專利名稱：改進(jìn)的超燃燃燒室及其旋流器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超燃燃燒室，主要應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
目前，常見的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流道，如圖1所示，主要包括順序連接的進(jìn)氣道 1，、隔離段2，、燃燒室，和噴管4，。超燃燃燒室主要用于實(shí)現(xiàn)超音速氣流的油氣摻混均勻和燃燒充分，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ絹碓绞艿礁鱾€(gè)國家的重視和關(guān)注。然而，現(xiàn)有的超音速燃燒室，油氣摻混困難并且火焰很難穩(wěn)定，燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)和燃燒效率均較低，從而導(dǎo)致超燃燃燒室工作性能不理想。另外，當(dāng)氣流在超燃燃燒室內(nèi)燃燒之后，會(huì)產(chǎn)生較高的脈動(dòng)壓力，這個(gè)脈動(dòng)壓力通過燃燒室壁面的附面層和分離的亞聲速氣流不斷向上游傳播，因此為避免燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)對上游進(jìn)氣道帶來的影響，需要設(shè)計(jì)長度較長的隔離段，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量載荷增加， 而且還降低了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，同時(shí)超音速氣流在較長的隔離段中產(chǎn)生的摩擦損失很大，使得進(jìn)入燃燒室進(jìn)口時(shí)的總壓損失較大。因此，提高超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作性能，對發(fā)揮超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能
具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改進(jìn)的超燃燃燒室，其在燃燒室內(nèi)安裝旋流器，使得氣流進(jìn)入燃燒室后發(fā)生沿軸向的螺旋運(yùn)動(dòng)，使得螺旋氣流流經(jīng)旋流器的旋流生成下壁板之后，會(huì)與從旋流器內(nèi)置管燃料噴注口噴出的燃料發(fā)生剪切摻混，從而直接地提高了超燃燃燒室油氣摻混質(zhì)量和超燃燃燒效率，導(dǎo)致燃燒室在較短的長度情況下就能獲得較好的性能，此外，旋流器大部分位于燃燒室內(nèi)流道的中心主流區(qū)域，對燃燒室產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)具有一定的阻擋作用，減弱了壓力脈動(dòng)對上游發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的影響，因此可以進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段和燃燒室長度，減小發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案
一種改進(jìn)的超燃燃燒室，包括燃燒室，所述燃燒室內(nèi)安裝有導(dǎo)致氣流發(fā)生螺旋運(yùn)動(dòng)的旋流器；所述旋流器包括導(dǎo)致進(jìn)入燃燒室的氣流產(chǎn)生斜激波的旋流生成上壁板、導(dǎo)致進(jìn)入燃燒室的氣流產(chǎn)生膨脹波的旋流生成下壁板、后端面壁板以及側(cè)壁安裝面，所述側(cè)壁安裝面與燃燒室連接，所述旋流器的前緣面向燃燒室進(jìn)口設(shè)置，而后端面壁板則與燃燒室出口相對設(shè)置；所述旋流器內(nèi)開設(shè)有燃料輸送內(nèi)置管，該燃料輸送內(nèi)置管的進(jìn)口設(shè)置在側(cè)壁安裝面，而燃料輸送內(nèi)置管的噴注口則設(shè)置在后端面壁板。所述旋流器前緣的截面呈類三角形，而旋流器后緣的截面則呈類梯形。所述側(cè)壁安裝面的型線為螺旋型線，該螺旋型線的螺距長度為燃燒室長度的 20-70%，且螺旋型線的高度與螺距之比小于1。
