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1、(10)申请公布号 CN 102877984 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 7 7 9 8 4 A *CN102877984A* (21)申请号 201210411835.7 (22)申请日 2012.10.24 F02K 7/10(2006.01) (71)申请人北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人刘玉英 金劲睿 洪燕 (74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人杨学明 顾炜 (54) 发明名称 一种带前缘气缝结构的超燃冲压发动机火焰 稳定装置 (57) 摘要 本发明提供一种带前缘气。
2、缝结构的超燃冲压 发动机火焰稳定装置，该装置在传统超燃凹槽火 焰稳定器的基础上，引入凹槽前缘气缝结构，即在 凹槽前缘开一道斜缝，连通凹槽前方流道与凹槽 内流场。该凹槽前缘气缝结构的引入，将带动流道 壁面附近的气流通过斜缝进入凹槽内，增大凹槽 内部的气流量。由于凹槽前方存在燃料喷口，气缝 结构的存在可将部分燃料引入凹槽，燃料滞留时 间增加且增强凹槽内外的掺混作用，保证了凹槽 火焰稳定器的正常工作。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图9页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 9 页 1/1页 2 1.一种带前缘。
3、气缝结构的超燃冲压发动机火焰稳定装置，其特征在于该装置包括：超 燃燃烧室内的超燃凹槽火焰稳定器（1），超燃凹槽火焰稳定器前方的燃料喷口（7），超燃燃 烧室的主流道（2）以及凹槽前缘气缝（3），其中，位于超燃燃烧室的主流道（2）的超燃燃烧 室主流道气流（4）通过凹槽前缘气缝（3）进入超燃凹槽火焰稳定器（1）内，凹槽前缘气缝内 气流（5）的进入对超燃凹槽火焰稳定器（1）的凹槽内流动造成扰动，增大凹槽内外的质量 交换律； 所述凹槽前缘气缝在超燃凹槽火焰稳定器（1）的凹槽内距离凹槽底端的高度为 3-6mm，气缝内气流进口距离凹槽前缘的高度为0-1mm。 2.根据权利要求1所述的一种带前缘气缝结构的超燃。
4、冲压发动机火焰稳定装置，其 特征在于所述的凹槽前缘气缝（3）的宽度为1mm，所述的凹槽前缘气缝几何中心线与超燃 燃烧室的主流道（2）几何中心线之间的夹角为17，所述的凹槽前缘气缝在超燃凹槽火焰 稳定器（1）的凹槽内距离凹槽底端的高度为6mm，气缝内气流进口距离凹槽前缘的高度为 0-1mm。 权 利 要 求 书CN 102877984 A 1/4页 3 一种带前缘气缝结构的超燃冲压发动机火焰稳定装置 技术领域 0001 本发明涉及超燃冲压发动机的技术领域，具体涉及一种带前缘气缝结构的超燃冲 压发动机火焰稳定装置，是对燃烧室内传统的凹槽火焰稳定器的一种优化设计。 背景技术 0002 超燃冲压发动机。
5、在高马赫数下具有较高的比冲。在超燃燃烧室中，流动速度很大， 滞留时间仅几毫秒，在如此短的时间内完成燃料的混合、点火、燃烧是十分困难的，所以必 须在引入恰当的火焰稳定措施。近年来，凹槽结构作为集火焰稳定、混合增强、燃料匹配多 功能为一体的稳焰手段，受到了广泛的重视。上世纪九十年代，俄罗斯中央航空局（CIAM）在 超燃冲压发动机中应用凹槽火焰稳定器装置。该装置通过凹槽结构形成一个较大的、稳定 的回流区，利用回流区内的高温、低速环境使得空气与部分燃料混合燃烧，形成一个稳定的 点火源，进而将火焰传播至燃烧室主流。然而，凹槽火焰稳定器作为一种壁面稳焰装置，凹 槽内流场相对于主流较为“封闭”，凹槽内外的物。
