一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器的制作方法

本实用新型属于热能与动力工程领域，具体是一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器。

背景技术：

加力燃烧室是军用航空燃气涡轮发动机区别于民用航空发动机的重要特征之一，它通过在航空发动机尾喷管上游利用主燃烧室未燃尽的氧气组织二次点火燃烧，来进一步提升发动机尾喷管喷出的燃气温度和燃气速度，使短时间内的发动机推力得到大幅提升。

加力燃烧室可以短时间内提高飞机推重比，全面改善战机机动性并扩大飞行包线(可将升限提高到22～23km，最大飞行马赫数提高到2.5～3)，提升战机短距起飞、制空、截击、突防和逃逸等关键能力，其性能也直接影响到战机、导弹等武器装备的极限性能，往往在加力燃烧开启的数分钟甚至数秒钟内，就将决定战机和飞行员的生死存亡，决定导弹的突防成败和命中率。然而也正由于加力燃烧室始终工作于发动机极限工况附近，其工作环境也是发动机热端部件中条件最为恶劣处之一，恶劣的工况给航空发动机加力燃烧室设计带来的首要问题，就是燃烧不稳定性问题。如参考文献[1]：《燃烧不稳定性模拟实验技术》；张蒙正著，西北工业大学出版社，将加力燃烧室的燃烧不稳定性以类似于声学谐振型振荡的形式，依据频率分为低频、中频和高频燃烧不稳定性。

加力燃烧室内的燃烧不稳定除了导致火焰振荡猝熄(extinct)外，还可能导致①燃烧室局部热载荷提高，造成结构材料变形、烧蚀甚至完全失效；②火焰脉动产生的过载载荷造成机械破坏；③造成发动机性能偏离设计点，推力剧烈波动，如起飞阶段燃烧失稳，将导致推力骤降、机毁人亡的恶性事故；④给发动机尾喷管(尤其是新型发动机的矢量推力喷管)精确控制带来困难。因此，在加力燃烧室内必须合理设计安装与发动机设计性能、设计工况相匹配的火焰稳定器，以确保在恶劣条件下仍能够较好地组织点火、稳定燃烧。

火焰稳定器的结构和布局决定了加力燃烧室的点火性能、火焰稳定性能、燃烧效率和流动阻力，也因此，提升火焰稳定器的燃烧综合性能、降低火焰稳定器的阻力，就能够直接提升加力燃烧室的性能，从而提高发动机的总体性能。

如YF-120在原型机研发时，利用三维流设计的新方法，克服了加力燃烧室大量采用径向稳定器容易导致燃烧振荡的问题，提出了一种以径向火焰稳定器为主的、由中心环状V形稳定器与12根径向稳定器组合而成的加力燃烧室稳燃方案；参考文献[2]：《航空发动机结构设计分析》，陈光著。

目前军用航空发动机加力燃烧室火焰稳定器最常用的钝体结构即为V形钝体，即火焰稳定器的二维单元体结构是V形结构，并根据实际需求，在轴向上将二维V形单元体拉伸成三维的火焰稳定器单元体，最后通过一定的组合形式，将这些三维火焰稳定器单元体组合为环形火焰稳定器、径向火焰稳定器或环形和径向的组合，实际上用于形成值班火焰的蒸发式火焰稳定器也可以看作是一种自带油气喷嘴的V形钝体。

但是V形钝体的缺点也十分明确，即非加力状态的总压损失大，火焰稳定性只受来流油气比控制，点火油气比高，贫油稳定燃烧范围较窄，高空接通加力可靠性差，火焰稳定器壁温不均匀，易产生结构变形等。为此早期的一个简单改进是采用缝隙V型(双V型)钝体结构，参考文献[3]：张洪滨,王纪根.双V型火焰稳定器的研制和应用[J].推进技术,1994,15(3):38-43.)，双V形火焰稳定器在主要设计参数方面与V形火焰稳定器基本一致，不同之处在于双V形火焰稳定器的前缘增加了一个较小的V形稳定器，通过大小火焰稳定器的套叠，在头部形成两道一定宽度的进气缝。

同V形火焰稳定器相比，双V形火焰稳定器的气流结构发生了变化：它由两股气流所组成，一股是绕过主稳定器的主流，一股是绕过小稳定器、流入主稳定器内部的预燃流。这两股流动分别形成了大、小两个回流区，并通过两个回流区的相互作用，最终形成窄而长的大回流区，这一回流区的涡心在主稳定器内，而点火器设置在主稳定器内、小稳定器后缘附近位置，火焰依靠维持的原理和V形火焰稳定器一样——依靠回流区将未燃油气卷入已燃区域，确保燃烧过程的持续。

