CN117267749A - 基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室及方法。通过将燃烧室内壁面设计为变截面光滑曲面，结合设置在上游段中心处的燃料喷注器及设置在下游段的激波诱导装置，通过燃料喷注器释放燃料，燃料与空气混合后从环形流道进入，能够在较短距离内实现均匀掺混，并且通过激波诱导装置在下游处诱导产生激波，激波在燃烧室下游段的流道中心交汇可以显著提高局部静温、静压，创造有利于燃烧的局部环境，另一方面，高温燃烧产物与燃烧室的内壁面之间由于环形流道带来的空气强流而存在温度相对较低的空气隔离层，从而使高温燃烧产物不直接接触燃烧室壁面，大幅降低燃烧室流道壁面热流密度，降低热防护难度。

Description

基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室及方法

技术领域

本申请涉及冲压燃烧室技术领域，特别是涉及一种基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室及方法。

背景技术

超燃冲压发动机作为未来临近空间飞行器的主要候选动力之一，也是临近空间及空天飞行用组合发动机的重要组成部分。自上世纪中期以来，国内外就对超燃冲压发动机流道方案进行了广泛的研究与设计。目前，常见的冲压燃烧室通常采用凹腔、支板和后向台阶等火焰稳定器。

这些方案实现了燃料的高效燃烧，并且在飞行马赫数低于7的燃烧室中得到广泛应用。但是上述方案需要利用燃烧室壁面构造回流区，这导致凹腔底壁或支板底部等壁面直接接触高温燃烧产物。随着飞行马赫数的提高，来流总温迅速升高。在飞行马赫数大于7时，来流空气总温高于2000K，燃烧产物温度接近4000K。这种高温燃烧产物与燃烧室壁面的直接接触，引发了严峻的热防护问题。

以采用凹腔的燃烧室为例，燃烧室流场如图1所示。在这种设计中，燃料喷孔位于燃烧室侧壁，燃料/空气混合物燃烧后生成的高温产物也位于壁面附近。因此，凹腔和凹腔下游的燃烧室壁面与高温燃烧产物直接接触，导致热防护面积非常大。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够避免高温燃烧物直接接触燃烧室流道壁面，在流道中心汇聚燃烧的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室及方法。

一种基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，所述燃烧室内壁面为变截面光滑曲面，所述变截面光滑曲面在燃烧室下游段形成收缩结构；

所述燃烧室下游段内壁面上设置有激波诱导装置；

所述燃烧室上游段中心设置有燃料喷注器，所述燃料喷注器外壁面与所述燃烧室内壁面之间形成环形流道。

其中一个实施例中，所述燃料喷注器设置在燃烧室流道入口附近。

其中一个实施例中，所述燃料喷注器为两头收缩、中间扩张的流线型曲面结构。

其中一个实施例中，所述燃料喷注器内具有燃料，表面开设有燃料喷孔，通过所述燃料喷孔释放燃料。

其中一个实施例中，所述燃料喷孔开设在所述燃料喷注器前端。

其中一个实施例中，所述燃料喷孔为多个，沿所述燃料喷注器截面周向阵列设置。

其中一个实施例中，所述激波诱导装置诱导激波形成的激波交汇点与所述燃料喷注器的距离为1～2倍燃烧室流道高度。

其中一个实施例中，所述激波诱导装置为激波发生器或微射流阵列装置或等离子体放电装置。

一种基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的方法，所述方法包括：

设计燃烧室内壁面为变截面光滑曲面，所述变截面光滑曲面在燃烧室下游段形成收缩结构；

在所述燃烧室上游段中心设置燃料喷注器，所述燃料喷注器外壁面与所述燃烧室内壁面之间形成环形流道；并在所述燃烧室下游段内壁面上设置激波诱导装置；

通过所述燃料喷注器释放燃料，所述燃料与从燃烧室流道入口进入的空气掺混形成混合物，所述混合物从所述环形流道进入所述燃烧室下游段；

通过所述激波诱导装置诱导产生激波，所述激波在燃烧室下游段的流道中心汇聚，使所述混合物在燃烧室下游段的流道中心进行燃烧。

本发明提供的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室及方法，通过将燃烧室内壁面设计为变截面光滑曲面，结合设置在上游段中心处的燃料喷注器及设置在下游段的激波诱导装置，通过燃料喷注器释放燃料，燃料与空气混合后从环形流道进入，由于燃烧室内壁面的曲面设计，能够使燃料与空气在较短距离内实现均匀掺混，并且由于变截面光滑曲面在燃烧室下游段形成收缩结构，能更好的使激波诱导装置在下游处诱导产生激波，激波在燃烧室下游段的流道中心交汇可以显著提高局部静温、静压，创造有利于燃烧的局部环境；另一方面，燃料与空气的混合物在下游段燃烧，燃料喷注器不会直接暴露在燃烧环境中，且高温燃烧产物与燃烧室的内壁面之间由于环形流道带来的空气强流而存在温度相对较低的空气隔离层，从而使高温燃烧产物不直接接触燃烧室壁面，大幅降低燃烧室流道壁面热流密度，降低热防护难度。

