CN114294679B - 一种复合型热防护凹腔燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型热防护凹腔燃烧室，包括：燃烧室，燃烧室的内壁涂有主动隔热的热障涂层；燃烧室的外部设置有燃油管道总成，燃烧室包括：依次连接的隔离段、凹腔段和扩张段，其三者的内壁均设置有冷却通道；燃油管道总成可向上述冷却通道内部分配燃油进行分段冷却，随后将分段冷却之后的燃油重新喷注回燃烧室内部参与燃烧，实现再生冷却。实现了主动的热障涂层隔热和被动的再生冷却二者的有机结合，可降低冷却剂的使用量，并根据分配使冷却剂精准配给，防止局部冷却效果差距过大，最终实现高效的热防护。

Description

一种复合型热防护凹腔燃烧室

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机热防护技术领域，具体涉及一种复合型热防护凹腔燃烧室。

背景技术

超燃冲压发动机的再生冷却设计往往针对单一工况设计，很难满足变工况范围内燃料热沉释放与热载荷达到最佳的匹配，不能充分利用燃料在每一个温区内的热沉能力，从而影响燃料热沉的利用率，造成浪费。为此需要突破传统槽道式冷却通道的限制，寻求结构适应性更强的冷却通道结构方案，才有可能在大范围变工况范围内均实现燃料热沉的充分利用，然而实现全工况冷却用燃料与燃烧用燃料流量的匹配仍十分困难。

近年来，人们意识到，以目前的技术水平很难通过某个单项冷却技术满足超燃冲压发动机的需求，需要发展复合型热防护技术。但是如何将多种热防护技术有机地结合到一起，充分挖掘复合型热防护的技术优势，形成功能互补和能力衔接，还具有一定困难。

因此，如何提供一种热防护高效且提高发动机可靠性的复合热防护超燃冲压发动机燃烧室是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效热防护且使热防护技术结合生效的复合型热防护凹腔燃烧室。

为实现上述目的，本发明提供一种复合型热防护凹腔燃烧室，包括：内壁涂有热障涂层的燃烧室和设置在燃烧室外侧的燃油管道总成，燃烧室包括：依次连接的隔离段、凹腔段和扩张段；隔离段、凹腔段和扩张段的内壁均设有冷却通道；

燃油管道总成可向冷却通道分配燃油进行分段冷却；再将分段冷却后的燃油重新喷注进入燃烧室，以实现再生冷却。

可选地，凹腔段包括：数个凹腔和连通在凹腔之间的连接段。

可选地，连接段的外周面环绕设置有用以实现燃油喷注的喷注孔。

可选地，凹腔的外周面环绕设置有点火器。

可选地，燃油管道总成包括：冷端集液总管和冷却剂流入管；

冷却剂流入管环绕设置在凹腔段和扩张段的外侧，以实现分段冷却；冷端集液总管连通冷却剂流入管，以提供燃油。

可选地，燃油管道总成还包括：热端集液总管、冷却剂流出管和冷却剂喷注管；

冷却剂流出管环绕设置在凹腔段和扩张段的外侧，冷却剂喷注管环绕设置在喷注孔的外侧，热端集液总管从冷却剂流出管收集分段冷却后的燃油并传输给冷却剂喷注管。

可选地，隔离段、凹腔段和扩张段两端的外周面均设有集液环，集液环与燃油管道总成连通以实现燃油的分配。

可选地，冷却通道可设置为铣槽式通道以供燃油进行冷却。

相对于上述背景技术，本发明设置有燃烧室，燃烧室的内壁涂有主动隔热的热障涂层；燃烧室的外部设置有燃油管道总成，燃烧室包括：依次连接的隔离段、凹腔段和扩张段，其三者的内壁均设置有冷却通道；燃油管道总成可向上述冷却通道内部分配燃油进行分段冷却，随后将分段冷却之后的燃油重新喷注回燃烧室内部参与燃烧，实现再生冷却。实现了主动的热障涂层隔热和被动的再生冷却二者的有机结合，可降低冷却剂的使用量，并根据分配使冷却剂精准配给，防止局部冷却效果差距过大，最终实现高效的热防护。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的复合型热防护凹腔燃烧室的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的凹腔段的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的凹腔段表面的局部放大图；

图4为本发明实施例所提供的集液环与法兰圆环配合的结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的扩张段的外部结构示意图；

