專利名稱：轉子發動機用的v型錐火焰穩定器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機的火焰穩定裝置，特別涉及一種轉子發動機用的預燃級火焰穩定裝置一—v型錐火焰穩定器。
背景技術：
國外目前已研制出一種集沖壓發動機技術和燃氣渦輪發動機技術為一體的新概念發動機一沖壓轉子發動機。該種發動機可分為兩類 一類沖壓轉子發動機是采用沖壓轉子壓縮空氣, 其后緊跟燃燒室及渦輪進行燃燒和做功；另一類是在一個轉子上實現氣體壓縮、燃燒和膨脹 做功。美國Ramgen公司針對這兩類沖壓轉子發動機都進行了研究和運行試驗，其主要目的 還是將沖壓轉子發動機應用在工業燃氣輪機方面提供動力，并且均采用氣體燃料。特別是第二類沖壓轉子發動機，它是將沖壓模型、燃燒室和尾噴管安裝在一個轉子輪緣 上組成沖壓推進模塊，以實現空氣壓縮、燃燒和膨脹做功三大功能，成為一個獨立工作的轉 子式發動機。由于燃燒系統跟隨轉子高速旋轉，其進口來流辨對速度高，要實現高效穩定燃 燒，對燃燒組織形式、可靠穩火技術以及燃氣密封等提出了新的挑戰。Ramgen公司在轉子上的燃燒室采用氣體燃料(天然氣+氫氣)成功地實現了點火、沖壓 和穩定運行。為了給燃燒室提供可靠的穩火源，Ramgen公司在轉子上采用三種穩定火焰方式 純后臺階方式，旋渦發生器+后臺階方式以及燈塔+后臺階方式。后臺階火焰穩定器是依靠臺 階內的駐渦回流區形成穩定點火源，將高溫燃燒產物傳播到新鮮來流，以點燃剪切層，但是 引燃氣和主流氣的摻混很差，大部分引燃氣直接進入了回流區，導致該處富油熄火，在離心 效應和油氣濃度分布共同作用下，火焰向燃燒室中心偏移。而旋渦發生器通過產生旋渦來增 強引燃氣和主流的摻混而使燃燒區徑向擴展，但摻混強度和燃燒穩定性需要平衡，湍流度過 大可能導致熄火。燈塔穩定器能夠提供靈活的供油方式，在徑向明顯增強燃燒強度，能夠增 大火焰表面積和放熱率，提供更均勻的溫度分布、更高的燃燒強度和燃燒室壓力，但目前所 采用的燈塔堵塞率過小，在燃燒區展向擴展不夠充分。轉子發動機上的燃燒系統隨轉子高速旋轉，會產生強烈的離心力場，以及隨之而生的浮 升力效應，這對燃料的分布以及火焰傳播將產生深遠影響。第二類沖壓轉子發動機試驗研究還表明，當該發動機轉速在2000rpm以上時，其離心加速度在3800g以上，隨著燃燒室離心 力增大和駐留時間下降，剪切層火焰穩定性變差，只有回流區內的局部駐留時間利于燃燒， 而其正常工作轉速達到4300rpm，此時離心加速度高達17600g。而Ramgen公司還是采用火 焰傳播速率較高的氣體燃料，如果要采用液體燃料，例如航空煤油等，對其燃燒性能影響將 更大。因此，在轉子發動機上，轉子轉速高，氣流相對馬赫數達到0.2以上，燃燒室內氣流具 有離心力場，離心加速度達到1000g 50000g，高流速和高離心力場給燃燒室內的火焰穩定帶 來非常大的困難，需要對穩火裝置進行精心設計。 發明內容本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種適用于轉子發動機的預燃 級V型錐式火焰穩定器，利用穩定器后因氣體粘性產生的低速區組織燃燒，再充分利用高速 轉子上的高離心力場特點，用向內飄溢的高位高溫火焰引燃低位區的主燃級，從而保證燃燒 室的燃燒穩定性，提高燃燒效率。