一种抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室及超燃冲压发动机

技术领域

本申请涉及超声速燃烧室及冲压发动机技术领域，特别是涉及一种抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室及超燃冲压发动机。

背景技术

对于采用吸气式推进方式的高超声速飞行器而言，高速来流空气在前体进气道内压缩，伴随马赫数降低，静压静温显著提升，再经隔离段到达发动机燃烧室。由于进气道内部充满着复杂的激波波系、湍流脉动及近壁流动分离，加之进气道内壁型面往往受制于结构约束，且真实飞行条件下带有一定飞行攻角，无法做到均匀的轴对称分布(对圆形截面发动机)，因而进入隔离段的空气在入口截面上的分布并不均匀。

对于具有较高压缩比的进气道，在飞行马赫数较低的条件下，不均匀的来流条件会对燃烧室内的混合、燃烧效率造成不容忽视的影响。具体而言，沿周向均匀分布的喷注方案在周向不均匀的来流条件下，由不同位置喷孔周围的流场参数存在一定差异，因此燃料与空气的混合及其在下游火焰稳定器内的燃烧都将受到来流的影响，上述不均匀燃烧所引起的非轴对称分布的反压又将引起隔离段内的激波串或流动分离区沿周向的不均匀分布，从而影响发动机的综合性能。

此外，除近壁边界层区域，来流沿径向的不均匀分布也会对燃烧室构型及喷注方案的优化设计带来干扰。

现有技术中，一些研究在设计矩形截面超声速燃烧室时，通过引入不对称的单边扩张或双边扩张构型来应对不均匀来流的影响。例如：Wang et al.Experimental studyon the effect of combustor configuration on the performance of dual-modecombustor,Aerospace Science and Technology,42:169-175,2015。

但是，该设计仍然属于完全轴对称的圆形截面发动机，在非均匀来流条件下，容易引起不对称的流动分离，从而降低发动机抗反压能力，难以实现燃烧室内燃料燃烧效率的最优化。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室及超燃冲压发动机，能够在非均匀来流条件下抑制非均匀流动分离，保证燃烧效率。

一种抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室，包括：

依次相连的凹腔稳焰器以及喉部段，所述凹腔稳焰器的入口与冲压发动机的隔离段相连，所述喉部段的出口与冲压发动机的尾喷管相连；

所述喉部段的一侧与冲压发动机燃烧室中心轴线的距离相等，另一侧与冲压发动机燃烧室中心轴线的距离不等；

所述喉部段包括匹配部，所述匹配部的两端分别与凹腔稳焰器以及尾喷管相连；所述匹配部具有多个面积不等的横截面，每个横截面均由半圆形结构与半椭圆形结构组成。

在一个实施例中，以所述半圆形结构的直径作为所述半椭圆形结构的长轴，以使所述喉部段另一侧的壁面向冲压发动机燃烧室的中心轴线凹陷。

在一个实施例中，所述匹配部包括：第一部分与第二部分；所述第一部分的一端与所述第二部分的一端相连，所述第一部分的另一端与所述凹腔稳焰器相连，所述第二部分的另一端与所述尾喷管相连；

