一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的设计方法

摘要

一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的设计方法，涉及超燃冲压发动机。先据所需燃料总流量确定圆形燃料喷嘴的直径和个数，并对仅带有单个圆形燃料喷嘴的算例进行数值计算，获得燃料的扩散直径以及壁面边界层发展规律；接着确定半球体涡流发生器的直径和位置；之后确定圆形燃料喷嘴的位置；确定相邻两个半球体涡流发生器的中心距；确定膨胀段的转折角、长度、位置；最后采用等熵压缩段过渡连接膨胀段和超燃燃烧室上壁面，进而完成整个超燃燃烧室喷射系统构造的设计。提高超燃燃烧室的工作效率，缩短超燃燃烧室的尺寸，减轻超燃燃烧室的重量，增加发动机推力，有利于燃料组织稳定燃烧。总压损失小，热负荷小，降低超燃燃烧室内结构热防护的难度。

说明书

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机，尤其是涉及一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的设计 方法。

背景技术

超燃冲压发动机是实现高超声速飞行的首选动力系统，具有比冲性能高、结构简单、质 量轻且速度快等优点，被广泛用于空天飞机、高超声速飞机以及高超音速巡航导弹等领域。

在超燃冲压发动机涉及的问题中，如何实现燃料高效喷射、掺混并组织稳定点火燃烧是 关键问题之一。由于超声速主流在超燃冲压发动机通道内驻留的时间通常仅为几毫秒，在这 么短的时间和空间内，燃烧室中的空气和燃料很难进行高效掺混并稳定燃烧。因此，燃料的 喷射和掺混效率直接决定着超燃燃烧室的工作效率，并对超燃冲压发动机的尺寸、结构和热 负荷设计有重要意义。

目前，超燃燃烧室中的燃料喷射布局主要分为以下两种：一是壁面喷射布局，其特点是 燃料从燃烧室壁面垂直或倾斜喷注，掺混效率高且火焰稳定，但造成的总压损失大；另一种 是插入式喷射布局，即燃料喷射器安装在燃烧室通道的中心，将燃料平行喷入到空气中，使 发动机直接利用燃料喷射动量作为推力，增加燃烧室的推力，其总压损失较小但是掺混效果 不太理想，且插入式结构易受到热侵蚀。为此，设计一种掺混效率较好同时兼具较高的总压 恢复性能，且结构简单、热防护难度低的燃料喷射装置对超燃冲压发动机性能的进一步提升 具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种提升超燃燃烧室内燃料喷射 和掺混的设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)根据所需燃料总流量确定圆形燃料喷嘴的直径和个数，并对仅带有单个圆形燃料喷嘴 的算例进行数值计算，获得燃料的扩散直径以及壁面边界层发展规律；

2)确定半球体涡流发生器的直径以及位置，确保半球体涡流发生器的直径等于燃料最大 扩散直径，以保证其产生的涡系结构能够覆盖整个燃料与空气的掺混区域，同时依据步骤1) 获得的壁面边界层厚度发展规律，将半球体涡流发生器安置于壁面边界层厚度为0.3～0.5倍 的半球体涡流发生器直径的壁面处，由此确定半球体涡流发生器在燃烧室壁面上的位置，并 对仅带有单个半球体涡流发生器的算例进行数值计算，获得半球体涡流发生器涡系结构的发 展规律；

3)确定圆形燃料喷嘴与半球体涡流发生器之间的中心距；

4)确定相邻两个半球体涡流发生器的中心距；

5)确定膨胀段的转折角、长度和距燃烧室入口的位置；根据燃烧室来流马赫数和圆形燃 料喷嘴的位置，通过调整膨胀段转折角、长度以及转折起点与超燃燃烧室入口的距离，确保 由其产生的膨胀激波扇面能够尽量覆盖整个燃料与空气掺混区域；

6)采用等熵压缩段过渡连接膨胀段和超燃燃烧室上壁面，进而完成整个超燃燃烧室喷射 系统构造的设计，所设计的超燃燃烧室喷射系统构造提升了超燃燃烧室内燃料喷射和掺混。

在步骤3)中，所述确定圆形燃料喷嘴与半球体涡流发生器之间的中心距的具体方法可 为：根据步骤1)获得的圆形燃料喷嘴燃料扩散直径和步骤2)得到的半球体涡流发生器涡系 结构的发展规律，确保圆形燃料喷嘴出口处的燃料扩散直径与半球体涡流发生器在该位置的 涡结构直径相同，由此确定圆形燃料喷嘴与半球体涡流发生器之间的距离；

在步骤4)中，为了确保相邻两个半球体涡流发生器产生的涡系结构之间不发生相互干 涉，相邻两个半球体涡流发生器的中心距应取2～2.2倍半球体涡流发生器直径。

本发明的主要原理为：通过改变常规矩形超燃燃烧室上壁面的部分形面，在燃烧室内引 入一系列膨胀波波面，利用膨胀波削弱喷流弓形激波的强度同时迫使燃料由壁面朝燃烧室中 心汇聚，降低超燃燃烧室总压损失且提高燃料掺混效率；同时在圆形燃料喷嘴前设置一个或 多个平行的半球体涡流发生器结构，利用半球体涡流发生器产生的涡系结构和回流区进一步 提升超燃燃烧室燃料掺混效率，从而达到提高燃烧室工作效率和缩短发动机尺寸的目的。

