CN109631085B - 后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲压发动机燃烧室，提供了一种后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器，解决现有机械火焰稳定器气动损失大、稳焰范围窄，焊接工艺复杂，导致工作可靠性低，无法满足高马赫数下高效稳焰要求的问题。该稳定器包括环向蒸发管，环向蒸发管来流方向上设有环形扰流体，环向蒸发管的后侧管壁上设有至少一排多个圆周分布的蒸发孔；环形扰流体包括前环型体，及与前环型体相连的内侧环型面和外侧环型面；前环型体的前端开有多个与环向蒸发管相通的引气口，后端与环向蒸发管相连；前环型体与外侧环型面和内侧环型面周向连接处的型面内设有与外置燃油相通的供油管，位于引气口处的供油管上设有喷油嘴，其喷射方向与来流方向相交。

Description

后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器

技术领域

本发明涉及一种冲压发动机燃烧室，特别是涉及一种后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器。

背景技术

冲压发动机的燃烧室是燃料化学能转换为动能的场所，如何实现冲压发动机在长航程、高空、高速等条件下的宽范围、高效稳定燃烧是燃烧室设计的关键。在高速来流条件下，为了保证冲压发动机燃烧室内的火焰稳定燃烧，需要在燃烧室内建立一个局部低速回流区，创造火焰传播速度等于来流速度、燃料驻留时间大于点火延迟时间等条件，维持整个燃烧室火焰的持续存在和传播。

现有一种亚燃冲压发动机的工作范围非常宽(Ma2～Ma5)，远超过目前较为成熟型号亚燃冲压发动机工作范围，其宽范围高效稳焰问题比较突出。

目前冲压发动机中常用的机械稳焰结构(如蒸发式稳定器)虽然能够满足较低马赫数(如Ma4)以下及较窄马赫数范围(Ma2～Ma4)内的高效稳焰要求，但其阻塞比较大，在更高马赫数(如Ma4～Ma5)及更宽马赫数范围(Ma2～Ma5)内，将会产生较大的气动损失，降低发动机性能。

另外，现有蒸发式稳定器为焊接结构，角焊缝或对接焊缝位置多达百处，油管外置，工作过程中焊缝容易开裂。

发明内容

为了解决现有机械火焰稳定器气动损失大、稳焰范围窄，焊接工艺复杂，导致工作可靠性低，无法满足高马赫数下高效稳焰要求的问题，本发明提供了一种后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器。强化了现有蒸发式稳定器的稳焰效果，将多路喷油管路、喷嘴和稳定器集成为一体，实现了喷油、气动雾化、掺混和稳焰的一体化，可以满足宽范围工况的高效稳焰要求。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器，其特殊之处在于：包括同心设置的环向蒸发管和环形扰流体；所述环向蒸发管的来流方向上设有所述环形扰流体，环向蒸发管的后侧管壁上设有至少一排蒸发孔组，每排蒸发孔组包括多个圆周分布的蒸发孔；所述环形扰流体包括前环型体、内侧环型面及外侧环型面；所述前环型体的前端开有多个与环向蒸发管相通的引气口，形成过流通道，其后端与环向蒸发管相连；所述前环型体与环向蒸发管之间设有与前环型体相连的所述外侧环型面和内侧环型面，且外侧环型面和内侧环型面与前环型体的夹角均为钝角；所述前环型体和外侧环型面周向连接处的型面内设有与外置燃油相通的外供油管，位于引气口处的外供油管上设有外喷油嘴，其喷射方向与来流方向相交；所述前环型体和内侧环型面周向连接处的型面内设有与外置燃油相通的内供油管，位于引气口处的内供油管上设有内喷油嘴，其喷射方向与引气口的来流方向相交。

进一步地，所述环向蒸发管上设有多个与环向蒸发管垂直相通的径向蒸发管；所述径向蒸发管的两端封闭，在来流方向设有与环形扰流体相连的径向扰流体，径向蒸发管的后侧管壁上设有至少一排多个沿径向分布的蒸发孔；所述径向扰流体包括两个向外延伸侧型面，两个侧型面与径向蒸发管之间形成腔室。

