CN113137634A - 一种变结构双模态冲压燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种变结构双模态冲压燃烧室，涉及航空发动机燃烧室。包括隔离段、凹腔、突扩段、可调型变段、先锋氢气喷射模块、煤油喷射模块、连杆和液压驱动；通过液压连杆驱动调节燃烧室型面使燃烧室在不同飞行马赫数下工作在不同模态。2<Ma<4时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置调整燃烧室型面为等直段和渐扩段，尾喷管为拉瓦喷管；4≤Ma<6时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置调整燃烧室型面为等直段、扩压段和等直段；Ma≥6.0时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置调整燃烧室型面为等直段、扩压段和纯扩张喷管。改善宽马赫数下燃烧室工作性能，提高热效率及燃料比冲，降低加力油耗提升飞行航程。

Description

一种变结构双模态冲压燃烧室

技术领域

本发明涉及航空发动机燃烧室，具体是涉及可调燃烧室型面的一种变结构双模态冲压燃烧室。

背景技术

当飞行马赫数Ma>3时，冲压发动机的性能最优，其中在飞行马赫数Ma＝3～6之间时，亚燃冲压发动机性能优于超燃冲压发动机，而在飞行马赫数Ma>6时，超燃冲压发动机性能优于亚燃冲压发动机(Weber R J，Mackay J S.An Analysis of Ramjet EnginesUsingSupersonic Combustion[R].NASA TN 4386，1958)。为了获得最佳的性能，冲压发动机必须以双模态方式工作。在以双模态冲压发动机为推进装置的高超声速飞行器的加速过程中，燃烧室内的释热量及其分布必须做出相应的调整，使得发动机从亚燃模态转换为超燃模态。在模态转换过程中，由于燃烧室边界条件突然从热力壅塞状态变为无壅塞状态，其壁面压力分布会发生明显改变。这将使作用在飞行器上的推力和动量发生突然变化，可能会导致飞行器失去控制。因此，如何实现不同燃烧模态的平稳转换，是燃烧室设计中的技术难点。

变结构双模态冲压燃烧室可以通过合理控制燃烧室流道和燃料喷注方式，利用热壅塞的方法将亚燃和超然两种模态集中在同一台发动机上。与常规的双模态冲压燃烧室相比，除了燃料喷射控制以外可以通过型面调节改变燃烧室工作模态。亚燃模态下调节燃烧室型面为渐扩燃烧室，尾喷管为拉瓦喷管形成热壅塞而超燃模态调节燃烧室喷管为纯扩张喷管将燃烧室从热力壅塞状态平稳过渡为无壅塞状态。变结构双模态冲压燃烧室通过型面调节使其在各个飞行马赫数都具有更优良的性能，具有很好的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供可调燃烧室型面，有效改善双模态冲压发动机在宽马赫数下燃烧室的工作性能，提高双模态冲压发动机在低马赫数下的工作可靠性，避免安装低马赫数的加速动力装置，从而大大减少飞行器重量和迎风面积的一种变结构双模态冲压燃烧室。本发明在燃烧室外壁面布置连杆和液压驱动，利用连杆摆动改变燃烧室型面使燃烧室具有更优良的性能，提高热效率及燃料比冲，降低油耗提升飞行航程，扩展燃烧室工作马赫数范围。

本发明所述变结构双模态冲压燃烧室包括隔离段、凹腔、突扩段、可调型变段、先锋氢气喷射模块、煤油喷射模块、连杆和液压连杆驱动；

所述隔离段、突扩段、可调型变段依次连接，隔离段和突扩段构成固定段；先锋氢气模块和煤油喷射模块固定在突扩段上，用于喷射氢气和煤油；凹腔设在燃烧室下壁面，凹腔底部设有火花塞，用于点火；液压连杆驱动通过连杆作用在可调型变段，通过液压连杆驱动调节燃烧室型面使燃烧室在不同飞行马赫数下工作在不同模态。

所述突扩段和凹腔用于维持火焰稳定组织燃烧后从可调型变段组成的可调喷管排出产生推力。

所述隔离段和突扩段之间通过螺栓连接。

所述先锋氢气喷射模块和煤油喷射模块可通过螺栓固定在固定段上。

所述可调型变段和固定段之间通过法兰盘固定连接。

所述可调型变段包括第一可调型变段、第二可调型变段和第三可调型变段，各可调型变段之间通过连接法兰固连；第一液压驱动和第一连杆通过第一连接块与第一可调型变段连接；第二液压驱动和第二连杆通过第二连接块与第三可调型变段连接。

所述燃烧室在不同飞行马赫数下工作在不同模态，包括亚燃模态、混合模态和超燃模态；

亚燃模态，马赫数大于2.0且小于4.0时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置从而调整燃烧室型面为等直段和渐扩段，尾喷管为拉瓦喷管；

混合模态，马赫数大于等于4.0且小于6.0时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置从而调整燃烧室型面为等直段、扩压段和等直段；

