微通道再生冷卻的微型燃燒室的制作方法

本實用新型涉及航空發動機領域，特別是一種微通道再生冷卻的微型燃燒室。

背景技術：

隨著航空燃氣渦輪發動機推重比的提高，燃燒室設計向著高溫升、高熱容方向發展。燃燒室作為組織燃燒的場所，長期在高溫高壓的環境下工作，要承受很大的熱應力、蠕變應力和疲勞應力，其壽命和可靠性成為決定發動機壽命和可靠性的關鍵。燃燒室一般采用耐高溫合金制成，但是目前的金屬材料耐溫能力在1000攝氏度以下，遠遠低于燃氣溫度；且金屬材料的耐溫水平提升速度遠低于燃氣溫度的提升速度，單純依賴材料進行熱防護遠遠達不到需求，勢必要對燃燒室進行有效的冷卻。

傳統的氣膜冷卻方式是指利用冷卻氣流，從壁面以一定的角度或者從切線方向射入，使得壁面材料和高溫的氣體通過氣膜隔開，從而使得壁面材料得到冷卻，采用氣膜冷卻方式，以及結合復合型材料可以滿足一般的熱防護要求，也是最傳統的冷卻方式，在飛行器的速度較低，其馬赫數低于3時，發動機燃燒室內燃料燃燒所產生的熱量成為其最主要的熱源，此時，可以采用傳統的氣膜冷卻方式便可以解決問題。然而，隨著飛行馬赫數的提高，熱流密度和溫度的進一步升高，傳統的氣膜冷卻已很難滿足其冷卻要求。

通常認為水力直徑小于等于1mm的通道為微通道，在微通道內，流體邊界層厚度很小，因此流體熱傳導與擴散傳質阻力很小，同時微通道與流體的單位體積接觸比面積顯著大于常規通道，從而能夠顯著強化傳熱，其傳熱效果通常為傳統氣體冷卻的數倍至數十倍。此外，其利用工質的流動沸騰相變，在進一步增大換熱能力的同時并不顯著提高壁面溫度，成為高效冷卻的理想選擇。微通道換熱已在汽車空調換熱、微電子芯片冷卻、半導體激光器冷卻等領域應用，然而將其應用于燃燒室壁面冷卻尚未有報道。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的上述問題，本實用新型提供一種應用微通道實現再生冷卻的燃燒室結構，再生冷卻是將燃料同時用做冷卻劑，利用燃料吸收燃燒室釋放的熱量，加熱到一定溫度，從而裂解成小分子易燃物質，進入燃燒室進一步燃燒，將吸收的熱量又釋放到燃燒室，在提高燃燒效率的同時實現燃燒室壁面的冷卻降溫，同時，利用微通道比表面積大、微尺度效應強化換熱的優點，提高燃油的換熱效果，降低燃燒室壁面溫度及溫度梯度，進而解決熱應力過大問題，實現了燃燒室的有效熱防護。

本實用新型提供的技術方案如下：一種微通道再生冷卻的微型燃燒室，包括燃燒腔體及依次層疊設置在燃燒腔體上下兩側的中間墊板、微通道板和頂蓋板，所述燃燒腔體與所述中間墊板和所述微通道板形成密閉的燃燒腔，所述燃燒腔體的前后兩端分別設置有燃油噴嘴和尾氣排放口，所述燃燒腔體在所述燃油噴嘴一側開設有可與外部空氣聯通的進氣口，所述頂蓋板前后端分別開設有燃油進口和燃油出口，所述微通道板上排布有若干道等間距平行排布的微通道，燃油流動路徑為先由所述頂蓋板上的燃油進口流經所述微通道板換熱后，由所述燃油出口流出后經所述燃油噴嘴噴入所述燃燒腔中，而后與從所述進氣口流入的空氣摻混后點火燃燒后由所述尾氣排放口排。