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，其特征在于包含支架和V型錐，V型錐通過螺紋方式與支架上的V型錐連接座連接固定，置于 燃燒通道的高位；所述的支架為中空結構，燃料供給通過支架的下端口進入支架中間的燃油 通道，通過安裝在支架末端的離心噴嘴霧化形成噴嘴油霧，對噴嘴油霧點火形成預燃級穩定 器高溫火焰；當整個裝置隨轉子發動機旋轉時,利用高速轉子上的高離心力場特點，使預燃 級穩定器高溫火焰從高位向內半徑的低位區飄溢，引燃低位區的主燃級，從而提高燃燒的效 率，保證燃燒的穩定性。。所述的支架為"拐"形，支架的拐角角度可以調節，便于調節V型錐在燃燒通道內的位置。 在所述支架的末端安裝有噴射裝置離心噴嘴，并與安裝在支架末端的噴嘴安裝座采用螺 紋方式連接固定。所述的V型錐為圓錐型，V型錐的頂角角度范圍為30°至60°之間，堵塞比的范圍為 0.25~0.5。所述的V型錐的頂部設計有V型錐頂部倒角，有助于于減小氣流流阻。 所述的V型錐連接座后設計有便于加工V型錐安裝座退刀槽和防止V型錐移動的檔板。 本發明的原理如下本發明利用高速旋轉的轉子上燃燒室內的強離心力場，先在高位建 立起一股穩定的火焰，該火焰在離心力和浮升力共同作用下向低位區飄溢，增加了火焰的徑 向覆蓋面積，為主燃級燃料提供穩定點火源，保證了燃燒室的火焰穩定性和燃燒效率。本發明與現有技術相比所具有的優點如下(1) 本發明的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，充分利用了轉子高速旋轉產生的離 心力效應，幫助高溫火焰在徑向上的擴散傳播，在沒有明顯增加穩火器堵塞面積的情況下增 大了火焰表面積和放熱率，從而保證燃燒室的燃燒穩定性，提高了燃燒效率；(2) 本發明的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，針對轉子發動機上有限的燃燒室空 間，V型錐式火焰穩定器在高位穩火，為低位主燃級提供持續穩火源；(3) 本發明的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，V型錐式鈍體后的低速回流區穩定， 具有較強的穩火能力，對轉子發動機的穩定工作范圍具有拓寬作用；(4) 本發明的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器結構簡單，棒定器受離心力場影響較 小，易于穩定火焰；(5) 本發明的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，可以根據不同的燃燒條件更換不同 阻塞比的V型錐以減小氣動損失并達到最佳的穩火效果。
圖1是V型錐火焰穩定器在轉子發動機上的工作示意圖； 圖2是V型錐火焰穩定器的整體結構剖視圖； 圖3是V型錐火焰穩定器的V型錐結構剖視圖； 圖4是V型錐火焰穩定器的支架結構剖視圖；其中l是燃燒室主流氣流，2是V型錐外壁面流動氣流，3是燃料供給，4是預燃級穩定 器高溫火焰，5是主燃區，6是噴嘴油霧，7是V型錐式火焰穩定器，8是支架，9是V型錐 安裝座，IO是噴嘴安裝座，ll是燃燒室外機匣，12是燃燒室內機匣，13是V型錐，14是離 心噴嘴，15是噴嘴出口與V型錐底面距離，16是V型錐螺紋長度，17是V型錐長度，18 是V型錐底面內徑，19是V型錐底面外徑，20是V型錐頂角角度，21是V型錐頂部倒角， 22是V型錐螺紋，23是噴嘴安裝座螺紋，24是V型錐安裝座螺紋，25是擋板，26是V型 錐安裝座螺紋長度，27是噴嘴安裝座退刀槽，28是噴嘴安裝座螺紋長度，29是V型錐安裝 座退刀槽，30是支架高度，31是支架角度，32是燃油通道。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。