CN117722701A - 一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，包括补燃室外筒、火焰筒、火焰稳定器以及连接补燃室外筒和火焰筒的前支板和后支板；补燃室外筒与火焰筒间的环形流道头部与进气道出口相连接，是冲压空气气流通道；火焰筒壁面上布置有进气孔，用于冲压空气从外侧环形流道分多次进入火焰筒燃烧区内；半圆筒形火焰稳定器间隔布置在火焰筒壁面内侧最后一排进气孔上游，用于稳定火焰，并利用其下游的低压区，增大冲压空气射流深度。本发明结构简单、科学合理，可以有效增强粉末燃料、高温燃气和冲压空气的掺混燃烧，适用于粉末燃料冲压发动机。
Description
技术领域
本发明属于粉末燃料冲压发动机领域，涉及一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构。
背景技术
随着空天领域的攻防对抗愈演愈烈，下一代导弹武器系统朝着大空域，宽速域，强机动、高隐身、远射程方向发展，要求其动力装置具备能量高、可在大空域多弹道正常工作、反应速度快、体积小、质量轻、维护使用方便和储存性能好等优点。与火箭发动机相比，冲压发动机无需携带氧化剂，具有更优异的比冲性能，在军事领域有着十分广泛的应用前景。粉末燃料冲压发动机兼具固体冲压发动机结构简单、可靠性高、维护使用方便和液体冲压发动机可多次启动、推力可调的优点，且固体颗粒燃料的燃烧产物在高温环境中不易离解吸热，释热性能好，符合未来超声速导弹对动力装置的需要。因此，粉末燃料冲压发动机已成为未来导弹推进系统的一个重要发展方向。
粉末燃料的高效燃烧是其在补燃室内高效释热的前提和基础，是实现粉末燃料冲压发动机大推力、高比冲的关键。然而，相比于液体碳氢燃料，粉末燃料熔点和沸点更高，粉末颗粒惯性大，与气流的掺混更为困难，实现粉末燃料在补燃室内的高效燃烧面临不小的挑战。目前常用的环面轴向进气和双下侧进气在发动机直径增大，高空飞行冲压来流总压较低时面临以下几个问题：1)冲压空气穿透深度不足，不易实现粉末燃料、高温燃气同冲压空气的均匀掺混；2)进气集中，粉末燃料、高温燃气同冲压空气的接触面积有限，不利于燃烧速率的进一步提高；3)流场中的大尺度旋涡会增强补燃室出口燃气流动参数的非均匀性和非定常性。这些不足严重影响粉末燃料冲压发动机补燃室燃烧效率的提高，制约着粉末燃料冲压发动机推力、比冲性能的发挥和提升。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，以解决粉末燃料冲压发动机补燃室燃烧效率低、粉末燃料冲压发动机推力、比冲性能不足等问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，包括补燃室外筒、火焰筒、粉末燃料喷嘴、燃气发生器喷管、前支板、后支板、火焰稳定器和补燃室喷管；
所述补燃室外筒套在火焰筒外，补燃室外筒和火焰筒之间的环形流道为冲压空气气流通道，补燃室外筒和火焰筒之间通过多个前支板和后支板支撑连接；
所述火焰筒前端面设有粉末燃料喷嘴和燃气发生器喷管；火焰筒侧壁设有多个进气孔以使冲压空气从环形流道分多次进入火焰筒燃烧区内；
所述火焰稳定器沿周向间隔布置在火焰筒内壁且位于火焰筒后部的进气孔上游；
所述补燃室喷管对接在补燃室外筒后端；
所述补燃室外筒的直径为D1，长度为L1；火焰筒的直径为D2，长度为L2。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述火焰筒侧壁进气孔分为四排，四排进气孔的数量和孔径不等；从火焰筒前端至后端依次为第一排进气孔、第二排进气孔、第三排进气孔和第四排进气孔。
具体的，所述第一排进气孔的数量为n1，直径为d1，第一排进气孔周向均匀分布，第一排进气孔到火焰筒头部的轴向间距为l1，且满足4<n1<16，0.1D2<l1<0.3D2。
具体的，所述第二排进气孔的数量为2，直径为d2，第二排进气孔周向夹角为α，第二排进气孔到第一排进气孔中心的轴向间距l2，且满足75°<α<105°，0.2D2<l2<0.3D2。
