[发明专利]转子发动机用的后台阶式火焰稳定器

说明书

技术领域

本发明涉及一种转子发动机的火焰稳定装置，能在强离心力效应的条件下为主燃级提供稳定的点火源，保证高速旋转条件下能够稳定高效燃烧的火焰稳定装置-后台阶式火焰稳定器。

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-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(GT-2002-30084)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：壁面后台阶方式，旋涡发生器+壁面后台阶方式以及灯塔火焰稳定器方式。壁面后台阶火焰稳定器是依靠台阶内的局部低速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。此外，非常重要的一点是Ramgen公司在进行转子上火焰稳定器设计的时候没有考虑到离心效应对火焰传播的影响，这导致了在高的离心加速度下预燃级的火焰在紧贴壁面的地方进行燃烧，火焰的稳定性变差，燃烧效率降低。

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～50000g，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，在对火焰稳定器进行设计时，要充分考虑旋转产生的离心效应对液雾和火焰传播的影响。国内关于高位火焰稳定器的专利(专利号：200710176096.7)介绍了转子发动机用塔台式火焰稳定器，不过该转子发动机用塔台式火焰稳定器有很大的局限性：首先，它的结构比较复杂，加工要求精度高；其次，燃烧室的气流速度可调范围狭窄，不能应用于高Ma数的情形；再有，燃油雾化采用直射式喷嘴，燃油的雾化性能非常差，燃烧的稳定性变差，燃烧室的稳定工作范围变窄等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于转子发动机的后台阶式火焰稳定器，在充分考虑离心效应对火焰传播影响的同时做到结构简单，且同时能够使得燃烧的稳定性和燃烧效率得到提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的后台阶火焰稳定器置于燃烧室的外机匣与燃烧室的内机匣中，它包括台阶头、带曲率的台阶板、台阶头部安装座、台阶底部安装座和油管；离心喷嘴安装在油管的顶部的喷嘴安装座上，然后与台阶头安装在一起，雾化方式采用离心喷嘴喷射；台阶头部安装座和台阶底部安装座组成的支座将台阶头和带曲率的台阶板固定在高位，后台阶火焰稳定器通过台阶底部安装座固定转子上，使得后台阶火焰稳定器与转子一起转动。