CN115807711A - 可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构及抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构，包括用于为所述燃烧室供油燃烧的燃油喷嘴和用于将液体燃料进行至少一次分流裂解的冷却通道，冷却通道延伸设置在所述超燃冲压发动机的进气道、隔离段、燃烧室及喷管的轴向内腔壁面上，且均匀分布在周向内腔壁面上；在冷却通道出口处通过燃油管道与油箱相连通，油箱通过管路与旋流泵相连通，旋流泵具有两个出油口，一个出油口通过第一管路与所述的燃油喷嘴相连通，另一个出油口通过第二管路与所述冷却通道的入口相连通；冷却通道对燃油裂解段通道入口的燃油进行二次分配，降低流量分配偏差，增强高热流通道内的湍流，合理分配并利用燃油的有限热沉，避免传热恶化导致的构件烧毁的现象。
Description
技术领域
本发明属于流动和传热技术领域，具体涉及为一种超燃冲压发动机的壁面结构及壁面抑制传热恶化的方法。
背景技术
高超声速飞行器因其飞行速度快、作战半径大、反应时间短、突防能力强、隐蔽性好等特点，成为世界空天技术领域一个极其重要的研究发展方向。相比于传统涡轮发动机，可在高马赫数范围，高性能工作的超燃冲压发动机则被认为是高超声速飞行器最有希望的动力***主体。对于高飞行马赫数的追求，也使得超燃冲压发动机的工作环境更加恶劣，如飞行马赫数超过6时，飞行器的来流总温可达1700 K。除了发动机外壁承受的气动加热，内部由于激波以及燃烧振荡等原因会使燃烧室壁面热载荷不均匀，出现局部热流过大或局部区域温度过高的情形，均给发动机的安全性带来了严峻的挑战。
目前，基于吸热型碳氢燃料的再生冷却方式被认为是适合解决超燃冲压发动机热防护问题的冷却方式。一方面，超临界压力碳氢燃料在拟临界温度附近热物性的剧烈变化以及高温发生的裂解反应，会增加再生冷却通道内流动与换热问题的复杂性，例如典型的流动换热不稳定现象热声振荡。热声振荡通常表现为压力、温度和流量等参数波动，造成壁面温度超温以及阻碍燃料的正常喷注，此外局部传热恶化现象会导致再生冷却通道内结焦增加甚至堵塞，破坏正常结构。另一方面，由于冷却通道进出口设置、热流边界不均匀等因素，加之碳氢燃料多变的流动特性，又将导致通道间较大的流量分配偏差，有限热沉分配不合理，进一步加剧热流壁面的局部高温问题，故再生冷却方案实际应用中，冷却通道结构设计对碳氢燃料流动换热恶化及通道间流量分配有着重要影响。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种壁面冷却通道结构简单，对裂解碳氢燃料进行二次分配，以减小通道间流量分配偏差，合理分配燃料的有限热沉，优化燃烧室壁面冷却效果的可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构及抑制方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构，包括用于为所述燃烧室供油燃烧的燃油喷嘴和用于将液体燃料进行至少一次分流裂解的冷却通道；所述的冷却通道延伸设置在所述超燃冲压发动机的进气道、隔离段、燃烧室及喷管的内腔壁面上；所述冷却通道的入口位于所述进气道的入口处，冷却通道的出口位于所述喷管的出口处；
所述冷却通道是由双层壁面围成的通道，在所述的冷却通道在所述内腔轴向延伸方向上依次设有燃油吸热段通道、燃油掺混段通道、燃油裂解段通道和燃油回收段通道，所述燃油吸热段通道和燃油裂解段通道均是在所述双层壁面之间，且沿所述内腔壁面周向依次排布的隔板分隔形成的多个等截面通道，所述燃油吸热段通道与燃油裂解段通道的结构完全相同且位置相互对应，所述燃油吸热段通道的出口端与燃油裂解段通道入口端之间的通道即为所述的燃油掺混段通道，所述燃油裂解段通道出口端后方的通道即为所述的燃油回收段通道；
所述的液体燃料在所述的燃油吸热段通道内的多个等截面通道内吸收燃烧室的不均匀热量，并在燃油掺混段通道内充分掺混，达到裂解温度的液体燃料又通过燃油裂解段通道的多个等截面通道均匀进入燃油回收段通道进行液体燃油的回收；
