CN115523512A - 一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，包括进气管、尾喷管和燃烧室内衬管，燃烧室内衬管处于进气管和尾喷管之间，燃烧室内衬管的两端与进气管和尾喷管分别相通，所述燃烧室内衬管的外壁面上固定有多个燃烧室支撑环，燃烧室内衬管的外侧套有外防护保护套体；它采用陶瓷基复合材料制成的燃烧室支撑环将燃烧室内衬管和外防护保护套体实现支撑，其结构刚性好，耐久度高，不容易损坏，其可以减少热量传递给外防护保护套体，保证设备的正常使用。

Description

一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构

技术领域：

本发明涉及冲压发动机相关技术领域，更具体地说涉及一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构。

背景技术：

冲压式发动机是喷气发动机的一种，他是利用高速气流在速度改变下产生的压力改变，达到气体压缩的原理来运作。

现有的冲压式发动机的由进气管、燃烧室管和尾喷管组成，其中燃烧室管的保温装置有很多方式，如主动热防护、再生冷却热防护和被动热防护等；

主动热防护。一种涡轮喷气式发动机常用的燃烧室内衬冷却形式，把发动机内部冷气通过金属内衬壁面的大量空洞引入内部，在内衬内表面覆盖一层冷气膜，隔绝内部高温燃气对内衬的烧蚀。

再生冷却热防护。把燃料通入内衬，在其壁面内部流道流动时吸走热量为其降温，最后喷入燃烧室参与燃烧。火箭发动机常用。

被动热防护。燃烧室内衬没有冷却措施，仅靠其自身材料的耐烧蚀性能抵抗高温，其外部需覆盖隔热材料以阻止热量向外部壳体和设备的传递。火箭、高超声速冲压发动机常用。

其中，在被动热防护方式结构中，燃烧室管包括内衬和外管，在内衬和外管之间设置环形的支撑件以支撑内衬和外管，并在内衬和外管之间填充隔热材料制成的隔热层，其通过隔热层实现对燃烧室的被动热防护。

对于被动热防护方式结构中使用的支撑件，现有的方案是两种，一种是用玻璃钢制成的支撑环方案，即由玻璃钢类材料制造的矩形截面的圆环形支撑结构，可用于被动热防护形式的燃烧室。这里的玻璃钢类材料主要由玻璃纤维布浸入树脂类材料铺层固化制成，装配在燃烧室内衬外表面，玻璃钢支撑环外侧与金属外壳相接触，起到传力和隔热作用。

此结构在发动机工作时，玻璃钢支撑环承受燃烧室内衬传来的高温和高热流密度，内侧的树脂首先分解成气体并留下一定量的碳类颗粒物。有利的是，树脂汽化会带走大量热量，阻止内部热量传向金属外壳，但是，玻璃钢环的树脂汽化会造成局部玻璃布失去树脂基体的粘接作用而出现分层并失去强度。逐步的，随着汽化区域沿径向向玻璃钢环外侧移动，玻璃钢环在发动机工作时间的300-400s会完全分层失强，彻底失去稳定可靠的支撑作用。由于玻璃钢环的失强从发动机工作开始就在发生，故此种方案在发动机整个工作过程中自始至终都存在安全隐患，尤其是工作时间400s以上的冲压发动机，因此此结构在被动热防护形式中并不理想。而且玻璃钢环的壁厚，重量重。

第二中方案是，不锈钢、高温合金支撑方案，仅能用于有气膜保护的主动热防护或再生冷却热防护方案的燃烧室内衬支撑，因为这两种方式都有冷却介质，使得与支撑结构相连的内衬外壁面温度较低，金属材料制作的支撑一般都能承受，而且，支撑结构有时还有冷却介质冷却，故温度不太高材料强度、刚度都保持较好，且向外壳的传热量一般都能满足要求，故这种支撑结构的结构形式通常比较简单。

然后，由于主动热防护或再生冷却热防护方案都需要冷却介质，对于无任何冷却的被动热防护形式的燃烧室是不适用。

发明内容：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，它采用陶瓷基复合材料制成的燃烧室支撑环将燃烧室内衬管和外防护保护套体实现支撑，其结构刚性好，耐久度高，不容易损坏，同时，其可以减少热量传递给外防护保护套体，保证设备的正常使用。

