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CN108612598B - 改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法及发动机燃烧室 - Google Patents

改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法及发动机燃烧室 Download PDF

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胡俊逸
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Abstract

本发明提供一种改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法及发动机燃烧室，向发动机内喷入空气即空气射流，喷入空气的流量为发动机入口空气流量的20％～30％，射流空气温度为10～55℃，双模态冲压发动机燃烧室内模态将由超燃态向亚燃态转变；本发明能够简单方便的影响或改变双模态冲压发动机的燃烧模态，有别于目前影响和改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法，本方法不需要改变入口气流条件和喷油条件，具有操作简单、可实现性强的特点，为解决双模态冲压发动机燃烧模态形成与转换问题提供了新的方法。

Description

改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法及发动机燃烧室
技术领域
本发明属于高超声速飞行器发动机技术领域，尤其是一种改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法及这种方法使用的发动机燃烧室。
背景技术
由于火箭发动机比冲低且成本高，冲压发动机目前已经成为高超声速飞行器的首选推进装置。尤其对于宽马赫数范围内飞行的高超声速飞行器，双模态冲压发动机展现了良好的推进性能，当马赫数在3～6范围内时，发动机燃烧室内以亚音速燃烧(Ma<1)，称为亚燃模态；当飞行马赫数大于6时，发动机燃烧室内以超音速燃烧(Ma>1)，称为超燃模态。对于宽马赫数范围内飞行的飞行器来说，发动机燃烧室内模态将由亚燃向超燃转变，称为双模态冲压发动机，因此需要控制和影响双模态冲压发动机的燃烧模态形成与转换。
Sullins等通过改变发动机入口气流的总温，成功的验证了可以通过改变来流总温使双模态冲压发动机从亚燃模态转换为超燃模态。Mitani等通过增加燃料流量，使得氢燃料的双模态冲压发动机从弱燃烧模态进入强燃烧模态。Le等通过调节燃料当量比实现了燃烧模态转换。Takahashi等通过改变燃烧室的下游尺寸，实现了超燃冲压发动机燃烧模态的转换。Kanda 等通过改变燃料的喷注位置，获得了不同的燃烧模态。Sadatake等通过采用边界层抽吸的方法实现了双模态冲压发动机的模态转换。
以上方法是通过改变发动机入口气流条件或是改变发动机喷油条件或是改变发动机构型影响和改变发动机燃烧模态的，部分方法实现起来复杂而又困难。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种不需要改变入口气流条件和喷油条件的改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法及这种方法使用的发动机燃烧室。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法，向发动机内喷入空气即空气射流，喷入空气的流量为发动机入口空气流量的20％～30％，射流空气温度为10～55℃，双模态冲压发动机燃烧室内模态将由超燃态向亚燃态转变。
作为优选方式，所述方法包括如下步骤：(1)空气流入发动机；(2)发动机工作总时间的20％时刻，射流空气喷入发动机；(3)发动机工作总时间的32.5％时刻，燃料注入发动机；(4)发动机工作总时间的32.5％时刻，点火器打开；(5)发动机工作总时间的65％时刻，点火器关闭；(6)发动机工作总时间的75％时刻，空气射流停止；(7)发动机工作总时间结束，燃料停止喷入，空气不再流入发动机；其中，发动机工作总时间是指空气开始流入发动机到空气停止流入发动机的时间。
