一种适用于冲压发动机的喷油系统及其喷油方法与流程

1.本发明涉及冲压发动机技术领域，特别涉及一种适用于冲压发动机的喷油系统及其喷油方法。


背景技术：

2.冲压发动机主要利用侧面或腹部的进气道对高速来流进行冲击压缩，通入燃烧室后，瞬间突扩燃烧室并与燃烧室内的燃料掺混燃烧，从而构成旁侧进气突扩燃烧室结构，使冲压发动机的机体结构更加紧凑、容积效率更高、燃料掺混更加均匀、火焰稳定性更强。对于空中发射的飞行器以及各种组合循环发动机，侧面或腹部进气道结构大大提高了飞行器的容积效率，适应了小型化发展的需求方向，所以，旁侧进气突扩燃烧室结构在整体式液体冲压发动机的设计方面得到了广泛地应用。
3.燃烧室内的燃烧组织过程与其流场特性密切相关，在旁侧进气突扩燃烧室中，来自不同进气管道之间的空气射流之间相互撞击，流场结构呈现出非常复杂的三维流动特征，其流场一般包含以下几种流动形态：a、空气射流及撞击区区、燃气(或燃料)射流区；b、燃烧室头部回流区，进气道射流下游回流区；流场区域多个回流区的形态及其相互作用过程对燃烧过程的组织、燃烧效率的提高具有重要影响。进气角度、进气管道数目、形状、截面积及空间布置位置、燃烧室头部形状、燃烧室特征长度等结构参数是影响燃烧性能的关键参数。
4.鉴于侧向进气冲压发动机燃烧室的复杂流动和燃烧组织方式，燃料的喷射方式和位置对燃烧性能具有决定作用，如附图2所示，通常的燃料是从进气道弯管的内、外侧注入，从弯管内侧注入的燃料进入靠近燃烧室头部的回流区形成回流燃烧；从弯管外侧注入的燃料进入进气口下游靠近燃烧室内壁的各个回流区。这样的供燃方案使燃料的分布空间明显增大，这不仅加快了燃料的雾化，而且燃烧区的增大，有助于扩展燃烧边界，有助于抑制振荡燃烧的发生。
5.但同时伴随着冲压发动机的飞行高度、飞行ma的变化，燃烧室进口气流速度、总温、总压不同，燃烧室头部、进气道下游近壁区域的燃料浓度也有所不同，并不能确保在所有状态处于最佳油气比状态，进而影响燃烧稳定性等性能。相关研究表明，强化油气掺混以及优化这两个区域的燃料比例是提高燃烧稳定性的主要方法，在以往的冲压发动机燃料喷射方式中，多采用在侧向进气管道同时喷射燃料，两侧燃料喷射形成直射流并对冲，虽然射流的穿透深度较大，但射流的展向扩展性较小，不利于油气掺混，不利于火焰稳定性。
6.因此，如何设计优化冲压发动机燃烧室内油气配比，提高油气掺混的均匀性，拓宽燃烧火焰的稳定性是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明提供一种适用于冲压发动机的喷油系统，解决旁侧进气突扩燃烧室结构射流的展向扩展性低、油气掺混不均匀且火焰稳定性不高的技术问题。
8.本发明解决上述技术问题的技术方案如下，一种适用于冲压发动机的喷油系统，所述冲压发动机包括燃烧腔体、两根供气管和排气管，两根所述供气管平行分布在所述燃烧腔体的两侧且其一端均向靠近所述燃烧腔体的方向弯折，两根所述供气管的弯折端对称呈预设角度γ固定且连通在所述燃烧腔体靠近其头部的侧壁；所述排气管固定且连通在所述燃烧腔体的尾端；包括：
9.两个第一侧喷装置和两个第二侧喷装置，两个所述第一侧喷装置和两个所述第二侧喷装置分别相对固定在两根所述供气管靠近其弯折端的内侧壁上，两个所述第一侧喷装置的喷射口和两个所述第二侧喷装置的喷射口分别相对向两根所述供气管靠近其弯折端的内部喷射燃料且其喷射出的燃料可在所述燃烧腔体内形成对称分布的第一回流区；
10.头喷装置，所述头喷装置固定在所述燃烧腔体的内头端，所述头喷装置的喷油口向所述燃烧腔体的内头部喷射燃料且其喷射出的燃料可在所述燃烧腔体内形成第二回流区；
11.分配阀组件，所述分配阀组件的出油口通过油管分别与两个所述第一侧喷装置的进油口、两个所述第二侧喷装置的进油口和所述头喷装置的进油口连通；
12.控制器，所述控制器与所述分配阀组件电性连接。
13.本发明的有益效果是：利用控制器控制分配阀组件分配不同的燃料流量至两个第一侧喷装置、两个第二侧喷装置和头喷装置，由于两个第一侧喷装置和两个第二侧喷装置分别相对固定在两根所述供气管靠近其弯折端的内侧壁、头喷装置固定在所述燃烧腔体的内头部，可以同时从两侧和头部方向向燃烧腔体内喷射燃料，一方面可以在燃烧腔体内形成低速燃料的第一回流区和第二回流区，增加火焰着火点，括宽燃烧稳定性；另一方面可以增大燃料射流展向扩展性、提高油气掺混均匀性。
