CN113154448B - 用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，解决现有矩形燃烧室上布置支板喷注器和稳定器不适用于圆形燃烧室中，支板喷注器连接存在繁冗、耗时、可靠性差问题。装置包括燃烧室本体和M个喷注组；燃烧室本体包括入口壳体、稳压壳体和锥筒结构的喷注器安装壳体；稳压壳体内壁设有环形缺口；每个喷注组包括沿喷注器安装壳体周向均布的N个支板喷注器，且所有支板喷注器圆周均布；支板喷注器包括喷注器本体、紧固螺母和密封圈；喷注器本体设在喷注器安装壳体上，其内部设有介质通道；喷注器本体上设有外螺纹和径向喷注孔；密封圈位于安装壳体内壁和限位块间；紧固螺母与外螺纹配合；M个喷注组的喷注器本体构型不同。

Description

用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置

技术领域

本发明涉及发动机燃烧室稳定装置，具体涉及一种用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置。

背景技术

超燃冲压发动机与火箭基组合循环发动机是未来液体动力系统重要的战略发展方向，该类型发动机在冲压燃烧室燃烧组织方面具有一定的相似性，为进一步拓展其在高超飞机、临近空间飞行器和航天运输等方面的应用，提出从矩形燃烧室研制向圆形截面冲压燃烧室研制方向的拓展。

与传统大宽高比矩形燃烧室相比，圆形燃烧室研制难点主要体现在中心区域燃烧组织困难，稳焰难度大。现有矩形燃烧室上布置支板喷注器和稳定器的方式不适用于圆形燃烧室中，因此，在圆形截面冲压燃烧室设计中，如何合理设置支板喷注器与稳定器，是实现燃烧室点火、稳焰、低阻燃烧的关键。

传统矩形燃烧室的支板喷注器连接方案是：首先，支板喷注器上设置法兰结构，通过法兰结构与燃烧室进行对接安装；其次，支板喷注器与燃烧室之间的连接法兰多为矩形结构，传统的矩形端面、多螺钉压缩紧固方案存在密封垫压缩不均匀，存在紧固方式繁冗、耗时等问题，且会在一定程度上降低产品的使用可靠性。因此，在支板喷注器安装紧固结构设计中，如何实现支板喷注器与冲压燃烧室的可靠连接是总装结构设计中需要解决的一个重要问题。

发明内容

为了解决现有矩形燃烧室上布置支板喷注器和稳定器的方式不适用于圆形燃烧室中，以及支板喷注器与燃烧室采用法兰实现连接，存在紧固方式繁冗、耗时，可靠性差的技术问题，本发明提供了一种用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特殊之处在于：包括燃烧室本体和喷注单元；

所述燃烧室本体包括沿轴向依次连通的入口壳体、喷注器安装壳体和稳压壳体；

所述稳压壳体连接喷注器安装壳体的一端内壁设有环形缺口，形成环形稳定结构；

所述喷注器安装壳体为锥筒结构，且大端与稳压壳体相连，小端与入口壳体相连；

所述喷注单元包括设置在喷注器安装壳体上的M个喷注组，每个喷注组包括沿喷注器安装壳体圆周方向均布的N个支板喷注器，所有支板喷注器沿喷注器安装壳体圆周均布；其中，M为大于等于1的整数，N＝1,2……；

