超声速燃烧室壁面凹腔结构及包含其的发动机燃烧室

摘要

本发明提供了一种超声速燃烧室壁面凹腔结构及包含其的发动机燃烧室。该超声速燃烧室壁面凹腔结构包括安装座（10），安装座（10）内设置有燃烧室壁面凹腔（40），燃烧室壁面凹腔（40）的位于空气进入侧的上游设置有导流孔（22），导流孔（22）的下游对应设置有凹腔上游燃料喷孔（21），凹腔上游燃料喷孔（21）靠近导流孔（22），凹腔上游燃料喷孔（21）下游设置有与导流孔（22）相连通的导流孔出口（27），导流孔出口（27）连通至凹腔上游燃料喷孔（21）。根据本发明的超声速燃烧室壁面凹腔结构，结构简单，能够在点火前促进凹腔内燃料点火，点火后增强燃料射流燃烧。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机点火技术领域，具体而言，涉及一种超声速燃烧室壁面凹腔结构及包 含其的发动机燃烧室。

背景技术

凹腔火焰稳定器目前广泛应用于超燃冲压发动机燃烧室中。超声速气流流过凹腔会在凹 腔内形成回流区，能够使火焰始终驻留在其中，并作为新的火源持续点燃上游来的燃料，从 而实现火焰稳定。凹腔在超声速燃烧室中可集燃料喷注、混合增强及火焰稳定作用于一身， 在提高超燃冲压发动机性能方面发挥了重要的作用。

目前工程中常见的燃料喷注/点火/火焰稳定/冷却一体化凹腔，它包含了燃料喷注、点火、 火焰稳定一体化，以凹腔作为基本构型，在凹腔上游或/与底部喷注燃料，火炬/等离子体点火 器也装在凹底部。

专利《一种用于超声速燃烧室的壁面凹槽》（公开号CN101245921）公开了一种用于超声 速燃烧室的壁面凹槽，包括两个前侧壁、两个后侧壁以及底壁，后侧壁和前侧壁的表面面积 均向下游方向逐渐收缩，形成类似“燕尾”型的凹槽，这个发明主要是降低壁面凹槽产生的 气动阻力。

专利《一种台阶\凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案》（公开号CN101435586）公开了 一种新型台阶\凹腔复合喷射结构的超声速燃烧室方案，主要是在燃烧室台阶及燃烧室凹腔前 增加燃料喷嘴，共同用于燃烧室内的燃料喷射和使用，这个发明主要是用于促进燃料和空气 的充分混合，保证在超声速气流的燃料的点火以及稳定燃烧。

论文《Flame Characteristics and Fuel Entrainment Inside a Cavity Flame Holder in a Scramiet  Combustor》列出了如下采用气动喉部壅塞和火花塞共同作用点火的方案。这种方案采用凹腔 内部布置火花塞和凹腔内喷射H2作为引导火焰，并且在凹腔下游布置气动喉道造成壅塞分离 促进点火的方案。

论文《Experimental Study of Cavity-Strut Combustionin Supersonic Flow》提出了一种与支 板组合使用的凹腔，支板用于加强燃料向中心主流区的喷射，凹腔后壁采用空气与燃料的同 时喷射用于加强凹腔内的点火和燃烧，火花塞设置在凹腔的底壁中间。

可以看出，目前的凹腔设计已经具有大量的结构形式，对应的燃料喷射也有多种方案， 通常来讲，合适的凹腔设计可以在空间上形成适当的回流区，与燃料喷注配合，从而稳定住 火焰。同时，由于凹腔内部的高温低速环境，点火一般设置在凹腔内部。目前增强点火的方 案采用的通常有两种，一是直接在凹腔内部喷入燃料或者在喷入燃料的同时补喷入空气，使 得存在连续的混合气；二是在下游设置气动壅塞，用于扩大分离区，使得点火过程的火焰能 够扩散到更大的区域。对于增强燃烧通常的方案通常设置支板等类型的扰流装置设法提高壁 面燃料喷射的穿透度，同时保证将燃料均匀分布喷射入主流中心。