具体的，所述第三排进气孔的数量为2，孔径为d3，第三排进气孔周向夹角为α，第三排进气孔到第二排进气孔中心的轴向间距l3，且满足0.2D2<l3<0.3D2；第三排进气孔的周向位置由第二排进气孔逆时针旋转180°得到。
具体的，所述第四排进气孔的数量为n4，孔径为d4，第四排进气孔周向均匀布置，第四排进气孔与第三排进气孔中心的轴向间距为l4，且满足4<n4<16，0.1D2<l4<0.3D2。
具体的，所述前支板前缘与补燃室外筒前端及火焰筒前端面均对齐，多个前支板沿周向均布；所述后支板后缘与火焰筒后端面对齐，多个后支板沿周向均布；
所述前支板与补燃室外筒及火焰筒均焊接；后支板与补燃室外筒及火焰筒均焊接。
具体的，所述粉末燃料喷嘴位于火焰筒前端面中心；燃气发生器喷管有多个且围绕粉末燃料喷嘴布设；粉末燃料由流化气夹带以气固两相流的方式由粉末燃料喷嘴进入火焰筒中；高温燃气由燃气发生器喷管高速喷入火焰筒内。
具体的，所述火焰稳定器焊接在火焰筒内壁且位于第四排进气孔上游；火焰稳定器与第四排进气孔孔边前半侧相接。
具体的，所述火焰稳定器为半圆筒形结构，火焰稳定器直径为d4，长度为l5，且0.1D2<l5<0.2D2。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明通过在进气孔上游布置火焰稳定器，可显著增加冲压空气射流深度，强化火焰筒出口上游富燃燃气和空气掺混，有效解决冲压空气难以深入火焰筒中心燃烧核心区，实现均匀掺混的问题。
本发明通过多孔横向射流结构设计、结合火焰稳定器的合理布置，可有效缩短冲压空气所需的穿透距离，增加其射流深度，增大其与粉末燃料和高温燃气的接触面积，进而显著提高补燃室内粉末燃料的燃烧速率。
本发明通过第二、三排进气孔周向关于发动机截面中心对称布置，产生旋转方向相反的旋涡并叠加，可显著降低旋涡强度；通过周向均布的第四排进气孔进气结合火焰稳定器使上游大尺度旋涡破碎成小尺度旋涡，可显著降低补燃室出口气流参数的非均匀性和非定常性。
附图说明
图1为本发明粉末燃料冲压发动机多孔横向射流补燃室的示意图。
图2为火焰筒半剖图。
图3为A-A截面火焰筒剖视图。
图4为B-B截面火焰筒剖视图。
图5为C-C截面火焰筒剖视图。
图6为C-C截面补燃室剖视图。
图中各个标号的含义为：
1.补燃室外筒，2.火焰筒，3.粉末燃料喷嘴，4.燃气发生器喷管，5.前支板，6.后支板，7.火焰稳定器，8.补燃室喷管。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
如图1至图6所示，本实施例提供一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，包括补燃室外筒1、火焰筒2、粉末燃料喷嘴3、燃气发生器喷管4、前支板5、后支板6、火焰稳定器7和补燃室喷管8。
补燃室外筒1套在火焰筒2外，补燃室外筒1和火焰筒2之间的环形流道为冲压空气气流通道，补燃室外筒1和火焰筒2之间通过多个前支板5和后支板6支撑连接；火焰筒2前端面设有粉末燃料喷嘴3和燃气发生器喷管4；火焰筒2侧壁设有多个进气孔以使冲压空气从环形流道分多次进入火焰筒2燃烧区内；火焰稳定器7沿周向间隔布置在火焰筒2内壁且位于火焰筒2后部的进气孔上游即图1中第四排进气孔的左端/前端；补燃室喷管8对接在补燃室外筒1后端；补燃室外筒1的直径为D1，长度为L1；火焰筒2的直径为D2，长度为L2。
火焰筒2侧壁进气孔分为四排，四排进气孔的数量和孔径不等；从火焰筒2前端至后端依次为第一排进气孔、第二排进气孔、第三排进气孔和第四排进气孔。
第一排进气孔的数量为n1，直径为d1，第一排进气孔周向均匀分布，第一排进气孔到火焰筒2头部的轴向间距为l1，且满足4<n1<16，0.1D2<l1<0.3D2。d1根据一次进气流量和n1确定。
第二排进气孔的数量为2，直径为d2，第二排进气孔周向夹角为α，第二排进气孔到第一排进气孔中心的轴向间距l2，且满足75°<α<105°，0.2D2<l2<0.3D2。d2根据二次进气流量确定。
第三排进气孔的数量为2，孔径为d3，第三排进气孔周向夹角为α，第三排进气孔到第二排进气孔中心的轴向间距l3，且满足0.2D2<l3<0.3D2；第三排进气孔的周向位置由第二排进气孔逆时针旋转180°得到，d3根据三次进气流量确定。
