一种气冷壁式支板组合火焰稳定器及燃烧室的制作方法

1.本发明涉及航空动力推进系统技术领域，特别涉及一种气冷壁式支板组合火焰稳定器及燃烧室。


背景技术：

2.随着先进航空发动机加力、冲压燃烧室不断发展，在高温高速来流中组织高效、低阻、稳定、可靠的燃烧已经成为工程设计的关键需求。在高温高速来流中，为了实现较好的点火性能，一般需要通过使用火焰稳定器构建一个低速区用作值班点火，常见的有壁式凹腔火焰稳定器和蒸发式火焰稳定器等；为了实现在径向方向的传焰，通常采用各种形式的钝体支板火焰稳定器。在传统的加力燃烧室中，其径向支板的供油方案一般是在上游安装喷油杆，为了防止燃油在喷油杆中结焦、简化加力燃烧室结构、缩短加力燃烧室长度，现有技术中已经将喷油杆和径向支板火焰稳定器进行一体化设计。在涡轮基组合循环发动机等先进航空发动机中，其多模态燃烧室(加力/冲压)经常需要长时间工作，内涵主流燃气的温度本身也很高，其火焰稳定器在高温燃气和火焰中的可靠性和耐久性是保证发动机正常工作的关键。目前火焰稳定器一般采用耐高温合金作为铸造材料，但是受材料熔点限制，这已经很难满足现代先进加力、冲压燃烧室的需求。为了保证火焰稳定器高效、稳定、可靠和耐久地工作，需要对传统的火焰稳定器的结构、供油和热防护方案进行优化设计。
3.为了解决先进航空发动机加力/冲压燃烧室对于高效、稳定和可靠燃烧性能的需求，考虑采用气冷壁式火焰稳定器和气冷支板火焰稳定器进行组合。其中，气冷壁式火焰稳定器作为值班火焰稳定器具有较宽的点火范围、较好的火焰稳定性，其冷气可以充分利用内、外涵压差实现引气。气冷支板火焰稳定器作为径向传焰的部件，可以由外部(例如涡扇涵道)引入新鲜的冷空气作为冷气，实现对其冷却效果的主动控制，此外，其供油方案可以整合到稳定器内部，既可以通过燃油对稳定器壁面实现一定的冷却效果，还能提高燃油喷射前温度，从而改善其在主流中的雾化和蒸发效果。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明提供了一种气冷壁式支板组合火焰稳定器，实现了较好的点火和火焰稳定性能，并且实现了综合冷却效果。本发明还提供了具有该稳定器的燃烧室，在先进加力、冲压燃烧室中，在主流温度和速度越来越高的情况下，保证了火焰稳定器高效、稳定、可靠和耐久地工作。
5.技术方案：本发明所述的一种气冷壁式支板组合火焰稳定器，包括气冷壁式火焰稳定器以及气冷支板火焰稳定器；所述气冷壁式火焰稳定器由水平延伸的涵道分流板、设置于所述涵道分流板后端的斜壁和设置于所述斜壁后端的平直壁组成；所述斜壁以及平直壁构成一个向上延伸的壁式台阶，所述气冷支板火焰稳定器安装于所述涵道分流板的下壁面，在所述平直壁上安装有离心喷油装置以及点火器；所述斜壁中空形成第一气冷腔，所述第一气冷腔的底壁上设置有若干个第一冷却孔；所述平直壁中空形成第二气冷腔，所述第
二气冷腔的底壁上设置有若干个第二冷却孔；所述气冷支板火焰稳定器中空形成腔体，所述腔体被竖向设置的隔板分成送入燃油的油冷腔以及位于所述油冷腔后方的第三气冷腔；所述油冷腔的两侧壁设置有若干个燃油喷射孔；所述第三气冷腔上设置有若干个冷却孔；所述第一气冷腔以及第二气冷腔连接处设置有壁式冷气弯管，所述第三气冷腔与支板冷气引管连通。