但是采用上述的设计方法，会存在以下缺点：

1.超声速来流条件下凹腔质量交换率低，在凹腔回流区外部的燃料喷射，容易形成回流区 的贫燃，在凹腔回流区内的喷射容易形成回流区的富燃，对于点火都不利；

2.采用增强点火的方案（例如在凹腔内部补喷空气、下游设置气动喉道壅塞）需要增加额 外高压气源；

3.采用提高燃料喷射穿透度从而增强燃烧的方案需要设置支板等部件，这些部件会产生较 大的阻力，并给热防护造成很大的困难。

发明内容

本发明旨在提供一种超声速燃烧室壁面凹腔结构及包含其的发动机燃烧室，结构简单， 能够在点火前促进凹腔内燃料点火，点火后增强燃料射流燃烧。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超声速燃烧室壁面凹腔结构， 包括安装座，安装座内设置有燃烧室壁面凹腔，燃烧室壁面凹腔的位于空气进入侧的上游设 置有导流孔，导流孔的下游对应设置有凹腔上游燃料喷孔，凹腔上游燃料喷孔靠近导流孔， 凹腔上游燃料喷孔下游设置有与导流孔相连通的导流孔出口，导流孔出口连通至凹腔上游燃 料喷孔。

进一步地，燃烧室壁面凹腔的空气进入侧设置有凹腔前缘台阶，凹腔前缘台阶上包括有 多个竖向设置的凹腔上游燃料喷孔和导流孔，多个凹腔上游燃料喷孔沿第一纵向面间隔设置， 多个导流孔沿平行于第一纵向面的第二纵向面间隔设置，各凹腔上游燃料喷孔均连接至燃料 进口，导流孔与凹腔上游燃料喷孔在凹腔前缘台阶内不相连通。

进一步地，燃烧室壁面凹腔上还包括沿位于燃烧室壁面凹腔内的第三纵向面竖向间隔设 置的多个凹腔底壁燃料喷孔，第三纵向面平行于第一纵向面，多个凹腔底壁燃料喷孔的底部 均连接至燃料进口。

进一步地，导流孔出口沿水平方向设置，且导流孔出口与凹腔底壁燃料喷孔一一对应正 交相对。

进一步地，相对应的凹腔上游燃料喷孔、导流孔、导流孔出口和凹腔底壁燃料喷孔的轴 线位于垂直于第一纵向平面的同一纵向平面上。

进一步地，导流孔与导流孔出口的轴线相垂直。

进一步地，凹腔前缘台阶内还设置有将各凹腔上游燃料喷孔相连通的第一横向连接通道 和将第一横向连接通道与燃料进口相连通的第一纵向连接通道。

进一步地，第一横向连接通道靠近凹腔前缘台阶的顶壁设置。

进一步地，燃烧室壁面凹腔上还包括将多个凹腔底壁燃料喷孔相连通的第二横向连接通 道和将第二横向连接通道与燃料进口相连通的第二纵向连接通道。

进一步地，导流孔出口靠近凹腔底壁设置，凹腔底壁燃料喷孔靠近凹腔前缘台阶的内侧 纵向台阶面设置。

进一步地，凹腔前缘台阶上还包括有将多个导流孔相连通的第三横向连接通道。

根据本发明的另一方面，提供了一种发动机燃烧室，包括隔离段和设置在隔离段上的超 声速燃烧室壁面凹腔结构，该超声速燃烧室壁面凹腔结构为上述的超声速燃烧室壁面凹腔结 构。

