CN101956632B - 一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，包括喷油环、扰流柱、阶梯结构和燃烧室壳体，发动机燃烧室结构为轴对称式，燃烧室壳体由耐高温高强钢材料制成；本发明带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，是利用设置扰流柱与阶梯构型相结合，使其结构简单。阶梯结构与燃烧室一体化制造使用再生冷却方式进行热防护。在发动机工作过程中能够有效地消除低频燃烧振荡，效果明显，而且提高了燃烧室的工作性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于火箭发动机技术领域，具体地说，涉及一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室。
背景技术
现有技术中的吸气式发动机为了实现高效燃烧，通常在燃烧室入口处使用突扩结构。但是这种突扩结构容易在燃烧室中引起纵向低频的燃烧振荡，严重地制约着高性能吸气式发动机的研究与制造。现有公开的文献“低频振荡燃烧研究综述(《推进技术》，Vol.17，No.4，1996，47-53)”中描述了消除燃烧振荡的通常方法是在燃烧室内设置隔板和声腔。但是，在燃烧室内设置隔板和声腔会过多的增加发动机的消极重量，也会对热防护带来一定的困难，并且这种方法只对高频燃烧振荡起作用，对低频燃烧振荡的消除作用效果不明显，很难满足使用要求。上述文献中还提到使用音频输出装置进行燃烧振荡的主动控制方法，由于信号检测和音频输出装置过于庞大，主动控制技术实现难度较大，目前难以在工程实践中使用。
本发明针对这种情况，根据形成低频燃烧振荡的基本原理，通过对扰流柱与阶梯构型进行了统一设计，提出了一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室结构。
发明内容
本发明针对现有技术中所存在的上述问题提出了一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室结构。其要解决的技术问题在于：根据形成低频燃烧振荡的原理，通过在吸气式发动机燃烧室中采用了扰流柱和阶梯构型相结合的结构设计，破坏了燃烧室中周期性温度梯度的变化运动，从而实现了消除燃烧振荡的作用。
为解决上述技术问题，本发明带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室包括喷油环、扰流柱、阶梯结构和燃烧室壳体等部分。其中，喷油环和燃烧室壳体可根据使用环境选用耐高温高强钢。由于燃烧室中存在高速高温燃气的流动，扰流柱需要采用防热材料，例如钨合金或碳化硅陶瓷材料。阶梯结构可以采用与燃烧室其它部分相同的材料和防热方式，例如使用防热金属材料，或者使用再生冷却方式进行热防护。
所述的发动机燃烧室结构的具体布局采用轴对称式设计。发动机壳体与阶梯结构可以通过一体化制造、焊接或螺纹连接加工成为一个整体。燃烧室入口上游设置有喷油环，提供燃油喷射。进气段出口与燃烧室入口相交的截面上均匀分布6个长方体扰流柱，扰流柱设置的方向与燃烧室轴线垂直。扰流柱的长、宽、高的比例分别为1∶1∶2.5，扰流柱高为沿发动机径向方向，扰流柱长为沿发动机轴向方向。扰流柱高度应为燃烧室直径的1/10左右。如果扰流柱采用金属材料，可以通过焊接与燃烧室壳体进行连接，如果采用碳化硅陶瓷材料则可以通过螺纹方式进行连接，两种连接方式均不需要额外采用密封措施。所述燃烧室其入口处沿周向采用两级阶梯结构，两级阶梯的高度相等。设阶梯高度为h，燃烧室内径为D，单级阶梯高度与燃烧室直径之比h/D为0.2左右。
本发明一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，通过将多个扰流柱与阶梯构型相结合的设置，其结构简单，效果明显。在发动机工作过程中能够有效地消除低频燃烧振荡，提高燃烧室的工作性能和可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室作进一步详细的说明。
图1是本发明带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室结构示意图。
图2是本发明带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室的剖视图。
图3是本发明带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室与普通燃烧室燃烧振荡程度对比曲线。
1.喷油环 2.扰流柱 3.阶梯结构 4.燃烧室壳体
具体实施方式