作为优选方式，发动机燃烧室的上部包括第一注油块、第一注油块右侧的点火器、点火器右侧的第二注油块、第二注油块右侧的空气射流块，发动机凹槽位于发动机隔离段出口的上壁面，第一注油块和点火器位于发动机凹槽內，第三注油块位于发动机凹槽对侧的下壁面，燃烧室的下部设有第三注油块、第三注油块右侧的第四注油块，空气射流快上设有垂直于内壁面的射流孔，射流空气在发动机凹槽后部垂直空气射流块的內壁面喷入发动机内。
作为优选方式，射流孔距离发动机凹槽后缘150mm。
作为优选方式，射流孔为发动机宽度方向均布的20个直径3mm的圆孔。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种发动机燃烧室，燃烧室上部包括第一注油块、第一注油块右侧的点火器、点火器右侧的第二注油块、第二注油块右侧的空气射流块，发动机凹槽位于发动机隔离段出口的上壁面，第一注油块和点火器位于发动机凹槽內，第三注油块位于发动机凹槽对侧的下壁面，燃烧室的下部设有第三注油块、第三注油块右侧的第四注油块，空气射流快上设有垂直于内壁面的射流孔，射流空气在发动机凹槽后部垂直空气射流块的內壁面喷入发动机内。
本发明的有益效果为：本发明能够简单方便的影响或改变双模态冲压发动机的燃烧模态，有别于目前影响和改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法，本方法不需要改变入口气流条件和喷油条件，具有操作简单、可实现性强的特点，为解决双模态冲压发动机燃烧模态形成与转换问题提供了新的方法。
附图说明
图1(a)是本发明的双模态冲压发动机燃烧室的结构图；
图1(b)是图1(a)的空气射流块和射流孔的结构图；
图2是无空气射流时双模态冲压发动机火焰发展情况；
图3是本发明有空气射流时双模态冲压发动机火焰发展情况；
图4是有无空气射流时流场质量加权马赫数曲线图。
图5是本发明不同流量比空气射流时双模态冲压发动机火焰发展情况。
图6是20ms时不同流量比空气射流和无空气射流时流场质量加权马赫数曲线图。
其中，1为发动机燃烧室，2为第一注油块，3为点火器，4为第二注油块，5为空气射流块，6为第三注油块，7为发动机凹槽，8为第四注油块，9为射流孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1(a)和图1(b)所示，本实施例的一种发动机燃烧室，燃烧室上部包括第一注油块2、第一注油块2右侧的点火器3、点火器3右侧的第二注油块4、第二注油块4右侧的空气射流块5，发动机凹槽7位于发动机隔离段出口的上壁面，第一注油块2和点火器3位于发动机凹槽7內，第三注油块6位于发动机凹槽7对侧的下壁面，燃烧室的下部设有第三注油块6、第三注油块6右侧的第四注油块8，空气射流快5上设有垂直于内壁面的射流孔9，射流空气在发动机凹槽后部垂直空气射流块5的內壁面喷入发动机内。
本实施例的一种改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法，向发动机内喷入空气即空气射流，喷入空气的流量为发动机入口空气流量的20％～30％，射流空气温度为10～55℃，双模态冲压发动机燃烧室内模态将由超燃态向亚燃态转变。
所述方法包括如下步骤：(1)空气流入发动机；(2)发动机工作总时间的20％时刻，射流空气喷入发动机；(3)发动机工作总时间的32.5％时刻，燃料注入发动机；(4)发动机工作总时间的32.5％时刻，点火器打开；(5)发动机工作总时间的65％时刻，点火器关闭； (6)发动机工作总时间的75％时刻，空气射流停止；(7)发动机工作总时间结束，燃料停止喷入，空气不再流入发动机；其中，发动机工作总时间是指空气开始流入发动机到空气停止流入发动机的时间。
具体的，射流孔9距离发动机凹槽7后缘150mm。
具体的，射流孔为发动机宽度方向均布的20个直径3mm的圆孔。