本发明解决所述技术问题的方案是：

一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，包括进气管、尾喷管和燃烧室内衬管，燃烧室内衬管处于进气管和尾喷管之间，燃烧室内衬管的两端与进气管和尾喷管分别相通，所述燃烧室内衬管的外壁面上固定有多个燃烧室支撑环，燃烧室内衬管的外侧套有外防护保护套体，外防护保护套体的一端固定在进气管与燃烧室内衬管相连接的一端的进气管的外侧壁上，外防护保护套体的另一端固定在尾喷管与燃烧室内衬管相连接的一端的尾喷管的外侧壁上，外防护保护套体和燃烧室内衬管之间夹持有隔热层；

所述燃烧室支撑环的外侧端压靠在外防护保护套体的内侧壁上。

所述燃烧室内衬管的两端与进气管和尾喷管的对应端分别相固定。

所述燃烧室内衬管的左部和右部外侧壁上均成型有连接凸起圈；

所述燃烧室支撑环包括环形连接圈部，环形连接圈部的右端面成型有多个向右斜向延伸的延伸部，所有延伸部的外侧壁为锥形壁面，延伸部的右端面成型有水平延伸部，水平延伸部的外壁面压靠在外防护保护套体的内侧壁上，环形连接圈部固定在连接凸起圈上。

所述环形连接圈部上成型有多个固定通孔，连接凸起圈的外壁面上成型有多个定位孔，圆柱销卡置在对应的固定通孔和定位孔中。

所述所有延伸部以环形连接圈部的中心轴线为中心均布在环形连接圈部的右端面上。

所述隔热层为耐高温无机物纤维。

所述进气管处于燃烧室内衬管的左端，尾喷管处于燃烧室内衬管的右端，进气管的左端为锥形收敛管端，进气管的右端为锥形扩张管端，锥形收敛管端的左端直径大于右端直径，锥形扩张管端的左端直径小于右端直径，锥形收敛管端的左端直径小于锥形扩张管端的右端直径，锥形收敛管端的右端与锥形扩张管端的左端相通；

所述尾喷管的左端为尾端锥形收敛管端，尾喷管的右端为尾端锥形扩张管端，尾端锥形收敛管端的左端直径大于右端直径，尾端锥形扩张管端的左端直径小于右端直径，尾端锥形收敛管端的左端直径大于尾端锥形扩张管端的右端直径。

所述进气管的锥形扩张管端的右端中部设有喷油环，喷油环的外侧壁上设有多个连接管，连接管与喷油环的内部环形管路相通，连接管伸入进气管的锥形扩张管端的内侧壁上成型的连接通孔中，喷油环的内侧壁上设有多个喷油管，喷油管与喷油环的内部环形管路相通，所有喷油管的喷油端靠近喷油环的中心轴线处。

所述燃烧室内衬管、燃烧室支撑环、圆柱销均由同种或近似的陶瓷基复合材料制成。

所述外防护保护套体的左端和右端内侧壁均成型或固定有内折弯环形圈，左端的内折弯环形圈的内壁面固定在进气管的右端外侧壁上；

所述尾喷管的左端外侧壁上成型或固定有径向延伸边，外防护保护套体的右端的内折弯环形圈的左侧壁固定在径向延伸边的右侧壁上，外防护保护套体的右端的内折弯环形圈的左侧壁紧贴径向延伸边的右侧壁。

本发明的突出效果是：

它采用陶瓷基复合材料制成的燃烧室支撑环将燃烧室内衬管和外防护保护套体实现支撑，此材料可耐受高达2000℃的高温，不存在材料在高温下分解、失强的问题，且材料的比弹性模量、比强度均比金属高，可在高温下产生足够的支撑力，且能长时间使用。

同时，其燃烧室支撑环的环形连接圈部的右端面成型有多个向右斜向延伸的延伸部呈花瓣状，其相邻两个延伸部之间成型豁口，使得其传热路径横截面比没有豁口时周向大幅收窄；所有延伸部的外侧壁为锥形壁面，延伸部的右端面成型有水平延伸部，水平延伸部的外壁面压靠在外防护保护套体的内侧壁上，其延伸部的外侧壁为锥形壁面，使得外防护保护套体和燃烧室内衬管之间通过燃烧室支撑环传热路径加长，进一步提高热阻，降低传热量，从而保证金属制成的外防护保护套体不超温，保证使用寿命。

