利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其包括以下內(nèi)容：1）用耐高溫材料制作出多微孔結(jié)構(gòu)的噴注支板，并將超燃發(fā)動機的燃料管與噴注支板連通；2）利用燃料滲出多微孔結(jié)構(gòu)噴注支板孔隙的過程，強制進行對流換熱，帶走噴注支板表面的熱量；3）利用燃料滲出在噴注支板表面形成薄膜層，阻隔主流對噴注支板的傳熱。本發(fā)明在噴注支板材料上制作出多孔隙結(jié)構(gòu)，利用發(fā)汗冷卻的概念，將燃料充當冷卻劑，使燃料流經(jīng)噴注支板的過程中與噴注支板發(fā)生強烈的對流換熱，同時使燃料在噴注支板表面形成一個薄層，阻礙高溫主流與噴注支板表面的傳熱，實現(xiàn)對噴注支板尤其是其前緣部分的熱保護，防止噴注支板的燒蝕破壞。本發(fā)明可以廣泛用于各種沖壓發(fā)動機噴注支板結(jié)構(gòu)的熱防護中。
【專利說明】利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫壁面熱防護方法，特別是關于一種在高溫高速氣流中利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為代表現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展前沿的航空航天技術(shù)，由于其在國防及空間資源利用上的重要意義，得到了世界上許多國家的大力投入，并帶動了相關產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展。為滿足飛的更高、更快的要求，開發(fā)新型高效的發(fā)動機技術(shù)也成為未來航空航天飛行器的必然發(fā)展。如圖1所示，沖壓發(fā)動機是一類沒有高速旋轉(zhuǎn)的復雜葉片結(jié)構(gòu)，通過進氣道來實現(xiàn)高速來流空氣減速壓縮的發(fā)動機。為實現(xiàn)在大氣層內(nèi)高超聲速(Ma>5，Ma為馬赫數(shù))巡航飛行，發(fā)動機內(nèi)燃燒室主流流動與燃燒需要保持在高超音速下進行，高馬赫數(shù)流動的高速主流首先經(jīng)過飛行器前緣以及進口段產(chǎn)生斜激波減速壓縮，然后經(jīng)過隔離段的弱激波串再進入燃燒室，與噴注的燃料混合、點火、燃燒后最終經(jīng)過噴管段噴出提供動力。但是燃料在燃燒室內(nèi)的滯留時間只有幾個毫秒，需要有效的裝置來提供燃料的噴注，以實現(xiàn)燃料與高速主流之間的摻混。
[0003]噴注支板結(jié)構(gòu)是燃燒室內(nèi)一種常見的實現(xiàn)燃料和高速主流進行有效摻混的裝置，燃料從噴注支板上的噴油孔噴出，與高速主流混合，克服了壁面入射穿透距離短的缺點。但同時高速主流在噴注支板表面滯止產(chǎn)生嚴重的氣動加熱，噴注支板尤其是前緣部分極易發(fā)生燒蝕破壞，必須采用有效的主動冷卻降低噴注支板表面溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種在高溫高速氣流中利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其包括以下內(nèi)容:1)用耐高溫材料制作出多微孔結(jié)構(gòu)的噴注支板，并將超燃發(fā)動機的燃料管與噴注支板連通；2)利用燃料滲出多微孔結(jié)構(gòu)噴注支板孔隙的過程，強制進行對流換熱，帶走噴注支板表面的熱量；3)利用燃料滲出在噴注支板表面形成薄膜層，阻隔主流對噴注支板的傳熱。
[0006]所述噴注支板的空腔內(nèi)設置有耐高溫固體材料的支撐肋，且在每一被所述支撐肋分隔的空腔內(nèi)分別連通一燃料管。
[0007]所述支撐肋為設置在所述空腔中部的一個。
[0008]所述支撐肋為間隔設置在所述空腔內(nèi)的多個。
[0009]所述噴注支板上開設有噴油孔。
[0010]所述噴注支板的外部形狀為與主流來流方向呈一傾斜角度的菱形。
[0011]當采用金屬粉末制作多孔噴注支板時，首先將微米量級的金屬粉末與有機粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下用注射成形機注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，并經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。
[0012]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明方法根據(jù)多孔介質(zhì)的特性，在噴注支板材料上制作出多孔隙結(jié)構(gòu)，利用發(fā)汗冷卻的概念，不但可以實現(xiàn)燃料與主流的更好摻混，而且將燃料充當冷卻劑完成對噴注支板外表面的熱保護，其冷卻能力很大，從熱防護的角度來說，僅需要較低的燃料量，就能滿足使用需要。2、本發(fā)明的噴注支板內(nèi)部由于存在大量的孔隙，比表面積非常大，因此燃料流經(jīng)噴注支板的過程中與噴注支板發(fā)生強烈的對流換熱，可以有效地吸收固體的熱量，降低噴注支板溫度。3、本發(fā)明由于燃料通過噴注支板上的孔隙滲入到主流的速度較慢，因此會在噴注支板表面形成一個薄層，阻礙高溫主流與噴注支板表面的傳熱，實現(xiàn)對噴注支板尤其是其前緣部分的保護，防止噴注支板的燒蝕破壞。