一种带有定向调控燃油喷射的火焰稳定器

1.本发明涉及火焰稳定器的技术领域，特别涉及一种带有定向调控燃油喷射的火焰稳定器。


背景技术：

2.现代先进的涡扇发动机为达到更大的推重比，涡轮前燃气温度需要提高，主燃烧室温升提高，使得燃气流量增加，流速更快，进入涡扇加力燃烧室或冲压/加力燃烧室的来流温度和速度也大大提高。更高的温度有利于燃油的快速蒸发，但也导致燃油喷射后有效穿透深度缩短，掺混能力减弱，并伴随着燃油喷嘴结焦的异常风险。
3.更大的速度一定程度有利于燃油与气流剪切破碎，但也限制了燃油的穿透能力和其在燃烧腔内的滞留时间，为组织燃烧带来了更大的困难。同时由于稳定器及供油管在高温燃烧腔中长时间处于工作状态，需要对其进行冷却保护，因此把稳定器及供油系统进行一体化设计，引入适量的冷却气进行燃油及稳定器冷却，以提高其工作稳定性、可靠性及使用寿命也尤为重要。
4.综上所述，研发一种能够同时实现稳定燃烧，改善燃油的雾化、扩散和掺混性能，提高燃油的喷射深度，提升火焰扩张角，以及缩短燃烧腔内稳定器间周向联焰距离的方案已经成为一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种带有定向调控燃油喷射的火焰稳定器，以实现稳定燃烧，改善燃油的雾化、扩散和掺混性能，提高燃油的喷射深度，提升火焰扩张角，以及缩短燃烧腔内稳定器间周向联焰距离。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种带有定向调控燃油喷射的火焰稳定器，包括相互连接的锥柱段和长直段；所述锥柱段的截面呈三角状；所述长直段的截面呈矩形状，所述长直段的内部设有燃油引管和高压气引管，所述长直段的外部设有燃油接头、高压气接头和燃油喷注口，所述燃油喷注口设于所述长直段相对的两侧面上；所述燃油引管与所述燃油接头、以及所述燃油喷注口接通；所述高压气引管设于所述燃油引管内，所述高压气引管的外管壁与所述燃油引管的内管壁相互分离，所述高压气引管的进气口与所述高压气引管接通，所述高压气引管的出气口与所述燃油喷注口相对且分离形成剪切雾化腔，在往所述剪切雾化腔的方向上，所述高压气引管的出气口呈往外扩展的结构。
7.在其中一个实施例中，所述高压气引管的出气口呈往外扩展的摆角α为10
°
～20
°
。
8.在其中一个实施例中，所述高压气引管的管径为r，所述剪切雾化腔的深度为d，且有d＝r/2。
9.在其中一个实施例中，所述高压气引管的管径r＝0.5mm～1.5mm。
10.在其中一个实施例中，所述燃油引管的管径为r＝1.1mm～2.1mm。
11.在其中一个实施例中，所述燃油喷注口设于所述长直段邻近所述锥柱段的一侧。
12.在其中一个实施例中，所述长直段相对的两侧面上均设有多个所述燃油喷注口，多个所述燃油喷注口沿所述长直段的高度方向呈直线排列布置。
13.在其中一个实施例中，所述锥柱段和所述长直段一体成型。
14.本发明的有益效果如下：
15.(1)强化燃油的雾化，加强油雾掺混。
16.高压气引管引入高压气，燃油引管引入燃油，由于所述高压气引管的出气口与所述燃油喷注口相对且分离形成剪切雾化腔，在往所述剪切雾化腔的方向上，所述高压气引管的出气口呈往外扩展的结构，所以高压气引管的出气口等同于形成裙型涡流发生器，因此高压气与燃油以耦合形成气动增强雾化的喷射方式首先在剪切雾化腔内由裙型涡流发生器形成流向涡，经过漩涡的气动扰动、剪切作用下，燃油射流产生破裂。在出口不平齐腔体的强振荡影响下，扰动剪切效应增强，进一步加剧油雾液滴破碎。而后通过燃油喷注口正交注入高速来流，引入的高压气在燃油内侧裹挟着燃油与高速主流的进行高强度的摩擦剪切，湍流强度的增强和气动参数梯度急剧变化，伴随着燃油的大剪切变形和油气的交融，燃油更容易破碎成液滴并进一步形成细小油雾，以达到增强雾化和油气掺混的目的。
