CN112361379B - 一种超声速凹腔燃烧室的点火结构及超燃冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声速凹腔燃烧室的点火结构及超燃冲压发动机。所述点火结构包括：设有凹腔的燃烧室，碳氢燃料随所述凹腔燃烧室上方的超声速气流能够进入到所述凹腔中，所述凹腔的底壁设有烧蚀腔；以及激光器，用于发射激光，所述激光器发射的激光能够聚焦于所述烧蚀腔的腔壁上并诱发等离子体，以形成初始火焰，所述初始火焰用于起到点火作用；其中，所述激光器发射的激光聚焦于所述烧蚀腔的腔壁时，所述烧蚀腔的腔壁受到所述激光照射的面积为第一面积；若所述激光器发射的激光直接聚焦于所述凹腔的底壁，所述凹腔的底壁受到所述激光照射的区域的面积为第二面积，所述第二面积小于所述第一面积。

Description

一种超声速凹腔燃烧室的点火结构及超燃冲压发动机

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机技术领域，特别是涉及具有超声速凹腔燃烧室的点火结构及超燃冲压发动机。

背景技术

超声速气流环境中的点火问题是超燃冲压发动机技术的关键问题之一，实现稳定可靠的点火是超声速燃烧领域的核心技术。为了实现在超声速气流中可靠地点火，通常采用凹腔燃烧室改善点火前流场环境，并增大点火系统的能量来尽可能提高点火概率。按照这种设计思路虽然能够基本满足工程上对单次可靠点火的需求，但面对复杂超声速来流条件，仍时常会发生点火失败、熄火等一些对发动机来说十分致命的问题，可靠性较差。

发明内容

基于此，有必要提供一种可靠性较佳的超声速凹腔燃烧室的点火结构及超燃冲压发动机。

一种超声速凹腔燃烧室的点火结构，所述点火结构包括：燃烧室，设有凹腔，碳氢燃料在所述燃烧室上方随超声速气流能够进入到所述凹腔中，所述凹腔的底壁设有烧蚀腔；以及激光器，用于发射激光，所述激光器发射的激光能够聚焦于所述烧蚀腔的腔壁上并烧蚀该腔壁诱发等离子体，以形成初始火焰，所述初始火焰用于起到点火作用；

其中，所述激光器发射的激光聚焦于所述烧蚀腔的腔壁时，所述烧蚀腔的腔壁受到所述激光照射的面积为第一面积；若所述激光器发射的激光直接聚焦于所述凹腔的底壁，所述凹腔的底壁受到所述激光照射的区域的面积为第二面积，所述第二面积小于所述第一面积。

在其中一个实施例中，所述烧蚀腔包括第一腔室，所述第一腔室的开口形成于所述凹腔的底壁，且所述第一腔室的横截面积从靠近所述第一腔室的开口的一侧至远离所述第一腔室的开口的一侧的方向递减。

在其中一个实施例中，所述第一腔室的腔壁为曲面。

在其中一个实施例中，所述第一腔室的腔壁为半球面。

在其中一个实施例中，所述烧蚀腔还包括开设于所述第一腔室的腔壁的第二腔室，所述第二腔室的开口与所述第一腔室的开口同轴设置，所述激光器发射的激光能够依次穿过所述第一腔室的开口以及所述第二腔室的开口，且所述激光器发射的激光能够照射于所述第二腔室；

其中，所述第二腔室的腔壁受到激光照射的面积大于所述第二腔室的开口面积。

在其中一个实施例中，所述第二腔室的开口形成于所述第一腔室的底壁的中心，且所述第二腔室的横截面积从靠近所述第二腔室的开口的一侧至远离所述第二腔室的开口的一侧的方向递减。

