一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構，包括前置鈍體，后置鈍體，前置鈍體和后置鈍體之間形成的凹腔，以及流道補償段；所述凹腔設置在主流中。流道補償段位于前置鈍體1和后置鈍體2兩側(cè)。本發(fā)明的技術方案是在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中構建凹腔，產(chǎn)生低速回流區(qū)，在低速回流區(qū)內(nèi)供入燃油燃燒形成穩(wěn)定的亞燃區(qū)，利用亞燃區(qū)點燃超音速流，實現(xiàn)超音速高效燃燒，避免因凹腔處的燃油和火焰不易向流道中心擴散，導致點不著超音速的主流的問題。本發(fā)明的點火機構可以實現(xiàn)中心和壁面的多點、分段噴油，合理控制超燃燃燒。
【專利說明】一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超燃沖壓發(fā)動機【技術領域】，特別是一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構。

【背景技術】
[0002]由于超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中氣流速度很快，大于音速，混氣在燃燒室停留的時間只有幾個毫秒。直接在超音流中引燃混氣十分困難，超音速燃燒室中的點火與火焰穩(wěn)定是超燃沖壓發(fā)動機亟需解決的一個關鍵技術。為了解決超音速氣流中的點火和火焰穩(wěn)定問題，通常利用局部亞聲速低速區(qū)形成點火源，依靠亞聲速燃燒區(qū)加熱并點燃超音流，因此需要在流場中構建一個低速回流區(qū)。在目前已有的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中，在壁面設置凹腔或者再輔助支板是最常用的點火與火焰穩(wěn)定方式。目前凹腔機構一般都是放在燃燒室壁面處，有利之處是凹腔內(nèi)的流動穩(wěn)定，容易實現(xiàn)點火，凹腔在外壁面處對主流影響小，流阻損失低。但對于流道面積大的超燃沖壓發(fā)動機，壁面凹腔處的燃油和火焰不易向流道中心擴散，導致點不著超音速的主流。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的問題是在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中構建凹腔，產(chǎn)生低速回流區(qū)，在低速回流區(qū)內(nèi)供入燃油燃燒形成穩(wěn)定的亞燃區(qū)，利用亞燃區(qū)點燃超音速流，實現(xiàn)超音速高效燃燒，避免因凹腔處的燃油和火焰不易向流道中心擴散，導致點不著超音速的主流的問題。
[0004]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采取的技術方案為:
本發(fā)明的一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構，包括前置鈍體，后置鈍體，前置鈍體和后置鈍體之間形成的凹腔；所述凹腔設置在流道中。凹腔內(nèi)是亞音燃燒區(qū)，凹腔外是主流區(qū)。發(fā)動機工作時，首先點燃凹腔內(nèi)的亞音燃燒區(qū)，再通過凹腔內(nèi)的亞音燃燒區(qū)點燃外圍主流區(qū)。凹腔的大小可以通過調(diào)節(jié)前后鈍體的高度和兩個鈍體之間的距離來調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)了亞音燃燒區(qū)的大小，也就調(diào)節(jié)了對超音流的點火能量大小。凹腔的整個側(cè)面都位于流道中，加大了亞燃區(qū)和超燃區(qū)的接觸面積，對點燃超音主流有利。
[0005]作為上述技術方案的進一步改進，所述點火機構還包括流道補償段，流道補償段位于在前置鈍體和后置鈍體附近。為了減少對流道的影響，進行流道面積補償，拓寬兩側(cè)壁面與鈍體間流通面積，以補償鈍體阻塞的流通面積，使流通面積不會因點火機構的存在而減小。通過調(diào)節(jié)流場中補償段的起始位置及長度，與鈍體后的凹腔相匹配，可以調(diào)節(jié)鈍體后的波系組織，從而調(diào)節(jié)亞音流和超音流的比例，控制亞燃區(qū)的大小，調(diào)節(jié)流道阻力損失。
