CN106089489B

CN106089489B - 一种超燃冲压发动机

Info

Publication number: CN106089489B
Application number: CN201610679386.2A
Authority: CN
Inventors: 张宇杰; 刘卫东
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2036-08-17
Also published as: CN106089489A

Abstract

本发明公开了一种超燃冲压发动机，包括发动机主体，还包括均设置于发动机主体壁面上的涡流发生器和喷孔，其中涡流发生器为具有坡面的三角翼辅助件，坡面朝向超声速来流的方向，坡面的高度小于超声速来流的边界层的高度；喷孔设置于涡流发生器的下流向位置。本发明所提供的超燃冲压发动机中的涡流发生器的高度小于超声速来流的边界层的高度，因此，涡流发生器总是浸没在边界层中，相比起尺寸大的斜坡，可以减小主流流动的损失，实现壁面喷注燃料在短时间短距离内进入主流。另外，上述涡流发生器的制作简单，成本较低。

Description

一种超燃冲压发动机

技术领域

本发明涉及发动机设计技术领域，更具体地说，涉及一种超燃冲压发动机。

背景技术

随着超燃冲压发动机中一些关键技术的日臻成熟，该类发动机的工程化脚步也越来越近。但是，仍存在一些难以突破的技术瓶颈，如发动机点火、燃烧室火焰稳定、火焰逆传等，而燃料的穿透深度、混合效果是影响上述问题的主要因素之一，并且随着近年来大尺寸发动机需求的出现，更高的燃料穿透深度就显得尤为重要。同时，更高的燃料穿透深度也可以降低发动机壁面热防护的压力。

国内外已经开展了大量相关研究关于提高燃料穿透深度的壁面辅助方案，其中采用的壁面辅助手段为斜坡式涡流发生器。请参考图1，图1为现有技术中斜坡式涡流发生器，斜坡涡流发生器10为具有斜坡的梯形结构，斜坡高度高于边界层厚度，喷孔20位于斜坡后缘，燃料沿水平喷注，由于斜坡高度较高，导致喷孔具有一定的法向高度，加上斜坡后缘诱导出来流向涡对的抬举作用，因此可以实现提高燃料的穿透深度。

为了诱导出流向涡对，斜坡喷注方式展向尺寸大，为了使燃料进入主流，因此其法向高度高，造成斜坡前缘会产生较强的斜激波，给超声速流带来很大的流动损失；并且其喷注方向沿流向，不利于燃料进入到更高的主流。现有技术中还有一种喷注方向垂直于流向的方式，也容易造成能量的损失。

综上所述，如何提供一种流动能量损失少的超燃冲压发动机，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种超燃冲压发动机，该超燃冲压发动机的燃料穿透深度高，且超声速流的流动损失小。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超燃冲压发动机，包括发动机主体，还包括均设置于发动机主体壁面上的涡流发生器和喷孔，所述涡流发生器为具有坡面的三角翼辅助件，所述坡面朝向超声速来流的方向，所述坡面的高度小于所述超声速来流的边界层的高度；所述喷孔设置于所述涡流发生器的下流向位置。

优选的，所述坡面为斜面，所述斜面为等腰三角形斜面，所述等腰三角形斜面的对称轴投影至所述发动机主体壁面上的直线与所述超声速来流的方向平行。

优选的，所述喷孔设置于所述超声速来流经过所述涡流发生器后、在所述涡流发生器后部形成的流向涡对区域。

优选的，所述等腰三角形斜面的顶角角度范围为30度至60度。

优选的，所述喷孔设置于所述发动机主体壁面上的、所述涡流发生器双侧的所述流向涡对的尾迹区。

优选的，所述喷孔的喷出方向与所述涡流发生器前的所述超声速来流的方向的夹角为锐角。

优选的，所述坡面的高度为所述超声速来流的边界层的高度的25％至75％。

上述涡流发生器为三角锥结构，三角锥的一个侧面为朝向超声速来流的方向的坡面，此处的朝向并不是指该侧面垂直于超声速来流的方向，而是与超声速来流的方向具有一定的夹角，当超声速来流流经涡流发生器时，流体会被上述坡面影响而变向，同时在涡流发生器两侧各形成一个流向涡。另外，喷孔设置于涡流发生器的下流向位置具体指的是超声速来流的流动方向上相对于涡流发生器的下流向位置。

