一种燃料支板喷注器的制作方法

本发明涉及超燃冲压发动机、组合循环动力发动机领域，具体地说，涉及一种带有冷却结构的燃料支板喷注器。

背景技术：

发动机燃烧效率与燃料和空气的掺混效果有密切的联系；为了提高燃料在高速来流中的喷注深度，使喷注的燃料在燃烧室主流燃气中获得较为均匀的分布，提高与来流空气的掺混效率，通常采用燃料支板喷注器。但是，支板喷注器在发动机中承受着极高的热载荷，尤其是支板前缘，在工作时极易被烧毁。对于支板热防护，常规方式是采用耐高温金属材料，利用材料热沉进行被动热防护，但支板所处热环境极其恶劣，超燃冲压发动机内支板前缘处温度可达3000K左右，超过绝大多数现有金属材料的使用极限，使用金属热沉的支板不能实现长时间正常工作。

传统的采用耐高温材料进行被动式热防护的支板造价高昂，且目前很难找到能够长时间承受发动机中高温、高热流、热环境的材料；专利200910236121.5中提出“一种支板前缘喷气热防护结构”，利用支板前缘狭缝喷出的低温气体在支板表面形成低温气膜对支板进行热防护，但是这种支板结构相对复杂，加工工艺难度较高；在专利201310561173.6中提出一种“利用发汗与冲击冷却对超燃发动机喷注支板的热防护方法”，根据多孔介质特性，利用燃料作为冷却剂，结合冲击冷却的概念，实现对喷注支板的热防护效果。但支板结构复杂，且多孔结构易产生较大的流动阻力，对燃料供应系统要求高，不利于燃料的喷注和掺混燃烧。

支板作为超燃冲压发动机、组合循环动力发动机中的一个关键部件，其在燃料喷注、掺混和燃烧多方面有着重要作用，但是在发动机工作过程中支板所处的热环境极其恶劣，支板热防护问题是发动机热防护问题中的重点。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种燃料支板喷注器；该喷注器以超燃冲压发动机、组合循环动力发动机的燃料作为冷却剂、采用再生冷却方式，根据支板在流场中的受热情况合理设计冷却通道，冷却剂在在冷却通道内通过强制对流换热实现对支板喷注器的主动热防护，然后喷入燃烧室与燃气掺混燃烧，实现支板长时间正常工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:燃料支板喷注器包括支板，在靠近支板壁面内侧布设冷却通道，其特征在于所述支板为前缘倒圆楔形结构，流动通道位于支板前缘壁面内侧，流动通道前缘距离支板外壁前缘距离为1.0～3.0mm，流动通道前缘倒圆，倒圆半径为0.5～2.0mm；支板前缘壁面内侧和支板后壁面内侧分别有多组冷却通道入口，支板侧壁上分别有多组燃料喷孔，集液腔位于支板底部，集液腔与流动通道相连通，靠近支板侧壁面处的冷却通道均与集液腔连通，冷却剂进入通道入口，沿通道向支板底部流动于集液腔汇集，通过燃料喷注孔喷出支板；冷却剂在喷入燃烧室之前，以强制对流的流动换热方式在通道内部吸热，降低支板温度同时实现燃料预热。

所述支板内冷却通道横截面形状为矩形或圆形；冷却通道壁面与支板壁面距离为0.5～3.0mm。

所述支板内流动通道横截面形状为前缘倒圆三角形结构，且与支板横截面前部形状相同。

所述支板材料为高导热系数的不锈钢或高温合金钢。

有益效果

本发明提出一种燃料支板喷注器，以超燃冲压发动机、组合循环动力发动机的燃料作为冷却剂，采用再生冷却方式，支板喷注器根据支板在流场中的受热情况，合理设计冷却通道，冷却剂在冷却通道内流动过程中以对流换热方式对支板进行主动冷却，然后喷入燃烧室与燃气掺混燃烧，实现支板长时间正常工作。支板喷注器结构简单、易于加工，对支板热防护效果良好且能够实现支板喷注燃料的功能。

本发明燃料支板喷注器内部布设冷却通道，可对支板进行主动热防护，避免高温燃气的侵蚀，同时使喷注的燃料在燃烧室主流燃气中更加均匀的掺混和分布。支板喷注器结构主要由支板外壁、支板、冷却通道、集液腔组成。当支板工作在发动机流道内高温燃气环境中时，冷却剂从冷却通道入口进入支板内部冷却通道，通过对流换热吸收燃烧室内部高温燃气传递给支板外壁面的热量，使支板固体区域温度维持在所采用金属材料的许用温度之下。冷却剂在支板底部集液腔进行掺混，使得混合后冷却剂的整体温度均匀，然后经燃料喷注孔射入燃烧室内与来流掺混燃烧。