4、本發(fā)明由于在噴注支板腔內(nèi)增加支撐肋，分擔噴注支板兩側(cè)受力所產(chǎn)生的拉應力，因此可以增加噴注支板的結(jié)構(gòu)強度，彌補采用疏松多孔隙介質(zhì)制作噴注支板帶來的強度削弱。5、本發(fā)明由于將噴注支板設置成菱形結(jié)構(gòu)，因此可以根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)噴注支板與來流方向的傾斜角，使得主流流在噴注支板表面的滯止效應減弱，進一步提高熱防護效果。6、根據(jù)飛行需求，本發(fā)明還可以在本發(fā)明噴注支板的基礎上，與已有技術(shù)相同在噴注支板上開孔徑為0.5mm左右大小的噴油孔，加大燃料注入量，進一步提高冷卻效率，而不會存在現(xiàn)有技術(shù)不設置多孔隙存在的問題。7、本發(fā)明方法采用微米量級的不銹鋼粉末燒結(jié)制作多孔隙的噴注支板結(jié)構(gòu)，因此可以在允許燃料從微孔中流過的同時保證噴注支板強度，承受一定的燃料進口壓力。本發(fā)明可以廣泛用于各種沖壓發(fā)動機噴注支板結(jié)構(gòu)的熱防護中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是超燃發(fā)動機工作原理示意圖
[0014]圖2是本發(fā)明中的噴注支板與現(xiàn)有設備的連接示意圖
[0015]圖3是圖2中噴注支板端面結(jié)構(gòu)示意圖
[0016]圖4是圖3的俯視剖視示意圖
[0017]圖5是本發(fā)明噴注支板增加了鋼基支撐肋的結(jié)構(gòu)示意圖
[0018]圖6是本發(fā)明菱形噴注支板結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]圖7是圖6的剖視示意圖
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0021]如圖1、圖2所示，在超燃發(fā)動機內(nèi)，一般是根據(jù)飛行器的不同飛行馬赫數(shù)范圍，選擇航空煤油或者液氫作為燃料，在某些特殊工作環(huán)境下，也有的采用氣態(tài)燃料。燃料通過超燃發(fā)電機自身攜帶的泵和設置在燃料通道上的閥門控制，在到達一定的壓力后，通過一燃料管I進入噴注支板2，并從噴注支板2上根據(jù)設計要求設置的噴油孔中噴出，與高溫高速氣流的主流摻混后燃燒，提供動力。本發(fā)明方法在結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)有技術(shù)基本相同，不同的是本發(fā)明對噴注支板材料和結(jié)構(gòu)上的改進，本發(fā)明根據(jù)多孔介質(zhì)的特性，利用發(fā)汗冷卻的概念，將燃料充當冷卻劑完成對噴注支板外表面的熱保護。
[0022]如圖3、圖4所示，本發(fā)明的噴注支板2的整體結(jié)構(gòu)形狀與已有技術(shù)類似，包括一個前部21呈漸縮狀的條型空腔22，空腔22的一端為封閉端23，另一端通過一下底座3與一連接超燃發(fā)電機的上底座4密封連接，并通過一密封鋼板5密封連接燃料管1，使燃料管I與噴注支板2連通。本發(fā)明方法的主要特征是將噴注支板2的壁面材料設置成多微孔結(jié)構(gòu)，即在整個噴注支板2的壁面上布滿了微孔隙，燃料可以在壓力的作用下，從微孔隙中滲出。本發(fā)明多微孔結(jié)構(gòu)的噴注支板2可以采用現(xiàn)有技術(shù)的各種耐高溫材料和各種不同的加工工藝獲得，比如:將微米量級的金屬粉末與有機粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下用注射成形機注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，并經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。本發(fā)明通過這種多微孔制作工藝制作的噴注支板2，制作精度高、微孔隙組織均勻、性能優(yōu)異。
[0023]本發(fā)明利用多微孔結(jié)構(gòu)的噴注支板2內(nèi)部的巨大比表面積，使充入噴注支板2空腔內(nèi)的燃料在壓力作用下，可以從多微孔中滲出，與噴注支板2表面進行強烈的對流換熱，從而有效地帶走固體噴注支板2的熱量。同時由于在主流的作用下，燃料滲出噴注支板2的多微孔時會受到阻力，燃料流速不是很高，因此滲出的燃料會在噴注支板2表面形成滯留覆蓋，增厚了流體的邊界層，起到了阻礙高溫氣體向噴注支板2壁面的傳熱作用。另外，由于燃料從噴注支板2表面的多微孔中滲出后與高溫高速的主流混合、加熱，并在達到著火點后開始燃燒，因此可以認為燃料借助多微孔的噴注支板2深入到了主流內(nèi)部，使不斷從多微孔中滲出的燃料，能夠與主流實現(xiàn)更好的摻混效果。
[0024]上述實施例中，為了克服多微孔內(nèi)的流動阻力，噴注支板2腔體內(nèi)通入的燃料壓力通常大于外界的主流環(huán)境壓力，噴注支板2兩側(cè)內(nèi)部會產(chǎn)生一定的拉伸應力；同時多微孔結(jié)構(gòu)會對噴注支板2產(chǎn)生一定的強度削弱。如圖5所示，本發(fā)明為了解決這一問題，在噴注支板2的空腔內(nèi)增加設置一鋼材料或其它耐高溫固體材料制成的支撐肋6，支撐肋6可以設置在噴注支板2空腔的中部附近，使噴注支板2形成前、后兩個空腔7、8，以分擔噴注支板2兩側(cè)受力產(chǎn)生的拉伸應力，有效地增加噴注支板2的強度。采取這一措施后，需要為兩個空腔7、8分別設置一燃料管1，亦即分別送入燃料。當然本發(fā)明還可以根據(jù)需要，同時在噴注支板2的空腔內(nèi)增設更多的支撐肋6，并設置更多的燃料管I連接不同的空腔。
