一种基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机

本发明涉及超燃冲压发动机，具体是一种基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机及喷注方法。

背景技术：

1、现有技术中关于宽范围超燃冲压发动机固定几何燃烧室构型的报道非常少，尤其是缺乏兼顾高低马赫数高推力性能的燃料分布式喷注研究。论文《喷注方案对圆形超燃冲压发动机性能的影响研究》(推进技术，2022,43(6))中分析了不同喷注位置煤油当量比分布对双凹腔圆形发动机推力性能和壁面热流的影响，最终获得了热力性能较优的注油当量比分配方案。但论文中只是针对单一马赫数进行的研究，并没有提到针对宽范围来流条件工作，如何调整喷注喷注分配方案。西南交通大学2013年邓维鑫博士学位论文《宽范围马赫数超燃冲压发动机燃烧组织技术研究》中报道了针对飞行马赫数4、5.5、6.5开展的直连式试验，在上述状态下均实现了乙烯可靠点火与稳定燃烧。但他们的研究工作仅局限于满足点火和火焰稳定等基础的燃烧组织，并没有实现低马赫数大当量比工作加速，高马赫数巡航性能最优的推力性能。而在宽范围来流条件下工作，超燃冲压发动机不仅要保证各个飞行马赫数巡航点的性能最优，还要求在火焰前锋发生低频前传时，及时调整喷注方案以达到消除低频燃烧振荡目的。

技术实现思路

1、针对现有超燃冲压发动机燃烧室在宽范围来流条件下，无法有效调节燃烧释热区分布实现工况平稳转换并及时发现和抑制燃烧振荡的技术问题，本发明提供一种基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机及喷注方法，建立了基于壁面压力实时测量的燃烧模式判别反馈机制，采用了分布式燃料喷注方案及时改变喷油策略，在燃烧室中实现燃烧释热区分布的有效调控以及燃烧振荡现象的抑制。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机，包括隔离段、扩张段与凹腔段；

3、所述凹腔段包括若干间错相连的凹腔燃料喷注段与凹腔，且所述凹腔段的第一端为凹腔燃料喷注段，第二端为凹腔；

4、每一所述凹腔燃料喷注段上沿发动机轴向间隔设有至少两路喷注机构，用于负责其下游相邻凹腔的燃料喷注；

5、所述隔离段与所述凹腔段的第一端相连，所述扩张段与最所述凹腔段的第二端相连。

6、在其中一个实施例，每一所述凹腔的底壁上均设有第一压力传感器，以用于监测所述凹腔的壁压；

7、当凹腔i的壁压满足pti/p0≥x时，则判定凹腔i起到了组织燃烧作用，其中，x为第一阈值，p0为隔离段入口压力，pti为凹腔i的壁压，i＝1,2,···,n，n为凹腔的数量。

8、在其中一个实施例，当超燃冲压发动机处于化学恰当比状态时，所述第一阈值x＝3；

9、当超燃冲压发动机处于化学恰当比以外的当量比状态时，所述第一阈值其中，为超燃冲压发动机当前的实际当量比。

10、在其中一个实施例，每一所述凹腔燃料喷注段上沿发动机轴向间隔设有至少三个第二压力传感器，且每相邻两个所述第二压力传感器之间具有一所述喷注机构。

11、在其中一个实施例，当所述超燃冲压发动机具有至少一个凹腔进行了燃烧组织时，定义其中位于最上游的凹腔为凹腔j，其中，j＝1,2,···,n；

12、当监测到火焰前锋连续两次到达凹腔j上游相邻所述凹腔燃料喷注段上最上游的第二压力传感器处的时间间隔大于第二阈值，且火焰前锋的振幅大于凹腔j上游相邻所述凹腔燃料喷注段上最上游的第二压力传感器与凹腔j前缘之间的距离时，判定凹腔j内发生了频率低于50hz的低频大幅度燃烧振荡。

