阅读说明：本技术 利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器及设计方法 (On-duty flame stabilizer using air cooling structure to match ignition position and design method ) 是由 范育新 陈玉乾 郭昆 赵世龙 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器及设计方法。值班火焰稳定器包括火焰稳定器主体、离心式喷嘴和点火器。由于在稳定器上开设冷却孔,引外涵冷却气在热侧壁面形成一层薄的气膜,从而实现对稳定器的热防护,可以根据稳定器壁温分布加密局部位置的冷却孔。在稳定器的倒圆角抑制流动分离的发生,有效防止位于稳定器热侧的热燃气通过冷却孔倒流进冷气侧,避免稳定器壁面温度过高而发生烧蚀。本发明利用稳定器上冷却孔的不同开孔方向组合实现对值班火焰稳定器的流场结构进行主动控制,有效地降低稳定器热侧壁面温度,提高稳定器在高温燃气中的寿命。本发明结构简单,提高点火可靠性、火焰稳定性及点火位置布置的自主可控性。(The invention discloses an on-duty flame stabilizer using an air cooling structure to match an ignition position and a design method. The on-duty flame holder includes a flame holder body, a swirler and an igniter. Because the cooling holes are formed in the stabilizer, the outer culvert cooling air is guided to form a thin air film on the wall surface of the hot side, so that the thermal protection of the stabilizer is realized, and the cooling holes in local positions can be encrypted according to the temperature distribution of the wall of the stabilizer. The fillet at the stabilizer restraines the emergence of flowing the separation, effectively prevents to be located the hot gas of stabilizer hot side and advances the cold gas side through the cooling hole refluence, avoids stabilizer wall temperature too high and takes place to ablate. The invention utilizes the combination of different opening directions of the cooling holes on the stabilizer to realize the active control of the flow field structure of the flame stabilizer on duty, effectively reduces the temperature of the wall surface at the hot side of the stabilizer and prolongs the service life of the stabilizer in high-temperature fuel gas. The invention has simple structure, and improves the ignition reliability, the flame stability and the autonomous controllability of the ignition position arrangement.)

利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器及设计方法

技术领域

本发明涉及航空动力推进系统技术领域，特别涉及一种利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器及设计方法。

背景技术

随着现代先进航空发动机技术不断发展，涡扇发动机以巡航状态下经济性高和作战性能好等优势，逐渐取代了早期发展的涡喷发动机。为保证涡扇加力燃烧室能够稳定工作，要求加力燃烧室实施软点火，即在很低的油气比下点燃，采用值班火焰稳定器可以实现该功能。值班火焰稳定器后方的大回流区具有将内部稳定的火焰向外传播的功能，采用值班稳定器是改善混气稳定燃烧和扩大稳定工作范围的有效措施。目前主要使用的值班火焰稳定器主要包括：V型火焰稳定器、双V型火焰稳定器、薄膜蒸发V型值班稳定器、特种蒸发V型火焰稳定器、蒸发式火焰稳定器和沙丘驻涡火焰稳定器等。

值班火焰稳定器是保证航空发动机加力燃烧室稳定燃烧的核心部件，提高火焰稳定器的寿命和点火性能，就是保证涡扇加力燃烧室的工作可靠性。随着现代先进涡扇发动机的发展，为达到更大的推重比，主燃室的温升增大，燃气在涡轮前温度明显提高，使得进入加力燃烧室的来流速度和温度大大提高。来流速度提高对值班火焰稳定器的稳定性设计提出了更高的要求。来流温度的提高给稳定器设计工作带来新的挑战，为使稳定器在高温条件下稳定可靠地工作，必须保证稳定器的壁面温度要在材料可以承受的范围内，避免火焰稳定器被高温燃气烧蚀，因此需要引入适量的冷却气对稳定器进行冷却，以提高稳定器的工作寿命。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器，改善值班火焰稳定器在高温燃气条件下的工作寿命和可靠性，并满足高温高速来流条件下加力燃烧室对不同点火位置的需求，同时保证值班火焰稳定器宽广的点火和稳定工作范围。本发明还提供了利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器的设计方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明所述的一种利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器，包括火焰稳定器主体，所述火焰稳定器主体包括水平延伸的前板、设置于所述前板后端的倾斜向上延伸的斜板以及设置于所述斜板后端的水平延伸的后板组成；所述斜板和后板组成的结构下方形成凹腔；所述后板上设置有离心式喷嘴以及点火器；在冷气侧壁面的斜板和后板的交接处进行倒圆角处理；所述火焰稳定器主体上设置有若干冷却孔作为气冷结构。

