專利名稱：轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的v型錐火焰穩(wěn)定器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰穩(wěn)定裝置，特別涉及一種轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的預(yù)燃級(jí)火焰穩(wěn)定裝置一—v型錐火焰穩(wěn)定器。
背景技術(shù)：
國外目前已研制出一種集沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)為一體的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)一沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。該種發(fā)動(dòng)機(jī)可分為兩類 一類沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)是采用沖壓轉(zhuǎn)子壓縮空氣, 其后緊跟燃燒室及渦輪進(jìn)行燃燒和做功；另一類是在一個(gè)轉(zhuǎn)子上實(shí)現(xiàn)氣體壓縮、燃燒和膨脹 做功。美國Ramgen公司針對(duì)這兩類沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)都進(jìn)行了研究和運(yùn)行試驗(yàn)，其主要目的 還是將沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)方面提供動(dòng)力，并且均采用氣體燃料。特別是第二類沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，它是將沖壓模型、燃燒室和尾噴管安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)子輪緣 上組成沖壓推進(jìn)模塊，以實(shí)現(xiàn)空氣壓縮、燃燒和膨脹做功三大功能，成為一個(gè)獨(dú)立工作的轉(zhuǎn) 子式發(fā)動(dòng)機(jī)。由于燃燒系統(tǒng)跟隨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其進(jìn)口來流辨對(duì)速度高，要實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定燃 燒，對(duì)燃燒組織形式、可靠穩(wěn)火技術(shù)以及燃?xì)饷芊獾忍岢隽诵碌奶魬?zhàn)。Ramgen公司在轉(zhuǎn)子上的燃燒室采用氣體燃料(天然氣+氫氣)成功地實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火、沖壓 和穩(wěn)定運(yùn)行。為了給燃燒室提供可靠的穩(wěn)火源，Ramgen公司在轉(zhuǎn)子上采用三種穩(wěn)定火焰方式 純后臺(tái)階方式，旋渦發(fā)生器+后臺(tái)階方式以及燈塔+后臺(tái)階方式。后臺(tái)階火焰穩(wěn)定器是依靠臺(tái) 階內(nèi)的駐渦回流區(qū)形成穩(wěn)定點(diǎn)火源，將高溫燃燒產(chǎn)物傳播到新鮮來流，以點(diǎn)燃剪切層，但是 引燃?xì)夂椭髁鳉獾膿交旌懿?，大部分引燃?xì)庵苯舆M(jìn)入了回流區(qū)，導(dǎo)致該處富油熄火，在離心 效應(yīng)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(fā)生器通過產(chǎn)生旋渦來增 強(qiáng)引燃?xì)夂椭髁鞯膿交於谷紵齾^(qū)徑向擴(kuò)展，但摻混強(qiáng)度和燃燒穩(wěn)定性需要平衡，湍流度過 大可能導(dǎo)致熄火。燈塔穩(wěn)定器能夠提供靈活的供油方式，在徑向明顯增強(qiáng)燃燒強(qiáng)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(qiáng)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(qū)展向擴(kuò)展不夠充分。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃燒系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的離心力場(chǎng)，以及隨之而生的浮 升力效應(yīng)，這對(duì)燃料的分布以及火焰?zhèn)鞑a(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。第二類沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究還表明，當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2000rpm以上時(shí)，其離心加速度在3800g以上，隨著燃燒室離心 力增大和駐留時(shí)間下降，剪切層火焰穩(wěn)定性變差，只有回流區(qū)內(nèi)的局部駐留時(shí)間利于燃燒， 而其正常工作轉(zhuǎn)速達(dá)到4300rpm，此時(shí)離心加速度高達(dá)17600g。而Ramgen公司還是采用火 焰?zhèn)鞑ニ俾瘦^高的氣體燃料，如果要采用液體燃料，例如航空煤油等，對(duì)其燃燒性能影響將 更大。因此，在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，氣流相對(duì)馬赫數(shù)達(dá)到0.2以上，燃燒室內(nèi)氣流具 有離心力場(chǎng)，離心加速度達(dá)到1000g 50000g，高流速和高離心力場(chǎng)給燃燒室內(nèi)的火焰穩(wěn)定帶 來非常大的困難，需要對(duì)穩(wěn)火裝置進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)燃 級(jí)V型錐式火焰穩(wěn)定器，利用穩(wěn)定器后因氣體粘性產(chǎn)生的低速區(qū)組織燃燒，再充分利用高速 轉(zhuǎn)子上的高離心力場(chǎng)特點(diǎn)，用向內(nèi)飄溢的高位高溫火焰引燃低位區(qū)的主燃級(jí)，從而保證燃燒 室的燃燒穩(wěn)定性，提高燃燒效率。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)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(jié)構(gòu)，燃料供給通過支架的下端口進(jìn)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(duì)噴嘴油霧點(diǎn)火形成預(yù)燃級(jí)穩(wěn)定 器高溫火焰；當(dāng)整個(gè)裝置隨轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),利用高速轉(zhuǎn)子上的高離心力場(chǎng)特點(diǎn)，使預(yù)燃 級(jí)穩(wěn)定器高溫火焰從高位向內(nèi)半徑的低位區(qū)飄溢，引燃低位區(qū)的主燃級(jí)，從而提高燃燒的效 率，保證燃燒的穩(wěn)定性。。