一種準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室，用于解決目前超聲速燃燒室面臨的熱防護(hù)問題，包括：隔離段、燃料噴嘴和多個(gè)連續(xù)的階梯狀燃燒區(qū)；燃燒區(qū)為后向臺階結(jié)構(gòu)，燃燒區(qū)的上游底面和下游底面平行，上游底面和下游底面之間通過燃燒區(qū)的臺階基部垂直連接；燃料噴嘴安裝在臺階基部，燃料噴嘴的中心線平行于燃燒區(qū)的下游底面；燃燒區(qū)的數(shù)量不少于10個(gè)。該燃燒室可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)等溫燃燒，氣流的溫度在燃燒過程中基本保持不變，燃料的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鞯膭?dòng)能，從而降低超聲速燃燒室面臨的熱防護(hù)壓力，有利于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的長時(shí)間和高馬赫數(shù)飛行。
【專利說明】
一種準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲速燃燒室?guī)缀螛?gòu)型的設(shè)計(jì)需要滿足兩方面的要求，其一是可以容納足夠多的熱量，決定了發(fā)動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生推力的大小，對于單組元推進(jìn)劑而言，就是要滿足燃料化學(xué)恰當(dāng)比時(shí)的釋熱量要求;其二是盡可能低的總壓損失，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)比沖，決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行距離。燃燒室所容納的釋熱量受到發(fā)動(dòng)機(jī)工作邊界的制約，主要是燃燒誘導(dǎo)背壓導(dǎo)致的進(jìn)氣道不起動(dòng)邊界和燃燒室壁面材料超溫邊界，它們關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常工作。在高飛行馬赫數(shù)下，燃燒背壓導(dǎo)致的不起動(dòng)約束已經(jīng)消失。但是，熱防護(hù)難度卻顯著增加，使得向氣流中加入熱量面臨很大困難。此外，隨著飛行馬赫數(shù)的增加，燃燒過程導(dǎo)致的瑞利熱損失開始占據(jù)主導(dǎo)地位。自由流總溫隨著飛行馬赫數(shù)的提高而迅速增加，主動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)已難以解決燃燒室面臨的壁面材料超溫問題。因而，需要在燃燒室構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)考慮熱防護(hù)壓力，以降低燃燒場的氣流溫度。
[0003]從熱力循環(huán)的角度來看，目前的超聲速燃燒室一般采用準(zhǔn)等壓工作模式，在燃燒過程中，氣流的壓力近似不變，但溫度會(huì)迅速上升，甚至超過燃燒室壁面材料的許可工作溫度，破壞燃燒室結(jié)構(gòu)。此外，由于超溫邊界的限制，已公開的超聲速燃燒室熱效率普遍較低，燃燒室性能不高，難以滿足超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)寬馬赫數(shù)范圍工作的要求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型提供一種準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中超聲速燃燒室面臨的熱防護(hù)問題。
[0005]本實(shí)用新型提供了一種準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室，包括:隔離段、燃料噴嘴和多個(gè)連續(xù)的階梯狀燃燒區(qū);燃燒區(qū)為后向臺階結(jié)構(gòu)，燃燒區(qū)的上游底面和下游底面平行，上游底面和下游底面之間通過燃燒區(qū)的臺階基部垂直連接;燃料噴嘴安裝在臺階基部，燃料噴嘴的中心線平行于燃燒區(qū)的下游底面;燃燒區(qū)的數(shù)量不少于10個(gè)。
[0006]其中，隔離段的上壁面和下壁面平行;燃燒區(qū)安裝在燃燒室的下壁面;燃燒室的上壁面為一體化結(jié)構(gòu)，包括隔離段的上壁面和燃燒區(qū)的上壁面，隔離段上壁面和燃燒區(qū)的上壁面之間的夾角為180度。
[0007]進(jìn)一步的，燃料噴嘴的內(nèi)壁面型線呈漸縮狀;燃料噴嘴的上壁面和下壁面為曲面，兩個(gè)側(cè)壁面為平面。
[0008]另外，燃燒室的殼體以及燃料噴嘴的材料均為0Crl8Ni9。
[0009]本實(shí)用新型有益效果如下:
[0010]本實(shí)用新型提供的準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室具有多個(gè)連續(xù)的階梯狀燃燒區(qū)，氣流經(jīng)過每個(gè)階梯狀燃燒區(qū)后，溫度基本保持不變，燃燒釋放的熱量全部轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能，從而明顯降低超聲速燃燒室的熱防護(hù)壓力。其熱效率更高，加熱過程所導(dǎo)致的不可逆熵?fù)p失更小，從而有效提升超聲速燃燒室的比沖。其構(gòu)型設(shè)計(jì)簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0011]此處所說明的附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0012]圖1是本實(shí)用新型提供的準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室上壁面和下壁面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是本實(shí)用新型提供的準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室的仰視圖；
[0014]圖3是本實(shí)用新型提供的第一個(gè)階梯狀燃燒區(qū)的構(gòu)型及流場示意圖；
