CN116147018A - 一种利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃油快速雾化技术领域，尤其是涉及一种利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，包括：多自由度激波发生器模块、外部驱动系统和燃烧室本体；所述多自由度激波发生器模块滑动安装于燃烧室本体的燃烧室上壁面；所述外部驱动系统固定安装于燃烧室本体的燃烧室上壁面；所述多自由度激波发生器模块与所述外部驱动系统连接；所述多自由度激波发生器模块在所述外部驱动系统的带动下在燃烧室上壁面进行横向滑动以实现位置改变；所述多自由度激波发生器模块通过改变自身激波结构的几何构型以实现激波位置、强度以及角度的多自由度调节。本发明采用多自由度可变激波结构来加速燃油雾化，提升燃油雾化性能的同时，拓展了适用工况。
Description
技术领域
本发明涉及燃油快速雾化技术领域，尤其是涉及一种利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室。
背景技术
超燃冲压发动机为动力的飞行器速度可达到马赫数6到25，飞行高度可达到60km以上，因其在宽范围飞行马赫数下的优良性能，使它成为未来飞行器的首选推进系统形式，已经成为各航空航天大国动力研究的焦点。超声速燃烧室是超燃冲压发动机中最关键的部件，其性能最终决定了超燃冲压发动机技术的发展和走向。超声速燃烧室设计重点及难点之一就是燃油快速雾化技术。
现有的雾化技术主要分为被动混合增强方法与主动混合增强方法，包括壁面横向单孔/多孔射流、微小斜坡/涡流发生器、脉冲射流以及波形壁等。但是随着飞行环境的进一变化，上述技术已无法满足超声速燃烧室对燃油雾化性能的需求，尤其是对于宽速域飞行，要求根据飞行环境实时调节燃油雾化性能，这就需要研发出更加高效且具有可调性能的燃油雾化技术。现有技术中，激波发生器对促进横向射流流场的混合性能最有前途，因为其既能有效提高燃料穿透深度，又不会带来较大的总压损失。但是该技术未能突破飞行器对宽速域飞行的需求，因其只有在设计工况下才有优良的性能。
因此，针对以上技术不足，需要设计一种基于高效且具有宽适应性燃油雾化技术的超声速燃烧室。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，该燃烧室采用多自由度可变激波结构来加速燃油雾化，提升燃油雾化性能的同时，拓展了适用工况。
本发明提供一种利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其包括：多自由度激波发生器模块、外部驱动系统和燃烧室本体；所述多自由度激波发生器模块滑动安装于燃烧室本体的燃烧室上壁面；所述外部驱动系统固定安装于燃烧室本体的燃烧室上壁面；所述多自由度激波发生器模块与所述外部驱动系统连接；所述多自由度激波发生器模块在所述外部驱动系统的带动下在燃烧室上壁面进行横向滑动以实现位置改变；所述多自由度激波发生器模块通过改变自身激波结构的几何构型以实现激波位置、强度以及角度的多自由度调节。
优选的，所述多自由度激波发生器模块包括：内部驱动系统、前缘板、尾缘板以及激波发生器模块壁板；所述前缘板和尾缘板通过激波发生器铰链连接；所述前缘板通过前缘板压缩弹簧与前缘板移动导轨相连；所述前缘板移动导轨通过前缘板铰链与激波发生器模块壁板相连；所述尾缘板通过尾缘板压缩弹簧与尾缘板移动导轨相连；尾缘板移动导轨与激波发生器模块壁板固连；所述内部驱动系统用于带动前缘板绕前缘板铰链转动。
优选的，所述内部驱动系统包括：激波发生器驱动电机、激波发生器驱动电机底座和激波发生器驱动杆；所述激波发生器驱动电机通过激波发生器驱动电机底座与激波发生器模块壁板固定连接，所述激波发生器驱动电机通过激波发生器驱动杆与前缘板相连。
优选的，所述激波发生器模块壁板内嵌有激波发生器密封滑块导轨；激波发生器密封滑块通过激波发生器密封压缩弹簧与激波发生器密封滑块导轨相连。
