本發(fā)明涉及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、組合循環(huán)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種帶有冷卻結(jié)構(gòu)的燃料支板噴注器。

背景技術(shù)：

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率與燃料和空氣的摻混效果有密切的聯(lián)系；為了提高燃料在高速來(lái)流中的噴注深度，使噴注的燃料在燃燒室主流燃?xì)庵蝎@得較為均勻的分布，提高與來(lái)流空氣的摻混效率，通常采用燃料支板噴注器。但是，支板噴注器在發(fā)動(dòng)機(jī)中承受著極高的熱載荷，尤其是支板前緣，在工作時(shí)極易被燒毀。對(duì)于支板熱防護(hù)，常規(guī)方式是采用耐高溫金屬材料，利用材料熱沉進(jìn)行被動(dòng)熱防護(hù)，但支板所處熱環(huán)境極其惡劣，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)支板前緣處溫度可達(dá)3000K左右，超過(guò)絕大多數(shù)現(xiàn)有金屬材料的使用極限，使用金屬熱沉的支板不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

傳統(tǒng)的采用耐高溫材料進(jìn)行被動(dòng)式熱防護(hù)的支板造價(jià)高昂，且目前很難找到能夠長(zhǎng)時(shí)間承受發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫、高熱流、熱環(huán)境的材料；專(zhuān)利200910236121.5中提出“一種支板前緣噴氣熱防護(hù)結(jié)構(gòu)”，利用支板前緣狹縫噴出的低溫氣體在支板表面形成低溫氣膜對(duì)支板進(jìn)行熱防護(hù)，但是這種支板結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，加工工藝難度較高；在專(zhuān)利201310561173.6中提出一種“利用發(fā)汗與沖擊冷卻對(duì)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)噴注支板的熱防護(hù)方法”，根據(jù)多孔介質(zhì)特性，利用燃料作為冷卻劑，結(jié)合沖擊冷卻的概念，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴注支板的熱防護(hù)效果。但支板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且多孔結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生較大的流動(dòng)阻力，對(duì)燃料供應(yīng)系統(tǒng)要求高，不利于燃料的噴注和摻混燃燒。

支板作為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、組合循環(huán)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，其在燃料噴注、摻混和燃燒多方面有著重要作用，但是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中支板所處的熱環(huán)境極其惡劣，支板熱防護(hù)問(wèn)題是發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)問(wèn)題中的重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種燃料支板噴注器；該噴注器以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、組合循環(huán)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料作為冷卻劑、采用再生冷卻方式，根據(jù)支板在流場(chǎng)中的受熱情況合理設(shè)計(jì)冷卻通道，冷卻劑在在冷卻通道內(nèi)通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)對(duì)支板噴注器的主動(dòng)熱防護(hù)，然后噴入燃燒室與燃?xì)鈸交烊紵?，?shí)現(xiàn)支板長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:燃料支板噴注器包括支板，在靠近支板壁面內(nèi)側(cè)布設(shè)冷卻通道，其特征在于所述支板為前緣倒圓楔形結(jié)構(gòu)，流動(dòng)通道位于支板前緣壁面內(nèi)側(cè)，流動(dòng)通道前緣距離支板外壁前緣距離為1.0～3.0mm，流動(dòng)通道前緣倒圓，倒圓半徑為0.5～2.0mm；支板前緣壁面內(nèi)側(cè)和支板后壁面內(nèi)側(cè)分別有多組冷卻通道入口，支板側(cè)壁上分別有多組燃料噴孔，集液腔位于支板底部，集液腔與流動(dòng)通道相連通，靠近支板側(cè)壁面處的冷卻通道均與集液腔連通，冷卻劑進(jìn)入通道入口，沿通道向支板底部流動(dòng)于集液腔匯集，通過(guò)燃料噴注孔噴出支板；冷卻劑在噴入燃燒室之前，以強(qiáng)制對(duì)流的流動(dòng)換熱方式在通道內(nèi)部吸熱，降低支板溫度同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃料預(yù)熱。

