专利名称：一种几何可变的火焰稳定装置的制作方法
技术领域：
本发明属于航空发动机加力燃烧室火焰稳定技术领域，具体来说是一种几何可变的火焰稳定装置。
背景技术：
加力燃烧室技术以其短期内增大涡轮喷气发动机推力的特点成为发动机增加推重比的重要手段，带有加力燃烧室的发动机被广泛的应用到各种军用飞机上，以提高其机动性能。加力燃烧室中经涡轮后排出的燃气压力大大降低、速度提高，流动极不稳定，需要火焰稳定装置来进行火焰的稳定与燃烧的组织。传统的加力燃烧室几乎全部采用钝体结构的火焰稳定器，在高速气流中形成回流区使部分已燃高温燃烧产物产生回流运动(即与来流方向相反)作为具有自动补偿能力的持续点火源，以不断点燃新鲜未燃的可燃混合物， 从而达到稳定火焰的目的。现代航空发动机技术的发展对火焰稳定器的设计提出了更高的要求，火焰稳定器的工况范围比以前更宽广，对于加力燃烧室所采用的钝体火焰稳定器来说，使其在整个工作范围内保持最优的点火、稳焰、燃烧性能和最小的流阻损失是一个很大的设计挑战。另一方面，只有飞机进行需要大推力的机动和超音速飞行时，所装载的涡轮喷气发动机的加力燃烧室才进入工作状态。当加力燃烧室工作时，其火焰稳定装置所带来流动损失视乎是稳定火焰所必须付出的代价，但是当加力燃烧室不工作时，其火焰稳定装置所带来的流阻损失完全是无用的，只能带来推力的减小，理想的火焰稳定装置应该在不工作时将流动阻力降低到最小。因此，降低在“非加力”状态下加力燃烧室火焰稳定装置的流动阻力是火焰稳定器设计的一个重要研究方向。在各种钝体火焰稳定器中，最常见的是V型火焰稳定器，V型火焰稳定器的截面呈 V形，其结构和稳焰原理示意图如图I所示。当高速的燃气混气2流经V形钝体I时，由于气体粘性力作用，将钝体I后面的隐蔽区域中的气流带走，形成局部低压区。从而使钝体I 下游处部分气流在压力差的作用下，以与主气流相反的流动方向流向钝体I后的隐蔽区， 以保持流动的连续性。这样，在钝体I后方产生了回流区3。回流区3是钝体稳定器稳定火焰4的基本保证，一般情况下回流区3长度越大，其稳焰效果越好。而当阻塞比一定时，回流区3长度L与稳定器尾缘宽度D近似成正比关系，而尾缘宽度D的增大会使迎风面积增大，流动阻力增大。由于结构非常简单，安装方便，因此V型火焰稳定器在加力燃烧室和冲压发动机中得到了广泛的应用。为了满足加力燃烧室的点火性能特别是高空点火性能，这种V型火焰稳定器需要有较高的流动堵塞比，这导致较高的流阻损失。同时，由于V型火焰稳定器以固定的几何结构被安装在燃烧室内部，当加力燃烧室不工作时，会带来较大的无用流动损失。双V型火焰稳定器是V型火焰稳定器的改进方案，如图2所示，其高度和宽度均与常规V型稳定器基本相同，不同点在于除了主稳定器6外，在前缘处有一个小稳定器5，通过大小稳定器的套叠，在头部形成了两道进气缝隙。双V和常规V型火焰稳定器后的回流区结构如图3所示，同常规V型火焰稳定器相比较，双V型火焰稳定器的气流结构发生了变化它由两股气流组成，一股是绕过主稳定器6的主流7，一股是绕过小稳定器5、流入主稳定器6内部的预燃流8。气流结构变化使得火焰稳定器后的回流区也发生了变化。双V型火焰稳定器把少量预燃流8引入主稳定器6内部，形成一个小回流区，常规V型火焰稳定器后的大回流区依然存在。当开缝宽度为2. 8_时大小回流区合二而一，变成一个窄而长的大回流区9，从稳定器内部延伸到稳定器下游。涡心在主稳定器6内，稳定点火源在主稳定器6内小稳定器5后缘附近，火焰10依靠稳定器内已经预燃的高温产物进入回流区维持。 该稳定器设计已为某型涡喷发动机加力燃烧室所采用，试用性能表明这种稳定器具有点火性能好、流动损失小、燃烧效率高等优点。双V型火焰稳定器在一定的来流参数下，对应有一个能形成最佳流场即大小回流区合为一个回流区的缝隙宽度，但发动机的工作状况是变化的，所以并不能保证稳定器后的流场一直是最佳的。同样，双V型火焰稳定器的几何结构固定，当加力燃烧室不工作时， 会带来较大的无用流动损失。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有加力燃烧室火焰稳定技术中固定几何结构的火焰稳定装置不能在不同工作状态下保持最优的燃烧稳焰性能和流阻损失的问题，提出一种几何可变的火焰稳定装置。现有加力燃烧室火焰稳定技术中固定几何结构的钝体火焰稳定装置在不同工作状态下不能保持最优的稳焰性能和流阻损失的问题，本发明提出一种几何可变的火焰稳定装置，通过改变稳定装置的几何结构来解决上述技术问题。本发明提供的几何可变的火焰稳定装置以V型为基本的钝体结构，由主体部分和传动动力部分组成，主体部分垂直安装于加力燃烧室机匣(18)内，所述的主体部分包括前方流线型头部(11)、带转轴A(16)的叶片A(12)、带转轴B(17)的叶片B(13)、转轴支撑板