图6为本发明实施例所提供的冷却通道的截面图。

其中：

1-燃烧室、2-燃油管道总成、21-冷端集液总管、22-冷却剂流入管、23-热端集液总管、24-冷却剂流出管、25-冷却剂喷注管、26-弯折管道、3-隔离段、4-凹腔段、41-凹腔、42-连接段、43-喷注孔、44-点火器、5-扩张段、6-冷却通道、61-槽道、62-肋条、7-集液环、8-法兰圆环。

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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参考说明书附图1，附图1为本发明实施例所提供的复合型热防护凹腔燃烧室的结构示意图，包括：燃烧室1的内壁涂有用于实现主动冷却的热障涂层；热障涂层设为双层结构，其表面为隔热陶瓷层(TC)、中间层为抗氧化粘接层(BC)，内层为合金基体，粘接层受热后产生热生长氧化层(TGO)，位于陶瓷层与粘接层之间。典型的TC材料为ZrO2陶瓷，特征为热阻大、耐高温和热稳定性好；BC材料通常为MCrAlY(M代表Ni、Co、Fe等金属或它们的组合)，特征为成分可控度大、抗氧化能力力强、塑韧性好。因此，热障涂层具有抗氧化防护与降低金属表面温度的双重功效。上述燃烧室1的外侧设置有燃油管道总成2，燃油管道总成2用于配合燃烧室1实现被动的再生冷却。

上述燃烧室1包括：依次连接的隔离段3、凹腔段4和扩张段5；上述隔离段3是超燃冲压发动机的重要部件，通常可设计成一个等截面或有微扩张角的管道，用于连通进气道和燃烧室1，它有两个重要的作用：一是隔离(或最小化)进气道和燃烧室1间的相互干扰，使进气道有一个较宽的稳定工作范围；另一个是使超燃冲压发动机能以双模态方式工作。隔离段3的性能直接影响到发动机各部件的工作稳定性和总体的性能。

上述凹腔段4是超燃冲压发动机中一种有效的火焰稳定装置，引入已被证实能增强混合和提高火焰稳定能力。为进一步提高混合、燃烧效率，提出了“多凹腔”的概念。现已通过大量研究证明采用多火焰稳定多凹腔能实现高效燃烧，提升发动机性能。

上述超燃冲压发动机的尾喷管一般为非对称大膨胀比类型，在俯仰方向有很大的不对称性，推力及推力矢量的不同变化对飞行器的性能有很大影响。作为发动机的排气装置，尾喷管是燃烧室1内高温、高压燃气的出口。其作用是将燃烧室1出口高温高压的燃气膨胀加速，使喷管排出的气流动量大于进气道捕获气流的动量，从而使发动机产生净推力。一体化发动机的机身前部作为进气道的预压缩部分，机身后部作为超燃冲压发动机的外喷管。因此，超燃冲压发动机喷管必须是矩形和不对称的。本方案设计的喷管并未考虑与机身后部的一体化的膨胀面，仅考虑其前面的扩张段5，为燃烧室1结构的一部分。

上述隔离段3、凹腔段4和扩张段5的内壁均设置有冷却通道6，冷却通道6沿长度方向设置在三者内壁用于燃油经过吸收热量进行冷却；上述燃油管道总成2将分别向不同的冷却通道6分配燃油先进行分段冷却，随后将流经冷却通道6吸收热量之后的燃油收集起来，此时燃油也进行了预热，向燃烧室1重新喷注，通过分段冷却吸收的热量又重新回到燃烧室1内，得以实现再生冷却。这种再生冷却系统极大程度上减轻了冷却结构的质量，同时充分利用了燃油的吸热性质。

将上述燃烧室1的截面形状设置为圆形，可使其具有更小的结构质量；在高动压环境下更小的粘性阻力；可以有效降低在燃烧室和隔离段3角落中潜在的有害流动动力效应；凹腔段3的结构简单，避免了直接暴露在高速气流中，热防护压力小，并且不存在高温密封问题；主被动复合热防护效果更好，可降低冷却剂的使用量；分段主动冷却方案支持各段冷却剂流量的精确配给，可避免局部区域过冷，或者过热。