进一步地，所述外侧环型面和内侧环型面均为凸向环向蒸发管的弧面，且与前环型体为圆滑过渡；侧型面为凸向径向蒸发管的弧面，且整体后掠。

进一步地，所述径向蒸发管的数量为3～9个。

进一步地，所述环向蒸发管和径向蒸发管的后侧管壁上的蒸发孔为均布的两排；蒸发孔的直径为1～5mm。

进一步地，所述外供油管和内供油管均为环形管，外供油管和内供油管的数量均至少为一个；位于引气口处的外供油管上设有两个外喷油嘴，外喷油嘴的喷射方向与引气口的来流方向垂直；位于引气口处的内供油管上设有两个内喷油嘴，内喷油嘴的喷射方向与引气口的来流方向垂直。

进一步地，所述外供油管和内供油管均为一个，位于引气口处的外供油管上设有两个外喷油嘴；位于引气口处的内供油管上设有两个内喷油嘴。

进一步地，所述喷油嘴为直流喷嘴、离心喷嘴或自击喷嘴。

进一步地，所述过流通道的截面尺寸从引气口向环向蒸发管方向逐渐增大，且与环向蒸发管连接处圆滑过渡，避免在环向蒸发管处形成突扩结构。

进一步地，引气口的形状为圆形、椭圆形、腰子形或者多边形，引气口的数量为径向扰流体的1～3倍，均布在环形扰流体上。

进一步地，所径向蒸发管的截面为圆形、椭圆形、腰子形或多边形。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)环向蒸发管的前段设有环形扰流体，环形扰流体的后端为内侧环型面和外侧环型面，整体后掠，在阻塞比相同的情况下可以产生更大的回流区，有利于在高速气流中利用较小的气动损失实现较大的稳焰效果；

供油管道、过流通道、喷嘴设置在环形扰流体内，结构简单紧凑，供油稳定可靠，利用来流的剪切实现对燃油的气动雾化，强化了燃油雾化、空气掺混，提高了燃烧效率。

(2)设置的与环向蒸发管垂直相通的径向蒸发管，提高了燃效效率，有利于在高速气流中利用较小的气动损失实现较大的稳焰效果。

(3)外侧环型面、内侧环型面以及径向扰流体后侧的整体后掠的侧型面为弧面，其有利于气流的偏转，形成较大的回流区。

(4)喷嘴布置于引气口处，燃油以垂直角度喷入，利用引气的剪切实现对燃油的气动雾化，燃油分布均匀，燃烧室工作受气流和燃油切换影响小。

(5)本发明稳定器的气动损失小、工艺简单、工作可靠性高。

附图说明

图1为本发明稳定器的主视图；

图2为本发明稳定器的后视图；

图3为本发明稳定器的左视图；

图4为图1中A-A向剖视图；

图5为本发明稳定器中环向蒸发管和径向蒸发管上的蒸发孔分布示意图；

图6为来流在本发明稳定器中形成三维空间的复杂流态示意图，其中，a为环向蒸发管和环向蒸发管相通处从来流方向看，b为环向蒸发管和环向蒸发管相通处从与来流方向垂直方向看；

图7为本发明蒸发管后方回流区煤油轨迹示意图，其中，a为环向蒸发管和环向蒸发管相通处从与来流方向垂直方向看，b为环向蒸发管和环向蒸发管相通处逆来流方向看。

其中，附图标记如下：

1-环向蒸发管,11-蒸发孔，2-环形扰流体，20-引气口，21-前环型体，22-内侧环型面，23-外侧环型面，3-外供油管，31-外喷油嘴，4-内供油管，41-内喷油嘴，5-径向蒸发管,6-径向扰流体,7-侧型面，9-进油口，10-固定挂耳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图3所示，一种后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器，包括同心设置的环向蒸发管1和环形扰流体2,环向蒸发管1的来流方向上设有环形扰流体2，环向蒸发管1的后侧管壁上设有至少一排蒸发孔组，每排蒸发孔组包括多个圆周分布的蒸发孔11,环形扰流体2包括前环型体21、内侧环型面22及外侧环型面23，前环型体21、内侧环型面22及外侧环型面23为本一体件；前环型体21的前端开有多个与环向蒸发管1相通的引气口20，形成过流通道(引气口20与环向蒸发管1之间形成的通道)，其后端与环向蒸发管1相连,前环型体21与环向蒸发管1之间设有与前环型体21相连的外侧环型面及内侧环型面，且外侧环型面和内侧环型面与前环型体21的夹角均为钝角；环形扰流体2(外侧环型面及内侧环型面)与环向蒸发管1之间围成腔室，前环型体21和外侧环型面23周向连接处的型面内设有与外置燃油相通的外供油管3，位于引气口20处的外供油管3上设有外喷油嘴31，其喷射方向与来流方向相交；前环型体21和内侧环型面22周向连接处的型面内设有与外置燃油相通的内供油管4，位于引气口20处的内供油管4上设有内喷油嘴41，其喷射方向与引气口20的来流方向相交。

