[发明专利]一种几何可变的火焰稳定装置

说明书

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1所示。当高速的燃气混气2流经V形钝体1时，由于气体粘性力作用，将钝体1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1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1后的隐蔽区，以保持流动的连续性。这样，在钝体1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2.8mm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。