6、质能量交换较少，从而存在与主流空气的 混合问题。为改善凹槽火焰稳定器的混合特性，研究者们试图通过燃料喷口或扰流器的设 置，增加凹槽剪切层厚度来加大凹槽气流与主流的质量交换律，但这些方法将会引入额外 的总压损失，影响凹槽内气流的流动，可能对凹槽的稳焰性能带来负面影响。综上所述，传 统的凹槽火焰稳定器在稳定火焰的同时，存在气流掺混效果差、火焰传播范围较小的问题。 发明内容 0003 本发明主要解决的技术问题是：克服现有的技术不足，在对整个燃烧时的总压损 失影响较小的前提下，增大凹槽火焰稳定器与主流的掺混效果，同时兼顾结构简单，不增加 额外重量。 0004 本发明所采用的技术方案是：一种带前缘气缝结。
7、构的超燃冲压发动机火焰稳定装 置，该装置包括：超燃燃烧室内的超燃凹槽火焰稳定器，超燃凹槽火焰稳定器前方的燃料喷 口，超燃燃烧室的主流道以及凹槽前缘气缝，其中，位于超燃燃烧室主流道的超燃燃烧室主 流道气流通过凹槽前缘气缝进入超燃凹槽火焰稳定器内，凹槽前缘气缝内气流的进入对超 燃凹槽火焰稳定器的凹槽内流动造成扰动，增大凹槽内外的质量交换律。 0005 所述的凹槽前缘气缝在超燃凹槽火焰稳定器的凹槽内距离凹槽底端的高度为 3-6mm，气缝内气流进口距离凹槽前缘的高度为0-1mm。 0006 所述凹槽前缘气缝的宽度为1mm，所述的凹槽前缘气缝几何中心线与超燃燃烧室 的主流道几何中心线之间的夹角为17，所。
8、述的凹槽前缘气缝在超燃凹槽火焰稳定器的凹 槽内距离凹槽底端的高度为6mm，气缝内气流进口距离凹槽前缘的高度为0mm。 0007 本发明的原理如下：在传统的超燃凹槽稳定器基础上，引入前缘气缝结构，即在凹 槽前缘开一道斜缝，连通凹槽前方流道与凹槽内流场，增强凹槽内外气流的混合及质量的 交换率。当主流道气流经过气缝结构时，沿主流道壁面附近的气流通过斜缝进入凹槽内部， 使得超燃凹槽内的气流量增大。同时，超燃凹槽火焰稳定器前端的气缝内通过的气流对超 说 明 书CN 102877984 A 2/4页 4 燃凹槽与主流道气流之间的剪切层造成扰动，使得其剪切层的发展更为充分，增大超燃凹 槽内外的质量交换率。在。
9、超燃凹槽前方存在燃料喷口的情况下，超燃凹槽火焰稳定器前端 气缝结构的存在能将部分燃料引入凹槽，保证凹槽火焰稳定器的正常工作，改善燃料分布。 0008 本发明与传统超燃凹槽火焰稳定器相比的优点在于：（1）本发明可增强超燃凹槽 火焰稳定器的掺混效果；（2）本发明的超燃凹槽火焰稳定器前缘气缝结构的气缝宽度、气 缝进出口高度可以进行灵活调整，进而使得通过超燃凹槽火焰稳定器前缘气缝进入超燃凹 槽的气流在超燃凹槽内形成最佳的燃烧组织方式；（3）本发明结构简单，对超燃燃烧室的 流场影响较小，流动损失小。 附图说明 0009 图1为传统超燃凹槽火焰稳定器的结构剖面图（以下简称Baseline）； 0010 图。
10、2为本发明的带前缘气缝结构且气缝进口高度为0mm时（以下简称H0）的超燃 凹槽火焰稳定器的结构剖面图； 0011 图3为本发明的带前缘气缝结构且气缝进口高度为1mm时（以下简称H1）的超燃 凹槽火焰稳定器的结构剖面图； 0012 图4为不同压力条件下三种超燃凹槽火焰稳定器结构（包含Baseline、H0、H1）的 压力损失对比图；图4（a）Pi=0.81MPa，图4（b）Pi=1.21MPa； 0013 图5为三种凹槽火焰稳定器结构（包含Baseline、H0、H1）的混合效率对比图；图5 （a）Pi=0.81MPa，图5（b）Pi=1.21MPa； 0014 图6分别为三种凹槽火焰稳定器结构。