燃烧室支撑环采用陶瓷基复合材料制成，其在保证强度和耐久度的前提下，其可以制成薄壁产品，使得其重量轻，降低整个冲压发动机的重量。

附图说明：

图1是本发明的局部结构示意图；

图2是本发明的局部剖视图；

图3是图2的局部放大图；

图4是燃烧室支撑环的局部结构示意图；

图5是图4的换角度局部结构示意图；

图6是喷油环的局部结构示意图。

具体实施方式：

实施例见图1至图6所示，一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，包括进气管10、尾喷管30和燃烧室内衬管20，燃烧室内衬管20处于进气管10和尾喷管30之间，燃烧室内衬管20的两端与进气管10和尾喷管30分别相通，所述进气管10处于燃烧室内衬管20的左端，尾喷管30处于燃烧室内衬管20的右端，进气管10的右端焊接固定在外防护保护套体50上(也可采用常见的法兰螺栓方式连接)，并与燃烧室内衬管20的左端对接密封(其也可以通过耐高温粘结剂粘结固定增强密封效果，如超高温陶瓷粘结剂，其可以耐高温达2200℃以上)，尾喷管30的左端焊接固定在外防护保护套体50上(也可采用常见的法兰螺栓方式连接)，并与燃烧室内衬管20的右端对接密封(也可以采用耐高温粘结剂粘结固定增强密封效果)；

所述燃烧室内衬管20的外壁面上固定有多个燃烧室支撑环40，燃烧室内衬管20的外侧套有外防护保护套体50，外防护保护套体50的一端固定在进气管10与燃烧室内衬管20相连接的一端的外侧壁上，外防护保护套体50的另一端固定在尾喷管30与燃烧室内衬管20相连接的一端的外侧壁上，外防护保护套体50和燃烧室内衬管20之间夹持有隔热层1；本实施例中燃烧室内衬管20的左部和右部外壁面上各安装有燃烧室支撑环40，隔热层1可以分为三块，其中部块处于两个燃烧室支撑环40之间，中部块的左右两端成型有与燃烧室支撑环40相配合的锥形面，其左端压靠在左部的燃烧室内衬管20的内壁上，其右端压靠在右部的燃烧室内衬管20的外壁面上，隔热层1的左部块的右壁面为锥形壁面，其压靠在左部的燃烧室内衬管20的外壁面上，隔热层1的右部块的左侧壁为锥形壁面其压靠在右部的燃烧室内衬管20的内壁面上。

所述燃烧室支撑环40的外侧端压靠在外防护保护套体50的内侧壁上。

进一步的说，所述燃烧室内衬管20的左部和右部外侧壁上均成型有连接凸起圈21；

所述燃烧室支撑环40包括环形连接圈部41，环形连接圈部41的右端面成型有多个向右斜向向外延伸的延伸部42，所有延伸部42为锥形片状，其外侧壁和内侧壁你为锥形壁面，延伸部42的右端面成型有水平延伸部43，相邻两个延伸部42之间成型有豁口，其所有延伸部43形成花瓣状，水平延伸部43的外壁面通过过盈配合安装在外防护保护套体50的内侧壁上，环形连接圈部51固定在连接凸起圈21上。

进一步的说，所述环形连接圈部51上成型有多个固定通孔，连接凸起圈21的外壁面上成型有多个定位孔22，圆柱销2卡置在对应的固定通孔和定位孔22中。

进一步的说，所述所有延伸部42以环形连接圈部41的中心轴线为中心均布在环形连接圈部41的右端面上。

进一步的说，所述隔热层1为耐高温无机物纤维。所述燃烧室内衬管30、燃烧室支撑环40、圆柱销2均由同种或近似的陶瓷基复合材料制成。所述外防护保护套体50为金属材料制成。

陶瓷基复合材料。陶瓷基体可为碳、碳化硅、氮化硅等高温结构陶瓷，具有耐高温、高比强度和比刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，容易产生裂纹、甚至断裂导致材料失效。采用高强度、高强度的碳纤维或碳化硅纤维与基体复合，能得到韧性优良的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料已用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、飞机刹车盘等，成为高技术新材料的一个重要分支。

本申请中把以上纤维与陶瓷机体能够组合出的材料统称为陶瓷基复合材料，本申请中采用的陶瓷基复合材料具体指以碳纤维或碳化硅纤维增强的陶瓷基复合材料，包括但不限于：碳纤维增强的碳复合材料——C_f/C、碳纤维增强的碳化硅复合材料——C_f/SiC、碳化硅纤维增强的碳复合材料——SiC_f/C、碳化硅纤维增强的碳化硅复合材料——SiC_f/SiC等。