14.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
15.进一步，所述分配阀组件包括：
16.总控阀，所述总控阀与所述冲压发动机的供油系统连通且可调控所述燃烧腔体内的总燃料供给量；
17.一级分配阀，所述一级分配阀的进油口通过油管与所述总控阀的出油口串联连通；
18.二级分配阀，所述二级分配阀的进油口和两个所述第一侧喷装置的进油口通过油管分别与所述一级分配阀的出油口连通；两个所述第二侧喷装置的进油口和所述头喷装置的进油口通过油管分别与所述二级分配阀的出油口连通；所述控制器分别与所述总控阀、所述一级分配阀和所述二级分配阀电性连接。
19.采用上述进一步的有益效果是:利用控制器内部的储存器储存多种依据经验设定的供油曲线，控制总控阀、一级分配和二级分配阀的开启大小，可满足冲压发动机不同推进方式(加速度、马赫数、高度、转弯、上升、下降等)所需的燃料供应。
20.进一步，所述燃烧腔体的头部为拱顶形结构。
21.进一步，所述燃烧腔体的横截面为环形结构且其内径为d1；所述供气管与所述燃烧腔体固定的下部固定点为a点，所述头喷装置与所述燃烧腔体固定的固定点为b点，所述b点与所述a点之前的垂直长度为l1，所述l1与所述d1的比值定义为归一化头部高度，所述归一化头部高度为0.40-0.55。
22.采用上述进一步的有益效果是:当燃烧腔体的头部处于最佳归一化头部高度时，第二回流区的喷射燃料才会倾向于形成一个最容易被进口射流驱动的光滑圆。
23.进一步，所述供气管与所述燃烧腔体固定的上部固定点为c点，所述c点与所述b点之间的垂直距离为l2，所述l2的长度为70mm-100mm。
24.采用上述进一步的有益效果是:当l2的长度处于最佳值时，头部装置喷油口喷射的燃料，可以提高燃烧腔体内的油气掺混均匀性，并括宽燃烧稳定性。
25.进一步，所述预设角度γ为60
°‑
75
°
。
26.进一步，所述头喷装置的出燃料为所述总控阀总供给量的12％-18％，则所述燃烧腔体内部的当量比为1-1.2。
27.进一步，两个所述第一侧喷装置、两个所述第二侧喷装置和所述头喷装置均为实心压力雾化喷嘴。
28.采用上述进一步的有益效果是:利用实心压力雾化喷嘴，可以将燃料雾化喷射到燃烧腔体内，提高燃烧效果。
29.进一步，两个所述第一侧喷装置和两个所述第二侧喷装置的喷雾锥角为30
°‑
60
°
；所述头喷装置的喷雾锥角为45
°‑
60
°
。
30.另外，提供一种适用于冲压发动机的喷油方法，包括如下步骤：
31.s1、利用控制器调控分配阀组件分配不同的燃料流量至两个第一侧喷装置、两个第二侧喷装置和头喷装置；
32.s2、两个第一侧喷装置的喷油口和两个第二侧喷装置的喷油口分别相对向两根供气管靠近其弯折端的内部喷射燃料且其喷射出的燃料可在燃烧腔体内形成两个对称布置的第一回流区；头喷装置的喷射口向燃烧腔体内顶部喷射燃料且其喷射出的燃料在燃烧腔体内形成第二回流区。
附图说明
33.图1为本发明一种适用于冲压发动机的喷油系统内部结构示意图；
34.图2为现有技术中冲压发动机的喷油系统内部结构示意图；
35.图3为本发明一种适用于冲压发动机的喷油系统的侧视结构示意图。
36.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
37.1、第一侧喷装置，2、第二侧喷装置，3、头喷装置，4、分配阀组件，41、总控阀，42、一级分配阀，43、二级分配阀，5、第一回流区，6、第二回流区，7、燃烧腔体，8、供气管，9、排气管。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
39.如图1所示，一种适用于冲压发动机的喷油系统，冲压发动机包括燃烧腔体7和两根供气管8，两根供气管8平行分布在燃烧腔体7的两侧且其一端均向靠近燃烧腔体7的方向弯折，两根供气管8的弯折端对称呈预设角度γ固定且连通在燃烧腔体7靠近其头部的侧壁；包括：