(14)和安装座(15)，流线型头部(11)的两端固定连接在安装座(15)与转轴支撑板(14) 之间；所述的转轴A(16)和转轴B(17)的两端分别穿过安装座(15)和转轴支撑板(14)上的安装孔；所述的安装座(15)与加力燃烧室机匣(18)固定连接。安装座(15) —端对转轴 A(16)和转轴B(17)进行转轴轴向限位，转轴支撑板(14)端保持转轴轴向自由。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点(I)当加力燃烧室不工作时，可以通过火焰稳定装置几何形状的改变，有效地降低其流动阻力。(2)当加力燃烧室进行高空点火时，可以通过火焰稳定装置几何形状的改变以短时期增大流动阻力为代价来提高点火成功率。(3)当加力燃烧室工作在大工况范围时，可以通过实时调节火焰稳定器的几何形状以使其始终保持在火焰稳定与流阻损失的最佳结合点，以得到加力燃烧室最大的推力性倉泛。(4)该几何可变火焰稳定装置结构简单、组件少，可实现性强、可靠性高。
图I是现有技术中的V型火焰稳定器结构及稳焰原理示意图；图2为现有技术中双V型火焰稳定器结构示意图；图3为双V型火焰稳定器和V型火焰稳定器的稳焰原理对比图；图4为本发明提供的几何可变火焰稳定器的结构示意图；图5为本发明提供的几何可变火焰稳定器工作原理示意图；图6为本发明提供的几何可变火焰稳定器的安装侧视图；图7a和7b为本发明提供的几何可变火焰稳定器的活动叶片打开和闭合状态示意图；图8为本发明中的动力传动装置的运动示意图，机械外壁面片面展开后的俯视图；图9为本发明的几何可变的火焰稳定装置试验件在矩形试验台上的安装图；图10为流阻系数V随稳定器尾缘槽宽D的变化关系曲线。图中I.钝体；2.燃气混气；3.回流区；4.稳定火焰；5.主稳定器；6.小稳定器；7.主流；8.预燃流；9.大回流区；10.火焰；11.头部；12.叶片A;13.叶片B;14.转轴支撑板； 15.安装座；16.转轴A ; 17.转轴B ; 18.机匣；19.燃气来流；20.连杆组；21.动力连接环； 22.液压作动筒；23.涡轮后中心锥；24.矩形试验台。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明提供的几何可变火焰稳定装置，如图4、图5所示，具体为本发明提供的几何可变火焰稳定装置以V型为基本的钝体结构，由稳定器主体部分和传动动力部分组成。稳定器主体部分如图4所示，包括前方流线型头部11、带转轴16A 的后方活动叶片A12、带转轴17B的后方活动叶片B13、转轴支撑板14和安装座15，流线型头部11的两端固定连接在安装座15与转轴支撑板14之间。所述的转轴A16和转轴B17的两端分别穿过安装座15和转轴支撑板14上的安装孔，只在安装座15 —端对转轴A16和转轴B17进行转轴轴向限位，转轴支撑板14端保持转轴轴向自由，这样可以避免转轴在大范围温度变化时由于热膨胀而导致的卡死现象。稳定器主体稳焰部分截面如图5所示，当叶片A12和叶片B13分别绕转轴A16和转轴B17以图5(a)中所示方向转动时，尾缘宽度D减小，回流区长度减小，稳焰性能降低，但是稳定装置的迎风面积减小，在气流中的流动阻力减小。叶片A12和叶片B13的尾缘相互接触时，稳定器截面成准流线型几何结构，如图5(b) 所示，此时稳定器拥有最小的流动阻力。当叶片A12和叶片B13分别绕转轴A16和转轴B17 以图5(b)中所示方向转动时，尾缘宽度D增大，回流区长度增大，稳焰性能增强，但是由于迎风面积增大，则在气流中的流动阻力增大，尾缘宽度D的最大值由发动机加力燃烧室实际尺寸和具体工况决定。前方流线型头部11的最大宽度H由两个转轴的距离决定，理论上是越小越好，在实际设计中，转轴间距离受到转轴直径和传动机构的安装所制约，但最大宽度H应不大于25mm。