本发明所提供的超燃冲压发动机中的涡流发生器的高度小于超声速来流的边界层的高度，因此，涡流发生器总是浸没在边界层中，相比起尺寸大的斜坡，可以减小主流流动的损失，实现壁面喷注燃料在短时间短距离内进入主流。另外，上述涡流发生器的制作简单，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术超燃发动机中斜坡构型的发生器；

图2为本发明所提供的一种超燃冲压发动机的原理图；

图3为本发明所提供的一种超燃冲压发动机中涡流发生器的结构示意图；

图4为本发明所提供的一种超燃冲压发动机的侧视图。

上图1-4中：

10为斜坡涡流发生器、20为喷孔；

1为涡流发生器、2为喷孔、3为流向涡对、4为尾迹区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种超燃冲压发动机，该超燃冲压发动机的燃料穿透深度高，且超声速流的流动损失小。

请参考图2至图4，图2为本发明所提供的一种超燃冲压发动机的原理图；图3为本发明所提供的一种超燃冲压发动机中涡流发生器的结构示意图；图4为本发明所提供的一种超燃冲压发动机的侧视图。

本发明所提供的一种超燃冲压发动机，主要为高超声速飞行器提供动力。在结构上，超燃冲压发动机主要包括发动机主体，还包括设置于发动机主体壁面上的涡流发生器1和喷孔2，涡流发生器1为具有坡面的三角翼辅助件，坡面朝向超声速来流的方向，坡面的高度小于超声速来流的边界层的高度；喷孔2设置于涡流发生器1的下流向位置。

需要说明的是，涡流发生器1为三角锥结构，三角锥包括三个构型参数，高度h、弦长c和锥角Ap，三角锥的一个上表面为朝向超声速来流的方向的坡面，此处的朝向并不是指该侧面垂直于超声速来流的方向，而是与超声速来流的方向具有一定的夹角，当超声速来流流经涡流发生器1时，流体会被上述坡面影响而变向，同时在涡流发生器两侧各形成一个流向涡。另外，需要说明坡面的高度指的是坡面的整体高度，也就是坡面的最高位置。

需要说明的是，喷孔2设置于涡流发生器1的下流向位置具体指的是超声速来流的流动方向上相对于涡流发生器1的下流向位置。

本发明所提供的涡流发生器1的高度小于超声速来流的边界层的高度，因此，涡流发生器1总是浸没在边界层中，相比起大尺寸的斜坡，上述方案可以减小主流流动的损失。

可选的，上述三角锥上与朝向超声速来流的方向的侧棱可以垂直于涡流发生器所设置的发动机主体壁面。

在上述实施例的基础之上，上述坡面可具体为等腰三角形斜面，等腰三角形斜面的对称轴投影至发动机主体壁面上的直线与超声速来流的方向平行。

需要说明的是，由于涡流发生器1为三角锥形，所以其坡面应当为三角形，当进一步为等腰三角形，且等腰三角形的对称轴投影至发动机主体壁面上的直线与超声速来流的方向平行时，也就是说，等腰三角形的底边与超声速来流的方向垂直，涡流发生器1的两侧诱导形成的涡流应当为对称涡流，对称涡流有助于在喷孔2处形成流向涡对。

需要说明的是，本申请所提供的超声速来流的方向即为超声速来流的流动方向，超声速来流的方向通常平行于发动机本体壁面。

在上述任意一个实施例的基础之上，喷孔2设置于超声速来流经过涡流发生器1后、在涡流发生器1后部形成的流向涡对3区域。

由于在涡流发生器1的两侧均能够形成涡流，将喷孔设置在涡流发生器1后部(即下流方向)，并设置在流向涡对3区域，可以为喷注提供较高的穿透深度。

在上述任意一个实施例的基础之上，等腰三角形斜面的等腰三角形中顶角角度范围为30度至60度。当然，上述角度范围仅为优选的实施方式，超出该范围的能够实现对称涡流的角度设置，也应当属于本申请的保护范围。

