一种燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器及其工作方法

1.本发明涉及一种涡扇发动机加力燃烧室、亚燃冲压发动机燃烧室和涡扇/冲压组合循环发动机超级燃烧室，特别涉及一种燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器及其工作方法。


背景技术：

2.涡轮基组合循环发动机(turbine-based combined cycle,简称tbcc)作为一种吸气式发动机具有飞行范围广、常规起降和可重复使用等性能优势被认为是现阶段最有希望的高超声速飞行器动力装置。由于涵道比在整个工作范围内变化大的特点造成tbcc超级燃烧室内部来流温度较低和局部流速过大的流动条件给多模态燃烧室内部的点火和火焰稳定带来困难。
3.随着现代高性能燃烧室内气流速度的提高和来流温度的降低，为了保证燃烧室可靠的点火性能并降低火焰稳定器带来的流动损失，通常在燃烧室外环采用值班火焰稳定器进行软点火。凹腔驻涡火焰稳定器因具有阻力损失低、稳焰性能好等优势，成为宽范围来流条件下极具潜力的火焰稳定器。
4.凹腔驻涡火焰稳定器直接应用于多模态燃烧室，其性能必然会受到多模态燃烧室苛刻流动条件的制约，多模态燃烧室内的低温、高速条件对点火及火焰稳定的要求远超过现有加力燃烧室和亚燃冲压燃烧室的技术水平。而且现有凹腔驻涡火焰稳定器的供油方式多采用壁面上直接注入，由于在高速、低温来流下燃油较差的雾化性能，燃油易直接喷离值班区、区内气相燃油浓度低而点火失败。因此，需要对凹腔驻涡火焰稳定器的供油方式重新设计，使其具有更宽广的贫油点火性能和火焰稳定性能才能满足多模态燃烧室整个工作包线内来流条件变化大的使用需求。
5.多模态燃烧室进口来流工况范围宽，在高空时，来流温度更低、速度更大，导致液态燃油不易蒸发，采用燃油直接注入值班区的方式导致燃油在值班区的停留时间短。现有的凹腔驻涡火焰稳定器存在低温和高速气流下的贫油点火和稳定燃烧性能不足的问题。


