专利名称：一种台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案的制作方法
技术领域：
超燃冲压发动机和亚燃冲压发动机的关键技术之一就是采用有效的燃烧室和燃料喷射结构形式，更妤 地在燃烧室内喷入燃料，尽快实现燃料和空气的充分混合，在尽可能短的燃烧室空间内实现燃烧，使得燃 料充分释放化学能，并转化为气流的热能，进一步转化为发动机动力系统的动能。但需要注意的是，在这 些发动机的燃烧室内， 一般气流的速度非常高，气流在燃烧室内的停留时间非常短，常常为毫秒量级，燃 料能够实现混合的空间也非常有限。因此，燃料的喷射、点火和稳定燃烧成为这些冲压发动机动力系统燃 烧时要解决的关键问题。而在以超声速燃烧室、亚声速燃烧室等为主要部件的冲压发动机动力系统中，能 够影响飞行器工作性能的主要指标都严重受制于燃烧室的结构尺寸。从燃烧机理、组织燃烧等更深层次上 来讲，这些性能指标都受制于燃烧室内的燃料掺混、点火和稳定燃烧等过程。
二背景技术：
当飞行器的飞行速度达到一定程度后，航空发动机就不再能够适宜作为飞行器的动力系统，主要原因 在于，此时航空发动机动力系统的比冲性能开始急剧下降，而此时冲压发动机、超燃冲压发动机以比较高 的比冲性能等胜过航空发动机而成为理想的推进系统。同时，由于进入冲压发动机和超燃冲压发动机的气 流已经具有一定的速度冲压，发动机能够利用自身的结构特点将气流的动能转化为一定的压力势能，而直 接进入燃烧室进行点火和燃烧。和航空发动机相比，冲压发动机和超燃冲压发动机可以省去旋转部件对气 流的压縮过程。因此，从结构上来讲，冲压发动机和超燃冲压发动机结构简单。但如果要在这两种冲压发 动机中更好地实现点火、燃烧，那么就需要对燃烧室结构以及喷嘴结构进行更好地设计和布局。而这是这 些研究领域内的关键问题之一。
众所周知，冲压发动机和超燃冲压发动机的燃烧室是一个能量转换装置，燃料通过燃烧释放出化学能, 转化为气流的热能。为了更好地组织燃烧，通常都会在超声速燃烧室内的支板、壁面(或空腔壁面)上， 按照不同的方式设置不同结构和方式的燃料喷嘴，把燃料以平行、垂直或与来流成一定的角度喷入到气流 中，促进燃料与来流空气的混合，增强燃烧发生，保证燃烧能够稳定进行。对于这些具体的结构形式而言， 成为冲压发动机和超燃冲压动机燃烧室设计的一个非常重要的研究方面。国内外很多学者和研究机构投入 大量的人力、物力和财力，设计不同的结构形式，从机理等各方面来进行研究。尽管超声速燃烧室的结构简单，但其工作过程却非常复杂，对其深入详细的研究工作需要考虑到高超 声速空气动力学、燃烧学、扩散传质等许多学科门类。同时，超声速燃烧室设计时也需要考虑到对燃烧室 的基本要求，主要包括(1)在工作范围内最不利的情况下，燃烧室仍然能够快速可靠地点火起动；(2) 在预定的工作范围内，燃烧室能够稳定燃烧，而不产生强烈振动；(3)燃料能够在燃烧室内最大限度地完 全燃烧，并且燃烧效率尽可能高；(4)经过燃烧室内燃烧后，燃烧引起的总压损失尽可能小；(5)在满足 燃烧室冷却和结构强度的条件下，尽可能减小燃烧室的尺寸和质量等。因此，进行超声速燃烧室研究的任 务是，要使燃料在尽可能有限的空间内，在高速气流中短时间内完成燃料喷射、雾化、蒸发、混合、稳定 燃烧，并将化学能最大限度地转化为热能。
从目前的研究情况来看，比较常用的燃料混合增强技术主要有旋流喷嘴、斜压混合、后掠斜坡喷射、 支板喷射和壁面凹腔等，主要是通过燃烧室内喷嘴结构的改变来实现燃料混合增强技术。此外，燃料喷嘴 的数目，喷嘴的压降、位置、布局、燃料当量比、燃料的射流相对穿透深度、燃烧室结构等都对燃烧性能 有重要的影响。但作为技术上可以实现或有益的探索性尝试，以及技术实现难度方面的限制等原因，这些 方案并没有单独使用其中的一种或两种来满足效果，而需要经过组合，通过多种混合增强方式促进燃料混 合。这些燃烧增强技术能够起到一定的作用，其主要机理在于 一方面，在超声速燃烧室局部造成回流区， 增加燃料与空气的混合及其在燃烧室内的停留时间，保证足够的反应时间；另一方面，改变燃烧室内的流 场结构，增加燃烧室流场内的漩涡，以增加燃料的对流扩散效果，促进超声速燃烧室内燃料的有效混合， 从而保证燃烧能够稳定发生。