將V型錐火焰穩定器安裝在轉子發動機上，如圖l所示；在轉子發動機上，燃燒室內機 匣12隨轉子一同旋轉，旋轉角速度為co，而燃燒室外機匣11由于轉子發動機結構設計的不 同，可以是隨轉子一起轉動，也可以是靜止不動的；燃燒室主流氣流1以一定的相對速度流入燃燒室，目前典型沖壓轉子發動機中該氣流的相對馬赫數在0.2以上；在流經V型錐火焰 穩定器7中的V型錐13時，V型錐外壁面流動氣流2在V型錐13的尾緣處由于粘性形成回 流區，該低速回流區穩定，具有較強的穩火能力，對轉子發動機的穩定工作范圍具有拓寬作 用；V型錐式火焰穩定器7的燃料供給3通過轉子輪緣從支架8的下端口進入支架8中間的 燃油通道32，經離心噴嘴14霧化形成噴嘴油霧6，對噴嘴油霧6點火形成預燃級穩定器高溫 火焰4。由于整個燃燒室隨轉子一同旋轉，將參考坐標系固定在轉子上，則在轉子輪緣上的燃燒室內存在離心力場，其離心加速度為G-^"2。由于該離心力場的存在，會使氣流在徑向上產生壓力梯度，進而對高溫燃氣產生浮升力效應，使預燃級穩定器高溫火焰4從高位向 內半徑的低位區飄溢，加強了火焰的徑向傳播，也與從低位區噴射出來的主燃級燃料產生交 叉摻混，有利于點燃并穩定燃燒，主要燃燒過程在主燃區5完成。如圖l、圖2所示，本發明的V型錐式火焰穩定器7包含有支架8和V型錐13;支架8 的作用主要是將V型錐13固定在轉子輪緣上，并將V型錐置于燃燒通道的高位，如圖l所 示,支架高度30和支架角度31可以根據預燃級和主燃級的氣動熱力和結構參數調整，為了 保證本發明的V型錐式火焰穩定器有良好的徑向擴展性和火焰穩定性， 一般調節的支架高度 30為轉子發動機燃燒通道總高度的0.4-0.9之間。支架8需要根據結構強度和低流阻要求設計， 平滑的支架外壁結構有利于減小流阻。轉子轉動時會產生的離心力，支架8會受到運動載荷， 在設計中可以采用有限元分析的方法計算轉子上支架在不同轉速下的應力分布，結合材料的 強度極限確定支架的結構強度。支架8上的V型錐安裝座9與V型錐13采用螺紋方式連接 固定，V型錐安裝座9的長度26以及V型錐安裝座螺紋24與V型錐13配合。在V型錐安 裝座9后設計有便于加工的退刀槽29和防止V型錐移動的檔板25,如圖2,支架8上裝置 噴嘴安裝座10，霧化方式采用離心噴嘴14;離心噴嘴14與噴嘴安裝座10采用螺紋方式連接 固定。在噴嘴安裝座10后有噴嘴安裝座退刀槽27便于加工；V型錐式火焰穩定器7的燃料 供給3從油管通過支架8內的燃油通道32從噴嘴座進入離心噴嘴14,離心噴嘴14霧化燃油 形成噴嘴油霧6;通過調節噴嘴出口距V型錐底面的距離15用以防止噴嘴油霧6噴射到V 型錐內壁面。V型錐13作為火焰穩定器7的關鍵部分，如圖2、圖3所示，V型錐13的阻塞比主要 由V型錐底面外徑19決定，V型錐底面內徑I8較V型錐底面外徑19小4mm; V型錐頂角 角度20在30。至60。之間選取，以30。為優。為了保證V型錐的固定，同時防止油霧噴射到V 型錐內壁面，V型錐螺紋長度16應根據V型錐長度17按h 4至1: 5的比例范圍內選取。 V型錐螺紋22需要與支架8的V型錐安裝座配合。為了避免氣流流動摜失，在V型錐的頂部設計V型錐頂部倒角21，有利于減小流阻。在本實施例中，采用航空煤油為燃料，V型錐阻塞比為0.3，底面外徑19為50mm，底 面內徑18為46mm， V型錐頂角20為35°, V型錐長度17為65mm， V型錐螺紋長度16為 12mm， V型錐螺紋22為M12的螺紋標準。如圖4，支架高度30為35mm，支架角度31為 90°， V型錐安裝座螺紋長度26為20mm， V型錐安裝座螺紋24為M12的螺紋標準，噴嘴安 裝座螺紋長度28為3mm，噴嘴安裝座螺紋23為M10的螺紋標準。V型錐安裝座退刀槽長 度29和噴嘴安裝座退刀槽長度27均為lmm，擋板25直徑為12mm。如圖2，離心噴嘴14 噴霧角為60。，噴嘴出口距離V型錐底面長度15為35mm。