第四排进气孔的数量为n4，孔径为d4，第四排进气孔周向均匀布置，第四排进气孔与第三排进气孔中心的轴向间距为l4，且满足4<n4<16，0.1D2<l4<0.3D2。d4根据四次进气流量和n4确定。
上述d1、d2、d3、d4四个孔径由各次进气量决定，本实施例中，第二排进气孔、第三排进气孔的孔径大于第一排进气孔、第四排进气孔的孔径。
前支板5前缘与补燃室外筒1前端及火焰筒2前端面均对齐，多个前支板5沿周向均布；后支板6后缘与火焰筒2后端面对齐，多个后支板6沿周向均布；前支板5与补燃室外筒1及火焰筒2均焊接；后支板6与补燃室外筒1及火焰筒2均焊接。
粉末燃料喷嘴3位于火焰筒2前端面中心；燃气发生器喷管4有多个且围绕粉末燃料喷嘴3布设；粉末燃料由流化气夹带以气固两相流的方式由粉末燃料喷嘴3进入火焰筒2中；高温燃气由燃气发生器喷管4高速喷入火焰筒2内。
火焰稳定器7焊接在火焰筒2内壁且位于第四排进气孔上游；火焰稳定器7与第四排进气孔孔边前半侧相接。
火焰稳定器7为半圆筒形结构，具体的，半圆筒形结构的凹面朝向火焰筒尾部；火焰稳定器7直径为d4，长度为l5，且0.1D2<l5<0.2D2。
实施例2：
本实施例提供一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构的装配方法，首先，将粉末燃料喷嘴和燃气发生器喷管安装固定在火焰筒的头部；然后，将火焰稳定器焊接在火焰筒的第四排进气孔上游，并且间隔布置；之后，先将周向均布的前支板和后支板的一端焊接在火焰筒的壁面外侧，再将前支板和后支板的另一端焊接在补燃室外筒的内侧，前支板前缘与补燃室外筒和火焰筒壁面前缘对齐，后支板后缘与火焰筒后缘对齐；之后，通过螺纹将补燃室喷管与补燃室外筒相连接；最后，将整个补燃室同发动机连接。
实施例3：
本实施例提供一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的方法，该方法采用实施例1中的补燃室结构；粉末燃料由流化气夹带以气固两相流的方式由粉末燃料喷嘴进入补燃室的火焰筒中；燃气发生器产生的高温燃气由燃气发生器喷管高速喷入补燃室的火焰筒内。来自进气道冲压气流首先进入补燃室外筒同火焰筒壁面形成的环形流道中，在沿轴向向下游流动的过程中，依次通过第一排进气孔、第二排进气孔、第三排进气孔和第四排进气孔进入到火焰筒内，与粉末燃料掺混燃烧，形成的高温燃气经补燃室喷管膨胀加速后高速喷出。
第一排进气孔周向均匀分布，一次进气所需穿透深度较短，可以深入到火焰筒的中心附近，同时多孔进气可以增大高温燃气同冲压空气的接触面积。合理控制一次进气流量可使高温燃气在恰当化学当量比附近的空燃比下燃烧，对由粉末燃料喷嘴喷入的温度较低的粉末燃料进行预先加热。
第二排进气孔与第三排进气孔参考双下侧进气设计。与双下侧二次进气的不同之处在于周向上三次进气孔相比二次进气孔沿逆时针旋转了180°。利用双下侧进气增强进气射流深度，促使高温燃气夹带粉末燃料在燃烧头部高温区形成回流，增加粉末燃料在补燃室内的滞留时间。第二排进气孔与第三排进气周向关于发动机截面中心对称布置，使三次进气会与二次进行形成旋转方向相反的旋涡，可以降低补燃室下游的旋涡强度，进而避免粉末燃料颗粒受惯性力影响，被甩向壁面附近区域。
由火焰稳定器下游进气孔进入的冲压空气刚好在火焰稳定器背风分离区，射流深度较深，其余第四排进气孔射流深度较浅，可在整个火焰筒圆形截面内形成较为均匀的掺混。射流进气的背风侧低速区可以用于稳定火焰。此外，第四排进气孔的射流进气和火焰稳定器可以使第二排进气孔和第三排进气孔进气形成的大尺度旋涡破碎成多个小尺度旋涡。
该方案使补燃室内高温燃气、粉末燃料和冲压空气均匀掺混的程度显著提高，接触面积增大，燃烧效率明显提高，出口气流参数不均匀性和非定常性显著减弱。
Claims (10)
1.一种粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，包括补燃室外筒(1)、火焰筒(2)、粉末燃料喷嘴(3)、燃气发生器喷管(4)、前支板(5)、后支板(6)、火焰稳定器(7)和补燃室喷管(8)；