40.两个第一侧喷装置1和两个第二侧喷装置2，两个第一侧喷装置1和两个第二侧喷装置2分别相对固定在两根供气管8靠近其弯折端的内侧壁上，两个第一侧喷装置1的喷射口和两个第二侧喷装置2的喷射口分别相对向两根供气管8靠近其弯折端的内部喷射燃料且其喷射出的燃料可在燃烧腔体7内形成对称分布的第一回流区5；
41.头喷装置3，头喷装置3固定在燃烧腔体7的内头端，头喷装置3的喷油口向燃烧腔体7的内头部喷射燃料且其喷射出的燃料可在燃烧腔体7内形成第二回流区6；
42.分配阀组件4，分配阀组件4的出油口通过油管分别与两个第一侧喷装置1的进油口、两个第二侧喷装置2的进油口和头喷装置3的进油口连通；
43.控制器，控制器与分配阀组件4电性连接。
44.在一些具体的实施例中，分配阀组件4包括：
45.总控阀41，总控阀41与冲压发动机的供油系统连通；
46.一级分配阀42，一级分配阀42的进油口通过油管与总控阀41的出油口串联连通；
47.二级分配阀43，二级分配阀43的进油口和两个第一侧喷装置1的进油口通过油管分别与一级分配阀42的出油口连通；两个第二侧喷装置2的进油口和头喷装置3的进油口通过油管分别与二级分配阀43的出油口连通；控制器分别与总控阀41、一级分配阀42和二级分配阀43电性连接。
48.在一些具体的实施例中，燃烧腔体7的头部为拱顶形结构。
49.在一些具体的实施例中，燃烧腔体7的横截面为环形结构且其内径为d1；供气管8与燃烧腔体7固定的下部固定点为a点，头喷装置3与燃烧腔体7固定的固定点为b点，b点与a点之前的垂直长度为l1，l1与d1的比值定义为归一化头部高度，归一化头部高度为0.40-0.55。
50.在一些具体的实施例中，供气管8与燃烧腔体7固定的上部固定点为c点，c点与b点之间的垂直距离为l2，l2的长度为70mm-100mm。
51.在一些具体的实施例中，预设角度γ为60
°‑
75
°
。
52.在一些具体的实施例中，头喷装置3的出燃料为总控阀41总供给量的12％-18％，则燃烧腔体7内部的当量比为1-1.2。
53.在一些具体的实施例中，两个第一侧喷装置1、两个第二侧喷装置2和头喷装置3均为实心压力雾化喷嘴。
54.在一些具体的实施例中，两个第一侧喷装置1和两个第二侧喷装置2的喷雾锥角为30
°‑
60
°
；头喷装置3的喷雾锥角为45
°‑
60
°
。
55.另外，提供一种适用于冲压发动机的喷油方法，包括如下步骤：
56.s1、利用控制器调控分配阀组件4分配不同的燃料流量至两个第一侧喷装置1、两个第二侧喷装置2和头喷装置3；
57.s2、两个第一侧喷装置1的喷油口和两个第二侧喷装置2的喷油口分别相对向两根供气管8靠近其弯折端的内部喷射燃料且其喷射出的燃料可在燃烧腔体7内形成两个对称布置的第一回流区5；头喷装置3的喷射口向燃烧腔体7内顶部喷射燃料且其喷射出的燃料在燃烧腔体7内形成第二回流区6。
58.以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于冲压发动机的喷油系统，所述冲压发动机包括燃烧腔体(7)和两根供气管(8)，两根所述供气管(8)平行分布在所述燃烧腔体(7)的两侧且其一端均向靠近所述燃烧腔体(7)的方向弯折，两根所述供气管(8)的弯折端对称呈预设角度γ固定且连通在所述燃烧腔体(7)靠近其头部的侧壁；其特征在于，包括：两个第一侧喷装置(1)和两个第二侧喷装置(2)，两个所述第一侧喷装置(1)和两个所述第二侧喷装置(2)分别相对固定在两根所述供气管(8)靠近其弯折端的内侧壁上，两个所述第一侧喷装置(1)的喷射口和两个所述第二侧喷装置(2)的喷射口分别相对向两根所述供气管(8)靠近其弯折端的内部喷射燃料且其喷射出的燃料可在所述燃烧腔体(7)内形成对称分布的第一回流区(5)；头喷装置(3)，所述头喷装置(3)固定在所述燃烧腔体(7)的内头端，所述头喷装置(3)的喷油口向所述燃烧腔体(7)的内头部喷射燃料且其喷射出的燃料可在所述燃烧腔体(7)内形成第二回流区(6)；分配阀组件(4)，所述分配阀组件(4)的出油口通过油管分别与两个所述第一侧喷装置(1)的进油口、两个所述第二侧喷装置(2)的进油口和所述头喷装置(3)的进油口连通；控制器，所述控制器与所述分配阀组件(4)电性连接。