一种具有再生冷却功能的复合材料爆震发动机燃烧室结构

1.本发明涉及发动机燃烧室的技术领域，尤其涉及一种具有再生冷却功能的复合材料爆震发动机燃烧室结构。


背景技术：

2.爆震发动机是一种利用爆震波产生推力的全新发动机，与传统的燃气涡轮发动机工作方式有很大区别，爆震发动机利用爆震波使工作流体增加并进行等容燃烧，可以使工作流体获得更多内能，具有更好的循环效率，具有热循环效率高，结构简单、重量轻、推重比大等优点，但是爆震发动机燃烧室 所处热环境非常复杂恶劣，而燃烧室又是发动机的核心部件，在马赫数达到6以上时，燃烧室内的温度会达到2600k以上，燃烧室的内壁会出现裂纹、烧蚀、结构破坏等情况，因此发动机燃烧室本身的耐高温性能和热防护至关重要，高温合金已经不能满足燃烧室的高温载荷。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供一种具有再生冷却功能的复合材料爆震发动机燃烧室结构，本发明为一种新型的热防护方式，能够使结构承受较高热载荷并使发动机稳定运行，原理是利用冷却液在冷却通道里流动时对流换热把燃烧室套筒热量带走，把燃烧室内壁温度降低到材料允许的温度，为了降低燃烧室结构的高温热应力，在铜管与陶瓷基复合材料之间设置有界面层。采用陶瓷基复合材料（cmc）作为燃烧室套筒，可以有效提高燃烧室耐高温能力、降低爆震发动机的重量、简化爆震发动机结构，从而有效提高爆震发动机效率和推重比。
4.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种具有再生冷却功能的复合材料爆震发动机燃烧室结构，包括燃烧室套筒，燃烧室套筒一端为燃烧室入口、另一端为燃烧室出口，其中：燃烧室套筒由陶瓷基复合材料加工而成，燃烧室套筒的外壁面上开设有至少一道凹槽，凹槽中安装有换热管，换热管内流动有冷却液。
5.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的爆震发动机通过燃烧航空煤油产生爆震波，该爆震波从燃烧室入口进入燃烧室套筒并沿燃烧室套筒内壁面传播，换热管内流动的冷却液为爆震发动机所用航空煤油，换热管的尾端与爆震发动机连接，换热后的航空煤油直接供爆震发动机使用。
6.上述的凹槽为若干道，沿燃烧室套筒轴向布设，每道凹槽中均安装换热管。
7.上述的换热管与凹槽槽面之间设有界面层。
8.上述的界面层为石墨制作。
9.上述的换热管为铜合金管。
10.上述的界面层厚度为1mm。
11.本发明具有以下优点：
1、本发明通过燃烧室套筒的外壁面上开设凹槽，凹槽中安装有换热管，换热管内流动有冷却液可以实现对爆震发动机燃烧室内壁的快速冷却，结构简单，换热面积大，对流换热系数高。
12.2、本发明燃烧室套筒由陶瓷基复合材料加工而成，陶瓷基复合材料（简称cmc）可以在1932k下长时间工作，且质量只有高温合金的1／3，应用于爆震发动机燃烧室套筒可以大幅度提高燃烧室耐温温度，减少冷却空气量，降低爆震发动机重量，提高爆震发动机效率和推重比，对于超高声速飞行器具有极高的应用价值。
13.3、本发明换热管内流动的冷却液为爆震发动机所用航空煤油，换热管的尾端与爆震发动机连接，换热后的航空煤油直接供爆震发动机使用。在经过冷却管道升温后经过喷注器喷入燃烧室作为燃料，可以大大的节约能源，提高爆震发动机工作效率，构成再生冷却系统。
14.4、换热管与凹槽槽面之间设有石墨界面层，用于解决高温情况下由于膨胀引起的热应力多大的问题，界面层的添加也有助于提高铜管与燃烧室套筒之间的热传导效率，增强冷却效果。
附图说明
15.图1为本发明的结构示意图图2为本发明燃烧室截面简图；图3为本发明凹槽和换热管剖视图。
