利用燃油自抽吸发汗冷却的燃烧室热防护壁面结构的制作方法

本发明涉及发动机燃烧室壁面热防护领域，特别是涉及一种利用燃油自抽吸发汗冷却的燃烧室热防护壁面结构。

背景技术：

航空航天技术代表着国家尖端科技水平，也是一国综合国力的象征，对国家的军事、经济、交通等领域均有着重大意义，得到了世界各国的大力投入。近年来，为满足更高、更快的飞行要求，高超音速(ma>5，ma为马赫数)飞行器得到了迅速发展，而随之引起的气动加热和发动机燃烧室温度的提高，使得热防护成为关键难题。如图1所示，超燃冲压发动机是高超声速飞行器中常用的发动机，其燃烧室主流的流动与燃烧需要保持在高超音速下进行，高马赫数流动的高速主流首先经过飞行器前缘以及进口段产生斜激波减速压缩，然后经过隔离段的弱激波串再进入燃烧室，与喷注的燃料混合、点火、燃烧后最终经过喷管段喷出提供动力，在此过程中，发动机燃烧室内壁承受剧烈的热负荷。传统的冷却方式是采用燃料再生冷却的方式对燃烧室壁面进行热防护，但随着飞行器速度进一步提升，燃烧温度继续提高，上述传统冷却方式中燃料热沉不足、易结焦堵塞的问题也日益突显，因此有必要采用更为高效稳定的热防护方式对高超音速发动机的燃烧室壁面进行冷却，以适应目前飞行器技术的飞速发展。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够在高速高温主流中利用燃油自抽吸发汗冷却对燃烧室壁面进行高效冷却的热防护壁面结构。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种利用燃油自抽吸发汗冷却的燃烧室热防护壁面结构，将燃烧室壁面设置为热防护壁面结构，所述热防护壁面结构包括由外至内依次设置的耐高温外壁层、泡沫层和多孔层，所述泡沫层的一侧设置有燃油入口，所述燃油入口通过燃油管路与外部油箱连接；燃油作为冷却介质从所述外部油箱经所述燃油管路进入所述泡沫层，在所述泡沫层和所述多孔层的毛细力作用下，使得燃油在所述多孔层内与燃烧室内壁面进行强烈对流换热并汽化，换热时汽化形成的燃油蒸汽在热防护壁面结构的内表面形成薄膜边界层以阻隔所述高速高温主流向所述耐高温外壁层进行热传递，换热后的燃油能够从所述多孔层渗入到发动机燃烧室内部参与燃烧。

可选的，在所述多孔层的内侧设置耐高温支撑层，所述耐高温支撑层的外侧面设置有若干向所述多孔层突出的凸起；所述耐高温外壁层和所述耐高温支撑层均由耐高温合金制成；所述耐高温外壁层与发动机其他部件连接。

可选的，所述泡沫层为大孔隙泡沫金属层，所述泡沫层和所述多孔层通过机械压紧或胶黏的方式连接固定。

可选的，所述多孔层采用耐高温金属颗粒、碳基陶瓷或硅基陶瓷中的一种材料制成。

可选的，当所述多孔层采用所述耐高温金属颗粒制作时，所述耐高温金属颗粒优选为微米级耐高温金属粉末。

可选的，所述泡沫层包括多个间隔布置的泡沫块，相邻两个所述泡沫块之间通过燃油通道连通；所述多孔层包括多个间隔布置的多孔块，每个所述泡沫块的内侧面均连接一所述多孔块；每个所述多孔块均被两个相邻所述凸起夹紧设置，且每相邻两个所述凸起之间均为镂空设置，各镂空处用于暴露各所述多孔块。

