CN104018954A - 一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的斜坡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的斜坡装置，由套环和斜坡装置组成，套环与斜坡装置固接在一起；套环嵌在燃烧室的隔离段、凹腔段内，并相对于隔离段、凹腔段旋转；斜坡装置由若干个斜坡组成，为类“四面体”结构，其与套环接触的面为曲面，其它三面为平面。本发明通过斜坡旋转产生旋涡及旋转运动激波增强燃料混合和燃烧，进而提高发动机的性能。
Description
技术领域
本发明涉及吸气式高超声速推进技术领域，特别涉及一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的斜坡装置。
背景技术
超声速条件下的高效燃料混合对于超燃冲压发动机的可靠点火及稳定燃烧有重要意义，其主要难点在于超燃冲压发动机燃烧室内空气速度为千米／秒量级，燃料驻留时间为毫秒量级，同时由于超声速可压缩效应对混合层增长速度的抑制导致燃料扩散受限。燃料与氧化剂只有在分子量级进行混合才能充分燃烧，需要燃料混合增强装置既能够使燃料与氧化剂在宏观尺度快速混合，同时也能产生小尺度振荡增强燃料耗散，并保证燃料在混合过程中能迅速被加热到着火温度。
国内外许多学者一直致力于高效可靠的燃料掺混及火焰稳定新技术的研究，努力实现超声速条件下的高效掺混、可靠点火及稳定燃烧，以满足超燃冲压发动机的工程实用化需要。目前常见的混合增强装置多为固定装置，如支板、斜坡、凹腔等。其中斜坡喷注器的结构为斜坡装置固定在燃烧室的壁面上，通过流向涡来促进燃料混合，并衍生了诸如交错斜坡、后掠斜坡、悬臂斜坡、气动斜坡等多种喷注形式。但上述固定的混合增强装置存在燃料的展向传播距离较短，使燃料在燃烧室内的驻留时间短，不利于混合与燃烧。
发明内容
本发明的目的在于克服目前使用的斜坡装置的不足，提供一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的旋转斜坡装置，通过斜坡旋转产生旋涡及旋转运动激波增强燃料混合和燃烧，进而提高发动机的性能。
本发明一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的斜坡装置，由套环和斜坡装置组成，套环与斜坡装置固接在一起；套环嵌在燃烧室的隔离段、凹腔段内，并相对于隔离段、凹腔段旋转；斜坡装置由若干个斜坡组成，为类“四面体”结构，其与套环接触的面为曲面，其它三面为平面。
优选的，所述斜坡迎风面矢量方向与燃烧室主气流的流动方向成10～40°夹角；所述斜坡的数目为6～12个；套环前后面均存在凹槽。
本发明的优点与功效
1)在斜坡旋转的影响下，凹腔剪切层形成周期性的上升和下落的振荡，有利于提高凹腔质量交换率。
2)斜坡旋转增加了燃烧室内的流向涡量，在凹腔内形成了较强烈的流向旋涡，增强了流动的不稳定，有利于增强混合。
3)斜坡旋转增加了燃烧室内的展向流动，促进燃料混合，提高燃料的混合效率。
附图说明
图1本发明旋转斜坡装置的三维视图
图2本发明旋转斜坡装置的剖面视图。
图3本发明旋转斜坡装置的前视图。
图4本发明旋转斜坡装置中斜坡的三维视图。
图5燃烧室剖面视图
图6沿轴向不同截面内按流量平均的流向涡量分布
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的旋转斜坡装置，其外形如图1～图3所示，主要由套环1和斜坡装置2组成，套环1与斜坡装置2焊接在一起。套环1前后面均存在凹槽，用于套环嵌在隔离段3、凹腔段4内。斜坡装置2的外形如图4所示，斜坡装置2由若干个斜坡组成，为类“四面体”结构，其与套环接触的面为曲面，其它三面为平面。斜坡数目及几何尺寸可根据发动机性能需求进行调整。图1中箭头方向为燃烧室主气流的流动方向，也定义为“轴向”。斜坡迎风面矢量方向与轴向成10～40°夹角，在超声速条件下斜坡前缘产生斜激波，在斜激波压缩作用下斜坡迎风面的表面压力较高，分别产生轴向力和切向力，由于斜坡在轴向位置进行了限制，而在切向位置无限制，则斜坡将在切向力的驱动下产生旋转运动。斜坡的数目一般为6～12个，数目越多混合效果越好，但会增加阻力；数目越少，混合效果不明显。
本发明提出的旋转斜坡装置是对于现有固定斜坡装置的一种改进，在实际应用中仅需对超燃冲压发动机燃烧室结构设计做一定的修改，如图6所示，燃烧室包括隔离段3、凹腔段4两个部分，旋转斜坡装置嵌在隔离段3与凹腔段4之间，使旋转斜坡装置可以相对隔离段3与凹腔段4做旋转运动。隔离段3与凹腔段4为固定装置，之间利用圆形法兰盘进行对接，并采用O型密封圈进行密封以防止气流泄漏。本发明的实现方法和零部件加工都比较简单，在工程应用中不存在较大的困难。
通过开展数值仿真研究，获得了不同斜坡旋转速度的燃烧室流向涡量分布。如图6所示。当旋转速度6krpm时，斜坡旋转与无旋状态下的流向涡量分布差别较小，当旋转速度59.3krpm时，斜坡旋转增加的流向涡量比较明显，由于斜坡旋转方向为沿流向，因此增加了燃烧室内的正向流向涡量，由此验证了本发明的有效性。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。
Claims (4)
1.一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的斜坡装置，由套环(1)和斜坡装置(2)组成，套环(1)与斜坡装置(2)固接在一起；套环(1)嵌在燃烧室的隔离段(3)、凹腔段(4)内，并能相对于隔离段(3)、凹腔段(4)旋转；斜坡装置(2)由若干个斜坡组成，为类“四面体”结构，其与套环(1)接触的面为曲面，其它三面为平面。
2.如权利要求1所述的一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的斜坡装置，其特征在于所述斜坡迎风面矢量方向与燃烧室主气流的流动方向成10～40°夹角。
3.如权利要求1所述的一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的斜坡装置，其特征在于所述斜坡的数目为6～12个。
4.如权利要求1所述的一种应用于圆截面冲压发动机燃烧室的斜坡装置，其特征在于套环(1)前后面均存在凹槽。
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