[发明专利]一种新型喷射结构的超声速燃烧室喷嘴方案

说明书

一、技术领域

燃料点火和稳定燃烧是高超声速燃烧室内实现稳定燃烧的关键问题。在以超声速燃烧室、亚声速燃烧室等为主要部件的冲压发动机动力系统中，其主要的性能指标都严重受制于燃烧室的结构尺寸。从更深层次上来讲，这些性能指标都受制于燃烧室内的燃料掺混、点火和稳定燃烧等过程。

二、背景技术

超燃冲压发动机燃烧室是一个能量转换装置，燃料通过燃烧释放出化学能，转化为气流的热能。在超声速燃烧室内，为了更好地组织燃烧，在超声速燃烧室内的支板、壁面(或空腔壁面)上，按照不同的方式设置不同结构和方式的燃料喷嘴，把燃料以平行、垂直或与来流成一定的角度喷入到气流中，促进燃料与来流空气的混合，增强燃烧发生，保证燃烧能够稳定进行。

尽管超声速燃烧室的结构相对简单，但其工作过程却非常复杂，涉及到高超声速空气动力学、燃烧学、扩散传质等许多学科门类。对高超声速燃烧室的基本要求是：(1)在工作范围内最不利的情况下，燃烧室仍然能够快速可靠地点火起动；(2)在预定的工作范围内，燃烧室能够稳定燃烧，而不产生强烈振动；(3)燃料能够在燃烧室内最大限度地完全燃烧，并且燃烧效率尽可能高；(4)经过燃烧室内燃烧后，燃烧引起的总压损失尽可能小；(5)在满足燃烧室冷却和结构强度的条件下，尽可能减小燃烧室的尺寸和质量等。因此，进行超声速燃烧室研究的任务是，要使燃料在有限空间内，在高速气流中短时间内完成燃料喷射、雾化、蒸发、混合、稳定燃烧，并将化学能最大限度地转化为热能。

目前比较常用的燃料混合增强技术主要有旋流喷嘴、斜压混合、后掠斜坡喷射、支板喷射和壁面凹腔等，主要是通过燃烧室内喷嘴结构的改变来实现燃料混合增强技术。此外，燃料喷嘴的数目，喷嘴的压降、位置、布局、燃料当量比、燃料的射流相对穿透深度、燃烧室结构等都对燃烧性能有重要的影响。但作为技术上可以实现或有益的探索性尝试，以及技术实现难度方面的限制等原因，这些方案并没有单独使用其中的一种或两种来满足效果，而需要经过组合，通过多种混合增强方式促进燃料混合。

因此，可以说，对作为超燃冲压发动机能量转换装置的高超声速燃烧室的要求，就是能够在有限的空间和有限的时间(毫秒级)内，在超声速气流中实现燃料的高效混合、着火和稳定燃烧，将燃料化学能最大限度地转化为热能。由于气流在燃烧室内的驻留时间非常短，燃料与空气进行有效混合、顺利点火和稳定燃烧遂成为超声速燃烧技术的难点之一。通常，从燃烧室结构，喷嘴结构，燃料喷射方式等入手，一方面，在超声速燃烧室局部造成回流区，增加燃料与空气的混合及其在燃烧室内的停留时间，保证反应时间；另一方面，增加燃烧室流场内的漩涡，以增加燃料的对流扩散效果，来促进超声速燃烧室内燃料的有效混合，从而保证燃烧能够稳定发生。

上世纪九十年代，CIAM提出凹槽结构，并将其应用到其所进行的轴对称双模态超燃冲压发动机的飞行验证试验中，成功地将凹槽结构应用到所设计的超声速燃烧室的飞行验证实验中。其研究结果表明凹槽结构能够起到一定的火焰稳定作用。随后，国内外的一些研究者对凹槽结构的火焰稳定特性以及流动特性等进行了一些研究。但对于如何充分利用凹槽结构的火焰稳定作用，以及如何使燃料喷射结构和凹槽相结合实现高效复合的燃料喷射、混合、有效点火和稳定燃烧却没有提出新的方案。

本发明在对凹槽结构特性进行充分研究的基础上，提出了一种新型喷射结构的超声速燃烧室喷嘴设计方案。这种燃料喷射的结构方案，是将凹槽结构和燃料喷射结构相结合，实现燃烧室内燃料的均匀喷射和充分混合，同时实现燃料的有效点火和得到稳定的火焰。这种设计方案可以用于超声速燃烧室的结构方案设计中，实现超声速燃烧室的燃料喷射、混合、点火和稳定燃烧，从而能够潜在地减小燃烧室的结构尺寸，为设计高性能的超声速燃烧室提供一种设计思路和设计依据。

三、发明内容

本发明的创新之处，在于提出了一种新型喷射结构的超声速燃烧室喷嘴设计方案。该设计方案，以国内外对凹槽特性结构的研究，以及本文已经对凹槽结构和燃料喷射结构进行过的研究结果为基础，对喷嘴方案进行重新设置和布局，从而能够更为充分地实现燃料的喷射、混合、点火和稳定燃烧。

本发明所提出的新型喷射结构的超声速燃烧室喷嘴设计方案主要由凹槽、凹槽前喷嘴以及凹槽前壁喷嘴等设计部分组成：

1.凹槽前方的来流能够将燃烧室前方气流经过质量交换带入道凹槽内，在凹槽内形成稳定的回流区，速度相对比较低，从而能够保证燃料点火，进而形成一个比较稳定的点火源。