叶片A12和叶片B13的宽度W由实际需求决定，一般应在20mm至40mm 之间选择。图6和图7为该稳定装置在加力燃烧室中的安装示意图，图8为动力传动装置运动示意图，是机匣18外壁面平面展开后的俯视图。下面结合这3个附图，对稳定器主体部分的安装方式和动力传动装置进行说明。火焰稳定装置主体部分垂直安装于加力燃烧室机匣18内，如图6所示，安装座15与加力燃烧室机匣18固定连接，稳定装置转轴A16、B17 与机匣18垂直，流线型头部11正对燃气来流19方向。实际应用中将沿加力燃烧室机匣18 圆周均布若干个本发明的火焰稳定装置，数量由实际需求确定，见图7。本火焰稳定装置的传动动力部分设置在机匣18外，由连杆组20、动力连接环21和液压作动筒22组成,液压作动筒22驱动动力连接环21做平动运动，连杆组20将平动转换成转动运动驱动稳定装置活动叶片转轴A16、B17进行相应转动动作从而改变稳定装置尾缘宽度D。图7 (a)为稳定装置叶片打开状态，图7(b)为稳定装置叶片闭合状态，其中23是发动机涡轮后中心锥。优选的，每个传动动力部分用于控制与其相邻的两个稳定主体部分的叶片转动。在矩形试验台对上述的火焰稳定装置试验件进行了单只冷态流阻的模拟试验研究，稳定器的安装如图9所示,其中的矩形试验台24的截面为170mm(x) X 150mm(y),火焰稳定装置试验件设计选取H = 24mm、W = 30mm, D的变化范围是13mm 48mm。试验在常温常压下进行，选取的来流马赫数为0. 1,0. 19和0. 28，试验结果如图10所示。图中纵坐标V 为流阻系数，流阻系数越小说明稳定器带来的流动阻力越小；横坐标D为稳定器槽宽。从试验结果中可以得到以下结论流阻系数随着尾缘槽宽的减小而减小，当尾缘槽宽从48_减小到13_，流阻系数从0. 85降低到0. 37，流阻特性得到了明显地改善。
权利要求
1.一种几何可变的火焰稳定装置，其特征在于所述的火焰稳定装置以V型为基本的钝体结构，由主体部分和传动动力部分组成，主体部分垂直安装于加力燃烧室机匣(18) 内，所述的主体部分包括前方流线型头部(11)、带转轴A(16)的叶片A(12)、带转轴B(17) 的叶片B (13)、转轴支撑板(14)和安装座(15)，流线型头部(11)的两端固定连接在安装座(15)与转轴支撑板(14)之间；所述的转轴八(16)和转轴B(17)的两端分别穿过安装座(15) 和转轴支撑板(14)上的安装孔；所述的安装座(15)与加力燃烧室机匣(18)固定连接。
2.根据权利要求I所述的一种几何可变的火焰稳定装置，其特征在于安装座(15)— 端对转轴A(16)和转轴B(17)进行转轴轴向限位，转轴支撑板(14)端保持转轴轴向自由。
3.根据权利要求I所述的一种几何可变的火焰稳定装置，其特征在于转轴A(16)、 B(17)与机匣(18)垂直，流线型头部(11)正对燃气来流(19)方向。
4.根据权利要求I所述的一种几何可变的火焰稳定装置，其特征在于传动动力部分设置在机匣(18)外，由连杆组(20)、动力连接环(21)和液压作动筒(22)组成，液压作动筒(22)驱动动力连接环(21)做平动运动，连杆组(20)将平动转换成转动运动驱动转轴 A (16)、B (17)进行相应转动动作从而改变稳定装置尾缘宽度D。
全文摘要
本发明公开了一种几何可变的火焰稳定装置，属于航空发动机加力燃烧室火焰稳定技术领域。本发明以V型为基本的钝体结构，由主体部分和传动动力部分组成，主体部分垂直安装于加力燃烧室机匣内，包括前方流线型头部、带转轴A的叶片A、带转轴B的叶片B、转轴支撑板和安装座，流线型头部的两端固定连接在安装座与转轴支撑板之间。通过本发明提供的火焰稳定装置几何形状的改变，可以在需要的时候，有效地降低其流动阻力；或者以短时期增大流动阻力为代价来提高点火成功率；或者实时调节火焰稳定器的几何形状以使其始终保持在火焰稳定与流阻损失的最佳结合点，以得到加力燃烧室最大的推力性能。
文档编号F23R3/22GK102607061SQ201210082409
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者柳杨, 金捷 申请人:北京航空航天大学