所述补燃室外筒(1)套在火焰筒(2)外，补燃室外筒(1)和火焰筒(2)之间的环形流道为冲压空气气流通道，补燃室外筒(1)和火焰筒(2)之间通过多个前支板(5)和后支板(6)支撑连接；
所述火焰筒(2)前端面设有粉末燃料喷嘴(3)和燃气发生器喷管(4)；火焰筒(2)侧壁设有多个进气孔以使冲压空气从环形流道分多次进入火焰筒(2)燃烧区内；
所述火焰稳定器(7)沿周向间隔布置在火焰筒(2)内壁且位于火焰筒(2)后部的进气孔上游；
所述补燃室喷管(8)对接在补燃室外筒(1)后端；
所述补燃室外筒(1)的直径为D1，长度为L1；火焰筒(2)的直径为D2，长度为L2。
2.如权利要求1所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述火焰筒(2)侧壁进气孔分为四排，四排进气孔的数量和孔径不等；从火焰筒(2)前端至后端依次为第一排进气孔、第二排进气孔、第三排进气孔和第四排进气孔。
3.如权利要求2所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述第一排进气孔的数量为n1，直径为d1，第一排进气孔周向均匀分布，第一排进气孔到火焰筒(2)头部的轴向间距为l1，且满足4<n1<16，0.1D2<l1<0.3D2。
4.如权利要求2所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述第二排进气孔的数量为2，直径为d2，第二排进气孔周向夹角为α，第二排进气孔到第一排进气孔中心的轴向间距l2，且满足75°<α<105°，0.2D2<l2<0.3D2。
5.如权利要求2所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述第三排进气孔的数量为2，孔径为d3，第三排进气孔周向夹角为α，第三排进气孔到第二排进气孔中心的轴向间距l3，且满足0.2D2<l3<0.3D2；第三排进气孔的周向位置由第二排进气孔逆时针旋转180°得到。
6.如权利要求5所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述第四排进气孔的数量为n4，孔径为d4，第四排进气孔周向均匀布置，第四排进气孔与第三排进气孔中心的轴向间距为l4，且满足4<n4<16，0.1D2<l4<0.3D2。
7.如权利要求1所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述前支板(5)前缘与补燃室外筒(1)前端及火焰筒(2)前端面均对齐，多个前支板(5)沿周向均布；所述后支板(6)后缘与火焰筒(2)后端面对齐，多个后支板(6)沿周向均布；
所述前支板(5)与补燃室外筒(1)及火焰筒(2)均焊接；后支板(6)与补燃室外筒(1)及火焰筒(2)均焊接。
8.如权利要求1所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述粉末燃料喷嘴(3)位于火焰筒(2)前端面中心；燃气发生器喷管(4)有多个且围绕粉末燃料喷嘴(3)布设；粉末燃料由流化气夹带以气固两相流的方式由粉末燃料喷嘴(3)进入火焰筒(2)中；高温燃气由燃气发生器喷管(4)高速喷入火焰筒(2)内。
9.如权利要求2所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述火焰稳定器(7)焊接在火焰筒(2)内壁且位于第四排进气孔上游；火焰稳定器(7)与第四排进气孔孔边前半侧相接。
10.如权利要求9所述的粉末燃料冲压发动机多孔横向射流掺混的补燃室结构，其特征在于，所述火焰稳定器(7)为半圆筒形结构，火焰稳定器(7)直径为d4，长度为l5，且0.1D2<l5<0.2D2。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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