CN108488833A - 一种新型改进的燃料支板喷注器 - Google Patents

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秦飞
王明皓
李文强
景婷婷
魏祥庚
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/10—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines

Abstract

本发明公开了一种新型改进的燃料支板喷注器，包括燃料支板，燃料支板的横截面的形状为：由前到后包括一体连接的楔形和长方形，该燃料支板楔形段内的前端竖直开设有一楔形段冷却通道，且楔形段冷却通道入口开设在燃料支板的上表面上；该燃料支板内的后段、且靠近左右各侧壁面均竖直设置有一排后端冷却通道；靠近该燃料支板左右各侧壁面、且位于楔形段冷却通道和后端冷却通道之间均竖直设置有一排前端冷却通道，燃料支板的后端冷却通道所在段的侧壁上设置有多个燃料喷孔，每一个燃料喷孔均与贴近侧壁的后端冷却通道相联通。该新型改进的燃料支板喷注器在冷却通道内通过强制对流对支板进行主动冷却，实现支板在高温来流的条件下长时间正常工作。

Description

一种新型改进的燃料支板喷注器
技术领域
本发明属于超燃冲压发动机或组合发动机技术领域，具体涉及一种新型改进的燃料支板喷注器。
背景技术
在超燃冲压发动机或火箭基组合循环发动机的超燃模态中，发动机燃烧室内为超音速燃烧，为了使燃料与来流空气充分掺混，提高掺混效率，通常采用插入式燃料支板作为燃料喷注器。但是，支板表面在燃烧室高温气流中承受着极高的热载荷，尤其是支板前缘处，极易发生烧蚀毁坏。对于支板热防护，在来流温度不十分高或者无可重复要求的情况下，通常采用高温耐烧蚀材料来进行被动冷却，但当来流总温超过3000K时，超过了绝大多数现有金属材料和C/SiC等复合材料的耐热极限，采用被动热防护不足以满足支板长时间稳定工作的要求，必须结合其他主动冷却方式来进行支板热防护。
文献《Investigation of a porous transpiration-cooled strut injector》(J.Propul.Power 31(2015)278-285)中采用多孔金属材料蒸发来进行支板冷却，通过多孔材料支板表面渗出的冷却剂在表面形成低温冷却液膜来降低热流，但是此种多孔材料支板结构复杂，易产生较大的阻力和压力损失；专利200910236121.5中提出“一种支板前缘喷气热防护结构”，利用支板前缘狭缝喷出的低温气体在支板表面形成低温气膜对支板进行热防护，但其加工工艺难度高；专利201610668127.X中提出“一种燃料支板喷注器”，通过设置多组通道入口和集液腔使冷却剂在支板底部汇集并从燃料喷注孔喷出支板来进行热防护和燃料喷注，但该专利中的燃料支板无法实现较优的通道流量分配，因此冷却效率还有待进一步提高。
支板作为超燃冲压发动机和RBCC组合发动机的重要组件，在稳定火焰燃烧，增强燃料与来流的掺混效果有着重大作用，但是在RBCC发动机工作过程中，支板处在燃烧室高温气流中，表面承受着高热载，容易发生烧蚀，因此支板热防护问题成为发动机热防护问题的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种在冷却通道内通过强制对流对支板进行主动冷却，实现支板在高温来流的条件下长时间正常工作的新型改进的燃料支板喷注器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种新型改进的燃料支板喷注器，包括燃料支板，燃料支板的横截面的形状为：由前到后包括一体连接的楔形和长方形，该燃料支板楔形段内的前端竖直开设有一楔形段冷却通道，且楔形段冷却通道入口开设在燃料支板的上表面上；
该燃料支板内的后段、且靠近左右各侧壁面均竖直设置有一排后端冷却通道；靠近该燃料支板左右各侧壁面、且位于楔形段冷却通道和后端冷却通道之间均竖直设置有一排前端冷却通道，楔形段冷却通道的出口与下端的前端冷却通道进口相联通，前端冷却通道的出口与上端的后端冷却通道的进口相联通，以形成蛇形冷却通道；
所述燃料支板的后端冷却通道所在段的侧壁上设置有多个燃料喷孔，每一个所述燃料喷孔均与贴近侧壁的后端冷却通道相联通，用于将燃料喷入燃烧室内。
进一步地，该燃料支板内的底部设置有底部集液腔，该底部集液腔内竖直设置有一挡板，以将底部集液腔分隔成前后两个独立的腔室，前面的腔室用于联通楔形段冷却通道和前端冷却通道；后面的腔室与后端冷却通道的出口端相联通。
进一步地，该燃料支板内的上部设置有顶部集液腔，用于联通前端冷却通道和后端冷却通道。
进一步地，该楔形段冷却通道的横截面为一个顶角朝向燃料支板前端的三角形，且朝向前端的角为倒圆，倒圆半径为0.5～2.0mm。
进一步地，该顶部集液腔和底部集液腔的横截面的形状均与燃料支板的横截面的形状相一致。
进一步地，该顶部集液腔和底部集液腔的高度为1mm。
进一步地，该前端冷却通道和后端冷却通道与对应的燃料支板壁面的距离均为0.5～3.0mm。
