[发明专利]转子发动机用塔台式火焰稳定器

说明书

技术领域

本发明是一种适用于转子发动机的预燃级火焰稳定装置，能为主燃级提供稳定的点火源，保证高速进口气流条件下的高速旋转燃烧系统的稳定高效燃烧。

背景技术

国外目前已研制出一种集冲压发动机技术和燃气涡轮发动机技术为一体的新概念发动机一冲压转子发动机。该种发动机可分为两类：一类冲压转子发动机是采用冲压转子压缩空气，其后紧跟燃烧室及涡轮进行燃烧和做功；另一类是在一个转子上实现气体压缩、燃烧和膨胀做功。美国Ramgen公司针对这两类冲压转子发动机都进行了研究和运行试验，其主要目的还是将冲压转子发动机应用在工业燃气轮机方面提供动力，并且均采用气体燃料。

特别是第二类冲压转子发动机，它是将冲压模型、燃烧室和尾喷管安装在一个转子轮缘上组成冲压推进模块，以实现空气压缩、燃烧和膨胀做功三大功能，成为一个独立工作的转子式发动机。由于燃烧系统跟随转子高速旋转，其进口来流相对速度高，要实现高效稳定燃烧，对燃烧组织形式、可靠稳火技术以及燃气密封等提出了新的挑战。

Ramgen公司在转子上的燃烧室采用气体燃料(天然气+氢气)成功地实现了点火、冲压和稳定运行。为了给燃烧室提供可靠的稳火源，Ramgen公司在转子上采用三种稳定火焰方式：纯后台阶方式，旋涡发生器+后台阶方式以及灯塔+后台阶方式。后台阶火焰稳定器是依靠台阶内的驻涡回流区形成稳定点火源，将高温燃烧产物传播到新鲜来流，以点燃剪切层，但是引燃气和主流气的掺混很差，大部分引燃气直接进入了回流区，导致该处富油熄火，在离心效应和油气浓度分布共同作用下，火焰向燃烧室中心偏移。而旋涡发生器通过产生旋涡来增强引燃气和主流的掺混而使燃烧区径向扩展，但掺混强度和燃烧稳定性需要平衡，湍流度过大可能导致熄火。灯塔稳定器能够提供灵活的供油方式，在径向明显增强燃烧强度，能够增大火焰表面积和放热率，提供更均匀的温度分布、更高的燃烧强度和燃烧室压力，但目前所采用的灯塔堵塞率过小，在燃烧区展向扩展不够充分。

转子发动机上的燃烧系统随转子高速旋转，会产生强烈的离心力场，以及随之而生的浮升力效应，这对燃料的分布以及火焰传播将产生深远影响。第二类冲压转子发动机试验研究还表明，当该发动机转速在2000rpm以上时，其离心加速度在3800g以上，随着燃烧室离心力增大和驻留时间下降，剪切层火焰稳定性变差，只有回流区内的局部驻留时间利于燃烧，而其正常工作转速达到4300rpm，此时离心加速度高达17600g。而Ramgen公司还是采用火焰传播速率较高的气体燃料，如果要采用液体燃料，例如航空煤油等，对其燃烧性能影响将更大。

因此，在转子发动机上，转子转速高，气流相对马赫数达到0.2以上，燃烧室内气流具有离心力场，离心加速度达到1000g～25000g，高流速和高离心力场给燃烧室内的火焰稳定带来非常大的困难，需要对稳火装置进行精心设计。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种转子发动机用塔台式火焰稳定器，它利用旋流低速区局部稳定火焰，再充分利用高速转子上的高离心力场特点，用向内飘溢的高温火焰引燃低位区的主燃级，从而保证燃烧室的燃烧稳定性，提高燃烧效率。

本发明的技术解决方案是：转子发动机用塔台式火焰稳定器，其特征在于：由支架和火焰稳定筒构成，支架将火焰稳定筒固定在转子上，使火焰稳定筒与转子一起转动；所述的火焰稳定筒包括扩压器和旋流器，火焰稳定筒气流经过扩压器扩压后进入旋流器，在旋流器内利用旋流产生的低速回流区稳定火焰，最后在火焰稳定筒出口形成高温火焰射流，为主燃级提供稳定火源。

本发明的原理：本发明利用高速旋转的转子上燃烧室内的强离心力场，先在高位建立起一股稳定的火焰射流，该火焰射流在离心力和浮升力共同作用下向低位区飘溢，增加射流火焰的径向覆盖区域，为主燃级燃料提供稳定点火源，保证了燃烧室的火焰稳定性和燃烧效率。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明充分利用了旋流低速区局部稳定火焰，再充分利用高速转子上的高离心力场特点，用向内飘溢的高温火焰引燃低位区的主燃级，在没有明显增加稳火器堵塞面积的情况下增大了火焰表面积和放热率，从而保证燃烧室的燃烧稳定性，提高燃烧效率。

(2)通过扩大器，减小了总压损失；

(3)旋流器中加文氏管后的低速回流区稳定，具有更强的稳火能力，对转子发动机的稳定工作范围具有拓宽作用；

(4)燃料供应方式灵活，既可供气体燃料，也可供液体燃料，带文氏管喉道的旋流器对液体燃料的雾化蒸发更具适应性。

附图说明