17.(2)增强燃油穿透深度。得益于引入的高压级气体，一方面其与高速主流交汇形成背流向局部低速区，使得燃油能以较低的动压到达更远的周向位置。另一方面，燃油受粘性作用自身得到一定程度的加速，燃油动量比的增加提升了燃油的穿透能力。以是，高压级气体增强了局部的传质能力，相邻径向火焰稳定器之间燃油可以在更短的距离内相遇，反映了火焰稳定器后方的火焰可以在更短的距离内联焰，达到了缩短联焰距离的目标。提高燃油的喷射深度，改善燃油的扩散和掺混性能。
18.(3)实现局部加氧加压。通过高压气引管对高压气的引入可以改善燃气经过主燃烧室燃烧后氧气大量消耗的情况，局部压力的增加，有利于提升油气跟随性，且有效应对低压低温条件下燃油雾化困难等情况，实现油雾的良好分布，提升局部燃烧性能。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明实施例提供的透视结构示意图；
21.图2是图1的俯视局部放大结构示意图；
22.图3为无定向调控燃油喷射的一体化设计的火焰稳定器的油雾场浓度等值线图；
23.图4为带有定向调控燃油喷射+低引气量的一体化设计的火焰稳定器的油雾场浓度等值线图；
24.图5为带有定向调控燃油喷射+高引气量的一体化设计的火焰稳定器的油雾场浓度等值线图。
25.附图标记如下：
26.10、锥柱段；
27.20、长直段；21、燃油喷注口；
28.30、燃油引管；31、燃油接头；
29.40、高压气引管；41、高压气接头；42、裙型涡流发生器；
30.50、剪切雾化腔。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
32.本发明提供了一种带有定向调控燃油喷射的火焰稳定器，其实施例如图1和图2所示，包括相互连接的锥柱段10和长直段20；锥柱段10的截面呈三角状；长直段20的截面呈矩形状，长直段20的内部设有燃油引管30和高压气引管40，长直段20的外部设有燃油接头31、高压气接头41和燃油喷注口21，燃油喷注口21设于长直段20相对的两侧面上；燃油引管30与燃油接头31、以及燃油喷注口21接通；高压气引管40设于燃油引管30内，高压气引管40的外管壁与燃油引管30的内管壁相互分离，高压气引管40的进气口与高压气引管40接通，高压气引管40的出气口与燃油喷注口21相对且分离形成剪切雾化腔50，在往剪切雾化腔50的方向上，高压气引管40的出气口呈往外扩展的结构。
33.在进行应用时，燃油接头31用于接入燃油输入，以此将燃油输送至燃油引管30内，而高压气接头41则用于接入高压气输入，以此将高压气输送至高压气引管40内，然后燃油和高压气将一同往燃油喷注口21输送、汇聚；由于在往剪切雾化腔50的方向上，高压气引管40的出气口呈往外扩展的结构，所以高压气引管40此时等同于形成裙型涡流发生器42，因此高压气与燃油以耦合形成气动增强雾化的喷射方式首先在剪切雾化腔50内由裙型涡流发生器42形成流向涡，经过漩涡的气动扰动、剪切作用下，燃油射流产生破裂。在出口不平齐腔体的强振荡影响下，扰动剪切效应增强，进一步加剧油雾液滴破碎。而后通过燃油喷注口21正交注入高速来流，引入的高压气在燃油内侧裹挟着燃油与高速主流的进行高强度的摩擦剪切，湍流强度的增强和气动参数梯度急剧变化，伴随着燃油的大剪切变形和油气的交融，燃油更容易破碎成液滴并进一步形成细小油雾，以达到增强雾化和油气掺混的目的。