进一步地，该燃料支板内的后端、且贴于后侧壁竖直设置有多个冷却剂流出通道，各冷却剂流出通道的出口开设于燃料支板上表面，其下端与底部集液腔相联通。
本发明新型改进的燃料支板喷注器具有如下优点：1.用超燃冲压发动机的燃料作为燃料支板的冷却剂，在冷却通道内流动对燃料支板进行主动冷却，然后喷入燃烧室与燃气燃烧，实现燃料支板在高温来流的条件下长时间正常工作。2.在燃料支板内部布置了冷却通道，冷却剂在冷却通道内对流吸热，带走高温燃气传递给燃料支板外壁面的热量，使得壁面温度低于高温合金材料的许用温度。3.燃料支板前缘为超燃冲压发动机或火箭基组合循环发动机支板热防护中热载荷较高的区域，流量一定的前提下，设置楔形段冷却通道的入口为冷却剂单一入口，使更多的流量用来冷却支板前缘高温区，随后通过冷却通道流动，有效地降低了燃料支板壁温。4.通过设置上下集液腔及挡板，使冷却剂有效地按照蛇形冷却通道流动，避免出现流量分配不均匀导致支板后部无法有效冷却的问题。
附图说明
图1是本发明一种新型改进的燃料支板喷注器的结构示意图。
图2为本发明中的燃料支板与传统燃料支板采用冷却剂流量为30g/s的煤油时支板前缘中心线上的温度图。
图3为本发明中的燃料支板冷却剂流量分别为15g/s，30g/s，50g/s时沿支板前缘中心线分布的温度图。
其中：1.燃料支板；2.底部集液腔；3.顶部集液腔；4.挡板；5.入口；6.楔形段冷却通道；7.前端冷却通道；8.后端冷却通道；9.燃料喷孔；10.冷却剂流出通道。
具体实施方式
一种新型改进的燃料支板喷注器，如图1所示，包括燃料支板1，燃料支板1的横截面的形状为：由前到后包括一体连接的楔形和长方形，其特征在于，该燃料支板楔形段内的前端竖直开设有一楔形段冷却通道6，且楔形段冷却通道入口5开设在燃料支板的上表面上；该燃料支板内的后段、且靠近左右各侧壁面均竖直设置有一排后端冷却通道8；靠近该燃料支板左右各侧壁面、且位于楔形段冷却通道6和后端冷却通道8之间均竖直设置有一排前端冷却通道7，楔形段冷却通道6的出口与下端的前端冷却通道7进口相联通，前端冷却通道7的出口与上端的后端冷却通道8的进口相联通，以形成蛇形冷却通道；燃料支板1的后端冷却通道8所在段的侧壁上设置有多个燃料喷孔9，每一个燃料喷孔9均与贴近侧壁的后端冷却通道8相联通，用于将燃料喷入燃烧室内。燃料支板1内的后端、且贴于后侧壁竖直设置有多个冷却剂流出通道10，各冷却剂流出通道10的出口开设于燃料支板1上表面，其下端与底部集液腔2相联通。前端冷却通道7和后端冷却通道8的横截面的形状均为长方形或正方形。
为形成蛇形冷却通道，本发明进行如下设计，该燃料支板内的底部设置有底部集液腔2，底部集液腔2内竖直设置有一挡板4，以将底部集液腔2分隔成前后两个独立的腔室，前面的腔室用于联通楔形段冷却通道6和前端冷却通道7；后面的腔室与后端冷却通道8的出口端相联通。燃料支板内的上部设置有顶部集液腔3，用于联通前端冷却通道7和后端冷却通道8。该顶部集液腔3和底部集液腔2的横截面的形状均与燃料支板的横截面的形状相一致。顶部集液腔3和底部集液腔2的高度均为1mm，在满足材料的强度要求的基础上，保证了燃料的流速，有利于换热。
为达到更好的冷却效果，设计该楔形段冷却通道6的横截面为一个顶角朝向燃料支板前端的三角形，且朝向前端的角为倒圆，倒圆半径为0.5～2.0mm。在流量一定的前提下，设置冷却剂单一入口，使更多的流量用来冷却燃料支板前缘高温区，有效地降低了支板前缘的温度。
该前端冷却通道7和后端冷却通道8与对应壁面高温区的距离越近，换热效果越好，在保证满足材料强度的前提下，该前端冷却通道7和后端冷却通道8与对应的燃料支板壁面的距离均为0.5～3.0mm。
本发明一种新型改进的燃料支板喷注器，以超燃冲压发动机、火箭基组合循环动力发动机的燃料作为冷却剂，冷却剂从入口5的楔形段冷却通道6进入燃料支板1内部，流入底部集液腔2内，由于挡板4的阻碍使冷却剂沿着前端冷却通道7在顶部集液腔3内汇集流动，而后又沿着后端冷却通道8进入底部集液腔2，最后通过燃料喷注孔9喷出燃料支板1；一部分冷却剂由冷却剂流出通道10的出口流出。冷却剂在进入燃烧室之前先在燃料支板1内进行预燃，在燃料支板内部吸热同时降低了其内部的温度。
根据燃料支板1所处的热环境及受热分布，材料的许用温度及冷却剂的吸热能力，确定了燃料支板内对应的冷却通道的形状，横截面积及冷却剂流速等参数，通过燃料支板冷却的数值模拟，来验证设计的有效性。数值计算中，来流马赫数为6，燃气总温为2650K时，图2为本发明中的燃料支板与传统燃料支板采用冷却剂流量为30g/s的煤油时支板前缘中心线上的温度图。图3为本发明中的燃料支板冷却剂流量分别为15g/s，30g/s，50g/s时沿支板前缘中心线分布的温度图。由图可知，两个燃料支板表面温度均保持在高温合金材料长时间工作的温度范围以下，本发明中的燃料支板相对于传统支板，冷却剂对壁面冷却的效果更好，温度更低，燃料支板可长时间稳定工作，随着冷却剂流量的增加，两个燃料支板前缘壁面中心线上的温度逐渐降低，冷却有效，燃料支板可长时间工作，其中，本发明中的燃料支板的表面温度相对于传统燃料支板的表面温度更低。根据燃料支板的受热环境及受热特点，设计本发明中的燃料支板在可实现燃料喷注的基础上，相比于传统燃料支板有更好的冷却效果。