2.根据权利要求1所述的一种适用于冲压发动机的喷油系统，其特征在于，所述分配阀组件(4)包括：总控阀(41)，所述总控阀(41)与所述冲压发动机的供油系统连通；一级分配阀(42)，所述一级分配阀(42)的进油口通过油管与所述总控阀(41)的出油口串联连通；二级分配阀(43)，所述二级分配阀(43)的进油口和两个所述第一侧喷装置(1)的进油口通过油管分别与所述一级分配阀(42)的出油口连通；两个所述第二侧喷装置(2)的进油口和所述头喷装置(3)的进油口通过油管分别与所述二级分配阀(43)的出油口连通；所述控制器分别与所述总控阀(41)、所述一级分配阀(42)和所述二级分配阀(43)电性连接。3.根据权利要求1所述的一种适用于冲压发动机的喷油系统，其特征在于，所述燃烧腔体(7)的头部为拱顶形结构。4.根据权利要求3所述的一种适用于冲压发动机的喷油系统，其特征在于，所述燃烧腔体(7)的横截面为环形结构且其内径为d1；所述供气管(8)与所述燃烧腔体(7)固定的下部固定点为a点，所述头喷装置(3)与所述燃烧腔体(7)固定的固定点为b点，所述b点与所述a点之前的垂直长度为l1，所述l1与所述d1的比值定义为归一化头部高度，所述归一化头部高度为0.40-0.55。5.根据权利要求4所述的一种适用于冲压发动机的喷油系统，其特征在于，所述供气管(8)与所述燃烧腔体(7)固定的上部固定点为c点，所述c点与所述b点之间的垂直距离为l2，所述l2的长度为70mm-100mm。6.根据权利要求1所述的一种适用于冲压发动机的喷油系统，其特征在于，所述预设角度γ为60
°‑
75
°
。7.根据权利要求1所述的一种适用于冲压发动机的喷油系统，其特征在于，所述头喷装置(3)的出燃料为所述总控阀(41)总供给量的12％-18％，则所述燃烧腔体(7)内部的当量比为1-1.2。
8.根据权利要求1所述的一种适用于冲压发动机的喷油系统，其特征在于，两个所述第一侧喷装置(1)、两个所述第二侧喷装置(2)和所述头喷装置(3)均为实心压力雾化喷嘴。9.根据权利要求8所述的一种适用于冲压发动机的喷油系统，其特征在于，两个所述第一侧喷装置(1)和两个所述第二侧喷装置(2)的喷雾锥角为30
°‑
60
°
；所述头喷装置(3)的喷雾锥角为45
°‑
60
°
。10.一种适用于冲压发动机的喷油方法，其特征在于，使用权力要求1-9的喷油系统，包括如下步骤：s1、利用控制器调控分配阀组件(4)分配不同的燃料流量至两个第一侧喷装置(1)、两个第二侧喷装置(2)和头喷装置(3)；s2、两个第一侧喷装置(1)的喷油口和两个第二侧喷装置(2)的喷油口分别相对向两根供气管(8)靠近其弯折端的内部喷射燃料且其喷射出的燃料可在燃烧腔体(7)内形成两个对称布置的第一回流区(5)；头喷装置(3)的喷射口向燃烧腔体(7)内顶部喷射燃料且其喷射出的燃料在燃烧腔体(7)内形成第二回流区(6)。

技术总结
本发明涉及一种适用于冲压发动机的喷油系统及其喷油方法，属于冲压发动机技术领域，包括：两个第一侧喷装置、两个第二侧喷装置、头喷装置、分配阀组件及控制器，两个第一侧喷装置和两个第二侧喷装置分别相对固定在两根供气管靠近其弯折端的内侧壁上，头喷装置固定在燃烧腔体的内头端；分配阀组件分别与两个第一侧喷装置、两个第二侧喷装置和头喷装置连通。本发明利用控制器控制分配阀组件分配不同的燃料流量至两个第一侧喷装置、两个第二侧喷装置和头喷装置，可以从两侧和头部方向向燃烧腔体内喷射燃料，进而在燃烧腔体内形成第一回流区和第二回流区，增大燃料射流展向的扩展性、提高油气掺混均匀性、增加火焰着火点、括宽燃烧稳定性。烧稳定性。烧稳定性。


技术研发人员：郭志辉 于彬 王寅会 李明婧 张然
受保护的技术使用者：北京动力机械研究所
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/22