一種用於TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置的製作方法

2023-11-03 16:29:21

本發明涉及發動機燃燒室的火焰穩定裝置。具體地，本發明特別涉及用於TBCC(渦輪基組合循環，Turbine-based combined cycle)亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置。

背景技術：

TBCC亞燃衝壓發動機的工作起點設在馬赫數2.5，與其對應的燃燒室來流總溫約486K，壓力接近標準大氣壓，氣流馬赫數卻可達0.28，這對燃燒室的可靠點火及火焰穩定提出了巨大挑戰。同時，TBCC亞燃衝壓發動機還需要在馬赫數範圍為2.5～4的寬廣範圍內實現穩定、高效燃燒，這是燃燒室所面臨的另一難題。

傳統非流線體的鈍體火焰穩定器已難以勝任TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的需求。以V型槽火焰穩定器為例，該穩定器在來流溫度250℃，來流速度係數0.2，壓力0.11MPa時，油氣比0.32時就難以穩定燃燒，顯然更無法適應寬廣的工作範圍。

凹腔支板火焰穩定器是目前一種受到廣泛關注的火焰穩定方案。

專利文獻CN102200292A提出一種用於燃氣渦輪發動機加力燃燒室的火焰穩定裝置，即帶凹腔的支板火焰穩定器，在翼型支板的基礎上，通過支板上的凹腔結構以及尾緣突擴結構形成低速回流區，實現穩焰目的。

專利文獻CN104373964A提出了一種噴油系統和凹腔支板火焰穩定裝置一體化設計的方案，將噴油杆內置於凹腔支板內部空腔內，減少加力燃燒室的零部件數量，降低流動損失，提高加力燃燒室的整體性能。同時，內置的噴油杆利用流過凹腔支板內的冷卻氣流進行氣動霧化，進一步提高火焰穩定器的組織燃燒能力。

上述兩篇專利文獻針對的均是未來的加力燃燒室，來流溫度相對較高，可到1000K，燃油可以達到較好的霧化、蒸發效果，與空氣摻混均勻後，可以實現航空煤油的自燃。但對於TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室而言，在工作起點來流溫度僅有486K左右，燃油霧化、蒸發受到較大影響，必須通過多種方式加強燃油的霧化、蒸發過程，以保證點火成功概率。同時也必須合理設計燃燒組織方式，保證燃燒室能夠有寬廣的高效穩定工作範圍。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是提出一種用於TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置，滿足TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的可靠點火，同時保證在寬廣範圍內的穩定、高效燃燒。

本發明提出了一種用於TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置，該火焰穩定裝置包括：支板、帽罩、值班噴油杆，所述支板與所述帽罩連接在一起，形成空腔，所述值班噴油杆設置於所述空腔內，所述支板具有上表面和下表面，所述下表面具有凹腔，所述上表面不具有凹腔。優選的，所述值班噴油杆位於所述空腔的大致中心位置。

根據本發明的優選實施方式，所述支板具有前腔和後腔，所述前腔用於引入冷卻氣，所述後腔中設置有主油路噴油杆，所述前腔與所述後腔之間具有連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道，所述前腔與所述空腔之間具有連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道。優選的，所述凹腔在所述前腔和所述後腔的排列方向上位於所述前腔和所述後腔之間。

根據本發明的優選實施方式，所述帽罩的外表面與所述支板的上表面、下表面之間光滑過渡，所述支板尾緣採用截斷設計。

根據本發明的優選實施方式，所述凹腔的最大深度為所述支板最大高度的1/4至1/3，所述凹腔的最大長度與最大深度之比為2：1，所述凹腔的前表面垂直於前方來流方向，所述凹腔的後表面為向所述支板尾緣傾斜的斜表面。

根據本發明的優選實施方式，所述斜表面與前方來流的夾角範圍為大於等於30°且小於等於45°。

根據本發明的優選實施方式，所述支板尾緣的中心軸線高於所述帽罩的中心軸線。

根據本發明的優選實施方式，所述連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道的數目為1條，所述連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道的數目為1條；或者，所述連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道為2條平行通道，所述連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道為2條平行通道。