优选的，所述激波发生器模块壁板设置有上游密封滑块与下游密封滑块；所述上游密封滑块与下游密封滑块内嵌在燃烧室上壁面，分别通过上游压缩弹簧和下游压缩弹簧与激波发生器模块壁板贴合。
优选的，所述激波发生器密封滑块导轨的下壁面、上游密封滑块与下游密封滑块安装腔的下壁面均采用流线型设计。
优选的，所述前缘板距燃烧室进口距离L1与燃油喷孔距燃烧室进口距离L2之比为0.6～0.85。
优选的，所述多自由度激波发生器模块的激波发生器角度θ1范围为45°～75°；所述多自由度激波发生器模块的激波发生器高度L3与当地边界层厚度之比为3～5。
优选的，所述外部驱动系统包括：横向驱动电机、横向驱动电机底座及横向驱动杆；所述横向驱动电机通过横向驱动电机底座和燃烧室上壁面相连，所述多自由度激波发生器模块通过横向驱动杆与横向驱动电机。
优选的，所述燃烧室设置有喷射孔，所述喷射孔在凹腔的上游。
有益效果：
本发明提供的技术方案通过外部驱动系统改变多自由度激波发生器模块的位置，通过内部驱动系统改变自身的几何构型，由此改变激波的位置、角度和强度，实现激波结构的多自由可调，进而保证超声速燃烧室在各个工况下燃油的高效雾化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1为本发明利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室的立体结构示意图；
图2为本发明利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室的剖视图；
附图标记说明：1：燃烧室本体，2：凹腔，3：横向驱动电机底座，4：横向驱动电机，5：横向驱动杆，6：多自由度激波发生器模块，7：上游密封滑块，8：燃烧室上壁面，9：上游压缩弹簧，10：喷射孔，11：下游压缩弹簧，12：下游密封滑块，13：激波发生器模块壁板，14：尾缘板移动导轨，15：尾缘板，16：激波发生器铰链，17：尾缘板压缩弹簧，18：前缘板，19：前缘板压缩弹簧，20：前缘板移动导轨，21：前缘板铰链，22：激波发生器驱动杆，23：激波发生器驱动电机，24：激波发生器驱动电机底座，25：激波发生器密封滑块，26：激波发生器密封压缩弹簧，27：激波发生器密封滑块导轨，L1：前缘板距燃烧室进口距离，L2：燃油喷孔距燃烧室进口距离，L3：激波发生器高度，θ1：激波发生器角度。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-2所示，本实施例提供一种利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，包括：多自由度激波发生器模块6、外部驱动系统和燃烧室本体1；多自由度激波发生器模块6滑动安装于燃烧室本体1的燃烧室上壁面8；外部驱动系统固定安装于燃烧室本体1的燃烧室上壁面8；多自由度激波发生器模块6与外部驱动系统连接；多自由度激波发生器模块6在所述外部驱动系统的带动下在燃烧室上壁面8进行横向滑动以实现位置改变；多自由度激波发生器模块6通过改变自身激波结构的几何构型以实现激波位置、强度以及角度的多自由度调节。
具体的，外部驱动系统的形式可以有多种。
例如：外部驱动系统由横向驱动电机4、横向驱动电机底座3及横向驱动杆5组成，横向驱动电机4通过横向驱动电机底座3和燃烧室上壁面8相连，多自由度激波发生器模块6通过横向驱动杆5与横向驱动电机4，通过横向驱动电机4，驱动杆5可以采用滚珠丝杠传动，实现多自由度激波发生器模块6往复移动，可以改变多自由度激波发生器模块6的位置，由此实现激波位置的改变。此外，外部驱动系统也可以采用气缸结构。
本实施例中，来流马赫数范围为1.5～6.0。此范围保证激波发生器可以产生激波，并有利于实现燃油的雾化。
