整流支板後壁面48構成內涵火焰穩定器13。從低壓渦輪16流出的內涵燃氣A流過整流支板1時，因整流支板後壁面48的突擴效應，在整流支板後面形成 2個對稱的回流區30，從內涵值班燃油噴嘴32噴射出的內涵值班燃油39和部分從內涵主燃油噴嘴21噴射的內涵主燃油38在內涵火焰穩定器後的回流區30內燃燒形成值班火焰， 值班火焰引燃全部主燃油38，從而在整個內涵流域組織燃燒。圖6是外涵火焰穩定器後面的回流區結構示意圖。外涵支承2是由外涵支承前V型壁面52和外涵支承後V型壁面53 焊接組成的外涵支承封閉腔體討。外涵支承2的內部為空心結構，形成外涵冷卻氣路25。 外涵支承前V型壁面52夾角為30°，外涵支承前V型壁面52夾角末端採用圓弧形過渡，圓弧半徑為1. 5mm-2. 5mm,外涵支承後V型壁面53夾角為60°，外涵支承後V型壁面53夾角末端採用圓弧形過渡，圓弧半徑為4mm-5mm，外涵支承後V型壁面53向內凹陷成內陷V形構成外涵火焰穩定器12。經風扇43壓縮後的外涵空氣B沿外涵道6進入加力燃燒室17，外涵空氣B流經外涵支承2時，在外涵支承2的V型氣動外形和外涵支承後V型壁面53突擴的作用下，在外涵火焰穩定器12後面形成2個對稱的回流區，即為外涵火焰穩定器後的回流區沈，外涵值班燃油41在外涵火焰穩定器後的回流區沈內燃燒形成外涵值班火焰，外涵值班火焰引燃外涵主燃油40，從而在外涵流域內形成燃燒。圖7是環形火焰穩定器3後面的回流區示意圖。環形火焰穩定器3採用吸入式穩定器，環形火焰穩定器3上半部分設置補燃氣孔31，補燃氣孔31形狀為矩形，矩形沿周向方向上的邊長為10mm，沿徑向方向的邊長為6mm，補燃氣孔31底端布置橫向擋板34。環形火焰穩定器內部與分流環4相連接處設置環形穩定器值班燃油噴嘴32，環形穩定器值班燃油噴嘴32採用直射式噴嘴，相鄰兩個整流支板1之間設置2個環形穩定器值班級燃油噴嘴32，設置位置是兩個相鄰整流支板1之間環形火焰穩定器3圓弧的1/3分割點和2/3分割點處，整個環形火焰穩定器3內布置32 個環形穩定器值班級燃油噴嘴32，加力燃燒室工作時有值班燃油42噴出。內涵燃氣A流經環形火焰穩定器3時，形成環形火焰穩定器後的下回流區36，外涵空氣B流經環形火焰穩定器3時形成環形火焰穩定器後的上回流區37。外涵小股空氣Bl流進補燃氣孔31，對環形火焰穩定器3內的燃燒起到一定的補燃作用。圖8為內涵燃油噴射示意圖，內涵燃油管路觀布置在整流支板1內部，利用內涵冷卻氣體C3對其進行冷卻，防止燃油結焦和部件燒蝕。內涵主燃油噴嘴5採用直射式噴嘴內涵主燃油噴嘴5距離整流支板後緣50的距離為20mm-25mm，整流支板1兩側的內涵主燃油噴嘴5對稱分布。內涵主燃油38從整流支板1兩側的主燃油噴嘴5橫向噴射，與內涵燃氣A配合進行橫向噴射霧化。這種燃油噴射方式有利於縮短主燃油38與內涵燃氣A的混合
11段長度。內涵值班燃油噴嘴27採用直射式噴嘴，內涵值班燃油噴嘴27位於整流支板後壁面48的中心線上，內涵值班燃油噴嘴27與內涵主燃油噴嘴5位於同一條水平位置上，內涵值班燃油噴嘴27數量是內涵主燃油噴嘴5數量的1/2。內涵值班燃油噴嘴27噴射出內涵值班燃油39，內涵值班燃油39為順噴，內涵值班燃油39的質量流量是內涵主燃油38的質量流量的1/4-1/5，值班級燃油在回流區30內形成值班火焰。值班火焰引燃主燃油38，從而在整個內涵流域內形成燃燒。圖9為外涵燃油噴射示意圖，外涵燃油管路23布置在外涵火焰穩定器內部，利用外涵冷卻氣體C2對其進行冷卻，防止燃油結焦和部件燒蝕。外涵主燃油40從外涵火焰穩定器12頭部的外涵主燃油噴嘴22噴出，外涵主燃油40噴出後在擋板M的作用下變為橫向噴射，外涵支承2前面的擋板M離外涵主燃油噴嘴22為lmm-2mm， 外涵主燃油噴嘴22噴射出的外涵主燃油40與擋板M碰撞霧化，改善霧化效果。外涵值班燃油噴嘴21採用直射式噴嘴，外涵值班燃油噴嘴21與外涵主燃油噴嘴22數量相同，外涵值班燃油噴嘴21位於外涵支承後V型壁面53的中心線上方，外涵值班燃油噴嘴21與外涵主燃油噴嘴22處於同一水平位置上，外涵值班燃油噴嘴21噴射出外涵值班燃油41，外涵值班燃油41的質量流量是外涵主燃油40的質量流量的1/4-1/5。外涵值班燃油41在回流區沈內形成外涵值班火焰，外涵值班火焰引燃外涵主燃油40，從而在外涵流域內形成燃燒。圖10為環形火焰穩定器3後面的燃油噴射示意圖，環形火焰穩定器3設計成吸入式穩定器，環形火焰穩定器3相鄰兩個整流支板1之間與分流環4相連接處設置2個值班燃油噴嘴32，整個環形火焰穩定器內布置32個值班燃油噴嘴32。