CN110701637B - 一种复合型燃烧室热防护壁面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合型燃烧室热防护壁面结构，涉及飞行器热防护领域，包括沿高速高温主流的流动方向依次分区布置的自抽吸发汗冷却结构和燃油再生冷却通道，自抽吸发汗冷却结构包括储水层和发汗层，储水层通过输水管路与外部贮水箱连接；燃油再生冷却通道由燃烧室外壳和燃烧室内壁面之间的间隙形成，燃油再生冷却通道内设置有强化换热结构。通过采用水自抽吸发汗冷却和燃油再生冷却结合的复合冷却方法对燃烧室壁面进行热防护，降低了燃烧室壁面的热流密度，具有综合冷却剂耗量小、热防护热流密度大、结构简单的特点，可以广泛应用于各种超燃冲压发动机燃烧室内壁面的热防护作业中，实用性强。

Description

一种复合型燃烧室热防护壁面结构

技术领域

本发明涉及飞行器热防护领域，特别是涉及一种复合型燃烧室热防护壁面结构。

背景技术

航空航天技术对于国家的国防、通讯和经济等领域都有着重要的战略意义，体现了一个国家的科技水平和综合实力，是世界各国的重点发展领域。随着航天航空技术的发展，飞行器的巡航速度和推力都大幅提高，高超音速（Ma>5，Ma为马赫数）飞行器得到了迅速发展，而随之引起的气动加热和发动机燃烧室温度的提高，使得热防护成为关键难题。超燃冲压发动机是高超声速飞行器中常用的发动机，如图1所示为超燃冲压发动机的典型结构示意图，其主要由进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管组成，超声速主流经过进气道被压缩，通过隔离段后进入到燃烧室和燃料进行掺混并燃烧，产生的高温高压燃气经过尾喷管喷出后产生巨大的反推力。当飞行马赫数达到8时，超燃冲压发动机内主流总温超过3000 K，超燃冲压发动机内的高温气流以超声速流动，使得燃烧室壁面承受了极高的气动热流密度。而传统的冷却方式是采用燃料再生冷却对壁面进行热防护，但随着飞行器速度进一步提升，燃烧温度继续提高，单纯的再生冷却技术面临着燃料热沉不足、换热能力不足等技术问题，因此有必要采用更为高效稳定的热防护方式对高超音速发动机燃烧室壁面进行冷却，以适应目前飞行器技术的飞速发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在高速高温主流中利用水自抽吸发汗冷却和燃油再生冷却对冲压发动机燃烧室壁面进行热防护的复合型热防护壁面结构。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种复合型燃烧室热防护壁面结构，包括沿高速高温主流的流动方向依次分区布置的自抽吸发汗冷却结构和燃油再生冷却通道，所述自抽吸发汗冷却结构位于燃烧室的前段，所述自抽吸发汗冷却结构包括由外至内依次设置且相互连通的储水层和发汗层，所述储水层通过输水管路与外部贮水箱连接；所述燃油再生冷却通道由燃烧室外壳和燃烧室内壁面之间的间隙形成，所述燃油再生冷却通道内设置有强化换热结构，所述燃油再生冷却通道的前端连接有燃烧室喷油支板；所述自抽吸发汗冷却结构用于燃烧区前段区域的热防护，并形成保护气膜以减弱燃烧区下游的热流密度，所述燃油再生冷却通道用于燃烧区后段区域的热防护，燃油在所述燃油再生冷却通道内与高速高温主流换热后注入所述燃烧室喷油支板内完成燃烧。

可选的，所述储水层包括储水层外壳和填充在所述储水层外壳内的储水块，所述发汗层通过密封连接件连接在所述储水块的下方，且所述密封连接件的顶端与所述储水层外壳的底端密封对接。