本实施例中，多自由度激波发生器模块6包括内部驱动系统、前缘板18和尾缘板15。多自由度激波发生器模块6和燃烧室上壁面8通过上下游弹簧压缩滑块的方式实现密封。上游密封滑块7与下游密封滑块12内嵌在燃烧室上壁面8，分别通过上游压缩弹簧9和下游压缩弹簧11保证与激波发生器模块壁板13贴合。由此保证多自由度激波发生器模块6在移动过程中燃烧室的密封性。具体的，燃烧室上壁面8设置有与上游密封滑块7适配的上游滑槽，在上游滑槽与上游密封滑块7之间设置有上游压缩弹簧9。燃烧室上壁面8设置有与下游密封滑块12适配的下游滑槽，在下游滑槽与下游密封滑块12之间设置有下游压缩弹簧11。
优选的，多自由度激波发生器模块6的前缘板移动导轨20通过前缘板铰链21与激波发生器模块壁板13相连，前缘板18通过前缘板压缩弹簧19与前缘板移动导轨20相连(前缘板18的上端插入至前缘板移动导轨20中，可沿前缘板移动导轨20进行滑动)；尾缘板移动导轨14与激波发生器模块壁板13固连，尾缘板15通过尾缘板压缩弹簧17与尾缘板移动导轨14相连(尾缘板15的上端插入至尾缘板移动导轨14中，可沿尾缘板移动导轨14进行滑动)；前缘板18和尾缘板15通过激波发生器铰链16连接。采用压缩弹簧和铰链的方式，保证激波发生器角度、高度等调节的自由度。
优选的，内部驱动系统的形式可以有很多种。
例如：内部驱动系统包括：激波发生器驱动电机23、激波发生器驱动电机底座24和激波发生器驱动杆22。激波发生器驱动电机23通过激波发生器驱动电机底座24与激波发生器模块壁板13固连，激波发生器驱动电机23通过激波发生器驱动杆22与前缘板18相连。激波发生器驱动电机23带动前缘板18绕前缘板铰链21转动，由此改变激波发生器高度H以及激波发生器角度θ1。此外，内部驱动系统也可以采用气缸结构。
优选的，激波发生器密封滑块导轨27内嵌在激波发生器模块壁板13上，激波发生器密封滑块25通过激波发生器密封压缩弹簧26与激波发生器密封滑块导轨27相连，由此保证激波发生器调节过程的密封性。
本实施例中，由于前缘板18的一端位于激波发生器模块壁板13的上方内部，另一端位于激波发生器模块壁板13的下方外部。因此，在激波发生器模块壁板13设置有激波发生器密封滑块导轨27(滑槽结构)，激波发生器密封压缩弹簧26位于激波发生器密封滑块导轨27与激波发生器密封滑块25之间，激波发生器密封滑块25用于抵靠密封在前缘板18上。
优选的，激波发生器密封滑块导轨27的下壁面、上游密封滑块7与下游密封滑块12安装腔的下壁面均采用流线型设计，最大限度的减少气流的压力损失。
优选的，激波发生器角度θ1范围是45°～75°，激波发生器高度L3与当地边界层厚度之比为3～5。由此保证激波发生器产生激波的强度。
优选的，激波发生器前缘板距燃烧室进口距离L1与燃油喷孔距燃烧室进口距离L2之比为0.6～0.85，由此保证激波在燃油射流的入射点位于射流的上游。
优选的，喷射孔10在凹腔2的上游，由此使得雾化后的燃油进入凹腔，有利于实现燃烧的稳定和高效性。
本实施例提供一种利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其工作原理为：通过外部驱动系统改变多自由度激波发生器模块的位置，通过内部驱动系统改变自身的几何构型，由此改变激波的位置、角度和强度，实现激波结构的多自由可调，进而保证超声速燃烧室在各个工况下燃油的高效雾化。
综上，本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)本发明可以改变激波发生器模块的横向位置，进而可以改变燃烧室产生激波的位置，由此可以在宽范围马赫数下高效工作。
(2)本发明可以改变激波发生器的几何构型，有多个可调节的自由度，由此保证最优的雾化效果。
(3)本发明采用固连的驱动结构，保证了系统的稳定性与可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于：包括：多自由度激波发生器模块(6)、外部驱动系统和燃烧室本体(1)；所述多自由度激波发生器模块(6)滑动安装于燃烧室本体(1)的燃烧室上壁面(8)；所述外部驱动系统固定安装于燃烧室本体(1)的燃烧室上壁面(8)；所述多自由度激波发生器模块(6)与所述外部驱动系统连接；所述多自由度激波发生器模块(6)在所述外部驱动系统的带动下在燃烧室上壁面(8)进行横向滑动以实现位置改变；所述多自由度激波发生器模块(6)通过改变自身激波结构的几何构型以实现激波位置、强度以及角度的多自由度调节。
