CN205424924U - 一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置 - Google Patents

Abstract

一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置，涉及超燃冲压发动机。设有超燃燃烧室、半球体涡流发生器、圆形燃料喷嘴、膨胀段、等熵压缩段；涡流发生器紧贴燃烧室壁面，涡流发生器安装在距离超燃燃烧室入口5～8倍涡流发生器直径的位置；圆形燃料喷嘴整体呈现收敛状，燃料通过喷嘴垂直喷入燃烧室内，喷嘴与涡流发生器之间的中心距为0.3～0.5倍的涡流发生器直径；膨胀段位于燃烧室上壁面。提高燃烧室工作效率和缩短发动机隔离段、燃烧室长度，工作性能高、损失小、结构简单、热防护难度低。

Description

一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置

技术领域

本实用新型涉及超燃冲压发动机，尤其是涉及一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置。

背景技术

超燃冲压发动机是实现高超声速飞行的首选动力系统。由于在高马赫数下具有比冲性能高、结构简单、质量轻且速度快等优点，超燃冲压发动机被广泛用于空天飞机、高超声速飞机以及高超音速巡航导弹等领域。

在超燃冲压发动机涉及的问题中，如何实现燃料高效地喷射、掺混并组织点火燃烧是关键问题之一。由于超声速主流在超燃冲压发动机通道内驻留的时间通常仅为几毫秒，在如此短的时间和空间尺度内，燃烧室中的空气和燃料很难进行高效掺混并稳定燃烧。因此，燃料的喷射和掺混效率直接决定着超燃燃烧室的工作效率，并对超燃冲压发动机的尺寸、结构和热负荷设计有重要意义。

目前，超燃燃烧室中的燃料喷射布局主要分为以下两种：一种是壁面喷射布局，其特点是燃料从燃烧室壁面垂直或倾斜喷注，掺混效率高且火焰稳定，但造成的总压损失大；另一种是插入式喷射布局，即燃料喷射器安装在燃烧室通道的中心，将燃料平行喷入到空气中，使发动机直接利用燃料喷射动量作为推力，增加燃烧室的推力，其总压损失较小但是掺混效果不太理想，且插入式结构易受到热侵蚀。为此，设计一种掺混效率较好同时兼具较高的总压恢复性能，且结构简单、热防护难度低的燃料喷射装置对超燃冲压发动机性能的进一步提升具有重要的意义。

发明内容

本实用新型的目的旨在克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置。

本实用新型设有超燃燃烧室、半球体涡流发生器、圆形燃料喷嘴、膨胀段、等熵压缩段；所述半球体涡流发生器紧贴超燃燃烧室壁面，半球体涡流发生器安装在距离超燃燃烧室入口5～8倍半球体涡流发生器直径的位置，半球体涡流发生器产生的涡系结构能够促进下游燃料与空气的掺混，半球体涡流发生器下游的回流区能够增强燃料稳定燃烧的能力；所述圆形燃料喷嘴整体呈现收敛状，燃料通过圆形燃料喷嘴能够垂直喷注入超燃燃烧室内，圆形燃料喷嘴与半球体涡流发生器之间的中心距为0.3～0.5倍的半球体涡流发生器直径；所述膨胀段位于超燃燃烧室上壁面。

膨胀段产生的一系列膨胀波波面能削弱弓形激波，从而降低超燃燃烧室内的总压损失，同时膨胀波波面穿透喷流弓形激波后覆盖燃料和空气掺混的掺混区域，迫使该区域内的流体由壁面朝超燃燃烧室中心扩散，进而提高燃料的掺混效率；所述等熵压缩段用于膨胀段和超燃燃烧室上壁面之间的过渡连接，避免由于气流剧烈转折而形成强的斜激波。

所述超燃燃烧室可采用常规矩形燃烧室,超燃燃烧室的内流通道截面呈矩形。

当需要在超燃燃烧室内设置多个半球体涡流发生器和圆形燃料喷嘴时，相邻两个半球体涡流发生器中心距应为半球体涡流发生器直径的2～2.2倍，以确保相邻两个半球体涡流发生器产生的涡系结构之间不发生相互干涉。

本实用新型的工作原理为：通过改变常规矩形超燃燃烧室上壁面的部分形面，在燃烧室内引入一系列膨胀波波面，利用膨胀波削弱喷流弓形激波的强度同时迫使燃料由壁面朝燃烧室中心汇聚，降低超燃燃烧室总压损失且提高燃料掺混效率；同时在圆形燃料喷嘴前设置一个或多个平行的半球体涡流发生器结构，利用半球体涡流发生器产生的涡系结构和回流区进一步提升超燃燃烧室燃料掺混效率，从而达到提高燃烧室工作效率和缩短发动机尺寸的目的。

