CN105180211B - 具有凹腔火焰稳定器的燃烧室及超燃冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有凹腔火焰稳定器的燃烧室及超燃冲压发动机，该燃烧室包括喷注段、火焰稳定凹腔和与火焰稳定凹腔的出口相连的膨胀段，还包括从火焰稳定凹腔的后缘向出口下游的膨胀段进行引气的引气通道。在本发明的燃烧室中设有从火焰稳定凹腔的后缘向下游引气引气通道，将燃烧时在凹腔内部产生的高温高压燃气引致凹腔下游位置。通过促进下游燃烧避免压力快速下降，从而提高燃烧室性能。另外扩大了凹腔稳定燃烧的回流区，进而提高凹腔火焰稳定能力。

Description

具有凹腔火焰稳定器的燃烧室及超燃冲压发动机

技术领域

本发明涉及发动机燃烧控制领域，特别地，涉及一种具有凹腔火焰稳定器的燃烧室。此外，本发明还涉及一种包括上述燃烧室的超燃冲压发动机。

背景技术

目前，凹腔火焰稳定器广泛应用于超燃冲压发动机燃烧室中。

超声速气流流过凹腔会在凹腔内形成回流区，能够使火焰始终驻留在其中，并作为新的火源持续点燃上游来的燃料，从而实现火焰稳定。凹腔在超声速燃烧室中集燃料喷注、混合增强及火焰稳定作用于一身，在提高超燃冲压发动机性能方面发挥了重要的作用。

但现有的燃烧室的热力喉部往往出现在稳焰凹腔位置，在凹腔下游位置，释热较弱使得分离区迅速再附，引气壁面压力突降，不利于燃烧室推力性能的提高。此外，热力喉部过高的峰值压力也对隔离段承受反压的能力提出了更高的要求。

名称为“一种用于超声速燃烧室的壁面凹槽”、公开号CN101245921的专利文献公开了一种用于超声速燃烧室的壁面凹槽，包括两个前侧壁、两个后侧壁以及底壁，后侧壁和前侧壁的表面面积均向下游方向逐渐收缩，形成类似“燕尾”型的凹槽，该方案主要是降低壁面凹槽产生的气动阻力。

名称为“一种台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案”、公开号CN101435586的专利文献公开了一种新型台阶\凹腔复合喷射结构的超声速燃烧室方案，主要是在燃烧室台阶及燃烧室凹腔前增加燃料喷嘴，共同用于燃烧室内的燃料喷射和使用，这个发明主要是用于促进燃料和空气的充分混合，保证在超声速气流的燃料的点火以及稳定燃烧。

论文《Drag force investigation of cavities with different geometricconfigurations in supersonic flow》(Luo S,Huang W,Liu J,Wang Z.Science China,2011,54(5):1345-1350)介绍了：基于数值模拟研究的具有相同深度和长深比的三种不同结构的凹腔(传统凹腔，三角形凹腔和半圆形凹腔)的燃烧流场结构，结果显示，与传统凹腔相比，三角形凹腔和圆形凹腔均会增加燃烧室的阻力，但也会促进湍流燃烧，其中三角形凹腔的影响最为明显，但并没有对孰优孰略做进一步的评价。

目前的凹腔设计已经具有大量的结构形式，对应的燃料喷射也有多种方案，通常来讲，合适的凹腔设计可以在空间上形成适当的回流区，与燃料喷注配合，从而稳定住火焰。然而现有的凹腔燃烧通常形成热力喉部，在凹腔位置出现高压，凹腔后缘的下游位置释热较弱使得流速恢复，引起壁面压力突降，凹腔下游燃烧室很长的一段距离不能产生燃烧，使得燃烧效率低、火焰稳定能力弱，且热力喉部过高的峰值压力对超燃冲压发动机隔离段承受反压的能力提出了更高要求，热力喉部产生的高热流也不利于发动机整体的热防护。为了提高燃烧室的性能，理论上希望在燃烧室实现稳焰且凹腔释热区的压力峰值不过高的前提下避免凹腔下游的压力突降，国内外针对超燃冲压发动机中凹腔构型的改进工作仍没有重要的进展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，以避免凹腔下游的压力突降。本发明的目的还在于提供一种使用该燃烧室的超燃冲压发动机。

为此，本发明提供了一种具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，该燃烧室包括火焰稳定凹腔和与火焰稳定凹腔的出口相连的膨胀段，该燃烧室还包括从火焰稳定凹腔的后缘向出口下游的膨胀段进行引气的一组引气通道。

