一种用于斜爆震发动机的支板式燃料掺混装置

1.本发明属于超燃冲压发动机技术领域，具体属于一种用于斜爆震发动机的支板式燃料掺混试验装置。


背景技术：

2.超燃冲压发动机是目前实现高超声速推进的重要可行手段，在超燃冲压发动机的燃烧室中，燃料以超声速燃烧，由于燃烧室的尺寸有限，导致燃料在燃烧室内的停留时间非常短，且超声速燃烧多为扩散火焰，燃料掺混的效果直接影响到燃烧室的燃烧性能，进而影响整个超燃冲压发动机的推力性能，因此，燃料的喷注及掺混技术是超燃冲压发动机的关键技术之一。
3.由于斜爆震波的成功起爆及稳定驻定对于来流条件要求十分苛刻，目前，斜爆震发动机的燃料喷注与掺混鲜有研究，仍有许多关键技术待解决，比如：1)高超声速来流空气中燃料混合问题：燃料混合效果直接影响斜爆震波的起爆、稳定性和燃烧效率；2) 对提前燃烧的抑制问题：由于在形成斜爆震波之前需要提前完成燃料和空气的混和，因此在混合过程中如果发生提前燃烧的现象，将直接影响能量利用效率和爆震波起爆特性； 4)燃烧室内斜爆震波驻定的问题：为实现爆震波在燃烧室内驻定，需要达到较高的混合气体来流速度(大于2km/s)，以避免出现爆震波前传致发动机失效的情况。
4.在超燃冲压发动机中，特别是在斜爆震发动机中，为了满足燃烧室中流场均匀性的要求，适合采用支板将燃料由流场中心位置喷入主流，因此，为了研究斜爆震发动机燃料掺混效果对于斜爆震波起爆及驻定特性的影响，结合超声速激波风洞，设计一款功能多样的模块化中心支板掺混试验装置显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于斜爆震发动机的支板式燃料掺混试验装置，以实现燃料均匀掺混，避免燃料在掺混段内提前燃烧。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：
7.一种用于斜爆震发动机的支板式燃料掺混装置，包括掺混段和中心喷注支板，所述掺混段分为相连接的掺混前段和掺混后段，使整个掺混段的长度可调，以调整燃料在垂直于气流流动方向的均匀程度，以及在边界层中的燃料质量分数；
8.所述掺混段壁面安装有圆形观察窗，以结合高速摄影机拍摄掺混段内的流动情况，判断是否发生提前燃烧；
9.所述中心喷注支板设置掺混前段内，以垂直于气流流动方向向掺混段中喷入燃料；所述中心喷注支板前端设有导流楔面，以抑制掺混流道中的激波强度，所述中心喷注支板后端设有导流楔面，以产生回流区，将燃料卷入到回流区中进行掺混。
10.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
11.(1)本发明成功实现了斜爆震发动机在高马赫数来流条件下燃料的快速掺混，支
板采用合理的流动楔角的设计，避免了在高总焓来流条件下伴随的提前燃烧，为斜爆震发动机燃烧室的燃烧组织奠定了基础。
12.(2)在斜爆震发动机中，改变掺混段长度，可以改变掺混效果，即燃料在垂直于气流流动方向的均匀程度，以及在边界层中的燃料质量分数，燃料的掺混效果可以决定斜爆震波能否起爆，也对斜爆震波的稳定性有较大影响，本发明采用前后两段掺混段组合的设计，可探究掺混距离对于斜爆震发动机起爆及稳定工作的影响。
13.(3)本发明是一种用于斜爆震发动机的支板式燃料掺混装置，适用于超焓激波风洞，通过超焓激波风洞可以模拟较长时间稳定空气来流，运用本发明设计的支板式燃料掺混试验装置，可以对真实来流情况下的燃料掺混效果进行实验和观察。
14.(4)在对斜爆震发动机的起爆及驻定特性的试验研究当中，气相及液相燃料在燃烧室燃烧形成的波系结构差异较大，所以对于不同种类燃料的掺混效果研究也有一定的必要性，本发明所设计的喷注支板为可替换结构，可在不改变掺混方式以及发动机几何构型的情况下实现不同种燃料喷注的目的。