所述支板內(nèi)冷卻通道橫截面形狀為矩形或圓形；冷卻通道壁面與支板壁面距離為0.5～3.0mm。

所述支板內(nèi)流動(dòng)通道橫截面形狀為前緣倒圓三角形結(jié)構(gòu)，且與支板橫截面前部形狀相同。

所述支板材料為高導(dǎo)熱系數(shù)的不銹鋼或高溫合金鋼。

有益效果

本發(fā)明提出一種燃料支板噴注器，以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、組合循環(huán)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料作為冷卻劑，采用再生冷卻方式，支板噴注器根據(jù)支板在流場(chǎng)中的受熱情況，合理設(shè)計(jì)冷卻通道，冷卻劑在冷卻通道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中以對(duì)流換熱方式對(duì)支板進(jìn)行主動(dòng)冷卻，然后噴入燃燒室與燃?xì)鈸交烊紵?，?shí)現(xiàn)支板長(zhǎng)時(shí)間正常工作。支板噴注器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，對(duì)支板熱防護(hù)效果良好且能夠?qū)崿F(xiàn)支板噴注燃料的功能。

本發(fā)明燃料支板噴注器內(nèi)部布設(shè)冷卻通道，可對(duì)支板進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)，避免高溫燃?xì)獾那治g，同時(shí)使噴注的燃料在燃燒室主流燃?xì)庵懈泳鶆虻膿交旌头植?。支板噴注器結(jié)構(gòu)主要由支板外壁、支板、冷卻通道、集液腔組成。當(dāng)支板工作在發(fā)動(dòng)機(jī)流道內(nèi)高溫燃?xì)猸h(huán)境中時(shí)，冷卻劑從冷卻通道入口進(jìn)入支板內(nèi)部冷卻通道，通過(guò)對(duì)流換熱吸收燃燒室內(nèi)部高溫燃?xì)鈧鬟f給支板外壁面的熱量，使支板固體區(qū)域溫度維持在所采用金屬材料的許用溫度之下。冷卻劑在支板底部集液腔進(jìn)行摻混，使得混合后冷卻劑的整體溫度均勻，然后經(jīng)燃料噴注孔射入燃燒室內(nèi)與來(lái)流摻混燃燒。

本發(fā)明燃料支板噴注器，根據(jù)氣-固-液耦合傳熱原理，在金屬材料支板內(nèi)部，根據(jù)支板受熱分布情況合理設(shè)計(jì)布設(shè)冷卻通道，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻通道構(gòu)型、冷卻通道設(shè)置、冷卻通道橫截面積以及冷卻劑流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)支板有效地再生冷卻。

本發(fā)明采用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料作為冷卻劑對(duì)金屬材料支板進(jìn)行熱防護(hù)，避免了采用被動(dòng)熱防護(hù)的金屬材料支板燒蝕嚴(yán)重、工作時(shí)間短，復(fù)合材料支板加工困難、成本高昂、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)支板的再生冷卻。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種燃料支板噴注器作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明燃料支板噴注器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明燃料支板噴注器的冷卻通道入口部位示意圖。

圖3為本發(fā)明燃料支板噴注器的支板橫截面剖視圖。

圖4為單個(gè)支板冷卻劑流量為定值時(shí)支板前緣、冷卻通道出口處冷卻劑平均溫度線(xiàn)圖。

圖5為相應(yīng)冷卻劑流量下支板前緣壁面中心線(xiàn)上溫度沿支板高度方向的分布曲線(xiàn)。

圖中

1.冷卻通道 2.集液腔 3.支板 4.支板前緣壁面 5.支板側(cè)壁面 6.支板后壁面7.支板底部 8.通道入口 9.流動(dòng)通道 10.燃料噴孔

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種燃料支板噴注器。

參閱圖1～圖5，本實(shí)施例燃料支板噴注器，以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、組合循環(huán)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料作為冷卻劑，采用再生冷卻方式；冷卻劑在冷卻通道內(nèi)流動(dòng)對(duì)支板進(jìn)行冷卻，噴入燃燒室與燃?xì)鈸交烊紵?，?shí)現(xiàn)支板長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