Claims (8)

1.一种新型改进的燃料支板喷注器，包括燃料支板(1)，燃料支板(1)的横截面的形状为：由前到后包括一体连接的楔形和长方形，其特征在于，该燃料支板楔形段内的前端竖直开设有一楔形段冷却通道(6)，且楔形段冷却通道入口(5)开设在燃料支板的上表面上；
该燃料支板内的后段、且靠近左右各侧壁面均竖直设置有一排后端冷却通道(8)；靠近该燃料支板左右各侧壁面、且位于楔形段冷却通道(6)和后端冷却通道(8)之间均竖直设置有一排前端冷却通道(7)，楔形段冷却通道(6)的出口与下端的前端冷却通道(7)进口相联通，前端冷却通道(7)的出口与上端的后端冷却通道(8)的进口相联通，以形成蛇形冷却通道；
所述燃料支板(1)的后端冷却通道(8)所在段的侧壁上设置有多个燃料喷孔(9)，每一个所述燃料喷孔(9)均与贴近侧壁的后端冷却通道(8)相联通，用于将燃料喷入燃烧室内。
2.根据权利要求1所述的一种新型改进的燃料支板喷注器，其特征在于，所述燃料支板内的底部设置有底部集液腔(2)，所述底部集液腔(2)内竖直设置有一挡板(4)，以将底部集液腔(2)分隔成前后两个独立的腔室，前面的腔室用于联通楔形段冷却通道(6)和前端冷却通道(7)；后面的腔室与后端冷却通道(8)的出口端相联通。
3.根据权利要求1或2所的一种新型改进的燃料支板喷注器，其特征在于，所述燃料支板内的上部设置有顶部集液腔(3)，用于联通前端冷却通道(7)和后端冷却通道(8)。
4.根据权利要求3所的一种新型改进的燃料支板喷注器，其特征在于，所述楔形段冷却通道(6)的横截面为一个顶角朝向燃料支板前端的三角形，且朝向前端的角为倒圆，倒圆半径为0.5～2.0mm。
5.根据权利要求4所述的一种新型改进的燃料支板喷注器，其特征在于，所述顶部集液腔(3)和底部集液腔(2)的横截面的形状均与燃料支板的横截面的形状相一致。
6.根据权利要求5所述的一种新型改进的燃料支板喷注器，其特征在于，所述顶部集液腔(3)和底部集液腔(2)的高度为1mm。
7.根据权利要求6所述的一种新型改进的燃料支板喷注器，其特征在于，所述前端冷却通道(7)和后端冷却通道(8)与对应的燃料支板壁面的距离均为0.5～3.0mm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种新型改进的燃料支板喷注器，其特征在于，所述燃料支板(1)内的后端、且贴于后侧壁竖直设置有多个冷却剂流出通道(10)，各冷却剂流出通道(10)的出口开设于燃料支板(1)上表面，其下端与底部集液腔(2)相联通。
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