利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其包括以下内容：1）用耐高温材料制作出多微孔结构的喷注支板，并将超燃发动机的燃料管与喷注支板连通；2）利用燃料渗出多微孔结构喷注支板孔隙的过程，强制进行对流换热，带走喷注支板表面的热量；3）利用燃料渗出在喷注支板表面形成薄膜层，阻隔主流对喷注支板的传热。本发明在喷注支板材料上制作出多孔隙结构，利用发汗冷却的概念，将燃料充当冷却剂，使燃料流经喷注支板的过程中与喷注支板发生强烈的对流换热，同时使燃料在喷注支板表面形成一个薄层，阻碍高温主流与喷注支板表面的传热，实现对喷注支板尤其是其前缘部分的热保护，防止喷注支板的烧蚀破坏。本发明可以广泛用于各种冲压发动机喷注支板结构的热防护中。
【专利说明】利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温壁面热防护方法，特别是关于一种在高温高速气流中利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法。
【背景技术】
[0002]作为代表现代科学技术发展前沿的航空航天技术，由于其在国防及空间资源利用上的重要意义，得到了世界上许多国家的大力投入，并带动了相关产业的繁荣发展。为满足飞的更高、更快的要求，开发新型高效的发动机技术也成为未来航空航天飞行器的必然发展。如图1所示，冲压发动机是一类没有高速旋转的复杂叶片结构，通过进气道来实现高速来流空气减速压缩的发动机。为实现在大气层内高超声速(Ma>5，Ma为马赫数)巡航飞行，发动机内燃烧室主流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。但是燃料在燃烧室内的滞留时间只有几个毫秒，需要有效的装置来提供燃料的喷注，以实现燃料与高速主流之间的掺混。
[0003]喷注支板结构是燃烧室内一种常见的实现燃料和高速主流进行有效掺混的装置，燃料从喷注支板上的喷油孔喷出，与高速主流混合，克服了壁面入射穿透距离短的缺点。但同时高速主流在喷注支板表面滞止产生严重的气动加热，喷注支板尤其是前缘部分极易发生烧蚀破坏，必须采用有效的主动冷却降低喷注支板表面温度。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种在高温高速气流中利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其包括以下内容:1)用耐高温材料制作出多微孔结构的喷注支板，并将超燃发动机的燃料管与喷注支板连通；2)利用燃料渗出多微孔结构喷注支板孔隙的过程，强制进行对流换热，带走喷注支板表面的热量；3)利用燃料渗出在喷注支板表面形成薄膜层，阻隔主流对喷注支板的传热。
[0006]所述喷注支板的空腔内设置有耐高温固体材料的支撑肋，且在每一被所述支撑肋分隔的空腔内分别连通一燃料管。
[0007]所述支撑肋为设置在所述空腔中部的一个。
[0008]所述支撑肋为间隔设置在所述空腔内的多个。
[0009]所述喷注支板上开设有喷油孔。
[0010]所述喷注支板的外部形状为与主流来流方向呈一倾斜角度的菱形。
[0011]当采用金属粉末制作多孔喷注支板时，首先将微米量级的金属粉末与有机粘结剂均匀混练，经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粘结剂脱除，并经烧结致密化得到最终产品。
[0012]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明方法根据多孔介质的特性，在喷注支板材料上制作出多孔隙结构，利用发汗冷却的概念，不但可以实现燃料与主流的更好掺混，而且将燃料充当冷却剂完成对喷注支板外表面的热保护，其冷却能力很大，从热防护的角度来说，仅需要较低的燃料量，就能满足使用需要。2、本发明的喷注支板内部由于存在大量的孔隙，比表面积非常大，因此燃料流经喷注支板的过程中与喷注支板发生强烈的对流换热，可以有效地吸收固体的热量，降低喷注支板温度。3、本发明由于燃料通过喷注支板上的孔隙渗入到主流的速度较慢，因此会在喷注支板表面形成一个薄层，阻碍高温主流与喷注支板表面的传热，实现对喷注支板尤其是其前缘部分的保护，防止喷注支板的烧蚀破坏。