可选的，所述热防护壁面结构为等腰梯形壁面结构，所述等腰梯形壁面结构的各壁面相交处不布置所述泡沫块和所述多孔块，仅留有所述燃油通道供燃油贯穿流动。

可选的，所述燃油管路上沿燃油的流动方向依次设置有燃油泵和阀门。

可选的，所述燃油管路的出油口与所述燃油入口密封对接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的利用燃油自抽吸发汗冷却的燃烧室热防护壁面结构，将燃烧室壁面设计具有热防护功能的多孔结构，利用燃油在多孔层和泡沫层这两种多孔结构中的毛细力作为驱动力，可实现自抽吸发汗冷却，无需使用泵进行流量控制，稳定性较高，能量消耗少，毛细力还能够根据燃烧室壁面所受的热流密度大小自动调节，实现了冷却燃油流量随燃烧室壁面热流密度的自适应调节。同时，本发明将液态燃油作为冷却剂，燃油沸点高于水，低于结焦温度，可避免在多孔层内的结焦堵塞；燃油在多孔层内与燃烧室内壁面进行强烈对流换热并汽化，吸收大量热，能够有效降低燃烧室壁面温度，相变汽化后的燃油蒸汽在热防护壁面结构的内表面形成薄膜边界层以阻隔高速高温主流向燃烧室内壁面的热量传递，可有效保护燃烧室内壁面，换热后的燃油能够从多孔层渗入到发动机燃烧室内部参与燃烧提供动力，实现了热量的回收利用。本发明可以广泛应用于各种超燃冲压发动机燃烧室内壁面的热防护作业中，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有超燃冲压发动机的燃烧原理示意图；

图2为本发明的自抽吸发汗冷却热防护壁面结构示意图；

图3为图2中燃油管路与燃油入口的连接示意图；

图4为图2中热防护壁面结构的剖面示意图；

图5为图4中热防护壁面结构的a-a剖面示意图；

图6为图5中热防护壁面结构的b-b剖面示意图；

其中，附图标记为：1、耐高温外壁层；2、泡沫层；2-1、泡沫块；2-2、燃油通道；3、多孔层；3-1、多孔块；4、燃油入口；4-1、第一底座；5、燃油管路；5-1、第二底座；6、外部油箱；7、燃烧室；8、耐高温支撑层；8-1、凸起；9、燃油泵；10、阀门；11、螺栓；12、密封垫；13、燃油。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高效稳定、能够在高速高温主流中利用燃油自抽吸发汗冷却对发动机燃烧室壁面热防护的方法。

基于此，本发明提供一种利用燃油自抽吸发汗冷却的燃烧室热防护壁面结构，将燃烧室壁面设置为热防护壁面结构，热防护壁面结构包括由外至内依次设置的耐高温外壁层、泡沫层和多孔层，泡沫层的一侧设置有燃油入口，燃油入口通过燃油管路与外部油箱连接；燃油作为冷却介质从外部油箱经燃油管路进入泡沫层，在泡沫层和多孔层的毛细力作用下，使得燃油在多孔层内与燃烧室内壁面进行强烈对流换热并汽化，换热时汽化形成的燃油蒸汽在热防护壁面结构的内表面形成薄膜边界层以阻隔高速高温主流向耐高温外壁层进行热传递，换热后的燃油能够从多孔层渗入到发动机燃烧室内部参与燃烧。

本发明提供的利用燃油自抽吸发汗冷却的燃烧室热防护壁面结构，将燃烧室壁面设计具有热防护功能的多孔结构，利用燃油在多孔层和泡沫层这两种多孔结构中的毛细力作为驱动力，可实现自抽吸发汗冷却，无需使用泵进行流量控制，稳定性较高，能量消耗少，毛细力还能够根据燃烧室壁面所受的热流密度大小自动调节，实现了冷却燃油流量随燃烧室壁面热流密度的自适应调节。同时，本发明将液态燃油作为冷却剂，燃油沸点高于水，低于结焦温度，可避免在多孔层内的结焦堵塞；燃油在多孔层内与燃烧室壁面进行强烈对流换热并汽化，吸收大量热，能够有效降低燃烧室壁面温度，相变汽化后的燃油蒸汽在热防护壁面结构的内表面形成薄膜边界层以阻隔高速高温主流向燃烧室内壁面的热量传递，可有效保护燃烧室内壁面。换热后的燃油能够从多孔层渗入到发动机燃烧室内部参与燃烧提供动力，实现了热量的回收利用。本发明可以广泛应用于各种超燃冲压发动机燃烧室内壁面的热防护作业中，实用性强。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图2～6所示，本实施例提供一种利用燃油自抽吸发汗冷却的燃烧室热防护壁面结构，将燃烧室壁面设置为热防护壁面结构，热防护壁面结构包括由外至内依次设置的耐高温外壁层1、泡沫层2和多孔层3，泡沫层2的一侧设置有燃油入口4，燃油入口4通过燃油管路5与外部油箱6连接；本实施例以液态燃油13作为冷却介质从外部油箱6经燃油管路5进入泡沫层2，在泡沫层2和多孔层3这两种多孔结构的毛细力作用下，使得燃油13在多孔层3内与燃烧室内壁面，即多孔层3的内表面进行强烈对流换热并汽化，吸收大量热，能够有效降低燃烧室壁面温度，换热时汽化形成的燃油蒸汽在热防护壁面结构的内表面形成薄膜边界层以阻隔高速高温主流向燃烧室壁面，即耐高温外壁层1进行热传递，可有效保护燃烧室7内壁面，换热后的燃油能够从多孔层3渗入到发动机燃烧室7内部参与燃烧提供动力，实现了热量的回收利用。