34.另外，此实施例还增强燃油穿透深度。具体的，得益于引入的高压级气体，一方面其与高速主流交汇形成背流向局部低速区，使得燃油能以较低的动压到达更远的周向位置。另一方面，燃油受粘性作用自身得到一定程度的加速，燃油动量比的增加提升了燃油的穿透能力。以是，高压级气体增强了局部的传质能力，相邻径向火焰稳定器之间燃油可以在更短的距离内相遇，反映了火焰稳定器后方的火焰可以在更短的距离内联焰，达到了缩短联焰距离的目标。提高燃油的喷射深度，改善燃油的扩散和掺混性能。
35.更进一步的，此实施例还实现局部加氧加压。具体的，通过高压气引管40对高压气的引入可以改善燃气经过主燃烧室燃烧后氧气大量消耗的情况，局部压力的增加，有利于提升油气跟随性，且有效应对低压低温条件下燃油雾化困难等情况，实现油雾的良好分布，提升局部燃烧性能。
36.如图2所示，此实施例优选设置高压气引管40的出气口呈往外扩展的摆角α为10
°
～20
°
，如10
°
、11
°
、12
°
、13
°
、14
°
、15
°
、16
°
、17
°
、18
°
、19
°
和20
°
等；以及还优选设置高压气引管40的管径为r，剪切雾化腔50的深度为d，且有d＝r/2，此时高压气引管40的管径r＝0.5mm～1.5mm，如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm和1.5mm等；而此时燃油引管30的管径为r＝1.1mm～2.1mm，如1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、
1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm和2.1mm等。
37.在采用此设置方式后，能够将火焰稳定器的结构参数最优化，以此获得更佳的使用效果。
38.如图1所示，此实施例优选设置燃油喷注口21设于长直段20邻近锥柱段10的一侧。
39.以图1所示方向为参考，长直段20利用其左侧与锥柱段10连接，所以此时燃油喷注口21将设于长直段20的左侧，以确保燃油喷注口21能够邻近锥柱段10布置，从而对火焰稳定器的结构继续进行优化，以此进一步提高火焰稳定性的性能。
40.如图1所示，此实施例优选设置长直段20相对的两侧面上均设有多个燃油喷注口21，多个燃油喷注口21沿长直段20的高度方向呈直线排列布置。
41.以图1所示方向为参考，此时燃油喷注口21设于长直段20朝外和朝内的两表面上，且长直段20上燃油喷注口21以从上放下的方式排列布置，从而使得多个燃油喷注口21能够覆盖更广的范围，以此进一步优化了火焰稳定器的使用效果。
42.如图1所示，此实施例优选设置锥柱段10和长直段20一体成型。
43.在采用此设置方式后，则可加强锥柱段10和长直段20之间的连接强度，从而提高了火焰稳定器的工作稳定性和使用寿命。
44.上述实施例的火焰稳定器是在超级燃烧室一体化设计中进行应用的，在高温、高来流速的条件下，保证组织稳定燃烧，增强燃油穿透深度，加速火焰的周向传播，加强油雾掺混，提升燃烧效果。
45.1、为验证上述火焰稳定器的性能，此时假定燃油引管30径r为1.6mm，高压气引管40径r为1mm，高压气引管40的出气口呈往外扩展的摆角α为14
°
，剪切雾化腔50深度d为r/2。并与具有相同燃油喷射面积但不带有定向调控燃油喷射结构的火焰稳定器，在方管二元模型中进行了数值模拟计算。
46.2、有无定向调控燃油喷射结构模型的油雾场比较
47.如图3和图4所示，两模型的油雾场浓度等值线图，所取截面为火焰稳定器侧面燃油喷注口21所在截面。图3为不带有定向调控燃油喷射结构模型的油雾场计算结果，图4为带有定向调控燃油喷射结构模型的油雾场计算结果。可以清楚的看到图3中所示油雾穿透深度较窄，周向拓展能力较弱，下游油雾跟随主流向稳定器后侧收缩分布。图4的油雾场浓度等值线示意图中，可以看到带有定向调控燃油喷射结构的火焰稳定器，周向穿透能力得到提升。与不带有定向调控燃油喷射结构相比，穿透深度从0.17倍槽宽提升至0.36倍槽宽。等值线密集程度一定反映了油滴的雾化程度，带有定向调控燃油喷射结构的油雾场浓度较稀疏，表现为燃油分布比较平均，雾化情况得到改善。两模型的差别就在于稳定器长直段20上是否设置了定向调控燃油喷射结构，数值模拟计算时喷油位置，燃油注入流量及温度相同，由此可见，带有定向调控燃油喷射结构的火焰稳定器可以提升燃油穿透深度，改善燃油的雾化、扩散和掺混性能。