6.本发明组合稳定器的涵道分流板将燃烧室的上、下侧分为外涵道和内涵道，在壁式台阶的斜壁和平直壁内部均设置冷气腔，由外涵道中低温空气在压差的驱动下进入冷气腔的冷气通过冷却孔喷射进台阶回流区内。支板火焰稳定器由隔板分为油冷腔和气冷腔两部分，油冷腔的燃油由外部引入，随后通过分列于尾缘平直段两侧的均布燃油喷射孔喷入内涵主流中。支板火焰稳定器的气冷腔的冷气由布置在外涵一侧的冷气引管单独引入，后经气冷腔两侧的气膜孔和后壁面的冷气射流孔喷射进入主流中。本发明的气冷壁式支板火焰稳定器集冷却、供油、点火及火焰稳定于一体，通过利用外涵低温空气冷却壁式、单独引入冷气冷却和燃油冷却支板的复合冷却技术，在保证稳定器的较高点火性能和火焰稳定性的同时，将组合稳定器热侧壁温冷却至较低水平以下，实现对支板壁温的主动控制。
7.所述涵道分流板上安装有与所述油冷腔连通的支板燃油引管。
8.所述支板冷气引管安装于所述涵道分流板上。
9.所述壁式冷气弯管设置于斜壁和平直壁连接角处。
10.所述斜壁的下壁面沿逆时针均匀开设有交叉排列的第一冷却孔，所述第一冷却孔的开孔方向与所述斜壁的壁面呈30
°
夹角；所述平直壁的下壁面沿逆时针均匀开设有交叉排列的第二冷却孔；所述第二冷却孔的开孔方向与所述平直壁的壁面呈30
°
夹角。
11.所述离心喷油装置和点火器安装于平直壁中心对称线上；所述离心喷油装置与第二气冷腔之间焊接第一衬套；所述点火器与第二气冷腔之间焊接有第二衬套。
12.所述燃油喷射孔均匀设置于所述油冷腔尾缘平直段两侧。
13.所述第三气冷腔的两侧均匀开设交叉排列的与内涵主流呈30
°
夹角的第三冷却孔；所述第三气冷腔的后壁面均匀开设交叉排列的冷气射流孔。
14.在所述第三气冷腔的后壁面中心线上的冷气射流孔的开孔方向与来流方向平行；在所述第三气冷腔的后壁面中心线两侧的冷气射流孔的开孔方向分别向两侧倾斜延伸。
15.本发明还提供了一种包含上述气冷壁式支板组合火焰稳定器的燃烧室。
16.有益效果：(1)本发明通过将气冷壁式火焰稳定器用作值班点火，气冷支板火焰稳定器用作径向传焰，充分利用外涵与壁式台阶回流区的压差引入外涵低温空气冷却壁式火焰稳定器的热侧壁面，单独引入自主可控的外部冷气冷却气冷支板火焰稳定器的高温侧壁和后壁，并且改变气冷支板火焰稳定器的供油方式，取消传统的喷油杆设计，改为油冷腔供油，在保证较好的点火和火焰稳定器的同时，实现对组合稳定器热侧壁面的综合冷却；(2)本发明的气冷壁式稳定器的冷却孔逆时针开设即与回流区的流动方向一致，可以加速回流区中的燃油和气流的掺混，增强回流区燃烧产物与下方主流的质量交换率，拓宽稳定器的点火边界，提高径向支板传焰能力；(3)本发明的气冷壁式稳定器的离心喷油装置后置可以提高燃油的掺混和蒸发效果，增强值班点火和火焰稳定性能；(4)本发明的支板火焰稳定器采用的油冷腔供油方案，既可以冷却稳定器前缘段壁面，防止高温主流烧蚀支板稳定器前缘，还可以提高燃油喷射前温度增强其在主流中的蒸发和雾化效果，简化传统喷油装置、减
轻燃烧室重量；(5)本发明的支板火焰稳定器的气冷腔两侧开设与主流一致的气膜孔，由于受主流的束缚作用，冷气射流可以在两侧壁面形成一层冷气膜，防止高温主流烧蚀两侧壁面，即使上游喷出的燃油自燃时，冷气膜也可以对壁面起到较好的热防护效果；气冷腔后壁面开设的均匀排布的冷气射流孔喷射的冷气在回流区的阻隔和主流的束缚作用下，可以在近壁区产生一个较小的冷气涡区，该区域混气温度较低、油气比较低，导致部分熄火而形成火焰镂空区，最终实现较好的热防护效果；(6)本发明的气冷腔后壁面中心线两侧的冷气射流孔朝两侧开设，可以一定程度上拓宽支板下游火焰边界，同时减小冷气对回流区的直接冲击作用，尽可能降低冷气对径向支板火焰稳定器火焰稳定性的影响。
附图说明
17.图1为本发明的气冷壁式支板组合火焰稳定器示意图；
18.图2为本发明的组合火焰稳定器壁式冷气弯管截面a
‑
a向剖视图；
19.图3为本发明的组合火焰稳定器中心对称截面b
‑
b向剖视图；