双V火焰稳定器相比V形火焰稳定器最大的改善是降低了堵塞比和总压损失，针对V形火焰稳定器的其他缺点则改善有限，实质上更接近于一种头部优化的蒸发式火焰稳定器。与此同时，双V火焰稳定器增加了结构上的复杂性并由此导致了可靠性的降低和结构重量的增加，这对于火焰稳定器的整体发展趋势而言，则是一种倒退。迄今为止对钝体结构火焰稳定器最为大胆、激进且成功的尝试是北京航空航天大学高歌教授发明的“沙丘驻涡(BD)火焰稳定器”；参考文献[4]：高歌,宁榥.沙丘驻涡火焰稳定性的理论及实验研究[J].工程热物理学报,1982,V3(1):89-95.BD火焰稳定器的工作原理是通过缩短或收拢涡尾提高涡尾区压力梯度，降低旋涡逆流转折点的流线曲率并增加该处剪切速度梯度，最终在钝体下游两个牛角之间形成驻涡结构，显著提高了旋涡稳定性，由于旋涡自身稳定，在此区域点火燃烧也可获得良好的燃烧稳定性。

从性能上看，BD火焰稳定器显著拓宽了以V形钝体为代表的二维单元体结构火焰稳定器的贫油吹熄边界，并降低流动阻力约75％～80％，解决了当时多个重点型号军用涡喷发动机加力燃烧室火焰稳定问题；而从设计理论角度看，BD火焰稳定器的意义则更为突出——一方面，BD火焰稳定器基于的旋涡稳定性理论，参考文献[5]：高歌.关于旋涡局部稳定性的研究[J].工程热物理学报,1981,V2(4):394-400.真正将火焰稳定器的设计从基于工程经验驱动的“主观设计”上升到了由涡动力学理论驱动的“正向理性设计”层面，这是航空发动机核心部件设计方法论的一次跨越式发展；另一方面其基于三维旋涡之间的相互作用机制，利用流场中的空间三维几何体主动构造具有强稳定性的“驻涡”结构，更是过去基于二维单元体结构的加力燃烧室火焰稳定器设计理论的一大突破。但不可否认，BD火焰稳定器也存在一些限制其进一步发展应用的缺点：

(1)两端收缩的尖角导致周向联焰存在一定困难，最大槽宽处的曲面设计也不利于径向联焰，为此需额外增加BD火焰稳定器各单元体之间的联焰结构，这就带来了结构复杂度的增加、可靠性的降低(联焰结构不易冷却，容易烧蚀)和结构重量的上升。

(2)过于稳定的驻涡结构导致下游尾迹剪切层扩散角度偏小，这给火焰在整个加力燃烧室内的传播带来了不利影响，容易出现出口温度分布不均的问题，为此需额外增加周向的环形火焰稳定器。

(3)复杂曲面造型的BD火焰稳定器及其所依托的旋涡稳定性理论，直接带来了设计参数过多、设计难度增加和型号适应性方面的问题，这也限制了它在后续涡扇发动机研发阶段的进一步发展和应用。

(4)不同于V形火焰稳定器结构，BD火焰稳定器由两片复杂曲面拼合而成的结构加工工艺性比较差，且在高温高速高负载的加力燃烧室内，易出现表面温度分布不均、外观变形导致稳燃效果下降甚至失效等问题，这对于在可靠性和维护性方面有很高要求的新一代军用燃气涡轮发动机而言，也是不可接受的。

在此后的若干年里，由于诸多原因，无论是BD火焰稳定器还是有关驻涡机理的旋涡稳定性理论都未能得到很好的延续与发展，BD火焰稳定器的这些缺陷亦未能真正解决，且与之相关的研究工作也开展得很少，这是非常令人遗憾的。

技术实现要素：

本实用新型为了解决高速、非稳态来流条件下燃料点火难度大、火焰不易维持稳定燃烧等问题，提出了一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，不仅可以应用于军用高性能喷气式航空发动机主燃室和加力燃烧室、导弹(高速无人机)发动机超音速燃烧室以及其他要求在高速气流中实现稳定燃烧的动力机械领域；也可用于民用燃烧装置领域。

