CN111810316A - 一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构，具体涉及发动机燃烧室的技术领域。一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构，包括燃烧室，所述燃烧室进气口一端的顶部和底部均开有多个间隔分布的椭圆孔，每个所述椭圆孔短轴的延长线均与燃烧室内的气流方向平行，多个所述椭圆孔分两排设置在燃烧室上、且两排所述椭圆孔交错分布。采用本发明技术方案克服了现有的超燃冲压发动机燃烧室在喷注燃料的过程中存在燃料与气流无法充分混合的问题，可用于不同当量直径的燃烧室。

Description

一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构

技术领域

本发明涉及发动机燃烧室的技术领域，特别涉及一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构。

背景技术

超燃冲压发动机作为一种推进动力装置，可以经济可靠地实现高超声速飞行目标。超燃冲压发动机一般包括进气道、隔离段、燃烧室、尾喷管等部件。

燃烧室的功能是实现燃料的喷注、点火和燃烧。现有的燃料喷注方法根据喷注位置的不同，可以分为两类：壁面喷注和侵入式喷注。壁面喷注一般采用布置在发动机壁面的小孔将燃料注入燃烧室。侵入式喷注则常采用支杆、支板等装置，将燃料从燃烧室流道中部喷入。

壁面喷注的优点是：燃烧室内没有侵入物，对流动的阻力较小，并且结构简单，生产成本较低。缺点是：燃料穿透深度较低、扩散速度较慢，达到充分混合的时间较长，一般用于小尺度燃烧室(燃烧室当量直径不大于Ф30mm)。

侵入式喷注的燃料穿透深度较高、扩散区域较大，达到充分混合的时间较短，一般适用于大尺度燃烧室(燃烧室当量直径大于Ф30mm)。但侵入式喷注采用支杆/支板等装置阻力较大，会使得气流产生很强的总压损失，从而降低发动机的推进效率，并且侵入式喷注还存在热防护的问题。

目前，常用的较大尺度燃烧室当量直径为内Ф30～50mm，燃料多为气态的氢气、乙烯、甲烷及其混合物等，空气和燃料在燃烧室内驻留时间仅为毫秒量级。为实现气流与燃料的快速充分混合，并尽可能地降低气流总压损失，以及避免侵入式喷注带来热防护的难题，故急需一种能解决上述问题的超然冲压发动机燃烧室。

发明内容

本发明意在提供一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构，以解决现有的超燃冲压发动机燃烧室在喷注燃料的过程中存在燃料与气流无法充分混合的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构，包括燃烧室，所述燃烧室进气口一端的顶部和底部均开有多个间隔分布的椭圆孔，每个所述椭圆孔短轴的延长线均与燃烧室内的气流方向平行，多个所述椭圆孔分两排设置在燃烧室上、且两排所述椭圆孔交错分布。

技术方案的原理及效果：本方案在燃烧室顶部和底部均设置了两排交错分布的椭圆孔，借助椭圆孔可将燃料喷注至燃烧室内，椭圆孔的长轴迎风设计，增加了燃料射流与高速来流的接触面积，增强了高速漩涡的卷吸强度，使得燃料可在燃烧室内快速扩散混合，缩短了燃料与气流混合均匀所需的时间和距离，提高了混合效率和效果。

进一步的，所述椭圆孔长轴的长度是2-3mm，所述椭圆孔的短轴长度是其长轴长度的1/4-1/3，两排所述椭圆孔的中心间距的长度是短轴长度的3倍，每两个相邻的所述椭圆孔的中心间距的长度是长轴长度的1.5-2.5倍，靠近燃烧室两侧的两个所述椭圆孔的中心距离燃烧室两侧边缘的长度与其长轴的长度相同。

通过上述设置，椭圆孔的等效直径约为1mm，保证了气态燃料具有足够的穿透能力。短轴长度是长轴长度的1/4-1/3，并且长轴迎风，增加了燃料射流和高速来流的接触面积，可以使得燃料在椭圆孔附近就马上开始快速混合。每个相邻椭圆孔的中心间距是长轴长度的1.5-2.5倍，可以使得燃料从两排椭圆孔喷出后快速扩散，并且在长轴长度约3-5倍的距离内覆盖燃烧室的全部展向宽度，缩短了燃烧室混合长度，降低了燃烧室壁面阻力。

进一步的，所述椭圆孔采用飞秒激光技术开设。通过上述设置，可加工出深径比(打孔深度与椭圆孔当量直径之比)大于20的椭圆孔，并且确保了椭圆孔的尺寸精度和表面光洁度的要求。