在所述燃油回收段通道出口处设有燃油管道，所述冷却通道的燃油回收段通道通过燃油管道与油箱相连通，油箱通过管路与旋流泵相连通，旋流泵具有两个出油口，一个出油口通过第一管路与所述的燃油喷嘴相连通，另一个出油口通过第二管路与所述冷却通道的入口相连通。
进一步的，所述超燃冲压发动机的进气道、隔离段、燃烧室及喷管的内腔剖面均呈方形或长方形，所述冷却通道的剖面也呈方形或长方形，与所述内腔剖面形状相适配设置，用于增加结构的可靠性，并防止所述的内腔内壁面出现局部超温现象。
进一步的，所述冷却通道的燃油吸热段通道与燃油裂解段通道的截面为方形或长方形。
进一步的，所述燃油掺混段通道的起始端位于所述燃烧室内壁面冷却通道总长的40-60%处，所述燃油掺混段通道的长度是所述的燃油吸热段通道长度的4-6倍。
进一步的，所述的液体燃料为碳氢燃料。
进一步的，所述的液体燃料为RP-3航空煤油或正癸烷。
本发明还提供一种超燃冲压发动机壁面结构抑制传热恶化的方法，所述由旋流泵泵出的部分液体燃料，由第二管路进入所述的冷却通道，所述的液体燃料通过所述燃油吸热段通道的多个等截面通道A流经燃烧室的内腔壁面，对燃烧室进行冷却，在燃烧室内腔壁面不均匀高温的作用下，使所述多个等截面通道A内的液体燃料温度各不相同；
所述燃油掺混段通道对所述多个等截面通道A出口处的不同温度的液体燃料进行充分掺混，由于燃油吸热段通道至燃油掺混段通道的通道体积突扩，在所述燃油掺混段通道内形成了大量的回流区B，降低了燃油吸热段通道出口的油温，对所述燃油裂解段通道入口的压力进行平衡从而强化换热，降低由于温差所导致的流量分配偏差，增强了所述多个等截面通道A中高热流通道内的湍流；同时，所述的回流区B使得多个等截面通道A的液体燃料进行再分配，流体燃料温度达到了裂解温度，从而在进入燃油裂解段通道时发生裂解或在燃油裂解段通道内进行裂解，使燃油裂解段通道内的多个等截面通道A1的流量得到改善，冷却能力得到提升，进而降低了燃烧室的壁面温度；
接着裂解吸热的液体燃料由燃油裂解段通道出口，经由燃油管路输送到燃油喷嘴处进行燃烧，对冷却用液体燃料进行再利用。
本发明的有益效果是：本发明提供一种可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构即抑制传热恶化的方法，壁面结构的燃油掺混段通道会将燃油吸热段通道的不同通道间的燃油相互掺混，降低不同通道间温差；通过燃油吸热段通道出口不同温度的燃油所形成的涡，对燃油裂解段通道入口的燃油进行二次分配，可以降低由于温差所导致的流量分配偏差，增强高热流通道内的湍流，合理分配并利用燃油的有限热沉，避免传热恶化导致的构件烧毁的出现。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明冷却通道半剖轴测图；
图3为冷却通道燃油吸热段通道剖面结构示意图；
图4为本发明冷却通道冷却原理示意图；
图5为本发明冷却通道的压力分布图；
图6为本发明冷却通道的流量分配系数图；
图7为本发明冷却通道的出口油温图。
图中，1、油箱；2、旋流泵；3、冷却通道；4、进气道；5、隔离段；6、燃烧室；7、喷管；8、燃油喷嘴；9、燃油管路；10、燃油吸热段通道；11、燃油掺混段通道；12、燃油裂解段通道；13、燃油回收段通道；14、轴向内腔壁面；31、隔板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
为了实现上述目的，本发明提供一下具体实施方式：
实施例1：一种可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构，包括用于为所述燃烧室6供油燃烧的燃油喷嘴8和用于将液体燃料进行至少一次分流裂解的冷却通道3；所述的冷却通道3延伸设置在所述超燃冲压发动机的进气道4、隔离段5、燃烧室6及喷管7的内腔壁面14上；所述冷却通道3的入口位于所述进气道4的入口处，冷却通道3的出口位于所述喷管7的出口处；所述超燃冲压发动机的进气道4、隔离段5、燃烧室6及喷管7的内腔剖面均呈方形或长方形，所述冷却通道3的剖面也呈方形或长方形，与所述内腔剖面形状相适配设置，用于增加结构的可靠性，并防止所述的内腔内壁面出现局部超温现象。所述的液体燃料为碳氢燃料，并优选RP-3航空煤油或正癸烷。