应用本发明的技术方案，超声速燃烧室壁面凹腔结构，包括安装座，安装座内设置有燃 烧室壁面凹腔，燃烧室壁面凹腔的位于空气进入侧的上游设置有导流孔，导流孔的下游对应 设置有凹腔上游燃料喷孔，凹腔上游燃料喷孔靠近导流孔，凹腔上游燃料喷孔下游设置有与 导流孔相连通的导流孔出口，导流孔出口连通至凹腔上游燃料喷孔。在燃烧室成功点火之后， 待燃料喷孔射流燃烧区建立并且稳定后，燃烧室壁面凹腔内部由于燃烧释热作用形成高压区， 同时燃烧的高压区前形成激波串，导流孔处的静压远小于凹腔内部滞止压力，凹腔内的燃气 通过导流孔出口经导流孔反流并从导流孔喷射，起到对凹腔上游燃料喷孔喷射的燃料预热、 以及提高射流穿透度、增强混合、促进燃烧的作用，能够进一步增强凹腔上游燃料喷孔喷射 燃料的燃烧效率和火焰稳定能力。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的超声速燃烧室壁面凹腔结构的立体结构示意图；

图2示出了根据图1的实施例的超声速燃烧室壁面凹腔结构在导流孔处的剖视结构示意 图；

图3示出了根据图1的实施例的超声速燃烧室壁面凹腔结构在第一纵向连接通道处的剖 视结构示意图；

图4示出了根据图1的实施例的超声速燃烧室壁面凹腔结构在第二纵向连接通道处的剖 视结构示意图；

图5示出了本发明的超声速燃烧室壁面凹腔结构安装在超燃冲压发动机燃烧室上的立体 结构示意图；以及

图6为图5中的安装超声速燃烧室壁面凹腔结构的超燃冲压发动机燃烧室的剖视结构示 意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下， 本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实施例中，以空气在燃烧室内的流动方向为参考方向，空气的流入方向为上游，流 出方向为下游。以凹腔底壁所在平面为水平面，垂直于该水平面的平面为纵向面。

如图1至图4所示，根据本发明的实施例，超声速燃烧室壁面凹腔结构包括安装座10， 安装座10内设置有燃烧室壁面凹腔40，燃烧室壁面凹腔40的位于空气进入侧的上游设置有 导流孔22，导流孔22的下游对应设置有凹腔上游燃料喷孔21，凹腔上游燃料喷孔21靠近导 流孔22，凹腔上游燃料喷孔21下游设置有与导流孔22相连通的导流孔出口27，导流孔出口 27连通至凹腔上游燃料喷孔21。

在燃烧室壁面凹腔40的空气进入侧设置有凹腔前缘台阶20，凹腔前缘台阶20上包括有 多个竖向设置的凹腔上游燃料喷孔21和导流孔22，多个凹腔上游燃料喷孔21沿第一纵向面 间隔设置，多个导流孔22沿平行于第一纵向面的第二纵向面间隔设置，各凹腔上游燃料喷孔 21均连接至燃料进口，导流孔22与凹腔上游燃料喷孔21在凹腔前缘台阶20内不相连通。

燃烧室壁面凹腔40内还设置有凹腔后缘台阶30，凹腔前缘台阶20和凹腔后缘台阶30位 于安装座10的两个相对侧。燃烧室壁面凹腔40的凹腔底壁上设置有火花塞孔41，凹腔前缘 台阶20位于燃烧室壁面凹腔40的空气进入侧，凹腔前缘台阶20上包括有多个竖向设置的凹 腔上游燃料喷孔21和导流孔22，多个凹腔上游燃料喷孔21沿第一纵向面间隔设置，多个导 流孔22沿位于第一纵向面上游且平行于第一纵向面的第二纵向面间隔设置，各凹腔上游燃料 喷孔21均连接至燃料进口，各导流孔22通过导流孔出口27连通至燃烧室壁面凹腔40，各导 流孔22与凹腔上游燃料喷孔21在凹腔前缘台阶20内不相连通。优选地，导流孔22与导流 孔出口27的轴线相垂直。在安装座的四周伸出有凸缘，在四周的凸缘上均设置有多个螺纹孔， 便于将安装座连接在隔离段50上。