所述的支架為"拐"形，支架的拐角角度可以調(diào)節(jié)，便于調(diào)節(jié)V型錐在燃燒通道內(nèi)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)有便于加工V型錐安裝座退刀槽和防止V型錐移動(dòng)的檔板。 本發(fā)明的原理如下本發(fā)明利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上燃燒室內(nèi)的強(qiáng)離心力場(chǎng)，先在高位建 立起一股穩(wěn)定的火焰，該火焰在離心力和浮升力共同作用下向低位區(qū)飄溢，增加了火焰的徑 向覆蓋面積，為主燃級(jí)燃料提供穩(wěn)定點(diǎn)火源，保證了燃燒室的火焰穩(wěn)定性和燃燒效率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)如下(1) 本發(fā)明的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)定器，充分利用了轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離 心力效應(yīng)，幫助高溫火焰在徑向上的擴(kuò)散傳播，在沒有明顯增加穩(wěn)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(wěn)定性，提高了燃燒效率；(2) 本發(fā)明的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)定器，針對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上有限的燃燒室空 間，V型錐式火焰穩(wěn)定器在高位穩(wěn)火，為低位主燃級(jí)提供持續(xù)穩(wěn)火源；(3) 本發(fā)明的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)定器，V型錐式鈍體后的低速回流區(qū)穩(wěn)定， 具有較強(qiáng)的穩(wěn)火能力，對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍具有拓寬作用；(4) 本發(fā)明的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，棒定器受離心力場(chǎng)影響較 小，易于穩(wěn)定火焰；(5) 本發(fā)明的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)定器，可以根據(jù)不同的燃燒條件更換不同 阻塞比的V型錐以減小氣動(dòng)損失并達(dá)到最佳的穩(wěn)火效果。


圖1是V型錐火焰穩(wěn)定器在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上的工作示意圖； 圖2是V型錐火焰穩(wěn)定器的整體結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖3是V型錐火焰穩(wěn)定器的V型錐結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖4是V型錐火焰穩(wěn)定器的支架結(jié)構(gòu)剖視圖；其中l(wèi)是燃燒室主流氣流，2是V型錐外壁面流動(dòng)氣流，3是燃料供給，4是預(yù)燃級(jí)穩(wěn)定 器高溫火焰，5是主燃區(qū)，6是噴嘴油霧，7是V型錐式火焰穩(wěn)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(jī)匣，12是燃燒室內(nèi)機(jī)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(nèi)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(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。將V型錐火焰穩(wěn)定器安裝在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上，如圖l所示；在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上，燃燒室內(nèi)機(jī) 匣12隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度為co，而燃燒室外機(jī)匣11由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不 同，可以是隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以是靜止不動(dòng)的；燃燒室主流氣流1以一定的相對(duì)速度流入燃燒室，目前典型沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中該氣流的相對(duì)馬赫數(shù)在0.2以上；在流經(jīng)V型錐火焰 穩(wěn)定器7中的V型錐13時(shí)，V型錐外壁面流動(dòng)氣流2在V型錐13的尾緣處由于粘性形成回 流區(qū)，該低速回流區(qū)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的穩(wěn)火能力，對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍具有拓寬作 用；V型錐式火焰穩(wěn)定器7的燃料供給3通過轉(zhuǎn)子輪緣從支架8的下端口進(jìn)入支架8中間的 燃油通道32，經(jīng)離心噴嘴14霧化形成噴嘴油霧6，對(duì)噴嘴油霧6點(diǎn)火形成預(yù)燃級(jí)穩(wěn)定器高溫 火焰4。由于整個(gè)燃燒室隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，將參考坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，則在轉(zhuǎn)子輪緣上的燃燒室內(nèi)存在離心力場(chǎng)，其離心加速度為G-^"2。由于該離心力場(chǎng)的存在，會(huì)使氣流在徑向上產(chǎn)生壓力梯度，進(jìn)而對(duì)高溫燃?xì)猱a(chǎn)生浮升力效應(yīng)，使預(yù)燃級(jí)穩(wěn)定器高溫火焰4從高位向 內(nèi)半徑的低位區(qū)飄溢，加強(qiáng)了火焰的徑向傳播，也與從低位區(qū)噴射出來的主燃級(jí)燃料產(chǎn)生交 叉摻混，有利于點(diǎn)燃并穩(wěn)定燃燒，主要燃燒過程在主燃區(qū)5完成。