技术实现要素：

6.发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器，改善凹腔驻涡火焰稳定器的点火性能和火焰稳定能力。本发明还提供了该火焰稳定器的工作方法。
7.技术方案：本发明所述的一种燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器，包括凹腔驻涡火焰稳定器、设置于所述凹腔驻涡火焰稳定器前端的蒸发腔以及设置于所述蒸发腔前端的内涵引气流道，所述蒸发腔与所述凹腔驻涡火焰稳定器之间通过凹腔引气流道连通。
8.作为本发明的一种优选结构，所述内涵引气流道或所述蒸发腔上方设置有喷油装置。
9.作为本发明的一种优选结构，所述蒸发腔为截面呈三角形的腔体。
10.作为本发明的一种优选结构，所述内涵引气流道为设置于所述蒸发腔前端的狭长型气流通道。
11.作为本发明的一种优选结构，所述凹腔引气流道为设置在所述凹腔驻涡火焰稳定器上方的气流通道；和/或所述凹腔引气流道为矩形。
12.作为本发明的一种优选结构，凹腔引气流道4的宽度与内涵引气流道3的宽度比值为0.2～0.8。
13.作为本发明的一种优选结构，所述蒸发腔前端设置有第一分流板。
14.作为本发明的一种优选结构，所述凹腔驻涡火焰稳定器后端设置有第二分流板。
15.作为本发明的一种优选结构，所述凹腔驻涡火焰稳定器包括水平延伸的主板、设置于所述主板前端且与所述主板垂直设置的前壁以及设置于所述主板后端且与所述主板垂直设置的后壁；和/或所述前壁的高度大于所述后壁的高度。作为本发明的一种优选结构，前壁高度和后壁高度的比值为0.5～0.8。
16.作为本发明的一种优选结构，所述蒸发腔包括设置于所述主板前端倾斜向下延伸的蒸发腔前壁以及设置于所述前壁下端水平延伸的蒸发腔下壁。
17.本发明所述的燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器的工作方法，包括以下步骤：
18.(a)燃烧室点火之前，内涵气流和外涵气流分别从第一分流板的内侧和外侧流入燃烧室，其中内涵气流通过内涵引气流道后在蒸发腔内形成低速回流区；
19.(b)喷油装置开始向蒸发腔供油，液态燃油在蒸发腔内受到内涵高温气流预热和气动力作用，蒸发成气态，形成预混气；
20.(c)蒸发腔内的预混气通过凹腔引气流道流入凹腔驻涡火焰稳定器，在凹腔内形成稳定的低速涡系结构；
21.(d)高能火花放电点火点燃凹腔驻涡区内的混气，形成值班火焰。
22.有益效果：(1)本发明将燃油预蒸发和凹腔驻涡火焰稳定器组合一体化设计，利用内涵高温燃气对液态燃油进行预热，加速燃油的雾化、蒸发，并通过蒸发腔内的回流区实现蒸发的燃油与空气的预混，以提高凹腔驻涡区的当量比，改善凹腔驻涡火焰稳定器的点火性能和火焰稳定能力，解决现有凹腔驻涡火焰稳定器在低温和高速气流下的贫油点火和稳定燃烧性能不足的问题；(2)本发明的燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器，通过引内涵高温燃气，加速液态燃油的雾化、蒸发，拓宽燃烧室在高速、低温来流下的贫油点熄火界限；(3)本发明通过蒸发腔内的低速回流区实现气态燃油和内涵气流的预混，保证凹腔驻涡区预混气的均匀性，改善燃烧室的点火及火焰稳定性能；(4)本发明将预蒸发式供油机构紧邻凹腔驻涡稳定器设置，降低了稳定器结构的复杂度。
附图说明
23.图1为燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器的三维模型图；
24.图2为燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器另一种实施方式的三维模型图；
25.图3为预蒸发式供油机构三维模型图；
26.图4为预蒸发式供油机构另一种实施方式的三维模型图；
27.图5为燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器的流动示意图；
28.图6为fluent软件计算得到的燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器内的流线分布。
具体实施方式
29.实施例：如图1-图4所示，本实施例中所描述的x方向为前壁上端至下端(末端)方向；y方向为燃烧室进口气流的流向，也为前端至后端的延伸方向；z轴方向为径向方向；水平延伸为z-y轴形成的平面平行方向；竖直延伸为x-z轴形成的平面平行方向。本实施例所述的燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器，包括凹腔驻涡火焰稳定器1、设置于凹腔驻涡火焰稳定器1前端的蒸发腔2以及设置于蒸发腔2前端的内涵引气流道3，蒸发腔2与凹腔驻涡火焰稳定器1之间通过凹腔引气流道4连通。凹腔驻涡火焰稳定器1前侧设置的蒸发腔2以及与蒸发腔2连通的供油机构5组成了预蒸发式供油机构。进入蒸发腔2的内涵高温燃气通过内涵引气流道3引入，燃油在蒸发腔内预蒸发形成预混气，凹腔引气流道4将蒸发腔2内形成的预混气送入凹腔驻涡火焰稳定器1的凹腔100。作为本实施例的一种优选结构，内涵引气流道3位于蒸发腔2下方，为水平延伸的气流通道。