權利要求
1、轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，其特征在于包含支架(8)和V型錐(13)，V型錐(13)通過螺紋方式與支架(8)上的V型錐連接座(9)連接固定，置于燃燒通道的高位；所述的支架(8)為中空結構，燃料供給(3)通過支架(8)的下端口進入支架(8)中間的燃油通道(32)，通過安裝在支架(8)末端的離心噴嘴(14)霧化形成噴嘴油霧(6)，對噴嘴油霧(6)點火形成預燃級穩定器高溫火焰(4)；當整個裝置隨轉子發動機旋轉時，利用高速轉子上的高離心力場特點，使預燃級穩定器高溫火焰(4)從高位向內半徑的低位區飄溢，引燃低位區的主燃級，從而提高燃燒的效率，保證燃燒的穩定性。
2、 根據權利要求1所述的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，其特征在于所述的支 架(8)為"拐"形，支架(8)的拐角角度(31)可以調節，便于調節V型錐(13)在燃燒 通道內的位置。
3、 根據權利要求T所述的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，其特征在于在支架(8) 的末端安裝有噴射裝置離心噴嘴(14)，并與安裝在支架(8)末端的噴嘴安裝座(10)采用 螺紋方式連接固定。
4、 根據權利要求1所述的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，其特征在于所述的V 型錐(13)為圓錐型，V型錐(13)的頂角角度(20)范圍為30°至60°之間，堵塞比的范 圍為0.25~0.5。
5、 根據權利要求1所述的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，其特征在于所述的V型錐(13)的頂部設計有V型錐頂部倒角(21)，有助于于減小氣流流阻。
6、 根據權利要求1所述的轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，其特征在于所述的V 錐連接座(9)后設計有便于加工V型錐安裝座退刀槽(29)和防止V型錐移動的檔板(25)。
全文摘要
本發明公開了一種轉子發動機用的V型錐火焰穩定器，其特征在于包含支架和V型錐，V型錐通過螺紋方式與支架上的V型錐連接座連接固定，置于燃燒通道的高位；所述的支架為中空結構，燃料供給通過支架的下端口進入支架中間的燃油通道，通過安裝在支架末端的離心噴嘴霧化形成噴嘴油霧，對噴嘴油霧點火形成預燃級穩定器高溫火焰；當整個裝置隨轉子發動機旋轉時，利用高速轉子上的高離心力場特點，使預燃級穩定器高溫火焰從高位向內半徑的低位區飄溢，引燃低位區的主燃級，從而提高燃燒的效率，保證燃燒的穩定性。本發明為轉子發動機的燃燒系統提供穩定的高位穩火源，保證整個燃燒系統具有寬廣的穩定工作范圍和高效的燃燒。
文檔編號F23R3/02GK101334174SQ20081011523
公開日2008年12月31日 申請日期2008年6月19日 優先權日2008年6月19日
發明者帥 安, 弛 張, 林宇震, 郭新華 申請人:北京航空航天大學