CN106678791B - 用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，通过在超声速液体横向射流上游加注气体射流，借助气体射流使其能伴随射流前进，从而能够使射流深入主流并实现有效的掺混。

Description

用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置

技术领域

本发明涉及高超声速飞行技术领域，具体的涉及一种用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置。

背景技术

超燃冲压发动机作为高超声速飞行器的理想动力装置和关键技术之一。在高超声速飞行条件下，由于超燃冲压发动机燃烧室尺寸有限，气流在其中停留时间仅为毫秒量级，在高超声速飞行条件下，超燃冲压发动机燃烧室内气流的驻留时间短，而液体燃料在燃烧之前需要经历雾化、蒸发、混合等过程。雾化是燃烧过程的初始阶段，雾化过程直接决定着蒸发、混合和燃烧效率。为了提高横向液体射流的穿透深度，改善燃料的喷注混合特性，支板、气动斜坡以及气泡雾化等被动增强技术被投入大量的研究。

气流流经支板会在支板后面产生回流区和涡结构，涡结构对射流有一定的抬升和卷吸作用；但是支板作为一个实际存在的物理结构放入流场中，会极大地改变流场机构，增加来流空气的阻力，产生较大的总压损失。现有研究发现飞行马赫数6，飞行高度24.5km时支板前缘温度近1670K，马赫数8，高度30km时支板前缘温度大于2800K，超出了目前耐烧蚀材料的极限，为了保证该方案的实施，还需对支板结构提供热防护。

气动斜坡结构通过上游喷嘴喷出的高压欠膨胀气流对来流形成阻碍，产生弓形激波，并且在下游产生大规模的流向涡，和单孔直射相比，气动斜坡具有更好的掺混效果和总压恢复。目前对气动斜坡的研究是针对气体射流，对液体射流的研究并未开展。

气泡雾化射流喷嘴，可通过提高液气动量通量比提高穿透深度。气泡雾化射流相对于纯液体射流可以得到更浓密的喷雾和更小的雾化液滴，同时气泡雾化射流穿透深度明显高于纯液体射流。但是气泡雾化喷嘴的加工过程较纯液体射流喷嘴复杂。

以上这些方法虽然能够较大程度的提高射流穿透深度及雾化效果，但是都存在不同程度的以牺牲流场稳定、总压损失、结构以及可靠性为代价，因此，急需一种既能极大程度地提高射流穿透深度，又能尽可能少地改变流场结构从而获得更高总压恢复的平板喷注方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，该发明解决了现有技术中液体燃料射流穿透深度不够，不能与主流进行充分掺混，壁面附近的射流雾化效果差；现有方法对射流穿透深度的提高，对流场结构的改变过大技术问题。

本发明提供一种用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，包括燃烧室，燃烧室侧壁上间隔开设有用于将射流带入主流内并提高二者混合度的气体喷孔和用于形成射流的液体喷孔，气体喷孔靠近主流源头设置，气体喷孔的一端与储气罐通过管路相连接，气体喷孔的另一端设置有用于喷射气体的喷嘴；液体喷孔远离主流源头设置，液体喷孔的一端与液体燃料的储罐通过管路相连接，另一端设置有用于喷射液体燃料的喷嘴，液体喷孔的喷嘴和气体喷孔的喷嘴的一端与燃烧室的内壁对齐；

气体喷孔的喷嘴直径大于液体喷孔的喷嘴直径；

气体喷孔与液体喷孔的轴线均分别与主流来流方向垂直，气体喷孔的轴线与液体喷孔的轴线的垂直连线与主流的来流方向平行。

进一步地，体喷孔的直径为其中表示液体燃料体积流量，Δp表示液体喷注压力，ρ表示液体燃料密度；气体喷孔当量直径d_g＝(2～4)d_l，气体喷孔与液体喷孔的间距为Δl＝(15～30)d_l。

进一步地，气体喷孔的横截面为圆形、椭圆形、菱形或长方形。

本发明的技术效果：

本发明提供的用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，通过在超声速液体横向射流上游加注气体射流，借助气体射流使其能伴随射流前进，从而能够使射流深入主流并实现有效的掺混。

本发明提供的用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，与采用支板等物理结构的掺混增强措施相比，无须为所用支板增设热防护装置。减少了冗余结构对射流的干扰。

具体请参考根据本发明的用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明优选实施例用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置的侧视剖视示意图；

图2是本发明优选实施例用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置的俯视剖视示意图；

图3是本发明优选实施例用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置的气体喷孔和液体喷孔多种组合喷注空间分布位置示意图，其中a)是第一种实施方式；b)是第二种实施方式；c)是第三种实施方式；

图4是本发明优选实施例中液体射流穿透深度曲线随气体射流喷注压力的变化情况示意图；

图5是本发明优选实施例中液体射流穿透深度随气体射流喷注压力的变化曲线示意图；

图6是本发明优选实施例中液体射流穿透深度在加入气体射流前后的变化情况示意图，其中a)是为使用本发明提供装置时的射流分布情况；b)是在与a)图相同情况下使用了本发明提供装置后的射流分布情况。