与现有技术相比，本方案的有益效果是：

1、提高了燃烧室壁面喷注的燃料射流扩散速度；

2、避免了侵入式喷注带来的气流总压损失和热防护的问题；

3、提升了燃料混合效率，从而可将本方案拓展到当量直径较大的燃烧室中，并且有利于缩短燃烧室长度，降低燃烧室壁面阻力，从而提高发动机推力和比冲。

附图说明

图1是实施例1的俯视图；

图2是实施例1中喷注燃料的浓度分布图；

图3是实施例3中喷注燃料的浓度分布图；

图4是圆孔与椭圆孔穿透深度的对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：燃烧室1、椭圆孔2。

实施例1

如附图1和附图2所示：一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构，包括燃烧室1，燃烧室1的左侧为燃烧室1的进气口，燃烧室1左侧的顶部和底部均对称开有九个间隔分布的椭圆孔2，每个椭圆孔2均采用飞秒激光技术开设，借助飞秒激光技术可加工出深径比(即打孔深度与椭圆孔2当量直径之比)大于20的椭圆孔2，并且确保了椭圆孔2的尺寸精度和表面光洁度的要求。每个椭圆孔2短轴的延长线均与燃烧室1内的气流方向平行，九个椭圆孔2分为左右两排设置在燃烧室1上、且两排椭圆孔2交错分布，左侧一排的椭圆孔2数量比右侧一排的椭圆孔2数量少一个，且左侧一排的每个椭圆孔2中心的延长线均穿过右侧一排相邻的两个椭圆孔2中心连线的中心。

椭圆孔2长轴的长度为2mm，椭圆孔2的短轴长度是其长轴长度的1/3，左侧一排的椭圆孔2中心与右侧一排的椭圆孔2中心之间的间距长度是短轴长度的3倍，左右两排的每两个相邻的椭圆孔2中心之间的间距是椭圆孔2长轴长度的1.5-2.5倍，可使得燃料从两排椭圆孔2喷出后快速扩散，并且在长轴长度约3-5倍的距离内覆盖燃烧室1的全部展向宽度，缩短了燃烧室1混合长度，降低燃烧室1壁面阻力。靠近燃烧室1两侧的两个椭圆孔2的中心距离燃烧室1两侧边缘的长度与其长轴的长度相同。

本方案的工作原理：本方案在燃烧室1顶部和底部均设置了两排交错分布的椭圆孔2，借助椭圆孔2可将燃料喷注至燃烧室1内，椭圆孔2的长轴迎风设计，可使燃料在椭圆孔2附件就能开始快速融合；增加了燃料射流与高速来流的接触面积，增强了高速漩涡的卷吸强度，使得燃料可在燃烧室1内快速扩散混合，缩短了燃料与气流混合均匀所需的时间和距离，提高了混合效率和效果。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于椭圆孔2长轴的长度为3mm，椭圆孔2的短轴长度是其长轴长度的1/4。

实施例3

如附图3所示，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例采用直径为2mm的圆孔，而并非是椭圆孔2。

结果分析：如附图2、图3和图4可知，燃烧室1采用椭圆孔2进行燃料喷注后，燃料在燃烧室1内浓度分布更佳均匀，并且在燃烧室1的相同位置处，燃烧室1的喷射口采用椭圆孔2的，燃料经由喷射口喷射出后，可比圆孔在相同位置处具有更强的穿透深度，从而便于燃料的混合，提高了燃烧室1的燃烧效果。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构，包括燃烧室，其特征在于：所述燃烧室进气口一端的顶部和底部均开有多个间隔分布的椭圆孔，每个所述椭圆孔短轴的延长线均与燃烧室内的气流方向平行，多个所述椭圆孔分两排设置在燃烧室上、且两排所述椭圆孔交错分布。

2.根据权利要求1所述的一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构，其特征在于：所述椭圆孔长轴的长度是2-3mm，所述椭圆孔的短轴长度是其长轴长度的1/4-1/3，两排所述椭圆孔的中心间距的长度是短轴长度的3倍，每两个相邻的所述椭圆孔的中心间距的长度是长轴长度的1.5-2.5倍，靠近燃烧室两侧的两个所述椭圆孔的中心距离燃烧室两侧边缘的长度与其长轴的长度相同。

3.根据权利要求2所述的一种超燃冲压发动机的燃料喷孔结构，其特征在于：所述椭圆孔采用飞秒激光技术开设。

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