4、本发明由于在喷注支板腔内增加支撑肋，分担喷注支板两侧受力所产生的拉应力，因此可以增加喷注支板的结构强度，弥补采用疏松多孔隙介质制作喷注支板带来的强度削弱。5、本发明由于将喷注支板设置成菱形结构，因此可以根据实际需要调节喷注支板与来流方向的倾斜角，使得主流流在喷注支板表面的滞止效应减弱，进一步提高热防护效果。6、根据飞行需求，本发明还可以在本发明喷注支板的基础上，与已有技术相同在喷注支板上开孔径为0.5mm左右大小的喷油孔，加大燃料注入量，进一步提高冷却效率，而不会存在现有技术不设置多孔隙存在的问题。7、本发明方法采用微米量级的不锈钢粉末烧结制作多孔隙的喷注支板结构，因此可以在允许燃料从微孔中流过的同时保证喷注支板强度，承受一定的燃料进口压力。本发明可以广泛用于各种冲压发动机喷注支板结构的热防护中。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是超燃发动机工作原理示意图
[0014]图2是本发明中的喷注支板与现有设备的连接示意图
[0015]图3是图2中喷注支板端面结构示意图
[0016]图4是图3的俯视剖视示意图
[0017]图5是本发明喷注支板增加了钢基支撑肋的结构示意图
[0018]图6是本发明菱形喷注支板结构示意图
[0019]图7是图6的剖视示意图
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0021]如图1、图2所示，在超燃发动机内，一般是根据飞行器的不同飞行马赫数范围，选择航空煤油或者液氢作为燃料，在某些特殊工作环境下，也有的采用气态燃料。燃料通过超燃发电机自身携带的泵和设置在燃料通道上的阀门控制，在到达一定的压力后，通过一燃料管I进入喷注支板2，并从喷注支板2上根据设计要求设置的喷油孔中喷出，与高温高速气流的主流掺混后燃烧，提供动力。本发明方法在结构上与现有技术基本相同，不同的是本发明对喷注支板材料和结构上的改进，本发明根据多孔介质的特性，利用发汗冷却的概念，将燃料充当冷却剂完成对喷注支板外表面的热保护。
[0022]如图3、图4所示，本发明的喷注支板2的整体结构形状与已有技术类似，包括一个前部21呈渐缩状的条型空腔22，空腔22的一端为封闭端23，另一端通过一下底座3与一连接超燃发电机的上底座4密封连接，并通过一密封钢板5密封连接燃料管1，使燃料管I与喷注支板2连通。本发明方法的主要特征是将喷注支板2的壁面材料设置成多微孔结构，即在整个喷注支板2的壁面上布满了微孔隙，燃料可以在压力的作用下，从微孔隙中渗出。本发明多微孔结构的喷注支板2可以采用现有技术的各种耐高温材料和各种不同的加工工艺获得，比如:将微米量级的金属粉末与有机粘结剂均匀混练，经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粘结剂脱除，并经烧结致密化得到最终产品。本发明通过这种多微孔制作工艺制作的喷注支板2，制作精度高、微孔隙组织均匀、性能优异。
[0023]本发明利用多微孔结构的喷注支板2内部的巨大比表面积，使充入喷注支板2空腔内的燃料在压力作用下，可以从多微孔中渗出，与喷注支板2表面进行强烈的对流换热，从而有效地带走固体喷注支板2的热量。同时由于在主流的作用下，燃料渗出喷注支板2的多微孔时会受到阻力，燃料流速不是很高，因此渗出的燃料会在喷注支板2表面形成滞留覆盖，增厚了流体的边界层，起到了阻碍高温气体向喷注支板2壁面的传热作用。另外，由于燃料从喷注支板2表面的多微孔中渗出后与高温高速的主流混合、加热，并在达到着火点后开始燃烧，因此可以认为燃料借助多微孔的喷注支板2深入到了主流内部，使不断从多微孔中渗出的燃料，能够与主流实现更好的掺混效果。
[0024]上述实施例中，为了克服多微孔内的流动阻力，喷注支板2腔体内通入的燃料压力通常大于外界的主流环境压力，喷注支板2两侧内部会产生一定的拉伸应力；同时多微孔结构会对喷注支板2产生一定的强度削弱。如图5所示，本发明为了解决这一问题，在喷注支板2的空腔内增加设置一钢材料或其它耐高温固体材料制成的支撑肋6，支撑肋6可以设置在喷注支板2空腔的中部附近，使喷注支板2形成前、后两个空腔7、8，以分担喷注支板2两侧受力产生的拉伸应力，有效地增加喷注支板2的强度。采取这一措施后，需要为两个空腔7、8分别设置一燃料管1，亦即分别送入燃料。当然本发明还可以根据需要，同时在喷注支板2的空腔内增设更多的支撑肋6，并设置更多的燃料管I连接不同的空腔。