在其中一个实施例中，所述第二腔室的腔壁为曲面。

在其中一个实施例中，所述凹腔的底壁为平面，所述激光器发射的激光以垂直于所述凹腔的底壁的方向聚焦于所述烧蚀腔的腔壁。

在其中一个实施例中，所述凹腔包括靠近所述燃烧室的进口的第一端、以及靠近所述燃烧室的出口的第二端，所述烧蚀腔靠近所述第二端设置。

一种超燃冲压发动机，包括如上所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构。

上述的超声速凹腔燃烧室的点火结构及超燃冲压发动机中，通过在凹腔的底壁开设烧蚀腔，能够使激光在烧蚀腔内与烧蚀腔的腔壁充分接触并烧蚀，从而提高激光烧蚀点火能量，生成的初始火核也会因为烧蚀腔的保护作用而避免被超声速气流耗散，从而使初始火核更快的发展为初始火焰，起到了提高点火能力和可靠性的作用。另外，通过在凹腔内部设置烧蚀腔，不会引起总压损失，对火焰稳定过程也没有较大影响。

附图说明

图1为本发明一实施例中的点火结构的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的点火结构的凹腔的立体结构示意图；

图3为本发明一实施例中的点火结构的凹腔的侧视结构示意图；

图4为本发明一实施例中的点火结构的凹腔的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例一中的点火结构的烧蚀腔的结构示意图；

图6为本发明实施例二中的点火结构的烧蚀腔的结构示意图。

附图标记说明：

10、超声速气流；100、燃烧室；110、凹腔；111、凹腔的底壁；112、第一端；113、第二端；114、凹腔的后壁；120、烧蚀腔；121、第一腔室；122、第二腔室；200、激光器；210、高反镜；220、凸透镜。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如背景技术所述，基于传统的设计思路，虽然能够基本满足工程上对单次可靠点火的需求，但面对复杂超声速来流条件，仍时常会发生点火失败、熄火等一些对发动机来说十分致命的问题，因此，目前各主要国家的研究人员都在开始研究激光诱导等离子体点火技术。激光诱导等离子体点火技术由于其具有点火位置、能量和频率可调节并且对流场无干扰等特点，在超声速气流中点火过程的学术研究和工程技术领域具有重要应用前景。激光诱导等离子体点火技术是指通过激光聚焦击穿空气诱导产生等离子体，随后高温等离子体引燃燃料与空气的混合气发生燃烧化学反应的一种点火方式。但这种点火方式受限制于激光器技术，现阶段激光器的点火能量还比较有限，发展基于激光诱导等离子体的强化点火方法已迫在眉睫。

已有研究表明，采用激光聚焦金属表面烧蚀点火的方式，能够激发产生更多的等离子体基团，在增强的热效应和化学效应作用下起到强化点火的作用。因此，通过优化激光点火能量以及聚焦位置，采用激光烧蚀燃烧室的凹腔金属壁面的强化点火方式同时具有很强的操作性和现实可行性。

然而，若是直接将激光聚焦在燃烧室的凹腔金属壁面，也会存在点火成功率低的问题，可靠性较差。

针对上述问题，本申请提供以下实施例，用以解决传统方案中点火方式可靠性较差的问题。

实施例一

如图1所示，一种超声速凹腔燃烧室的点火结构，所述点火结构包括燃烧室100以及激光器200。

燃烧室100设有凹腔110，且在凹腔110的上游还设有燃料喷孔，碳氢燃料在从燃料喷孔喷出后能够与超声速气流10(空气)混合并进入到凹腔110内，且所述凹腔110的底壁111设有烧蚀腔120。

激光器200用于发射激光，所述激光器200发射的激光能够聚焦于所述烧蚀腔120的腔壁并烧蚀该腔壁诱发等离子体，以形成初始火焰，所述初始火焰用于起到点火作用。

具体地，激光器200发射的激光通过多个高反镜210以及凸透镜220聚焦于所述烧蚀腔120的腔壁，所述的烧蚀腔120的腔壁为金属材质，所述激光器200发射的激光能够聚焦于所述烧蚀腔120的腔壁上并烧蚀该腔壁诱发等离子体，以形成火焰。

更具体地，所述凹腔110的底壁为平面，所述激光器200设置于发动机外部，且激光器200发射的激光在经过多个高反镜210以及凸透镜220后以垂直于所述凹腔110的底壁的方向聚焦于所述烧蚀腔120的腔壁。

