本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置。具體地，本發(fā)明特別涉及用于TBCC(渦輪基組合循環(huán)，Turbine-based combined cycle)亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置。

背景技術(shù)：

TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作起點(diǎn)設(shè)在馬赫數(shù)2.5，與其對(duì)應(yīng)的燃燒室來(lái)流總溫約486K，壓力接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣流馬赫數(shù)卻可達(dá)0.28，這對(duì)燃燒室的可靠點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定提出了巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)還需要在馬赫數(shù)范圍為2.5～4的寬廣范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效燃燒，這是燃燒室所面臨的另一難題。

傳統(tǒng)非流線體的鈍體火焰穩(wěn)定器已難以勝任TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的需求。以V型槽火焰穩(wěn)定器為例，該穩(wěn)定器在來(lái)流溫度250℃，來(lái)流速度系數(shù)0.2，壓力0.11MPa時(shí)，油氣比0.32時(shí)就難以穩(wěn)定燃燒，顯然更無(wú)法適應(yīng)寬廣的工作范圍。

凹腔支板火焰穩(wěn)定器是目前一種受到廣泛關(guān)注的火焰穩(wěn)定方案。

專利文獻(xiàn)CN102200292A提出一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置，即帶凹腔的支板火焰穩(wěn)定器，在翼型支板的基礎(chǔ)上，通過(guò)支板上的凹腔結(jié)構(gòu)以及尾緣突擴(kuò)結(jié)構(gòu)形成低速回流區(qū)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)焰目的。

專利文獻(xiàn)CN104373964A提出了一種噴油系統(tǒng)和凹腔支板火焰穩(wěn)定裝置一體化設(shè)計(jì)的方案，將噴油桿內(nèi)置于凹腔支板內(nèi)部空腔內(nèi)，減少加力燃燒室的零部件數(shù)量，降低流動(dòng)損失，提高加力燃燒室的整體性能。同時(shí)，內(nèi)置的噴油桿利用流過(guò)凹腔支板內(nèi)的冷卻氣流進(jìn)行氣動(dòng)霧化，進(jìn)一步提高火焰穩(wěn)定器的組織燃燒能力。

上述兩篇專利文獻(xiàn)針對(duì)的均是未來(lái)的加力燃燒室，來(lái)流溫度相對(duì)較高，可到1000K，燃油可以達(dá)到較好的霧化、蒸發(fā)效果，與空氣摻混均勻后，可以實(shí)現(xiàn)航空煤油的自燃。但對(duì)于TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室而言，在工作起點(diǎn)來(lái)流溫度僅有486K左右，燃油霧化、蒸發(fā)受到較大影響，必須通過(guò)多種方式加強(qiáng)燃油的霧化、蒸發(fā)過(guò)程，以保證點(diǎn)火成功概率。同時(shí)也必須合理設(shè)計(jì)燃燒組織方式，保證燃燒室能夠有寬廣的高效穩(wěn)定工作范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提出一種用于TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置，滿足TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的可靠點(diǎn)火，同時(shí)保證在寬廣范圍內(nèi)的穩(wěn)定、高效燃燒。

本發(fā)明提出了一種用于TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置，該火焰穩(wěn)定裝置包括：支板、帽罩、值班噴油桿，所述支板與所述帽罩連接在一起，形成空腔，所述值班噴油桿設(shè)置于所述空腔內(nèi)，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(yōu)選的，所述值班噴油桿位于所述空腔的大致中心位置。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述支板具有前腔和后腔，所述前腔用于引入冷卻氣，所述后腔中設(shè)置有主油路噴油桿，所述前腔與所述后腔之間具有連通前腔與后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(yōu)選的，所述凹腔在所述前腔和所述后腔的排列方向上位于所述前腔和所述后腔之間。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(guò)渡，所述支板尾緣采用截?cái)嘣O(shè)計(jì)。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(zhǎng)度與最大深度之比為2：1，所述凹腔的前表面垂直于前方來(lái)流方向，所述凹腔的后表面為向所述支板尾緣傾斜的斜表面。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述斜表面與前方來(lái)流的夾角范圍為大于等于30°且小于等于45°。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述支板尾緣的中心軸線高于所述帽罩的中心軸線。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述連通前腔與后腔的冷卻氣圓形通道的數(shù)目為1條，所述連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道的數(shù)目為1條；或者，所述連通前腔與后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(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述主油路噴油桿的數(shù)量為2個(gè)，在所述后腔內(nèi)上下排列，每個(gè)所述主油路噴油桿均具有1個(gè)或2個(gè)噴油孔，所述主油路噴油桿的噴油孔正對(duì)所述后腔上的噴油孔，所述后腔上的噴油孔與所述主油路噴油桿的噴油孔一一對(duì)應(yīng)，并且數(shù)量相等，所述后腔上的噴油孔與所述主油路噴油桿的噴油孔的噴油方向均與前方來(lái)流的方向垂直。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述空腔的下側(cè)具有多個(gè)出口，且出口方向與重力方向相一致，所述值班噴油桿的上側(cè)開(kāi)有1個(gè)或2個(gè)噴油孔，噴油方向與重力方向相反。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述連通前腔與后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(lái)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于所述連通前腔與后腔的冷卻氣圓形通道的直徑。