所述冷却通道3是由双层壁面围成的通道，在所述的冷却通道3在所述内腔轴向延伸方向上依次设有燃油吸热段通道10、燃油掺混段通道11、燃油裂解段通道12和燃油回收段通道13，所述燃油吸热段通道10和燃油裂解段通道12均是在所述双层壁面之间，且沿所述内腔壁面14周向依次排布的隔板31分隔形成的多个等截面通道，所述燃油吸热段通道10与燃油裂解段通道12的结构完全相同且位置相互对应，所述燃油吸热段通道10的出口端与燃油裂解段通道12入口端之间的通道即为所述的燃油掺混段通道11，所述燃油裂解段通道12出口端后方的通道即为所述的燃油回收段通道13；所述冷却通道3的燃油吸热段通道10与燃油裂解段通道12的截面为方形或长方形。
所述的液体燃料在所述的燃油吸热段通道10内的多个等截面通道内吸收燃烧室6的不均匀热量，并在燃油掺混段通道11内充分掺混，达到裂解温度的液体燃料又通过燃油裂解段通道12的多个等截面通道均匀进入燃油回收段通道13进行液体燃油的回收；
在所述燃油回收段通道13出口处设有燃油管道9，所述冷却通道3的燃油回收段通道13通过燃油管道9与油箱1相连通，油箱1通过管路与旋流泵2相连通，旋流泵2具有两个出油口，一个出油口通过第一管路与所述的燃油喷嘴8相连通，另一个出油口通过第二管路与所述冷却通道3的入口相连通。
所述燃油掺混段通道11的起始端位于所述燃烧室6内壁面冷却通道3总长的40-60%处，所述燃油掺混段通道11的长度是所述的燃油吸热段通道10长度的4-6倍。
如图1-图3所示，一种可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构，包括油箱1、旋流泵2和燃烧室6周围均匀分布的可二次分配冷却通道3，燃油存储在油箱1中，所述冷却通道3是均匀分布在发动机内壁面的，由于本发明提供的超燃冲压发动机内壁面整体是一个长方体，如图2所示的冷却通道3在内壁面的上、下、左、右四个壁面上均匀设置，且相互连通；不排除圆柱状内壁面，即如图2所示的冷却通道3呈环状设置在柱状内壁面，在内壁面周向上的冷却通道3是均匀设置的。
冷却通道3包括燃油吸热段通道10，燃油掺混段通道11，燃油裂解段通道12和燃油回收段通道13。燃油吸热段通道10设置均匀分布的等截面通道，燃油掺混段通道11贯穿所有的冷却通道3，燃油裂解段通道12为均匀分布的等截面通道，燃油吸热段通道10与燃油裂解段通道12完全相同且位置相互对应，燃油回收段通道13通过燃油管路9与油箱1相连，并通过旋流泵2与燃油喷嘴8相连。燃油掺混段通道11的流向距离等于4-6倍所述的燃油吸热段通道10等截面通道的宽度，所述燃烧室壁面冷却通道3均采用所述燃油吸热段通道10的均匀分布的等截面通道。
所述燃油掺混段通道11开始位置分布在燃烧室壁面冷却通道3总长的40-60%处，燃油吸热段通道10中的高温流道临界态流体处的位置通过给定热环境下的Fluent三维数值模拟确定。
实施例2：如图4-7所示，本发明还提供一种超燃冲压发动机壁面结构抑制传热恶化的方法，所述由旋流泵2泵出的部分液体燃料，由第二管路进入所述的冷却通道3，所述的液体燃料通过所述燃油吸热段通道10的多个等截面通道A流经燃烧室6的内腔壁面14，对燃烧室6进行冷却，在燃烧室内腔壁面14不均匀高温的作用下，使所述多个等截面通道A内的液体燃料温度各不相同；
所述燃油掺混段通道11对所述多个等截面通道A出口处的不同温度的液体燃料进行充分掺混，由于燃油吸热段通道10至燃油掺混段通道11的通道体积突扩，在所述燃油掺混段通道11内形成了大量的回流区B，降低了燃油吸热段通道10出口的油温，对所述燃油裂解段通道12入口的压力进行平衡从而强化换热，降低由于温差所导致的流量分配偏差，增强了所述多个等截面通道A中高热流通道内的湍流；同时，所述的回流区B使得多个等截面通道A的液体燃料进行再分配，流体燃料温度达到了裂解温度，从而在进入燃油裂解段通道12时发生裂解或在燃油裂解段通道12内进行裂解，使燃油裂解段通道12内的多个等截面通道A1的流量得到改善，冷却能力得到提升，进而降低了燃烧室6的壁面温度；
接着裂解吸热的液体燃料由燃油裂解段通道12出口，经由燃油管路9输送到燃油喷嘴8处进行燃烧，对冷却用液体燃料进行再利用。