30.本发明通过内涵引气流道3和凹腔引气流道4将内涵、预蒸发式供油机构及凹腔驻涡火焰稳定器1连通，实现燃油预蒸发和凹腔驻涡一体化设计，通过将内涵高温燃气引入蒸发腔，实现对燃油的快速雾化、蒸发，并通过内涵气流在蒸发腔的突阔空间形成回流区，实现气态燃油和内涵气流的预混。
31.作为一种具体的实施方式，凹腔驻涡火焰稳定器1具有凹腔100以及围成凹腔100的主板101、前壁102和后壁103。前壁102和后壁103分别固定在主板101的前端以及后端，前壁102以及后壁103分别与主板101垂直设置。主板101、前壁102以及后壁103围成了位于主板101下方的凹腔100。同时，后壁103末端水平延伸有第二分流板7。
32.为了实现在高速气流下，凹腔驻涡区受主流影响小，同时在点火后，凹腔驻涡区的火焰能够传递至主流，凹腔驻涡火焰稳定器的前壁102高度大于后壁103高度，且前壁高度和后壁高度的比值优选为0.5～0.8。
33.蒸发腔2包括了倾斜向上延伸的与主板101前端连接的蒸发腔上壁201以及水平延伸的与前壁102末端连接的蒸发腔下壁202，蒸发腔下壁202水平延伸且同时与前壁102垂直，蒸发腔上壁201与蒸发腔下壁202通过前壁102连接形成蒸发腔2，内涵高温气流通过内涵引气流道3进入蒸发腔2后，在其突阔空间内可形成低速回流区。蒸发腔2内的回流区可以延长燃油的停留时间，有利于燃油的蒸发，同时蒸发后的燃油可以通过该回流区与内涵气流掺混均匀，保证凹腔回流区内油气分布的均匀性。
34.蒸发腔上壁201前端水平延伸有第一分流板6，第一分流板6与蒸发腔下壁202平行设置，第一分流板6与蒸发腔下壁202之间形成用于将内涵气流引入蒸发腔的狭长的内涵引气流道3，内涵引气流道3的截面(x轴-y轴)呈矩形。内涵引气流道3的出口与蒸发腔2连通，蒸发腔2与凹腔100通过设置在前壁102上方的呈矩形的凹腔引气流道4连通(凹腔引气流道4沿着z轴方向延伸)，凹腔引气流道4作为预混气的出口。本实施例中，凹腔引气流道4设置在前壁102上方，提高了预混气在蒸发腔2的停留时间，有利于更多燃油蒸发和掺混均匀，另外凹腔引气流道4设置在蒸发腔2上方，可在凹腔100内形成的回流区，有利于在点火后快速将火焰传播至主流。
35.本发明中，为了降低内涵高温燃气在预蒸发式供油机构的流动损失过大，内涵引气流道3和凹腔引气流道4的结构均为细长形矩形通道作为进气狭缝。为了防止凹腔中火焰传入蒸发腔，凹腔引气流道4的宽度(x方向)与内涵引气流道3的宽度(x方向)比值优选为
0.2～0.8，使火焰在进入进气狭缝时发生淬熄。
36.作为本发明的一种优选实施方式，本发明的蒸发腔2通过结构设计成截面(x轴-y轴平面)呈三角形的腔体可以减小凹腔引气流的流动阻力和外涵的气流的流动阻力。此外，本发明将预蒸发式供油机构紧邻凹腔驻涡火焰稳定器设置，并且通过结构设计，降低了稳定器结构的复杂度。
37.如图1和图2所示，本发明的蒸发腔2供油有两种方式，一种是通过喷油装置5直接注入蒸发腔，利用内涵引气气流的温度和气动力实现预蒸发；另一种通过喷油装置5将燃油喷注在蒸发腔下壁202上，先破碎雾化燃油，再利用内涵引气气流的温度和气动力预蒸发。具体地，本发明的喷油装置5设置在第一分流板6上方，与内涵引气流道3连通(间接与蒸发腔2连通)。或者供油装置5设置在蒸发腔上壁201，直接与蒸发腔2连通。本发明喷油装置5采用现有结构的离心喷嘴，离心喷嘴喷出的燃油具有较小的粒径，能够在高温燃气中快速蒸发，进一步提高凹腔内的油气比。
38.上述的燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器的工作流程为：
39.(a)燃烧室点火之前，如图5所示，内涵气流和外涵气流分别从第一分流板6的内侧和外侧流入燃烧室，其中内涵气流通过内涵引气流道3后在蒸发腔2内形成低速回流区；
40.(b)预蒸发式供油机构通过喷油装置5开始向蒸发腔供油，液态燃油在蒸发腔2内受到内涵高温气流预热和气动力作用，蒸发成气态，此时，蒸发腔2内的低速回流区具有双重作用：一是低速回流区延长了燃油在蒸发腔的停留时间，有利于更多的液态燃油蒸发；二是蒸发后的燃油可以通过低速回流区与内涵气流掺混均匀，在进入凹腔之前形成预混气；
41.(c)蒸发腔2内的预混气通过凹腔引气流道4流入凹腔驻涡火焰稳定器，在凹腔100内形成稳定的涡系结构，如图6所示，凹腔100内复杂的涡系结构有利于预混气扩散至凹腔任意区域，同时凹腔100内形成的低速回流区，可以增加预混气的停留时间，为燃烧室值班点火创造有利条件；
42.(d)高能火花放电点火点燃凹腔驻涡区内油气比恰当的混气，形成值班火焰。
43.应用例：图6是采用fluent软件计算得到的燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器内的流线分布，来流速度为100m/s，内涵来流温度为900k，外涵来流温度600k。从图6中可以看到，预蒸发式供油机构的蒸发腔内形成了低速回流区。从图6中还可以看到，凹腔驻涡稳定器内形成了三涡系结构，分别是位于左上角的角涡，凹腔中部的主涡以及凹腔下方的副涡；凹腔下方的副涡不仅可以保护主涡不受内涵主流影响，而且可以增强主涡与主流的质量交换，能够在点火后将主涡产生的高温产物传播至主流。此外，凹腔驻涡值班稳定器凹腔内形成的复杂涡系流动结构，有利于提高燃烧室的性能：1)流场复杂能够改善燃油的分布均匀性，避免了局部富油；2)高温产物聚集到凹腔内，且主流中气流没有卷入到凹腔内，有利于提高火焰稳定性能。