根據本發明的優選實施方式，所述主油路噴油杆的數量為2個，在所述後腔內上下排列，每個所述主油路噴油杆均具有1個或2個噴油孔，所述主油路噴油杆的噴油孔正對所述後腔上的噴油孔，所述後腔上的噴油孔與所述主油路噴油杆的噴油孔一一對應，並且數量相等，所述後腔上的噴油孔與所述主油路噴油杆的噴油孔的噴油方向均與前方來流的方向垂直。

根據本發明的優選實施方式，所述空腔的下側具有多個出口，且出口方向與重力方向相一致，所述值班噴油杆的上側開有1個或2個噴油孔，噴油方向與重力方向相反。

根據本發明的優選實施方式，所述連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道和所述連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道均與前方來流方向保持一定的角度，且所述連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道的直徑大於所述連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道的直徑。

本發明的有益效果是：

1)本發明利用壓力霧化、氣動霧化、碰撞霧化等多種方式，改善值班燃油的霧化效果，在凹腔邊緣藉助高能點火電嘴實現可靠、穩定的點火。

2)本發明利用冷卻空氣和前方來流對主油路噴油杆噴射的燃油進行氣動霧化，增強燃油的霧化、蒸發效果；在支板尾緣的回流區內組織燃燒，從而實現寬廣範圍內高效、穩定燃燒的目的。

3)本發明的火焰穩定裝置與供油系統是一體化的設計方案，流道光滑，流阻小，減少了零部件數量，能夠提高TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的整體性能。

4)與傳統的火焰穩定裝置相比，本發明適用於TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置，通過合理布置值班供油和主油路的供油位置，並利用多種方式改善霧化效果，提高了TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的點火性能，併兼顧了寬廣範圍內的燃燒性能。

附圖說明

圖1 TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室火焰穩定裝置的剖面示意圖。

圖2 TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室火焰穩定裝置的內部冷卻空氣流動示意圖。

圖中符號說明如下：1支板，2帽罩，3空腔，4值班噴油杆，5前腔，6後腔，7主油路噴油杆，8帽罩的外表面，9支板的上表面，10支板的下表面，11凹腔，12支板尾緣，13帽罩的中心軸線，14支板尾緣的中心軸線，15空腔的出口，16連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道，17連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道，18主油路噴油杆的噴油孔，19後腔上的噴油孔，20前方來流。

具體實施方式

下面，將結合附圖1、2來描述根據本發明的用於TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置的具體實施方式。

圖1是本發明的TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室火焰穩定裝置的剖面示意圖，下面結合圖1詳細描述本發明的用於TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置。本發明的用於TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置包括支板1、帽罩2、值班噴油杆4，且支板1與帽罩2連接在一起，形成空腔3，值班噴油杆4設置於空腔3內，優選的，值班噴油杆4位於空腔3的大致中心位置；支板1具有上表面9和下表面10，下表面10具有凹腔11，上表面9不具有凹腔。

火焰穩定裝置的整體外形為翼型結構，也可以是其他合適的結構。其中帽罩2的外表面8與支板1的上表面9、下表面10之間光滑過渡，採用例如焊接等方式連接在一起。優選的，支板尾緣12採用截斷設計，當然也可採用其他設計，例如凹面設計。

支板1具有前腔5和後腔6，前腔5用於引入冷卻氣，後腔6中設置有主油路噴油杆7，前腔5與後腔6之間具有連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道16，前腔5與空腔3之間具有連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17。在豎直方向上，冷卻氣圓形通道17的出口高於值班噴油杆4；優選的，參見附圖1，凹腔11在前腔5和後腔6的排列方向上位於前腔5和後腔6之間。支板尾緣的中心軸線14高於帽罩2的中心軸線13。連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道16的數目可以是1條，連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17的數目可以是1條；連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道16也可以是2條平行通道，連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17也可以是2條平行通道(圖1未示出)。前腔5引入的冷卻空氣通過連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17引入到空腔3內。前腔5引入的冷卻空氣還通過連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道16引入到後腔6內。

凹腔11的最大深度為支板1最大高度的1/4至1/3，凹腔11的最大長度與最大深度之比為2:1至3:1，優選2:1。凹腔11的前表面垂直於前方來流20方向，凹腔11的後表面為向支板尾緣12傾斜的斜表面。斜表面與前方來流20的夾角範圍為大於等於30°且小於等於45°。