[0006]作為上述技術方案的另一種改進，所述前置鈍體為楔體或錐體，前置鈍體的尖端背離凹腔，底部靠近凹腔。前置鈍體在二元流道中為楔體，在軸對稱流道中為錐體，用來減弱鈍體對超音速流道面積的阻塞帶來的影響。通過調(diào)節(jié)前鈍體的楔面角度和楔面長度，還可以控制鈍體前的斜激波強度，調(diào)整流場機構。
[0007]作為上述技術方案的另一種改進，所述后置鈍體為楔體或錐體，后置鈍體的尖端背離凹腔，底部靠近凹腔。后置鈍體在二元流道中為楔體，在軸對稱流道中為錐體，為前置鈍體后的低速區(qū)提供支撐，調(diào)節(jié)后置鈍體的位置和大小可以調(diào)整回流區(qū)的大小。后置鈍體提供一個漸擴的通道面積，減弱流通面積突然膨脹對超音速流動的影響，調(diào)整中心點火機構后流場的濃度分布及促進下游火焰?zhèn)鞑?。在同一種結(jié)構下，不同馬赫數(shù)時，回流區(qū)流量與主流流量的比例隨著馬赫數(shù)的增大而降低，具有流量自適應效果。
[0008]作為上述技術方案的另一種改進，所述流道補償段位于前置鈍體和后置鈍體兩偵U。流道補償段壁面機構與前置鈍體和后置鈍體的斜面相匹配，流道補償段與凹腔匹配，控制激波的反射，調(diào)節(jié)鈍體截面積與補償段流道面積之比，實現(xiàn)亞燃區(qū)和主燃區(qū)流量調(diào)節(jié)。
[0009]以上所述發(fā)動機燃燒室中心點火機構技術方案中，前置鈍體和后置鈍體有三個方面的作用:一是通過調(diào)節(jié)鈍體的高度和前置鈍體、后置鈍體的間距，可以調(diào)節(jié)低速回流區(qū)的大小。二是通過調(diào)節(jié)前置鈍體和/或后置鈍體斜面機構參數(shù)，可以控制流道內(nèi)激波系和膨脹系。結(jié)合前后鈍體間距離調(diào)節(jié)，調(diào)整在不同來流馬赫數(shù)下亞燃流量與超燃流量的比例，實現(xiàn)亞燃和超燃流量的比例調(diào)節(jié)。三是在兩個鈍體表面可以布置噴油方案，滿足低速回流區(qū)燃燒要求的油氣分布，也可配合流道壁面處噴油布置，滿足主流區(qū)超音速燃燒要求的油氣分布。
[0010]在二元流道中，鈍體為楔形體，煤油從前后鈍體的四個斜面噴入氣流中；在軸對稱流道中，鈍體為錐體，煤油從前后鈍體的兩個錐面噴入氣流中。從前置鈍體噴出的燃油，在氣動力作用下卷吸進入凹腔，凹腔內(nèi)流速低，可以實現(xiàn)有效的點火與火焰穩(wěn)定；從后置鈍體噴射出的燃油主要用來擴散到凹腔后方進行燃燒。
[0011]有益效果:本發(fā)明提供的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
1、與現(xiàn)有的支板穩(wěn)焰比較:相比于單一支板，本發(fā)明的兩個鈍體間的低速回流區(qū)更大，鈍體放在主流中對流場波系的影響也比較大，激波系可調(diào)、可控；后鈍體控制回流區(qū)大小，在來流狀態(tài)參數(shù)對稱的條件下，兩個鈍體間的凹腔產(chǎn)生兩個對稱的回流區(qū)，在來流狀態(tài)參數(shù)非對稱的條件下，產(chǎn)生一大一小兩個回流區(qū)。而且由于后鈍體的存在，原先單個支板后突擴的流道得到平緩的過度，流場的總壓損失反而減小了。
[0012]2、與現(xiàn)有的壁面凹腔比:本發(fā)明是發(fā)動機燃燒室中心加熱，熱量利用率更高，壁面散熱要求降低，超音速流與亞燃火焰面接觸面積增大，接觸時間長，點火條件好，火焰?zhèn)鞑ビ欣?br> [0013]3、本發(fā)明的點火機構可以實現(xiàn)中心和壁面的多點、分段噴油，合理控制超燃燃燒(前鈍體、后鈍體、補償段前后區(qū)域等都可布置噴油)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構示意圖；
圖2是本發(fā)明應用的二元超燃沖壓發(fā)動機整體機構示意圖；
圖3是軟件模擬的燃燒室中心點火機構的凹腔內(nèi)部流動的冷態(tài)平面流線圖；
