CN112524642A - 一种大尺度冲压发动机燃烧室及冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大尺度冲压发动机燃烧室及冲压发动机，包括沿燃烧室来流方向依次相连的燃烧室入口段、消波扩张段与燃烧室出口段以及支板火焰稳定器；所述消波扩张段的型线为消波特征线，所述消波扩张段与燃烧室入口段、燃烧室出口段均平滑相连；所述支板火焰稳定器设在燃烧室的轴线上且位于消波扩张段与燃烧室出口段连接处的位置。通过采用支板火焰稳定器提高燃料混合效果与燃烧效率；而且采用消波设计的燃烧室壁面构型可以有效降低燃烧室内的激波强度；同时通过匹配燃烧室壁面构型的支板火焰稳定器型面设计，降低支板前缘的激波强度。

Description

一种大尺度冲压发动机燃烧室及冲压发动机

技术领域

本发明涉及冲压发动机技术领域，具体是一种大尺度冲压发动机燃烧室及冲压发动机。

背景技术

如图1所示，支板结构是一种非常有效的火焰稳定器，支板后缘在中心流区域提供了极佳的被风区，配合燃料喷注可以有效提高燃料混合效果并有效容纳火焰。但是，由于其前缘产生的较强激波会造成极大的推力损失，而未被广泛应用在冲压发动机燃烧室构型设计中去。

目前冲压发动机多采用燃料横向喷注混合，配合在燃烧室侧壁开设凹腔稳定火焰，即如图2所示。但是，大尺度冲压发动机由于内径增大，在燃烧室壁面横向喷注燃料穿透深度低，燃料混合效果差，燃料横向喷注难以获得良好的混合效果。而借助凹腔火焰稳定器，稳焰范围较窄，容易发生燃烧不稳定。同时现有的支板设计在流场中产生较强的激波，燃烧室阻力较大，发动机推力损失大。

发明内容

针对谁函数现有技术中的不足，本发明提供一种大尺度冲压发动机燃烧室及冲压发动机，通过采用消波设计的燃烧室壁面构型可以有效降低燃烧室内的激波强度。

为实现上述目的，本发明提供一种大尺度冲压发动机燃烧室，包括沿燃烧室来流方向依次相连的燃烧室入口段、消波扩张段与燃烧室出口段以及支板火焰稳定器；所述消波扩张段的型线为消波特征线，所述消波扩张段与燃烧室入口段、燃烧室出口段均平滑相连；所述支板火焰稳定器设在燃烧室的轴线上且位于消波扩张段与燃烧室出口段连接处的位置。

进一步优选地，所述支板火焰稳定器上位于燃烧室来流上游的型面与燃烧室来流的气体等势线垂直。

进一步优选地，所述支板火焰稳定器上位于燃烧室来流下游的型面与燃烧室的轴线垂直。

进一步优选地，所述支板火焰稳定器上位于燃烧室来流下游的型面上设有喷注结构。

为实现上述目的，本发明提供一种大尺度冲压发动机燃烧室的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，根据喷管几何结构要求确定喉部尺寸和喷管流量；

步骤2，采用特征线法迭代求解非喉部曲线，以保证气流经过燃烧室扩张壁面后不产生激波损失；

步骤3，设计支板火焰稳定器型面与气体流动等势线相垂直，以保证支板不产生激波损失；

步骤4，在支板火焰稳定器后缘设置燃料喷注结构，以满足燃料混合与火焰稳定要求。

为实现上述目的，本发明提供一种冲压发动机，具有上述大尺度冲压发动机燃烧室。

本发明提供的一种大尺度冲压发动机燃烧室及冲压发动机，相较于现有的冲压发动机燃烧室构型，具有如下有益效果：

1.采用支板火焰稳定器提高燃料混合效果与燃烧效率；

2.采用消波设计的燃烧室壁面构型可以有效降低燃烧室内的激波强度；

3.通过匹配燃烧室壁面构型的支板火焰稳定器型面设计，降低支板前缘的激波强度。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术中支板火焰稳定器的工作效果示意图；

图2为大尺度冲压发动机的喷注效果示意图；

图3为本实施例中大尺度冲压发动机燃烧室的结构示意图；

图4为本实施例中大尺度冲压发动机燃烧室的设计过程的流程示意图；

图5为本实施例中特征线法迭代求解的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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，还可以是物理连接或无线通信连接；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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图3所示为本实施例公开的一种大尺度冲压发动机燃烧室，包括沿燃烧室来流方向依次相连的燃烧室入口段1、消波扩张段2与燃烧室出口段3以及支板火焰稳定器4；消波扩张段2的型线为消波特征线，消波扩张段2与燃烧室入口段1、燃烧室出口段3均平滑相连；支板火焰稳定器4设在燃烧室的轴线上且位于消波扩张段2与燃烧室出口段3连接处的位置。其中具体的，支板火焰稳定器4的前缘起始位置为气流经过消波扩张段2后开始偏折处，并且支板前缘形状为气流流线方向，以消除激波。