其燃烧室支撑环40与隔热层1同处于燃烧室内衬管20和外防护保护套体50之间。隔热层1采用耐高温的无机物纤维制造，如可以采用中国专利公告号为200710083955.8的一种冲压发动机用柔性梯度隔热材料，其具有多孔、耐高温、隔热的特点，绝大部分热量被它隔绝，但其较为柔软导致刚性较差，不能传递燃烧室内衬管20和外防护保护套体50之间的作用力。而燃烧室支撑环40采用陶瓷基复合材料制造，结构刚性较好，可以满足传递内外层之间作用力的需要，但因为这种材料导热系数与金属接近，又不可避免的导致热量经由燃烧室内衬管20、燃烧室支撑环40向用金属材料制造的燃烧室外防护保护套体50传热，该传热过程的特点是高温、高热流密度，考虑到外防护保护套体50耐温能力有限，有必要采取措施降低外防护保护套体50的与燃烧室支撑环40接触区域附近的局部温度。因此，燃烧室支撑环40的环形连接圈部41的右端面成型有多个向右斜向向外延伸的延伸部42，所有延伸部42为锥形片状，延伸部42的右端面成型有水平延伸部43，相邻两个延伸部42之间成型有豁口，其所有延伸部43形成花瓣状；

两个延伸部42之间成型有豁口，其所有延伸部43形成花瓣状，使得传热路径横截面积比不开豁口的横截面积要小，从而降低传递热量；同时，由于燃烧室支撑环40采用陶瓷基复合材料，使得其具有耐高温、高比强度和比刚度等效果，使得其延伸部43制造时可以减小其厚度，而采用较小的壁厚的延伸部43，在满足强度需求的前提下，减小了传热路径横截面的厚度；所有延伸部42为锥形片状，从而使得其从燃烧室内衬管20传递到外防护保护套体50的传热路径加长，进一步降低热传递效果，可有效提高热阻，降低传热量，从而保证金属制成的外防护保护套体50不超温。

而环形连接圈部51上成型有多个固定通孔，连接凸起圈21的外壁面上成型有多个定位孔22，圆柱销2卡置在对应的固定通孔和定位孔22中，其通过圆柱销2定位固定，可以防止在安装和工作过程中燃烧室内衬管20与燃烧室支撑环40发生相对轴向位移。

由于陶瓷基复合材料相比金属材料韧性差，不能承受过大的应力应变。而燃烧室支撑环40的所有延伸部42呈锥形花瓣式结构，使传力路径延长，可适当降低结构局部的应力应变，有利于支撑结构的安全可靠和长寿命。而且锥形花瓣式结构使结构刚度一定程度下降，具备一定弹性变形能力，有利于支撑稳定，且能更好的吸收振动能量，保护相对较脆的燃烧室内衬管20。

所述燃烧室内衬管30、燃烧室支撑环40、圆柱销2均由同种或近似的陶瓷基复合材料制成，能有效避免零件温度变化造成的因材料不同、热膨胀系数不同而导致的热应力，可大幅提高结构的安全性和寿命。

延伸部43制造时可以减小其厚度，使得燃烧室支撑环40重量降低，可一定程度降低整个冲压发动机的重量。

进一步的说，进气管10的左端为锥形收敛管端11，进气管10的右端为锥形扩张管端12，锥形收敛管端11的左端直径大于右端直径，锥形扩张管端12的左端直径小于右端直径，锥形收敛管端11的左端直径小于锥形扩张管端12的右端直径，锥形收敛管端11的右端与锥形扩张管端12的左端相通；

所述尾喷管30的左端为尾端锥形收敛管端31，尾喷管30的右端为尾端锥形扩张管端32，尾端锥形收敛管端31的左端直径大于右端直径，尾端锥形扩张管端32的左端直径小于右端直径，尾端锥形收敛管端31的左端直径大于尾端锥形扩张管端32的右端直径，尾端锥形收敛管端31的右端与尾端锥形扩张管端32的左端相通。

进一步的说，所述进气管10的锥形扩张管端12的右端中部设有喷油环60，喷油环60的外侧壁上设有多个连接管61，连接管61与喷油环60的内部环形管路相通，连接管61伸入进气管10的锥形扩张管端12的侧壁上成型的连接通孔中，连接管61的外侧壁焊接固定在连接通孔的侧壁上。连接管61通接进油管。

喷油环60的内侧壁上成型或焊接固定有多个喷油管62，喷油管62与喷油环60的内部环形管路相通，每个喷油管62的侧壁上设置有5至10个喷油孔，沿喷油管62的轴线按一定间距分布，油孔开口方向顺气流方向，因孔径太小未在图中显示。