2.根据权利要求1所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于，所述多自由度激波发生器模块(6)包括：内部驱动系统、前缘板(18)、尾缘板(15)以及激波发生器模块壁板(13)；所述前缘板(18)和尾缘板(15)通过激波发生器铰链(16)连接；所述前缘板(18)通过前缘板压缩弹簧(19)与前缘板移动导轨(20)相连；所述前缘板移动导轨(20)通过前缘板铰链(21)与激波发生器模块壁板(13)相连；所述尾缘板(15)通过尾缘板压缩弹簧(17)与尾缘板移动导轨(14)相连；尾缘板移动导轨(14)与激波发生器模块壁板(13)固连；所述内部驱动系统用于带动前缘板(18)绕前缘板铰链(21)转动。
3.根据权利要求2所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于，所述内部驱动系统包括：激波发生器驱动电机(23)、激波发生器驱动电机底座(24)和激波发生器驱动杆(22)；所述激波发生器驱动电机(23)通过激波发生器驱动电机底座(24)与激波发生器模块壁板(13)固定连接，所述激波发生器驱动电机(23)通过激波发生器驱动杆(22)与前缘板(18)相连。
4.根据权利要求3所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于，所述激波发生器模块壁板(13)内嵌有激波发生器密封滑块导轨(27)；激波发生器密封滑块(25)通过激波发生器密封压缩弹簧(26)与激波发生器密封滑块导轨(27)相连。
5.根据权利要求4所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于，所述激波发生器模块壁板(13)设置有上游密封滑块(7)与下游密封滑块(12)；所述上游密封滑块(7)与下游密封滑块(12)内嵌在燃烧室上壁面(8)，分别通过上游压缩弹簧(9)和下游压缩弹簧(11)与激波发生器模块壁板(13)贴合。
6.根据权利要求5所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于：所述激波发生器密封滑块导轨(27)的下壁面、上游密封滑块(7)与下游密封滑块(12)安装腔的下壁面均采用流线型设计。
7.根据权利要求6所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于：所述前缘板(18)距燃烧室(1)进口距离L1与燃油喷孔距燃烧室进口距离L2之比为0.6～0.85。
8.根据权利要求1所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于：所述多自由度激波发生器模块(6)的激波发生器角度θ1范围为45°～75°；所述多自由度激波发生器模块(6)的激波发生器高度L3与当地边界层厚度之比为3～5。
9.根据权利要求1所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于：所述外部驱动系统包括：横向驱动电机(4)、横向驱动电机底座(3)及横向驱动杆(5)；
所述横向驱动电机(4)通过横向驱动电机底座(3)和燃烧室上壁面(8)相连，所述多自由度激波发生器模块(6)通过横向驱动杆(5)与横向驱动电机(4)。
10.根据权利要求1所述的利用多自由度可变激波加速燃油雾化的超声速燃烧室，其特征在于：所述燃烧室(1)设置有喷射孔(10)，所述喷射孔(10)在凹腔(2)的上游。
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