[0025]上述实施例中，由于喷注支板2通常设计成前部21边缘线与主流来流方向垂直，由于在前缘部分主流的滞止作用，流速为零，静压静温最大，热环境恶劣的同时不利于燃料渗出，因此对喷注支板2的热防护难度较大。如图6、图7所示，本发明为了解决这一问题，将喷注支板2设计成倾斜的菱形结构，使喷注支板2前缘的倾斜方向与来流方向成一锐角。这样，在某些特殊工作环境下，如飞行器采用气态燃料，流体比热容小，主流流速、气动加热量特别高，喷注支板2前缘部分危险区域冷却能力不足等情况下，采用这种菱形结构的喷注支板2设计，可以在主流到达前缘部分时，流体仍能沿着喷注支板2外表面流动，从而弱化了主流的滞止效应，有利于提高对喷注支板2前缘危险部分的保护。
[0026]上述实施例中，为了提高燃料注入量，还可以根据需要在喷注支板2上与现有技术相同开设0.5_左右的若干喷油孔(图中未示出)，然而由于本发明的多微孔结构的存在，喷注支板2将会非常明显地减轻现有技术存在的问题。
[0027]上述各实施例仅用于说明本发明，其中喷注支板的制作工艺、外形结构等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其包括以下内容: 1)用耐高温材料制作出多微孔结构的喷注支板，并将超燃发动机的燃料管与喷注支板连通； 2)利用燃料渗出多微孔结构喷注支板孔隙的过程，强制进行对流换热，带走喷注支板表面的热量； 3)利用燃料渗出在喷注支板表面形成薄膜层，阻隔主流对喷注支板的传热。
2.如权利要求1所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:所述喷注支板的空腔内设置有耐高温固体材料的支撑肋，且在每一被所述支撑肋分隔的空腔内分别连通一燃料管。
3.如权利要求2所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:所述支撑肋为设置在所述空腔中部的一个。
4.如权利要求2所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:所述支撑肋为间隔设置在所述空腔内的多个。
5.如权利要求1或2或3或4所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:所述喷注支板上开设有喷油孔。
6.如权利要求1或2或3或4所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:所述喷注支板的外部形状为与主流来流方向呈一倾斜角度的菱形。
7.如权利要求5所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:所述喷注支板的外部形状为与主流来流方向呈一倾斜角度的菱形。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:当采用金属粉末制作多孔喷注支板时，首先将微米量级的金属粉末与有机粘结剂均匀混练，经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粘结剂脱除，并经烧结致密化得到最终产品。
9.如权利要求5所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:当采用金属粉末制作多孔喷注支板时，首先将微米量级的金属粉末与有机粘结剂均匀混练，经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粘结剂脱除，并经烧结致密化得到最终产品。
10.如权利要求6所述的利用发汗冷却对超燃发动机燃料喷注支板的热防护方法，其特征在于:当采用金属粉末制作多孔喷注支板时，首先将微米量级的金属粉末与有机粘结剂均匀混练，经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粘结剂脱除，并经烧结致密化得到最终产品。
【文档编号】F23R3/28GK103672966SQ201310561911
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】姜培学, 熊宴斌, 祝银海, 黄拯 申请人:清华大学