所述旋流器的軸向長度L1為燃燒室軸向長度的20-60%，而旋流器沿徑向的寬度L2 為燃燒室進(jìn)口直徑的20-60%。所述旋流器前緣A位于5-10%的燃燒室軸向長度位置處。一種上述改進(jìn)的超燃燃燒室的旋流器設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟(1)側(cè)壁安裝面螺旋型線的設(shè)計(jì)——該螺旋型線的直徑為燃燒室的進(jìn)口直徑，螺距為燃燒室軸向長度的 20-70%，且螺旋型線的高度與螺距之比小于1 ； (2)確定旋流器尾點(diǎn)——以螺旋型線尾點(diǎn)作燃燒室的徑向截面，以獲取該徑向截面的中心點(diǎn)；以螺旋型線尾點(diǎn)為一端點(diǎn)，穿過徑向截面的中心點(diǎn)做一射線，旋流器尾點(diǎn)位于該射線上，旋流器尾點(diǎn)離螺旋型線尾點(diǎn)的距離即為旋流器沿徑向的寬度L2;旋流器沿徑向的寬度L2為燃燒室進(jìn)口直徑的20-60% ； (3)根據(jù)步驟 (1)設(shè)計(jì)出的螺旋型線以及步驟(2)確定的旋流器尾點(diǎn)，結(jié)合側(cè)壁安裝面厚度以及后端面壁板厚度，獲得旋流器坯形；(3)旋流器坯形后加工——對旋流器坯形的旋流生成上壁板和主流區(qū)側(cè)壁板做l/2(Tl/5的梯度，使得主流區(qū)側(cè)壁板呈斜面設(shè)置，同時(shí)該斜面的下型線與旋流生成下壁板處于同一平面，而斜面的上型線則與旋流生成上壁板處于同一平面，最后再對斜面倒圓角，使得旋流生成上壁板與旋流生成下壁板弧線連接。根據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)以下的有益效果
1、本發(fā)明所述的旋流器安裝在燃燒室進(jìn)口附近，使一部分超音速氣流流經(jīng)旋流生成上壁板表面處產(chǎn)生激波壓縮，一部分氣流流經(jīng)旋流生成下壁板表面處產(chǎn)生膨脹波膨脹，未流經(jīng)旋流器表面的氣流由于該裝置所產(chǎn)生的在徑向的壓力差，自動(dòng)形成了徑向的旋流現(xiàn)象。 在旋流器的后端面壁板位置之后，兩股不同壓力和速度的氣流(分別流經(jīng)旋流生成上壁板以及旋流生成下壁板的氣流)相遇產(chǎn)生劇烈的剪切運(yùn)動(dòng)，此時(shí)旋流器內(nèi)置管燃料噴注口噴注燃料使得油氣摻混均勻和燃燒充分，大大提高了超燃燃燒室的燃燒效率，在保證燃料效率的前提下，可以縮短燃燒室的長度，減輕燃燒室重量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。2、本發(fā)明所述的旋流器安裝于超燃燃燒室內(nèi)流道內(nèi)，當(dāng)燃燒室正常工作后，由于劇烈的燃燒反應(yīng)使內(nèi)部的流動(dòng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性，并向上游產(chǎn)生非定常的壓力脈動(dòng)。此時(shí)旋流器利用自身的固體邊界對壓力脈動(dòng)具有一定的阻礙作用，減弱了壓力脈動(dòng)對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的影響，因此，在保證超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提下，可以縮短隔離段的長度，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。3、本發(fā)明所述的旋流器所產(chǎn)生的旋流使得超音速氣流與燃料摻混均勻、燃燒充分，降低了出口截面處氣流參數(shù)的極值范圍，由此給噴管一個(gè)較為理想的進(jìn)口氣流條件，大大提高了噴管的工作性能，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)整體流場結(jié)構(gòu)。