16.图中标记名称：燃烧室入口1、燃烧室套筒2、换热管3、冷却液入口4、燃烧室出口5、冷却液出口6、燃烧室套筒内壁面7、外壁面8、燃气通道9、冷却通道10、凹槽11、界面层12。
具体实施方式
17.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
18.请参阅图1、图2和图3，本发明实施例包括：一种具有再生冷却功能的陶瓷基复合材料爆震发动机燃烧室结构，包括燃烧室套筒2、换热管3、冷却液入口4、冷却液出口6、燃烧室入口1、燃烧室出口5、燃气通道9和冷却通道10构成，冷却液入口位于燃烧室头部，工作时爆震发动机爆震波沿燃烧室套筒内壁面7传播，高温燃气流与内壁面直接接触，内壁面温度升高，逐步的沿轴向和径向传导热量，主要把热量传导到外壁面8；燃烧室为环形燃烧室，燃烧室套筒为环形结构，有燃烧室内壁面和燃烧室外壁面，在外壁面开凹槽，放置铜管，为了降低铜管与燃烧室套筒之间因高温膨胀产生的热应力，在铜管与燃烧室套筒之间添加界面层12，界面层由石墨制作。
19.如图2、3所示凹槽是在燃烧室套筒外壁开槽，相比在燃烧室套筒里面开孔，开槽易加工，易安装冷却管，精度高，凹槽尺寸底边在10.7mm-16.5mm，两个边在底边顶点a，b与圆心o的延长线上，顶边为圆弧c，d（c，d为凹槽上边与外壁面交点），这样铜合金管顶边与燃烧室外壁面构成完整的燃烧室外壁面。
20.铜合金管采用的是导热系数比较高的铜质合金，尺寸和燃烧室套筒开槽尺寸一致，铜合金管厚度1mm。
21.冷却管宽度与冷却管间距可选1：1，1.5：1，2：1，2.5：1，3：1，以上几种尺寸比例在
满足结构应力要求情况下冷却效果逐步提高。
22.在爆震发动机工作时，在燃烧室内壁产生高温、高频压力载荷，燃烧室内壁与燃烧室内高温燃气通道是对流换热，燃烧室内壁温度会逐步增高，内壁温度会逐步的把温度向外传导，如果没有冷却系统，内壁燃烧室套筒温度最终会达到2500k以上，影响爆震发动机燃烧室的结构耐久性，发动机燃烧室的寿命会极大的降低，燃烧室套筒采用陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料由很多种，这里选用二维编织的c/sic材料，可以在超高温环境下具有良好的力学性能，可以在2500k温度下短时间工作，在1932k温度以下长时间工作，可以减少爆震发动机冷却空气量，简化爆震发动机结构，降低爆震发动机重量，提高爆震发动机效率和推重比；燃烧室套筒虽然采用了能够耐高温的二维编织的c/sic材料，但是也不能长期在超高温情况下稳定工作，所以必须采用主动冷却结构对燃烧室进行冷却，冷却液就是用的爆震发动机运行需要用的航空煤油，冷却液从冷却液入口处进入铜合金管，流体是质量流入，具体的流入质量跟爆震发动机耗油量决定，爆震发动机的燃料就是冷却液流过冷却通道后经过喷注器喷入爆震发动机燃烧室，冷却液在铜合金管内流动与铜合金管内壁面对流换热，从冷却液出口处流出，带走铜合金管的热量。如图3所示而铜合金管与燃烧室套筒有三个接触界面，这三个接触界面就是界面层，界面层由石墨构成，燃烧室套筒和铜合金管工作时处于高温环境，所以，燃烧室套筒和铜合金管在高温下会受热膨胀，导致接触面会有很高的热应力，界面层的目的就是有效降低这一热应力，界面层由石墨制作，具有比较低的热膨胀系数和较小的弹性模量，尺寸在0.5mm—1.5mm之间选择，可以提高铜合金管与燃烧室套筒之间的传热系数。
23.本发明可以实现对爆震发动机燃烧室内壁的快速冷却，结构简单，换热面积大，对流换热系数高，陶瓷基复合材料（cmc）的选用可以有效提高爆震发动机工作温度同时减轻发动机重量，对于提高爆震发动机各项性能具有很好的有益效果。
24.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。