一种亚燃冲压发动机燃烧室结构

本发明涉及航空发动机，具体涉及一种亚燃冲压发动机燃烧室结构。

背景技术：

1、亚燃冲压发动机通常由进气道、燃烧室和尾喷管等部分组成。低马赫数工作状态下，进入燃烧室的气流虽已由进气道减速至亚声速，但仍具有较高速度，同时来流总温较低，燃油雾化蒸发困难，油气掺混时间短，容易导致点火困难、火焰吹熄、燃烧效率偏低以及燃烧室稳定工作范围受限等问题。因此，如何在有限燃烧室长度内合理组织入口空气、燃油喷射和火焰稳定，是低马赫数亚燃冲压发动机燃烧室设计中的关键问题。

2、在燃烧室空气组织方面，现有航空发动机燃烧室通常设有扩压器或扩压段，用于对入口气流进行减速增压，并通过环腔、掺混孔、冷却孔等结构实现空气分配。但常规扩压器或环腔配气结构多服务于燃气涡轮发动机主燃烧室的燃烧、掺混和涡轮进口温度场调节需求，或仅作为普通进气减速部件使用。对于低马赫数亚燃冲压发动机而言，燃烧室内气流速度高、燃烧距离有限，若入口空气未经合理均压和分流，容易使头部喷射单元受到非均匀来流影响，进而导致局部油气比失衡和火焰稳定性下降。因此，仅采用普通扩压或单一环腔供气结构，难以同时满足多点头部燃烧组织和火焰筒冷却供气的协同需求。

3、在燃油组织方面，现有航空发动机主燃烧室中已有多点喷射、分级供油或分区燃烧等方案，用于兼顾点火、低工况稳定和高工况燃烧效率。然而，该类方案通常针对燃气涡轮发动机主燃烧室的贫油燃烧、排放控制或温度场调节设计，其多点喷射与分级供油多围绕预燃级、主燃级或值班级展开。对于亚燃冲压发动机低温高速来流条件，燃油需要在更短时间和更短距离内完成雾化、蒸发与掺混，同时还需要在不同来流和燃油流量条件下维持足够的局部当量比和火焰稳定性。因此，单纯采用常规多点喷射或普通分级供油，难以充分解决低马赫数工况下燃油空间分布不均、局部富油或贫油、宽工况燃烧组织困难等问题。

4、在火焰稳定方面，现有冲压发动机或加力燃烧室中常采用v型槽、支板、后向台阶、凹腔等几何稳焰结构，也可采用旋流器等气动稳焰方式。v型槽、支板等钝体稳焰结构具有结构简单、加工方便的优点，可在钝体下游形成局部回流区以锚定火焰，但在低温高速来流条件下，单一钝体形成的回流区尺度和强度有限；单一旋流结构能够增强回流和油气掺混，但若大范围布置容易引入较大总压损失，且难以兼顾燃油在燃烧室横截面内的均匀分布。已有部分技术将旋流器与v型火焰稳定器组合，或将多个旋流器阵列布置于加力燃烧室扩压通道内，以增强局部回流和火焰稳定能力，但这类方案多侧重于火焰稳定器本体或加力燃烧室局部结构，并未针对亚燃冲压发动机整体燃烧室的空气分配、燃油分级和单元内雾化稳焰过程进行统一设计。

5、此外，现有冲压发动机燃烧室中也存在采用局部旋流、突扩、文氏管或凹腔等组合稳焰方式的技术方案，但其通常集中于局部稳焰结构本身，尚未针对低马赫数、低温高速来流条件，将空气分配结构、燃油分布结构、燃油分级调节结构、跨流雾化结构和旋流-钝体稳焰结构进行功能分工并集成为同一燃烧室头部方案。也就是说，现有结构往往分别解决进气、喷油或稳焰中的某一问题，而未形成由扩压配气段和环形腔负责空气均压分流、多圈多点喷射单元负责燃油径向分布、按圈分级供油负责宽工况调节、旋流通道内跨流喷射负责雾化掺混、轴向旋流器与v型钝体稳焰锥负责回流稳焰的整体协同结构。