可选的，所述储水块由毛细管、纤维材料或微毫米级孔隙的多孔材料中的一种材料制成。

可选的，所述储水层外壳为金属外壳或橡胶外壳。

可选的，所述发汗层由微纳米级孔隙的多孔介质构成，所述多孔介质由金属颗粒、碳基陶瓷或硅基陶瓷中的一种材料制成。

可选的，所述强化换热结构为微纳米级强化换热结构，所述微纳米级强化换热结构为微米肋、刻蚀微通道或微纳米复合结构中的一种。

可选的，所述燃油再生冷却通道内设置有若干支撑肋，所述支撑肋成型于所述燃烧室内壁面上，且所述支撑肋与所述燃烧室外壳焊接。

可选的，所述燃烧室外壳、所述燃烧室内壁面以及所述支撑肋均为耐高温合金材料制成。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的复合型燃烧室热防护壁面结构，由利用多孔介质毛细力抽吸冷却水的自抽吸发汗冷却结构和利用飞行器自身燃油的燃油再生冷却通道复合形成；利用多孔介质的毛细力作为冷却水的驱动力，在外界高温热环境的作用下将冷却水从储水层不断抽吸至发汗层表面并蒸发，带走大量的热量并形成保护气膜，以减少高速高温主流向下游燃油再生冷却区壁面的热量传递，从而降低了下游再生冷却区的热防护能力需求，少量水的注入也对燃烧室的燃烧反应起到了催化作用；同时，在燃烧室热环境变化的条件下，多孔介质的毛细力在其极限范围内可根据高速高温热流密度的大小自动调节冷却水的抽吸量，可实现冷却水流量相对热流密度的自适应调节。本发明通过采用水自抽吸发汗冷却和燃油再生冷却结合的复合冷却方法对燃烧室壁面进行热防护，降低了燃烧室壁面的热流密度，具有综合冷却剂耗量小、热防护热流密度大、结构简单的特点，可以广泛应用于各种超燃冲压发动机燃烧室内壁面的热防护作业中，实用性强。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有超燃冲压发动机的燃烧原理示意图；

图2为本发明复合型燃烧室热防护壁面结构的系统示意图；

图3为本发明自抽吸发汗冷却结构进行冷却水补充的原理示意图；

图4为本发明自抽吸发汗冷却结构和燃油再生冷却通道的分布示意图；

其中，附图标记为：1、储水层；1-1、储水层外壳；1-2、储水块；2、发汗层；3、密封连接件；4、燃油再生冷却通道；5、燃烧区；6、输水管路；7、外部贮水箱；8、燃烧室外壳；9、燃烧室内壁面；10、强化换热结构；11、燃烧室喷油支板；12、支撑肋。

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。

本发明的目的是提供一种能够在高速高温主流中利用水自抽吸发汗冷却和燃油再生冷却对冲压发动机燃烧室壁面进行热防护的复合型热防护壁面结构。

基于此，本发明提供一种复合型燃烧室热防护壁面结构，包括沿高速高温主流的流动方向依次分区布置的自抽吸发汗冷却结构和燃油再生冷却通道，自抽吸发汗冷却结构位于燃烧室的前段，自抽吸发汗冷却结构包括由外至内依次设置且相互连通的储水层和发汗层，储水层通过输水管路与外部贮水箱连接；燃油再生冷却通道由燃烧室外壳和燃烧室内壁面之间的间隙形成，燃油再生冷却通道内设置有强化换热结构，燃油再生冷却通道的前端连接有燃烧室喷油支板；自抽吸发汗冷却结构用于燃烧区前段区域的热防护，并形成保护气膜以减弱燃烧区下游的热流密度，燃油再生冷却通道用于燃烧区后段区域的热防护，燃油在燃油再生冷却通道内与高速高温主流换热后注入燃烧室喷油支板内完成燃烧。

本发明提供的复合型燃烧室热防护壁面结构，由利用多孔介质毛细力抽吸冷却水的自抽吸发汗冷却结构和利用飞行器自身燃油的燃油再生冷却通道复合形成；利用多孔介质的毛细力作为冷却水的驱动力，在外界高温热环境的作用下将冷却水从储水层不断抽吸至发汗层表面并蒸发，带走大量的热量并形成保护气膜，以减少高速高温主流向下游燃油再生冷却区壁面的热量传递，从而降低下游再生冷却区的热防护能力需求，少量水的注入也对燃烧室的燃烧反应起到了催化作用；同时，在燃烧室热环境变化的条件下，多孔介质的毛细力在其极限范围内可根据高速高温热流密度的大小自动调节冷却水的抽吸量，可实现冷却水流量相对热流密度的自适应调节。本发明通过采用水自抽吸发汗冷却和燃油再生冷却的复合冷却方法对燃烧室壁面进行热防护，降低了燃烧室壁面的热流密度，具有综合冷却剂耗量小、热防护热流密度大、结构简单的特点，可以广泛应用于各种超燃冲压发动机燃烧室内壁面的热防护作业中，实用性强。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图2- 4所示，本实施例提供一种复合型燃烧室热防护壁面结构，包括沿高速高温主流的流动方向依次分区布置的自抽吸发汗冷却结构和燃油再生冷却通道4，自抽吸发汗冷却结构位于燃烧室的前段，自抽吸发汗冷却结构包括由外至内依次设置且相互连通的储水层1和发汗层2，储水层1通过输水管路6与外部贮水箱7连接，外部贮水箱7内用于装载冷却水；燃油再生冷却通道4由燃烧室外壳8和燃烧室内壁面9之间的间隙形成，燃油再生冷却通道4内设置有强化换热结构10，燃油再生冷却通道4的前端连接有燃烧室喷油支板11；自抽吸发汗冷却结构用于燃烧区5前段区域的热防护，并形成保护气膜以减弱燃烧区5下游的热流密度，燃油再生冷却通道4用于燃烧区后段区域的热防护，燃油在燃油再生冷却通道4内与高速高温主流换热后注入燃烧室喷油支板11内参与完成燃烧。通过采用水自抽吸发汗冷却和燃油再生冷却的复合冷却方法对燃烧室壁面进行热防护，降低了燃烧室壁面的热流密度，具有综合冷却剂耗量小、热防护热流密度大、结构简单的特点，可以广泛应用于各种超燃冲压发动机燃烧室内壁面的热防护作业中。