所述的折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，由若干组结构相同或相近的折叠V型钝体驻涡火焰稳定器单体组合成，每个火焰稳定器单体包括两个等截面、等翼展长度的翼面按角度α焊接而成，或者通过高温合金增材制造直接制成；

若干火焰稳定器单体的组合形式为：径向，周向，或径向与周向混合，安装于航空发动机的加力燃烧室段，若干火焰稳定器单体的组合外端根据加力燃烧室的筒体结构，采用常规结构与加力燃烧室的筒体连接，内端紧邻加力燃烧室的中心锥体；

其中径向的组合形式，依据不同航空发动机加力燃烧室的工作特性，分为等长组合或长短结合组合；

周向的组合形式由8～20个等长度的火焰稳定器单体按首位相连的形式将端面焊接在一起，固定在加力燃烧室的圆壁上；周向组合的火焰稳定器单体个数、火焰稳定器单体的尺寸均由加力燃烧室的设计需求确定；

径向与周向的混合组合，既包含了周向的火焰稳定器单体连接形式，也包含了径向的火焰稳定器单体连接形式；且周向的连接形式根据需要设置为1圈～3圈，并安装在整个组合结构的靠内侧，利用焊接方式与径向火焰稳定器单体的内侧连接。

本实用新型的优点在于：

(1)一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，对来流适应性好，通过调节钝体设计参数α、ρ、L、D，可在来流Ma＝0.1～1，Re＝60000～200000的工况范围内，形成空间位置不随来流改变的稳定驻涡；

(2)一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，继承了BD火焰稳定器贫油点火特性好，稳燃性好的特点，可在贫油状态完成点火，期间来流工况、油气比发生猝变时，火焰仍可保持稳定，吹熄边界宽；

(3)一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，相比BD火焰稳定器，联焰性更好，各单体可无缝隙并联成完整封闭的环形，保证周向火焰分布均匀；

(4)一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，钝体下游燃气掺混性好，采用径向结构时，还可在不加力状态实现内外涵气流的有效掺混；

(5)一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，流动阻力小，总压恢复系数高；

(6)一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，结构相比BD火焰稳定器简单得多，只比传统V型钝体火焰稳定器增加了两个控制参数，易于完整掌握其在不同工况下的流动与燃烧特性，更易于与航空发动机已有型号进行匹配，改进现有航空发动机性能。

附图说明

图1为本实用新型一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器的结构示意图；

图2为本实用新型一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器的局部图；

图3为本实用新型一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器的安装位置示意图；

图4为本实用新型一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器的径向组合示意图；

图5为本实用新型一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器的周向组合示意图；

图6为本实用新型一种折叠V型钝体驻涡火焰稳定器的径向与周向组合示意图。

图中，1-翼面；2-V型钝体截面；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方法进行详细说明。

本实用新型在深入研究驻涡稳燃机理的基础上，结合沙丘驻涡火焰稳定器和传统V型火焰稳定器各自的优点，提出了一种三维流动、折叠V型结构的钝体驻涡火焰稳定器结构。

所述的折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，如图1所示，由若干组结构相同或相近的折叠V型钝体驻涡火焰稳定器单体组合成，每个火焰稳定器单体包括两个等截面、等翼展长度的翼面1，如图2所示，两个翼面1选用两片传统的直边V型钝体按角度α焊接拼合而成，或者通过高温合金增材制造直接制成；两个翼面1之间的后掠角α角度范围为60度到150度，与希望形成的驻涡位置与驻涡区域大小有关。翼面的翼展长度为L，取值为4～8倍的槽宽；V型钝体截面2包含槽宽D和顶角ρ。

槽宽D根据加力燃烧室火焰稳定性公式计算：

VFH为吹熄速度，一般取马赫数M＝0.1～0.35；Tt为加力燃烧室来流温度，根据内外涵气体温度，一般为Tt＝300K～900K，PsFH为加力燃烧室吹熄压力，取PsFH＝69kpa，Kst为稳定性参数，根据国内航空发动机典型设计条件，一般取Kst＝5～9。

