一种超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构的制作方法
【专利摘要】本发明公开的一种超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构，包括前置钝体，后置钝体，前置钝体和后置钝体之间形成的凹腔，以及流道补偿段；所述凹腔设置在主流中。流道补偿段位于前置钝体1和后置钝体2两侧。本发明的技术方案是在超燃冲压发动机燃烧室中构建凹腔，产生低速回流区，在低速回流区内供入燃油燃烧形成稳定的亚燃区，利用亚燃区点燃超音速流，实现超音速高效燃烧，避免因凹腔处的燃油和火焰不易向流道中心扩散，导致点不着超音速的主流的问题。本发明的点火机构可以实现中心和壁面的多点、分段喷油，合理控制超燃燃烧。
【专利说明】一种超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构
【技术领域】
[0001]本发明属于超燃冲压发动机【技术领域】，特别是一种超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构。
【背景技术】
[0002]由于超燃冲压发动机燃烧室中气流速度很快，大于音速，混气在燃烧室停留的时间只有几个毫秒。直接在超音流中引燃混气十分困难，超音速燃烧室中的点火与火焰稳定是超燃冲压发动机亟需解决的一个关键技术。为了解决超音速气流中的点火和火焰稳定问题，通常利用局部亚声速低速区形成点火源，依靠亚声速燃烧区加热并点燃超音流，因此需要在流场中构建一个低速回流区。在目前已有的超燃冲压发动机燃烧室中，在壁面设置凹腔或者再辅助支板是最常用的点火与火焰稳定方式。目前凹腔机构一般都是放在燃烧室壁面处，有利之处是凹腔内的流动稳定，容易实现点火，凹腔在外壁面处对主流影响小，流阻损失低。但对于流道面积大的超燃冲压发动机，壁面凹腔处的燃油和火焰不易向流道中心扩散，导致点不着超音速的主流。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的问题是在超燃冲压发动机燃烧室中构建凹腔，产生低速回流区，在低速回流区内供入燃油燃烧形成稳定的亚燃区，利用亚燃区点燃超音速流，实现超音速高效燃烧，避免因凹腔处的燃油和火焰不易向流道中心扩散，导致点不着超音速的主流的问题。
[0004]为了实现以上目的，本发明所采取的技术方案为:
本发明的一种超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构，包括前置钝体，后置钝体，前置钝体和后置钝体之间形成的凹腔；所述凹腔设置在流道中。凹腔内是亚音燃烧区，凹腔外是主流区。发动机工作时，首先点燃凹腔内的亚音燃烧区，再通过凹腔内的亚音燃烧区点燃外围主流区。凹腔的大小可以通过调节前后钝体的高度和两个钝体之间的距离来调节，从而调节了亚音燃烧区的大小，也就调节了对超音流的点火能量大小。凹腔的整个侧面都位于流道中，加大了亚燃区和超燃区的接触面积，对点燃超音主流有利。
[0005]作为上述技术方案的进一步改进，所述点火机构还包括流道补偿段，流道补偿段位于在前置钝体和后置钝体附近。为了减少对流道的影响，进行流道面积补偿，拓宽两侧壁面与钝体间流通面积，以补偿钝体阻塞的流通面积，使流通面积不会因点火机构的存在而减小。通过调节流场中补偿段的起始位置及长度，与钝体后的凹腔相匹配，可以调节钝体后的波系组织，从而调节亚音流和超音流的比例，控制亚燃区的大小，调节流道阻力损失。
[0006]作为上述技术方案的另一种改进，所述前置钝体为楔体或锥体，前置钝体的尖端背离凹腔，底部靠近凹腔。前置钝体在二元流道中为楔体，在轴对称流道中为锥体，用来减弱钝体对超音速流道面积的阻塞带来的影响。通过调节前钝体的楔面角度和楔面长度，还可以控制钝体前的斜激波强度，调整流场机构。
[0007]作为上述技术方案的另一种改进，所述后置钝体为楔体或锥体，后置钝体的尖端背离凹腔，底部靠近凹腔。后置钝体在二元流道中为楔体，在轴对称流道中为锥体，为前置钝体后的低速区提供支撑，调节后置钝体的位置和大小可以调整回流区的大小。后置钝体提供一个渐扩的通道面积，减弱流通面积突然膨胀对超音速流动的影响，调整中心点火机构后流场的浓度分布及促进下游火焰传播。在同一种结构下，不同马赫数时，回流区流量与主流流量的比例随着马赫数的增大而降低，具有流量自适应效果。
[0008]作为上述技术方案的另一种改进，所述流道补偿段位于前置钝体和后置钝体两侦U。流道补偿段壁面机构与前置钝体和后置钝体的斜面相匹配，流道补偿段与凹腔匹配，控制激波的反射，调节钝体截面积与补偿段流道面积之比，实现亚燃区和主燃区流量调节。