附图说明
15.图1为本发明一种用于斜爆震发动机的支板式燃料掺混试验装置的装配体剖视图；
16.图2为本发明装配体正等轴测图；
17.图3(a)为本发明前端法兰盘剖视图；
18.图3(b)为本发明前端法兰盘主视图；
19.图4(a)为本发明掺混段左侧壁面剖视图；
20.图4(b)为本发明掺混段左侧壁面主视图；
21.图5(a)为本发明掺混段右壁面结构图；
22.图5(b)为本发明掺混段右壁面剖视图；
23.图6为本发明掺混段上壁面俯视图；
24.图7为本发明中心喷注支板正等轴测图；
25.图8(a)为本发明气体燃料中心喷注支板剖视图；
26.图8(b)为本发明液体燃料中心喷注支板剖视图
27.图9为本发明中心喷注支板断面图；
28.图10为本发明中心喷注支板安装示意图；
29.图11为本发明观察窗盖板剖视图；
30.图12为本发明观察窗玻璃装配剖视图；
31.图13(a)为本发明掺混前段后法兰盘剖视图；
32.图13(b)为本发明掺混前段后法兰盘主视图；
33.图14(a)为本发明掺混后段前法兰盘剖视图；
34.图14(b)为本发明掺混后段前法兰盘主视图；
35.图15为本发明与燃烧室组装后在试验中的纹影照片；
36.图16为本发明试验过程中压力传感器测得的压力曲线；
37.图17为本发明试验过程中燃烧室内驻定斜爆震波的纹影照片；
38.图18为本发明缩短掺混段长度后燃烧室内的纹影照片；
具体实施方式
39.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
40.如图1和图2所示，一种斜爆震发动机的支板式燃料掺混装置，包括法兰盘1、法兰盘8、掺混段上壁面2、掺混段下壁面3、掺混段左壁面4、掺混段右壁面5组成的前掺混段，法兰盘9、法兰盘12以及四个壁面组成的后掺混段，掺混段总长度为1128mm，其中前掺混段长度为786mm，中心支板6位于靠近法兰盘1的位置，通过螺钉与掺混前段的左侧壁面4联接。
41.如图3所示，本实施例在前端法兰盘1的前端面加工有凹台阶面，用于与激波风洞喷管的后法兰盘连接时保证气密性，所述前端法兰盘1沿周向均布有12个用于螺栓连接的通孔，通孔直径
42.如图4(a)、图4(b)所示，本实施例在掺混段左壁面4加工有与中心喷注支板6 纵截面形状一致的通孔4-1，所述通孔4-1的数量为1个，所述掺混段左壁面4加工有观察窗圆形通孔4-2，所述通孔4-2沿流动方向均匀分布，通孔4-2数量为3个，通孔圆心间距为300mm。
43.如图5(a)、图5(b)所示，本实施例在掺混段右壁面5内侧加工有与中心喷注支板6纵截面形状一致的盲孔5-1，用于支撑中心支板6。
44.如图6所示，本实施例在掺混段上壁面2加工有阶梯测压孔2-1，阶梯测压孔2-1 位于掺混段上壁面2对称轴线(中心线)上，沿气流流动方向分布，阶梯测压孔2-1数量为14个，所述阶梯测压孔间距为x，50mm≤x≤140mm，本发明中掺混段上壁面2 测压孔2-1分布间距不限于图6所示。
45.如图7-10所示，所述中心喷注支板6与掺混段左壁面4采用螺钉连接，可进行更换。在图8(a)中的中心喷注支板6用于喷注气体燃料，在中心喷注支板6的上下壁面加工有喷注小孔6-1，所述喷注小孔的直径为数量为28个，其中上壁面和下壁面小孔数量各为14个，14个喷注小孔6-1呈两排布置。所述喷注小孔6-1沿气流流动方向的间距为y，y＝22mm，垂直于气流流动方向的间距为x，x＝16mm。特别的，本发明中的中心喷注支板还有另一种不同的结构，在图8(b)中的中心喷注支板6用于喷注液体燃料，与图8(a)中的区别在于，其第一排喷注小孔6-1的间距x＝16mm，孔径为第二排喷注小孔6-1的间距x＝8mm，孔径为不同结构的中心喷注支板可用于喷注不同的燃料。当所需燃料浓度较低时，采用单个燃料供给管路供给燃料，使用单排喷注小孔喷注燃料，当所需燃料浓度较高时，采用两个燃料供给管路同时供给燃料，并使用双排喷注小孔喷注燃料。