圖4是軟件模擬的燃燒室中心點火機構的凹腔內(nèi)部流動的冷態(tài)平面馬赫數(shù)等值線圖； 圖5是有無補償段的點火機構對比示意圖； 圖6是有無補償段的截面質(zhì)量平均總壓軸向分布對比圖；
圖7是凹腔不同長寬比L/H (即前、后鈍體間距不同)時冷態(tài)截面質(zhì)量平均總壓的軸向分布圖；
圖8是凹腔不同長寬比L/H (即前、后鈍體間距不同)時冷態(tài)截面質(zhì)量平均馬赫數(shù)的軸向分布圖；
圖9是凹腔不同高度(L/H相同)下的冷態(tài)截面質(zhì)量平均總壓軸向分布圖；
圖10是凹腔不同高度(L/H相同)下的冷態(tài)截面質(zhì)量平均馬赫數(shù)軸向分布圖；
圖11是鈍體不同錐角α下的冷態(tài)截面質(zhì)量平均總壓軸向分布圖；
圖12是鈍體不同錐角α下的冷態(tài)截面質(zhì)量平均馬赫數(shù)軸向分布圖；
圖13是支板與壁面凹腔結(jié)構示意圖；
圖14是本發(fā)明點火機構與支板凹腔結(jié)構的冷態(tài)軸向總壓分布對比圖。
[0015]圖15是本發(fā)明點火機構與支板凹腔結(jié)構的冷態(tài)軸向馬赫數(shù)分布對比圖。
[0016]圖16是本發(fā)明點火機構與支板凹腔結(jié)構的熱態(tài)軸向總壓分布對比圖。
[0017]圖17是本發(fā)明點火機構與支板凹腔結(jié)構的熱態(tài)軸向總溫分布對比圖。
[0018]

【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構進行詳細說明。
[0020]本實施例是本發(fā)明的點火機構在二元超燃沖壓發(fā)動機中的應用。如圖2所示，二元超燃沖壓發(fā)動機包括依次連接的進氣道5、喉道6和燃燒室7。如圖1所示，本發(fā)明公開的一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構，包括前置鈍體1，后置鈍體2，前置鈍體I和后置鈍體2之間形成的凹腔3 ;所述凹腔3設置在流道中。通過在鈍體與壁面之間焊接鋼板，來固定前置鈍體I和后置鈍體2。
[0021 ] 所述點火機構還包括流道補償段4，流道補償段4位于前置鈍體I和后置鈍體2兩側(cè)；流道補償段4壁面機構與前置鈍體I和后置鈍體2的斜面相匹配，流道補償段4與凹腔3匹配。
[0022]所述前置鈍體I為楔體(在二元結(jié)構)或錐體(在軸對稱結(jié)構)，前置鈍體I的尖端背離凹腔3，底部靠近凹腔3。所述后置鈍體2也為楔體或錐體，后置鈍體2的尖端背離凹腔3，底部靠近凹腔3。
[0023]對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構進行模擬檢測和對比:
1、使用商業(yè)計算流體力學軟件fluent，對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室二元模型進行了數(shù)值模擬，使用K-w紊流模型和SIMPLE算法，各參數(shù)的離散均采用二階迎風格式；發(fā)動機進口設為遠場來流，進口 Ma=6，出口設為壓力出口。如圖3所示，檢測數(shù)值結(jié)果顯示在兩個中心鈍體的作用下，形成了一對回流區(qū)；從圖4中可以看出，凹腔處主要區(qū)域氣流速度在O至IMa范圍內(nèi)，為點火成功與穩(wěn)定火焰創(chuàng)造了良好的低速流條件。
[0024]2、是否有補償段的比較。
[0025]圖5是否有補償段4的兩種結(jié)構對比示意圖，對這兩種結(jié)構在相同的工況下進行流場的數(shù)值模擬。分析比較了兩者在總壓損失方面的差異，結(jié)果如圖6所示:顯然，有補償段的結(jié)構，流場損失更??；而沒有補償段時，流道的突然收縮和突然擴張都帶來較大的總壓損失。
[0026]3、不同凹腔長高比L/H下的比較。
[0027]在中心鈍體錐角α =30度、高H=30mm不變的條件下，改變兩個鈍體間距L分別為50mm、70mm、100mm、120mm,分別進行了不同的L/H下冷態(tài)流場與燃燒工況的數(shù)值模擬。
[0028]結(jié)果顯示如圖7和圖8所示，當鈍體間距增大時，流場的損失也增大，總壓損失相對增大，馬赫數(shù)相對減小，且燃燒后的總溫也開始降低。而間距太小，在燃燒的數(shù)值模擬結(jié)果中，回流區(qū)產(chǎn)生的火焰不足以點燃凹腔后方的燃氣，燃燒室大部分超音流沒有被點燃。合理地凹腔長寬比在2.5到3.5之間。