[0015]圖4是本實(shí)用新型提供的準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室的氣流溫度軸向變化示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中超聲速燃燒室面臨的熱防護(hù)問題，本實(shí)用新型提供了一種準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室，以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不限定本實(shí)用新型。
[0017]為了實(shí)現(xiàn)燃料在化學(xué)恰當(dāng)比下的準(zhǔn)等溫燃燒，階梯狀燃燒區(qū)的數(shù)量不少于10個(gè)。圖1是具有10個(gè)階梯狀燃燒區(qū)的準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室的上壁面和下壁面結(jié)構(gòu)示意圖，包括:隔離段上壁面1、燃燒區(qū)上壁面2、隔離段下壁面3和多個(gè)連續(xù)的階梯狀燃燒區(qū)4?13。其中，隔離段的上壁面I和下壁面2平行，使得隔離段橫截面積保持不變;燃燒室上壁面采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括隔離段上壁面I和燃燒區(qū)上壁面3，二者之間夾角為180度。多個(gè)階梯狀燃燒區(qū)順序連接而成燃燒室的下壁面。圖2是超聲速燃燒室的仰視圖，圖中所示的21和22分別為燃燒室的前、后側(cè)壁面，如圖2所示，燃燒室整體采用對稱矩形結(jié)構(gòu)。
[0018]下面結(jié)合圖3和圖4說明準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室的工作原理。圖3是第一個(gè)階梯狀燃燒區(qū)的構(gòu)型及流場示意圖。燃燒區(qū)的結(jié)構(gòu)包括:燃燒區(qū)上游底面17、燃料噴嘴18和燃燒區(qū)下游底面20。燃燒室采用氫氣作為燃料，燃料噴嘴18的內(nèi)壁面型線呈漸縮狀，噴嘴出口處的氫氣馬赫數(shù)為I，從而提高通過噴嘴的氫氣質(zhì)量流量。
[0019]燃燒區(qū)的主要流場特征包括:自由來流14、膨脹波15、剪切層16、回流區(qū)19。在燃燒區(qū)上游底面17的后緣，由于流道面積突然擴(kuò)張，流場中出現(xiàn)膨脹波15，自由來流14經(jīng)過膨脹波15后，氣流速度上升且動(dòng)能增加，但溫度下降，并且在后向臺階內(nèi)形成了回流區(qū)。在回流區(qū)19和主流之間形成剪切層16，燃料通過噴嘴18注入回流區(qū)19內(nèi)，以降低燃料注入所導(dǎo)致的總壓損失，并在回流區(qū)19內(nèi)充分燃燒?？紤]到燃燒區(qū)下游底面20和燃燒室上壁面2保持平行，使得氫氣燃燒時(shí)的通道橫截面積固定不變，燃燒釋放的熱量將使氣流溫度得到補(bǔ)償?？梢园l(fā)現(xiàn)，燃燒過程釋放的熱量全部轉(zhuǎn)換成了膨脹過程中氣流的動(dòng)能，而氣流的溫度則保持不變。另外，在每個(gè)階梯狀燃燒區(qū)內(nèi)，燃料當(dāng)量比均不超過0.1，使得燃料可以在回流區(qū)內(nèi)充分混合并完成燃燒過程。圖4給出了超聲速燃燒室軸向的氣流溫度變化示意圖，氣流溫度整體呈“鋸齒形”分布。隨著氣流膨脹加速，溫度出現(xiàn)下降;在燃燒區(qū)下游，燃料會(huì)充分燃燒，氣流溫度上升，補(bǔ)償了膨脹過程下降的溫度，因而在氣流經(jīng)過每個(gè)階梯狀燃燒區(qū)后，溫度保持不變，是一種“準(zhǔn)等溫”燃燒過程，從而有效解決超聲速燃燒室面臨的熱防護(hù)問題。而且燃燒室結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。
[0020]可以把連續(xù)階梯狀燃燒區(qū)的工作溫度設(shè)定在材料許可溫度附近，超聲速燃燒室的工作范圍將不受材料溫度邊界的制約，可以在飛行馬赫數(shù)5?10的寬范圍內(nèi)有效工作。另夕卜，在高飛行馬赫數(shù)下，能夠向燃燒室內(nèi)加入更多的熱量，從而進(jìn)一步提高超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行速度，拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍。
[0021]根據(jù)卡諾定理，“準(zhǔn)等溫”燃燒過程是最有效的加熱方式，其熱效率更高，加熱過程所導(dǎo)致的不可逆熵?fù)p失更小，從而有效提升超聲速燃燒室的比沖，使超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的推力。
[0022]以上所述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室，其特征在于，包括: 隔離段、燃料噴嘴和多個(gè)連續(xù)的階梯狀燃燒區(qū)； 所述階梯狀燃燒區(qū)為后向臺階結(jié)構(gòu)，所述燃燒區(qū)的上游底面和下游底面平行，所述上游底面和所述下游底面之間通過所述燃燒區(qū)的臺階基部垂直連接;所述燃料噴嘴安裝在所述臺階基部，所述燃料噴嘴的中心線平行于所述燃燒區(qū)的下游底面;所述燃燒區(qū)的數(shù)量不少于1個(gè)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室，其特征在于，還包括: 所述隔離段的上壁面和下壁面平行；所述燃燒區(qū)安裝在所述燃燒室的下壁面;所述燃燒室的上壁面為一體化結(jié)構(gòu)，包括所述隔離段的上壁面和燃燒區(qū)的上壁面，所述隔離段上壁面和所述燃燒區(qū)的上壁面之間的夾角為180度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室，其特征在于，所述燃料噴嘴的內(nèi)壁面型線呈漸縮狀;所述燃料噴嘴的上壁面和下壁面為曲面，兩個(gè)側(cè)壁面為平面。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的準(zhǔn)等溫超聲速燃燒室，其特征在于，所述燃燒室的殼體以及所述燃料噴嘴的材料均為0Crl8Ni9。
【文檔編號】F23R3/42GK205505079SQ201620290601
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】楊慶春
【申請人】楊慶春