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明利用壓力霧化、氣動(dòng)霧化、碰撞霧化等多種方式，改善值班燃油的霧化效果，在凹腔邊緣借助高能點(diǎn)火電嘴實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的點(diǎn)火。

2)本發(fā)明利用冷卻空氣和前方來(lái)流對(duì)主油路噴油桿噴射的燃油進(jìn)行氣動(dòng)霧化，增強(qiáng)燃油的霧化、蒸發(fā)效果；在支板尾緣的回流區(qū)內(nèi)組織燃燒，從而實(shí)現(xiàn)寬廣范圍內(nèi)高效、穩(wěn)定燃燒的目的。

3)本發(fā)明的火焰穩(wěn)定裝置與供油系統(tǒng)是一體化的設(shè)計(jì)方案，流道光滑，流阻小，減少了零部件數(shù)量，能夠提高TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的整體性能。

4)與傳統(tǒng)的火焰穩(wěn)定裝置相比，本發(fā)明適用于TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置，通過(guò)合理布置值班供油和主油路的供油位置，并利用多種方式改善霧化效果，提高了TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火性能，并兼顧了寬廣范圍內(nèi)的燃燒性能。

附圖說(shuō)明

圖1 TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰穩(wěn)定裝置的剖面示意圖。

圖2 TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰穩(wěn)定裝置的內(nèi)部冷卻空氣流動(dòng)示意圖。

圖中符號(hào)說(shuō)明如下：1支板，2帽罩，3空腔，4值班噴油桿，5前腔，6后腔，7主油路噴油桿，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連通前腔與后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主油路噴油桿的噴油孔，19后腔上的噴油孔，20前方來(lái)流。

具體實(shí)施方式

下面，將結(jié)合附圖1、2來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的用于TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置的具體實(shí)施方式。

圖1是本發(fā)明的TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰穩(wěn)定裝置的剖面示意圖，下面結(jié)合圖1詳細(xì)描述本發(fā)明的用于TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置。本發(fā)明的用于TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置包括支板1、帽罩2、值班噴油桿4，且支板1與帽罩2連接在一起，形成空腔3，值班噴油桿4設(shè)置于空腔3內(nèi)，優(yōu)選的，值班噴油桿4位于空腔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(wěn)定裝置的整體外形為翼型結(jié)構(gòu)，也可以是其他合適的結(jié)構(gòu)。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(guò)渡，采用例如焊接等方式連接在一起。優(yōu)選的，支板尾緣12采用截?cái)嘣O(shè)計(jì)，當(dāng)然也可采用其他設(shè)計(jì)，例如凹面設(shè)計(jì)。

支板1具有前腔5和后腔6，前腔5用于引入冷卻氣，后腔6中設(shè)置有主油路噴油桿7，前腔5與后腔6之間具有連通前腔與后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的出口高于值班噴油桿4；優(yōu)選的，參見(jiàn)附圖1，凹腔11在前腔5和后腔6的排列方向上位于前腔5和后腔6之間。支板尾緣的中心軸線14高于帽罩2的中心軸線13。連通前腔與后腔的冷卻氣圓形通道16的數(shù)目可以是1條，連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17的數(shù)目可以是1條；連通前腔與后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(guò)連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17引入到空腔3內(nèi)。前腔5引入的冷卻空氣還通過(guò)連通前腔與后腔的冷卻氣圓形通道16引入到后腔6內(nèi)。

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(zhǎng)度與最大深度之比為2:1至3:1，優(yōu)選2:1。凹腔11的前表面垂直于前方來(lái)流20方向，凹腔11的后表面為向支板尾緣12傾斜的斜表面。斜表面與前方來(lái)流20的夾角范圍為大于等于30°且小于等于45°。

主油路噴油桿7的數(shù)量為2個(gè)，在后腔6內(nèi)上下排列，每個(gè)主油路噴油桿7均具有1個(gè)或2個(gè)噴油孔18(圖1僅示出了具有1個(gè)噴油孔的情形)，主油路噴油桿7的噴油孔18正對(duì)后腔6上的噴油孔19，后腔6上的噴油孔19與主油路噴油桿7的噴油孔18一一對(duì)應(yīng)，并且數(shù)量相等(圖1示出了后腔6上側(cè)的噴油孔與位于后腔6上部的主油路噴油桿7的噴油孔18對(duì)應(yīng)的情形，和后腔6下側(cè)的噴油孔與位于后腔6下部的主油路噴油桿7的噴油孔18對(duì)應(yīng)的情形)，后腔6上的噴油孔19與主油路噴油桿7的噴油孔18的噴油方向均與前方來(lái)流20的方向垂直。噴油孔18和噴油孔19的形狀可以是長(zhǎng)方形，圓形等。