超燃模态，马赫数大于等于6.0时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置从而调整燃烧室型面为等直段、扩压段和纯扩张喷管。

本发明给出本发明的工作原理及步骤：

1.设有隔离段、凹腔、突扩段、可调型变段、固定段、先锋氢气喷射模块、煤油喷射模块、连杆和液压连杆驱动；

2.来流空气通过隔离段入口进入，在燃烧室上游分别通过先锋氢气模块和煤油喷射模块喷射氢气和煤油，在点火成功后停止氢气的喷射；

3.来流空气和部分煤油掺混后进入突扩段，一部分未掺混煤油和来流进入下部的凹腔进一步掺混，一部分未掺混煤油和来流进入上部的台阶突扩区进一步掺混。凹腔底部的火花塞实现燃气的主动点火并且凹腔起火焰稳定的作用。随着火焰扩散，燃烧产生的高温气体经过喷管排出从而产生推力；

4.随飞行马赫数变化，变结构双模态冲压燃烧室工作在不同模态：亚燃模态(2<Ma<4),通过液压连杆的驱动使燃烧室为等直段加渐扩型面，降低总压损失，将尾喷管调节为拉瓦喷管从而控制热壅塞。燃料燃烧引起的反压会导致燃烧室入口的边界层发生分离，分离阻碍来流，在隔离段内形成拟正激波串。经过拟正激波串的压缩减速，来流以亚声速进入燃烧室，并与燃料进行掺混、燃烧。在燃烧释热和燃烧室面积的共同作用下，燃气在拉瓦喷管喉道处形成热壅塞。经过该截面后，燃气恢复为超声速气流并经喷管产生推力；混合燃烧模态(4≤Ma<6)，随着飞行马赫数的增加，为了避免亚燃冲压带来的加热与总压损失的限制，需要同时减小燃烧释热。通过液压连杆的驱动使燃烧室型面调节为渐扩段、扩压段加等直段。在燃烧室截面的作用下，喷管喉道处存在的热壅塞逐渐消失，预燃激波串被推向燃烧室，强度逐渐减弱，终止于超声速流动状态。在此工作模态下，核心流为超声速，上下壁面凹腔附近为亚声速流动，燃烧室内亚燃与超燃同时存在，表现为混合燃烧模态；超燃模态(Ma≥6)，燃烧室内的燃烧室释热已不足以维持边界层的分离，隔离段内的预燃激波串将继续移向燃烧室内，直至完全消失，进气道产生的激波将在整个燃烧室内反射。通过液压连杆的驱动使燃烧室为等直段、渐扩段和纯扩张喷管，使之适应燃烧释热。

5、所述液压连杆的驱动调节燃烧室型面是指通过改变液压调整液压连杆位置，连杆随之移动，通过连接块作用于可调的三块燃烧室型面，达到改变燃烧室型面的目的。根据飞行马赫数，调节燃烧室型面，保证不同飞行马赫数下的燃烧室工作性能。

本发明与传统冲压燃烧室相比具有如下优点：

1)本发明有效拓宽双模态冲压发动机的工作马赫数，通过液压连杆驱动调节燃烧室型面使燃烧室在不同飞行马赫数下可以工作在不同模态。燃烧室具有三种工作模态，2<Ma<4燃烧室可以调节为亚燃模态；4≤Ma<6通过燃烧室型面调节可以使燃烧室从热壅塞状态逐渐过渡为无壅塞，同时作用在飞行器的推力和动量能够平稳过渡，扩展燃烧室工作马赫数范围，降低对进气道性能要求；Ma≤6燃烧室可以调节为超燃模态。

2)液压连杆的驱动调节燃烧室型面使燃烧室在各个工作模态下都具有更高的燃烧室性能，使燃烧室在宽速域飞行中处于最优工作状态。同时，实现不同燃烧模态的平稳转换。

附图说明

图1为本发明实施例的结构图。

图2为本发明实施例的亚燃模态图。

图3为本发明实施例的混合模态图。

图4为本发明实施例的超燃模态图。

图中各标记为：1是隔离段、2是上壁面先锋氢气喷射模块、3是上壁面煤油喷射模块、4是突扩段、5是第一可调型变段、6是第一液压驱动、7是第一连杆、8是第一连接块、9是第二液压驱动、10是第二连杆、11是第二连接块、12是第三可调型变段、13是下壁面先锋氢气喷射模块、14是下壁面煤油喷射模块、15是凹腔、16是燃烧室下壁面、17是第二可调型变段、18是火花塞。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，即此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～4所示，本发明实施例包括变结构双模态燃烧室由隔离段1、突扩段4、凹腔15、燃烧室下壁面16、第一可调型变段5、第二可调型变段17、第三可调型变段12共同组成。隔离段1和突扩段4通过螺栓连接。上下壁面先锋氢气喷射模块2、13和上下煤油喷射模块3、13通过螺栓固定在突扩段4上，第一可调型变段5、第二可调型变段17、第三可调型变段12和突扩段4之间通过法兰盘固定连接。第一液压驱动6和第二液压驱动9分别通过第一连杆7、第一连接块8和第二连杆10、第二连接块11作用在第一可调型变段5和第三可调型变段12。

