一种环形阵列开式旋流火焰稳定器及方法

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种环形阵列开式旋流火焰稳定器及方法。

背景技术：

1、加力燃烧室是飞机发动机上特有的推力增强装置。在短距起飞、机动飞行和空中执行任务过程中，能够起到至关重要的作用。其工作原理是，离开低压涡轮的高温燃气在扩压器中减速增压后，与喷注入加力燃烧室的额外燃油掺混、燃烧，消耗高温燃气中剩余的氧气，进一步提高加力燃烧室出口排气温度与压力，达到提高推力的目的。

2、由于加力燃烧室进口的气动参数与主燃烧室完全不同，因此在火焰稳定方面也存在较大差异。加力燃烧室火焰稳定的目的是形成稳定的火焰和均匀的释热，从而在整个飞行包线上产生一个连续的点火源。火焰稳定器能够为油气混合物提供足够的停留时间，确保连续和均匀的燃烧。

3、现有技术公开了火焰稳定器，稳定器由环形主稳定器和径向火焰稳定器组成。主稳定器为单排环形，置于内涵高温燃气流中，用于建立稳定高温热源；主稳定器的内外都是径向稳定器，利用内涵高温热源加热径向整流板，促进外涵稳定器上的油膜蒸发和混合，并用内涵高温燃气引燃，提高外涵冷混气燃烧的稳定性。但径向整流板火焰稳定器后回流区尺寸较小、油气混合均匀性差，会进一步导致加力燃烧室燃烧效率较低。

4、随着发动机发展，压气机压比、涡轮前温度和主燃烧室油气比进一步提高，这意味着加力燃烧室进口温度的提升和燃气氧浓度的降低。在加力燃烧室中喷注的燃油会很快自燃，导致燃烧室内油气混合不均匀，影响火焰稳定特性和燃烧效率。为此，为了改善油气混合、提高燃烧效率，本发明提出一种多点阵列开式旋流火焰稳定器。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，将开式旋流器耦合于径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器之间，形成多点阵列式的旋流形式，能够在保证压损变化不大的前提下，有效提升油气混合均匀性，增强火焰稳定能力，提高加力燃烧室的燃烧效率。

3、本发明的技术方案是：一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，包括呈圆环阵列排布于扩压通道内的若干开式旋流器，各开式旋流器的径向两侧延伸方向均连接有径向v型火焰稳定器，其周向两侧延伸方向均连接有周向v型火焰稳定器，即开式旋流器的入口端中心位于各径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器的相交处，能够在扩压通道下游形成圆环阵列排布的回流区，以增加可燃混合气体的主流时间。

4、本发明的进一步技术方案是：所述径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器构成环形栅格，能够将圆环阵列开式旋流器固定于扩压通道内。

5、本发明的进一步技术方案是：所述径向v型火焰稳定器的两端分别与扩压器内型面、扩压器外型面固定连接，其数量与开式旋流器的数量一致，并一一对应。

6、本发明的进一步技术方案是：所述径向v型火焰稳定器由两段v型槽构成，第一段v型槽的内端与扩压器内型面固定连接，外端与周向v型火焰稳定器的一侧壁面固定连接；第二段v型槽的内端与周向v型火焰稳定器的另一侧壁面固定连接，外端与扩压器外型面固定连接；通过调整两端v型槽的径向尺寸，调整周向v型火焰稳定器在扩压通道内的径向位置及内径。

7、本发明的进一步技术方案是：所述v型槽的槽底朝向扩压通道的入口，槽口朝向扩压通道的出口；其扩张角为30°，槽深为24.6mm；相邻径向v型火焰稳定器的夹角为30°。

8、本发明的进一步技术方案是：所述周向v型火焰稳定器为圆环式v型槽，若干径向v型火焰稳定器均布于其周向。

9、本发明的进一步技术方案是：所述周向v型火焰稳定器的v型槽槽底朝向扩压通道的入口，槽口朝向扩压通道的出口；其扩张角为30°，槽深为24.6mm。

10、本发明的进一步技术方案是：所述开式旋流器包括同轴设置的进气锥、轮毂及位于轮毂外周面的旋流叶片，开式旋流器通过进气锥的头部安装于周向v型火焰稳定器上，轮毂外端朝向扩压通道的出口。

11、本发明的进一步技术方案是：所述进气锥的轴向长度占整个开式旋流器轴向长度的1/2，所述旋流叶片的角度为40°。

12、一种环形阵列开式旋流火焰稳定器提高火焰稳定和充分燃烧的方法，具体步骤如下：

13、根据仿真实验确定加力燃烧室扩压通道内的温度分布；

14、根据所述扩压通道内的温度分布确定火焰稳定器的位置，及确定径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器的位置分布；

15、再次进行仿真实验，得到增加火焰稳定器后的扩压通道内的温度分布；

16、根据数值仿真结果得到扩压通道下游的回流区位置和面积；

17、在所确定的回流区位置的上游位置增加开式旋流器，并结合径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器的位置，确定开式旋流器的位置和数量；

18、再次进行数值仿真，对径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器的形状进行优化，得到扩张角为30°的v型槽结构，即能够提高火焰稳定和燃烧效率。