[0009]以上所述发动机燃烧室中心点火机构技术方案中，前置钝体和后置钝体有三个方面的作用:一是通过调节钝体的高度和前置钝体、后置钝体的间距，可以调节低速回流区的大小。二是通过调节前置钝体和/或后置钝体斜面机构参数，可以控制流道内激波系和膨胀系。结合前后钝体间距离调节，调整在不同来流马赫数下亚燃流量与超燃流量的比例，实现亚燃和超燃流量的比例调节。三是在两个钝体表面可以布置喷油方案，满足低速回流区燃烧要求的油气分布，也可配合流道壁面处喷油布置，满足主流区超音速燃烧要求的油气分布。
[0010]在二元流道中，钝体为楔形体，煤油从前后钝体的四个斜面喷入气流中；在轴对称流道中，钝体为锥体，煤油从前后钝体的两个锥面喷入气流中。从前置钝体喷出的燃油，在气动力作用下卷吸进入凹腔，凹腔内流速低，可以实现有效的点火与火焰稳定；从后置钝体喷射出的燃油主要用来扩散到凹腔后方进行燃烧。
[0011]有益效果:本发明提供的超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构与现有技术相比具有以下优点:
1、与现有的支板稳焰比较:相比于单一支板，本发明的两个钝体间的低速回流区更大，钝体放在主流中对流场波系的影响也比较大，激波系可调、可控；后钝体控制回流区大小，在来流状态参数对称的条件下，两个钝体间的凹腔产生两个对称的回流区，在来流状态参数非对称的条件下，产生一大一小两个回流区。而且由于后钝体的存在，原先单个支板后突扩的流道得到平缓的过度，流场的总压损失反而减小了。
[0012]2、与现有的壁面凹腔比:本发明是发动机燃烧室中心加热，热量利用率更高，壁面散热要求降低，超音速流与亚燃火焰面接触面积增大，接触时间长，点火条件好，火焰传播有利。
[0013]3、本发明的点火机构可以实现中心和壁面的多点、分段喷油，合理控制超燃燃烧(前钝体、后钝体、补偿段前后区域等都可布置喷油)。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构示意图；
图2是本发明应用的二元超燃冲压发动机整体机构示意图；
图3是软件模拟的燃烧室中心点火机构的凹腔内部流动的冷态平面流线图；
图4是软件模拟的燃烧室中心点火机构的凹腔内部流动的冷态平面马赫数等值线图； 图5是有无补偿段的点火机构对比示意图； 图6是有无补偿段的截面质量平均总压轴向分布对比图；
图7是凹腔不同长宽比L/H (即前、后钝体间距不同)时冷态截面质量平均总压的轴向分布图；
图8是凹腔不同长宽比L/H (即前、后钝体间距不同)时冷态截面质量平均马赫数的轴向分布图；
图9是凹腔不同高度(L/H相同)下的冷态截面质量平均总压轴向分布图；
图10是凹腔不同高度(L/H相同)下的冷态截面质量平均马赫数轴向分布图；
图11是钝体不同锥角α下的冷态截面质量平均总压轴向分布图；
图12是钝体不同锥角α下的冷态截面质量平均马赫数轴向分布图；
图13是支板与壁面凹腔结构示意图；
图14是本发明点火机构与支板凹腔结构的冷态轴向总压分布对比图。
[0015]图15是本发明点火机构与支板凹腔结构的冷态轴向马赫数分布对比图。
[0016]图16是本发明点火机构与支板凹腔结构的热态轴向总压分布对比图。
[0017]图17是本发明点火机构与支板凹腔结构的热态轴向总温分布对比图。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图，对本发明提出的一种超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构进行详细说明。
[0020]本实施例是本发明的点火机构在二元超燃冲压发动机中的应用。如图2所示，二元超燃冲压发动机包括依次连接的进气道5、喉道6和燃烧室7。如图1所示，本发明公开的一种超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构，包括前置钝体1，后置钝体2，前置钝体I和后置钝体2之间形成的凹腔3 ;所述凹腔3设置在流道中。通过在钝体与壁面之间焊接钢板，来固定前置钝体I和后置钝体2。
[0021 ] 所述点火机构还包括流道补偿段4，流道补偿段4位于前置钝体I和后置钝体2两侧；流道补偿段4壁面机构与前置钝体I和后置钝体2的斜面相匹配，流道补偿段4与凹腔3匹配。
[0022]所述前置钝体I为楔体(在二元结构)或锥体(在轴对称结构)，前置钝体I的尖端背离凹腔3，底部靠近凹腔3。所述后置钝体2也为楔体或锥体，后置钝体2的尖端背离凹腔3，底部靠近凹腔3。
[0023]对超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构进行模拟检测和对比:
1、使用商业计算流体力学软件fluent，对超燃冲压发动机燃烧室二元模型进行了数值模拟，使用K-w紊流模型和SIMPLE算法，各参数的离散均采用二阶迎风格式；发动机进口设为远场来流，进口 Ma=6，出口设为压力出口。如图3所示，检测数值结果显示在两个中心钝体的作用下，形成了一对回流区；从图4中可以看出，凹腔处主要区域气流速度在O至IMa范围内，为点火成功与稳定火焰创造了良好的低速流条件。