进一步地，如图2和图6所示，在多孔层3的内侧设置耐高温支撑层8，耐高温支撑层8的外侧面设置有若干向多孔层3突出的凸起8-1；本实施例中耐高温外壁层1和耐高温支撑层8均优选由耐高温合金制成，耐高温外壁层1和耐高温支撑层8配合起到固定和支撑内部构件的作用，耐高温外壁层1优选通过焊接或其他连接方式与发动机其他部件连接。

进一步地，泡沫层2可由大孔隙泡沫金属或其余不与燃油反应的泡沫或纤维制成。本实施例中优选泡沫层2为大孔隙泡沫金属层，泡沫层2和多孔层3可通过机械压紧或胶黏的方式连接固定。其中，泡沫层2用于为自抽吸发汗冷却过程储存燃油、提供毛细力，并起到对壁面结构的支撑作用和增强力学强度的作用。

进一步地，多孔层3可采用耐高温金属颗粒、碳基陶瓷或硅基陶瓷中的一种材料制成。本实施例中，多孔层3优选采用耐高温金属颗粒制作，且耐高温金属颗粒优选采用微米量级的耐高温金属粉末，制作步骤如下：首先将微米级金属粉末与有机粘结剂均匀混练，制粒后在加热塑化状态下用注射成形机注入模腔内固化成形，然后用化学或热分解的方法将成形坯中的有机粘结剂脱除，最后烧结致密化。多孔层3采用微米级耐高温金属粉末烧结制成，具有巨大的比表面积，能够为自抽吸发汗冷却提供毛细力和流动换热场所，并允许燃油蒸汽渗出到燃烧室7内，在燃烧室内壁表面形成薄膜边界层以隔绝热流。

进一步地，如图4～5所示，本实施例中泡沫层2包括多个间隔布置的泡沫块2-1，相邻两个泡沫块2-1之间通过燃油通道2-2连通，优选每块泡沫块2-1的上下左右分别至少有一条多燃油通道2-2，以便将从燃油入口4进入的燃油13流经整个泡沫层2；多孔层3包括多个间隔布置的多孔块3-1，每个泡沫块2-1的内侧面均连接一多孔块3-1；每个多孔块3-1均被两个相邻凸起8-1夹紧设置，且每相邻两个凸起8-1之间均为镂空设置，各镂空处用于暴露各多孔块3-1，以便多孔层3与燃烧室7的内部连通。如图4所示，本实施例中凸起8-1优选为正“凸”形，而多孔块3-1优选为倒“凸”形，每个多孔块3-1均与两侧的凸起8-1形成紧密插接结构。

进一步地，如图6所示，本实施例中热防护壁面结构优选为等腰梯形壁面结构，等腰梯形壁面结构包括四个首尾顺次连接的壁面，燃油入口4优选设置在上壁面；各壁面的相交处不布置泡沫块2-1和多孔块3-1，仅留有燃油通道2-2供燃油贯穿流动，此处燃油通道2-2外周的其余部分为耐高温合金壁面，能够保证足够的力学强度，提高本实施例的耐用程度。

进一步地，如图2所示，本实施例在燃油管路5上沿燃油13的流动方向依次设置有燃油泵9和阀门10。

进一步地，如图3所示，燃油管路5的出油口与燃油入口4密封对接。本实施例中在燃油入口4的进油口外周设置有第一底座4-1，燃油管路5的出油口外周设置有第二底座5-1，当燃油管路5与燃油入口4对接时，第一底座4-1和第二底座5-1形成对接，通过螺栓11将第一底座4-1和第二底座5-1连接可实现燃油管路5与燃油入口4的牢固对接；同时可在第一底座4-1和第二底座5-1之间设置一密封垫12，有利于提高燃油管路5的出油口与燃油入口4对接出的密封性，防止燃油13外泄。