主油路噴油杆7的數量為2個，在後腔6內上下排列，每個主油路噴油杆7均具有1個或2個噴油孔18(圖1僅示出了具有1個噴油孔的情形)，主油路噴油杆7的噴油孔18正對後腔6上的噴油孔19，後腔6上的噴油孔19與主油路噴油杆7的噴油孔18一一對應，並且數量相等(圖1示出了後腔6上側的噴油孔與位於後腔6上部的主油路噴油杆7的噴油孔18對應的情形，和後腔6下側的噴油孔與位於後腔6下部的主油路噴油杆7的噴油孔18對應的情形)，後腔6上的噴油孔19與主油路噴油杆7的噴油孔18的噴油方向均與前方來流20的方向垂直。噴油孔18和噴油孔19的形狀可以是長方形，圓形等。

為避免空腔3內部出現集油現象，空腔3的下側具有多個出口15，例如1個，2個，4個，6個，8個，10個，12個，14個(圖1僅示出了1個)，出口15的形狀可以是長方形孔，圓形孔，或其他合適的形狀。且出口15的方向與重力方向相一致，值班噴油杆4的上側開有1個或2個噴油孔(圖1僅示出了1個)，噴油方向與重力方向相反。

連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道16和連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17均與前方來流20方向保持一定的角度，優選2°至20°。且連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17的直徑大於連通前腔與後腔的冷卻氣圓形通道16的直徑。

從前腔5引入的冷卻空氣進入支板1內部後，一小部分冷卻空氣流向後腔6，對支板1進行冷卻，同時，該部分冷卻空氣對主油路噴油杆7噴出的燃油進行氣動霧化，通過噴油孔19噴射到前方來流20的主氣流中，在前方來流20的橫向氣動霧化作用下，進一步改善霧化效果，並在支板尾緣12形成的回流區內穩定燃燒。另一大部分冷卻空氣進入到空腔3內，對值班噴油杆4噴射的燃油進行氣動霧化，同時設計的冷卻空氣壓力較高，可以將氣動霧化後的燃油衝擊到帽罩2的內壁，與內壁再次進行碰撞霧化，藉助帽罩2的壁溫加熱燃油，促進燃油的蒸發，最終，燃油粒子、燃油蒸氣和冷卻氣夾雜在一起的油氣混合物從空腔3的出口15噴射出來，利用前方來流20對其進一步霧化，增加燃油的蒸發率，油氣混合物被卷吸到凹腔11的低速回流區中，在凹腔11邊緣，藉助高能點火電嘴實現可靠、穩定的點火。

圖2是本發明的TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室的火焰穩定裝置的內部冷卻空氣流動示意圖。

根據本發明的一個實施方式，TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室工作在小工況時，僅有值班噴油杆4供油。此時，從前腔5引入的冷卻空氣通過連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17進入到空腔3內，值班噴油杆4燃油經過壓力霧化後，與進入空腔3的大股冷卻空氣進行碰撞、剪切作用(類似於氣動霧化)，同時設計的冷卻空氣壓力較高，可以將氣動霧化後的燃油衝擊到帽罩2的內壁，與內壁再次進行碰撞霧化，藉助帽罩的壁溫加熱燃油，促進燃油粒子的蒸發，最終，燃油粒子、燃油蒸氣和冷卻氣夾雜在一起的油氣混合物從空腔3的出口15噴射到前方來流20的主氣流中，利用前方氣流20對其進一步霧化，增加燃油的蒸發率，並利用凹腔11卷吸油氣混合物，凹腔11產生的低速回流區，為點火提供了有利條件。同時，從前腔5引入的冷卻空氣通過前腔與後腔的冷卻氣圓形通道16流向後腔6，對支板1進行冷卻，最終流出後腔6進入主流。在凹腔11內未燃燒完全的值班燃油，在支板尾緣12產生的回流區內繼續燃燒。

根據本發明的另一個實施方式，TBCC亞燃衝壓發動機燃燒室工作在大工況時，值班噴油杆4和主油路噴油杆7同時供油。此時，與小工況相比，區別在於，從前腔5引入的一小部分冷卻空氣對主油路噴油杆7噴出的燃油進行氣動霧化，二者摻混後噴射到前方來流20的主氣流中。在前方來流的剪切、碰撞作用下，進一步改善霧化效果，並在支板尾緣12形成的回流區內穩定燃燒。

以上僅為本發明的優選實施方式，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。