CN117109032A - 一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构及方法，属于冲压发动机技术领域；包括燃烧室壁面，及壁面上特殊设计的窄缝；窄缝宽度为L1，长度为L2，并喷射高速高压气流；窄缝距离壁面距离为L3；高速气流沿壁面法线方向，气流与窄缝上壁面的夹角为α，与下壁面的夹角为β。本发明通过在靠近发动机壁面的特定位置设计气体窄缝，喷入高压高速气体，从而在发动机的内壁面形成保护气层，可有效减少燃烧室壁面固体颗粒的沉积，并减小局部壁面热流，取得多方面的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于冲压发动机技术领域，具体涉及一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构及方法。
背景技术
近年来，在液体碳氢燃料中添加铝、硼等纳米颗粒从而大幅提升燃料密度和体积热值已成为研究热点之一。在实际应用过程中，纳米颗粒自身及燃烧后的产物均为固体，这些固体颗粒将会沉积在发动机燃烧室的内壁面，严重影响了发动机的结构尺寸和使用寿命，也显著增大了发动机的热防护难度。
目前，关于发动机内固体颗粒沉积过程的研究主要集中在燃气涡轮发动机领域。气膜冷却作为一种高效的局部冷却和防沉积方式，已被广泛应用于燃气轮机叶片上，同时贴附在壁面的气膜可避免主流与壁面的直接接触，能较好地保护壁面。Mensch等人(Simulations of Multiphase Particle Deposition on a Gas Turbine Endwall withImpingement and Film Cooling.ASME International Mechanical EngineeringCongress&Exhibition,2015:311–313.)研究了石蜡颗粒沉积在涡轮叶片端壁上的过程，发现沉积分布受气膜冷却、吹风比以及表面温度的影响，且增加吹风比减少了在气膜孔出口处的沉积。Fletcher等人(Effect of Particle Size and Trench Configuration onDeposition From Fine Coal Flyash near Film Cooling Holes.Energy&Fuels,2011,25(3):561-571.)则研究了颗粒尺寸和沟槽参数对气膜冷却孔附近沉积的影响，当冲击角度从45°变化到15°时，气膜的冷却效率得到提升，但颗粒捕获效率未有明显改变。
与涡轮发动机不同，冲压发动机通常采用碳氢燃料进行再生冷却，燃烧室外往往紧密布置着微细的冷却通道。现有采用离散分布的圆柱形孔结构来形成气膜以防止颗粒沉积的方法，需沿主流方向对整个壁面进行布置，这将严重影响冷却通道的结构设计，并对发动机燃烧室的结构性能带来极大的代价。因此，亟需发展一种适用于冲压发动机燃烧室的防止固体颗粒沉积的结构及方法。
发明内容
一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构，能够解决冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积，并减小局部壁面热流。另外，本发明还提供一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的方法，同样解决上述技术问题。
本发明技术方案：
在燃烧室壁面1上靠近侧壁面3位置设置若干窄缝2，从窄缝2中喷射高速高压气流B，在相邻侧壁面3的内壁面附近形成保护气层；窄缝2与侧壁面3平行，沿主燃气流A方向窄缝2均匀分布，相邻窄缝2的间距均相同。
进一步地，高速高压气流沿燃烧室壁面1法线方向，气流与窄缝2上壁面的夹角α的取值范围是0～30°，与窄缝2下壁面的夹角β的取值范围是0～30°。
进一步地，窄缝2宽度L1的取值范围是0.05～2.0mm，长度L2的取值范围是5.0～75.0mm，距离侧壁面3的距离L3的取值范围是1.0L1～100.0L1。
进一步地，所述窄缝2沿主燃气流A方向均匀分布的间距S的取值范围是1.5L2～5.0L2。
进一步地，从发动机壁面1的窄缝2中，沿壁面1法线方向喷注一定压力和流量的气体B，从而在相邻侧壁面3的内壁面附近形成保护气层，从而减少燃烧室壁面固体颗粒的沉积，并减小局部壁面热流。
进一步地，所述的喷注气体为氮气、水蒸气或燃油转化率低于30％的裂解气。
进一步地，所述气体的喷注压力为1～3MPa。
进一步地，所述喷注气体的流量相对主燃气流流量的比例为1.0％～10.0％。
应用本发明的技术方案，提供了一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构及方法，通过在靠近发动机壁面的特定位置设计气体窄缝，喷入高压高速气体，从而在相邻侧壁面的内壁面附近形成保护气层，避免了对冷却通道结构设计的影响，同时以较小的结构损失，实现保护气层对燃烧室壁面大面积的覆盖。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的难题，且结构简单、可靠性好，并减小局部壁面热流，取得多方面的有益效果。
附图说明
图1是本发明具体结构图；
图2是本发明沿主燃气流方向结构布置示意图；
图3本发明实施例1和实施例2保护气层分布云图；
图4本发明实施例3和实施例4保护气层分布云图；