圖1是現(xiàn)有的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中進(jìn)氣道1’隔離段2’燃燒室’噴管4’ 圖2是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖3是圖2中旋流器的立體結(jié)構(gòu)放大示意圖； 圖4是圖2繞0點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90°的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是圖4中旋流器的立體結(jié)構(gòu)放大示意其中圖1、圖2以及圖4的箭頭是指氣流方向；燃燒室1 ；燃燒室進(jìn)口 11 ；燃燒室出口12;旋流器2;后端面壁板21;燃料輸送內(nèi)置管的噴注口 22 ；側(cè)壁安裝面23 ；燃料輸送內(nèi)置管的進(jìn)口 M ；旋流生成下壁板25 ；旋流生成上壁板26。
具體實(shí)施例方式為了使公眾能充分了解本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)和有益效果，申請人將在下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
詳細(xì)描述，但申請人對實(shí)施例的描述不是對技術(shù)方案的限制，任何依據(jù)本發(fā)明構(gòu)思作形式而非實(shí)質(zhì)的變化都應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖2至5所示，本發(fā)明所述改進(jìn)的超燃燃燒室，包括燃燒室1，該燃燒室1內(nèi)流道的截面呈圓形或者橢圓形，所述燃燒室1的內(nèi)流道進(jìn)口附近安裝有導(dǎo)致氣流發(fā)生螺旋運(yùn)動(dòng)的旋流器2 ；所述旋流器2包括使進(jìn)入燃燒室1的氣流產(chǎn)生斜激波的旋流生成上壁板沈、使進(jìn)入燃燒室1的氣流產(chǎn)生膨脹波的旋流生成下壁板25、后端面壁板21以及側(cè)壁安裝面23， 側(cè)壁安裝面23為靠近燃燒室壁面的一側(cè)，其具有一定的厚度，在靠近主流流動(dòng)區(qū)一側(cè)為旋流生成上壁板沈和旋流生成下壁板25的交接線，無厚度，使得前緣和主流流道中心區(qū)為尖形楔面，即旋流器2前緣的截面呈類三角形，而后端面壁板21為截?cái)嗝?，則旋流器2后緣的截面則呈類梯形，本發(fā)明整體外形厚度均勻過渡，型面的曲率連續(xù)，沿俯視方向投影外形為一個(gè)類三角形形狀。所述側(cè)壁安裝面23與燃燒室連接，所述旋流器2的前緣面向燃燒室進(jìn)口 11設(shè)置，而后端面壁板21則與燃燒室出口 12相對設(shè)置；所述旋流器2內(nèi)開設(shè)有燃料輸送內(nèi)置管，該燃料輸送內(nèi)置管的進(jìn)口 M設(shè)置在側(cè)壁安裝面23，而燃料輸送內(nèi)置管的噴注口 22則設(shè)置在后端面壁板21。所述側(cè)壁安裝面23的型線為螺旋型線，該螺旋型線的螺距長度為燃燒室長度的20-70%，且螺旋型線的高度與螺距之比小于1。所述旋流器2的軸向長度L1為燃燒室軸向長度的20-60%，而旋流器2沿徑向的寬度L2為燃燒室進(jìn)口 11直徑的 20-60%。所述旋流器2前緣A位于5-10%的燃燒室軸向長度位置處。因此，本發(fā)明所述側(cè)壁安裝面23用于將本發(fā)明所述旋流器2安裝在燃燒室的內(nèi)流道，同時(shí)旋流器2的內(nèi)部內(nèi)置燃料輸送內(nèi)置管，以將飛行器上存儲(chǔ)的燃料供應(yīng)給燃料輸送內(nèi)置管的噴注口 22，所述燃料輸送內(nèi)置管的噴注口 22與飛機(jī)燃料控制系統(tǒng)相連接，根據(jù)飛行器工作狀況噴注恰當(dāng)?shù)娜剂?。本發(fā)明安裝于燃燒室進(jìn)口 11附近，前緣位于5%-10%的燃燒室軸向長度位置處。對于燃燒室進(jìn)口 11的氣流，一部分超音速氣流流經(jīng)旋流生成上壁板 26表面處產(chǎn)生激波壓縮，一部分氣流流經(jīng)旋流生成下壁板25表面處產(chǎn)生膨脹波膨脹，未流經(jīng)旋流生成上壁板沈和旋流生成下壁板25的氣流由于本發(fā)明裝置產(chǎn)生的徑向壓力差，自動(dòng)形成了徑向的旋流現(xiàn)象，使得流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠剌S向的螺旋流動(dòng)。