[发明专利]一种冲压发动机可调喷油支板结构及控制方法

说明书

本发明公开了一种冲压发动机可调喷油支板结构及控制方法，属于航空航天发动机领域，包括沿内流壁面周向阵列设置的多个可调支板单元、环形架和驱动组件；环形架环绕内流壁面外侧；可调支板单元包括支板、第一连接杆、第二连接杆和球状旋转调节件；第二连接杆活动连接于环形架；第一连接杆与第二连接杆活动连接，支板与球状旋转调节件连接；驱动组件驱动环形架前后平移并转化为阵列式多支板的同步旋转运动。本发明可满足目前宽速域大尺度冲压发动机对主流喷注需求，利用支板结构调节实现不同后掠角喷注、直至完全收起，最大程度降低喷油支板结构对内流场带来的影响，同时提供面向实际应用的整体驱动调节和控制方法，以满足工程应用需求。

技术领域

本发明属于航空航天发动机领域，更具体地，涉及一种冲压发动机可调喷油支板结构及控制方法。

背景技术

未来水平起降临近空间高超声速飞行器，需具备从零速至高超声速、地面至临近空间甚至近地轨道空间的极宽速域、空域的工作能力，兼顾巡航经济性和加速能力的优良比冲、推重比综合性能，具有结构紧凑、适宜可重复使用等特点。基于涡轮、火箭、冲压等传统发动机的吸气式组合动力发动机是必然需求与发展趋势，其中具备更宽速域、更高马赫数、更高性能工作能力的大尺度冲压发动机是吸气式组合动力发动机的重要支撑，理论上要求具备飞行马赫数2至10以上的工作能力，是未来高性能空天组合动力发动机研制的关键。

吸气式冲压发动机利用大气中空气作为氧化剂，配合燃烧室流道内部燃料喷注，燃烧组织，实现热功转化、产生喷气推进力。燃料喷注、高效掺混扩散以及合理油气空间分布式高效火焰稳定工作、高性能燃烧释热的前提，如何将燃料输送至燃烧室核心主流、并与来流空气掺混作用成为冲压发动机设计需要解决的关键问题之一，本质上就是宽速域工作适应性的燃料喷注方案设计。通常地，冲压发动机燃料喷注主要采用壁面直接喷注、主流插入式结构喷注两种方式，由于近壁面直接喷注存在穿透深度不足、掺混扩散范围受限等瓶颈，工程实用的大尺度冲压发动机主要采用喷油支板等插入式结构，将燃料输送至核心主流进行掺混，如图1所示为典型的大尺度燃烧室流道的支板喷注结构。面向宽速域工作的燃烧内流环境与燃烧组织要求，随着飞行马赫数提高，燃料喷注、燃烧释热区域将逐渐向上移动，以获得与空气来流参数条件、流道扩张规律的最佳匹配工作，这也是高性能工作的内在要求。因此，往往需要多处阵列式喷油支板的组合喷注策略，理论上需要适应的工作马赫数范围越宽，设置的燃料喷注位置也需要相应地增加。

高速冲压发动机燃烧室内部流速高、且变化范围跨度大，覆盖从亚声速-跨声速-超声速的内流速度范围，插入式支板结构与高温高速气流相互作用，必然会导致流体气动损失、结构受热等问题，尤其是面向宽速域设计的沿程多处固定式支板结构将会面临更大气动性能损失、结构热防护等难点问题，需要寻求创新型解决方案。主要问题如下：

1)支板阻力问题。支板结构承担燃料喷注功能的同时，对高速来流产生绕流、阻碍作用，一方面有利于强化油气混合，另一方面也带来气动损失、降低主流做功能力，过高的损失会造成发动机性能显著下降。在超声速气流条件下，支板前缘会诱导产生激波，气动损失、阻力代价显著增加。

2)结构热防护问题。支板结构一般为薄扁、细长结构，暴露高焓气流、高温燃气中，在对流及辐射换热双重作用下其前缘驻点、结构表面的热环境非常恶劣，容易造成热沉结构烧蚀破坏、或者增加对主动冷却的需求，这对于长时间可靠工作、重复使用设计是一个挑战。

因此，从发动机性能、热防护实际，存在对插入后掠角可调、收放式调节的喷油支板结构应用需求，可根据发动机工作模态与内流工作状态、燃油喷注要求进行支板结构调节，以满足燃油喷注掺混与空间分布、减小气动损失为原则；在不需要进行燃料喷注时，可将喷油支板完全收起，避免与高温燃气的直接对流作用，减小气动损失、有利于热防护。

发明内容