在上述任意一个实施例的基础之上，喷孔2设置于发动机主体壁面上的、涡流发生器1双侧的流向涡对3的尾迹区4。

需要说明的是，尾迹区4并不是发动机主体壁面的结构部件，而是在超声速来流经过涡流发生器1后形成的，具体地，位于涡流发生器1后侧会形成双侧的涡流，而涡流在涡流发生器1后部会形成较长的尾迹区。

在进入尾迹区4内的超声速来流的边界层流体动量将迅速降低，因此将喷孔2置于涡流发生器1的尾迹区4内，可以为喷注提供一个低动量的上游来流环境，也就是说，在尾迹区4内的涡流动量较低。又由于喷注穿透深度和动量通量比J成正比，动量通量比J为喷注动量通量与主流动量通量ρu²的比值，主流动量通量ρu²即为上述动量。因此，在不改变喷注参数的条件下，可以通过降低主流的动量通量ρu²，提高了动量通量比J的值，可以实现提高喷注的穿透深度。

在上述实施例的基础之上，喷孔2的喷出方向与涡流发生器1前的超声速来流的方向的夹角为锐角。

请参考图4，图4所示的左侧箭头为超声速来流的方向，图4中涡流发生器1的坡面朝向超声速来流的方向，喷孔2方向与超声速来流的方向为锐角设置。需要说明的是，由于现有技术中喷孔2方向和超声速来流的方向为垂直喷注方式，流动过程的能量损失较大，本实施例所提供的喷注方案中，采用喷孔2方向和超声速来流的方向夹角小于90°的倾斜喷注方式，可以有效减小喷注过程中的流动损失。需要说明的是，喷孔2的方向影响大体朝向超声速来流的方向，在展向方向的分量越小越好，优选的，喷孔2的喷射方向在水平方向上分量为零。

需要说明的是，展向方向指的是垂直于超声速来流的方向、且平行于等腰三角形底边的方向。

在上述任意一个实施例的基础之上，坡面的高度为超声速来流的边界层的高度的25％至75％，包括25％和75％。经过试验和仿真测试，当坡面高度在边界层高度的25％至75％范围内时，减小主流流动的损失的效果最好，且不会影响流向涡对3的形成。当然，上述范围仅为优选的实施范围，并不是唯一的选取标准，坡面的高度与超声速来流的边界层的高度比可以根据实际使用情况进行调整。

本发明所提供的超燃冲压发动机中首次采用微型的涡流发生器1和倾斜喷注结合，在尽可能降低流动损失的前提下，提高壁面燃料喷注的穿透深度。相比于现有技术中普通的斜坡式发生器，微型的涡流发生器1的高度低，可以使涡流发生器1完全浸没在超声速来流的边界层中，因此在大大减小流动损失的前提下，提高了燃料喷注的穿透深度。另外，相对于现有技术中垂直壁面的喷注方式，本申请采用倾斜喷注，以减小喷注带来的流动损失。

除了上述实施例所提供的超燃冲压发动机的主体结构说明，该超燃冲压发动机的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的超燃冲压发动机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种超燃冲压发动机，包括发动机主体，其特征在于，还包括均设置于发动机主体壁面上的涡流发生器(1)和喷孔(2)，所述涡流发生器(1)为具有坡面的三角翼辅助件，所述坡面朝向超声速来流的方向，所述坡面的高度小于所述超声速来流的边界层的高度；所述喷孔(2)设置于所述涡流发生器(1)的下流向位置；

所述喷孔(2)设置于所述发动机主体壁面上的、所述涡流发生器(1)双侧的所述流向涡对(3)的尾迹区(4)；

所述喷孔(2)设置于所述超声速来流经过所述涡流发生器(1)后、在所述涡流发生器(1)后部形成的流向涡对(3)区域。

2.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机，其特征在于，所述坡面为等腰三角形斜面，所述等腰三角形斜面的对称轴投影至所述发动机主体壁面上的直线与所述超声速来流的方向平行。

3.根据权利要求2所述的超燃冲压发动机，其特征在于，所述等腰三角形斜面的顶角角度范围为30度至60度。

4.根据权利要求1至3任一项所述的超燃冲压发动机，其特征在于，所述喷孔(2)的喷出方向与所述涡流发生器(1)前的所述超声速来流的方向的夹角为锐角。

5.根据权利要求4所述的超燃冲压发动机，其特征在于，所述坡面的高度为所述超声速来流的边界层高度的25％至75％。