在后端面壁板21后，上下兩側(cè)不同壓力和速度的氣流相遇產(chǎn)生劇烈的剪切運(yùn)動(dòng)，后端面壁板21的高度由燃燒室內(nèi)流動(dòng)的狀況和需要的燃油量共同設(shè)計(jì)決定。當(dāng)氣流摻混均勻后，燃料輸送內(nèi)置管的噴注口 22噴注燃料使得油氣摻混均勻、燃燒充分，大大提高了燃燒室的燃燒效率，在保證燃料效率的前提下，可以縮短燃燒室的長度。當(dāng)燃燒室正常工作后，會(huì)產(chǎn)生非定常的壓力脈動(dòng)。此時(shí)本發(fā)明利用自身的固體邊界對壓力脈動(dòng)具有一定的阻礙作用，減弱了壓力脈動(dòng)對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的影響，因此，在保證超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提下，可以縮短隔離段的長度。本發(fā)明產(chǎn)生的旋流使氣流摻混和燃燒充分均勻，降低了燃燒室出口 12截面處氣流參數(shù)的極值范圍，由此給噴管一個(gè)較為理想的進(jìn)口氣流條件，大大提高了噴管的工作性能，改善了整體流場結(jié)構(gòu)。
另外，本發(fā)明所述改進(jìn)的超燃燃燒室的旋流器設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟(1)側(cè)壁安裝面23螺旋型線的設(shè)計(jì)——該螺旋型線的直徑為燃燒室的進(jìn)口直徑，若燃燒室沿軸向具有當(dāng)量擴(kuò)張角，則螺旋線也相應(yīng)增加一定的拔模角度以與之配合，使螺旋線貼于燃燒室內(nèi)壁面，螺距為燃燒室軸向長度的20-70%，且螺旋型線的高度與螺距之比小于1 ； (2)確定旋流器尾點(diǎn)——以螺旋型線尾點(diǎn)作燃燒室的徑向截面，從而獲取該徑向截面的中心點(diǎn)，以螺旋型線尾點(diǎn)為一端點(diǎn)，穿過徑向截面的中心點(diǎn)做一射線，旋流器尾點(diǎn)即為該射線上，旋流器尾點(diǎn)離螺旋型線尾點(diǎn)的距離即為旋流器沿徑向的寬度L2 ； (3)根據(jù)步驟(1)設(shè)計(jì)出的螺旋型線以及步驟(2)確定的旋流器尾點(diǎn)，結(jié)合側(cè)壁安裝面23厚度以及后端面壁板21厚度，獲得旋流器坯形；(3)旋流器坯形后加工——對旋流器坯形的旋流生成上壁板沈和主流區(qū)側(cè)壁板做l/2(Tl/5的梯度，使得主流區(qū)側(cè)壁板呈斜面設(shè)置，同時(shí)該斜面的下型線與旋流生成下壁板25處于同一平面，而斜面的上型線則與旋流生成上壁板沈處于同一平面，最后再對斜面倒圓角，使得旋流生成上壁板沈與旋流生成下壁板25弧線連接。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的超燃燃燒室，包括燃燒室，其特征在于所述燃燒室內(nèi)安裝有導(dǎo)致氣流發(fā)生螺旋運(yùn)動(dòng)的旋流器；所述旋流器包括使進(jìn)入燃燒室的氣流產(chǎn)生斜激波的旋流生成上壁板、使進(jìn)入燃燒室的氣流產(chǎn)生膨脹波的旋流生成下壁板、后端面壁板以及側(cè)壁安裝面，所述側(cè)壁安裝面與燃燒室連接，所述旋流生成上壁板和旋流生成下壁板在流動(dòng)方向一側(cè)相交構(gòu)成旋流器的前緣交接線，所述旋流器的前緣交接線面向燃燒室進(jìn)口設(shè)置，而后端面壁板則與燃燒室出口相對設(shè)置；所述旋流器內(nèi)開設(shè)有燃料輸送內(nèi)置管，該燃料輸送內(nèi)置管的進(jìn)口設(shè)置在側(cè)壁安裝面，而燃料輸送內(nèi)置管的噴注口則設(shè)置在后端面壁板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述改進(jìn)的超燃燃燒室，其特征在于所述燃燒室內(nèi)流道的截面呈圓形或者橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述改進(jìn)的超燃燃燒室，其特征在于所述旋流器前緣的截面呈類三角形，而旋流器后緣的截面則呈類梯形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述改進(jìn)的超燃燃燒室，其特征在于所述側(cè)壁安裝面的型線為螺旋型線，該螺旋型線的螺距長度為燃燒室長度的20-70%，且螺旋型線的高度與螺距之比小于1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述改進(jìn)的超燃燃燒室，其特征在于所述旋流器的軸向長度 