改进的超燃燃烧室及其旋流器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种超燃燃烧室，主要应用于超燃冲压发动机。

背景技术

目前，常见的超燃冲压发动机内流道，如图1所示，主要包括顺序连接的进气道1’、隔离段2’、燃烧室’和喷管4’。 

超燃燃烧室主要用于实现超音速气流的油气掺混均匀和燃烧充分，具有巨大的发展潜力，越来越受到各个国家的重视和关注。然而，现有的超音速燃烧室，油气掺混困难并且火焰很难稳定，燃烧室总压恢复系数和燃烧效率均较低，从而导致超燃燃烧室工作性能不理想。另外，当气流在超燃燃烧室内燃烧之后，会产生较高的脉动压力，这个脉动压力通过燃烧室壁面的附面层和分离的亚声速气流不断向上游传播，因此为避免燃烧室内的压力脉动对上游进气道带来的影响，需要设计长度较长的隔离段，导致发动机的质量载荷增加，而且还降低了超燃冲压发动机的推重比，同时超音速气流在较长的隔离段中产生的摩擦损失很大，使得进入燃烧室进口时的总压损失较大。

因此，提高超燃冲压发动机燃烧室工作性能，对发挥超燃冲压发动机的整体性能具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种改进的超燃燃烧室，其在燃烧室内安装旋流器，使得气流进入燃烧室后发生沿轴向的螺旋运动，使得螺旋气流流经旋流器的旋流生成下壁板之后，会与从旋流器内置管燃料喷注口喷出的燃料发生剪切掺混，从而直接地提高了超燃燃烧室油气掺混质量和超燃燃烧效率，导致燃烧室在较短的长度情况下就能获得较好的性能，此外，旋流器大部分位于燃烧室内流道的中心主流区域，对燃烧室产生的压力脉动具有一定的阻挡作用，减弱了压力脉动对上游发动机进气道的影响，因此可以进一步优化发动机结构，缩短发动机隔离段和燃烧室长度，减小发动机摩擦损失，提高发动机的推重比。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种改进的超燃燃烧室，包括燃烧室，所述燃烧室内安装有导致气流发生螺旋运动的旋流器；所述旋流器包括导致进入燃烧室的气流产生斜激波的旋流生成上壁板、导致进入燃烧室的气流产生膨胀波的旋流生成下壁板、后端面壁板以及侧壁安装面，所述侧壁安装面与燃烧室连接，所述旋流器的前缘面向燃烧室进口设置，而后端面壁板则与燃烧室出口相对设置；所述旋流器内开设有燃料输送内置管，该燃料输送内置管的进口设置在侧壁安装面，而燃料输送内置管的喷注口则设置在后端面壁板。