所述支板喷注器包括喷注器本体、紧固螺母和密封圈；

所述喷注器本体设置在喷注器安装壳体上，其内部沿轴向设有介质通道，介质通道的介质流向与来流方向呈锐角；

所述喷注器本体位于喷注器安装壳体外侧的侧壁上设有外螺纹；

所述喷注器本体位于喷注器安装壳体内部的侧壁设有用于轴向限位的限位块以及与介质通道相通的多个径向喷注孔；

所述密封圈套设在喷注器本体上，且位于安装壳体内壁和限位块之间；

所述紧固螺母安装在喷注器本体的外螺纹上，用于将喷注器本体固定在喷注器安装壳体上；

M个喷注组的喷注器本体构型不同。

进一步地，所述环形缺口的截面为直角梯形，且斜边远离喷注器安装壳体一侧设置。

进一步地，所述环形缺口的长深比L/d＝6～8，环形缺口的后掠角θ为30～60°。

进一步地，所述M为2，N为3；

所述M个喷注组的喷注器本体伸入喷注器安装壳体内的轴向长度不同。

进一步地，所述喷注器本体为长条状结构，介质通道中心线与喷注器本体中心线平行；

所述喷注器本体中心线与燃烧室本体轴线之间的夹角α为30°～60°。

进一步地，所述喷注器安装壳体为带有1.5°～3°扩张角的锥筒结构；

所述α为45°。

进一步地，所述介质通道包括第一通道段和第二通道段，第一通道段的入口开口于喷注器本体的外端面，其出口与第二通道段的入口相连通，第二通道段的出口开口于喷注器本体的内端面，且第二通道段开设在位于喷注器安装壳体内的喷注器本体上；

所述第二通道段的截面面积大于第一通道段的截面面积。

进一步地，所述径向喷注孔为沿喷注器本体轴向布置的至少一排；轴向相邻两个径向喷注孔的间隔从靠近喷注器安装壳体中心向远离喷注器安装壳体中心一侧逐渐递增。

进一步地，所述径向喷注孔为沿喷注器本体轴向布置的2排，2排径向喷注孔的出口方向相反；

所述第一通道段的直径Φd为6mm。

进一步地，所述限位块靠近稳压壳体的端面与环形缺口端面共面。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明环形缺口与支板喷注器之间形成环形凹腔稳定结构，支板喷注器和环形凹腔稳定结构采用轴向“紧邻式”布局设计，能有效提升圆形截面冲压燃烧室的点火稳焰能力。

2、本发明支板喷注器沿轴向布局时，支板喷注器紧邻设置在环形凹腔稳定结构位置前段，使支板喷注器一方面满足燃油喷注需求，另一方面同时满足加强环形凹腔稳定结构稳焰能力的需求，进一步扩大、贯通支板喷注器/环形凹腔稳定结构位置的低速区域，进而有利于增加支板喷注器喷注燃油与来流空气的掺混时间，提升两者的掺混效能，实现燃烧室的可靠点火与稳定燃烧。

3、本发明喷注单元采用径向“组合式”“布局设计，可使得不同数目、不同结构的支板喷注器实现灵活组合，适应燃烧室高效低阻燃烧组织需求，同时，使燃烧室具备了调节支板阻塞比、燃油散布区域的能力。

4、本发明支板喷注器与燃烧室本体采用“整体斜插式”对接安装结构，实现两者的简捷、高效对接；支板喷注器与燃烧室本体之间采用环形端面密封形式，阻隔冲压燃烧室内燃气泄露路径，实现支板喷注器与燃烧室本体的可靠密封；以及支板喷注器与燃烧室本体之间采用紧固螺母紧固结构，实现两者的快速、可靠连接紧固。

附图说明

图1是本发明用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图1的局部细节结构示意图；

其中，附图标记如下：

1-燃烧室本体，11-入口壳体，12-喷注器安装壳体，13-稳压壳体，131-环形缺口；

2-支板喷注器，21-喷注器本体，211-介质通道，2111-第一通道段，2112-第二通道段，212-限位块，213-径向喷注孔，22-紧固螺母，23-密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

在实现圆形截面冲压燃烧室有限空间点火稳焰、低阻燃烧组织问题上，支板喷注器与环形凹腔稳定结构发挥着至关重要的作用，其中，支板喷注器需要具备提升圆形截面燃烧室中燃油与超声速来流空气的掺混强度和均匀度，以及增大燃油射流穿透深度的能力，环形凹腔稳定结构需要为燃烧室提供适宜点火环境的同时，也是超声速燃烧组织中重要的稳焰结构。本发明在冲压燃烧室中支板喷注器在采用径向“组合式”“布局设计方案，以及支板喷注器2与环形凹腔稳定结构采用轴向“紧邻式”布局设计方案。

如图1所示，本发明用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，为实现燃烧室的点火、稳焰与低阻燃烧提供了重要的技术支撑，其包括燃烧室本体1和喷注单元。

