一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置

本发明属于高超声速飞行器热防护，具体涉及一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置。

背景技术：

1、飞行器以高超声速飞行时，高热值碳氢燃料的燃烧将对高超声速飞行器燃烧室壁面形成强烈的加热，燃烧后燃气的总温可达到3000k以上，燃烧室壁面将承受高达30mw/m2的热流，远超一般燃烧室壁面材料的耐热极限。此外，由于支板、凹腔等结构的存在，超声速来流会在燃烧室内形成复杂的波系结构，使燃烧室内的热环境进一步恶化。为保证飞行器的长时间安全工作，需要对高超声速飞行器燃烧室高温壁面采取高效的热防护措施。

2、相关技术中，超燃冲压发动机燃烧室采用的再生冷却结构依靠低温冷却剂流经受热壁面，以对流换热的形式带走热量，但冷却剂需通过固体厚壁才能与高温气流相作用，使得该方案的热防护能力有限，需要消耗大量的冷却剂才能达到理想的热防护效果。

技术实现思路

1、为了解决目前高超声速飞行器燃烧室壁面单一再生冷却方案中冷却效率低、冷却剂消耗量大的问题，本发明提出了一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置。

2、该高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，包括燃烧室外壳体、冷却剂槽道以及定向发汗冷却面板；所述燃烧室外壳体与定向发汗冷却面板相连，其上开设多条槽道，使得燃烧室外壳体与定向发汗冷却面板之间形成冷却剂槽道，冷却剂槽道采用并联排布的方式设置在定向发汗冷却面板外侧周围；所述冷却剂槽道一端与进油阀相连，作为冷却剂入口，另一端与出油阀相连，冷却剂经出油阀通过喷注器进入燃烧室；所述定向发汗冷却面板为多孔金属板，定向发汗冷却面板靠近燃烧室腔的一侧为燃烧室高温壁面。

3、进一步地，所述定向发汗冷却面板是由多层金属丝网经轧制和真空烧结制作而成的多孔金属板。

4、进一步地，所述多层金属丝网材质为耐高温合金。

5、进一步地，所述耐高温合金为高温镍合金。

6、进一步地，所述高温镍合金为gh3128高温合金。

7、进一步地，所述gh3128高温合金在常温下的屈服强度约为290mpa，抗拉强度约为410mpa；在950℃条件下的屈服强度约为80mpa，抗拉强度约为175mpa。

8、进一步地，所述金属丝网中，金属丝均匀交错编织，编织形成的孔隙之间相互连通，具有良好的均匀渗透性能和结构强度，通过孔隙大小和形状可控制冷却剂在定向发汗冷却面板中所受到的流动阻力以及发汗量。

9、进一步地，所述孔隙的孔径为50～90μm、孔隙率为10～40％、金属丝直径为10～100μm。

10、进一步地，从定向发汗冷却面板中渗出的冷却剂流动方向与燃烧室高温壁面之间的夹角为0°～10°。

11、进一步地，所述冷却剂为碳氢燃料。

12、进一步地，冷却剂槽道截面为方形、弓形、其他由直线或曲线合围的形状。

13、有益效果：

14、1、本发明采用碳氢燃料作为冷却剂，其在冷却剂槽道中与高温壁面发生热交换，吸收一部分热量，为壁面的热防护提供支持，随后携带热量进入燃烧室中参与燃烧，无需额外携带冷却剂，实现了碳氢燃料冷却剂的回收利用，减少能量损失，有利于提高循环效率；

15、2、本发明冷却剂通过金属丝网多孔板进入到燃烧室中，由于多孔板内部具有巨大的比表面积，有利于冷却剂与高温壁面的换热，随后冷却剂覆盖在燃烧室内壁面上，阻绝高温主流向壁面的传热，可以提升冷却效率，并降低冷却剂的消耗量，满足燃烧室高温环境的热防护需求；

16、3、本发明多层金属丝网的轧制过程中可通过控制外加载荷的大小，使金属丝发生塑性形变，改变孔洞的大小和形状，进而改变多孔板的孔隙率和渗透性能；

17、4、本发明多层金属丝网多孔结构中的金属丝相互交错贯通，提高了定向发汗冷却面板的强度和刚度，并且gh3128高温合金在高温环境中表现出良好的力学性能，强度大于其他金属材料，能够满足高超声速飞行器燃烧室长时间工作时的热防护需求；

18、5、本发明从金属丝网多孔平板中渗出发汗冷却剂的流动方向与受热壁面之间的夹角小于10°，有利于冷却剂向下游的铺展，实现较小量的冷却剂覆盖较大面积的高温壁面。

技术特征：

1.一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，包括燃烧室外壳体、冷却剂槽道以及定向发汗冷却面板；所述燃烧室外壳体与定向发汗冷却面板相连，其上开设多条槽道，使得燃烧室外壳体与定向发汗冷却面板之间形成冷却剂槽道，冷却剂槽道采用并联排布的方式设置在定向发汗冷却面板外侧周围；所述冷却剂槽道一端与进油阀相连，作为冷却剂入口，另一端与出油阀相连，冷却剂经出油阀通过喷注器进入燃烧室；所述定向发汗冷却面板为多孔金属板，定向发汗冷却面板靠近燃烧室腔的一侧为燃烧室高温壁面。

2.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，所述定向发汗冷却面板是由多层金属丝网经轧制和真空烧结制作而成的多孔金属板。

3.根据权利要求2所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，所述多层金属丝网材质为耐高温合金。

4.根据权利要求3所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，所述耐高温合金为高温镍合金。

5.根据权利要求4所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，所述高温镍合金为gh3128高温合金，在常温下的屈服强度约为290mpa，抗拉强度约为410mpa；在950℃条件下的屈服强度约为80mpa，抗拉强度约为175mpa。

6.根据权利要求2所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，所述金属丝网中，金属丝均匀交错编织，编织形成的孔隙之间相互连通，具有良好的均匀渗透性能和结构强度，通过孔隙大小和形状可控制冷却剂在定向发汗冷却面板中所受到的流动阻力以及发汗量。

7.根据权利要求6所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，所述孔隙的孔径为50～90μm、孔隙率为10～40％、金属丝直径为10～100μm。

8.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，从定向发汗冷却面板中渗出的冷却剂流动方向与燃烧室高温壁面之间的夹角为0～10°。

9.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，所述冷却剂为碳氢燃料。

10.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生-定向发汗复合冷却装置，其特征在于，冷却剂槽道截面为方形或弓形。

技术总结本发明提出了一种高超声速飞行器燃烧室壁面的再生‑定向发汗复合冷却装置，包括燃烧室外壳体、冷却剂槽道以及定向发汗冷却面板；所述燃烧室外壳体与定向发汗冷却面板相连，其上开设多条槽道，使得燃烧室外壳体与定向发汗冷却面板之间形成冷却剂槽道，冷却剂槽道采用并联排布的方式设置在定向发汗冷却面板外侧周围；所述冷却剂槽道一端与进油阀相连，作为冷却剂入口，另一端与出油阀相连，冷却剂经出油阀通过喷注器进入燃烧室；所述定向发汗冷却面板为多孔金属板，定向发汗冷却面板靠近燃烧室腔的一侧为燃烧室高温壁面。本发明可以提升冷却装置的冷却效率，并降低冷却剂的消耗量，满足燃烧室高温环境的热防护需求。技术研发人员：周伟星,边雨阳,刘学,郑佳悦,刁彦淇受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2