如圖l、圖2所示，本發(fā)明的V型錐式火焰穩(wěn)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(zhuǎn)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(jù)預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)的氣動(dòng)熱力和結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，為了 保證本發(fā)明的V型錐式火焰穩(wěn)定器有良好的徑向擴(kuò)展性和火焰穩(wěn)定性， 一般調(diào)節(jié)的支架高度 30為轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒通道總高度的0.4-0.9之間。支架8需要根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和低流阻要求設(shè)計(jì)， 平滑的支架外壁結(jié)構(gòu)有利于減小流阻。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生的離心力，支架8會(huì)受到運(yùn)動(dòng)載荷， 在設(shè)計(jì)中可以采用有限元分析的方法計(jì)算轉(zhuǎn)子上支架在不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力分布，結(jié)合材料的 強(qiáng)度極限確定支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shè)計(jì)有便于加工的退刀槽29和防止V型錐移動(dòng)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(wěn)定器7的燃料 供給3從油管通過支架8內(nèi)的燃油通道32從噴嘴座進(jìn)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(diào)節(jié)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(nèi)壁面。V型錐13作為火焰穩(wěn)定器7的關(guān)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(nèi)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(yōu)。為了保證V型錐的固定，同時(shí)防止油霧噴射到V 型錐內(nèi)壁面，V型錐螺紋長度16應(yīng)根據(jù)V型錐長度17按h 4至1: 5的比例范圍內(nèi)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(dòng)摜失，在V型錐的頂部設(shè)計(jì)V型錐頂部倒角21，有利于減小流阻。在本實(shí)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。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(quán)利要求
1、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)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(jié)構(gòu)，燃料供給(3)通過支架(8)的下端口進(jìn)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(duì)噴嘴油霧(6)點(diǎn)火形成預(yù)燃級(jí)穩(wěn)定器高溫火焰(4)；當(dāng)整個(gè)裝置隨轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用高速轉(zhuǎn)子上的高離心力場(chǎng)特點(diǎn)，使預(yù)燃級(jí)穩(wěn)定器高溫火焰(4)從高位向內(nèi)半徑的低位區(qū)飄溢，引燃低位區(qū)的主燃級(jí)，從而提高燃燒的效率，保證燃燒的穩(wěn)定性。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)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(diào)節(jié)，便于調(diào)節(jié)V型錐(13)在燃燒 通道內(nèi)的位置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求T所述的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)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(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)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(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)定器，其特征在于所述的V型錐(13)的頂部設(shè)計(jì)有V型錐頂部倒角(21)，有助于于減小氣流流阻。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)定器，其特征在于所述的V 錐連接座(9)后設(shè)計(jì)有便于加工V型錐安裝座退刀槽(29)和防止V型錐移動(dòng)的檔板(25)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用的V型錐火焰穩(wěn)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(jié)構(gòu)，燃料供給通過支架的下端口進(jìn)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(duì)噴嘴油霧點(diǎn)火形成預(yù)燃級(jí)穩(wěn)定器高溫火焰；當(dāng)整個(gè)裝置隨轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用高速轉(zhuǎn)子上的高離心力場(chǎng)特點(diǎn)，使預(yù)燃級(jí)穩(wěn)定器高溫火焰從高位向內(nèi)半徑的低位區(qū)飄溢，引燃低位區(qū)的主燃級(jí)，從而提高燃燒的效率，保證燃燒的穩(wěn)定性。本發(fā)明為轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高位穩(wěn)火源，保證整個(gè)燃燒系統(tǒng)具有寬廣的穩(wěn)定工作范圍和高效的燃燒。
文檔編號(hào)F23R3/02GK101334174SQ20081011523
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者帥 安, 弛 張, 林宇震, 郭新華 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)