[0029]4、不同鈍體高度(凹腔高度)H下的比較。
[0030]在錐角α =10度、L/H=2.5不變的條件下，改變鈍體高度分別為20mm和30mm，分別進行了冷態(tài)流場與燃燒的數(shù)值模擬。
[0031]冷態(tài)流場的分析結(jié)果如圖9和圖10所示:隨著鈍體高度的增加，流場的總壓損失增大，馬赫數(shù)減小。但并不是鈍體高度越小越好，在模擬燃燒的流場時，鈍體高度太小，產(chǎn)生的回流區(qū)太窄，不利于點燃凹腔外部主流燃氣。但鈍體高度太大，總壓損失也隨之增大，而且為了進行流道補償，發(fā)動機此處的高度大大增加。
5、不同鈍體錐角α下的比較。
[0032]保持鈍體高度Η=30、凹腔的長寬比L/H=2.5不變的條件下，改變鈍體錐角α，分別進行了冷態(tài)流場與燃燒的數(shù)值模擬。
冷態(tài)流場的結(jié)果分析如圖11和圖12所示:鈍體錐角越小，對流場的擾動越小，但是太平緩的過渡導致回流區(qū)與主流的質(zhì)量交換減小(10度錐角下質(zhì)量交換的流量占主流比例為1%，而30度錐角下則能達到5%)，不利于引燃超音流混氣；但是錐體角度太大，對流場來說，增加了總壓損失，并且在高速來流下，流動的穩(wěn)定性受到較大影響，主流近壁面處出現(xiàn)較多的回流區(qū)，分離渦。
[0033]20度的錐角即避免了對流場帶來太大的損失，在凹腔大小合適的條件下也能引燃超音主流混氣。
[0034]6、本發(fā)明點火機構(即中心鈍體結(jié)構)與支板凹腔結(jié)構的比較。
[0035]支板凹腔結(jié)構示意圖如圖13所示，它包括一個在主流中的支板和一個壁面凹腔。為了比較，在中心鈍體結(jié)構中，選取比較合適的尺寸:α =20度、H=30mm、L=75mm。在支板凹腔結(jié)構中，凹腔大小選擇與中心鈍體結(jié)構中凹腔大小一致，支板大小為鈍體的1/2。
[0036]在冷態(tài)流場中，如圖14和圖15所示:該尺寸下的中心鈍體結(jié)構與支板凹腔結(jié)構的總壓損失和馬赫數(shù)分布都非常相似。
[0037]在熱態(tài)燃燒模擬這結(jié)果如圖16所示:兩者軸向總壓分布相差不大。但是如圖17所示，在總溫軸向分布上，中心點火結(jié)構的總溫明顯高于支板與壁面凹腔結(jié)合的結(jié)構。靜壓也是如此。
【權利要求】
1.一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構，其特征在于:包括前置鈍體(1),后置鈍體(2),前置鈍體(1)和后置鈍體(2)之間形成的凹腔(3)；所述凹腔(3)設置在流道中。
2.根據(jù)權利要求1所述的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構，其特征在于:所述點火機構還包括流道補償段(4),流道補償段(4 )位于在前置鈍體(1)和后置鈍體(2 )附近。
3.根據(jù)權利要求1所述的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構，其特征在于:所述前置鈍體(1)為楔體或錐體，前置鈍體(1)的尖端背離凹腔(3),底部靠近凹腔0。
4.根據(jù)權利要求1所述的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構，其特征在于:所述后置鈍體(2)為楔體或錐體，后置鈍體(2)的尖端背離凹腔(3),底部靠近凹腔0。
5.根據(jù)權利要求2所述的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中心點火機構，其特征在于:所述流道補償段(4)位于前置鈍體(1)和后置鈍體(2)兩側(cè)；流道補償段(4)壁面機構與前置鈍體(1)和后置鈍體(2)的斜面相匹配，流道補償段(4)與凹腔(3)匹配。
【文檔編號】F23R3/42GK104359125SQ201410595815
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】馮健, 范育新, 王衛(wèi)星, 吉洪湖 申請人:南京航空航天大學