当变结构双模态燃烧室工作时，隔离段1进入的空气，与上壁面先锋氢气喷射模块2、下壁面先锋氢气喷射模块13、上壁面煤油喷射模块3、下壁面煤油喷射模块14喷射的先锋氢气和煤油混合，通过凹腔15中的火花塞18点火。突扩段4和凹腔15可以维持火焰稳定组织燃烧后从第一可调型变段5、第二可调型变段17、第三可调型变段12组成的可调喷管排出产生推力；

飞行过程中随飞行马赫数变化，变结构燃烧室工作在不同状态，液压驱动6、9通过连杆7、10和连接块8、11改变第一可调型变段5、第二可调型变段17、第三可调型变段12位置改变燃烧室型面。

如图2，亚燃模态，马赫数大于2.0且小于4.0时，第一液压驱动6通过第一连杆7和第一连接块8改变第一可调型变段5位置。第二液压驱动9通过第二连杆10和第二连接块11改变第三可调型变段12位置。第一可调型变段5和第三可调型变段12调节带动第二可调型变段，从而改变燃烧室型面。燃烧室型面由等直段和渐扩段组成，尾喷管为拉瓦喷管；在燃烧释热和燃烧室面积的共同作用下，燃气在拉瓦喷管喉道处形成热壅塞。经过该截面后，燃气恢复为超声速气流并经喷管产生推力；

如图3，混合模态，马赫数大于等于4.0且小于6.0时，第一液压驱动6通过第一连杆7和第一连接块8改变第一可调型变段5位置。第二液压驱动9通过第二连杆10和第二连接块11改变第三可调型变段12位置。第一可调型变段5和第三可调型变段12调节带动第二可调型变段，从而改变燃烧室型面。燃烧室型面由等直段、扩压段和等直段组成。在燃烧室截面的作用下，喷管喉道处存在的热壅塞逐渐消失，预燃激波串被推向燃烧室，强度逐渐减弱，终止于超声速流动状态。在此工作模态下，核心流为超声速，上下壁面凹腔附近为亚声速流动，燃烧室内亚燃与超燃同时存在，表现为混合燃烧模态；

如图4，超燃模态，马赫数大于等于6.0时，第一液压驱动6通过第一连杆7和第一连接块8改变第一可调型变段5位置。第二液压驱动9通过第二连杆10和第二连接块11改变第三可调型变段12位置。第一可调型变段5和第三可调型变段12调节带动第二可调型变段，从而改变燃烧室型面。燃烧室型面由等直段、扩压段和纯扩张喷管组成。燃烧室内流动均为超声速流动状态。

本发明可以有效改善变结构双模态冲压发动机在宽马赫数下燃烧室的工作性能，提高热效率及燃料比冲，降低加力油耗提升飞行航程，扩展燃烧室高效工作马赫数范围。

Claims (6)

1.一种变结构双模态冲压燃烧室，其特征在于包括隔离段、凹腔、突扩段、可调型变段、先锋氢气喷射模块、煤油喷射模块、连杆和液压驱动；

所述隔离段、突扩段、可调型变段依次连接，隔离段和突扩段构成固定段；先锋氢气模块和煤油喷射模块固定在突扩段上，用于喷射氢气和煤油；凹腔设在燃烧室下壁面，凹腔底部设有火花塞，用于点火；液压驱动通过连杆作用在可调型变段，通过液压驱动调节燃烧室型面使燃烧室在不同飞行马赫数下工作在不同模态。

2.如权利要求1所述一种变结构双模态冲压燃烧室，其特征在于所述可调型变段包括第一可调型变段、第二可调型变段和第三可调型变段，各可调型变段之间通过连接法兰固连；第一液压驱动和第一连杆通过第一连接块与第一可调型变段连接；第二液压驱动和第二连杆通过第二连接块与第三可调型变段连接。

3.如权利要求1所述一种变结构双模态冲压燃烧室，其特征在于所述燃烧室在不同飞行马赫数下工作在不同模态，包括亚燃模态、混合模态和超燃模态。

4.如权利要求3所述一种变结构双模态冲压燃烧室，其特征在于亚燃模态，马赫数大于2.0且小于4.0时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置从而调整燃烧室型面为等直段和渐扩段，尾喷管为拉瓦喷管。

5.如权利要求3所述一种变结构双模态冲压燃烧室，其特征在于混合模态，马赫数大于等于4.0且小于6.0时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置从而调整燃烧室型面为等直段、扩压段和等直段。

6.如权利要求3所述一种变结构双模态冲压燃烧室，其特征在于超燃模态，马赫数大于等于6.0时，液压驱动通过连杆和连接块改变可调型变段位置从而调整燃烧室型面为等直段、扩压段和纯扩张喷管。

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