上述热障涂层的设置方式不仅限于上述一种，任意可实现同等效果的主动隔热涂层或膜冷却技术均可进行等效替换，本文不再展开赘述。

上述燃烧室1的截面形状也不仅限于设置为圆形，根据实际需求更改其形状同样可使本发明的结构符合上述工作原理，本文不再展开赘述。

进一步地，请参考说明书附图2，附图2为本发明实施例所提供的凹腔段的结构示意图，包括：上述凹腔段4包括：数个凹腔41和凹腔41之间连接的连接段42；从而实现分段冷却，冷却槽道6的设计尺寸和进气道部分一致。本实施例中所采用的为三个凹腔41相连的燃烧结构，其既属于串联凹腔，也属于并联凹腔；凹腔41部分分成三段进行冷却，每段之间有连接段42。串联构型在上游的凹腔41能够延长燃料驻留时间，加热、掺混和预燃燃料，促进燃料着火；下游凹腔41内高温燃气，能够持续点燃和补燃经上游凹腔41加热和预混后的燃料，压缩上游来流，进一步促进上游凹腔41对燃料加热和预燃，从而增强燃烧；并联构型增强燃烧的机制是异侧壁面高温区压缩来流形成的压缩激波及异侧凹腔41后缘碰撞激波与火焰面相互作用，促进了燃烧。采用三个串联凹腔41可以减小总压的损失实现超声速燃烧的火焰稳定。

上述凹腔段4的凹腔41结构组合可根据实际需求更改，不仅限于上述一种，本文不再展开。

进一步地，请参考说明书附图3，图3为本发明实施例所提供的凹腔段表面的局部放大图，包括：上述连接段42的外周面环绕设置有喷注孔43，因为装配需求，凹腔段4的内壁无法满足喷注孔43及点火装置安装孔的深度，因此这两部分的结构凸出，为了减小对冷却剂流动的影响，采用孤岛设计，本方案设计的燃烧室采用分布式喷注方案，共设置6个喷油环，三个凹腔41前后各一个，每个喷油环周向均布12个喷注孔43，为了使喷入的燃料在燃烧室中均匀混合燃烧，每一相邻的喷注孔43错开。燃料喷注方式为壁面横向喷注。

喷注孔43可设置为两种尺寸，其直径分别为2mm和0.5mm。0.5mm的孔为启动点火时使用，但因其流量较小，对其他部分影响较小，处于常开状态。2mm的孔为燃料的主喷注孔，控制喷入燃烧室的流量。

上述喷注孔43的尺寸、数量和具体设置位置均可根据实际需求更改，不仅限于上述的设置形式，只需要满足上述工作原理即可，本文不再展开赘述。

进一步地，上述凹腔41的外周面的中部环绕设置有实现燃烧的点火器44，上述点火器44呈凸起的孤岛设置；点火器44对应设置在靠近大部分喷注孔43的位置。点火器44还可采用高能量的固体火药点火器或火炬点火器等进行替换，本文不再展开。

进一步地，上述燃油管道总成2包括：冷端集液总管21和冷却剂流入管22；冷却剂流入管22分别环绕设置在隔离段3与凹腔段4的连接处、凹腔段4的每个凹腔41的连接处、凹腔段4与扩张段5这三个位置的外周；上述冷端集液总管21设置在冷却剂流入管22的一侧，且与所有的冷却剂流入管22连通，初始燃油从冷端集液总管21中流入冷却剂流入管22，冷却剂流入管22设置有弯折管道26将燃油作为冷却剂分配进入各个位置的冷却通道6之中，将冷却剂流入管22对应分配进入的一端设置为各个冷却通道6的入口端。

进一步地，上述燃油管道总成2还包括：热端集液总管23、冷却剂流出管24和冷却剂喷注管25；上述冷却剂流出管24环绕设置在凹腔段4和扩张段5的外侧，上述冷却剂喷注管25环绕设置在上述喷注孔43的外侧。上述热端集液总管23与冷却剂流出管24和冷却剂喷注管25分别连通，冷却剂流出管24设置在每个冷却通道6与入口端相对的另一端，即出口端，冷却剂流出管24通过出口端设置的弯折管道26收集流经冷却通道6的吸收热量后的燃油进入热端集液总管23；随后，热端集液总管23再将上述燃油分流至各个冷却剂喷注管25中，并将燃油重新喷注回燃烧室1内部，用于实现再生冷却。对应本实施例来说，燃油经过电动泵增压后，达到所需压力，经过增压后的燃油分为两路；一路经过设置好的计量阀，监测流过的燃料流量，对隔离段3进行冷却后直接分成4路对三个凹腔41和扩张段5进行再生冷却；另一路回流进入预先设置的电动泵内，回流量通过压差阀检测计量阀两侧的压差来调节，使得喷入燃烧室的燃油流量满足发动机的工作需求，并且在回油路上设置一个回油阀；燃油在对燃烧室进行冷却后，直接喷入燃烧室与来流空气进行混合燃烧。燃油的流动路线为：首先从储箱出来的燃油进入冷端集液总管21，冷端集液总管21中的燃油通过焊接嘴进入冷却剂流入管22，并由弯折管道26进行燃油分配，对三个凹腔41及扩张段5进行分段冷却；燃料流过冷却通道6后通过冷却剂流出管24在热端集液总管23汇聚，之后升温后的燃料通过焊接嘴进入冷却剂喷注管25，共分为6个位置喷注，冷却剂喷注管25中的燃油最终喷注进入燃烧室进行混合燃烧。