所述旋流器前缘的截面呈类三角形，而旋流器后缘的截面则呈类梯形。

所述侧壁安装面的型线为螺旋型线，该螺旋型线的螺距长度为燃烧室长度的20-70%，且螺旋型线的高度与螺距之比小于1。

所述旋流器的轴向长度L₁为燃烧室轴向长度的20-60%，而旋流器沿径向的宽度L₂为燃烧室进口直径的20-60%。

所述旋流器前缘A位于5-10%的燃烧室轴向长度位置处。

一种上述改进的超燃燃烧室的旋流器设计方法，包括以下步骤：（1）侧壁安装面螺旋型线的设计——该螺旋型线的直径为燃烧室的进口直径，螺距为燃烧室轴向长度的20-70%，且螺旋型线的高度与螺距之比小于1；（2）确定旋流器尾点——以螺旋型线尾点作燃烧室的径向截面，以获取该径向截面的中心点；以螺旋型线尾点为一端点，穿过径向截面的中心点做一射线，旋流器尾点位于该射线上，旋流器尾点离螺旋型线尾点的距离即为旋流器沿径向的宽度L_2；旋流器沿径向的宽度L₂为燃烧室进口直径的20-60%；（3）根据步骤（1）设计出的螺旋型线以及步骤（2）确定的旋流器尾点，结合侧壁安装面厚度以及后端面壁板厚度，获得旋流器坯形；（3）旋流器坯形后加工——对旋流器坯形的旋流生成上壁板和主流区侧壁板做1/20~1/5的梯度，使得主流区侧壁板呈斜面设置，同时该斜面的下型线与旋流生成下壁板处于同一平面，而斜面的上型线则与旋流生成上壁板处于同一平面，最后再对斜面倒圆角，使得旋流生成上壁板与旋流生成下壁板弧线连接。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1、本发明所述的旋流器安装在燃烧室进口附近，使一部分超音速气流流经旋流生成上壁板表面处产生激波压缩，一部分气流流经旋流生成下壁板表面处产生膨胀波膨胀，未流经旋流器表面的气流由于该装置所产生的在径向的压力差，自动形成了径向的旋流现象。在旋流器的后端面壁板位置之后，两股不同压力和速度的气流（分别流经旋流生成上壁板以及旋流生成下壁板的气流）相遇产生剧烈的剪切运动，此时旋流器内置管燃料喷注口喷注燃料使得油气掺混均匀和燃烧充分，大大提高了超燃燃烧室的燃烧效率，在保证燃料效率的前提下，可以缩短燃烧室的长度，减轻燃烧室重量，增加发动机推重比。

2、本发明所述的旋流器安装于超燃燃烧室内流道内，当燃烧室正常工作后，由于剧烈的燃烧反应使内部的流动出现不稳定性，并向上游产生非定常的压力脉动。此时旋流器利用自身的固体边界对压力脉动具有一定的阻碍作用，减弱了压力脉动对超燃冲压发动机进气道的影响，因此，在保证超燃冲压发动机正常工作的前提下，可以缩短隔离段的长度，减轻发动机重量，增加发动机推重比。

3、本发明所述的旋流器所产生的旋流使得超音速气流与燃料掺混均匀、燃烧充分，降低了出口截面处气流参数的极值范围，由此给喷管一个较为理想的进口气流条件，大大提高了喷管的工作性能，改善了发动机整体流场结构。

附图说明

图1是现有的超燃冲压发动机的结构示意图；

其中：进气道1’  隔离段2’  燃烧室’  喷管4’

图2是本发明的立体结构示意图；

图3是图2中旋流器的立体结构放大示意图；

图4是图2绕O点旋转90°的立体结构示意图；

图5是图4中旋流器的立体结构放大示意图；

其中：图1、图2以及图4的箭头是指气流方向；燃烧室1；燃烧室进口11 ；燃烧室出口12；旋流器2；后端面壁板21；燃料输送内置管的喷注口22 ；侧壁安装面23 ；燃料输送内置管的进口24 ；旋流生成下壁板25；旋流生成上壁板26。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

如图2至5所示，本发明所述改进的超燃燃烧室，包括燃烧室1，该燃烧室1内流道的截面呈圆形或者椭圆形，所述燃烧室1的内流道进口附近安装有导致气流发生螺旋运动的旋流器2；所述旋流器2包括使进入燃烧室1的气流产生斜激波的旋流生成上壁板26、使进入燃烧室1的气流产生膨胀波的旋流生成下壁板25、后端面壁板21以及侧壁安装面23，侧壁安装面23为靠近燃烧室壁面的一侧，其具有一定的厚度，在靠近主流流动区一侧为旋流生成上壁板26和旋流生成下壁板25的交接线，无厚度，使得前缘和主流流道中心区为尖形楔面，即旋流器2前缘的截面呈类三角形，而后端面壁板21为截断面，则旋流器2后缘的截面则呈类梯形，本发明整体外形厚度均匀过渡，型面的曲率连续，沿俯视方向投影外形为一个类三角形形状。所述侧壁安装面23与燃烧室连接，所述旋流器2的前缘面向燃烧室进口11设置，而后端面壁板21则与燃烧室出口12相对设置；所述旋流器2内开设有燃料输送内置管，该燃料输送内置管的进口24设置在侧壁安装面23，而燃料输送内置管的喷注口22则设置在后端面壁板21。所述侧壁安装面23的型线为螺旋型线，该螺旋型线的螺距长度为燃烧室长度的20-70%，且螺旋型线的高度与螺距之比小于1。所述旋流器2的轴向长度L₁为燃烧室轴向长度的20-60%，而旋流器2沿径向的宽度L₂为燃烧室进口11直径的20-60%。所述旋流器2前缘A位于5-10%的燃烧室轴向长度位置处。