48.3、带有定向调控燃油喷射结构模型在不同引气量下的油雾场比较
49.如图4和图5所示，分别为0.001kg/s和0.004kg/s的引入高压气流量的带有定向调控燃油喷射结构模型的油雾场浓度等值线图，所取截面为火焰稳定器侧面燃油喷注口21所在截面。对比而言强引气量模型的燃油穿透深度可达到0.64倍槽宽，对比0.36倍槽宽的弱引气量模型有显著提升。同时，油雾分布更加均匀。由此可见，越高的引气强度可以增强燃
油动量比，提供更深的周向穿透深度，在更苛刻的来流条件为稳定器周向之间的联焰提供有利条件，并且燃油的扩散和掺混性能得到提升，有助于组织燃烧。
50.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种带有定向调控燃油喷射的火焰稳定器，其特征在于，包括相互连接的锥柱段和长直段；所述锥柱段的截面呈三角状；所述长直段的截面呈矩形状，所述长直段的内部设有燃油引管和高压气引管，所述长直段的外部设有燃油接头、高压气接头和燃油喷注口，所述燃油喷注口设于所述长直段相对的两侧面上；所述燃油引管与所述燃油接头、以及所述燃油喷注口接通；所述高压气引管设于所述燃油引管内，所述高压气引管的外管壁与所述燃油引管的内管壁相互分离，所述高压气引管的进气口与所述高压气引管接通，所述高压气引管的出气口与所述燃油喷注口相对且分离形成剪切雾化腔，在往所述剪切雾化腔的方向上，所述高压气引管的出气口呈往外扩展的结构。2.根据权利要求1所述的火焰稳定器，其特征在于，所述高压气引管的出气口呈往外扩展的摆角α为10
°
～20
°
。3.根据权利要求1所述的火焰稳定器，其特征在于，所述高压气引管的管径为r，所述剪切雾化腔的深度为d，且有d＝r/2。4.根据权利要求3所述的火焰稳定器，其特征在于，所述高压气引管的管径r＝0.5mm～1.5mm。5.根据权利要求3所述的火焰稳定器，其特征在于，所述燃油引管的管径为r＝1.1mm～2.1mm。6.根据权利要求1所述的火焰稳定器，其特征在于，所述燃油喷注口设于所述长直段邻近所述锥柱段的一侧。7.根据权利要求1所述的火焰稳定器，其特征在于，所述长直段相对的两侧面上均设有多个所述燃油喷注口，多个所述燃油喷注口沿所述长直段的高度方向呈直线排列布置。8.根据权利要求1所述的火焰稳定器，其特征在于，所述锥柱段和所述长直段一体成型。

技术总结
本发明公开了一种带有定向调控燃油喷射的火焰稳定器，及火焰稳定器的技术领域，包括相互连接的锥柱段和长直段；锥柱段的截面呈三角状；长直段的截面呈矩形状，长直段的内部设有燃油引管和高压气引管，长直段的外部设有燃油接头、高压气接头和燃油喷注口，燃油喷注口设于长直段相对的两侧面上；燃油引管与燃油接头、以及燃油喷注口接通；高压气引管设于燃油引管内，高压气引管的外管壁与燃油引管的内管壁相互分离，高压气引管的进气口与高压气引管接通，高压气引管的出气口与燃油喷注口相对且分离形成剪切雾化腔，在往剪切雾化腔的方向上，高压气引管的出气口呈往外扩展的结构；以此解决了现有技术存在的众多问题。此解决了现有技术存在的众多问题。此解决了现有技术存在的众多问题。


技术研发人员：赵世龙 肖辉
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/28