燃烧室本体1包括沿轴向依次连通的入口壳体11、喷注器安装壳体12和稳压壳体13；稳压壳体13连接喷注器安装壳体12的一端内壁设有环形缺口131；喷注器安装壳体12为锥筒结构，且大端与稳压壳体13相连，小端与入口壳体11相连。喷注器安装壳体12具体为带有小扩张角(1.5°～3°)的微扩圆筒，通常小扩张角约2°；如图2所示，喷注单元包括设置在喷注器安装壳体12上的至少1个喷注组，每个喷注组包括沿喷注器安装壳体12圆周方向均布的至少1个支板喷注器2，每个喷注组的支板喷注器2构型不同，所有支板喷注器2沿喷注器安装壳体12圆周均布；本发明依据不同来流条件下燃烧室燃油供应、点火、稳焰燃烧组织需求，喷注单元设计方案可使不同数目、不同结构的支板喷注器2实现灵活组合。具体使用中，支板喷注器2的厚度、数量、长短、型面结构均可依据需求进行灵活搭配组合，可使冲压燃烧室具备调节支板喷注器2阻塞比、燃油散布区域的能力，能更好的适应燃烧室高效低阻燃烧组织需求。

支板喷注器2包括喷注器本体21、紧固螺母22和密封圈23，喷注器本体21对接安装在喷注器安装壳体12上，其内部沿轴向设有介质通道211，介质通道211的介质流向与来流方向呈锐角；

喷注器本体21位于喷注器安装壳体12外侧的侧壁上设有外螺纹；喷注器本体21位于喷注器安装壳体12内部的侧壁设有限位块212，限位块212抵靠在喷注器安装壳体12内壁，实现轴向限位，限位块212后端面(靠近稳压壳体13的端面)与环形缺口131端面共面，与环形缺口131内壁之间形成环形凹腔稳定腔，该环形凹腔稳定腔能有效提升圆形截面冲压燃烧室的点火稳焰能力。限位块212可为环状结构，也可为矩形结构或者其他结构。

喷注器本体21位于喷注器安装壳体12内部的侧壁还设有与介质通道211相通的多个径向喷注孔213，多个径向喷注孔213为沿喷注器本体21轴向布置的至少一排，轴向相邻两个径向喷注孔213的间隔从靠近喷注器安装壳体12中心向远离喷注器安装壳体12中心一侧逐渐递增，本实施例径向喷注孔213为沿喷注器本体21轴向布置的2排，2排径向喷注孔213的出口方向相反。

密封圈23套设在喷注器本体21上，且位于安装壳体内壁和限位块212之间，安装壳体内壁上设有用于放置密封圈23的密封槽，密封圈23可依据产品使用环境进行选择，金属密封材料、或非金属密封材料均可；紧固螺母22安装在喷注器本体21的外螺纹上，用于将喷注器本体21固定在喷注器安装壳体12上；紧固螺母22可依据设计需求直接选用标准件，具有较强的结构设计通用性。多个喷注组的喷注器本体21位于喷注器安装壳体12内的轴向长度不同。

如图3所示，喷注器本体21为长条状结构，介质通道211中心线与喷注器本体21中心线平行；喷注器本体21中心线与燃烧室本体1轴线之间的夹角α为30°～60°。

本发明支板喷注器2与燃烧室本体1采用“整体斜插式”对接结构后，支板喷注器2自身的外型结构、内流道结构均具备“直线型、无转折”设计条件，不仅可实现支板喷注器2的“零焊接”结构，同时也有利于支板喷注器2喷孔出口射流的稳定性，提升了支板喷注器2产品的工作可靠性。喷注器本体21与燃烧室本体1采用“整体斜插式”对接结构，以此结构实现两者的简捷、高效对接；喷注器本体21与燃烧室本体1之间通过限位块212限位，喷注器本体21与燃烧室本体1环形端面密封形式(密封圈23)，有效阻隔冲压燃烧室内燃气泄露路径，实现支板喷注器2与燃烧室本体1的可靠密封；并采用“单螺母”(紧固螺母22)紧固结构，以此结构实现两者的快速、可靠连接紧固。

本发明支板喷注器2与燃烧室本体1连接方式突破了支板喷注器2与现有燃烧室常采用的法兰连接结构，解决了传统的矩形端面、多螺钉压缩紧固方案密封垫压缩不均匀，紧固、拆装过程繁冗、耗时等问题，同时也提高了产品的使用可靠性。