20.图4为本发明的组合火焰稳定器径向支板燃油喷射孔截面c
‑
c向剖视图；
21.图5为本发明的组合火焰稳定器应用在加力燃烧室中的示意图。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，现结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.如图1所示，本发明所述的一种气冷壁式支板组合火焰稳定器，包括气冷壁式火焰稳定器1、气冷支板火焰稳定器2、壁式台阶3、离心喷油装置4、点火器5、壁式冷气弯管6、支板冷气引管7以及支板燃油引管8。本发明中所述的轴向为图3中x轴延伸的方向，也是前至后的方向，y轴延伸的方向为本发明中所述的径向，也是下至上的方向，z轴的延伸方向为横向。
24.气冷壁式火焰稳定器1由水平延伸的涵道分流板101、设置于涵道分流板101后端的斜壁102和设置于斜壁102后端的平直壁103组成，具体地，涵道分流板101安装在前端，气冷壁式火焰稳定器1的涵道分流板101将燃烧室进口分为内、外涵两个通道，斜壁102朝向右上角45
°
安装在涵道分流板101后方(斜壁102与涵道分流板101的夹角为45
°
)，平直壁103紧接斜壁102右上端平行于涵道分流板101安装，斜壁102与平直壁103的夹角为135
°
，斜壁102以及平直壁103构成一个向上延伸的壁式台阶3，如图1所示，壁式台阶3位于平直壁103下方，可以在高速内涵主流中创造一个低速的回流区，用作稳定的值班点火区域。
25.斜壁102与平直壁103均为中空结构，斜壁102与平直壁103的内部腔体连通构成冷气腔，具体地，斜壁102中空形成第一气冷腔104，第一气冷腔104的底壁上设置有若干个第一冷却孔105，如图2所示，本实施例中，斜壁102靠近壁式台阶3的热侧壁面(下壁面)逆时针方向开设有与斜壁102的壁面呈30
°
夹角的第一冷却孔105；平直壁103中空形成第二气冷腔106，第二气冷腔106的底壁上设置有若干个第二冷却孔107，如图2所示，本实施例中，第二气冷腔106的热侧壁面沿逆时针均匀开设交叉排列的与平直壁103的壁面呈30
°
夹角的第二冷却孔107，第二冷却孔107开孔方向(由上至下的方向)向前延伸。
26.如图3所示，在平直壁103上安装有离心喷油装置4以及点火器5，具体地，壁式台阶3上方的平直壁103中心线(轴向中心线)后端安装离心喷油装置4，在平直壁103中心线的中间位置安装点火器5，本发明中，平直壁103上安装的离心喷油装置4靠近中心线后端，即逆时针旋转的回流区的右端，离心喷油装置4后置可以延长燃油在壁式台阶内的掺混和蒸发时间，提高燃油的掺混和蒸发效果，有利于提高壁式火焰稳定器的点火和火焰稳定性。
27.如图2所示，斜壁102和平直壁103的连接角处均匀安装两根进口段水平的壁式冷气弯管6，壁式冷气弯管6的出气口分别与第一气冷腔104以及第二气冷腔106连通，壁式冷气弯管6用于引入外涵低温空气冷却斜壁102和平直壁103的热侧壁面；在本实施例中，斜壁102与平直壁103连接角处安装有两根均匀布置的冷气弯管6。离心喷油装置4和点火器5的安装孔与第二气冷腔106之间用衬套焊接隔绝以防漏气，具体地，离心喷油装置4与第二气冷腔106之间焊接第一衬套108；点火器5与第二气冷腔106之间焊接有第二衬套109。如图3所示，离心喷油装置4和点火器5在平直壁上的安装孔与第二气冷腔106之间分别用第一衬套108和第二衬套109焊接隔绝。
28.如图3和图4所示，气冷支板火焰稳定器2安装于涵道分流板101的下壁面，气冷支板火焰稳定器2中空形成腔体200，腔体200被竖向设置的隔板201(y