[0024]2、是否有补偿段的比较。
[0025]图5是否有补偿段4的两种结构对比示意图，对这两种结构在相同的工况下进行流场的数值模拟。分析比较了两者在总压损失方面的差异，结果如图6所示:显然，有补偿段的结构，流场损失更小；而没有补偿段时，流道的突然收缩和突然扩张都带来较大的总压损失。
[0026]3、不同凹腔长高比L/H下的比较。
[0027]在中心钝体锥角α =30度、高H=30mm不变的条件下，改变两个钝体间距L分别为50mm、70mm、100mm、120mm,分别进行了不同的L/H下冷态流场与燃烧工况的数值模拟。
[0028]结果显示如图7和图8所示，当钝体间距增大时，流场的损失也增大，总压损失相对增大，马赫数相对减小，且燃烧后的总温也开始降低。而间距太小，在燃烧的数值模拟结果中，回流区产生的火焰不足以点燃凹腔后方的燃气，燃烧室大部分超音流没有被点燃。合理地凹腔长宽比在2.5到3.5之间。
[0029]4、不同钝体高度(凹腔高度)H下的比较。
[0030]在锥角α =10度、L/H=2.5不变的条件下，改变钝体高度分别为20mm和30mm，分别进行了冷态流场与燃烧的数值模拟。
[0031]冷态流场的分析结果如图9和图10所示:随着钝体高度的增加，流场的总压损失增大，马赫数减小。但并不是钝体高度越小越好，在模拟燃烧的流场时，钝体高度太小，产生的回流区太窄，不利于点燃凹腔外部主流燃气。但钝体高度太大，总压损失也随之增大，而且为了进行流道补偿，发动机此处的高度大大增加。
5、不同钝体锥角α下的比较。
[0032]保持钝体高度Η=30、凹腔的长宽比L/H=2.5不变的条件下，改变钝体锥角α，分别进行了冷态流场与燃烧的数值模拟。
冷态流场的结果分析如图11和图12所示:钝体锥角越小，对流场的扰动越小，但是太平缓的过渡导致回流区与主流的质量交换减小(10度锥角下质量交换的流量占主流比例为1%，而30度锥角下则能达到5%)，不利于引燃超音流混气；但是锥体角度太大，对流场来说，增加了总压损失，并且在高速来流下，流动的稳定性受到较大影响，主流近壁面处出现较多的回流区，分离涡。
[0033]20度的锥角即避免了对流场带来太大的损失，在凹腔大小合适的条件下也能引燃超音主流混气。
[0034]6、本发明点火机构(即中心钝体结构)与支板凹腔结构的比较。
[0035]支板凹腔结构示意图如图13所示，它包括一个在主流中的支板和一个壁面凹腔。为了比较，在中心钝体结构中，选取比较合适的尺寸:α =20度、H=30mm、L=75mm。在支板凹腔结构中，凹腔大小选择与中心钝体结构中凹腔大小一致，支板大小为钝体的1/2。
[0036]在冷态流场中，如图14和图15所示:该尺寸下的中心钝体结构与支板凹腔结构的总压损失和马赫数分布都非常相似。
[0037]在热态燃烧模拟这结果如图16所示:两者轴向总压分布相差不大。但是如图17所示，在总温轴向分布上，中心点火结构的总温明显高于支板与壁面凹腔结合的结构。静压也是如此。
【权利要求】
1.一种超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构，其特征在于:包括前置钝体(1),后置钝体(2),前置钝体(1)和后置钝体(2)之间形成的凹腔(3)；所述凹腔(3)设置在流道中。
2.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构，其特征在于:所述点火机构还包括流道补偿段(4),流道补偿段(4 )位于在前置钝体(1)和后置钝体(2 )附近。
3.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构，其特征在于:所述前置钝体(1)为楔体或锥体，前置钝体(1)的尖端背离凹腔(3),底部靠近凹腔0。
4.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构，其特征在于:所述后置钝体(2)为楔体或锥体，后置钝体(2)的尖端背离凹腔(3),底部靠近凹腔0。
5.根据权利要求2所述的超燃冲压发动机燃烧室中心点火机构，其特征在于:所述流道补偿段(4)位于前置钝体(1)和后置钝体(2)两侧；流道补偿段(4)壁面机构与前置钝体(1)和后置钝体(2)的斜面相匹配，流道补偿段(4)与凹腔(3)匹配。
【文档编号】F23R3/42GK104359125SQ201410595815
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】冯健, 范育新, 王卫星, 吉洪湖 申请人:南京航空航天大学