一种用于TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置的制作方法

本发明涉及发动机燃烧室的火焰稳定装置。具体地，本发明特别涉及用于TBCC(涡轮基组合循环，Turbine-based combined cycle)亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置。

背景技术：

TBCC亚燃冲压发动机的工作起点设在马赫数2.5，与其对应的燃烧室来流总温约486K，压力接近标准大气压，气流马赫数却可达0.28，这对燃烧室的可靠点火及火焰稳定提出了巨大挑战。同时，TBCC亚燃冲压发动机还需要在马赫数范围为2.5～4的宽广范围内实现稳定、高效燃烧，这是燃烧室所面临的另一难题。

传统非流线体的钝体火焰稳定器已难以胜任TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的需求。以V型槽火焰稳定器为例，该稳定器在来流温度250℃，来流速度系数0.2，压力0.11MPa时，油气比0.32时就难以稳定燃烧，显然更无法适应宽广的工作范围。

凹腔支板火焰稳定器是目前一种受到广泛关注的火焰稳定方案。

专利文献CN102200292A提出一种用于燃气涡轮发动机加力燃烧室的火焰稳定装置，即带凹腔的支板火焰稳定器，在翼型支板的基础上，通过支板上的凹腔结构以及尾缘突扩结构形成低速回流区，实现稳焰目的。

专利文献CN104373964A提出了一种喷油系统和凹腔支板火焰稳定装置一体化设计的方案，将喷油杆内置于凹腔支板内部空腔内，减少加力燃烧室的零部件数量，降低流动损失，提高加力燃烧室的整体性能。同时，内置的喷油杆利用流过凹腔支板内的冷却气流进行气动雾化，进一步提高火焰稳定器的组织燃烧能力。

上述两篇专利文献针对的均是未来的加力燃烧室，来流温度相对较高，可到1000K，燃油可以达到较好的雾化、蒸发效果，与空气掺混均匀后，可以实现航空煤油的自燃。但对于TBCC亚燃冲压发动机燃烧室而言，在工作起点来流温度仅有486K左右，燃油雾化、蒸发受到较大影响，必须通过多种方式加强燃油的雾化、蒸发过程，以保证点火成功概率。同时也必须合理设计燃烧组织方式，保证燃烧室能够有宽广的高效稳定工作范围。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提出一种用于TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置，满足TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的可靠点火，同时保证在宽广范围内的稳定、高效燃烧。

本发明提出了一种用于TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置，该火焰稳定装置包括：支板、帽罩、值班喷油杆，所述支板与所述帽罩连接在一起，形成空腔，所述值班喷油杆设置于所述空腔内，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。优选的，所述值班喷油杆位于所述空腔的大致中心位置。

根据本发明的优选实施方式，所述支板具有前腔和后腔，所述前腔用于引入冷却气，所述后腔中设置有主油路喷油杆，所述前腔与所述后腔之间具有连通前腔与后腔的冷却气圆形通道，所述前腔与所述空腔之间具有连通前腔与空腔的冷却气圆形通道。优选的，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间。

根据本发明的优选实施方式，所述帽罩的外表面与所述支板的上表面、下表面之间光滑过渡，所述支板尾缘采用截断设计。

根据本发明的优选实施方式，所述凹腔的最大深度为所述支板最大高度的1/4至1/3，所述凹腔的最大长度与最大深度之比为2：1，所述凹腔的前表面垂直于前方来流方向，所述凹腔的后表面为向所述支板尾缘倾斜的斜表面。

根据本发明的优选实施方式，所述斜表面与前方来流的夹角范围为大于等于30°且小于等于45°。

根据本发明的优选实施方式，所述支板尾缘的中心轴线高于所述帽罩的中心轴线。

根据本发明的优选实施方式，所述连通前腔与后腔的冷却气圆形通道的数目为1条，所述连通前腔与空腔的冷却气圆形通道的数目为1条；或者，所述连通前腔与后腔的冷却气圆形通道为2条平行通道，所述连通前腔与空腔的冷却气圆形通道为2条平行通道。

根据本发明的优选实施方式，所述主油路喷油杆的数量为2个，在所述后腔内上下排列，每个所述主油路喷油杆均具有1个或2个喷油孔，所述主油路喷油杆的喷油孔正对所述后腔上的喷油孔，所述后腔上的喷油孔与所述主油路喷油杆的喷油孔一一对应，并且数量相等，所述后腔上的喷油孔与所述主油路喷油杆的喷油孔的喷油方向均与前方来流的方向垂直。

