[发明专利]一种用于提高RBCC双模态燃烧室掺混燃烧的燃料支板

说明书

技术领域

本发明属于增强燃料掺混扩散的燃料支板结构，具体地说,涉及一种用于提高RBCC双模态燃烧室掺混燃烧的燃料支板。

背景技术

火箭冲压组合循环（RBCC）发动机将火箭发动机和冲压发动机有机地结合在同一流道中，使其能够在不同的飞行高度和马赫数下启用最优的工作模态，充分发挥火箭发动机和冲压发动机各自的特点，使RBCC发动机在具有高比冲、高推重比的同时还拥有零速启动、可重复利用的优点。如何在较短的燃烧室内实现燃料的高效稳定燃烧一直是RBCC双模态燃烧室的核心问题，在文献AIAA2007-5404“Pylon Fuel Injector Design for a Scramjet Combustor”中提到采用插入式楔形支板进行燃料的喷注，同时在支板尾部增加交错结构可以增强燃料的掺混，其主要的技术原理是利用支板尾部形成的低速回流区提供给燃料足够的掺混和反应时间，使其满足自持点火的流动条件，并且回流区边缘剪切层速度梯度及湍流强度都很大，有利于燃料与来流空气进行有效的掺混，尾部交错楔形结构则可以进一步提高流动的湍流度，增强掺混，尾迹区的漩涡结构能起到一定的稳焰效果，有利于火焰的进一步传播，但其研究中来流条件和燃料的喷注位置较为单一，且是基于气态燃料的喷注进行考虑的，同时试验和数值模拟均是在冷流（燃料没有点火燃烧）条件下进行的，但是对于宽马赫飞行和采用碳氢燃料的RBCC发动机来说，支板的应用还需要进一步设计和改进。在本发明的前期构型里使用的楔形支板如图1所示，燃料选择在支板两侧进行喷注，从而大大提高了燃料的穿透能力，使燃料能更有效的与主流气体相互掺混，形成均匀的混合燃气进行燃烧，支板及其尾部流向涡结构能在其尾迹形成回流区及剪切层，其燃烧流动特点如图2所示，通过该楔形支板结构实现了燃料的有效掺混以及火焰的扩散传播。

发明内容

根据现有研究发现由于RBCC发动机燃烧组织的特点，基准构型支板仅能保证核心流区域的燃烧反应，且仅能适应相对较低马赫数时的高效燃烧组织，一旦当来流马赫数超过3.5Ma条件后，由于燃料支板后侧形成的剪切层燃烧产生的燃烧边界隔离了发动机中心流与两侧空气的物质输运，使发动机两侧的空气与发动机中心流之间的掺混能力下降，导致中心区域的燃料得不到充分燃烧，造成燃烧性能的大幅下降。针对上述情况，本发明提出一种用于提高RBCC双模态燃烧室掺混燃烧的燃料支板。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括燃料支板主体、燃料支板喷注块，燃料支板主体为具有单侧楔形突台的流向涡燃料支板结构，两燃料支板依中心轴对称设置，通过焊接方式连接到燃料喷注块上，燃料喷注块两侧设有定位孔，通过螺栓固定在发动机上，且可在不同的试验工况中切换喷注位置；

所述燃料支板前体为楔形结构，楔角为15°，支板后体为等直段，燃料支板前体外侧竖直方向均布有三个等间距楔形突台，楔角为35°，楔形突台采用焊接的方式与支板固连；燃料喷孔位于支板上楔形突台后部等直段侧壁上，每侧壁面竖直方向分别有四个等间距的喷孔，燃料通过支板等直段上的通道进入各个喷孔；燃料支板尾部采用流向涡结构，为交错的楔形凹槽，凹槽为直角三角形体，燃料支板主体材料采用高温合金钢；

所述燃料喷注块为长方体结构，喷注块上表面设有两个螺孔用于连接燃料喷注软管，喷注块内部有燃料通道与螺孔相通，下部与燃料支板上的通道连接，形成一个整体喷注结构，燃料喷注块材料采用45^#钢。

有益效果

本发明提出的一种用于提高RBCC双模态燃烧室掺混燃烧的燃料支板,是一种适用于RBCC宽来流条件燃烧组织的燃料支板结构，其特点是:第一，结合了楔形支板的燃烧组织特色，强化了支板侧边上的流体的导向涡，从而使燃料掺混更有效；第二，合理的破坏了支板后段规则的剪切层，使燃料支板后侧的剪切层具有更强的湍流度，使燃烧边界层的区域变宽，从而使燃料能有效的穿透燃烧边界的束缚，与来流空气进行更好的掺混，燃烧火焰也能进一步向支板两侧传播，形成更大的燃烧区域；第三，燃料喷注块结构紧凑简单，易于加工实现，且便于在不同的试验中更换支板以及切换喷注位置，有利于更多试验研究的开展。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于提高RBCC双模态燃烧室掺混燃烧的燃料支板作进一步详细说明。

图1为基准构型燃料支板结构示意图。

图2为楔形支板燃烧组织区域示意图。

图3为带侧楔形燃料支板构型示意图。

图4为带侧楔形燃料支板右视图。

图5为带侧楔形燃料支板主视图。