所述第一部分的横截面中半椭圆形结构的短轴长度沿着朝向所述尾喷管的方向逐渐减小；

所述第二部分的横截面中半椭圆形结构的短轴长度沿着朝向所述尾喷管的方向逐渐增大。

在一个实施例中，所述匹配部还包括：第三部分；所述第三部分的两端分别与所述第一部分的一端以及所述第二部分的一端相连；

所述第三部分的横截面中半椭圆形结构的短轴长度沿轴向相等。

在一个实施例中，所述喉部段还包括：连接部；所述连接部的两端分别与所述凹腔稳焰器以及所述匹配部相连；

所述连接部的横截面为面积相等的圆形结构，且所述圆形结构与所述半圆形结构的直径相等。

在一个实施例中，所述喉部段的连接部、第一部分、第三部分以及第二部分的长度之比为：12:23:33:32。

在一个实施例中，所述半圆形结构的直径大于等于隔离段直径的1.04倍且小于等于凹腔稳焰器直径的0.92倍。

在一个实施例中，所述第三部分中半椭圆形结构的短轴满足：

1.42(πd1

式中，d1为隔离段直径，r2为第三部分中半圆形结构的半径，b为第三部分中半椭圆形结构的短轴长度的一半。

在一个实施例中，当隔离段内上侧近壁区更易分离时，喉部段中匹配部的上侧为半圆形结构，下侧为半椭圆形结构；

当隔离段内下侧近壁区更易分离时，喉部段中匹配部的上侧为半椭圆形结构，下侧为半圆形结构。

一种超燃冲压发动机，包括：所述的抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室。

上述抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室及超燃冲压发动机，针对现有冲压发动机中的轴对称圆形截面燃烧室在来流非均匀及释热非均匀效应较强的工作条件下性能表现不佳的问题，考虑进入隔离段的来流非均匀性的影响，从燃烧室构型设计的角度抑制上游的非均匀流动分离，采用顺应来流条件及释热分布的设计思路，使燃烧室凹腔稳焰器与尾喷管入口之间的连接段不再维持轴对称构型，而是针对发动机隔离段内某侧近壁区更易分离的非均匀来流，根据进入燃烧室内流道的来流条件进行相应的调整燃烧室下游流道构型，对燃烧室内型面尤其是凹腔稳焰器喉部段采用非轴对称构型设计，从而使得燃烧室内的释热对上游的反馈不致引起显著的非均匀流动分离，在隔离段入口非均匀来流条件下，在保证稳焰性能的基础上，预防强释热带来的热壅塞风险，实现对发动机内流道内非均匀流动分离的有效抑制，从而进一步提高燃烧效率，提高发动机抗反压能力，优化综合性能，提升发动机的工作鲁棒性，同时节约发动机燃烧室下部的结构空间，尤其对于具有较强非轴对称特性的进气道来流，燃烧室能够在更高的当量比条件下有效工作。

附图说明

图1为一个实施例中抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室及超燃冲压发动机的构型剖面示意图；

图2为一个实施例中抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室及超燃冲压发动机的构型剖面尺寸图。

附图说明：

1——隔离段，2——凹腔稳焰器，3——喉部段，4——尾喷管；

3-1——连接部，3-2——第一部分，3-3——第三部分，3-4——第二部分；

l1——凹腔稳焰器底壁长度，l2——连接部长度，l3——第一部分长度，l4——第三部分长度，l5——第二部分长度；

d1——隔离段直径，d2——凹腔稳焰器直径；

r1——连接部半径，r2——第三部分中半圆形结构的半径，r3——第二部分出口圆截面半径；

a——凹腔后缘壁面倾角，b——第三部分中半椭圆形结构的短轴长度的一半。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本申请提供了一种抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室，在一个实施例中，包括：依次相连的凹腔稳焰器以及喉部段，凹腔稳焰器的入口与冲压发动机的隔离段相连，喉部段的出口与冲压发动机的尾喷管相连。也就是说，从上游至下游，隔离段、凹腔稳焰器、喉部段以及尾喷管依次相连。

需要说明：隔离段、凹腔稳焰器以及尾喷管均为轴对称圆形截面构型。隔离段与凹腔稳焰器的连接处为竖直台阶，喉部段的出口边缘与尾喷管的入口边缘相切。

凹腔稳焰器主要用于实现点火及火焰稳定。

喉部段设在凹腔稳焰器下游，一侧与冲压发动机燃烧室中心轴线的距离相等，另一侧与冲压发动机燃烧室中心轴线的距离不等，以形成非对称构型的冲压发动机燃烧室。

喉部段包括匹配部，匹配部的两端分别与凹腔稳焰器以及尾喷管相连；匹配部具有多个面积不等的横截面，每个横截面均由半圆形结构与半椭圆形结构组成。

优选地，匹配部的所有横截面的半圆形结构均相同，以半圆形结构的直径作为半椭圆形结构的长轴，以使喉部段另一侧的壁面向冲压发动机燃烧室的中心轴线凹陷。也就是说，冲压发动机燃烧室沿燃烧室中轴线的剖面为非轴对称结构，剖面中喉部段一侧为直线，另一侧为曲线(包括光滑曲线以及折线)，且曲线与中心轴线的距离沿朝向尾喷管的方向先减小后增大。

进一步优选地，匹配部包括：第一部分与第二部分；第一部分的一端与所述第二部分的一端相连，第一部分的另一端与凹腔稳焰器相连，第二部分的另一端与尾喷管相连；第一部分的横截面中半椭圆形结构的短轴长度沿着朝向尾喷管的方向逐渐减小；第二部分的横截面中半椭圆形结构的短轴长度沿着朝向尾喷管的方向逐渐增大。

更进一步优选地，匹配部还包括：第三部分；第三部分的两端分别与第一部分的一端以及第二部分的一端相连；第三部分的横截面中半椭圆形结构的短轴长度沿轴向相等；也就是说，第三部分是等直的，第三部分中各横截面的半椭圆形结构均相同，短轴的长度固定不变。

更进一步优选地，喉部段还包括：连接部；连接部的两端分别与凹腔稳焰器以及匹配部相连；连接部的横截面为面积相等的圆形结构，且圆形结构与半圆形结构的直径相等。

在本实施例中，当隔离段内上侧近壁区更易分离时，喉部段中匹配部的上侧为半圆形结构，下侧为半椭圆形结构；当隔离段内下侧近壁区更易分离时，喉部段中匹配部的上侧为半椭圆形结构，下侧为半圆形结构。