下面以对超燃冲压发动机进行热防护为例对本实施例作具体原理说明。其中燃油13优选为超燃冲压发动机常用的液态航空煤油，燃油沸点低于结焦温度，可防止结焦，在通过多孔层3的过程中，强烈的对流换热使燃油汽化，吸收大量热，有效降低壁面温度，同时燃油渗入燃烧室7中充分燃烧，不会影响发动机性能。

发汗冷却开始前，打开燃油泵9和阀门10，将燃油13从外部油箱6经燃油入口4输送至位于壁面结构上壁面的首块泡沫块2-1中，并通过燃油通道2-2进入到后排分布的泡沫块2-1以及位于两侧壁面和下壁面的各泡沫块2-1中，直至整个泡沫层2和多孔层3的孔隙中均充满燃油13，关闭燃油泵9和阀门10。

当受到燃烧室7内高速高温主流作用时，内层的多孔层3温度升高，燃油可在其中与高速高温主流产生强烈对流换热并发生相变，吸收大量热量，有效降低燃烧室壁面温度；同时，燃油受热蒸腾渗出多孔层3的内壁面，并通过毛细力拉动泡沫层2中的燃油源源不断地进入到多孔层3中进行补充，相变后的燃油蒸汽渗出多孔层3内壁，在多孔层内壁面及燃烧室7下游壁面覆盖形成一层薄气膜，增厚了燃烧室7内壁面的边界层，可有效阻隔燃烧室7内高速高温主流向燃烧室7内壁面的热量传递，降低了热流密度，起到保护燃烧室内壁的效果。此外，燃油相变时温度不变，外界热流密度的变化可引起燃油蒸发速率的变化，从而改变燃油渗出壁面的速率，实现冷却剂燃油流量的自适应调节，从而实现热流密度自适应的特性，提高本实施例发汗冷却系统的稳定性，节省燃油同时保证冷却效率。燃油在渗出多孔层3后，进入到燃烧室7中可参与充分燃烧提供动力，实现热量的回收利用。由于使用发动机本身的燃油作为冷却剂，不影响发动机燃烧，因此燃油作为冷却剂的用量无需主动控制，热防护结构简单，可靠性高。

由此可见，本发明提供的利用燃油自抽吸发汗冷却的燃烧室热防护壁面结构具有如下优点：

(1)将发动机燃烧室壁面设计为多孔结构，通过发汗冷却的方式对燃烧室壁面进行冷却，利用液态燃油作为冷却剂，燃油在多孔层中流动强烈换热发生相变，吸收大量热量，汽化潜热大大提高了热沉，因此冷却能力显著增强，可有效降低壁面温度；

(2)燃油从多孔介质渗出，在燃烧室壁面形成薄膜，增厚燃烧室壁面边界层，隔绝燃烧室向壁面的热量传递，可以使用较小的燃料量实现较高的冷却需求；

(3)利用燃油在多孔介质中的毛细力作为驱动力，实现自抽吸发汗冷却，无需使用泵进行流量控制，因此冷却系统的稳定性较高，能量消耗少，同时毛细力能够根据热流密度大小自动调节，实现冷却燃油流量和热流密度的自适应调节；

(4)采用燃油作为冷却剂，与传统的冷却剂水相比，燃油沸点较高，因此可以防止过度冷却，减小壁面与主流之间的温差，减小热流密度，充分利用材料本身的耐高温性能；

(5)利用的燃油沸点低于结焦温度，因此在燃油的自抽吸发汗冷却过程中，燃油不会在多孔中结焦堵塞，可靠性高，重复利用性能好，提高系统的稳定性，便于维护；

(6)使用燃油作为冷却剂，在经过多孔层渗入到燃烧室进行发汗冷却后，在燃烧室充分燃烧增加推力，回收利用了冷却剂所吸收的热量，同时由于冷却剂为燃油，在燃烧室中不影响发动机原有性能，因此燃油的用量不受限制；

(7)采用微米量级的金属粉末烧结制作多孔层，可以在允许燃油从微孔中流过的同时保证壁面强度，承受一定的压力。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。