L1為燃燒室軸向長度的20-60%，而旋流器沿徑向的寬度L2為燃燒室進(jìn)口直徑的20-60%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述改進(jìn)的超燃燃燒室，其特征在于所述旋流器前緣A位于 5-10%的燃燒室軸向長度位置處。
7.—種權(quán)利要求1所述改進(jìn)的超燃燃燒室的旋流器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟(1)側(cè)壁安裝面螺旋型線的設(shè)計(jì)——該螺旋型線的直徑為燃燒室的進(jìn)口直徑，螺距為燃燒室軸向長度的20-70%，且螺旋型線的高度與螺距之比小于1 ;(2)確定旋流器尾點(diǎn)—— 以螺旋型線尾點(diǎn)作燃燒室的徑向截面，以獲取該徑向截面的中心點(diǎn)；以螺旋型線尾點(diǎn)為一端點(diǎn)，穿過徑向截面的中心點(diǎn)做一射線，旋流器尾點(diǎn)位于該射線上，旋流器尾點(diǎn)離螺旋型線尾點(diǎn)的距離即為旋流器沿徑向的寬度L2;旋流器沿徑向的寬度L2為燃燒室進(jìn)口直徑的 20-60% ； (3)根據(jù)步驟(1)設(shè)計(jì)出的螺旋型線以及步驟(2)確定的旋流器尾點(diǎn)，結(jié)合側(cè)壁安裝面厚度以及后端面壁板厚度，獲得旋流器坯形；(3)旋流器坯形后加工——對旋流器坯形的旋流生成上壁板和主流區(qū)側(cè)壁板做l/2(Tl/5的梯度，使得主流區(qū)側(cè)壁板呈斜面設(shè)置，同時(shí)該斜面的下型線與旋流生成下壁板處于同一平面，而斜面的上型線則與旋流生成上壁板處于同一平面，最后再對斜面倒圓角，使得旋流生成上壁板與旋流生成下壁板弧線連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述改進(jìn)的超燃燃燒室的旋流器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，進(jìn)行步驟 (1)中側(cè)壁安裝面螺旋型線的設(shè)計(jì)時(shí)，若燃燒室沿軸向具有當(dāng)量擴(kuò)張角，則相應(yīng)地增加螺旋型線的拔模角度，使螺旋型線貼于燃燒室內(nèi)壁面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的超燃燃燒室及其旋流器的設(shè)計(jì)方法，其在燃燒室內(nèi)安裝有導(dǎo)致氣流發(fā)生螺旋運(yùn)動(dòng)的旋流器；所述旋流器包括使進(jìn)入燃燒室的氣流產(chǎn)生斜激波的旋流生成上壁板、使進(jìn)入燃燒室的氣流產(chǎn)生膨脹波的旋流生成下壁板、后端面壁板以及側(cè)壁安裝面，所述側(cè)壁安裝面與燃燒室連接，所述旋流器的前緣面向燃燒室進(jìn)口設(shè)置，而后端面壁板則與燃燒室出口相對設(shè)置；所述旋流器內(nèi)部開設(shè)有燃料輸送內(nèi)置管，該燃料輸送內(nèi)置管的進(jìn)口設(shè)置在側(cè)壁安裝面，而燃料輸送內(nèi)置管的噴注口則設(shè)置在后端面壁板。因此，本發(fā)明可以提高超燃燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)燃料摻混效率及燃燒效率，從而縮短發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段和燃燒室長度，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和整體性能。
文檔編號(hào)F02K7/10GK102278232SQ201110138120
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者劉凱禮, 張堃元, 徐驚雷, 莫建偉, 顧瑞 申請人:南京航空航天大學(xué)