如图4所示，在本发明提供的可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构的冷却方法中，使用的液体燃油为正癸烷，实现进口为液体，出口为超临界流体，提供垂直于流动方向的非均匀下壁面热流来说明本发明的冷却过程是：
正癸烷以液态通过旋流泵2进入冷却通道3，在燃烧室壁面不均匀高温的作用下，正癸烷会转变为超临界流体，密度低，流阻高致使其流量下降壁温升高。在燃烧室壁面冷却通道总长的40-60%处，添加流向距离等于4-6倍燃油吸热段通道10的等截面通道宽的燃油掺混段通道，会将燃油吸热段的正癸烷重新汇集，进行二次分配。在此过程中，正癸烷经过燃油掺混段通道11的掺混冷却后，使得高温区域的通道流阻大大降低且分配的正癸烷增加，冷却能力增加，可以降低热裂解过程积碳的产生，一定程度上避免出现局部高温。正癸烷经过再生冷却通道后，大部分已经裂解为小分子的烃，燃烧效率大大提高，经燃油喷嘴进入燃烧室参与燃烧。
正癸烷通过燃油吸热段通道10的各等截面通道A流经燃烧室6的内壁面并对其进行冷却，在图4中示出No.6截面通道A在燃油吸热段通道10出口处，达到裂解温度，已经有部分燃油裂解为小分子烃，成分的显著变化使得燃油掺混段通道11对各截面通道A的高温正癸烷进行掺混，形成了回流区B；若无燃油掺混段通道11的存在，所述No.6通道的热载荷最高，通道内流阻增大，而后方燃油裂解段通道相对应的截面通道A1流量减小；此时，燃油掺混段通道11内出现大量回流区B，使得各个截面通道A内的正癸烷在回流区进行充分掺混，降低了燃油吸热段通道10出口的油温，对燃油裂解段通道12入口的压力进行平衡从而强化换热；同时，回流区B使得各截面通道A的正癸烷进行再分配，截面通道A1通道的流量得到改善，冷却能力得到提升，进而降低了燃烧室6的壁面温度；
接着裂解吸热的正癸烷由裂解段12出口，经由燃油管路9输送到燃油喷嘴8处进行燃烧，对冷却用正癸烷进行再利用。
图4中，所述的所述多个等截面通道A内的液体燃料温度各不相同是沿图中Y向增大的，所以说NO1截面通道A为低热流通道，NO.6截面通道A是高热流通道，图中X向即为所述正癸烷的流向。
如图5-7所示，本发明的结构有益效果明显，说明如下：
如图5所示，在壁面增加了连通结构后，各个位置的压力分布更加均匀，能够保证燃烧室壁面结构的稳定工作。
如图6所示，流量分配系数越均匀代表着通道间流量分配偏差越小，从图中可以看出，本发明提供的结构流量分配系数更加均匀，代表高热流通道流阻减小，燃料热沉分配以及使用更加合理。
如图7所示，本发明的出口油温相对平稳且数值较小，意味着本发明的结构对于燃烧室壁面的冷却效果明显，收益较高。
一般地发动机再生冷却通道内的压力覆盖吸热型正癸烷的近临界压力区和超临界压力区。在近临界压力区正癸烷的热物性在其拟临界温度附近变化较为剧烈，流动和传热特性与亚临界压力下的两相流类似且较为复杂。在入口处层状热边界层的厚度沿管长逐渐增加，传热热阻增大使得传热强度降低，壁面温度升高；而当热边界层充分发展后层状热边界层转变为湍流状热边界层，热边界层厚度减小，传热回归正常。壁面热载荷最高对应的管路，平均油温更高，平均密度更低，平均流速更快，从而流阻整体上增大，使得该通道流量降低，来对并联通道之间的压差进行平衡。最终，最需要冷却的高热流区域，燃料反而最少，导致冷却能力严重不足，出现传热恶化甚至出现部件烧毁等现象，而本发明的冷却通道3采用燃油吸热段通道10、燃油掺混段通道11、燃油裂解段通道12的分段式结构，彻底解决了该问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。
Claims (7)
1.一种可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构，其特征在于，包括用于为所述燃烧室(6)供油燃烧的燃油喷嘴(8)和用于将液体燃料进行至少一次分流裂解的冷却通道(3)；所述的冷却通道(3)延伸设置在所述超燃冲压发动机的进气道(4)、隔离段(5)、燃烧室(6)及喷管(7)的内腔壁面(14)上，；所述冷却通道(3)的入口位于所述进气道(4)的入口处，冷却通道(3)的出口位于所述喷管(7)的出口处；