11、（包含Baseline，即图6（a）；H0，即图6（b）； H1，即图6（c）的涡量第一阶段的分布图； 0015 图7分别为三种凹槽火焰稳定器结构（包含Baseline，即图7（a）；H0，即图7（b）； H1，即图7（c）的涡量第二阶段的分布图； 0016 图8分别为三种凹槽火焰稳定器结构（包含Baseline，即图8（a）；H0，即图8（b）； H1，即图8（c）的涡量第三阶段的分布图。 0017 其中，图1、图3的结构与图2相似，取相同的标号，剖面图2中的标号说明如下： 0018 1.超燃凹槽火焰稳定器，2.超燃燃烧室主流道，3.凹槽前缘气缝，4.超燃燃烧室 主流道气流，5.凹槽前缘气缝。
12、内气流，6.燃料喷流，7.超燃凹槽火焰稳定器前方的燃料喷 口。 具体实施方式 0019 下面结合附图及具体实施方式详细说明本发明。 0020 本发明首先提供无前端燃料喷口的实施例，由于不同压力条件下，供油量有所不 同，本发明的实施例在两种压力条件进行，即0.81MPa和1.21MPa。其中，超燃燃烧室主流 道2及超燃凹槽火焰稳定器1的结构与传统凹槽火焰稳定器相同，在H0和H1结构的超燃 凹槽火焰稳定器1前端引入凹槽前缘气缝3，超燃燃烧室主流道气流4通过凹槽前缘气缝 3进入超燃凹槽火焰稳定器1内，达到增大凹槽内外质量交换率的作用，如附表1所示。表 1中列出两种压力条件下超燃凹槽火焰稳定器1的进出。
13、口流量，其中，圆圈的数据标明不同 压力条件下，带前缘气缝结构的超然凹槽火焰稳定器1净出口流量均大于传统凹槽结构。 说 明 书CN 102877984 A 3/4页 5 0021 表1 为不同压力条件下凹槽净出口流量； 0022 0023 本发明还提供H0和H1结构对凹槽内总压损失特性的影响，如附图4所示。由图4 可知，引入前缘气缝结构后，总压损失相比传统凹槽火焰稳定器小，说明该结构并不会引入 额外的总压损失。图4中A1、A3分别表示在压力为0.81MPa和1.21MPa的条件下，H0结构 在凹槽尾部附近达到压力损失最小值。图4中A2、A4分别表示H1结构的压力损失最小值 在凹槽火焰稳定器1的后。
14、部即主流道2附近达到。 0024 另外，对于H0结构的超燃凹槽火焰稳定器，通过凹槽前缘气缝3内的凹槽前缘气 缝内气流5具有间断性，而H1结构中，通过凹槽前缘气缝3内的凹槽前缘气缝内气流5是 连续的，均会造成气流的扰动，H1结构中凹槽剪切层的不稳定波较H0结构增强，相比传统 凹槽火焰稳定器，本发明的H0、H1结构更早地发生涡量带的离散、配对和合并，使得剪切层 发展时间和空间增大，从而增强凹槽内外的掺混过程。同时，超燃燃烧室主流道气流4间歇 性（H0结构）或连续性（H1结构）的通过凹槽前缘气缝3进入超燃凹槽火焰稳定器1的凹槽 内，使得超燃凹槽火焰稳定器1前部区域的流动增强，有利于超燃凹槽火焰稳定器。
15、1凹槽内 气流的混合。其中，上述所述的三种凹槽火焰稳定器的混合效率如图5所示，描述凹槽内气 流涡量的分布如图6、图7、图8所示。图5中A5、A7说明：由于凹槽前端存在气缝结构且气 缝进口高度为1mm时，气流的混合效率均要高于基准凹槽和H0结构的效率；图5中A6、A8 说明：在主流道气流的下游部分，H0的混合效率均高于基准凹槽结构和H1结构，三种结构 均在X=60mm附近达到完全混合。图6中B1、B2、B4分别为三种不同结构的凹槽火焰稳定器 其涡量发展第一阶段的剪切层不稳定波，其中，B4处由于前缘气缝引入连续气流，在凹槽内 形成一道剪切层并与主燃道气流的剪切层相互作用。图6中B3和B5说明：引入。
16、前缘气缝 结构，凹槽内部气流的不稳定性增强。图7中C1、C2、C3描述三种不同结构涡量发展的第二 个阶段大涡的形成，C2和C3说明凹槽内外气流的交换增加，涡量带更快地发生集聚并离散 为大涡量团，向凹槽下游传播，气流情况与基准凹槽结构相比复杂，而H1结构形成的涡量 更明显且发生涡量带集聚、离散的时间更早。图8描述三种不同结构的凹槽火焰稳定器其 涡量发展的第三个阶段，其中，D1、D2、D3说明：大涡量团撞击后壁面并发生破碎和重新分 配，H1结构中气流的扰动使得凹槽剪切层更快地发生失稳进入第二阶段，凹槽内外的掺混 区域较基准凹槽和H0结构更大。 0025 作为本发明的另一种实施方式，本发明可应用于超。