其中，支板火焰稳定器4上位于燃烧室来流上游的型面与燃烧室来流的气体等势线垂直，以保证支板不产生激波损失；且支板火焰稳定器4上位于燃烧室来流下游的型面与燃烧室的轴线垂直。优选地，将发动机的喷注结构设在支板火焰稳定器4上位于燃烧室来流下游的型面上，以满足燃料混合与火焰稳定要求。

通过采用本实施例所公开的大尺度冲压发动机燃烧室，不仅可以有效降低燃烧室内的激波强度，还能通过支板火焰稳定器4提高燃料混合效果与燃烧效率，且由于匹配燃烧室壁面构型的支板火焰稳定器型面设计，降低支板前缘的激波强度。

基于上述大尺度冲压发动机燃烧室，本实施例还公开了一种大尺度冲压发动机燃烧室的设计方法，参考图4-5，具体包括如下步骤：

步骤1，根据喷管几何结构要求确定喉部尺寸和喷管流量，其中，喉部尺寸和喷管流量具体包括：

发动机入口直径r₁、消波扩张段流向方向位置x₁、来流马赫数M₁、及当地的构型相对流线的偏折角度θ₁；

发动机出口直径r₂、消波扩张段流向方向位置x₂、出口马赫数M₂、及当地的构型相对流线的偏折角度θ₂。本实施例中，消波扩张段出口直径应在入口基础上增加约一个支板火焰稳定器直径。

步骤2，采用特征线法迭代求解消波扩张段的型线，以保证气流经过燃烧室扩张壁面后不产生激波损失，其具体过程为：

在已知消波扩张段起点的尺寸、流量参数(r₁、x₁、M₁、θ₁)以及消波扩张段终点的尺寸、流量参数(r₂、x₂、M₂、θ₂)，求解消波扩张段的第三个点(x₃,r₃,M₃,θ₃)，即图5所示；

首先第一步进行预估，其过程为：

μ₁＝sin^-1(1/M₁)

μ₂＝sin^-1(1/M₂)

h₁＝tan[θ₁+μ₁]

h₂＝tan[θ₂-μ₂]

根据差分方程有：

r₃-r₁＝h₁(x₃-x₁)

r₃-r₂＝h₂(x₃-x₂)

两式相减可得：

r₁-r₂＝{h₂-h₁}x₃+x₁h₁-x₂h₂

下面便可以求解相容性关系式，令：

则有：

g₁(M₃-M₁)-(θ₃-θ₁)-f₁＝0

g₂(M₃-M₂)+(θ₃-θ₂)-f₂＝0

从而有：

θ₃＝g₁(M₃-M₁)+θ₁-f₁

μ₃＝sin-1(1/M₃)

上述式中，γ为比热比；

其次第二步进行校正，其过程为为：

特征线方程和相容关系式的差分项不变，其系数或参数取平均值重复预估步的计算过程。经过一系列迭代求解步骤后，即能获得了消波扩张段2型面。

步骤3，设计支板火焰稳定器型面与气体流动等势线相垂直，以保证支板不产生激波损失；

在步骤2的迭代求解过程中能够获得扩张段上面任意位置的构型相对流线的偏折角度θ，通过θ可以确定来流气流的流动路径，沿不同流动路径上相同的流动速度连线即可获得气体流动的等势线，支板火焰稳定器的型面设计准则是在支板型面与当地的流动等势线垂直，支板火焰稳定器的起点位置为消波扩张段起点延伸出来的等势线位置。

步骤4，在支板火焰稳定器后缘设置燃料喷注结构，以满足燃料混合与火焰稳定要求。对于大尺度发动机燃烧室，支板火焰稳定器高度一般取50-100mm。支板长度根据消波设计的扩张段重点处延伸出来的等势线位置而定。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种大尺度冲压发动机燃烧室，其特征在于，包括沿燃烧室来流方向依次相连的燃烧室入口段、消波扩张段与燃烧室出口段以及支板火焰稳定器；所述消波扩张段的型线为消波特征线，所述消波扩张段与燃烧室入口段、燃烧室出口段均平滑相连；所述支板火焰稳定器设在燃烧室的轴线上且位于消波扩张段与燃烧室出口段连接处的位置。

2.根据权利要求1所述大尺度冲压发动机燃烧室，其特征在于，所述支板火焰稳定器上位于燃烧室来流上游的型面与燃烧室来流的气体等势线垂直。

3.根据权利要求2所述大尺度冲压发动机燃烧室，其特征在于，所述支板火焰稳定器上位于燃烧室来流下游的型面与燃烧室的轴线垂直。

4.根据权利要求1或2或3所述大尺度冲压发动机燃烧室，其特征在于，所述支板火焰稳定器上位于燃烧室来流下游的型面上设有喷注结构。

5.一种权利要求1至4任一项所述大尺度冲压发动机燃烧室的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据喷管几何结构要求确定喉部尺寸和喷管流量；

步骤2，采用特征线法迭代求解非喉部曲线，以保证气流经过燃烧室扩张壁面后不产生激波损失；

步骤3，设计支板火焰稳定器型面与气体流动等势线相垂直，以保证支板不产生激波损失；

步骤4，在支板火焰稳定器后缘设置燃料喷注结构，以满足燃料混合与火焰稳定要求。

6.一种冲压发动机，其特征在于，具有权利要求1至4任一项所述大尺度冲压发动机燃烧室。

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