附图说明

图1为一个实施例中凹腔的燃烧室结构示意图；

图2为一个实施例中基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室结构示意图；

图3为一个实施例中基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的方法流程示意图；

附图标记说明：燃烧室11，燃烧室流道入口111，激波诱导装置22，激波221，激波交汇点222，燃料喷注器33，燃料喷孔331，环形流道332，混合物333，高温燃烧产物334，喷管壁面44，凹腔55。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

可以理解，发明人在实现本实施例技术过程中，发现如图1所示的具有凹腔的燃烧室，由于燃料喷孔331位于燃烧室壁面，因此，当燃料喷出时，与空气掺混后形成的混合物也在壁面附近燃烧，从而导致凹腔和凹腔下游的燃烧室壁面置于高温燃烧环境中，这将引起严峻的热防护问题。发明人针对上述情况，设计了如图2所示的燃烧室结构，通过在流道中心设置燃料喷注器33，燃料喷注器33与燃烧室11的内壁面之间形成环形流道，并在燃烧室11下游设置激波诱导装置22；然后通过燃料喷注器33喷注燃料，燃料与空气实现充分掺混后在离燃料喷注器33较远的下游处利用激波诱导装置22产生激波从而诱导燃料与空气的混合物燃烧，形成的高温燃烧产物主要位于流道中心，该高温燃烧产物与燃烧室11的内壁面之间由于环形流道332带来的空气强流，而存在温度相对较低的空气隔离层，从而使高温燃烧产物不直接接触燃烧室11的内壁面，可以大幅降低内壁面热流密度，降低热防护难度；进一步地，由于将燃料喷注器33设置在上游段，组织燃烧却在下游段，通过合理的距离设置，高温燃烧产物也不会接触到燃料喷注器33，进而可以保护燃料喷注器33不会被破坏，实现多次循环利用。

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施方式进行详细说明。

如图2所示，为本实施例公开的一种基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其燃烧室11内壁面为变截面光滑曲面，变截面光滑曲面在燃烧室11下游段形成收缩结构；燃烧室下游段内壁面上设置有激波诱导装置22；燃烧室上游段中心设置有燃料喷注器33，燃料喷注器33外壁面与所述燃烧室11内壁面之间形成环形流道332。

燃料喷注器33设置在燃烧室流道入口111附近，其轴线与与燃烧室流道的轴线重合。燃料喷注器33可以采用旋转体结构，可以理解，这里所说的旋转体是指由绕一条轴线旋转而成的立体图形，旋转体的形状取决于绕轴线旋转的基本曲线，可能是圆、椭圆、多边体或其他曲线形状。优选采用类似“橄榄球”形的两头收缩、中间扩张的流线型曲面结构，这样流线型曲面设计可以减小阻力，避免在燃料喷注器33的后端形成回流区。

燃料喷注器33内部为空腔结构，其内安装有燃料喷注装置，并装填有燃料，在燃料喷注器33的表面开设有燃料喷孔331，通过燃料喷孔331释放燃料。

一般来说，燃料喷孔331根据需求进行设置，本实施例优选将其设置在燃料喷注器33的前端，以便于空气从燃烧室流道入口111进入后，带动燃料往燃烧室11的下游段流动。由于燃料喷注器33设置在燃烧室11流道内中心位置，使入口处流道高度降低；配合燃烧室11内壁面的变截面光滑曲面设计，即形成的环形流道332也为变截面的不规则结构，当空气带动燃料通过环形流道332时，可以实现空气与燃料在较短距离内实现更加均匀的掺混；同时，由于环形流道332带来的空气强流，使高温燃烧产物与燃烧室11的内壁面之间存在温度相对较低的空气隔离层，从而使高温燃烧产物不直接接触燃烧室11的内壁面。

进一步地，燃料喷孔331可以设置一个及一个以上，当设置一个以上时，优选沿燃料喷注器33前端的某一横截面周线阵列设置，以使喷注的燃料能够在各方位均匀分布。

其中一个实施例中，为了防止激波诱导后火焰沿燃料喷注器33的后端向激波上游传播，从而导致燃料喷注器33接触到高温燃烧产物334而被烧坏，诱导激波产生的激波交汇点222与燃料喷注器33的距离要相对较远。优选地，激波诱导装置诱导激波形成的激波交汇点222与燃料喷注器33的距离为1～2倍燃烧室11的流道高度。