為避免空腔3內(nèi)部出現(xiàn)集油現(xiàn)象，空腔3的下側(cè)具有多個(gè)出口15，例如1個(gè)，2個(gè)，4個(gè)，6個(gè)，8個(gè)，10個(gè)，12個(gè)，14個(gè)(圖1僅示出了1個(gè))，出口15的形狀可以是長(zhǎng)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，值班噴油桿4的上側(cè)開(kāi)有1個(gè)或2個(gè)噴油孔(圖1僅示出了1個(gè))，噴油方向與重力方向相反。

連通前腔與后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(lái)流20方向保持一定的角度，優(yōu)選2°至20°。且連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17的直徑大于連通前腔與后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(jìn)入支板1內(nèi)部后，一小部分冷卻空氣流向后腔6，對(duì)支板1進(jìn)行冷卻，同時(shí)，該部分冷卻空氣對(duì)主油路噴油桿7噴出的燃油進(jìn)行氣動(dòng)霧化，通過(guò)噴油孔19噴射到前方來(lái)流20的主氣流中，在前方來(lái)流20的橫向氣動(dòng)霧化作用下，進(jìn)一步改善霧化效果，并在支板尾緣12形成的回流區(qū)內(nèi)穩(wěn)定燃燒。另一大部分冷卻空氣進(jìn)入到空腔3內(nèi)，對(duì)值班噴油桿4噴射的燃油進(jìn)行氣動(dòng)霧化，同時(shí)設(shè)計(jì)的冷卻空氣壓力較高，可以將氣動(dòng)霧化后的燃油沖擊到帽罩2的內(nèi)壁，與內(nèi)壁再次進(jìn)行碰撞霧化，借助帽罩2的壁溫加熱燃油，促進(jìn)燃油的蒸發(fā)，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(lái)，利用前方來(lái)流20對(duì)其進(jìn)一步霧化，增加燃油的蒸發(fā)率，油氣混合物被卷吸到凹腔11的低速回流區(qū)中，在凹腔11邊緣，借助高能點(diǎn)火電嘴實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的點(diǎn)火。

圖2是本發(fā)明的TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置的內(nèi)部冷卻空氣流動(dòng)示意圖。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作在小工況時(shí)，僅有值班噴油桿4供油。此時(shí)，從前腔5引入的冷卻空氣通過(guò)連通前腔與空腔的冷卻氣圓形通道17進(jìn)入到空腔3內(nèi)，值班噴油桿4燃油經(jīng)過(guò)壓力霧化后，與進(jìn)入空腔3的大股冷卻空氣進(jìn)行碰撞、剪切作用(類似于氣動(dòng)霧化)，同時(shí)設(shè)計(jì)的冷卻空氣壓力較高，可以將氣動(dòng)霧化后的燃油沖擊到帽罩2的內(nèi)壁，與內(nèi)壁再次進(jìn)行碰撞霧化，借助帽罩的壁溫加熱燃油，促進(jìn)燃油粒子的蒸發(fā)，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(lái)流20的主氣流中，利用前方氣流20對(duì)其進(jìn)一步霧化，增加燃油的蒸發(fā)率，并利用凹腔11卷吸油氣混合物，凹腔11產(chǎn)生的低速回流區(qū)，為點(diǎn)火提供了有利條件。同時(shí)，從前腔5引入的冷卻空氣通過(guò)前腔與后腔的冷卻氣圓形通道16流向后腔6，對(duì)支板1進(jìn)行冷卻，最終流出后腔6進(jìn)入主流。在凹腔11內(nèi)未燃燒完全的值班燃油，在支板尾緣12產(chǎn)生的回流區(qū)內(nèi)繼續(xù)燃燒。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，TBCC亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作在大工況時(shí)，值班噴油桿4和主油路噴油桿7同時(shí)供油。此時(shí)，與小工況相比，區(qū)別在于，從前腔5引入的一小部分冷卻空氣對(duì)主油路噴油桿7噴出的燃油進(jìn)行氣動(dòng)霧化，二者摻混后噴射到前方來(lái)流20的主氣流中。在前方來(lái)流的剪切、碰撞作用下，進(jìn)一步改善霧化效果，并在支板尾緣12形成的回流區(qū)內(nèi)穩(wěn)定燃燒。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。