进一步地，如图2所示，本实施例中储水层1包括储水层外壳1-1和填充在储水层外壳1-1内的储水块1-2，发汗层2通过密封连接件3连接在储水块1-2的下方，且密封连接件3的顶端与储水层外壳1-1的底端密封对接，该结构既实现了储水块1-2与发汗层2之间的机械形式的连接；同时本实施例优选自抽吸发汗冷却结构和燃油再生冷却通道4紧邻设置，自抽吸发汗冷却结构中密封连接件3的一侧同时起到封堵燃油再生冷却通道4前端开口的作用。上述的密封连接件3为一种现有连接件结构，其可与储水层外壳1-1之间采用现有技术中常见的插接形式进行对接。

进一步地，储水块1-2可由毛细管、纤维材料或微毫米级孔隙的多孔材料中的一种材料制成。本实施例中优选储水层1为由硅酸铝纤维形成的孔隙尺寸为300μm的多孔结构，用于在燃烧室高温热流条件下为发汗层2提供稳定的冷却水供给。

进一步地，本实施例中储水层外壳1-1采用金属等硬质材料或橡胶等软质材料制成。本实施例优选储水层外壳1-1为金属外壳，且密封连接件3的材质与储水层外壳1-1相同，便于实现储水层外壳1-1与密封连接件3之间的快速连接。

进一步地，发汗层2由微纳米级孔隙的多孔介质构成，其中多孔介质可为金属颗粒、碳基陶瓷、硅基陶瓷或其他复合材料，多孔介质的成型方法可使用金属颗粒烧结、3D打印、化学成型或激光刻蚀等。将该发汗层2设置为多孔结构，可为冷却水的输运提供毛细抽吸力，实现外界燃烧室高热环境条件下的自抽吸发汗冷却。本实施例中，发汗层2的内表面两端设置有台阶，该台阶用于与密封连接件3匹配，以便密封连接件3将发汗层2进行固定，发汗层2的中部则暴露于燃烧区5内，且发汗层2的内表面与燃烧室内壁面9平齐设置。

进一步地，强化换热结构10为微纳米级强化换热结构，微纳米级强化换热结构可为微米肋、刻蚀微通道或微纳米复合结构中的一种。本实施例中，强化换热结构10优选为由激光刻蚀形成的高度80μm、宽度40μm的方柱阵列，根据换热能力的需要，可以进一步在其表面生长高度1μm、直径100nm的ZnO纳米线结构。

进一步地，如图4所示，本实施例在燃油再生冷却通道4内设置有若干支撑肋12，支撑肋12的设置有利于提升燃油再生冷却通道4的整体强度，同时也增大了燃油再生冷却通道4的比表面积，提升了燃油再生冷却的换热能力；支撑肋12成型于燃烧室内壁面9上，且支撑肋12与燃烧室外壳8焊接。本实施例中燃烧室外壳8、燃烧室内壁面9以及支撑肋12均为耐高温合金材料制成，以保证其良好的连接性及热接触性。

下面对本实施例作具体原理说明。其中，如图3所示，自抽吸发汗冷却结构与外部贮水箱7之间连接有两根输水管路6。

在冲压发动机工作开始前，外部贮水箱7内的冷却水在发汗层2和储水层1这两层多孔介质的毛细力作用下，经输水管路6中流出并充满发汗层2和储水层1，此时，燃油已充满整个燃油再生冷却通道4。

冲压发动机开始工作时，燃油从燃烧室喷油支板11喷出燃烧，燃烧区5上游段自抽吸发汗冷却结构的发汗层2表面的水受热蒸发，同时在发汗层2的毛细抽吸作用下，冷却水源源不断地从外部贮水箱7通过储水层1向发汗层2补充，实现稳定持续的自抽吸发汗冷却；自抽吸发汗冷却形成的水蒸气，会在高速高温主流的作用下于燃烧室内壁面9表面形成一层保护气膜，以降低下游段燃烧室壁面与高速高温主流之间的换热热流密度。与此同时，随着燃料的不断注入，燃油在燃油再生冷却通道4中与强化换热结构10发生对流换热，带走燃烧室内壁面9的热量并升温预热，随后通过燃烧室喷油支板11注入燃烧区5内进行燃烧。