本发明气冷结构为气膜冷却，稳定器冷气侧壁面转角处倒圆角的特殊处理可以有效防止热侧高温燃气通过冷却孔倒流进冷气侧而导致稳定器烧蚀，因此这种冷却及结构方案可以保证稳定器在高温燃气条件下的工作寿命和可靠性。

本发明的火焰稳定器主体的斜板与后板构成一个凹腔状的结构，内涵高温高速的主流在凹腔内形成一个低速的回流区，在贫油状态下，可以使得在回流区内局部保持较高的油气比，从而保证值班火焰稳定器宽广的点火和稳定工作范围。

本发明火焰稳定器主体的外侧壁面斜板与后板交接处即转角处采用倒圆角的处理方式，可抑制外涵通道冷气流在转角处的流动分离，从而防止热侧高温燃气通过冷却孔倒流进冷气侧而导致稳定器烧蚀。

所述气冷结构为设置于所述斜板上的若干个第一冷却孔以及设置于所述后板上的若干个第二冷却孔。

所述斜板上的第一冷却孔开孔角度为第一冷却孔的开孔方向与斜板的夹角α；后板上的第二冷却孔开孔角度为第二冷却孔的开孔方向与后板的夹角β；所述夹角α与夹角β相同或不同。

若干所述第一冷却孔和若干所述第二冷却孔的排列方式均为插排排列，采用此种方式排列的原因为值班火焰稳定器稳定燃烧时，高温区在凹腔内，受热传递和辐射作用，斜板和后板温度较高，在斜板和后板上开设冷却孔并且插排排列可以有效改善值班火焰稳定器在高温燃气条件下的工作寿命和可靠性。

所述斜板与前板之间的夹角为θ为60°。

所述离心式喷嘴为压力雾化喷嘴，所述点火器为高能点火器。

本发明所述的一种利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器的设计方法，包括以下步骤：

(a)设计火焰稳定器主体的规格参数，包括组成火焰稳定器主体的前板和后板(的长度和两者之间的距离，确定斜板与前板或者后板的夹角θ；

(b)设置气冷结构：斜板和后板采用气膜冷却方式进行热防护，第一冷却孔和第二冷却孔的排列方式均为插排排列，冷却孔的孔径和孔间距可以根据实际需求确定，同时根据稳定燃烧时斜板和后板热侧壁温分布情况，调整局部地区开孔密度，实现对整个板冷却效果的控制，从而实现对加力燃烧室需求的最佳点火位置的自主控制；

(c)在斜板上的第一冷却孔开孔角度为开孔方向与斜板的夹角α，后板上的第二冷却孔开孔角度为开孔方向与斜板的夹角β，利用第一冷却孔以及第二冷却孔的开孔方向不同组合，控制回流区，实现对加力燃烧室需求的最佳点火位置的自主控制；

(d)在冷气侧壁面斜板和后板的交接处进行倒圆角处理；

(e)根据加力燃烧室值班点火的供油量和雾化角度等实际需求选取离心式喷嘴，根据实际点火能量需求选择点火器，根据气冷结构控制的流场结构和匹配的点火位置分别确定离心式喷嘴与点火器的位置。

进一步地，步骤(e)中，所述离心式喷嘴为常规的压力雾化喷嘴，所述点火器为常规的高能点火器；

离心式喷嘴和点火器的位置选取可根据上述利用气冷结构匹配的流场结构和点火位置分别确定，从而实现提高该型值班火焰稳定器雾化效果、燃烧效率、点火性能，拓宽点火范围的目的。

本发明的回流区在凹腔内形成，其结构基本上不受内涵主流流速的干扰，回流区结构、位置和大小可以由气冷结构主动控制，最佳点火位置和范围由气冷结构匹配，因此这种设计方案可以满足高温高速来流条件下不同加力燃烧室结构对点火位置的需求。该值班火焰稳定器采用离心式喷嘴供油方案，在贫油状态下，由于凹腔内低速的回流区可以使得在回流区内局部保持较高的油气比，从而可以保证该值班火焰稳定器宽广的点火和稳定工作范围。