從環形火焰穩定器值班燃油噴嘴32噴射出環火焰形穩定器值班級燃油42，環形火焰穩定器值班燃油42在環形穩定器後的下回流區36和環形穩定器後的上回流區37內形成值班火焰。外涵小股空氣Bl流進補燃氣孔31，對環形火焰穩定器3內的燃燒起到一定的補燃作用。此環形火焰穩定器3同時用作加力燃燒室17的預燃室，接通加力時環形火焰穩定器值班燃油42首先噴射點燃，實現加力燃燒室的軟點火，防止渦扇發動機加力燃燒室17啟動時產生的壓力突升能直接傳遞到風扇43，使風扇的喘振裕度下降，甚至引起風扇的喘振，保證加力燃燒室和發動機主機安全穩定工作。圖11是本發明的加力燃燒室核心燃燒部件(錐體、整流支板、內涵火焰穩定器、環形火焰穩定器、分流環、外涵支承、外涵火焰穩定器)組合的三維效果圖。圖12是本發明的加力燃燒整體效果圖。總之，本發明將加力燃燒室內部件集成設計，減少了部件數量，提高了部件利用效率，減輕了重量，提高了加力燃燒室性能，提高了發動機推重比。本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。
權利要求
1.一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於包括由錐體(7)、後軸承機匣(20)、整流支板(1)、內涵火焰穩定器(13)、內涵燃油管路( )、內涵主燃油噴嘴(5)、內涵值班燃油噴嘴(27)、分流環G)、環形火焰穩定器(3)、環形火焰穩定器值班燃油噴嘴(32)、外涵支承O)、外涵火焰穩定器(12)、外涵燃油管路(觀)、外涵主燃油噴嘴(22)、外涵值班燃油噴嘴和加力筒體(8)組成；所述整流支板(1)下端與上端分別與錐體(7)和分流環(4)連接組成加力燃燒室的內涵通道(55)，整流支板(1)的內部為空心結構，形成內涵冷卻氣路09)；外涵支承(2)下端與上端分別與分流環(4)和加力筒體(8)連接組成加力燃燒室的外涵通道(6)；所述環形火焰穩定器C3)連接在分流環(4)末端；所述錐體(7)是後軸承機匣OO)的外表面部分，所述錐體(7)與加力筒體⑶共同組成加力燃燒室擴壓器G6)；所述外涵支承(2)的內部為空心結構，形成外涵冷卻氣路(25)， 外涵支承冷卻氣路0 穿過分流環(4)與內涵整流支板冷卻氣路09)相貫通，內涵整流支板冷卻氣路09)穿過錐體(7)與錐體內部空腔相貫通；所述整流支板(1)表面氣動外形採用對稱葉型，整流支板(1)表面有三部分構成，兩個整流支板側壁面G7)和一個整流支板後壁面(48)，整流支板後壁面08)位於整流支板葉型厚度最大處(51)，整流支板後壁面(48)形狀為內陷V型(56)；整流支板後壁面G8)即為內涵火焰穩定器(1 ；整流支板前緣(49)與水平方向垂直，整流支板後緣(50)與內涵燃氣A流出方向垂直；內涵燃油管路08) 布置在整流支板(1)內部，內涵主燃油噴嘴(5)布置在整流支板側壁面G7)上，內涵值班燃油噴嘴(XT)布置在整流支板後壁面G8)的中心線上；外涵支承O)由外涵支承前V型壁面(5 和外涵支承後V型壁面(5 構成；外涵支承前V型壁面(5 夾角角度小於外涵支承後V型壁面(5 夾角角度，外涵支承前V型壁面(5 與外涵支承後V型壁面(53)焊接組成外涵支承封閉腔體(54)；外涵支承後V型壁面(5 即為外涵火焰穩定器(1 ；外涵燃油管路布置在外涵支承O)內部，外涵主燃油噴嘴0 位於外涵支承( 的頭部， 外涵支承( 前面設擋板(M)，與外涵燃主油噴嘴0 共同形成擋板噴嘴，外涵值班燃油噴嘴位於外涵支承後V型壁面(53)的中心線上；內涵火焰穩定器(13)和外涵火焰穩定器(1 之間布置環形火焰穩定器(3)，環形火焰穩定器C3)整體採用V型設計，環形火焰穩定器C3)上面連接外涵火焰穩定器(12)，環形火焰穩定器C3)下面連接內涵火焰穩定器 (13)。
2.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於所述內涵主燃油噴嘴(5)採用直射式噴嘴，內涵主燃油噴嘴(5)噴射出內涵主燃油(38)，內涵主燃油(38)的噴射方向垂直於內涵燃氣A，內涵主燃油噴嘴(5)距離整流支板後緣(50)的距離為20mm-25mm，整流支板(1)兩側的內涵主燃油噴嘴( 對稱分布。
3.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於所述內涵值班燃油噴嘴(XT)採用直射式噴嘴；內涵值班燃油噴嘴(XT)位於整流支板後壁面G8)的中心線上，內涵值班燃油噴嘴(Xi)與內涵主燃油噴嘴(5)處於同一條水平位置上，內涵值班燃油噴嘴、2Τ)噴射出內涵值班燃油(39)，內涵值班燃油(39)為順噴，內涵值班燃油噴嘴(XT)數量是內涵主燃油噴嘴(5)數量的1/2，內涵值班燃油(39)的質量流量是內涵主燃油(3 的質量流量的1/4-1/5。