喷注器本体21的厚度可依据圆形截面燃烧室尺度大小、燃油散布区域要求等进行合理调整；单个喷注器本体21数量的选择与燃烧室尺度、燃油散布区域要求、稳焰需求等密切相关，可根据实际需要进行合理设计。

本发明支板喷注器2沿轴向(气流流动方向)布局时，支板喷注器2紧邻设置在环形凹腔稳定结构位置前段，如图2所示，使支板喷注器2一方面满足燃油喷注需求，同时满足加强环形凹腔稳定结构稳焰能力的需求，进一步扩大、贯通支板喷注器2/凹腔位置的低速区域，进而也有利于增加支板喷注器2喷注燃油与来流空气的掺混时间，提升两者的掺混效能，实现燃烧室的可靠点火与稳定燃烧。

本实施例喷注器本体21上的介质通道211包括第一通道段2111和第二通道段2112，第一通道段2111的入口开口于喷注器本体21的外端面，其出口与第二通道段2112的入口相连通，第二通道段2112的出口开口于喷注器本体21的内端面，且第二通道段2112开设在位于喷注器安装壳体12内的喷注器本体21上；第一通道段2111的直径Φd为6mm，第二通道段2112的截面面积大于第一通道段2111的截面面积。

以圆形截面冲压燃烧室设计方案为例，支板安装位置对应的冲压燃烧室横截面直径ΦD_rss＝175mm，其设计步骤如下:

1)首先确定总支板喷注器2安装数量n，考虑到支板喷注器2燃油散布区域、支板喷注器2阻力、燃烧室可容纳的阻塞比及其支板喷注器2安装的可实现性等方面，一般优选总支板喷注器2数量n为4～8个，本案例选择n＝6；

2)支板喷注器2数量确定后，即可依据支板喷注器2沿径向均匀布局要求，确定支板喷注器2安装角度α；为减小超声速来流条件下的支板阻力，同时兼顾支板喷注器2高效燃油掺混的考虑，支板喷注器2安装角度选择在30°～60°范围内，本实施例择θ＝45°；

3)确定支板喷注器2的迎风面积，本发明定义支板喷注器2沿来流方向在圆形燃烧室安装横截面上的投影面积为迎风面积，该面积取值为支板喷注器2所在安装截面(ΦD)面积的10％～20％，该参数的选择可在确保燃油高效均匀散布的同时，控制支板喷注器2阻力，实现低阻燃烧；

4)依据支板喷注器2的迎风面积和数量，可确定单个支板喷注器2的厚度(b1/b2)，本实施例将6个支板喷注器2分为2组(M为2)，分别为第一喷注组和第二喷注组，第一喷注组包括沿喷注器安装壳体12圆周方向均布3个第一支板喷注器2(N为3)，第二喷注组包括沿喷注器安装壳体12圆周方向均布3个第二支板喷注器2，且6个支板喷注器2圆周均布，本实施例选择长短搭配的支板喷注器2组合，第一支板喷注器2和第二支板喷注器2的轴向长度不同，支板喷注器2喷注方式选用侧喷结构，支板喷注器2厚度15mm。

在满足燃烧室支板喷注器2供油范围及供应压力的前提下，确定支板喷注器2供油通道(介质通道211)内径，本实施例选择支板喷注器2供应入口油通道(第一通道段2111)内径Φd＝6mm；

支板喷注器2供油通道内径确认后，依据支板喷注器2结构强度设计需求，支板供油通道壁厚设计为4mm，即，支板喷注器2供油通道外壁直径ΦD＝14mm。

依据支板喷注器2供油通道外壁直径，选用M14通用的紧固螺母22用于支板喷注器2与燃烧室本体1的紧固安装。

密封圈23结构设计中，将其内圈直径与支板喷注器2供油通道外壁保持一致，Φd1＝14mm，密封垫宽度b1选择在2.5～3mm的范围，密封垫厚度参照喷注器安装壳体12内壁上密封槽的深度h确认，密封垫厚度选为1.25h；