17、燃凹槽火焰稳定器1前方存在 燃料喷流6的情况。如图2、3所示，燃料喷流6从超燃凹槽火焰稳定器前方的燃料喷口7 喷出，当燃料喷流流量6较大时，凹槽前缘气缝3对燃料喷流影响不大，通过凹槽前缘气缝 内气流5进入超燃凹槽火焰稳定器1的燃料较少，当燃料流量6较小时，燃料可通过凹槽前 缘气缝内气流5较多的进入超燃凹槽火焰稳定器1，这部分燃料由于在凹槽回流区内，具有 更长的驻留时间，可以保证超燃凹槽火焰稳定器1的正常工作。凹槽前缘气缝3在燃料喷 流6较少的情况下，通过前缘气缝3进入凹槽的燃料的量增大，从而增大燃料在超燃凹槽内 的驻留时间。当燃料喷口压力增大，即燃料喷流6较大时，气缝出口附近的燃料富集区域保 。
18、说 明 书CN 102877984 A 4/4页 6 证超燃凹槽内有一定量的燃料供给，以维持凹槽火焰稳定器的稳定工作。 0026 所述的传统超燃凹槽火焰稳定器深度为10mm，凹槽宽为50mm，即长深比为5，后壁 面倾斜角为45，凹槽前方燃料喷口距凹槽前缘20mm，并将喷口简化为1.5*1.5mm的矩形， 超燃燃烧室主流道高度为25mm。 0027 所述的凹槽前缘气缝在超燃凹槽火焰稳定器的凹槽内距离凹槽底端的高度为 3-6mm，气缝内气流进口距离凹槽前缘的高度为0-1mm。 0028 优选的，所述的凹槽前缘气缝3的宽度为1mm，所述的凹槽前缘气缝几何中心线与 超燃燃烧室的主流道2几何中心线之间的。
19、夹角为17，所述的凹槽前缘气缝在超燃凹槽火 焰稳定器1的凹槽内距离凹槽底端的高度为6mm，气缝内气流进口距离凹槽前缘的高度为 0mm。 0029 优选的，所述的H1结构凹槽前缘气缝的宽度为1mm，所述的凹槽前缘气缝几何中 心线与超燃燃烧室的主流道2几何中心线之间的夹角为17，所述的凹槽前缘气缝在超燃 凹槽火焰稳定器1的凹槽内距离凹槽底端的高度为6mm，气缝内气流进口距离凹槽前缘的 高度为1mm。 0030 根据描述本发明结构的参数：总压损失、混合效率、质量交换律、剪切层运动等，本 发明带前缘气缝的H0及H1结构相比传统超燃凹槽火焰稳定器，其混合效率及内外气流质 量交换律更高，掺混效果明显，有利。
20、于火焰的稳定。另外，H1结构相比H0其剪切层运动的 不稳定性更高，凹槽内外掺混区域变大。 0031 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。 0032 以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用 等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。 说 明 书CN 102877984 A 1/9页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102877984 A 2/9页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102877984 A 3/9页 9 图5 说 明 书 附 图CN 102877984 A 4/9页 10 说 明 书 附 图CN 102877984 A 10 5/9页 11 图6 说 明 书 附 图CN 102877984 A 11 6/9页 12 说 明 书 附 图CN 102877984 A 12 7/9页 13 图7 说 明 书 附 图CN 102877984 A 13 8/9页 14 说 明 书 附 图CN 102877984 A 14 9/9页 15 图8 说 明 书 附 图CN 102877984 A 15 。