13、在其中一个实施例，所述凹腔段上凹腔的数量为两个，包括：

14、位于上游的为一级凹腔，用于来流马赫数5-6的冲压燃烧组织；

15、位于下游的为二级凹腔，用于来流马赫数3-5的冲压燃烧组织。

16、为实现上述目的，本发明还提供一种上述的宽范围超燃冲压发动机的喷注方法，其特征在于，当存在一凹腔j内发生了低频大幅度燃烧振荡时，进行如下操作：

17、步骤1，设凹腔j上游相邻所述凹腔燃料喷注段上沿发动机轴向间隔设有m路喷注机构i1、i2、···、im，且定义当前凹腔j上游相邻所述凹腔燃料喷注段上处于喷注状态且处于最上游位置的喷注机构为ix，x＝1,2,···,m，并令迭代参数k＝x；

18、步骤2，判断k<m是否成立：

19、若是则进行步骤3；

20、否则进行步骤5；

21、步骤3，在保持全局当量比不变的前提下，关闭喷注机构ik且增大喷注机构ik+1的喷注压力，利用在下游形成热壅塞强释热抑制燃烧振荡；

22、步骤4，判断是否连续t秒内不再监测到凹腔j内发生低频大幅度燃烧振荡：

23、若是，根据超燃冲压发动机的飞行状态恢复常态的喷注策略；

24、否则，令k＝k+1后，再次进行步骤2；

25、步骤5，在保持全局当量比不变的前提下，同时打开凹腔j上游相邻所述凹腔燃料喷注段上的所有喷注机构，直至连续t秒内不再监测到凹腔j内发生低频大幅度燃烧振荡后，根据超燃冲压发动机的飞行状态恢复常态的喷注策略。

26、与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

27、本发明采用分布式燃料喷注方案耦合现有双模态超燃冲压发动机型面设计准则，设计出了适用于宽范围来流条件的超声速燃烧室及其超燃冲压发动机。通过采用分布式燃料喷注调节策略有效调节燃烧释热区分布实现燃烧模态平稳过渡，基于燃烧室壁面压力数据分析并及时判别、抑制燃烧振荡，有效提高了宽范围超燃冲压发动机工作的鲁棒性。

技术特征：

1.一种基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机，其特征在于，包括隔离段、扩张段与凹腔段；

2.根据权利要求1所述的基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机，其特征在于，每一所述凹腔的底壁上均设有第一压力传感器，以用于监测所述凹腔的壁压；

3.根据权利要求2所述的基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机，其特征在于，当超燃冲压发动机处于化学恰当比状态时，所述第一阈值x＝3；

4.根据权利要求2或3所述的基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机，其特征在于，每一所述凹腔燃料喷注段上沿发动机轴向间隔设有至少三个第二压力传感器，且每相邻两个所述第二压力传感器之间具有一所述喷注机构。

5.根据权利要求4所述的基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机，其特征在于，当所述超燃冲压发动机具有至少一个凹腔进行了燃烧组织时，定义其中位于最上游的凹腔为凹腔j，其中，j＝1,2,···,n；

6.根据权利要求1或2或3所述的基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机，其特征在于，所述凹腔段上凹腔的数量为两个，包括：

7.一种权利要求1至6任一项所述的宽范围超燃冲压发动机的喷注方法，其特征在于，当存在一凹腔j内发生了低频大幅度燃烧振荡时，进行如下操作：

技术总结
本发明公开了一种基于燃料分布式喷注的宽范围超燃冲压发动机及喷注方法，该超燃冲压发动机包括隔离段、扩张段与若干凹腔段，各凹腔段依次相连；每一凹腔段包括位于上游的凹腔燃料喷注段与位于下游的凹腔，且凹腔燃料喷注段上沿发动机轴向间隔设有至少两路喷注机构；相邻两凹腔段之间，上游凹腔段的凹腔与下游凹腔段的凹腔燃料喷注段相连；隔离段与第一个凹腔段的凹腔燃料喷注段相连，扩张段与最后一个腔段的凹腔相连。本发明应用于超燃冲压发动机技术领域，通过采用分布式燃料喷注调节策略有效调节燃烧释热区分布实现燃烧模态平稳过渡，基于燃烧室壁面压力数据分析并及时判别、抑制燃烧振荡，有效提高了宽范围超燃冲压发动机工作的鲁棒性。

技术研发人员：孙明波,蔡尊,汪洪波,朱家健,杨揖心,王振国,李建斌
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15