进一步地，请参考说明书附图4和5，图4为本发明实施例所提供的集液环与法兰圆环配合的结构示意图；图5为本发明实施例所提供的扩张段的外部结构示意图，包括：上述隔离段3、凹腔段4和扩张段5的两端均设置有用于供分配燃油流经的集液环7，其中的凹腔段4中的每个凹腔41的两端均设置有集液环7，其内部与冷却通道6连通；上述每段结构的两端均设置有平行于其端面的法兰圆环8，法兰圆环8的中部留空不影响每段结构中部的连通；上述每段结构的外周面与法兰圆环8延伸至外侧的平面之间夹设有集液环7，集液环7具体为一个1/4圆环结构，其侧边分别焊接在法兰圆环8与外周面设置的小台阶上。集液环7上均布设置数个冷却剂流入与流出通道，冷却剂流入与流出通道用于和上述分配通道连通，其数量与弯折管道26数量对应设置，实现冷却剂的进出。

上述集液环7不仅限于设置为上述1/4圆环结构，任意能实现上述工作效果的集液结构设计均可实现替换，本文不再展开。

进一步地，请参考说明书附图6，图6为本发明实施例所提供的冷却通道的截面图，包括：上述冷却通道6采用铣槽式结构，在其内壁上直接加工出槽道61和肋条62，通过肋条62与其外壁焊接连接形成再生冷却通道。在冷却通道6的两端设计有圆角，用于减小冷却剂的压力损失。

上述冷却通道6不仅限于设置为铣槽式结构，可根据实际需求改变对应更改冷却通道6，只需保证其符合上述工作原理即可，本文不再展开赘述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的复合型热防护凹腔燃烧室进行了详细介绍。本文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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种复合型热防护凹腔燃烧室，其特征在于，包括：内壁涂有热障涂层的燃烧室（1）和设置在所述燃烧室（1）外侧的燃油管道总成（2），所述燃烧室（1）包括：依次连接的隔离段（3）、凹腔段（4）和扩张段（5）；所述隔离段（3）、所述凹腔段（4）和所述扩张段（5）的内壁均设有冷却通道（6）；

所述燃油管道总成（2）可向所述冷却通道（6）分配燃油进行分段冷却；再将分段冷却后的所述燃油重新喷注进入所述燃烧室（1），以实现再生冷却；

所述凹腔段（4）包括：数个凹腔（41）和连通在所述凹腔（41）之间的连接段（42）；所述连接段（42）的外周面环绕设置有用以实现燃油喷注的喷注孔（43）；

所述燃油管道总成（2）包括：冷端集液总管（21）和冷却剂流入管（22）；

所述冷却剂流入管（22）环绕设置在所述凹腔段（4）和所述扩张段（5）的外侧，以实现分段冷却；所述冷端集液总管（21）连通所述冷却剂流入管（22），以提供所述燃油；

所述燃油管道总成（2）还包括：热端集液总管（23）、冷却剂流出管（24）和冷却剂喷注管（25）；

冷却剂流出管（24）环绕设置在所述凹腔段（4）和所述扩张段（5）的外侧，所述冷却剂喷注管（25）环绕设置在所述喷注孔（43）的外侧，所述热端集液总管（23）从所述冷却剂流出管（24）收集分段冷却后的所述燃油并传输给所述冷却剂喷注管（25）；

所述隔离段（3）、所述凹腔段（4）和所述扩张段（5）两端的外周面均设有集液环（7），所述集液环（7）与所述燃油管道总成（2）连通以实现所述燃油的分配。

2.根据权利要求1所述的复合型热防护凹腔燃烧室，其特征在于，所述凹腔（41）的外周面环绕设置有点火器（44）。

3.根据权利要求1-2任一项所述的复合型热防护凹腔燃烧室，其特征在于，所述冷却通道（6）可设置为铣槽式通道以供所述燃油进行冷却。

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