图中：1、发动机燃烧室壁面；2、窄缝；3、发动机燃烧室侧壁面；A、主流燃气；B、高速高压气流；C、与高速高压气流掺混后的主流燃气；L1、内壁面上窄缝的宽度；L2、内壁面上窄缝的长度；L3、窄缝距侧壁面的距离；α、高速气流与窄缝上壁面的夹角；β、高速气流与下壁面的夹角；S、沿主燃气流向相邻窄缝的间距。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：如图1、图2所示，本发明提供的一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构包括燃烧室壁面1，及壁面上靠近侧壁面3位置设计若干窄缝2，并喷射高速高压气流。其中，特殊设计的窄缝2和高速高压气流的出口均在燃烧室壁面1的内壁面上，所述的高速气流沿壁面1法线方向，即来自发动机燃烧室壁面1窄缝的高速气流，在相邻侧壁面3的内壁面附近形成保护气层。
窄缝2的宽度L1为0.05mm，长度L2为75.0mm；窄缝2与侧壁面(3)平行，距离侧壁面3的距离L3为1.0mm。高速气流与窄缝2上壁面的夹角α为0°，与窄缝2下壁面的夹角β为0°。窄缝2沿主燃气流方向均匀分布的间距S为300mm。
本实施例中喷注气体为氮气，喷注压力为1MPa，喷注气体的流量相对主燃气流流量的比例约为1.0％。与无喷射气流相比，实施例1中主流整体的速度场分布没有明显变化，喷射气流对主燃气流内燃烧过程影响较小，保护气层能够覆盖超过1/4的侧壁区域，见图3。
实施例2：与实施例1相同，不同的是所述的喷注压力为3MPa，喷注气体的流量相对主燃气流流量的比例为4.0％。与无喷射气流相比，实施例2中喷射气流对主燃气流内燃烧过程影响较小，保护气层能够覆盖将近1/2的侧壁区域，见图3。
实施例3：与实施例1相同，不同的是窄缝2的宽度L1为0.20mm，长度L2为75.0mm；窄缝2距离侧壁面3的距离L3为2.0mm。高速气流与窄缝2上壁面的夹角α为0°，与窄缝2下壁面的夹角β为0°。窄缝2沿主燃气流方向均匀分布的间距S为300mm。
本实施例中喷注气体为氮气，喷注压力为1MPa，喷注气体的流量相对主燃气流流量的比例约为4.5％。与无喷射气流相比，实施例3中主流整体的速度场分布略有变化，保护气层能够覆盖约1/2的侧壁区域，且沿主燃气流方向对下游壁面也可起到保护作用，见图4。
实施例4：与实施例3相同，不同的是所述的喷注压力为2MPa，喷注气体的流量相对主燃气流流量的比例为9.4％。与无喷射气流相比，实施例4中喷射气流对主燃气流内燃烧过程有较为明显的影响，保护气层能够覆盖超1/2的侧壁区域，沿主燃气流方向对下游壁面也可起到明显保护作用，见图4。
本发明还提供了一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积方法，采用以上各实施例中的防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构，从发动机壁面1的窄缝2中，沿壁面1法线方向喷注一定压力和流量的气体B，从而在相邻侧壁面3的内壁面附近形成保护气层，从而减少燃烧室壁面固体颗粒的沉积，并减小局部壁面热流。喷注气体的组成、喷注压力以及喷注气体的流量相对主燃气流流量的比例在以上实施例中已有描述，在此不再赘述。
上述具体实施方式仅限于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上做任何简单的变形或替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构，其特征在于，在燃烧室壁面(1)上靠近侧壁面(3)位置设置若干窄缝(2)，从窄缝(2)中喷射高速高压气流(B)，在相邻侧壁面(3)的内壁面附近形成保护气层；窄缝(2)与侧壁面(3)平行，沿主燃气流(A)方向窄缝(2)均匀分布，相邻窄缝(2)的间距均相同。
2.根据权利要求1所述的一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构，其特征在于，高速高压气流沿燃烧室壁面(1)法线方向，气流与窄缝(2)上壁面的夹角α的取值范围是0～30°，与窄缝(2)下壁面的夹角β的取值范围是0～30°。
3.根据权利要求2所述的一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构，其特征在于，窄缝(2)宽度L1的取值范围是0.05～2.0mm，长度L2的取值范围是5.0～75.0mm，距离侧壁面(3)的距离L3的取值范围是1.0L1～100.0L1。
4.根据权利要求2所述的一种防止冲压发动机燃烧室内固体颗粒沉积的结构，其特征在于，所述窄缝(2)沿主燃气流(A)方向均匀分布的间距S的取值范围是1.5L2～5.0L2。
5.采用权利要求1至4中任一项所述的防止燃烧室内固体颗粒沉积的方法，其特征在于，从发动机壁面(1)的窄缝(2)中，沿壁面(1)法线方向喷注一定压力和流量的气体(B)，从而在相邻侧壁面(3)的内壁面附近形成保护气层，从而减少燃烧室壁面固体颗粒的沉积，并减小局部壁面热流。
6.根据权利要求5中所述的防止燃烧室内固体颗粒沉积的方法，其特征在于，所述的喷注气体为氮气、水蒸气或燃油转化率低于30％的裂解气。
7.根据权利要求5中所述的防止燃烧室内固体颗粒沉积的方法，其特征在于，所述气体的喷注压力为1～3MPa。
8.根据权利要求5中所述的防止燃烧室内固体颗粒沉积的方法，其特征在于，所述喷注气体的流量相对主燃气流流量的比例为1.0％～10.0％。
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