一种燃烧室发散冷却结构及冲压发动机燃烧室的制作方法

本发明设计一种冷却结构，特别涉及一种燃烧室发散冷却结构及冲压发动机燃烧室。

背景技术：

在冲压发动机超声速飞行过程中，热部件承受很高的热流密度，热防护技术是成败的关键技术之一。其中，冲压发动机燃烧室是热防护的重点之一，燃烧室内气流温度高、热防护面积大，随着飞行速度提高，用于燃烧室壁面冷却的空气量不断增加，有必要采取轻质高效的方式对燃烧室热防护。

常规的冲压发动机燃烧室热防护方式是气膜冷却，其具体的方案是：燃烧室入口边区的空气通过一系列环形缝槽或者离散孔喷向火焰筒内壁，在壁面和热燃气之间形成一层冷却气膜用以保护火焰筒。但是随着冲压发动机飞行速度提高，为了确保热防护效果，用于燃烧室冷却的空气量就需要不断增加，导致大量空气用于冷却而不参与燃烧，使得发动机比冲和推力性能下降明显。

技术实现要素：

为了解决在发动机飞行速度提高后，采用气膜冷却时存在参与冷却的空气量不断增大，从而导致大量空气用于冷却而不参与燃烧，使得发动机比冲和推力性能下降明显的问题，本发明提出了一种燃烧室发散冷却结构。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案是：

一种燃烧室发散冷却结构，包括采用耐高温疏松材料制作的火焰筒，燃烧室外壳体以及火焰筒之间形成的环形夹缝用于从燃烧室入口气流中取部分空气作为冷却气；冷却气沿着燃烧室的轴向在环形夹缝流动，与火焰筒外侧壁面对流换热，同时在压差作用下，环形夹缝内冷却气经火焰筒壁面的发散冷却孔进入火焰筒内，与火焰筒内实现径向换热，并且在火焰筒内侧壁形成连续的保护气膜。

该冷却结构的原理是：首先，沿着环形夹缝轴向路流动的冷却气以及火焰筒内壁的保护气膜的流动都能带走热量；其次，环形夹缝内冷却气与火焰筒内形成径向换热，可对进一步提升冷却效果，保证热防护的性能。

进一步地，上述耐高温疏松材料为10～100μm的高温合金丝网编织、烧结、轧制而成。

进一步地，上述火焰筒为耐高温疏松材料板材通过钣金工艺成型。

进一步地，为提高火焰筒的刚性，上述火焰筒压制为波纹结构。

进一步地，火焰筒通过螺钉连接的方式固定于所述燃烧室内部。

同时，本发明还提供了一种冲压发动机燃烧室，包括喷油装置、火焰稳定器、燃烧室外壳体及喷管；其改进之处在于：还包括同轴设置在燃烧室外壳体内的的火焰筒，火焰筒采用耐高温疏松材料制作，燃烧室外壳体以及火焰筒之间形成的环形夹缝用于从燃烧室入口气流中取部分空气作为冷却气；冷却气沿着燃烧室的轴向在环形夹缝流动，与火焰筒外侧壁面对流换热，同时在压差作用下，环形夹缝内冷却气经火焰筒壁面的发散冷却孔进入火焰筒内，与火焰筒内实现径向换热，并且在火焰筒内侧壁形成连续的保护气膜。

进一步地，上述耐高温疏松材料为10～100μm的高温合金丝网编织、烧结、轧制而成。

进一步地，上述火焰筒为耐高温疏松材料板材通过钣金工艺成型。

进一步地，为提高火焰筒的刚性，上述火焰筒压制为波纹结构。

进一步地，火焰筒通过螺钉连接的方式固定于所述燃烧室内部。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明采用在燃烧室外壳体内设置采用耐高温疏松材料制作的火焰筒，并形成了环形夹缝，从而构成了一个兼备气膜冷却和发汗冷却功能的冷却结构，该冷却结构一方面降低了需要的冷却空气量，提高了发动机比冲和推力性能，另一方面降低燃烧室热防护结构质量，提升飞行器的载荷质量或增大航程。发散冷却适合用于冲压发动机燃烧室热防护。这是由于发散冷却增大了空气与火焰筒之间的换热面积降低了火焰筒的温度梯度；通过该冷却结构能够实现冷却空气在疏松材料中的定向流动，提升换热效率；在火焰筒热侧，能够形成全气膜保护。