利用燃料喷孔喷射燃料形成的迎风面高压，将凹腔上游燃料喷孔前的空气通过导流孔流 经导流孔出口挤压进入凹腔前缘底部，使得点火前有空气通过导流孔和导流孔出口进入凹腔 形成连续新鲜混气从而增强点火。在燃烧室成功点火之后，待燃料喷孔射流燃烧区建立并且 稳定后，凹腔内部由于燃烧释热作用形成高压区，同时燃烧的高压区前形成激波串，导流孔 处的静压远小于凹腔内部滞止压力，凹腔内的燃气通过导流孔出口经导流孔反流并从导流孔 喷射，起到对凹腔上游燃料喷孔喷射的燃料预热、以及提高射流穿透度、增强混合、促进燃 烧的作用，能够进一步增强凹腔上游燃料喷孔喷射燃料的燃烧效率和火焰稳定能力。

燃烧室壁面凹腔40上还包括沿位于燃烧室壁面凹腔40内的第三纵向面竖向间隔设置的 多个凹腔底壁燃料喷孔42，第三纵向面平行于第一纵向面，多个凹腔底壁燃料喷孔42的底部 均连接至燃料进口，火花塞孔41布置在凹腔底壁燃料喷孔42的下游。导流孔出口27沿水平 方向设置，且导流孔出口27与凹腔底壁燃料喷孔42一一对应正交相对。优选地，相对应的 凹腔上游燃料喷孔21、导流孔22、导流孔出口27和凹腔底壁燃料喷孔42的轴线位于垂直于 第一纵向平面的同一纵向平面上，该纵向平面沿空气的流动方向延伸。凹腔上游燃料喷孔21 与导流孔22位于该沿空气的流动方向延伸的纵向平面上的设置方式，使得在点火前凹腔上游 燃料喷孔21前的空气能够更好地被迎风面高压从导流孔22压入凹腔内，从而获得更好的空 气压入效果，形成连续的新鲜混气，增强点火性能。导流孔出口27和凹腔底壁燃料喷孔42 的出口正交相对，且位于该沿空气的流动方向延伸的纵向平面上的设置方式，使得从导流孔 出口27流出的新鲜空气和从凹腔底壁燃料喷孔42流出的燃料能够具有更好的碰撞混合效果， 增强空气与燃料混合效率，增强点火性能。

凹腔前缘台阶20内还可以设置将各凹腔上游燃料喷孔21相连通的第一横向连接通道23 和将第一横向连接通道23与燃料进口相连通的第一纵向连接通道24。优选地，第一横向连接 通道23靠近凹腔前缘台阶20的顶壁设置。燃烧室壁面凹腔40上可以设置将多个凹腔底壁燃 料喷孔42相连通的第二横向连接通道43和将第二横向连接通道43与燃料进口相连通的第二 纵向连接通道44。优选地，导流孔出口27靠近凹腔底壁设置，凹腔底壁燃料喷孔42靠近凹 腔前缘台阶20的内侧纵向台阶面25设置。凹腔前缘台阶20上还包括有将多个导流孔22相 连通的第三横向连接通道26。

通过多个横向连接通道分别将多个竖向设置的凹腔上游燃料喷孔21、导流孔22和凹腔底 壁燃料喷孔42连接在一起，可以使得在空气和燃料流动的过程中，各个凹腔上游燃料喷孔21、 导流孔22和凹腔底壁燃料喷孔42内的空气和燃料混合均匀，且各凹腔上游燃料喷孔21、导 流孔22和凹腔底壁燃料喷孔42的流动更加均匀，获得更加稳定的混气供应和点火燃烧效果。

如图5和图6所示，根据本发明的实施例，发动机燃烧室包括隔离段50和设置在隔离段 50上的超声速燃烧室壁面凹腔结构，该超声速燃烧室壁面凹腔结构为上述的超声速燃烧室壁 面凹腔结构。

根据本发明的超声速燃烧室壁面凹腔结构，在实施点火之前，凹腔上游燃料喷孔21和凹 腔底壁燃料喷孔42均开启喷注，利用凹腔上游燃料喷孔21喷射燃料形成的迎风面高压，将 凹腔上游燃料喷孔21前的空气通过导流孔22流经导流孔出口27后挤压进入凹腔前缘底部， 与凹腔底壁燃料喷孔42喷射的燃料碰撞、混合并形成一定配比，起到连续新鲜混气生成作用， 使得点火前有空气通过导流孔22和导流孔出口27进入燃烧室壁面凹腔40形成连续新鲜混气 从而增强点火。