因此，本发明所述侧壁安装面23用于将本发明所述旋流器2安装在燃烧室的内流道，同时旋流器2的内部内置燃料输送内置管，以将飞行器上存储的燃料供应给燃料输送内置管的喷注口22，所述燃料输送内置管的喷注口22与飞机燃料控制系统相连接，根据飞行器工作状况喷注恰当的燃料。本发明安装于燃烧室进口11附近，前缘位于5%-10%的燃烧室轴向长度位置处。对于燃烧室进口11的气流，一部分超音速气流流经旋流生成上壁板26表面处产生激波压缩，一部分气流流经旋流生成下壁板25表面处产生膨胀波膨胀，未流经旋流生成上壁板26和旋流生成下壁板25的气流由于本发明装置产生的径向压力差，自动形成了径向的旋流现象，使得流动转变为沿轴向的螺旋流动。在后端面壁板21后，上下两侧不同压力和速度的气流相遇产生剧烈的剪切运动，后端面壁板21的高度由燃烧室内流动的状况和需要的燃油量共同设计决定。当气流掺混均匀后，燃料输送内置管的喷注口22喷注燃料使得油气掺混均匀、燃烧充分，大大提高了燃烧室的燃烧效率，在保证燃料效率的前提下，可以缩短燃烧室的长度。当燃烧室正常工作后，会产生非定常的压力脉动。此时本发明利用自身的固体边界对压力脉动具有一定的阻碍作用，减弱了压力脉动对超燃冲压发动机进气道的影响，因此，在保证超燃冲压发动机正常工作的前提下，可以缩短隔离段的长度。本发明产生的旋流使气流掺混和燃烧充分均匀，降低了燃烧室出口12截面处气流参数的极值范围，由此给喷管一个较为理想的进口气流条件，大大提高了喷管的工作性能，改善了整体流场结构。

另外，本发明所述改进的超燃燃烧室的旋流器设计方法，包括以下步骤：（1）侧壁安装面23螺旋型线的设计——该螺旋型线的直径为燃烧室的进口直径，若燃烧室沿轴向具有当量扩张角，则螺旋线也相应增加一定的拔模角度以与之配合，使螺旋线贴于燃烧室内壁面，螺距为燃烧室轴向长度的20-70%，且螺旋型线的高度与螺距之比小于1；（2）确定旋流器尾点——以螺旋型线尾点作燃烧室的径向截面，从而获取该径向截面的中心点，以螺旋型线尾点为一端点，穿过径向截面的中心点做一射线，旋流器尾点即为该射线上，旋流器尾点离螺旋型线尾点的距离即为旋流器沿径向的宽度L₂；（3）根据步骤（1）设计出的螺旋型线以及步骤（2）确定的旋流器尾点，结合侧壁安装面23厚度以及后端面壁板21厚度，获得旋流器坯形；（3）旋流器坯形后加工——对旋流器坯形的旋流生成上壁板26和主流区侧壁板做1/20~1/5的梯度，使得主流区侧壁板呈斜面设置，同时该斜面的下型线与旋流生成下壁板25处于同一平面，而斜面的上型线则与旋流生成上壁板26处于同一平面，最后再对斜面倒圆角，使得旋流生成上壁板26与旋流生成下壁板25弧线连接。