一种带直角三棱柱凹槽的超燃冲压燃烧室支板的制作方法

本发明涉及超燃冲压燃烧室、TBCC及RBCC组合动力燃烧室技术领域，具体涉及一种基于流向涡掺混增强技术的支板，该支板具有较好的燃料雾化性能、燃料/氧化剂混合性能以及燃料沿展向分布特性。

背景技术：

飞行器在大气层内以高超声速飞行时，超燃冲压发动机以其大比冲、高马赫数巡航等特点，使其较火箭推进系统有着更大的优势。在TBCC(Turine-based combined cycle)或RBCC(Rocket-Based Combined Cycle)等组合动力系统中，超燃冲压发动机与涡轮发动机或火箭推进系统相结合，能够更有效地拓宽飞行器的飞行边界，并有望成为最有前途的动力系统，因此受到了各国的高度重视。

超燃冲压发动机的燃料喷注技术可以分为壁面喷注和插入式喷注两类。壁面喷注的主要形式为横向喷射(侧喷)，该方式虽然具有较好的混合能力，但是由于存在燃料穿透深度小、激波损失大、局部壁面热载荷高等问题而使其发展受到了限制。插入式喷注包括支板(或塔式结构)侧喷和顺喷，由于其直接将燃料喷注器布置于主流之中，因此在穿透深度方面较壁面喷注优势明显。支板侧喷与壁面横向喷射类似，尽管具有较好的混合能力，但激波损失较大。因此，基于支板顺喷的掺混增强技术是目前超燃冲压燃烧室重要的燃料喷射方式与研究热点，例如基于流向涡掺混增强技术的斜坡支板、交错尾缘支板、楔形突台支板(专利号：CN201310731214.1)等。基于流向涡掺混增强技术的必要条件是相邻两股气流的法向速度差，法向速度差值越大，两股气流交界处的流向涡越强。本发明提出一种带直角三棱柱凹槽的超燃冲压燃烧室支板，将燃料喷注器前置于直角三棱柱凹槽与支板的直角交界处，在使用流向涡的基础上，并通过进一步利用支板尾缘展向涡，达到强化混合的目的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：传统尾缘顺喷支板具有燃料雾化性能差、燃料沿展向分布集中、燃料/氧化剂混合效果差等问题。为克服现有技术不足，提供一种带直角三棱柱凹槽的超燃冲压燃烧室支板，该支板能以较小的损失，换取燃料雾化性能提升、燃料沿展向分布均匀、燃料/氧化剂混合性能提升，并有效提高了支板热载荷能力。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种带直角三棱柱凹槽的超燃冲压燃烧室支板，在传统尾缘顺喷支板的基础上，布置直角三棱柱凹槽结构，燃料喷注器前置，并设置直角三棱柱凹槽侧棱以及燃料喷注的方向，其特征在于：

在支板尖劈后具有对称或者交错排列的直角三棱柱凹槽结构；

燃料喷注器从尾缘前移至三棱柱凹槽顶面；

直角三棱柱凹槽侧棱的方向平行于支板前缘后气流的方向；

燃料喷注的方向平行于直角三棱柱凹槽侧棱的方向。

本发明原理如下：

燃料从燃料喷注器以平行于直角三棱柱凹槽侧棱的方向顺喷。直角三棱柱凹槽与支板的直角交界处产生流向涡，一方面促进燃料雾化，另一方面促进燃料/氧化剂混合。随着燃料沿流向方向移动，进入直角三棱柱凹槽的氧化剂越多，燃料在直角三棱柱凹槽内分布范围越大。待燃料移动至支板尾缘处，尾缘产生的展向涡能进一步促进燃料/氧化剂混合。