6、因此，需要提供一种亚燃冲压发动机燃烧室结构以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中往往分别解决进气、喷油或稳焰中的某一问题，而未形成由扩压配气段和环形腔负责空气均压分流、多圈多点喷射单元负责燃油径向分布、按圈分级供油负责宽工况调节、旋流通道内跨流喷射负责雾化掺混、轴向旋流器与v型钝体稳焰锥负责回流稳焰的整体协同的问题，本发明提供一种亚燃冲压发动机燃烧室结构，针对低马赫数、低温高速来流条件下油气掺混时间短、火焰稳定性不足和燃烧效率偏低的问题，通过扩压配气段、环形腔和头部分配孔实现来流均匀分配，并采用多圈多点阵列喷射单元及分级供油方式，使燃油在燃烧室头部不同径向位置按工况需求组织喷射；同时将轴向旋流器、v型钝体稳焰锥和跨流燃油喷射结构集成为一体，利用旋流-钝体耦合形成稳定回流区，并强化燃油破碎、雾化与掺混，从而在有限燃烧室长度内提高点火稳定性、火焰驻定能力和燃烧效率。

2、本发明提供一种亚燃冲压发动机燃烧室结构，采用如下技术方案，包括：

3、火焰筒，其同轴设置于发动机的机匣内，火焰筒的上游内部设置有多圈多点阵列式喷射结构，多圈多点阵列式喷射结构用于对进入火焰筒的流体进行分隔和导向；火焰筒的内壁均布设置有多个冷却孔；

4、扩压配气段，其包括同轴设置的内扩压壳体和外扩压壳体，内扩压壳体和外扩压壳体的进口端之间封闭，其中，外扩压壳体的出口端和发动机的机匣的进口端连接，内扩压壳体的出口端和火焰筒的进口端连接；扩压壳体和外扩压壳体之间以及火焰筒和机匣之间形成环形腔；内扩压壳体上均布设置有多个连通其内部通道和环形腔的头部分配孔；其中，头部分配孔用于将进入扩压配气段内的部分来流引入环形腔并从冷却孔引入火焰筒；

5、以及供油通道结构，其一端和发动机的供油系统的出口连通，其另一端用于和多圈多点阵列式喷射结构进油口连通。

6、本发明进一步的技术方案为，多圈多点阵列式喷射结构包括：多个喷射单元，多个喷射单元绕燃烧室中心轴按多圈同轴布置于火焰筒内，且相邻两个喷射单元之间通过连接肋板连接，连接肋板用于对流体进行分隔；相邻喷射单元以及连接肋板围成的区域形成导向区域。

7、本发明进一步的技术方案为，多个喷射单元绕燃烧室中心轴按三圈同轴布置于火焰筒内，其中，内圈的喷射单元作为点火或者保焰支路，中圈的喷射单元作为主燃烧支路，外圈的喷射单元作为高负荷补充支路。

8、本发明进一步的技术方案为，喷射单元包括：

9、轴向旋流器，轴向旋流器的旋流通道内的多股跨流燃油喷射结构；

10、v型钝体稳焰锥，其同轴设置于轴向旋流器的下游末端，其v型槽槽底朝向燃烧室入口，v型槽槽口朝向燃烧室出口，其用于使轴向旋流器产生的旋流与v型钝体稳焰锥产生的尾迹回流相互耦合，以在多圈多点阵列式喷射结构下游形成用于火焰驻定的稳定回流区；

11、其中，轴向旋流器包括轮毂和沿周向布置在轮毂上的旋流叶片，旋流叶片用于将轴向来流转换为具有切向速度分量的旋流气流。

12、本发明进一步的技术方案为，供油通道结构包括：各圈喷射单元对应设置的环形分级供油支路，环形分级供油支路的出口通过喷油杆与轴向旋流器一侧连接肋板中设置的通道连通，各个环形分级供油支路的进口通过燃油总管分别和发动机的供油系统的出口连通。