进一步地，上述引气通道呈切槽状，切槽状的引气通道在膨胀段的壁面沿流向延伸。

进一步地，上述切槽状的引气通道在火焰稳定凹腔的后缘上连续延伸至顶壁。

进一步地，上述引气通道包括引气槽和与引气槽连通的多个槽缝，其中，引气槽与火焰稳定凹腔的后缘连通，多个槽缝沿流向排列在膨胀段上。

进一步地，上述多个槽缝在膨胀段的壁体上延伸至壁体内表面，以连通火焰稳定凹腔与膨胀段。

进一步地，上述火焰稳定凹腔的后缘为增厚壁，引气通道开设在增厚壁上。

进一步地，上述燃烧室为方形截面燃烧室。

进一步地，上述引气通道对称地布置在火焰稳定凹腔的后缘的上壁和下壁上。

进一步地，上述具有凹腔火焰稳定器的燃烧室还包括位于火焰稳定凹腔上游的喷注段，喷注段上靠近火焰稳定凹腔的位置设有燃料喷口。

根据本发明的另一方面，提供了一种超燃冲压发动机，包括上面所描述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室。

在本发明的燃烧室中设有从火焰稳定凹腔的后缘向下游引气的引气通道，将凹腔燃烧时在凹腔内部产生的高温高压燃气引至凹腔下游位置。通过促进下游燃烧避免压力快速下降从而提高燃烧室性能。另外扩大了凹腔稳定燃烧的回流区，进而提高火焰稳定能力。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室的立体结构示意图；

图2是根据本发明第一实施例的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室的平面图；

图3是图2所示燃烧室的A-A剖视图；

图4是图3所示燃烧室的B-B剖视图；

图5是图3所示燃烧室的C-C剖视图；

图6是图2所示燃烧室的工作示意图；

图7是根据本发明第二实施例的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室的平面图；

图8是图7所示燃烧室的A-A剖视图；

图9是图8所示燃烧室的B-B剖视图；

图10是图8所示燃烧室的C-C剖视图；以及

图11是根据本发明的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室的壁面静压力分布图。

附图标记说明

1、喷注段；11、燃料喷口；2、火焰稳定凹腔；

3、膨胀段；4、引气通道；

21、增厚壁；41、开槽；

42、间隔；43、引气槽；

44、槽缝；41a、第一边；

41b、第二边；41c、第三边。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1示出了根据本发明的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室的立体结构示意图，如图1所示，具有凹腔火焰稳定器的燃烧室包括依次连接的喷注段1、火焰稳定凹腔2、以及膨胀段3，喷注段1上靠近火焰稳定凹腔2的位置设有多个燃料喷口11，燃料喷口11在火焰稳定凹腔2上游的超声速气流中横向喷射燃料，进入燃烧室内的燃料在火焰稳定凹腔2内组织燃烧。燃烧室还包括引气通道，用于从火焰稳定凹腔2的后缘向下游引气，将凹腔燃烧时在凹腔内部产生的高温高压燃气引致凹腔下游位置。通过促进下游燃烧避免压力快速下降从而提高燃烧室性能。另外扩大了凹腔稳定燃烧的回流区，进而提高火焰稳定能力。

图2至图5示出了根据本发明第一实施例的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室的形状和结构。结合参照图2至图5，该燃烧室为矩形截面燃烧室，喷注段1上靠近火焰稳定凹腔2的位置横向喷射燃料，在凹腔内组织燃烧。

引气通道4呈切槽状，在此称为开槽41，开槽41在后缘壁上开设。该后缘壁为增厚壁21，用于开设一组开槽41，相邻开槽41之间为间隔42。

优选地，各开槽41沿流向经过膨胀段3的入口后向膨胀段3下游延伸。

优选地，各开槽41的延伸区域呈三角形，该三角形延伸区域的第一边41a在凹腔的后侧壁上，第二边41b在膨胀段壁上，第三边41c位于增厚壁上。三角形的开槽结构可以将凹腔后侧壁附近的高温高压燃气快速直接地引入凹腔下游的膨胀区，同时可以有效地增加附近流体的扰动促进当地的混合和燃烧。此外，延伸区域也可以采用平行四边形或者其他形状，可以降低发动机整体的重量。