46.如图9所示，本实施例中，中心喷注支板中心加工有燃料腔6-2，所述燃料腔6-2 的数量为2个，燃料腔高度为2mm，宽度为10mm，为避免在掺混流道中产生强斜激波从而影响掺混性能，所述中心喷注支板6的前端导流楔面与水平方向的夹角为α，夹角α满足：5
°
≤α≤10
°
。本实施例中，所述中心喷注支板6的前端导流楔面与水平方向的夹角α＝6
°
。为产生合适尺度的回流区，后端导流楔面与水平方向的夹角β＝18
°
。所述中心支板6厚度为4mm。
47.如图11所示，所述观察窗盖板7数量为3个，沿所述观察窗盖板7周向加工有通孔7-1，所述通孔7-1均匀分布，通孔的直径为通孔数量为8个，所述观察窗盖板7加工有阶梯通孔7-2，通孔两端尺寸分别为和用于观察窗光学玻璃10的安装和定位。
48.如图12所示，本实施例中观察窗光学玻璃10的数量为3个，所述光学玻璃为石英材质，所述光学玻璃为阶梯形状的，最大直径为最小直径为总厚度为30mm，为满足高速摄影拍摄要求，玻璃表面加工有较高的表面粗糙度、折射率、透光度要求。
49.如图13-14所示，本实施例在掺混前段后法兰盘8的后端面加工有凹台阶面，凹台阶面内加工有密封槽1，用于放置密封橡胶圈，掺混后段前法兰盘9的前端面加工有凸台阶面，从而保证与掺混后段前法兰盘9连接时的气密性，后端法兰盘8沿周向均布有用于螺栓连接的通孔，通孔数量为12个，直径为掺混后段后法兰盘12与掺混前段后法兰盘8的尺寸、结构以及各项特征完全一致。
50.试验过程中，将本发明的掺混装置与燃烧室连接，组成斜爆震发动机，并使用高速摄影机拍摄的斜爆震发动机工作时的照片，如图15所示，17.376ms至17.710ms之间为超焓激波风洞的初始启动时间段，沿流动方向本发明的三个观察窗依次亮起，说明超焓激波风洞工作产生的驱动激波向燃烧室传播，17.843ms驱动激波到达燃烧室并诱导产生斜激波，可以观察到燃烧室观察窗亮起，18.176ms时刻，燃烧室中斜爆震波起爆，在 18.176ms至38.176ms之间，超焓激波风洞进入稳定工作阶段，燃烧室中出现亮光而掺混装置的圆形观察窗未观察到亮光，如图16所示，图中p1～p13曲线分别为安装在掺混装置上壁面的13个压力传感器测得的压力曲线，由图16结合图15可知在18ms至34ms 之间，即斜爆震发动机稳定工作时间段内，本实施例的各压力测点压力值平稳，掺混段燃料未出现提前燃烧室现象，燃烧室火焰未向上游传播，说明本发明解决了高马赫数来流掺混的提前燃烧问题。并且在试验中拍摄到燃烧室内驻定斜爆震波的纹影照片，如图 17所示，说明本发明实现了较好的快速掺混效果。
51.缩短掺混掺混段长度，只使用本发明中的掺混前段进行试验，试验中高速摄影机拍摄的燃烧室内纹影照片如图18所示，从图中可以观察到，缩短掺混段至786mm，燃料在垂直于主流的方向均匀程度变差，边界层内燃料质量分数减小，所以斜爆震波未能成功起爆，图片中只观察到激波交汇形成的高温反应区域。对比图17和图18的试验现象可知，本发明设计的掺混段总长度满足试验要求，具有优良的掺混效果。
52.在使用时，通过储气罐向燃料供给管路内输送气体或液体燃料，燃料以一定的初始速度从喷注小孔垂直于主流方向喷入掺混流道中，借助横向涡增强的机理(即支板附面层脱落诱发的大尺度拟序结构和支板尾部稳定的回流区)将燃料卷入到回流区中实现低速掺混。在合理的支板构型设计与适当的掺混流道长度共同作用下，掺混段内温度不超过燃料燃点，避免提前燃烧，燃料在主流中快速扩散，获得良好的空间分布，最终在燃烧室中，混合气体起爆形成驻定斜爆震波。