本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型所述半球体涡流发生器产生的反向对旋涡和膨胀段诱导出的膨胀波能够产生剧烈的剪切和汇聚运动，促进燃料与空气掺混，大大提高超燃燃烧室的工作效率，从而缩短超燃燃烧室的尺寸，减轻超燃燃烧室的重量，增加发动机推力。

(2)本实用新型所述半球体涡流发生器在尾部区域产生的回流区有利于燃料组织稳定燃烧。

(3)相比于其他的燃料喷射布局，所述膨胀段诱导出的膨胀波能够削弱弓形激波而降低燃烧室总压损失，且所述半球体涡流发生器安装在燃烧室壁面边界层内，造成的总压损失小，热负荷小，降低超燃燃烧室内结构热防护的难度。

附图说明

图1为一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置结构示意图；

图2为一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置侧视图；

图3为一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置俯视图；

图4为一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的前视图。

图1～4中标注的大写字母用于表征尺寸，分别为：B.壁面边界层厚度，C.半球体涡流发生器与圆形燃料喷嘴之间的中心距，D.半球体涡流发生器直径，L.半球体涡流发生器中心距入口的距离，S.相邻两个半球体涡流发生器中心距。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1～4所示，本实用新型一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置，包括超燃燃烧室1、半球体涡流发生器2、圆形燃料喷嘴3、膨胀段4、等熵压缩段5。

所述超燃燃烧室1为矩形燃烧室，超燃燃烧室1的内流通道截面呈矩形；所述半球体涡流发生器2紧贴超燃燃烧室1壁面，半球体涡流发生器2安装在距离超燃燃烧室1入口约5～8倍半球体涡流发生器直径D的位置，半球体涡流发生器2产生的涡系结构9能够促进下游燃料与空气的掺混；所述圆形燃料喷嘴3整体呈现收敛状，燃料12通过圆形燃料喷嘴3能够垂直喷注入超燃燃烧室1内，圆形燃料喷嘴3和半球体涡流发生器之间的中心距C约为0.3～0.5倍的半球体涡流发生器直径D；所述膨胀段4位于超燃燃烧室1上壁面，膨胀段4产生的一系列膨胀波波面8能穿透喷流弓形激波10，削弱弓形激波10，从而降低由弓形激波10造成的总压损失，同时膨胀波波面8覆盖燃料和空气掺混的掺混区域，迫使该区域内的流体由壁面朝超燃燃烧室1中心扩散，进而提高燃料的掺混效率；所述等熵压缩段5用于膨胀段4和超燃燃烧室1上壁面之间的过渡连接，避免由于气流强烈转折而形成强的斜激波。

当燃料12通过圆形燃料喷嘴3垂直喷注入超燃燃烧室1时，燃料会对超声速主流6造成阻碍并在圆形燃料喷嘴3上游形成一道强的弓形激波10，同时燃料在下游区域逐渐向四周扩散并于超声速主流6进行掺混。所述膨胀段4产生的一系列膨胀波波面8能够有效削弱弓形激波10，同时膨胀波波面8能够穿过弓形激波10并覆盖燃料与空气的掺混区域，能够迫使壁面处的流体向超燃燃烧室1中心扩散。所述半球体涡流发生器2在圆形燃料喷嘴3上游区域诱导出一系列涡系结构9，产生剧烈的剪切和汇聚运动，促进燃料与空气掺混，提高燃烧的掺混效率。

当在超燃燃烧室1内设置多个半球体涡流发生器2和圆形燃料喷嘴3时，相邻两个半球体涡流发生器2中心距S约为2～2.2倍的半球体涡流发生器直径D，以确保相邻两个半球体涡流发生器2产生的涡系结构9之间不发生相互干涉。

本实用新型利用半球体涡流发生器提高所述超燃燃烧室的燃料掺混效率和火焰稳定能力，引入膨胀波降低所述超燃燃烧室的总压损失，能够有效提高燃烧室工作效率和缩短发动机隔离段、燃烧室长度，具有工作性能高、损失小、结构简单、热防护难度低等优点。

Claims (2)

1.一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置，其特征在于设有超燃燃烧室、半球体涡流发生器、圆形燃料喷嘴、膨胀段、等熵压缩段；所述半球体涡流发生器紧贴超燃燃烧室壁面，半球体涡流发生器安装在距离超燃燃烧室入口5～8倍半球体涡流发生器直径的位置，半球体涡流发生器产生的涡系结构促进下游燃料与空气的掺混；所述圆形燃料喷嘴整体呈现收敛状，燃料通过圆形燃料喷嘴垂直喷注入超燃燃烧室内，圆形燃料喷嘴与半球体涡流发生器之间的中心距为0.3～0.5倍的半球体涡流发生器直径；所述膨胀段位于超燃燃烧室上壁面。

2.如权利要求1所述一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的装置，其特征在于所述超燃燃烧室采用矩形燃烧室,超燃燃烧室的内流通道截面呈矩形。