5)本实施例燃烧室本体1上环形缺口131的截面为直角梯形，且斜边远离喷注器安装壳体12一侧设置，环形缺口131的长深比L/d＝6～8，环形缺口131的后掠角θ为30～60°，将入口壳体11、喷注器安装壳体12和稳压壳体13为一体式结构，支板喷注器2与环形凹腔稳定结构采用一体化布局方案，有利于加强燃烧室的稳焰能力，并进一步扩大、支板喷注器2与环形凹腔稳定结构位置的低速区域，此时在凹腔位置引入点火射流，能实现更为可靠的点火环境。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (8)

1.一种用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特征在于：包括燃烧室本体（1）和喷注单元；

所述燃烧室本体（1）包括沿轴向依次连通的入口壳体（11）、喷注器安装壳体（12）和稳压壳体（13）；

所述稳压壳体（13）连接喷注器安装壳体（12）的一端内壁设有环形缺口（131），形成环形稳定结构；

所述喷注器安装壳体（12）为锥筒结构，且大端与稳压壳体（13）相连，小端与入口壳体（11）相连；

所述喷注单元包括设置在喷注器安装壳体（12）上的M个喷注组，每个喷注组包括沿喷注器安装壳体（12）圆周方向均布的N个支板喷注器（2），所有支板喷注器（2）沿喷注器安装壳体（12）圆周均布；其中，M为大于等于1的整数，N=1,2……；

所述支板喷注器（2）包括喷注器本体（21）、紧固螺母（22）和密封圈（23）；

所述喷注器本体（21）设置在喷注器安装壳体（12）上，其内部沿轴向设有介质通道（211），介质通道（211）的介质流向与来流方向呈锐角；

所述喷注器本体（21）位于喷注器安装壳体（12）外侧的侧壁上设有外螺纹；

所述喷注器本体（21）位于喷注器安装壳体（12）内部的侧壁设有用于轴向限位的限位块（212）以及与介质通道（211）相通的多个径向喷注孔（213）；

所述喷注器本体（21）为长条状结构，介质通道（211）中心线与喷注器本体（21）中心线平行；所述喷注器本体（21）中心线与燃烧室本体（1）轴线之间的夹角α为30°~60°；

所述介质通道（211）包括第一通道段（2111）和第二通道段（2112），第一通道段（2111）的入口开口于喷注器本体（21）的外端面，其出口与第二通道段（2112）的入口相连通，第二通道段（2112）的出口开口于喷注器本体（21）的内端面，且第二通道段（2112）开设在位于喷注器安装壳体（12）内的喷注器本体（21）上；所述第二通道段（2112）的截面面积大于第一通道段（2111）的截面面积；

所述密封圈（23）套设在喷注器本体（21）上，且位于安装壳体内壁和限位块（212）之间；

所述紧固螺母（22）安装在喷注器本体（21）的外螺纹上，用于将喷注器本体（21）固定在喷注器安装壳体（12）上；

M个喷注组的喷注器本体（21）构型不同。

2.根据权利要求1所述用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特征在于：

所述环形缺口（131）的截面为直角梯形，且斜边远离喷注器安装壳体（12）一侧设置。

3.根据权利要求2所述用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特征在于：所述环形缺口（131）的长深比L/d=6~8，环形缺口（131）的后掠角θ为30~60°。

4.根据权利要求1至3任一所述用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特征在于：所述M为2，N为3；

所述M个喷注组的喷注器本体（21）伸入喷注器安装壳体（12）内的轴向长度不同。

5.根据权利要求4所述用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特征在于：所述喷注器安装壳体（12）为带有1.5°~3°扩张角的锥筒结构；

所述α为45°。

6.根据权利要求5所述用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特征在于：所述径向喷注孔（213）为沿喷注器本体（21）轴向布置的至少一排；轴向相邻两个径向喷注孔（213）的间隔从靠近喷注器安装壳体（12）中心向远离喷注器安装壳体（12）中心一侧逐渐递增。

7.根据权利要求6所述用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特征在于：所述径向喷注孔（213）为沿喷注器本体（21）轴向布置的2排，2排径向喷注孔（213）的出口方向相反；

所述第一通道段（2111）的直径Φd为6mm。

8.根据权利要求1所述用于冲压发动机超声速燃烧室燃油喷注与火焰稳定的装置，其特征在于：所述限位块（212）靠近稳压壳体（13）的端面与环形缺口（131）端面共面。

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