如图1和图2所示，在一个具体的实施例中，喉部段包括：连接部、第一部分、第三部分以及第二部分，其中：

连接部作为喉部段圆截面等直区，为轴对称圆形截面构型；

第一部分作为喉部段收缩转接区，除入口外为半圆半椭截面构型，且为上圆下椭；

第三部分作为喉部段半圆半椭截面等直区，为半圆半椭截面构型，且为上圆下椭，是隔离段下游内流道最窄处；

第二部分作为喉部段扩张转接区，除出口外为半圆半椭截面构型，且为上圆下椭。

喉部段长度的取值范围是：1.5l1≤l0≤4l1，优选地，l0＝2.5l1，其中，l0为喉部段长度，l1为凹腔稳焰器底壁长度，l0＝l2+l3+l4+l5，l2为连接部长度，l3为第一部分长度，l4为第三部分长度，l5为第二部分长度。

喉部段的连接部、第一部分、第三部分以及第二部分的长度之比为：12:23:33:32，即：l2:l3:l4:l5＝0.12:0.23:0.33:0.32。

连接部、第三部分以及第二部分的半圆形结构的半径相等，即：喉部段圆截面等直区的截面、喉部段半圆半椭截面等直区的上半部半圆截面及喉部段扩张转接区的出口圆形截面具有相同大小的半径，也就是r1＝r2＝r3。

半圆形结构的直径大于等于隔离段直径的1.04倍且小于等于凹腔稳焰器直径的0.92倍，即：0.52d1≤r1≤0.46d2，其中，d1为隔离段直径，r1为半圆形结构的半径，d2为凹腔稳焰器直径。

喉部段中，第三部分中半椭圆形结构的短轴长度的一半b(即：半圆半椭截面等直区下半椭圆短半轴长度)需满足发动机对喉部面积的约束，即第三部分中半椭圆形结构的短轴满足：

1.42(πd1

式中，d1为隔离段直径，r2为第三部分中半圆形结构的半径，b为第三部分中半椭圆形结构的短轴长度的一半；

优选地，对于发动机巡航马赫数为6，πr2

同时，还需满足几何约束：b

另外：喉部段收缩转接区的截面上半部保持为半径为r1的半圆，下半部半椭圆的长半轴保持为r1，短半轴长度沿入口到出口由r1随沿程距离线性减小到b。喉部段扩张转接区的截面上半部保持为半径为r2的半圆，下半部半椭圆的长半轴保持为r2，短半轴长度沿入口到出口由b随沿程距离线性增大到r3。

还需要说明：凹腔稳焰器直径d2与隔离段直径d1之比的取值范围是：1.4≤d2/d1≤1.8；对于发动机巡航马赫数为6，该比值优选为1.45，对于发动机巡航马赫数为4，该比值优选为1.73。

凹腔稳焰器底壁长度l1的范围满足：2.7(d2-d1)≤l1≤3.8(d2-d1)，优选地，l1＝3.25。

凹腔后缘壁面倾角a取为45°。

上述抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室，针对现有冲压发动机中的轴对称圆形截面燃烧室在来流非均匀及释热非均匀效应较强的工作条件下性能表现不佳的问题，考虑进入隔离段的来流非均匀性的影响，从燃烧室构型设计的角度抑制上游的非均匀流动分离，采用顺应来流条件及释热分布的设计思路，使燃烧室凹腔稳焰器与尾喷管入口之间的连接段不再维持轴对称构型，而是针对发动机隔离段内某侧近壁区更易分离的非均匀来流，根据进入燃烧室内流道的来流条件进行相应的调整燃烧室下游流道构型，对燃烧室内型面尤其是凹腔稳焰器喉部段采用非轴对称构型设计，具体而言，是指通过适当改变喉部段上下两侧的沿程剖面构型，以实现燃烧区反压较强一侧流道平滑通畅，较弱一侧流道经历先收缩后扩张，使得燃烧室内释热的空间分布能够根据上下侧非均匀来流对应调整，从而缓解隔离段内非均匀流动分离。该设计能够在保证稳焰性能的基础上，预防强释热带来的热壅塞风险，实现对发动机内流道内非均匀流动分离的有效抑制，从而进一步提高燃烧效率，提高发动机抗反压能力，优化综合性能，提升发动机的工作鲁棒性，同时节约发动机燃烧室下部的结构空间，尤其对于具有较强非轴对称特性的进气道来流，燃烧室能够在更高的当量比条件下有效工作。

本申请还提供了一种超燃冲压发动机(属于冲压发动机)，在一个实施例中，包括：抑制非均匀流动分离的超声速燃烧室。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。