本實(shí)施例燃料支板噴注器,包括冷卻通道1、集液腔2、支板3、支板前緣壁面4、支板側(cè)壁面5、支板后壁面6、支板底部7、通道入口8、流動(dòng)通道9、燃料噴孔10，在靠近支板壁面內(nèi)側(cè)布設(shè)冷卻通道；其中，支板3為前緣倒圓楔形結(jié)構(gòu)，流動(dòng)通道9設(shè)置在支板前緣壁面4內(nèi)側(cè)，流動(dòng)通道9前緣距離支板外壁前緣距離為1.0mm～3.0mm，流動(dòng)通道9前緣倒圓，倒圓半徑為0.5～2.0mm。支板前緣壁面4內(nèi)側(cè)和支板后壁面6內(nèi)側(cè)分別有三組冷卻劑通道入口8，支板側(cè)壁面5上分別有三組燃料噴孔10；集液腔2設(shè)置在支板底部7，且與流動(dòng)通道9連接相通，靠近支板內(nèi)壁面處冷卻通道1均與集液腔相連通。冷卻劑進(jìn)入通道入口8，沿通道向支板底部7流動(dòng)在集液腔2匯集并混合，使冷卻劑的溫度相對(duì)均勻，通過(guò)燃料噴注孔10噴出，噴射入燃燒室與主流燃?xì)鈸交烊紵?。冷卻劑在噴入燃燒室之前，以強(qiáng)制對(duì)流的流動(dòng)換熱方式在通道內(nèi)部吸熱，降低支板溫度同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃料預(yù)熱。冷卻通道1橫截面形狀為矩形或圓形結(jié)構(gòu)；冷卻通道壁面與支板壁面距離為0.5～3.0mm。流動(dòng)通道9橫截面形狀為前緣倒圓三角形結(jié)構(gòu)，流動(dòng)通道9橫截面形狀與支板3橫截面前部形狀相同。支板材料采用高導(dǎo)熱系數(shù)的不銹鋼或高溫合金鋼。支板在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中溫度高、熱流大的位置為支板前緣氣流滯止點(diǎn)，工作過(guò)程中，冷卻劑即航空煤油的流量按照冷卻通道橫截面積、支板受熱情況合理分布。

本實(shí)施例根據(jù)支板形狀、支板所處熱環(huán)境及受熱分布特點(diǎn)、支板材料許用溫度和強(qiáng)度要求以及冷卻劑吸熱能力，確定支板冷卻通道形狀、冷卻通道橫截面積、冷卻劑流量分布和冷卻劑流速多參數(shù)；用來(lái)說(shuō)明冷卻設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)行了支板主動(dòng)冷卻數(shù)值模擬?？諝鈦?lái)流為6Ma時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中燃?xì)饪倻卦?000K，圖4為不銹鋼材料支板采用煤油作為冷卻劑進(jìn)行主動(dòng)冷卻，冷卻劑流量為15g/s、20g/s、30g/s、50g/s時(shí)支板前緣、支板冷卻通道出口處平均油溫線(xiàn)圖。圖5為相應(yīng)冷卻劑流量下支板前緣壁面中心線(xiàn)上溫度沿支板高度方向的分布曲線(xiàn)。由圖可知支板表面溫度均保持在不銹鋼材料長(zhǎng)時(shí)間正常工作溫度范圍以下，支板前緣處為燃?xì)鉁裹c(diǎn)即溫度最高點(diǎn)。結(jié)果表明，燃料支板噴注器可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。圖4的溫度曲線(xiàn)顯示，支板前緣壁面中心線(xiàn)溫度隨著冷卻劑流量增加而降低，在支板底部集液腔處換熱增強(qiáng)，壁面溫度較低，而前緣壁面靠近支板底面處換熱效率降低，溫度較高，但在整個(gè)范圍內(nèi)支板前緣壁面溫度均低于1000K，表明冷卻有效，支板可以長(zhǎng)時(shí)間工作。根據(jù)氣-固-液耦合傳熱機(jī)理，在支板內(nèi)部布設(shè)冷卻通道，利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料作為支板主動(dòng)冷卻劑，冷卻劑在冷卻通道內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程中吸收燃?xì)鈧鹘o支板壁面的熱量使得支板溫度維持在材料允許的范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)熱，在實(shí)現(xiàn)了對(duì)支板有效的冷卻的同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)燃料噴注。