‑
z轴平面)分成用于送入燃油的油冷腔202以及第三气冷腔203，油冷腔202位于上游段，第三气冷腔203位于下游段。油冷腔202的两侧壁设置有若干个燃油喷射孔204，在本实施例中，燃油喷射孔204均匀设置于油冷腔202尾缘平直段两侧，燃油喷射孔204垂直于内涵主流。第三气冷腔203上设置有若干个第三冷却孔205，在本实施例中，第三气冷腔203的两侧均匀开设交叉排列的与内涵主流呈30
°
夹角的第三冷却孔205，第三气冷腔203的后壁面均匀开设交叉排列的冷气射流孔206，在第三气冷腔203的后壁面中心线上的冷气射流孔206的开孔方向与来流方向平行，在气冷腔203的后壁面中心线两侧的冷气射流孔206的开孔方向分别向两侧倾斜延伸，即在第三气冷腔203的后壁面中心线的冷气射流孔206与壁面垂直，中心线两侧的孔朝向两侧与壁面夹角为45
°
。
29.第三气冷腔203与支板冷气引管7连通，支板冷气引管7以及燃油引管8安装在气冷支板火焰稳定器2顶部且支板冷气引管7以及燃油引管8伸到燃烧室外部，在本实施例中，支板冷气引管7以及燃油引管8均穿过涵道分流板101与腔体200连通。
30.当气冷壁式支板组合火焰稳定器应用于涡扇发动机加力燃烧室时，如图5所示，涡扇发动机的涡轮排出的高温热燃气和外涵冷空气分别进入由气冷壁式火焰稳定器1的涵道分流板101分隔出的内、外涵道，气冷壁式火焰稳定器1用作值班点火，径向支板火焰稳定器2用作径向传焰，气冷支板火焰稳定器2安装在涵道分流板101的下方。其中，部分外涵道的低温空气在压差的作用下进入壁式冷气弯管6，然后分别进入斜壁102和平直壁103内的第一气冷腔腔104和第二气冷腔106，随后经过第一冷却孔105和第二冷却孔107喷射进入壁式台阶3的近壁区形成冷气层，冷气层温度低、油气比低，无法着火可以阻隔值班火焰对壁面的烧蚀，实现对热侧壁面的高效冷却，最终不断进入的冷气与回流区燃烧产物混合，提高值班区含氧量和燃烧效率；此外，由于第一冷却孔105和第二冷却孔107的角度与壁式台阶3内的回流区方向一致，这可以加速回流区燃烧产物与下方高温主流的质量交换率，提高值班区燃油的掺混和蒸发效果，拓宽值班区的点熄火范围，同时增强值班区向径向方向的传焰能力。
31.气冷支板火焰稳定器2的油冷腔202和气冷腔203分别由支板燃油引管8和支板冷气引管7从外部单独引入，这里的冷气可以从发动机的风扇涵道主动引入，通过控制冷气量实现对冷却效果的主动控制。燃油进入油冷腔202后，可以停留很长时间，内涵主流的高温燃气可以在燃油喷射前将其加热至较高温度，这有利于提高燃油喷射进入主流后的雾化和蒸发速率，增强支板稳定器的火焰稳定性。此外，进入油冷腔202内的低温燃油还可以降低前缘段支板稳定器的壁温，实现热防护作用。冷气进入气冷腔203后，一部分通过两侧壁面的第三冷却孔205喷射后，由于主流限制而束缚在近壁区形成一层冷气膜，这可以组合主流高温燃气对壁面的烧蚀；另一部分冷气经后壁面上的冷气射流孔206喷射进入支板下游，由主流和回流区共同作用下，在近壁区形成一系列冷气涡系，使得近壁区的混合物温度较低、油气比较低，导致该区域局部熄火而产生火焰镂空区，最终实现对后壁面的高效热防护；这两部分冷气最终与支板下游的燃气混合，提高加力燃烧室的含氧量，从而提高加力燃烧室的燃烧效率。
32.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明精神和原理的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围。