2、本发明采用耐高温疏松材料作为火焰筒的材料，冷却气能够在疏松材料内定向流动，大幅增加结构内换热面积，冷却效果好，换热效率高；冷却气流阻与发散量可以通过丝网间隙和定向发汗孔控制；火焰筒内壁能够形成连续的全气膜保护，气膜不易受燃烧室内流动干扰。

3、本发明采用耐高温疏松材料发散冷却，提高了冷却气的换热能力，冷却气用量减少，可用于燃烧室组织的空气增多，发动机性能高；在同等冷却气取气比例情况下，发动机可以工作在更高的马赫数和更恶劣的热环境条件下。

附图说明

图1为将本发明的冷却结构应用到冲压发动机燃烧室的具体实施结构示意图。

1-喷油装置、2-火焰稳定器、3-火焰筒、4-燃烧室外壳体、5-喷管、6-环形夹缝。

具体实施方式

面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例给出一种将发散冷却结构应用于冲压发动机燃烧室的具体结构。如图1所示，该冲压发动机燃烧室包括：喷油装置1、火焰稳定器2、火焰筒3、燃烧室外壳体4及喷管5。

其中，喷油装置1起到喷注燃油的作用，使燃油与空气有效掺混；

火焰稳定器2在气流中建立合适的回流区，为燃油进一步掺混和组织稳定燃烧提供条件；火焰稳定器2下游组织燃油与空气的燃烧形成高温燃气。

火焰筒3采用耐高温疏松材料制成，燃烧室外壳体4以及火焰筒3之间形成的环形夹缝6，用于从燃烧室入口气流中取部分空气作为冷却气；具体来说，火焰筒3的前缘布置在燃烧室4入口的位置，该位置的空气未与燃油混合，空气温度较低；火焰筒3的后缘布置在喷管5的入口位置，火焰筒3后缘排出的冷却空气，沿喷管5壁面向下游流动，形成气膜，对喷管起到热防护作用；

冷却气沿着燃烧室的轴向在环形夹缝6流动，与火焰筒3外侧壁面对流换热，环形夹缝6内冷却气与火焰筒3内形成径向换热(具体来说就是环形夹缝与火焰筒内之间的压差迫使冷却气穿过火焰筒的疏松壁面，形成径向换热)，并且在火焰筒内壁形成连续的保护气膜。冷却气在环形夹缝6中沿轴向定向流动及气膜流动都能带走火焰筒的热量，起到热防护作用；火焰筒后缘排出的冷却空气，沿喷管5壁面向下游流动，形成气膜，对喷管起到热防护作用。

在本实施例中，火焰筒3所用的耐高温疏松材料为10～100μm的高温合金丝网编织、烧结、轧制而成；气流通过疏松材料的方向、流阻依据热环境、冷却气量、冷却气流通分布等对疏松材料进行具体设计，并通过生产工艺实现。火焰筒3可采用板材通过钣金工艺成型，为提高刚性火焰筒3可压制为波纹结构。火焰筒3上能够焊接安装座等结构实现与燃烧室外壳体的连接，本实施例采用螺钉连接。

综上，本实施例的冲压燃烧室具有以下优点：

1、采用耐高温疏松材料(如丝材轧制的大尺寸定向发散冷却面板)作为火焰筒材料，冷却气能够在环形夹缝内沿轴向流动，并结合通过压差径向换热的方式，增加结构的换热面积，冷却效果好，换热效率高；冷却气流阻与发散量可以通过丝网间隙和定向发汗孔控制；火焰筒内壁能够形成连续的全气膜保护，气膜不易受燃烧室内流动干扰。

2、由于采用了耐高温疏松材料发散冷却，提高了冷却气的换热能力，冷却气用量减少，可用于燃烧室组织的空气增多，发动机性能高；在同等冷却气取气比例情况下，发动机可以工作在更高的马赫数和更恶劣的热环境条件下。