[0025]上述實施例中，由于噴注支板2通常設計成前部21邊緣線與主流來流方向垂直，由于在前緣部分主流的滯止作用，流速為零，靜壓靜溫最大，熱環(huán)境惡劣的同時不利于燃料滲出，因此對噴注支板2的熱防護難度較大。如圖6、圖7所示，本發(fā)明為了解決這一問題，將噴注支板2設計成傾斜的菱形結(jié)構(gòu)，使噴注支板2前緣的傾斜方向與來流方向成一銳角。這樣，在某些特殊工作環(huán)境下，如飛行器采用氣態(tài)燃料，流體比熱容小，主流流速、氣動加熱量特別高，噴注支板2前緣部分危險區(qū)域冷卻能力不足等情況下，采用這種菱形結(jié)構(gòu)的噴注支板2設計，可以在主流到達前緣部分時，流體仍能沿著噴注支板2外表面流動，從而弱化了主流的滯止效應，有利于提高對噴注支板2前緣危險部分的保護。
[0026]上述實施例中，為了提高燃料注入量，還可以根據(jù)需要在噴注支板2上與現(xiàn)有技術(shù)相同開設0.5_左右的若干噴油孔(圖中未示出)，然而由于本發(fā)明的多微孔結(jié)構(gòu)的存在，噴注支板2將會非常明顯地減輕現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0027]上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中噴注支板的制作工藝、外形結(jié)構(gòu)等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其包括以下內(nèi)容: 1)用耐高溫材料制作出多微孔結(jié)構(gòu)的噴注支板，并將超燃發(fā)動機的燃料管與噴注支板連通； 2)利用燃料滲出多微孔結(jié)構(gòu)噴注支板孔隙的過程，強制進行對流換熱，帶走噴注支板表面的熱量； 3)利用燃料滲出在噴注支板表面形成薄膜層，阻隔主流對噴注支板的傳熱。
2.如權(quán)利要求1所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:所述噴注支板的空腔內(nèi)設置有耐高溫固體材料的支撐肋，且在每一被所述支撐肋分隔的空腔內(nèi)分別連通一燃料管。
3.如權(quán)利要求2所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:所述支撐肋為設置在所述空腔中部的一個。
4.如權(quán)利要求2所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:所述支撐肋為間隔設置在所述空腔內(nèi)的多個。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:所述噴注支板上開設有噴油孔。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:所述噴注支板的外部形狀為與主流來流方向呈一傾斜角度的菱形。
7.如權(quán)利要求5所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:所述噴注支板的外部形狀為與主流來流方向呈一傾斜角度的菱形。
8.如權(quán)利要求1或2或3或4或7所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:當采用金屬粉末制作多孔噴注支板時，首先將微米量級的金屬粉末與有機粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下用注射成形機注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，并經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。
9.如權(quán)利要求5所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:當采用金屬粉末制作多孔噴注支板時，首先將微米量級的金屬粉末與有機粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下用注射成形機注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，并經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。
10.如權(quán)利要求6所述的利用發(fā)汗冷卻對超燃發(fā)動機燃料噴注支板的熱防護方法，其特征在于:當采用金屬粉末制作多孔噴注支板時，首先將微米量級的金屬粉末與有機粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下用注射成形機注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，并經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。
【文檔編號】F23R3/28GK103672966SQ201310561911
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】姜培學, 熊宴斌, 祝銀海, 黃拯 申請人:清華大學