其中一个实施例中，激波诱导装置22为可以产生激波的构件，优选激波发生器或微射流阵列装置或等离子体放电装置。

值得说明的是，相较于传统的燃烧室11内壁面结构，本实施例将燃烧室11的内壁面设计成变截面的光滑曲面，这样设计有两个好处：(1)与设置在中心的燃料喷注器33的外壁面形成的环形流道332使入口处的流道高度降低，且环形流道332为变截面的不规则构型，可以使燃料和空气在较短的距离就能实现均匀掺混；(2)在变截面光滑曲面在燃烧室下游段形成收缩结构，形成有利于产生激波的环境，使激波诱导装置能够成功在下游段的流道中诱导产生激波。

本发明提供的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，采用在流道中心设置燃料喷注器33，不在燃烧室11的侧壁喷注燃料。燃料喷注器33可采用流线型设计以尽可能减小阻力，避免在支板或塞锥底部形成回流区。由于燃料喷注器33与燃烧室11内壁面之间形成的环形流道332流道高度的降低，燃料和空气可在较短距离内实现掺混。另一方面，在燃料喷注器33下游较远处利用激波诱导装置22在流道中诱导产生激波。激波在流道中心交汇后可以显著提升局部静温、静压，创造有利于燃烧的局部环境，促使混合物在激波下游开始燃烧。激波下游的高温燃烧产物在向燃烧室下游运动的同时引燃周边燃料与空气的混合物。同时，位于流道中心的高温燃烧产物和燃烧室11的内壁面之间存在温度相对较低的空气，高温燃烧产物不直接接触燃烧室壁面，可以大幅降低壁面热流密度，降低热防护难度。激波交汇点222和燃料喷注器33的距离要相对远，避免激波诱导燃烧后火焰沿燃料喷注器33后端向激波上游传播并导致燃料喷注器33壁面接触高温燃烧产物，保护燃料喷注器33不被高温破坏，实现较高的实用价值。

其中一个实施例中，如图3所示，为本实施例公开的一种基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的方法，包括以下步骤：

步骤102，设计燃烧室内壁面为变截面光滑曲面，变截面光滑曲面在燃烧室下游段形成收缩结构。

步骤104，在燃烧室上游段中心设置燃料喷注器，燃料喷注器外壁面与燃烧室内壁面之间形成环形流道；并在燃烧室下游段内壁面上设置激波诱导装置。

步骤106，通过燃料喷注器释放燃料，燃料与从燃烧室流道入口进入的空气掺混形成混合物，混合物从环形流道进入所述燃烧室下游段。

步骤108，通过激波诱导装置诱导产生激波，激波在燃烧室下游段的流道中心汇聚，使混合物在燃烧室下游段的流道中心进行燃烧。

可以理解，产生的激波显著提升了汇聚处气流的静温、静压。当静温足够高时，促使燃料和空气的混合物燃烧。

应该理解的是，虽然图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其特征在于，所述燃烧室内壁面为变截面光滑曲面，所述变截面光滑曲面在燃烧室下游段形成收缩结构；

所述燃烧室下游段内壁面上设置有激波诱导装置；

所述燃烧室上游段中心设置有燃料喷注器，所述燃料喷注器外壁面与所述燃烧室内壁面之间形成环形流道。

2.根据权利要求1所述的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其特征在于，所述燃料喷注器设置在燃烧室流道入口附近。

3.根据权利要求1或2所述的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其特征在于，所述燃料喷注器为两头收缩、中间扩张的流线型曲面结构。

4.根据权利要求3所述的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其特征在于，所述燃料喷注器内具有燃料，表面开设有燃料喷孔，通过所述燃料喷孔释放燃料。

5.根据权利要求4所述的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其特征在于，所述燃料喷孔开设在所述燃料喷注器前端。

6.根据权利要求5所述的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其特征在于，所述燃料喷孔为多个，沿所述燃料喷注器截面周向阵列设置。

7.根据权利要求2所述的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其特征在于，所述激波诱导装置诱导激波形成的激波交汇点与所述燃料喷注器的距离为1～2倍燃烧室流道高度。

8.根据权利要求1或2所述的基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的冲压燃烧室，其特征在于，所述激波诱导装置为激波发生器或微射流阵列装置或等离子体放电装置。

9.一种基于流道中心喷注和激波诱导燃烧的方法，其特征在于，所述方法包括：

设计燃烧室内壁面为变截面光滑曲面，所述变截面光滑曲面在燃烧室下游段形成收缩结构；

在所述燃烧室上游段中心设置燃料喷注器，所述燃料喷注器外壁面与所述燃烧室内壁面之间形成环形流道；并在所述燃烧室下游段内壁面上设置激波诱导装置；

通过所述燃料喷注器释放燃料，所述燃料与从燃烧室流道入口进入的空气掺混形成混合物，所述混合物从所述环形流道进入所述燃烧室下游段；

通过所述激波诱导装置诱导产生激波，所述激波在燃烧室下游段的流道中心汇聚，使所述混合物在燃烧室下游段的流道中心进行燃烧。