根据本发明的优选实施方式，所述空腔的下侧具有多个出口，且出口方向与重力方向相一致，所述值班喷油杆的上侧开有1个或2个喷油孔，喷油方向与重力方向相反。

根据本发明的优选实施方式，所述连通前腔与后腔的冷却气圆形通道和所述连通前腔与空腔的冷却气圆形通道均与前方来流方向保持一定的角度，且所述连通前腔与空腔的冷却气圆形通道的直径大于所述连通前腔与后腔的冷却气圆形通道的直径。

本发明的有益效果是：

1)本发明利用压力雾化、气动雾化、碰撞雾化等多种方式，改善值班燃油的雾化效果，在凹腔边缘借助高能点火电嘴实现可靠、稳定的点火。

2)本发明利用冷却空气和前方来流对主油路喷油杆喷射的燃油进行气动雾化，增强燃油的雾化、蒸发效果；在支板尾缘的回流区内组织燃烧，从而实现宽广范围内高效、稳定燃烧的目的。

3)本发明的火焰稳定装置与供油系统是一体化的设计方案，流道光滑，流阻小，减少了零部件数量，能够提高TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的整体性能。

4)与传统的火焰稳定装置相比，本发明适用于TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置，通过合理布置值班供油和主油路的供油位置，并利用多种方式改善雾化效果，提高了TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的点火性能，并兼顾了宽广范围内的燃烧性能。

附图说明

图1 TBCC亚燃冲压发动机燃烧室火焰稳定装置的剖面示意图。

图2 TBCC亚燃冲压发动机燃烧室火焰稳定装置的内部冷却空气流动示意图。

图中符号说明如下：1支板，2帽罩，3空腔，4值班喷油杆，5前腔，6后腔，7主油路喷油杆，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支板尾缘，13帽罩的中心轴线，14支板尾缘的中心轴线，15空腔的出口，16连通前腔与后腔的冷却气圆形通道，17连通前腔与空腔的冷却气圆形通道，18主油路喷油杆的喷油孔，19后腔上的喷油孔，20前方来流。

具体实施方式

下面，将结合附图1、2来描述根据本发明的用于TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置的具体实施方式。

图1是本发明的TBCC亚燃冲压发动机燃烧室火焰稳定装置的剖面示意图，下面结合图1详细描述本发明的用于TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置。本发明的用于TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置包括支板1、帽罩2、值班喷油杆4，且支板1与帽罩2连接在一起，形成空腔3，值班喷油杆4设置于空腔3内，优选的，值班喷油杆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。

火焰稳定装置的整体外形为翼型结构，也可以是其他合适的结构。其中帽罩2的外表面8与支板1的上表面9、下表面10之间光滑过渡，采用例如焊接等方式连接在一起。优选的，支板尾缘12采用截断设计，当然也可采用其他设计，例如凹面设计。

支板1具有前腔5和后腔6，前腔5用于引入冷却气，后腔6中设置有主油路喷油杆7，前腔5与后腔6之间具有连通前腔与后腔的冷却气圆形通道16，前腔5与空腔3之间具有连通前腔与空腔的冷却气圆形通道17。在竖直方向上，冷却气圆形通道17的出口高于值班喷油杆4；优选的，参见附图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之间。支板尾缘的中心轴线14高于帽罩2的中心轴线13。连通前腔与后腔的冷却气圆形通道16的数目可以是1条，连通前腔与空腔的冷却气圆形通道17的数目可以是1条；连通前腔与后腔的冷却气圆形通道16也可以是2条平行通道，连通前腔与空腔的冷却气圆形通道17也可以是2条平行通道(图1未示出)。前腔5引入的冷却空气通过连通前腔与空腔的冷却气圆形通道17引入到空腔3内。前腔5引入的冷却空气还通过连通前腔与后腔的冷却气圆形通道16引入到后腔6内。

凹腔11的最大深度为支板1最大高度的1/4至1/3，凹腔11的最大长度与最大深度之比为2:1至3:1，优选2:1。凹腔11的前表面垂直于前方来流20方向，凹腔11的后表面为向支板尾缘12倾斜的斜表面。斜表面与前方来流20的夹角范围为大于等于30°且小于等于45°。