图例说明：

100、气体喷孔；200、液体喷孔。

具体实施方式

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。

参见图1～2，本发明提供的用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，包括燃烧室，燃烧室侧壁上间隔开设有用于将射流带入主流内并提高二者混合度的气体喷孔100和用于形成射流的液体喷孔200，气体喷孔100靠近主流源头设置，气体喷孔100的一端与储气罐通过管路相连接，气体喷孔100的另一端设置有用于喷射气体的喷嘴；液体喷孔200远离主流源头设置，液体喷孔200的一端与液体燃料的储罐通过管路相连接，另一端设置有用于喷射液体燃料的喷嘴，液体喷孔200的喷嘴和气体喷孔100的喷嘴的一端与燃烧室的内壁对齐；

气体喷孔100的喷嘴直径大于液体喷孔200的喷嘴直径；

气体喷孔100与液体喷孔200的轴线均分别与主流来流方向垂直，气体喷孔100的轴线与液体喷孔200的轴线的垂直连线与主流的来流方向平行。

通过在射流形成处的上游增加气流，可以有效提高射流进入主流的深度，并提高二者的混合均匀程度，从而改善燃料的喷注混合特性。此处所开设的气体喷孔100和液体喷孔200可按射流产生装置的要求进行设置。

气体可通过贮气罐供应，管路与喷嘴采用焊接方式连接；液体燃料同普通超燃冲压发动机液体燃料供应系统一样。为了减少冗余质量，气体也可从发动机的进气道或者其他部件进行采集。

气体喷孔100和液体喷孔200的设置位置可以采用多种形式，参见图3a)，气体喷孔100与液体喷孔200的相互平行设置，气液喷孔轴线连线与来流平行。参见图3b)沿燃烧室横向平行设置两个气体喷孔100，在两个气体喷孔100轴线连线的中点的延长线上设置液体喷孔200。将气体喷孔100等面积分成两个组合孔，分布在液体喷孔200上游对称的位置。参见图3c)，气体喷孔100与液体喷孔200可以沿燃烧室纵向错位设置。以来流方向为基准，气体喷孔100与液体喷孔200的轴线不共面，存在一定距离的偏差。

优选的，液体喷孔200的直径为其中表示液体燃料体积流量，Δp表示液体喷注压力，ρ表示液体燃料密度；气体喷孔100当量直径d_g＝(2～4)d_l，气体喷孔100与液体喷孔200的间距为Δl＝(15～30)d_l。按此设置从气体喷孔100喷射出的气体能够有效地在液体射流前形成阻碍，并产生激波，使波后马赫数降低，减弱波后气液相互作用，同时提升液体射流喷出时的液气动量通量比。此处的2～4是指，气体喷孔100的当量直径为液体喷孔200直径的2～4倍。

优选的，所述气体喷孔100的横截面为圆形、椭圆形、菱形或长方形。

实施例

实验在国防科大高超声速冲压发动机技术重点实验室的冷试雾化实验台上进行的。

试验工况：来流马赫数2.85，来流总压1.32MPa，总温300K，气体喷孔100直径2.0mm，液体喷孔200直径0.7mm，气液喷孔间距30mm，液体喷注压力2.0MPa，得到液体射流穿透深度随气体伴随射流穿透深度的变化曲线如图4和5所示。图4横坐标原点代表液体射流出口，横坐标是沿流向距离，纵坐标是射流穿透深度。图4中带方形、菱形、上三角和下三角的曲线分别代表气体射流喷注压力分别为0、0.98MPa、1.99MPa和3.05MPa时提取得到的液体射流上边界。将四种工况下的射流穿透深度最大值提取出来绘于图5，图5中横坐标是气体喷注压力，纵坐标射流穿透深度。从图5中可以看到在液体喷注压力不变(液体喷注压力2.0MPa)的情况下，随着气体喷注压力的增大，射流穿透深度增大。

通过实验数据处理得到的图6中的a)和b)可以看出，在未增加气体喷孔100的情况下，射流的扩散深度较小。而在b)图中通过增加气体喷孔100后，射流能较深的进入自由来流中。加入气体喷孔100的情况下，液体射流穿透深度明显提升。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (3)

1.一种用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，其特征在于，包括燃烧室，所述燃烧室侧壁上间隔开设有用于将射流带入主流内并提高二者混合度的气体喷孔和用于形成所述射流的液体喷孔，所述气体喷孔靠近所述主流源头设置，所述气体喷孔的一端与储气罐通过管路相连接，所述气体喷孔的另一端设置有用于喷射气体的喷嘴；所述液体喷孔远离所述主流源头设置，所述液体喷孔的一端与所述液体燃料的储罐通过管路相连接，另一端设置有用于喷射所述液体燃料的喷嘴，所述液体喷孔的喷嘴和所述气体喷孔的喷嘴的一端与所述燃烧室的内壁对齐；

所述气体喷孔的喷嘴直径大于所述液体喷孔的喷嘴直径；

所述气体喷孔与所述液体喷孔的轴线均分别与所述主流来流方向垂直，所述气体喷孔的轴线与所述液体喷孔的轴线的垂直连线与所述主流的来流方向平行；

所述气体喷孔与所述液体喷孔沿燃烧室纵向错位设置。

2.根据权利要求1所述的用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，其特征在于，所述体喷孔的直径为其中表示液体燃料体积流量，Δp表示液体喷注压力，ρ表示液体燃料密度；

所述气体喷孔当量直径d_g＝(2～4)d_l，气体喷孔与液体喷孔的间距为Δl＝(15～30)d_l。

3.根据权利要求1或2所述的用于提高射流穿透深度的液体燃料喷注装置，其特征在于，所述气体喷孔的横截面为圆形、椭圆形、菱形或长方形。