上世纪九十年代，莫斯科CIAM在与法国进行联合双模态超燃冲压发动机飞行验证试验时，提出了 一些燃烧室结构方案，如将台阶、凹槽等结构形式应用到其所涉及的轴对称双模态超燃冲压发动机的燃烧 室结构中，成功地进行了飞行验证实验。尽管试验中遇到一些问题，但CIAM的专家通过分析后，认为台 阶结构、凹槽结构能够起到一定的火焰稳定作用。存在的一些缺点是，台阶结构可能会带来比较大的流动 损失。然而在随后十多年时间内，国内外学者对台阶结构、凹槽结构的火焰稳定特性以及流动特性等进行 了一些研究工作。但对于如何充分利用凹槽结构的火焰稳定作用，以及如何使燃料喷射结构和凹槽相结合 实现高效复合的燃料喷射、混合、有效点火和稳定燃烧却没有提出新的方案。
本专利在于将台阶喷射结构和凹槽喷射结构共同应用到二元超声速燃烧室结构中，通过本实验室的 大量研究分析工作，认为使用台阶\凹槽复合燃料喷射结构的燃烧室在一定程度上，可以减弱支杆喷射燃烧 室的一些缺点，如支杆在隔离段诱导产生激波造成比较大的总压损失等问题。基于这些基础的研究分析工 作，本文提出了一种新型喷射结构的超声速燃烧室喷嘴设计方案，即将台阶\凹槽喷射结构用于超声速燃烧 室中，由这两种喷射结构来喷入燃料，改善燃烧室内的燃料混合、点火、火焰稳定燃烧等方面的性能。只 要能够保证燃料一定的流量揑制规律喷射，那么燃烧室的性能将会得到很大的提高。同时，在燃烧室的结构尺寸方面而言，也能够大大降低燃烧室的结构尺寸，为设计性能更高的冲压发动机和超燃冲压发动机提 供技术储备，最终能够改善使用这些动力系统的飞行器的机动性能和整体性能。
发明内容
本专利的创新之处，在于提出了一种台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案。该设计方案的提 出，以国内外对台阶、凹槽特性结构研究的文献为参考，并以本文对二元超声速燃烧室所做过的大量分析 研究工作为基础。在提出该结构形式的超声速燃烧室方案时，对包括凹槽结构、台阶结构、复合结构等多 种喷射结构方案进行了研究和分析。因此，通过对台阶结构、凹槽结构喷嘴方案进行设置和布局，能够更 为充分地实现燃料的喷射、混合、点火和稳定燃烧。
本专利所提出的台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案主要由台阶喷射结构、凹槽以及凹槽前 喷嘴等设计部分组成
1. 台阶喷射结构中，进入台阶后的气流速度降低，形成一个局部低速流动区域，相对于速度较高 的主流空气，在该区域内喷入燃料后，能够实现燃料的点火、燃烧和稳定燃烧。
2. 凹槽前方的来流能够将燃烧室前方气流经过质量交换带入道凹槽内，在凹槽内形成稳定的回流 区，速度相对比较低，能够保证燃料点火，进而形成一个比较稳定的点火源。
3. 凹槽前喷嘴向超声速气流中喷入燃料，可以将燃料注入到一定深度的超声速气流中。同时，由
于凹槽前喷嘴比较靠近凹槽，在凹槽区域和燃烧室主流区实现空气质量交换过程，将空气带入 燃烧室时，将燃料和空气带入到低速的凹槽区域实现燃料和气流的混合。
4. 上述1和3的结构设计中，台阶喷射结构和凹槽前喷射结构能够提高燃料和空气的有效混合， 配合低速流动区域的特点，能够保证台阶后和凹槽附近燃料的有效点火、燃烧和火焰稳定。
和其他使用单一结构设计方案的燃烧室方案及支杆喷射燃烧室方案相比，本专利所提出的台阶\凹槽 复合喷射结构的超声速燃烧室方案具有以下的特点和优点
1. 在多个区域内喷入燃料，并保证燃烧室内燃料的点火；
2. 能够促使燃料和空气充分混合；
3. 燃料喷射、混合、燃烧带来的总压损失较小；
4. 结构因素带来的激波系结构变化造成的总压损失小；
5. 燃料点火、燃烧和火焰稳定性能好； ，