特别地，当冲压发动机的工作状态发生了改变，燃油的注入量会随之改变，燃烧室内的热环境也会发生变化。随着燃烧室输入高速高温热流的变化，自抽吸发汗冷却结构中发汗层2表面水的蒸发速率也会随之变化，使得自抽吸发汗冷却结构中的冷却水消耗速率也随之变化，可实现高热流密度时冷却水快速蒸发以及低热流密度时冷却水低消耗的自适应自抽吸发汗冷却模式。

由此可见，本发明具有如下优点：

（1）采用水自抽吸发汗冷却与燃油再生冷却相复合的冷却方法对燃烧室壁面进行热防护，降低了燃烧室壁面的热流密度，具有综合冷却剂耗量小、热防护热流密度大、结构简单的特点；

（2）水从多孔介质发汗层渗出，在燃烧室壁面形成保护气膜，增厚了流体热边界层，减少了燃烧室火焰向壁面传递的热量，从而降低了燃烧区下游段再生冷却的热防护能力需求，同时少量水的注入也对燃烧室的燃烧反应起到了催化作用；

（3）利用储水层和发汗层等多孔介质的毛细力作为水的驱动力，在外界高温热环境的作用下将水从储水层不断抽吸至发汗层表面并蒸发，带走大量的热量并形成保护气膜，在燃烧室热环境变化的条件下，多孔介质的毛细力在其极限范围内可根据热流密度大小自动调节冷却水的抽吸量，实现冷却水流量对热流密度的自适应调节；

（4）在燃油再生冷却的对流换热通道采用了微纳米强化换热结构，该类强化换热结构可以有效提高燃油与换热通道之间的对流换热系数，提高系统的热防护能力；

（5）在自抽吸发汗冷却结构和燃油再生冷却通道中布置支撑肋，提高了热防护壁面结构的整体强度，提升了热防护系统的整体稳定性。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种复合型燃烧室热防护壁面结构，其特征在于：包括沿高速高温主流的流动方向依次分区布置的自抽吸发汗冷却结构和燃油再生冷却通道，所述自抽吸发汗冷却结构位于燃烧室的前段，所述自抽吸发汗冷却结构包括由外至内依次设置且相互连通的储水层和发汗层，所述储水层包括储水层外壳和填充在所述储水层外壳内的储水块，所述发汗层通过密封连接件连接在所述储水块的下方，所述储水层通过输水管路与外部贮水箱连接，所述发汗层由微纳米级孔隙的多孔介质构成；所述燃油再生冷却通道由燃烧室外壳和燃烧室内壁面之间的间隙形成，所述燃油再生冷却通道内设置有强化换热结构，所述燃油再生冷却通道的前端连接有燃烧室喷油支板；所述自抽吸发汗冷却结构用于燃烧区前段区域的热防护，并形成保护气膜以减弱燃烧区下游的热流密度，所述燃油再生冷却通道用于燃烧区后段区域的热防护，燃油在所述燃油再生冷却通道内与高速高温主流换热后注入所述燃烧室喷油支板内完成燃烧。

2.根据权利要求1所述的复合型燃烧室热防护壁面结构，其特征在于：所述密封连接件的顶端与所述储水层外壳的底端密封对接。

3.根据权利要求2所述的复合型燃烧室热防护壁面结构，其特征在于：所述储水块由毛细管、纤维材料或微毫米级孔隙的多孔材料中的一种材料制成。

4.根据权利要求2所述的复合型燃烧室热防护壁面结构，其特征在于：所述储水层外壳为金属外壳或橡胶外壳。

5.根据权利要求1所述的复合型燃烧室热防护壁面结构，其特征在于：所述多孔介质由金属颗粒、碳基陶瓷或硅基陶瓷中的一种材料制成。

6.根据权利要求1所述的复合型燃烧室热防护壁面结构，其特征在于：所述强化换热结构为微纳米级强化换热结构，所述微纳米级强化换热结构为微米肋、刻蚀微通道或微纳米复合结构中的一种。

7.根据权利要求1所述的复合型燃烧室热防护壁面结构，其特征在于：所述燃油再生冷却通道内设置有若干支撑肋，所述支撑肋成型于所述燃烧室内壁面上，且所述支撑肋与所述燃烧室外壳焊接。

8.根据权利要求7所述的复合型燃烧室热防护壁面结构，其特征在于：所述燃烧室外壳、所述燃烧室内壁面以及所述支撑肋均为耐高温合金材料制成。

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