主油路喷油杆7的数量为2个，在后腔6内上下排列，每个主油路喷油杆7均具有1个或2个喷油孔18(图1仅示出了具有1个喷油孔的情形)，主油路喷油杆7的喷油孔18正对后腔6上的喷油孔19，后腔6上的喷油孔19与主油路喷油杆7的喷油孔18一一对应，并且数量相等(图1示出了后腔6上侧的喷油孔与位于后腔6上部的主油路喷油杆7的喷油孔18对应的情形，和后腔6下侧的喷油孔与位于后腔6下部的主油路喷油杆7的喷油孔18对应的情形)，后腔6上的喷油孔19与主油路喷油杆7的喷油孔18的喷油方向均与前方来流20的方向垂直。喷油孔18和喷油孔19的形状可以是长方形，圆形等。

为避免空腔3内部出现集油现象，空腔3的下侧具有多个出口15，例如1个，2个，4个，6个，8个，10个，12个，14个(图1仅示出了1个)，出口15的形状可以是长方形孔，圆形孔，或其他合适的形状。且出口15的方向与重力方向相一致，值班喷油杆4的上侧开有1个或2个喷油孔(图1仅示出了1个)，喷油方向与重力方向相反。

连通前腔与后腔的冷却气圆形通道16和连通前腔与空腔的冷却气圆形通道17均与前方来流20方向保持一定的角度，优选2°至20°。且连通前腔与空腔的冷却气圆形通道17的直径大于连通前腔与后腔的冷却气圆形通道16的直径。

从前腔5引入的冷却空气进入支板1内部后，一小部分冷却空气流向后腔6，对支板1进行冷却，同时，该部分冷却空气对主油路喷油杆7喷出的燃油进行气动雾化，通过喷油孔19喷射到前方来流20的主气流中，在前方来流20的横向气动雾化作用下，进一步改善雾化效果，并在支板尾缘12形成的回流区内稳定燃烧。另一大部分冷却空气进入到空腔3内，对值班喷油杆4喷射的燃油进行气动雾化，同时设计的冷却空气压力较高，可以将气动雾化后的燃油冲击到帽罩2的内壁，与内壁再次进行碰撞雾化，借助帽罩2的壁温加热燃油，促进燃油的蒸发，最终，燃油粒子、燃油蒸气和冷却气夹杂在一起的油气混合物从空腔3的出口15喷射出来，利用前方来流20对其进一步雾化，增加燃油的蒸发率，油气混合物被卷吸到凹腔11的低速回流区中，在凹腔11边缘，借助高能点火电嘴实现可靠、稳定的点火。

图2是本发明的TBCC亚燃冲压发动机燃烧室的火焰稳定装置的内部冷却空气流动示意图。

根据本发明的一个实施方式，TBCC亚燃冲压发动机燃烧室工作在小工况时，仅有值班喷油杆4供油。此时，从前腔5引入的冷却空气通过连通前腔与空腔的冷却气圆形通道17进入到空腔3内，值班喷油杆4燃油经过压力雾化后，与进入空腔3的大股冷却空气进行碰撞、剪切作用(类似于气动雾化)，同时设计的冷却空气压力较高，可以将气动雾化后的燃油冲击到帽罩2的内壁，与内壁再次进行碰撞雾化，借助帽罩的壁温加热燃油，促进燃油粒子的蒸发，最终，燃油粒子、燃油蒸气和冷却气夹杂在一起的油气混合物从空腔3的出口15喷射到前方来流20的主气流中，利用前方气流20对其进一步雾化，增加燃油的蒸发率，并利用凹腔11卷吸油气混合物，凹腔11产生的低速回流区，为点火提供了有利条件。同时，从前腔5引入的冷却空气通过前腔与后腔的冷却气圆形通道16流向后腔6，对支板1进行冷却，最终流出后腔6进入主流。在凹腔11内未燃烧完全的值班燃油，在支板尾缘12产生的回流区内继续燃烧。

根据本发明的另一个实施方式，TBCC亚燃冲压发动机燃烧室工作在大工况时，值班喷油杆4和主油路喷油杆7同时供油。此时，与小工况相比，区别在于，从前腔5引入的一小部分冷却空气对主油路喷油杆7喷出的燃油进行气动雾化，二者掺混后喷射到前方来流20的主气流中。在前方来流的剪切、碰撞作用下，进一步改善雾化效果，并在支板尾缘12形成的回流区内稳定燃烧。

以上仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。