56. 燃烧，的结构尺寸大为减小；
7. 对使用该动力系统的飞行器肖k够带来较高的机动性能和潜力；
8. 性能潜力和经济潜力比较高。
四
图1为台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案的三维图。
图2为台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案的透视图，图中显示了台阶喷射结构的喷嘴方案， 以及燃烧室凹槽及凹槽前喷射结构的喷嘴方案。
图3为台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案二维视图。
1.台阶喷射结构 2.燃烧室出口 3.燃烧室进口
4.凹槽前喷射结构 5.燃烧室凹槽
五具体实施例方式
本专利提出的台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案的具体实施方式
可以按照以下设计过程 进行。在进行实际燃烧室结构设计时，根据具体的设计要求对台阶前喷射结构、凹槽和凹槽前喷射结构的 布局根据需要进行适当的修改和设计，并配合以一定规模的数值计算模拟进行研究分析后，将燃料喷嘴的 设计思路和方案应用到所设计的超声速燃烧室的结构方案中。这样， 一方面可以降低以往传统设计工作中， 在研究设计初期需要投入大量的研制经费的问题；另一方面，通过使用本专利所提出的台阶\凹槽复合喷 射结构的超声速燃烧室方案，在很大程度上，可以减小超声速燃烧室的结构尺寸，降低超声速冲压发动机 的重量，进而减小与此相关的最终产品的尺寸，增加最终动力系统产品的机动性能，提高其动力系统的经 济性能。在设计研究中，当其他方面的各种条件具备，如材料、调节系统等部分的设计方案完成后，可以 通过调节燃料喷嘴的角度、喷入燃烧室的燃料流量等参数和因素，那么，可以将本专利的设计方案付诸于 切实的设计应用中。
权利要求
1. 一种台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案，其特征是提出了台阶\凹槽复合喷射结构及燃料喷嘴方案。
2. 根据权利要求1所述的台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案，其特征为在燃烧室进口台 阶处按一定布局方式的设置燃料喷嘴。
3. 根据权利要求1所述的台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案，其特征为在燃烧室凹槽前 的流道内按一定布局方式设置燃料喷嘴。
全文摘要
本发明的创新之处在于提出了一种新型台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案。该方案的特点是在燃烧室台阶及燃烧室凹槽前增加燃料喷嘴，共同用于燃烧室内的燃料喷射和使用。这种设计方案中，将台阶喷射结构和凹槽前燃料喷嘴结构设计方案应用到超声速燃烧室中，及其相应的改进类型超声速燃烧室中。通过使用本发明所设计的复合喷射结构方案，可以保证在超声速燃烧室内均匀喷入燃料，在燃烧室内低速流动区域内达到燃料和空气的充分混合，从而保证在超声速气流的燃料的点火以及稳定燃烧。和传统的超声速燃烧室内的喷嘴方案相比，本发明提出的设计方案具有以下优点燃料喷射均匀，掺混充分，易于点火，燃烧稳定，燃烧室内的总压损失小，从而能够缩短超声速燃烧室的结构尺寸，改善整个超声速动力系统的性能，具有相当大的潜在经济效益和价值。一种新型台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案主要由燃烧室内的台阶喷射结构，凹槽及凹槽前喷射结构方案等部分的设计组成。
文档编号F23R3/34GK101435586SQ20071018786
公开日2009年5月20日 申请日期2007年11月15日 优先权日2007年11月15日
发明者周建兴, 英 朴 申请人:周建兴;朴 英