本实施例是一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室。
如图1所示，本发明带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室结构采用轴对称式设计。发动机燃烧室壳体4与阶梯结构3可以通过一体化制造、焊接或螺纹连接加工成为一个整体。燃烧室入口上游设置有喷油环1，提供燃油喷射。进气段出口与燃烧室入口相交的截面上均匀分布有6个长方体扰流柱2，扰流柱2设置的方向与燃烧室轴线垂直。扰流柱2的长、宽、高的比例分别为1∶1∶2.5，扰流柱高为沿发动机径向方向，扰流柱长为沿发动机轴向方向。扰流柱高度应为燃烧室直径的1/10左右。在制造应用中，如果扰流柱2采用金属材料，可以通过焊接与燃烧室壳体4进行连接，如果采用碳化硅陶瓷材料则可以通过螺纹方式进行连接，两种连接方式均不需要额外采用密封措施。燃烧室入口处沿周向采用两级阶梯结构3，两级阶梯的高度相等。若阶梯高度为h，燃烧室内径为D，单级阶梯高度与燃烧室直径之比h/D为0.2左右。
所述带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室壳体4采用30CrMnSiA材料，燃烧室壳体4厚度可以根据需要选取，本发明带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室壳体选取为10mm，燃烧室壳体4内部采用再生冷却，冷却剂可以选用液体燃料或水，燃烧室内直径可以根据实际需要选取，在本实施实例中取为60mm。燃烧室入口前端设置有喷油环1，喷油环1上均布4个支撑点焊接在发动机壳体上，喷油环采用30CrMnSiA材料。根据本发明带有扰流柱的吸气式发动机选定的燃烧室直径，扰流柱高度选取为6mm，长和宽均取为2.5mm，在燃烧室入口截面周向均布有6个扰流柱。由于燃烧室中存在高速高温燃气的流动，扰流柱材料采用钨合金，通过螺纹方式与发动机壳体进行连接，不用采用额外的密封结构。阶梯结构设计为与燃烧室壳体一体制造，材料同样选取为30CrMnSiA，内部使用再生冷却进行热防护。单级阶梯高h取为12mm，两个阶梯高度为24mm。
图2展示了本发明带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室的剖视图。可以看出进气段出口与燃烧室入口相交的截面上周向均布有6个长方体扰流柱2，扰流柱2设置的方向与燃烧室轴线垂直。
图3是本发明提出的带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室与普通燃烧室燃烧振荡程度对比曲线，通过对比验证可以发现使用本发明提出的带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室燃烧振荡幅度远小于普通燃烧室，成功地消除了低频燃烧振荡。
本发明提出的带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，是利用设置扰流柱与阶梯构型相结合，使其结构简单，在发动机工作过程中能够有效地消除低频燃烧振荡，效果明显，而且提高了燃烧室的工作性能和可靠性。
Claims (5)
1.一种带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，包括喷油环、扰流柱、阶梯结构和燃烧室壳体，其特征在于：所述的发动机燃烧室结构为轴对称式，燃烧室入口上游设置有喷油环，进气段出口与燃烧室入口相交的截面上均匀分布6个长方体扰流柱，扰流柱设置的方向与燃烧室轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，其特征在于：所述的扰流柱的长、宽、高的比例分别为1∶1∶2.5，扰流柱高为沿发动机径向方向，扰流柱长为沿发动机轴向方向，扰流柱高度应为燃烧室直径的1/10左右。
3.根据权利要求1所述的带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，其特征在于：所述燃烧室其入口处沿周向采用两级阶梯结构，两级阶梯的高度相等，单级阶梯高度与燃烧室直径之比为0.2左右。
4.根据权利要求1所述的带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，其特征在于：所述的扰流柱采用钨合金或碳化硅陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的带有扰流柱的吸气式发动机燃烧室，其特征在于：所述的燃烧室壳体由耐高温高强钢材料制成，阶梯结构使用与燃烧室相同的材料一体化制造。
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