有益效果：(1)本发明提供的一种利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器，通过对稳定器高温壁面采用气膜冷却，并在稳定器冷气侧壁面转角处倒圆角的特殊处理可以有效防止热侧高温燃气通过冷却孔倒流进冷气侧而导致稳定器烧蚀，这种冷却及结构方案可以保证稳定器在高温燃气条件下的工作寿命和可靠性；(2)本发明的回流区在火焰稳定器主体的凹腔内形成，其结构基本上不受内涵主流流速的干扰，回流区结构、位置和大小可以由斜板上的第一冷却孔和后板的第二冷却孔开孔方向主动控制，最佳点火位置和范围由气冷结构匹配，因此这种设计方案可以满足高温高速来流条件下加力燃烧室对不同点火位置的需求，使得该型值班火焰稳定器对于不同加力燃烧室结构具有较高的普适性；(3)本发明的值班火焰稳定器采用离心式喷嘴供油方案的凹腔，在贫油状态下，由于凹腔内低速的回流区可以使得在回流区内局部保持较高的油气比，从而可以保证该值班火焰稳定器宽广的点火和稳定工作范围；离心式喷嘴和点火器的位置选取可根据上述利用气冷结构控制的流场结构和匹配的点火位置分别确定，从而实现提高该型值班火焰稳定器雾化效果、燃烧效率、点火性能，拓宽点火范围的目的；(4)本发明的值班火焰稳定器具有结构简单、工作寿命长、冷却方案可靠、点火位置可自主控制、点火性能好、稳定器工作范围大等优点，特别适用于高温高速来流工况下的加力燃烧室。

附图说明

图1为本发明的利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器意图；

图2为外壁斜板与后板交接处倒圆角前后总压分布对比图；

图3为不同冷却孔角度组合下流场迹线对比图；

图4为无气冷结构前后热侧壁面温度分布示意图；

图5为加气冷结构前后热侧壁面温度分布示意图。

具体实施方式

本发明提供一种利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器，为使本发明目的、技术方案及效果更加清楚和明确，参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释发明，并不用于限定本发明。

实施例1：本实施例中提供了一种利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：设计火焰稳定器主体1的规格参数，包括组成火焰稳定器主体1的前板101和后板103的长度和两者之间的距离，确定斜板102与前板101或者后板103的夹角θ；

步骤2：设置气冷结构：斜板102和后板103采用气膜冷却方式进行热防护，第一冷却孔105和第二冷却孔106的排列方式均为插排排列，冷却孔的孔径和孔间距可以根据实际需求确定，同时根据稳定燃烧时斜板102和后板103热侧壁温分布情况，调整局部地区开孔密度；

步骤3：在斜板102上的第一冷却孔105开孔角度为开孔方向与斜板的夹角α，后板103上的第二冷却孔106开孔角度为开孔方向与斜板的夹角β，利用第一冷却孔105以及第二冷却孔106的开孔方向不同组合，控制回流区，实现对加力燃烧室需求的最佳点火位置的自主控制；

步骤4：在冷气侧壁面斜板102和后板103的交接处进行倒圆角104处理；

步骤5：根据加力燃烧室值班点火的供油量和雾化角度等实际需求选取离心式喷嘴3，根据实际点火能量需求选择点火器4，根据气冷结构控制的流场结构和匹配的点火位置分别确定离心式喷嘴3与点火器4的位置。

实施例2：根据实施例1的设计方法设计的值班火焰稳定器的结构如图1所示，包括火焰稳定器主体1、离心喷嘴3以及点火器4，火焰稳定器主体1分为三部分即前板101、斜板102、后板103，由斜板102和后板103组成的结构下方形成凹腔2，在冷气侧壁面斜板102和后板103的交接处进行倒圆角104处理，冷气侧是指迎着来流的侧壁，即图1中X轴延伸的方向，也可以称为轴向，前端至后端或者由前至后的方向，图中Y轴方向为径向；斜板102上开设有若干个第一冷却孔105，后板103上形成若干个第二冷却孔106。

火焰稳定器主体1的前板101和后板103相互平行，沿着水平方向延伸，两者各自的长度L和两者之间的距离H可以根据实际需要选取，连接前板101以及后板103的斜板102的倾斜角度可以根据需要具体选择，斜板102为沿着轴向倾斜向上延伸。