顶角ρ根据经验，一般取在30～45度。取值过大会导致阻塞比与流动阻力剧增，取值过小则不利于回流区的形成。

考虑加工与装配的便利性，每个火焰稳定器单体还包括单体展向长度A和流向弦长d两项参数。显然的，有：

相比只有两项参数槽宽D和顶角ρ控制的传统V型钝体火焰稳定器，折叠V型钝体驻涡火焰稳定器实际只增加了翼展L与后掠角α两个参数。

根据旋涡稳定性理论，由于驻涡的形成是流动模化的表现，与来流速度无关，只与折叠V型钝体驻涡火焰稳定器四个设计参数有关，因此当L、D、ρ三个参数都确定时，对于参数α一般的规律是，在α>90°时，α越大，驻涡的流向长度越长，展向宽度越窄；在60°<α<90°时，驻涡流向与展向长度先缩小，后基本保持不变，稳定性进一步增强；α<60°时则不再有意义的流动结构。

若干火焰稳定器单体的组合形式为：径向，周向，或径向与周向混合，安装于航空发动机的加力燃烧室段，如图3所示，若干火焰稳定器单体的组合外端(径向外侧)根据加力燃烧室的筒体结构，采用螺栓、榫卯、键鞘等常规结构与加力燃烧室的筒体连接，内端(径向内侧)紧邻加力燃烧室的中心锥体(突扩)。

径向的组合形式，依据不同航空发动机加力燃烧室的工作特性，分为等长组合或长短结合组合。等长组合即在一个圆周内等间距分布12～20个等长度的折叠V型火焰稳定器单体，每个等长度的折叠V型火焰稳定器单体通过翼面端面固定在加力燃烧室的圆壁上；

如图4所示，长短结合包括等间隔的长火焰稳定器单体组合和短火焰稳定器单体组合，短火焰稳定器单体组合的长度选用端对端焊接在一起的1～2个火焰稳定器单体，长焰稳定器单体组合的长度选用端对端焊接在一起的2～3个火焰稳定器单体。

长短结合组合中长火焰稳定器单体组合和短火焰稳定器单体组合的个数根据加力燃烧室的直径确定，其中长火焰稳定器单体组合中选用的火焰稳定器单体个数值，小于等于短火焰稳定器单体组合中火焰稳定器单体的个数值的2倍。

每个长火焰稳定器单体组合或者短火焰稳定器单体组合的翼面端面固定在加力燃烧室的圆壁上；

如图5所示，周向的组合形式由8～20个等长度的火焰稳定器单体按首位相连的形式将端面焊接在一起，固定在加力燃烧室的圆壁上；周向组合的火焰稳定器单体个数、火焰稳定器单体的尺寸均由加力燃烧室的设计需求确定。周向组合形式与加力燃烧室筒体、突扩可用耐热金属桁架进行连接。

如图6所示，径向与周向的混合组合，相当于是径向组合和周向组合的混合，既包含了周向的火焰稳定器单体连接形式，也包含了径向的火焰稳定器单体连接形式；且周向的连接形式根据需要设置为1圈～3圈，并安装在整个组合结构的靠内侧，利用焊接方式与径向火焰稳定器单体的内侧连接，用于实现值班火焰维持等功能。

上述火焰稳定器单体的组合方式与装配原则，与传统V型钝体或BD型钝体没有区别，可以直接沿用原有的V型钝体排布方式，也可根据实际需要做出改变。

工作原理与过程：

本发明所述的折叠V型钝体驻涡火焰稳定器，工作时，来流卷携燃料，从图1所示方向流经两个翼面，由于火焰稳定器的截面是曲率为ρ，高度为D的平面V型钝体，流体必然从平面V型钝体分离，并在平面V型钝体下游形成一对流向旋涡，传统V型钝体火焰稳定器即在这对流向旋涡的涡心低压区域实现点火和燃烧。

而由于折叠V型钝体拥有两个对称的、以一定后掠角α、长度L等截面拉伸的两个翼面，在平面V型钝体的正交平面上，又构成了一个三维空间上的整体V型，因此来流还将从两个翼面的边缘开口处向两个翼面的中心平面方向流动，并形成沿展向分布的旋涡；

从平面V型钝体截面脱落的流向旋涡与展向分布的旋涡方向垂直，相互作用，最终在折叠V型钝体火焰稳定器下游形成一对空间位置稳定、不易随来流条件变化而发生改变的驻涡。驻涡涡心可稳定存在于钝体下游特定位置，不随来流状况改变，仅与上述钝体几何设计参数有关。根据这一特性，在这对驻涡中心位置布置点火装置，可确保火焰稳定燃烧，发挥出超过传统平面V型钝体的稳燃效果。