本实施例的稳压器还包括在环向蒸发管1上设置的多个与环向蒸发管1垂直相通的径向蒸发管5；径向蒸发管5的两端封闭，其来流方向设有与环形扰流体2相连的径向扰流体6，径向蒸发管5后侧管壁上设有至少一排多个沿径向分布的蒸发孔11；所述径向扰流体6包括两个向外延伸侧型面7，两个侧型面7与径向蒸发管5之间形成腔室，径向扰流体6与径向蒸发管5为一体件。

外侧环型面23和内侧环型面22均为凸向环向蒸发管1的弧面，且与前环型体21为圆滑过渡连接；对来流具有较大的偏转角，可以利用较小的阻塞比产生较大的回流区，有利于燃油的掺混均匀、稳焰、高效燃烧。径向扰流体6后侧的侧型面7为凸向径向蒸发管5的弧面，有利于在径向方向也产生较大的回流区，结合周向回流区，形成三维空间的复杂流态示意图，如图6所示，可以强化燃油与空气掺混，提高燃烧效率。

径向蒸发管5的数量根据环向蒸发管1的尺寸进行合理设计，通常选择的数量为3～9个，优选为6个。环向蒸发管1上引气口20的数量根据实际需要进行合理设计，通常选用为径向扰流体6的1～3倍，均布在环形扰流体2上，优选为6个引气口20，位于相邻径向蒸发管5之间。过流通道的截面尺寸从引气口20向环向蒸发管1方向逐渐增大，且与环向蒸发管1连接处圆滑过渡，对来流具有较大的偏转角，可以利用较小的阻塞比产生较大的回流区，有利于燃油的掺混均匀、稳焰、高效燃烧。引气口20的形状为圆形、四边形、腰子形或者多边形。

如图5所示，环向蒸发管1和径向蒸发管5的后侧管壁上的蒸发孔11为均布的两排，径向蒸发管5的截面为圆形、椭圆形、腰子形或多变形，其上蒸发孔11的直径为1～5mm。

如图4所示，外供油管3和内供油管4均为环形管，外供油管3和内供油管4的数量均至少为一个，在环形扰流体2上设置进油口9，通过进油口给外供油管3和内供油管4供油。位于引气口20处的外供油管3上设有至少两个外喷油嘴31，外喷油嘴31的喷射方向与引气口20的来流方向垂直；位于引气口20处的内供油管4上设有至少两个内喷油嘴41，内喷油嘴41的喷射方向与引气口20的来流方向垂直。优选为，所述外供油管3和内供油管4均为一个，分别相对位于过流通道的两侧，位于引气口20处的外供油管3上设有两个外喷油嘴31；位于引气口20处的内供油管4上设有两个内喷油嘴41。两路喷嘴均布置于引气口20处，燃油垂直于侧壁喷入，在引气口20处的高速气流剪切下气动雾化，并随气流贯穿整个蒸发管，最后经蒸发孔11均布排出，在稳定器后方回流区中形成均匀分布的富燃燃油浓度场，如图7所示，给出了蒸发管后方回流区煤油轨迹线，经蒸发孔11出来的富燃油气混合物，由稳定器回流区携带到达稳定器尾缘位置，在稳定器尾缘高速气流的进一步剪切下二次气动雾化掺混，形成均匀的燃油浓度场。本实施例的环向蒸发管1、环形扰流体2、径向蒸发管5及径向扰流体6为一体结构，两路供油路及所有喷嘴集成于稳定器内部，喷嘴均布置于引气口20处，燃油垂直于侧壁喷入，形成气动雾化喷嘴结构，可在高速气流中利用较小的气动损失实现较大的稳焰效果。