4.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於所述整流支板後壁面G8)內陷V型(56)夾角為60°，內陷V型(56)夾角末端採用圓弧型過渡，圓弧半徑為2mm-3mm。
5.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於所述環形火焰穩定器( 採用吸入式穩定器，環形火焰穩定器( 上半部分設置補燃氣孔(31)，補燃氣孔(31)形狀為矩形，矩形沿周向方向上的邊長為10mm，沿徑向方向的邊長為6mm，補燃氣孔(31)底端布置橫向擋板(34)；環形火焰穩定器內部與分流環⑷ 相連接處設置環形穩定器值班燃油噴嘴(3 ；環形穩定器值班燃油噴嘴(3 採用直射式噴嘴；相鄰兩個整流支板(1)之間設置2個環形穩定器值班燃油噴嘴(32)，設置位置是兩個相鄰整流支板(1)之間環形火焰穩定器(3)圓弧的1/3分割點和2/3分割點處，整個環形火焰穩定器(3)內布置32個環形穩定器值班級燃油噴嘴(32)。
6.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於所述外涵支承前V型壁面(5 夾角為30°，外涵支承前V型壁面(5 夾角末端採用圓弧形過渡，圓弧半徑為1. 5mm-2. 5mm ；外涵支承後V型壁面(5 夾角為60°，外涵支承後V型壁面(5 夾角末端採用圓弧形過渡，圓弧半徑為4mm-5mm。
7.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於所述外涵支承(2)前面的擋板04)離外涵主燃油噴嘴02)為lmm-2mm。
8.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於所述外涵主燃油噴嘴0 噴射出外涵主燃油(40)，外涵主燃油00)遇到擋板 (24)後流動方向變為垂直於外涵空氣B的橫向噴射；外涵值班燃油噴嘴採用直射式噴嘴，外涵值班燃油噴嘴噴射出外涵值班燃油Gl)；外涵值班燃油噴嘴Gl)位於外涵後V 型壁面(53)的中心線上，外涵值班燃油噴嘴與外涵主燃油噴嘴02)處於同一條水平位置上，外涵值班燃油噴嘴的數目與外涵主燃油噴嘴0 的數目相同；外涵值班級燃油Gl)的質量流量為外涵主燃油GO)的質量流量的1/4-1/5。
9.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，其特徵在於所述外涵支承( 橫截面軸向長度是整流支板(1)橫截面軸向長度的1/3 ；內涵整流支板(1)與外涵支承( 成軸對稱分布，相鄰整流支板之間的夾角為22. 5°，共計16 個整流支板，相鄰外涵支承之間的夾角為22. 5°，共計16個外涵支承。
10.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室， 其特徵在於所述錐體(7)表面上布置冷卻氣膜孔(45)，冷卻氣膜孔0 交錯排列，冷卻氣膜孔G5)直徑為0. 8mm-lmm。
11.根據權利要求1所述的一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室， 其特徵在於所述錐體(7)的錐角角度為37. 5° -38.5°。
全文摘要
一種穩定器與渦輪後整流支板一體化設計的加力燃燒室，將加力燃燒室內的燃燒部件與渦輪後承力框架整合為一體。將渦輪後整流支板與內涵火焰穩定器一體化設計，內通冷卻氣體，供油管及燃油噴嘴布置在整流支板內部，主燃油從支板兩側橫向噴出，值班燃油從穩定器後面的凹槽處噴出形成值班火焰。將外涵火焰穩定器氣動外形設計為V型鈍體，內通冷卻氣體，燃油管路布置在外涵穩定器內部，主燃油從穩定器頭部利用擋板噴嘴橫向噴射，值班級燃油從外涵火焰穩定器後面凹槽處噴出。內外涵火焰穩定器之間設置一個環形火焰穩定器，在周向上起到穩定器與聯焰器的作用。本發明將加力燃燒室內部件集成設計，提高了部件利用效率，提高了發動機推重比。
文檔編號F23R3/20GK102538010SQ20121003061
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月12日 優先權日2012年2月12日
發明者李鋒, 李龍賢 申請人:北京航空航天大學