一种主被动复合的交错离散槽缝结构碳氢燃料超声速气膜冷却环及冷却系统

本技术属于碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内热防护及结构设计，特别是涉及一种主被动复合的交错离散槽缝结构碳氢燃料超声速气膜冷却环及冷却系统。

背景技术：

1、随着传统飞行器飞行潜力逐渐开发完全，各国逐渐将目光投向高超声速飞行器的研究，其中高马赫数冲压发动机(ma>5)可作为高超声速飞行器的主要动力。虽然随着超燃冲压发动机技术的发展，能够短时间工作的高超声速导弹已陆续有型号投入使用，但与此相对的能够宽域长时间工作载人高超声速飞行器相关研究的成熟度则大大落后，这主要是由于单一的再生冷却方式已经不能满足发动机燃烧室的冷却需求。

2、再生/气膜复合冷却方案是提高冷却系统冷却能力的先进方案。在此方案中，储箱内的低温碳氢燃料首先进入发动机燃烧室壁面内加工出的冷却通道流动吸热，分担壁面热载荷的同时提高自身温度，从通道流出的燃料以气膜的形式紧贴壁面喷出隔绝高温主流，进一步降低壁面的热载荷。在上述过程中，能否在燃烧室壁面边界层内组织碳氢燃料气膜是再生/气膜复合冷却方案实现热防护目标的关键部分，另外碳氢燃料气膜的进口参数、喷注方式对气膜冷却效果影响很大，因此气膜冷却环带结构的设计质量对整个冷却系统的冷却能力影响很大。

3、由于目前得到广泛应用的碳氢燃料均为大分子碳氢燃料，其物性的特殊性导致其在冷却环带内收缩流道的加速流动不同于一般收缩喷管，另外冷却环带会受到燃烧室壁面的单侧加热，喷管内流动与环带结构可靠性会受此影响，目前尚未有相关冷却环带结构的设计，有必要结合实际发动机燃烧室构型对冷却环带结构进行详细设计，以实现能够宽域长时间工作的碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的设计制造。

技术实现思路

1、本实用新型目的是解决再生/气膜复合冷却方案中气膜的组织问题，提供了一种主被动复合的交错离散槽缝结构碳氢燃料超声速气膜冷却环及冷却系统。

2、本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型提出一种主被动复合的交错离散槽缝结构碳氢燃料超声速气膜冷却环，所述冷却环的内侧与发动机燃烧室壁面贴合，在贴合面采用复合材料结构，碳氢燃料1由再生冷却通道7流入冷却环驻室并利用加速喷管达到临界喷射，喷射槽缝在燃烧室周向交错离散全覆盖分布；冷却环保证自身热防护的同时实现超燃冲压燃烧室的高效再生/膜复合冷却。

3、本实用新型还提出一种主被动复合的交错离散槽缝结构碳氢燃料超声速气膜冷却系统，所述的冷却环应用于所述冷却系统；所述冷却系统包括碳氢燃料1、燃料泵2、燃料箱3、第一阀门4、低温燃料管路5、燃烧室壁面6、再生冷却通道7、高温燃料管路8、节流孔板9、第二阀门10和集液腔11；

4、所述碳氢燃料1经燃料泵2由燃料箱3泵出，其流量由第一阀门4控制，而后碳氢燃料1通过低温燃料管路5进入在燃烧室壁面6加工出的再生冷却通道7，在流动的过程中吸热升温，利用高温燃料管路8将碳氢燃料1由再生冷却通道7出口导出；再生冷却通道7中的压力高于燃料的临界压力，因此在高温燃料管路8之中加入一个可调控的节流孔板9；碳氢燃料1通过节流孔板9后压力降低，同时将节流孔板9前后的流动解耦，之后碳氢燃料1流经第二阀门10后进入冷却环中的集液腔11，碳氢燃料1在集液腔11中完成流量的再分配，保证每个气膜出口的燃料流量均匀分配；集液腔11后的结构为单侧收缩的加速喷管，加速喷管后连接一段等直段稳定流动。

5、进一步地，所述等直段的内侧壁面添加金属材料与非金属材料复合结构12。

6、进一步地，气膜的出口槽缝采用周向交错分布，即采用交错离散槽缝喷注方式，具体为：气膜出口前后交错分布在两个高度，并且在周向方向连续无间断分布。

7、进一步地，在靠后的气膜出口处设置延长壁面13。

8、本实用新型的有益效果为：

9、1.采用交错离散槽缝结构注入气膜，该结构能够在发动机壁面周向覆盖，满足气膜对于壁面的覆盖需求，相比二维槽缝结构其对发动机的结构强度影响更小，降低发动机的设计难度。

10、2.冷却环利用未喷出的气膜燃料对自身进行再生冷却，并且在与发动机贴合的壁面采用金属材料与耐高温非金属材料的复合结构，主被动复合冷却方式大大降低了冷却环的热防护压力，实现了冷却环与发动机结构的紧凑化。

11、3.冷却环内的驻室采用单侧收缩加速型面，碳氢燃料到达槽缝出口时为临界喷射并且具有很好的速度均匀性，气膜的可控性更高。

技术特征：

1.一种主被动复合的交错离散槽缝结构碳氢燃料超声速气膜冷却环，其特征在于：所述冷却环的内侧与发动机燃烧室壁面贴合，在贴合面采用复合材料结构，碳氢燃料(1)由再生冷却通道(7)流入冷却环驻室并利用加速喷管达到临界喷射，喷射槽缝在燃烧室周向交错离散全覆盖分布；冷却环保证自身热防护的同时实现超燃冲压燃烧室的高效再生/膜复合冷却。

2.一种主被动复合的交错离散槽缝结构碳氢燃料超声速气膜冷却系统，其特征在于：权利要求1所述的冷却环应用于所述冷却系统；所述冷却系统包括碳氢燃料(1)、燃料泵(2)、燃料箱(3)、第一阀门(4)、低温燃料管路(5)、燃烧室壁面(6)、再生冷却通道(7)、高温燃料管路(8)、节流孔板(9)、第二阀门(10)和集液腔(11)；

3.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述等直段的内侧壁面添加金属材料与非金属材料复合结构(12)。

4.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，气膜的出口槽缝采用周向交错分布，即采用交错离散槽缝喷注方式，具体为：气膜出口前后交错分布在两个高度，并且在周向方向连续无间断分布。

5.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于，在靠后的气膜出口处设置延长壁面(13)。

技术总结
本技术提出一种主被动复合的交错离散槽缝结构碳氢燃料超声速气膜冷却环及冷却系统。冷却环的内侧与发动机燃烧室壁面贴合，并且在贴合面采用复合材料结构满足自身的热防护需求，碳氢燃料由再生冷却通道流入冷却环中的驻室并利用加速喷管达到临界喷射，同时在此过程中为冷却环提供再生冷却。为弥补超声速气膜横向扩散效果的缺陷以及保证燃烧室的结构强度，提出了燃烧室周向全覆盖的交错离散槽缝气膜注入方式。该冷却环在保证自身热防护的同时实现了超燃冲压燃烧室的高效再生/膜复合冷却，在尽可能不影响发动机尺寸的前提下，有效提升超高速冲压发动机的性能。

技术研发人员：章思龙,左婧滢,韦健飞,王贺阳,李欣,周星宇,鲍文,韦宝禧,赵贵琛
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：20230406
技术公布日：2024/2/21