供油管路、喷嘴、引气口20、蒸发管集成为一体，结构简单紧凑，供油稳定可靠，利用来流的剪切实现对燃油的气动雾化，强化了燃油雾化、空气掺混，提高了燃烧效率。

在径向扰流体6的前侧设有固定挂耳10，采用拉杆、销钉等固定于发动机承力结构上。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器，其特征在于：包括同心设置的环向蒸发管(1)和环形扰流体(2)；

所述环向蒸发管(1)的来流方向上设有所述环形扰流体(2)，环向蒸发管(1)的后侧管壁上设有至少一排蒸发孔组，每排蒸发孔组包括多个圆周分布的蒸发孔(11)；

所述环形扰流体(2)包括前环型体(21)、内侧环型面(22)及外侧环型面(23)；

所述前环型体(21)的前端开有多个与环向蒸发管(1)相通的引气口(20)，形成过流通道，其后端与环向蒸发管(1)相连；

所述前环型体(21)与环向蒸发管(1)之间设有与前环型体(21)相连的所述外侧环型面(23)和内侧环型面(22)，且外侧环型面(23)和内侧环型面(22)均与前环型体(21)的夹角均为钝角；

所述前环型体(21)和外侧环型面(23)周向连接处的型面内设有与外置燃油相通的外供油管(3)，位于引气口(20)处的外供油管(3)上设有外喷油嘴(31)，其喷射方向与来流方向相交；

所述前环型体(21)和内侧环型面(22)周向连接处的型面内设有与外置燃油相通的内供油管(4)，位于引气口(20)处的内供油管(4)上设有内喷油嘴(41)，其喷射方向与引气口(20)的来流方向相交。

2.根据权利要求1所述的后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器，其特征在于：所述环向蒸发管(1)上设有多个与环向蒸发管(1)垂直相通的径向蒸发管(5)；

所述径向蒸发管(5)的两端封闭，在来流方向设有与环形扰流体(2)相连的径向扰流体(6)，径向蒸发管(5)的后侧管壁上设有至少一排多个沿径向分布的蒸发孔(11)；

所述径向扰流体(6)包括两个侧型面(7)，两个侧型面(7)与径向蒸发管(5)之间形成腔室。

3.根据权利要求2所述的后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器，其特征在于：所述外侧环型面(23)和内侧环型面(22)均为凸向环向蒸发管(1)的弧面，且与前环型体(21)为圆滑过渡；

所述侧型面(7)为凸向径向蒸发管(5)的弧面，且整体后掠。

4.根据权利要求3所述的后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器，其特征在于：所述径向蒸发管(5)的数量为3～9个。

5.根据权利要求4所述的后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器，其特征在于：所述环向蒸发管(1)和径向蒸发管(5)的后侧管壁上的蒸发孔(11)为均布的两排；

蒸发孔(11)的直径为1～5mm。

6.根据权利要求1至4任一所述的后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器结构，其特征在于：所述外供油管(3)和内供油管(4)均为环形管，外供油管(3)和内供油管(4)的数量均至少为一个；

位于引气口(20)处的外供油管(3)上设有至少两个外喷油嘴(31)，外喷油嘴(31)的喷射方向与引气口(20)的来流方向垂直；

位于引气口(20)处的内供油管(4)上设有至少两个内喷油嘴(41)，内喷油嘴(41)的喷射方向与引气口(20)的来流方向垂直。

7.根据权利要求6所述的后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器结构，其特征在于：所述外供油管(3)和内供油管(4)均为一个，位于引气口(20)处的外供油管(3)上设有两个外喷油嘴(31)；位于引气口(20)处的内供油管(4)上设有两个内喷油嘴(41)。

8.根据权利要求1所述的后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器结构，其特征在于：所述过流通道的截面尺寸从引气口(20)向环向蒸发管(1)方向逐渐增大，且与环向蒸发管(1)连接处圆滑过渡。

9.根据权利要求8所述的掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器结构，其特征在于：引气口(20)的形状为圆形、椭圆形、腰子形或者多边形，引气口(20)的数量为径向扰流体(6)的1～3倍，均布在环形扰流体(2)上。

10.根据权利要求2所述的后掠圆弧型气动雾化蒸发式稳定器结构，其特征在于：所述径向蒸发管(5)的截面为圆形、椭圆形、腰子形或多边形。

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