13、本发明进一步的技术方案为，轴向旋流器的旋流角度为10°~30°。

14、本发明进一步的技术方案为，多股跨流燃油喷射结构包括：

15、集油环腔，其设置于轴向旋流器的外环内，其外圈和连接肋板内设置的通道连通；

16、多个喷孔，其设置于轴向旋流器的外环内壁上，且多个喷孔均与集油腔连通。

17、本发明进一步的技术方案为，喷孔设置于相邻旋流叶片之间的轴向旋流器的外环内壁上。

18、本发明进一步的技术方案为，进入多圈多点阵列式喷射结构的空气量占总来流空气量的80%～95%；进入火焰筒壁面的冷却孔的空气量占总来流空气量的5%～20%。

19、本发明进一步的技术方案为，火焰筒包括：沿机匣的上游到下游依次连接的直筒段以及下游收缩段；其中，多圈多点阵列式喷射结构设置于直筒段的上游内部。

20、本发明的有益效果是：

21、1、本发明基于现有亚燃冲压发动机在低马赫数（ma1.2-ma2.5）工况下，因来流总温低、气流速度高而导致的火焰驻定困难、油气混合不充分、燃烧效率偏低的问题，本发明通过设置扩压配气段，在扩压配气段的扩压壳体和外扩压壳体之间以及火焰筒和机匣之间形成环形腔，对通过扩压配气段和从头部分配孔进入环形腔的入口来流进行减速、均压和分配，从而使入口空气在进入多圈多点阵列式喷射结构及火焰筒冷却区域前得到重新组织。该结构能够降低入口来流非均匀性对头部的多圈多点阵列式喷射结构的影响，提高多圈喷射单元入口空气分配的一致性，并通过环形腔为火焰筒壁面的冷却孔提供空气来源，从而兼顾燃烧组织和结构热防护需求。

22、2、本发明将燃烧室头部设计为多圈多点阵列喷射结构，使多圈多点阵列喷射结构中的多个喷射单元沿燃烧室径向分布于不同圈层。与单点或少点喷射相比，该布置方式能够使燃油在燃烧室横截面内形成更均匀的空间分布，减少局部富油区或贫油区，缩短燃油雾化、蒸发和油气掺混所需距离，有利于在有限燃烧室长度内提高燃烧效率。同时，将多圈喷射单元与环形分级供油支路相结合，使内圈、中圈和外圈对应的喷射单元能够根据不同工况分别或共同工作。低工况或点火阶段可优先向内圈喷射单元供油，以提高局部当量比和火焰稳定性；中高工况下可逐步开启中圈和外圈喷射单元，以扩大燃油空间覆盖范围并提高总燃油供给能力。因此，该结构能够提高燃烧室对不同来流条件和不同燃油流量条件的适应能力，拓宽稳定工作范围。

23、3、本发明通过扩压配气段、多圈多点阵列式喷射结构以及环形分级供油支路，多圈多点阵列式喷射结构的喷射单元通过轴向旋流器、v型钝体稳焰锥和跨流燃油喷射结构的协同，使燃烧室在空气分配、燃油分布、局部雾化和火焰驻定方面形成连续匹配关系。其中，扩压配气段和环形腔主要承担空气均压分流和冷却供气功能，多圈多点阵列式喷射结构及环形分级供油支路主要承担燃油空间分布和宽工况调节功能，跨流燃油喷射结构设置于轴向旋流器的旋流通道内，使燃油以与空气主流方向相交的方式喷入旋流气流中。燃油射流进入旋流剪切场后，可利用高速来流和旋流剪切作用强化破碎、雾化和初步掺混，并在进入v型钝体稳焰锥下游回流区前形成较好的油气混合状态，从而提高燃烧充分性和火焰稳定性；轴向旋流器使来流获得切向速度分量，v型钝体稳焰锥在其下游形成钝体尾迹回流，二者耦合作用能够增强回流区尺度和稳定性，为火焰提供可靠驻定区域，从而改善低温高速来流条件下点火困难、火焰易吹熄的问题；该整体结构能够在有限燃烧室长度内同时改善油气混合均匀性、点火稳定性、火焰驻定能力、燃烧效率和结构可靠性，适用于低马赫数、低温高速来流条件下的亚燃冲压发动机燃烧组织。