其中，所述激光器200发射的激光聚焦于所述烧蚀腔120的腔壁时，所述烧蚀腔120的腔壁受到所述激光照射的面积为第一面积；若所述激光器200发射的激光直接聚焦于所述凹腔110的底壁，所述凹腔110的底壁受到所述激光照射的区域的面积为第二面积，所述第二面积小于所述第一面积。

在传统的研究中，若是直接将激光聚焦在燃烧室100的凹腔110金属壁面，会存在点火成功率低的问题，可靠性较差的问题，其原因在于：1、激光作用在燃烧室100的凹腔110金属壁面，凹腔110的金属壁面受激光作用的面积较小，所诱发的等离子体也比较少，激光烧蚀点点火能量不强；2、在燃烧室100的凹腔110中进行强迫点火，初始火核极易受到超声速气流10的耗散，点火成功率低。

在本申请中，通过在凹腔110的底壁开设烧蚀腔120，能够使激光在烧蚀腔120内与烧蚀腔120的腔壁充分接触并烧蚀，从而提高激光烧蚀点火能量，生成的初始火核也会因为烧蚀腔120的保护作用而避免被超声速气流10耗散，从而使初始火核更快的发展为初始火焰，起到了提高点火能力和可靠性的作用。另外，通过在凹腔110内部设置烧蚀腔120，不会引起总压损失，对火焰稳定过程也没有较大影响。

如图2、图5所示，进一步地，所述烧蚀腔120包括第一腔室121，所述第一腔室121的开口形成于所述凹腔110的底壁111，且所述第一腔室121的横截面积从靠近所述第一腔室121的开口的一侧至远离所述第一腔室121的开口的一侧的方向递减。换而言之，第一腔室121的横截面积从上至下逐渐递减。如此，发射器发射的激光在通过第一腔室121的开口后，能够充分照射在第一腔室121的底壁和侧壁，提高接触面积。

进一步地，所述第一腔室121的腔壁为曲面。其中，第一腔室121的半径≤4mm，深度≤4mm。

更进一步地，本申请中的激光能量越大，第一腔室121可以设置越大，而激光能量越小，则第一腔室121也相应减小。

优选地，所述第一腔室121的腔壁为半球面，且其半径为2mm。

所述的激光，优选为波长532nm、单脉冲持续时间10ns的激光。激光单次激发能量≥200mJ，激发频率5Hz。

如图3所示，进一步地，所述凹腔110包括靠近所述燃烧室100的进口的第一端112、以及靠近所述燃烧室100的出口的第二端113。请一并参照图1，超声速气流10在燃烧室100内从进口向出口流动，故而，在凹腔110靠近第二端113的位置，为凹腔110上游喷注的燃料卷吸进入凹腔110的集中区域。所述烧蚀腔120靠近所述第二端113设置，有利于提高点火位置附近的局部当量比分布。

如图4所示，优选地，所述烧蚀腔120的位置距离凹腔110的后壁面20mm。

实施例二

实施例二与实施例一的不同之处在于：

如图6所示，所述烧蚀腔120还包括开设于所述第一腔室121的腔壁的第二腔室122，所述第二腔室122的开口与所述第一腔室121的开口同轴设置，所述激光器200发射的激光能够依次穿过所述第一腔室121的开口以及所述第二腔室122的开口，且所述激光器200发射的激光能够照射于所述第二腔室122；其中，所述第二腔室122的腔壁受到激光照射的面积大于所述第二腔室122的开口面积。

如此，通过在第一腔室121的腔壁开设第二腔室122，且使所述第二腔室122的腔壁受到激光照射的面积大于所述第二腔室122的开口面积，能够进一步地提高激光与烧蚀腔120的腔壁的接触面积，从而诱发更多的等离子体，提高激光烧蚀点点火能量。

具体地，所述第二腔室122的开口形成于所述第一腔室121的底壁的中心。如此，在激光射入第一腔室121的开口后，能够通过第二腔室122的开口进入到第二腔室122。进一步地，所述第二腔室122的横截面积从靠近所述第二腔室122的开口的一侧至远离所述第二腔室122的开口的一侧的方向递减。换而言之，第二腔室122的横截面积从上至下逐渐递减。如此，发射器发射的激光在通过第二腔室122的开口后，能够充分照射在第二腔室122的底壁和侧壁，提高接触面积。