本发明燃料支板喷注器，根据气-固-液耦合传热原理，在金属材料支板内部，根据支板受热分布情况合理设计布设冷却通道，通过调节冷却通道构型、冷却通道设置、冷却通道横截面积以及冷却剂流量，实现对支板有效地再生冷却。

本发明采用发动机燃料作为冷却剂对金属材料支板进行热防护，避免了采用被动热防护的金属材料支板烧蚀严重、工作时间短，复合材料支板加工困难、成本高昂、结构强度不足的缺陷，实现了对支板的再生冷却。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种燃料支板喷注器作进一步的详细说明。

图1为本发明燃料支板喷注器结构示意图。

图2为本发明燃料支板喷注器的冷却通道入口部位示意图。

图3为本发明燃料支板喷注器的支板横截面剖视图。

图4为单个支板冷却剂流量为定值时支板前缘、冷却通道出口处冷却剂平均温度线图。

图5为相应冷却剂流量下支板前缘壁面中心线上温度沿支板高度方向的分布曲线。

图中

1.冷却通道 2.集液腔 3.支板 4.支板前缘壁面 5.支板侧壁面 6.支板后壁面7.支板底部 8.通道入口 9.流动通道 10.燃料喷孔

具体实施方式

本实施例是一种燃料支板喷注器。

参阅图1～图5，本实施例燃料支板喷注器，以超燃冲压发动机、组合循环动力发动机的燃料作为冷却剂，采用再生冷却方式；冷却剂在冷却通道内流动对支板进行冷却，喷入燃烧室与燃气掺混燃烧，实现支板长时间正常工作。

本实施例燃料支板喷注器,包括冷却通道1、集液腔2、支板3、支板前缘壁面4、支板侧壁面5、支板后壁面6、支板底部7、通道入口8、流动通道9、燃料喷孔10，在靠近支板壁面内侧布设冷却通道；其中，支板3为前缘倒圆楔形结构，流动通道9设置在支板前缘壁面4内侧，流动通道9前缘距离支板外壁前缘距离为1.0mm～3.0mm，流动通道9前缘倒圆，倒圆半径为0.5～2.0mm。支板前缘壁面4内侧和支板后壁面6内侧分别有三组冷却剂通道入口8，支板侧壁面5上分别有三组燃料喷孔10；集液腔2设置在支板底部7，且与流动通道9连接相通，靠近支板内壁面处冷却通道1均与集液腔相连通。冷却剂进入通道入口8，沿通道向支板底部7流动在集液腔2汇集并混合，使冷却剂的温度相对均匀，通过燃料喷注孔10喷出，喷射入燃烧室与主流燃气掺混燃烧。冷却剂在喷入燃烧室之前，以强制对流的流动换热方式在通道内部吸热，降低支板温度同时实现燃料预热。冷却通道1横截面形状为矩形或圆形结构；冷却通道壁面与支板壁面距离为0.5～3.0mm。流动通道9横截面形状为前缘倒圆三角形结构，流动通道9横截面形状与支板3横截面前部形状相同。支板材料采用高导热系数的不锈钢或高温合金钢。支板在发动机工作过程中温度高、热流大的位置为支板前缘气流滞止点，工作过程中，冷却剂即航空煤油的流量按照冷却通道横截面积、支板受热情况合理分布。

本实施例根据支板形状、支板所处热环境及受热分布特点、支板材料许用温度和强度要求以及冷却剂吸热能力，确定支板冷却通道形状、冷却通道横截面积、冷却剂流量分布和冷却剂流速多参数；用来说明冷却设计的有效性，进行了支板主动冷却数值模拟。空气来流为6Ma时，发动机中燃气总温在3000K，图4为不锈钢材料支板采用煤油作为冷却剂进行主动冷却，冷却剂流量为15g/s、20g/s、30g/s、50g/s时支板前缘、支板冷却通道出口处平均油温线图。图5为相应冷却剂流量下支板前缘壁面中心线上温度沿支板高度方向的分布曲线。由图可知支板表面温度均保持在不锈钢材料长时间正常工作温度范围以下，支板前缘处为燃气滞止点即温度最高点。结果表明，燃料支板喷注器可长时间稳定工作。图4的温度曲线显示，支板前缘壁面中心线温度随着冷却剂流量增加而降低，在支板底部集液腔处换热增强，壁面温度较低，而前缘壁面靠近支板底面处换热效率降低，温度较高，但在整个范围内支板前缘壁面温度均低于1000K，表明冷却有效，支板可以长时间工作。根据气-固-液耦合传热机理，在支板内部布设冷却通道，利用发动机燃料作为支板主动冷却剂，冷却剂在冷却通道内的流动过程中吸收燃气传给支板壁面的热量使得支板温度维持在材料允许的范围内，同时对燃料进行预热，在实现了对支板有效的冷却的同时又可实现燃料喷注。