本发明所具有的优点包括：

(1)、本发明继承了支板顺流喷注较横向喷注损失小的优势，通过将燃料喷注器前移，改善了燃料顺流喷注雾化、蒸发、混合时间短的问题。

(2)、本发明充分利用三棱柱凹槽与支板的直角交界处产生的流向涡，以较小流动损失的代价，换取燃料雾化性能、燃料/氧化剂混合性能的提升。

(3)、本发明充分利用支板尾缘处的展向涡，进一步促进燃料/氧化剂混合，并改善燃料在展向方向分布。

(4)、本发明将燃料流道布置于支板前缘处，该方案较传统尾缘顺喷支板有更高的热载荷能力。

附图说明

图1是传统尾缘顺喷支板简图。

图2是带直角三棱柱凹槽的支板简图。

图3是带直角三棱柱凹槽支板的燃料混合过程简图。

图4是带直角三棱柱凹槽支板的燃料混合性能数值计算结果。

附图标记说明：图1中的1是支板基座，2是支板，3是燃料喷注器，4是燃料流道。图2中的5是直角三棱柱凹槽顶面，6是直角三棱柱凹槽侧棱，7是直角三棱柱凹槽。图3中的8是流向涡，9是燃料，10是展向涡，11是直角三棱柱凹槽与支板的直角交界处，12是支板前缘后气流的方向，13是燃料喷注的方向。图4中的14是燃料摩尔浓度为1％的等值面。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

实施例1

根据本发明的一个实施例，对传统尾缘顺喷支板(如图1所示)进行改进设计(如图2所示)。相比于传统尾缘顺喷支板，带直角三棱柱凹槽支板的两侧具有对称布置的直角三棱柱凹槽结构7，燃料喷注器3从尾缘前移至三棱柱凹槽顶面5处，三棱柱凹槽侧棱6的方向以及燃料喷注的方向13平行于支板前缘后气流的方向12。

图3展示了带直角三棱柱凹槽支板的工作过程。相比于传统尾缘顺喷支板，该支板将燃料流道4布置于支板尖劈处，燃料9与支板前缘距离缩短使得燃料9的换热能力增强，从而提高支板的热载荷能力；在保证燃料流道4流通面积的前提下，减少燃料喷注器3与支板尖劈的距离，延长燃料9雾化、蒸发以及与氧化剂混合的时间；燃料9从燃料喷注器3以平行于直角三棱柱凹槽侧棱6的方向顺喷；直角三棱柱凹槽与支板的直角交界处11产生流向涡8，一方面高湍流特性促进燃料9雾化，另一方面促进燃料9与氧化剂混合；随着燃料9沿流向方向移动，进入直角三棱柱凹槽7的氧化剂越多，燃料9在直角三棱柱凹槽7内分布范围越大；待燃料9移动至支板尾缘处时，尾缘产生的展向涡10能进一步促进燃料9与氧化剂混合。

图4展示了带直角三棱柱凹槽支板的燃料混合性能数值计算结果。从图中燃料摩尔浓度为1％的等值面14可以看出，燃料9从燃料喷注器3喷出后与氧化剂迅速混合；随着燃料9沿流向方向移动，燃料9基本充满了直角三棱柱凹槽7；待燃料9移动至支板尾缘时，在支板尾缘产生的展向涡10作用下，燃料9迅速充满整个尾迹并沿展向方向扩展。相比于传统尾缘顺喷支板，带直角三棱柱凹槽支板有更好燃料/氧化剂混合性能以及燃料沿展向分布特性

实施例2

根据本发明的另外一个实施例，可以对带直角三棱柱凹槽支板(如图2所示)进一步改型，以达到更好的效果。由于流向涡8的强度取决于直角三棱柱凹槽与支板的直角交界处11的两股相邻气流的法向速度差，因此可以将支板两侧对称布置的直角三棱柱凹槽7改为交错排列，并增加直角三棱柱凹槽7在支板上的法向深度，从而提高流向涡8的强度。相比于实施例1，该改型引入了更强的流向涡，能进一步提高燃料的雾化性能以及燃料/氧化剂混合性能。

上述描述只是说明，而非限定。在不脱离权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对本实施例进行各种修改。