进一步地，所述第一腔室121的腔壁以及第二腔室122的腔壁均为曲面。其中，第一腔室121的半径≤4mm，深度≤4mm；第二腔室122的半径≤2mm，深度≤2mm；且第二腔室122的半径小于第一腔室121的半径，第二腔室122的深度小于第一腔室121的深度。

更进一步地，本申请中的激光能量越大，第一腔室121以及第二腔室122可以设置越大，而激光能量越小，则第一腔室121以及第二腔室122也相应减小。

优选地，所述第一腔室121以及第二腔室122的腔壁均为半球面，第一腔室121的半径为2mm，第二腔室122的半径为1mm。

实施例三

一种超燃冲压发动机，包括如上所述的具有超声速气流10环境的燃烧室100的点火结构。

上述的超燃冲压发动机中，通过在凹腔110的底壁111开设烧蚀腔120，能够使激光在烧蚀腔120内与烧蚀腔120的腔壁充分接触并烧蚀，从而提高激光烧蚀点火能量，生成的初始火核也会因为烧蚀腔120的保护作用而避免被超声速气流10耗散，从而使初始火核更快的发展为初始火焰，起到了提高点火能力和可靠性的作用。另外，通过在凹腔110内部设置烧蚀腔120，不会引起总压损失，对火焰稳定过程也没有较大影响。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超声速凹腔燃烧室的点火结构，其特征在于，所述点火结构包括：

燃烧室，设有凹腔，碳氢燃料在所述燃烧室上方随超声速气流能够进入到所述凹腔中，所述凹腔的底壁设有烧蚀腔；以及

激光器，用于发射激光，所述激光器发射的激光能够聚焦于所述烧蚀腔的腔壁上并烧蚀该腔壁诱发等离子体，以形成初始火焰，所述初始火焰用于起到点火作用；

其中，所述激光器发射的激光聚焦于所述烧蚀腔的腔壁时，所述烧蚀腔的腔壁受到所述激光照射的面积为第一面积；若所述激光器发射的激光直接聚焦于所述凹腔的底壁，所述凹腔的底壁受到所述激光照射的区域的面积为第二面积，所述第二面积小于所述第一面积；

所述烧蚀腔包括第一腔室，所述第一腔室的开口形成于所述凹腔的底壁，且所述第一腔室的横截面积从靠近所述第一腔室的开口的一侧至远离所述第一腔室的开口的一侧的方向递减。

2.根据权利要求1所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构，其特征在于，所述第一腔室的腔壁为曲面。

3.根据权利要求2所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构，其特征在于，所述第一腔室的腔壁为半球面。

4.根据权利要求1所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构，其特征在于，所述烧蚀腔还包括开设于所述第一腔室的腔壁的第二腔室，所述第二腔室的开口与所述第一腔室的开口同轴设置，所述激光器发射的激光能够依次穿过所述第一腔室的开口以及所述第二腔室的开口，且所述激光器发射的激光能够照射于所述第二腔室；

其中，所述第二腔室的腔壁受到激光照射的面积大于所述第二腔室的开口面积。

5.根据权利要求4所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构，其特征在于，所述第二腔室的开口形成于所述第一腔室的底壁的中心，且所述第二腔室的横截面积从靠近所述第二腔室的开口的一侧至远离所述第二腔室的开口的一侧的方向递减。

6.根据权利要求5所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构，其特征在于，所述第二腔室的腔壁为曲面。

7.根据权利要求1-6任一项所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构，其特征在于，所述凹腔的底壁为平面，所述激光器发射的激光以垂直于所述凹腔的底壁的方向聚焦于所述烧蚀腔的腔壁。

8.根据权利要求1-6任一项所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构，其特征在于，所述凹腔包括靠近所述燃烧室的进口的第一端、以及靠近所述燃烧室的出口的第二端，所述烧蚀腔靠近所述第二端设置。

9.一种超燃冲压发动机，其特征在于，包括如上权利要求1-8任一项所述的超声速凹腔燃烧室的点火结构。

Images