下面采用数值模拟方法验证空气射流这一方法的有效性，由于非定常化学反应流动耗时较长，因此数值模拟的总时间为20ms。图1给出了本发明的双模态冲压发动机的结构图，图中高速空气从左至右流经发动机燃烧室。图2～图6给出了采用具有自主知识产权的AHL3D 数值模拟软件模拟的非定常结果，该软件的可靠性目前已经得到了广泛的验证。图2给出了不采用空气射流时双模态冲压发动机煤油燃烧火焰分布情况，这里以煤油燃烧产物二氧化碳标记燃烧区位置。从图3和图4的模拟结果可以看出：没有实施空气射流方法的双模态超燃冲压发动机流场内，下壁面火焰最终熄灭，没有稳定燃烧。这一点可以从图3中t＝6ms是可看出，下壁面已经没有火焰存在；实施空气射流方法的流场内，下壁面火焰稳定燃烧，t＝6ms 时刻，下壁面火焰稳定存在。
从图5可以看出，没有实施空气射流的双模态冲压发动机全流场加权马赫数均大于1，因此燃烧模态为超燃；实施空气射流的燃烧流场主燃区加权马赫数均小于1，因此燃烧模态为亚燃。图6是针对图3的超燃模态实施空气射流后，考察空气射流是否可以改变燃烧模态，分别实施了10％，20％和30％流量比的空气射流(流量比：空气射流流量与发动机入口空气流量的比值)，从图中可以看出，实施10％流量比的空气射流没有效果，下壁面的煤油仍然没有燃烧；而实施20％流量比和30％流量比的空气射流的发动机燃烧流场内，下壁面煤油可以稳定燃烧。从图6可以看出，实施10％流量比空气射流的发动机加权马赫数与没有实施空气射流的加权马赫数基本一致，没有效果。而实施20％流量比和30％流量比的空气射流的双模态冲压发动机主燃区加权马赫数均小于1，燃烧模态成功由超燃转变为亚燃，射流流量比越大，亚燃区越大。由此可见空气射流是一种有效地影响和改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法，其特征在于：向发动机内喷入空气即空气射流，喷入空气的流量为发动机入口空气流量的20％～30％，射流空气温度为10～55℃，双模态冲压发动机燃烧室内模态将由超燃态向亚燃态转变；
具体包括如下步骤：(1)空气流入发动机；(2)发动机工作总时间的20％时刻，射流空气喷入发动机；(3)发动机工作总时间的32.5％时刻，燃料注入发动机；(4)发动机工作总时间的32.5％时刻，点火器打开；(5)发动机工作总时间的65％时刻，点火器关闭；(6)发动机工作总时间的75％时刻，空气射流停止；(7)发动机工作总时间结束，燃料停止喷入，空气不再流入发动机；其中，发动机工作总时间是指空气开始流入发动机到空气停止流入发动机的时间。
2.根据权利要求1所述的改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法，其特征在于：发动机燃烧室(1)的上部包括第一注油块(2)、第一注油块(2)右侧的点火器(3)、点火器(3)右侧的第二注油块(4)、第二注油块(4)右侧的空气射流块(5)，发动机凹槽(7)位于发动机隔离段出口的上壁面，第一注油块(2)和点火器(3)位于发动机凹槽(7)內，第三注油块(6)位于发动机凹槽(7)对侧的下壁面，燃烧室的下部设有第三注油块(6)、第三注油块(6)右侧的第四注油块(8)，空气射流快(5)上设有垂直于内壁面的射流孔(9)，射流空气在发动机凹槽后部垂直空气射流块(5)的內壁面喷入发动机内。
3.根据权利要求1所述的改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法，其特征在于：射流孔(9)距离发动机凹槽(7)后缘150mm。
4.根据权利要求1所述的改变双模态冲压发动机燃烧模态的方法，其特征在于：射流孔为发动机宽度方向均布的20个直径3mm的圆孔。
5.一种发动机燃烧室，其特征在于：燃烧室上部包括第一注油块(2)、第一注油块(2)右侧的点火器(3)、点火器(3)右侧的第二注油块(4)、第二注油块(4)右侧的空气射流块(5)，发动机凹槽(7)位于发动机隔离段出口的上壁面，第一注油块(2)和点火器(3)位于发动机凹槽(7)內，第三注油块(6)位于发动机凹槽(7)对侧的下壁面，燃烧室的下部设有第三注油块(6)、第三注油块(6)右侧的第四注油块(8)，空气射流快(5)上设有垂直于内壁面的射流孔(9)，射流空气在发动机凹槽后部垂直空气射流块(5)的內壁面喷入发动机内。
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