优选的斜板102与前板101或者后板103的夹角θ＝60°。由斜板102和后板103形成的凹腔2可以在主流中形成一个低速回流区，其结构基本上不受内涵主流流速的干扰，回流区结构、位置和大小可以由斜板和后板冷却孔开孔方向主动控制，最佳点火位置和范围由气冷结构匹配，因此这种设计方案可以满足高温高速来流条件下加力燃烧室对不同点火位置的需求，在贫油状态下，低速回流区可以使得回流区内局部保持较高的油气比，从而可以保证该值班火焰稳定器宽广的点火和稳定工作范围。

当值班火焰稳定器稳定燃烧时，高温区在凹腔2内，受热传递和辐射作用，稳定器壁面的高温区位于斜板102和后板103上，因此决定稳定器寿命的关键在于这个区域的热防护，本发明采用气膜冷却的方式对两者进行冷却，第一冷却孔105和第二冷却孔106组成气冷结构，第一冷却孔105和第二冷却孔106的排列方式均为插排排列，冷却孔的孔径和孔间距可以根据实际需求确定，同时根据稳定燃烧时斜板和后板热侧壁温分布情况，可以调整局部地区开孔密度，从而实现对整个板冷却效果的控制。外涵冷却气通道存在突缩结构，在突缩处易发生流动分离，造成热侧高温热燃气通过冷却孔倒流进冷侧，此时不但冷却效果差而且容易导致稳定器烧蚀，因此，通过对流动分离的原因分析，本发明在冷气侧壁面斜板102和后板103的交接处进行倒圆角104处理，这是本发明的一个关键技术，为验证倒圆角后对流动分离的抑制效果，在二元方管中进行了数值模拟计算，如图2所示，通过倒圆角的特殊处理，实现对流动分离的有效防止。

斜板102上的第一冷却孔105开孔角度为开孔方向与斜板的夹角α，后板103上的第二冷却孔106开孔角度为开孔方向与斜板的夹角β，当采用不同的α和β组合时，凹腔2内的回流区结构、位置和大小有所不同。

应用例1：针对实施例2的值班火焰稳定器进行数值模拟分析，选择第一冷却孔105和第二冷却孔106的开孔率均取1.8％；第一冷却孔以及第二冷却孔的孔径均取d＝1mm、孔间距P＝9.4mm，排间距S＝4.7mm，离心式喷嘴3为压力雾化喷嘴，点火器4为局部高温热源；

在确定以上参数基础上，不同开孔角度对回流区的影响如图3所示，图3为利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器采用不同冷却孔开孔角度时流线示意图，图3(a)中，α＝30°、β＝30°，图3(b)中，α＝150°，β＝150°，不同开孔角度组合时凹腔内呈现不同回流区结构，因此，可以利用这个特点，匹配不同的流场结构，主动控制最佳点火位置以满足不同加力燃烧室结构对点火位置的需求，从而提高该型值班火焰稳定器对于不同加力燃烧室结构的普适性，同时保证点火和稳定工作的可靠性。根据图3(a)的结果，在这种开孔角度组合情况下，在该结构下：喷油位置即离心喷嘴3的位置取在后板103的轴向中心线的L/2处，是较好的喷油位置，有利于燃油雾化、掺混；点火位置即点火器4的位置取在轴向中心线，距离后板103的前端距离三分之五L(3/5L)处，是最佳点火位置，点火性能最好。

在以上结构的基础上，本实施例是本发明中利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器的应用，在二元方管中进行研究，利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器结构示意图如图1所示；无气冷结构值班火焰稳定器结构示意图，与本发明中的唯一区别在于无气冷结构，作为本发明中结构的对比验证；本实施例中仅以α＝30°和β＝30°的开孔角度组合为例进行对比，其中对局部高温区的冷却孔进行了适当的加密，在二元方管模型中对本发明的利用气冷结构匹配点火位置的值班火焰稳定器进行了数值模拟计算。

无气冷结构情况下的稳定器前板和后板热侧壁温分布及等值线，如图4所示，有气冷结构情况下的稳定器前板和后板热侧壁温分布及等值线，如图5所示。从图4和图5中可以看出，经过冷却后，最低壁温降至860K，最低温出现在稳定器凹腔的左上角区域壁面，即斜板与后板交接的区域，由于此处位于凹腔的角落处，后板上气膜孔喷射的冷气流在此速度低、停留时间长，故形成低温区，且在稳定器后板最右端的壁面最高温度控制在1020K以下，冷却效果明显，达到设计目标，因此，在斜板和后板上开设冷却孔可以有效改善值班火焰稳定器在高温燃气条件下的工作寿命和可靠性。

以上所述仅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，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。