[发明专利]超声速燃烧室壁面凹腔结构及包含其的发动机燃烧室

说明书

技术领域

本发明涉及发动机点火技术领域，具体而言，涉及一种超声速燃烧室壁面凹腔结构及包含其的发动机燃烧室。

背景技术

凹腔火焰稳定器目前广泛应用于超燃冲压发动机燃烧室中。超声速气流流过凹腔会在凹腔内形成回流区，能够使火焰始终驻留在其中，并作为新的火源持续点燃上游来的燃料，从而实现火焰稳定。凹腔在超声速燃烧室中可集燃料喷注、混合增强及火焰稳定作用于一身，在提高超燃冲压发动机性能方面发挥了重要的作用。

目前工程中常见的燃料喷注/点火/火焰稳定/冷却一体化凹腔，它包含了燃料喷注、点火、火焰稳定一体化，以凹腔作为基本构型，在凹腔上游或/与底部喷注燃料，火炬/等离子体点火器也装在凹底部。

专利《一种用于超声速燃烧室的壁面凹槽》（公开号CN101245921）公开了一种用于超声速燃烧室的壁面凹槽，包括两个前侧壁、两个后侧壁以及底壁，后侧壁和前侧壁的表面面积均向下游方向逐渐收缩，形成类似“燕尾”型的凹槽，这个发明主要是降低壁面凹槽产生的气动阻力。

专利《一种台阶/凹槽复合喷射结构的超声速燃烧室方案》（公开号CN101435586）公开了一种新型台阶/凹腔复合喷射结构的超声速燃烧室方案，主要是在燃烧室台阶及燃烧室凹腔前增加燃料喷嘴，共同用于燃烧室内的燃料喷射和使用，这个发明主要是用于促进燃料和空气的充分混合，保证在超声速气流的燃料的点火以及稳定燃烧。

论文《Flame Characteristics and Fuel Entrainment Inside a Cavity Flame Holder in a Scramiet Combustor》列出了如下采用气动喉部壅塞和火花塞共同作用点火的方案。这种方案采用凹腔内部布置火花塞和凹腔内喷射H2作为引导火焰，并且在凹腔下游布置气动喉道造成壅塞分离促进点火的方案。

论文《Experimental Study of Cavity-Strut Combustionin Supersonic Flow》提出了一种与支板组合使用的凹腔，支板用于加强燃料向中心主流区的喷射，凹腔后壁采用空气与燃料的同时喷射用于加强凹腔内的点火和燃烧，火花塞设置在凹腔的底壁中间。

可以看出，目前的凹腔设计已经具有大量的结构形式，对应的燃料喷射也有多种方案，通常来讲，合适的凹腔设计可以在空间上形成适当的回流区，与燃料喷注配合，从而稳定住火焰。同时，由于凹腔内部的高温低速环境，点火一般设置在凹腔内部。目前增强点火的方案采用的通常有两种，一是直接在凹腔内部喷入燃料或者在喷入燃料的同时补喷入空气，使得存在连续的混合气；二是在下游设置气动壅塞，用于扩大分离区，使得点火过程的火焰能够扩散到更大的区域。对于增强燃烧通常的方案通常设置支板等类型的扰流装置设法提高壁面燃料喷射的穿透度，同时保证将燃料均匀分布喷射入主流中心。

但是采用上述的设计方法，会存在以下缺点：

1.超声速来流条件下凹腔质量交换率低，在凹腔回流区外部的燃料喷射，容易形成回流区的贫燃，在凹腔回流区内的喷射容易形成回流区的富燃，对于点火都不利；

2.采用增强点火的方案（例如在凹腔内部补喷空气、下游设置气动喉道壅塞）需要增加额外高压气源；

3.采用提高燃料喷射穿透度从而增强燃烧的方案需要设置支板等部件，这些部件会产生较大的阻力，并给热防护造成很大的困难。

发明内容

本发明旨在提供一种超声速燃烧室壁面凹腔结构及包含其的发动机燃烧室，结构简单，能够在点火前促进凹腔内燃料点火，点火后增强燃料射流燃烧。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超声速燃烧室壁面凹腔结构，包括安装座，安装座内设置有燃烧室壁面凹腔，燃烧室壁面凹腔的位于空气进入侧的上游设置有导流孔，导流孔的下游对应设置有凹腔上游燃料喷孔，凹腔上游燃料喷孔靠近导流孔，凹腔上游燃料喷孔下游设置有与导流孔相连通的导流孔出口，导流孔出口连通至凹腔上游燃料喷孔。

进一步地，燃烧室壁面凹腔的空气进入侧设置有凹腔前缘台阶，凹腔前缘台阶上包括有多个竖向设置的凹腔上游燃料喷孔和导流孔，多个凹腔上游燃料喷孔沿第一纵向面间隔设置，多个导流孔沿平行于第一纵向面的第二纵向面间隔设置，各凹腔上游燃料喷孔均连接至燃料进口，导流孔与凹腔上游燃料喷孔在凹腔前缘台阶内不相连通。

进一步地，燃烧室壁面凹腔上还包括沿位于燃烧室壁面凹腔内的第三纵向面竖向间隔设置的多个凹腔底壁燃料喷孔，第三纵向面平行于第一纵向面，多个凹腔底壁燃料喷孔的底部均连接至燃料进口。