根据以上的设计方案，可以实现以下有益效果：

(1)本发明所述半球体涡流发生器产生的反向对旋涡和膨胀段诱导出的膨胀波能够 产生剧烈的剪切和汇聚运动，促进燃料与空气掺混，大大提高超燃燃烧室的工作效率，从而 缩短超燃燃烧室的尺寸，减轻超燃燃烧室的重量，增加发动机推力。

(2)本发明所述半球体涡流发生器在尾部区域产生的回流区有利于燃料组织稳定燃 烧。

(3)相比于其他的燃料喷射布局，所述膨胀段诱导出的膨胀波能够削弱弓形激波而降 低燃烧室总压损失。且所述半球体涡流发生器安装在燃烧室壁面边界层内，造成的总压损失 小，热负荷小，降低超燃燃烧室内结构热防护的难度。

附图说明

图1为单个圆形燃料喷嘴喷射流场原理示意图；

图2为一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的设计方法示意图；

图3为一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的设计方法原理俯视图；

图4为一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的设计方法原理正等轴测图；

图1～4中标注的大写字母用于表征尺寸，分别为：A.膨胀段转折起点与燃烧室入口距离， B.壁面边界层厚度，C.半球体涡流发生器与圆形燃料喷嘴中心距，D.半球体涡流发生器直径， E.膨胀段转折角，F.膨胀波面扇角，G.燃料扩散直径，H.燃烧室入口高度，J.涡系结构横向 直径，L.半球体涡流发生器中心距入口的距离，M.膨胀段长度，S.相邻两个半球体涡流发生 器中心距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1～4，所述一种提升超燃燃烧室燃料喷射和掺混的设计方法，设有超燃燃烧室1、 半球体涡流发生器2、圆形燃料喷嘴3、膨胀段4、等熵压缩段5。所述超燃燃烧室1为常规 矩形燃烧室,其内流通道截面呈矩形,通道内主流(AirFlow)6为超声速空气；所述半球体 涡流发生器2紧贴超燃燃烧室1壁面，安装在圆形燃料喷嘴3上游，其产生的涡系结构9能 够促进下游燃料与空气的掺混；所述圆形燃料喷嘴3整体呈现收敛状，燃料12通过圆形喷嘴 能够垂直喷注入超燃燃烧室1内，其中轴线与半球体涡流发生器3中轴线共线；所述膨胀段 4位于超燃燃烧室1上壁面，其产生的一系列膨胀波波面8能削弱弓形激波10，从而降低超 燃燃烧室1的总压损失，同时膨胀波波面8覆盖燃料和空气掺混的掺混区域，迫使该区域内 的流体由壁面朝燃烧室中心扩散，进而提高燃料的掺混效率；所述等熵压缩段5用于膨胀段 4和超燃燃烧室1上壁面之间的过渡连接，避免由于气流剧烈转折而形成强的斜激波。

所述一种提升超燃燃烧室内燃料喷射和掺混的设计方法，包括以下步骤：

(1)首先根据所需燃料12总流量确定圆形燃料喷嘴3的直径d和个数，并对仅带有 单个圆形燃料喷嘴3的算例进行数值计算，获得燃料的扩散直径G以及壁面边界层厚度B发 展规律，如图1所示；

(2)接着确定半球体涡流发生器2的直径D以及位置L。确保半球体涡流发生器直径 D等于燃料最大扩散直径G，以保证其产生的涡系结构9能够覆盖整个燃料与空气的掺混区域， 同时依据步骤(1)获得的壁面边界层厚度B发展规律，将半球体涡流发生器2安置于壁面边 界层厚度B约为0.3～0.5倍的半球体涡流发生器直径D的壁面处，由此确定半球体涡流发生 器2在燃烧室壁面上的位置。并对仅带有单个半球体涡流发生器2的算例进行数值计算，获 得半球体涡流发生器涡系结构9的发展规律；

(3)之后确定圆形燃料喷嘴3与半球体涡流发生器2之间的中心距C。根据步骤1获 得的圆形燃料喷嘴燃料扩散直径G和步骤2得到的半球体涡流发生器涡系结构9发展规律， 确保圆形燃料喷嘴3出口处的燃料扩散直径G与半球体涡流发生器2在该位置的涡结构直径 J相同，由此确定圆形燃料喷嘴3与半球体涡流发生器2之间的距离

(4)随后确定相邻两个半球体涡流发生器2的中心距S。为了确保相邻两个半球体涡 流发生器2产生的涡系结构9之间不发生相互干涉，相邻两个半球体涡流发生器2的中心距 S应取2～2.2倍半球体涡流发生器直径D。

(5)再而确定膨胀段4的转折角E、长度M和与超燃燃烧室1入口的距离A。根据燃 烧室来流6马赫数和圆形燃料喷嘴2的位置，通过调整膨胀段4的转折角E、长度M以及转 折起点与超燃燃烧室1入口的距离A，确保由其产生的膨胀激波扇面8能够尽量覆盖整个燃 料与空气掺混区域；

(6)最后采用等熵压缩段5过渡连接膨胀段4和超燃燃烧室1上壁面，进而完成整个 超燃燃烧室喷射系统构造的设计。