19、有益效果

20、本发明的有益效果在于：本发明的环形阵列开式旋流器通过径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器安装于扩压通道内，高温燃气通过阵列排布的开式旋流器5后，在旋流作用下，会在下游形成稳定的、按照阵列式排布的回流区。由于缺少旋流器壁面的限制，流动损失减小，开式旋流器下游回流区宽度增大，有助于增强火焰稳定性。未从旋流器通过的高温燃气，则通过径向v型火焰稳定器3和周向v型火焰稳定器4，在下游形成均匀的回流区，将由旋流器产生的回流区“串联”在一起，在阵列式旋流火焰稳定器下游形成大范围的、均匀的回流区与低速区，能够有效增加可燃混气的驻留时间，提高加力燃烧室燃烧效率。具体优势如下：

21、1.在技术方案中所述的开式旋流器的下游，受逆压梯度的影响，能够形成稳定的大范围的回流区和低速区，有利于火焰稳定和充分燃烧，能够改善背景技术中提到的加力燃烧室燃烧效率问题。而与传统的旋流器相比，开式旋流器去除了旋流器外壁面，进气锥一方面可以为v型火焰稳定器提供支撑点，另一方面可以减小旋流器轮毂对气流的阻碍作用。旋流器轮毂用于安装旋流器叶片。气流通过旋流叶片能够在下游产生回流区用于稳定火焰，具有更小的流阻，且回流区的尺寸相差不大。旋流器下游的剪切层能够有效提高油气混合均匀性，增强火焰稳定性。

22、2.多点燃油喷射方式以及多点阵列开式旋流器布置可以有效改善背景技术中提到的油气混合均匀性差的问题，能够有效提升油气混合均匀性和燃烧效率。

23、3.技术方案中所述的径向与周向v型火焰稳定器，一方面由于流线型头部结构，可以有效减小流动损失，另一方面，在v型火焰稳定器下游形成的回流区能够填充阵列开式旋流器之间的空隙，进一步提高燃烧室内混气均匀性，提高燃烧效率。

技术特征：

1.一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：包括呈圆环阵列排布于扩压通道内的若干开式旋流器，各开式旋流器的径向两侧延伸方向均连接有径向v型火焰稳定器，其周向两侧延伸方向均连接有周向v型火焰稳定器，即开式旋流器的入口端中心位于各径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器的相交处，能够在扩压通道下游形成圆环阵列排布的回流区，以增加可燃混合气体的主流时间。

2.根据权利要求1所述一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：所述径向v型火焰稳定器和周向v型火焰稳定器构成环形栅格，能够将圆环阵列开式旋流器固定于扩压通道内。

3.根据权利要求2所述一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：所述径向v型火焰稳定器的两端分别与扩压器内型面、扩压器外型面固定连接，其数量与开式旋流器的数量一致，并一一对应。

4.根据权利要求3所述一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：所述径向v型火焰稳定器由两段v型槽构成，第一段v型槽的内端与扩压器内型面固定连接，外端与周向v型火焰稳定器的一侧壁面固定连接；第二段v型槽的内端与周向v型火焰稳定器的另一侧壁面固定连接，外端与扩压器外型面固定连接；通过调整两端v型槽的径向尺寸，调整周向v型火焰稳定器在扩压通道内的径向位置及内径。

5.根据权利要求4所述一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：所述v型槽的槽底朝向扩压通道的入口，槽口朝向扩压通道的出口；其扩张角为30°，槽深为24.6mm；相邻径向v型火焰稳定器的夹角为30°。

6.根据权利要求1所述一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：所述周向v型火焰稳定器为圆环式v型槽，若干径向v型火焰稳定器均布于其周向。

7.根据权利要求6所述一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：所述周向v型火焰稳定器的v型槽槽底朝向扩压通道的入口，槽口朝向扩压通道的出口；其扩张角为30°，槽深为24.6mm。

8.根据权利要求1所述一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：所述开式旋流器包括同轴设置的进气锥、轮毂及位于轮毂外周面的旋流叶片，开式旋流器通过进气锥的头部安装于周向v型火焰稳定器上，轮毂外端朝向扩压通道的出口。

9.根据权利要求8所述一种环形阵列开式旋流火焰稳定器，其特征在于：所述进气锥的轴向长度占整个开式旋流器轴向长度的1/2，所述旋流叶片的角度为40°。

10.一种权利要求1-9任一项所述环形阵列开式旋流火焰稳定器提高火焰稳定和充分燃烧的方法，其特征在于具体步骤如下：

技术总结本发明一种环形阵列开式旋流火焰稳定器及方法，属于航空发动机领域；包括呈圆环阵列排布于扩压通道内的若干开式旋流器，各开式旋流器的径向两侧延伸方向均连接有径向V型火焰稳定器，其周向两侧延伸方向均连接有周向V型火焰稳定器，即开式旋流器的入口端中心位于各径向V型火焰稳定器和周向V型火焰稳定器的相交处，能够在扩压通道下游形成圆环阵列排布的回流区，以增加可燃混合气体的主流时间。本发明能够在保证压损变化不大的前提下，有效提升油气混合均匀性，增强火焰稳定能力，提高加力燃烧室的燃烧效率。技术研发人员：冯翔洲,索建秦,梁红侠,李前东,巨翃宇,闫玥受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10