在燃烧室成功点火之后，待凹腔上游燃料喷孔21射流燃烧区建立并且稳定后，关闭凹腔 底壁燃料喷孔42的喷注。凹腔内部由于燃烧释热作用形成高压区，同时燃烧的高压区前形成 激波串，导流孔22处的静压远小于凹腔内部滞止压力，凹腔内的燃气通过导流孔出口27流 经导流孔反流并从导流孔22喷射，起到对位于导流孔3下游的凹腔上游燃料喷孔21喷射的 燃料预热、以及提高射流穿透度、增强混合、促进燃烧的作用，能够进一步凹腔上游燃料喷 孔21喷射燃料的燃烧效率和火焰稳定能力。

下面给出采用本发明的超声速燃烧室壁面凹腔结构点火增强性能的定量估算。

根据文献《超声速燃烧火焰稳定凹腔质量交换特性的数值研究》以及《超声速燃烧凹腔 质量交换特性的混合RANS/LES模拟》的结果，凹腔的驻留时间在冷流以及反应流中均在2ms 左右，凹腔的质量交换率，或者说空气的进入流率由凹腔的气体容量和驻留时间相除得到。 针对本发明的一个示例，取燃烧室的凹腔的尺寸为：长(L)140mm*宽(W)230mm*深(D)20mm， 燃烧室凹腔的容积为：L*W*D=0.000644m³。此时取数值模拟的计算结果，在Ma4条件下（燃 烧室入口取Ma=1.92，静温T＝500K，总温T₀=868K），计算得到凹腔内的空气密度为0.5kg/m³ （凹腔内的密度分布不均，这是取平均的结果）。

那么该条件下凹腔内的空气质量为0.000644m³*0.5kg/m³=0.000322kg，那么空气进入凹腔 的流率为：根据文献结果，进入凹腔的空气主要是集中于凹 腔剪切层的下游，由于凹腔前缘回流区的流速非常低，即便是进入凹腔的空气也很难完成与 凹腔前缘流区的交换。根据前缘流区的流速分布5m/s量级，后缘回流区流速在150m/s量级， 凹腔前缘的空气流率小于0.161kg/s*0.1=0.0161kg/s。

采用Φ2mm单孔压缩可以将如下流量的空气压缩进入凹腔底壁。取导流孔的流量系数 C_d=0.9（可以通过导流孔的设计进一步提高），喷注射流前回流区的近似压力喷注的压力P₀取1.0Mpa，喷注射流前的回流区T₀＝868K，单孔面积A₀=π(D/2)²=3.1416e-006，那么

$\stackrel{·}{m}=C_d\kappa \frac{P_0}{\sqrt{T_0}}{A}_0=0.00776\mathrm{kg}/s$

其中为空气流量，κ为等熵特征系数，对于空气κ=0.04042。

则采用10个孔压缩，可获得0.0776kg/s的空气流量，采用20个孔压缩，可以获得0.1551kg/s 的空气流量，如果通过设计采用30个孔压缩，则可以获得0.2326kg/s，因此完全可以取得引 入空气的效果。

从文献《超声速燃烧火焰稳定凹腔质量交换特性的数值研究》可以看出，在靠近凹腔前 缘的地方形成比较稳定的、低速的回流区（因为前缘回流区的这个特点，通常选择在此处实 施点火），回流区的尺寸小，对于凹腔内部的整体输运而言，凹腔前缘的输运相对要慢得多， 利用凹腔前缘点火，面临着容易富燃的情况，通过导流孔补入一部分空气，对于点火必然有 比较显著的改善作用。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：利用燃料喷射 自身的高压促进点火，无须携带氧化剂高压气源装置；利用燃烧区自身的高压促进燃料喷射 燃烧过程，无须设置支板等部件；采用导流孔与凹腔底壁连通，形成在点火前促进点火与点 火成功后增强燃料射流燃烧的方案，这种方案具有结构简单、自适应的特点，易于推广。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。