进一步的说，所述外防护保护套体50的左端和右端内侧壁均成型或固定有内折弯环形圈51，左端的内折弯环形圈51的内壁面固定在进气管10的右端外侧壁上，其可以采用焊接或法兰螺栓连接方式固定；

所述尾喷管30的左端外侧壁上成型或固定有径向延伸边33，外防护保护套体50的右端的内折弯环形圈51的左侧壁固定在径向延伸边33的右侧壁上，外防护保护套体50的右端的内折弯环形圈51的左侧壁紧贴径向延伸边33的右侧壁，其可以采用焊接固定或法兰螺栓连接方式固定。

工作原理：工作时，外界空气先流入进气管10，进气管10的左端为锥形收敛管端11，进气管10的右端为锥形扩张管端12，锥形收敛管端11的左端直径小于锥形扩张管端12的右端直径，使得气流减速增压，与喷油环60喷出的燃料混合进入燃烧室内衬管20中进行燃烧，产生约1800℃的高温高速燃气，与燃烧室内衬管20接触并对其烧蚀，燃料在燃烧室内衬管20中烧尽后从尾喷管30加速排出(尾端锥形收敛管端31的左端直径大于尾端锥形扩张管端32的右端直径，其采用的是文丘里原理，此结构为常规结构，这里不再详述)。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，包括进气管（10）、尾喷管（30）和燃烧室内衬管（20），燃烧室内衬管（20）处于进气管（10）和尾喷管（30）之间，燃烧室内衬管（20）的两端与进气管（10）和尾喷管（30）分别相通，其特征在于 ：所述燃烧室内衬管（20）的外壁面上固定有多个燃烧室支撑环（40），燃烧室内衬管（40）的外侧套有外防护保护套体（50），外防护保护套体（50）的一端固定在进气管（10）与燃烧室内衬管（20）相连接的一端的进气管（10）的外侧壁上，外防护保护套体（50）的另一端固定在尾喷管（30）与燃烧室内衬管（20）相连接的一端的尾喷管（30）的外侧壁上，外防护保护套体（50）和燃烧室内衬管（20）之间夹持有隔热层（1）；

所述燃烧室支撑环（40）的外侧端压靠在外防护保护套体（50）的内侧壁上。

2.根据权利要求1所述的一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，其特征在于：所述燃烧室内衬管（20）的两端与进气管（10）和尾喷管（30）的对应端分别相固定。

3.根据权利要求1所述的一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，其特征在于：所述燃烧室内衬管（20）的左部和右部外侧壁上均成型有连接凸起圈（21）；

所述燃烧室支撑环（40）包括环形连接圈部（41），环形连接圈部（41）的右端面成型有多个向右斜向延伸的延伸部（42），所有延伸部（42）的外侧壁为锥形壁面，延伸部（42）的右端面成型有水平延伸部（43），水平延伸部（43）的外壁面压靠在外防护保护套体（50）的内侧壁上，环形连接圈部（51）固定在连接凸起圈（21）上。

4.根据权利要求3所述的一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，其特征在于：所述环形连接圈部（51）上成型有多个固定通孔，连接凸起圈（21）的外壁面上成型有多个定位孔（22），圆柱销（2）卡置在对应的固定通孔和定位孔（22）中。

5.根据权利要求3所述的一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，其特征在于：所述所有延伸部（42）以环形连接圈部（41）的中心轴线为中心均布在环形连接圈部（41）的右端面上。

6.根据权利要求1所述的一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，其特征在于：所述隔热层（1）为耐高温无机物纤维。

7.根据权利要求1所述的一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，其特征在于：所述进气管（10）的锥形扩张管端（12）的右端中部设有喷油环（60），喷油环（60）的外侧壁上设有多个连接管（61），连接管（61）与喷油环（60）的内部环形管路相通，连接管（61）伸入进气管（10）的锥形扩张管端（12）的内侧壁上成型的连接通孔中，喷油环（60）的内侧壁上设有多个喷油管（62），喷油管（62）与喷油环（60）的内部环形管路相通，所有喷油管（62）的喷油端靠近喷油环（60）的中心轴线处。

8.根据权利要求7所述的一种冲压发动机被动热防护式燃烧室结构，其特征在于：所述燃烧室内衬管（30）、燃烧室支撑环（40）、圆柱销（2）均由同种或近似的陶瓷基复合材料制成。

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