所述冷却通道(3)是由双层壁面围成的通道，在所述的冷却通道(3)在所述内腔轴向延伸方向上依次设有燃油吸热段通道(10)、燃油掺混段通道(11)、燃油裂解段通道(12)和燃油回收段通道(13)，所述燃油吸热段通道(10)和燃油裂解段通道(12)均是在所述双层壁面之间，且沿所述内腔壁面(14)周向依次排布的隔板(31)分隔形成的多个等截面通道，所述燃油吸热段通道(10)与燃油裂解段通道(12)的结构完全相同且位置相互对应，所述燃油吸热段通道(10)的出口端与燃油裂解段通道(12)入口端之间的通道即为所述的燃油掺混段通道(11)，所述燃油裂解段通道(12)出口端后方的通道即为所述的燃油回收段通道(13)；
所述的液体燃料在所述的燃油吸热段通道(10)内的多个等截面通道内吸收燃烧室(6)的不均匀热量，并在燃油掺混段通道(11)内充分掺混，达到裂解温度的液体燃料又通过燃油裂解段通道(12)的多个等截面通道进入燃油回收段通道(13)进行液体燃油的回收；
在所述燃油回收段通道(13)出口处设有燃油管道(9)，所述冷却通道(3)的燃油回收段通道(13)通过燃油管道(9)与油箱(1)相连通，油箱(1)通过管路与旋流泵(2)相连通，旋流泵(2)具有两个出油口，一个出油口通过第一管路与所述的燃油喷嘴(8)相连通，另一个出油口通过第二管路与所述冷却通道(3)的入口相连通。
2.如权利要求1所述的可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构，其特征在于，所述超燃冲压发动机的进气道(4)、隔离段(5)、燃烧室(6)及喷管(7)的内腔剖面均呈方形或长方形，所述冷却通道(3)的剖面也呈方形或长方形，与所述内腔剖面形状相适配设置，用于增加结构的可靠性，并防止所述的内腔内壁面出现局部超温现象。
3.如权利要求1所述的可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构，其特征在于，所述冷却通道(3)的燃油吸热段通道(10)与燃油裂解段通道(12)的截面为方形或长方形。
4.如权利要求1-3任一所述的可抑制传热恶化的超燃冲压发动机壁面结构，其特征在于，所述燃油掺混段通道(11)的起始端位于所述燃烧室(6)内壁面冷却通道(3)总长的40-60％处，所述燃油掺混段通道(11)的长度是所述的燃油吸热段通道(10)长度的4-6倍。
5.如权利要求1-3任一所述的超燃冲压发动机壁面结构，其特征在于，所述的液体燃料为碳氢燃料。
6.如权利要求5所述的超燃冲压发动机壁面结构，其特征在于，所述的液体燃料为RP-3航空煤油或正癸烷。
7.如权利要求1-6所述的超燃冲压发动机壁面结构抑制传热恶化的方法，其特征在于，所述由旋流泵(2)泵出的部分液体燃料，由第二管路进入所述的冷却通道(3)，所述的液体燃料通过所述燃油吸热段通道(10)的多个等截面通道A流经燃烧室(6)的内腔壁面(14)，对燃烧室(6)进行冷却，在燃烧室内腔壁面(14)不均匀高温的作用下，使所述多个等截面通道A内的液体燃料温度各不相同；
所述燃油掺混段通道(11)对所述多个等截面通道A出口处的不同温度的液体燃料进行充分掺混，由于燃油吸热段通道(10)至燃油掺混段通道(11)的通道体积突扩，在所述燃油掺混段通道(11)内形成了大量的回流区B，降低了燃油吸热段通道(10)出口的油温，对所述燃油裂解段通道(12)入口的压力进行平衡从而强化换热，降低由于温差所导致的流量分配偏差，增强了所述多个等截面通道A中高热流通道内的湍流；同时，所述的回流区B使得多个等截面通道A的液体燃料进行再分配，流体燃料温度达到了裂解温度，从而在进入燃油裂解段通道(12)时发生裂解或在燃油裂解段通道(12)内进行裂解，使燃油裂解段通道(12)内的多个等截面通道A1的流量得到改善，冷却能力得到提升，进而降低了燃烧室(6)的壁面温度；
接着裂解吸热的液体燃料由燃油裂解段通道(12)出口，经由燃油管路(9)输送到燃油喷嘴(8)处进行燃烧，对冷却用液体燃料进行再利用。
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