优选地，后缘的上壁22和下壁23对称地设有一组开槽。对称结构可以将引气结构带来的燃烧性能增益最大化，有利于整体压力突降问题的解决和燃烧效率的提高。

图6示出了燃烧室的凹腔的顶壁的高温燃气流向，如图6所示，凹腔顶壁的高温燃气借助于各开槽可以有效地将凹腔内高温燃气引向凹腔下游，使得在凹腔下游位置，分离区相比于传统的凹腔不再迅速再附，壁面压力下降缓慢，有利于燃烧室推力性能的提高；凹腔下游的燃烧得以增强继而扩大凹腔稳定燃烧的回流区，从而提高凹腔的火焰稳定能力；在一定程度上降低凹腔位置的热流，有利于改善热防护性能。

可以理解，在圆截面燃烧室的凹腔中，一组开槽以中心轴线为圆心呈放射状布置，同样可实现将凹腔内部产生的高温高压燃气向凹腔下游位置引气的目的。

图11是根据本发明的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室的壁面静压力分布图。如图11所示，该壁面压力通过常用的PSI压力测量装置进行测量，图中实线代表现有的矩形截面燃烧室的壁面压力曲线，虚线代表本发明的具有引气槽的矩形截面燃烧室的壁面压力曲线。横坐标表示沿流向的壁面位置。其中，实验要求中的来流条件是：总温1486K、总压1.5MPa、入口马赫数2.52。就凹腔下游的B1点和B2点而言，现有技术的壁面压力曲线有折点，在折点之前压力突降，本发明的燃烧室的壁面压力曲线无折点，压力下降平滑，从而改善了凹腔下游的压力突降的问题。另外，凹腔和凹腔下游的壁面压力也整体提高了一些。

图7至图10是根据本发明第二实施例的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室的平面图。结合参照图7至图10，燃烧室为矩形截面燃烧室，引气通道4为在凹腔的后缘上开设的沿流向延伸的引气槽43，该引气槽43与沿流向排列在膨胀段3的壁面上的多个槽缝44连通，多个槽缝44在膨胀段3的壁体上延伸至壁体内表面，以连通火焰稳定凹腔2与膨胀段3，从而将凹腔内部产生的高温高压燃气向凹腔下游位置引气。如图11所示，正是受益于这种引气结构，相比于现有技术，凹腔下游的燃烧得到增强，因而现有技术体现的壁面压力曲线折点消失，压力突降有所缓解。后缘分为上后缘壁和下后缘壁，上壁和下壁分别对称设有导气结构。

本实施例具有以下效果：

1、通过向下游引气，可以有效地将高温燃气引向凹腔下游，使得在凹腔下游位置、分离区不再迅速再附，壁面压力下降缓慢，有利于燃烧室推力性能的提高；

2、向下游引气的凹腔，使得凹腔后缘下游的低速高温区扩大，延伸凹腔稳定的燃烧的回流区以提高火焰稳定能力；

3、在一定程度上降低凹腔位置的热流，有利于改善热防护性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，所述燃烧室包括火焰稳定凹腔(2)和与所述火焰稳定凹腔(2)的出口相连的膨胀段(3)，其特征在于，所述燃烧室还包括从所述火焰稳定凹腔(2)的后缘向位于所述出口下游的所述膨胀段(3)进行引气的一组引气通道(4)。

2.根据权利要求1所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，所述引气通道(4)呈切槽状，所述切槽状的引气通道(4)在所述膨胀段(3)的壁面沿流向延伸。

3.根据权利要求2所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，所述切槽状的引气通道(4)在所述火焰稳定凹腔(2)的后缘上连续延伸至所述膨胀段(3)的顶壁。

4.根据权利要求1所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，所述引气通道(4)包括引气槽(43)和与所述引气槽(43)连通的多个槽缝(44)，其中，所述引气槽(43)与所述火焰稳定凹腔(2)的后缘连通，所述多个槽缝(44)沿流向排列在所述膨胀段(3)上。

5.根据权利要求4所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，所述多个槽缝(44)在所述膨胀段(3)的壁体上延伸至壁体内表面，以连通所述火焰稳定凹腔(2)与所述膨胀段(3)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，所述火焰稳定凹腔(2)的后缘为增厚壁(21)，所述引气通道(4)开设在所述增厚壁(21)上。

7.根据权利要求1所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室为方形截面燃烧室。

8.根据权利要求6所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，所述引气通道(4)对称地布置在所述火焰稳定凹腔(2)的后缘的上壁(22)和下壁(23)上。

9.根据权利要求6所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室，其特征在于，还包括位于所述火焰稳定凹腔上游的喷注段(1)，所述喷注段(1)上靠近所述火焰稳定凹腔(2)的位置设有燃料喷口(11)。

10.一种超燃冲压发动机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的具有凹腔火焰稳定器的燃烧室。