在本實用新型的較佳實施例中，所述微通道板上設置有10道至20道等間距平行排布的微通道，所述相鄰微通道的中心間距為1mm至2mm。

在本實用新型的較佳實施例中，所述微通道截面形狀設置為矩形或三角形或梯形，所述微通道的水力直徑為0.3mm至1.0mm。

在本實用新型的較佳實施例中，所述燃燒腔包括前端一級燃燒腔和后端噴管腔，所述前端一級燃燒腔與所述后端噴管腔之間設置一喉部結構進行收窄過渡，所述喉部結構的喉口口徑窄于所述前端一級燃燒腔和所述后端噴管的腔縱向寬度尺寸設置，所述喉部結構的設置使得所述燃燒腔形成擴張-收斂-擴張的腔體結構。

在本實用新型的較佳實施例中，所述前端一級燃燒腔的縱向寬度設置為60mm至100mm，所述后端噴管腔的縱向寬度設置為30mm至50mm，所述喉部結構的喉口口徑設置為10mm至30mm。

在本實用新型的較佳實施例中，所述腔體一側還開設有點火器連接口用于外接點火器。

在本實用新型的較佳實施例中，所述燃燒腔體接設所述燃油噴嘴的一側挖設有圓環形側壁，所述進氣口開設在所述圓環形側壁上。

在本實用新型的較佳實施例中，所述中間墊板設置為碳紙墊片或銅墊片。

本實用新型產生的有益效果在于：本實用新型中的微通道再生冷卻的微型燃燒室,通過設置燃燒腔體及依次層疊設置在燃燒腔體上下兩側的中間墊板、微通道板和頂蓋板，使燃燒腔體與中間墊板和微通道板形成密閉的燃燒腔，冷卻工質依次流經微通道板后再經燃油霧化噴嘴噴入燃燒腔體內，而后與通過進氣口射入的空氣摻混后點火后燃燒，與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：

1)燃燒室通過設置微通道板，燃油先流經燃燒室壁面微通道結構，對燃燒室壁面進行冷卻，利用微通道良好的換熱能力，大大降低燃燒室壁面溫度和溫度梯度，改善了其壁面均溫性，減少熱應力，實現燃燒室的有效熱防護；

2)燃油經微通道板換熱，起到預熱的作用，再經燃油霧化噴嘴噴入燃燒室內燃燒，預熱后的燃油發生裂解，具有更好的點火性能及較高的熄火極限，燃燒更充分，從而顯著提高了燃燒效率；

3)利用微通道表面積大、微尺度效應強化換熱的優點，可以獲得相比傳統通道高幾倍～十幾倍的換熱效果，而且可以減小壁面厚度，減輕燃燒室重量。

附圖說明

圖1為本實用新型的微通道再生冷卻的微型燃燒室中各零件裝配位置示意圖；

圖2為本實用新型的微通道再生冷卻的微型燃燒室中燃油冷卻及燃燒油路示意圖；

圖3是圖2的A-A剖視圖，燃燒腔腔體輪廓示意圖；

圖4是圖3的C-C剖視圖，微通道位置及其截面示意圖；

圖5為本實用新型的微通道再生冷卻的微型燃燒室中熱交換微通道板的結構示意圖；

圖6是圖2的B-B剖視圖，微通道再生冷卻的微型燃燒室中助燃空氣流路示意圖。

具體實施方式

參見圖1和圖2，一種微通道再生冷卻的微型燃燒室，如圖1所示，其由燃燒腔體(1)及其上、下兩側的中間墊板(6，7)、微通道板(4，5)、頂蓋板(2，3)通過層疊組合而成，燃燒腔體(1)、中間墊板(6，7)、微通道板(4，5)形成密閉的燃燒腔，燃燒腔體(1)前端設有一燃油噴嘴(8)，后端為尾氣排放口(11)，一側壁面設有進氣口(12)，另一側設有點火器(9)的連接口(13)；頂蓋板(2，3)上前后端分別設有燃油進口(21，31)和出口(22、32)；微通道板(4，5)包含10-20道平行排布、等間距的微通道(41)。裝配時，依次將頂蓋板(2)、微通道板(4)、中間墊板(6)、燃燒腔體(1)層疊組合，在燃燒室另一側也按照同樣次序(頂蓋板(3)、微通道板(5)、中間墊板(7))疊放組合，然后用螺栓鎖緊，在其預緊力作用下形成具有壁面微通道冷卻結構的密閉的燃燒腔。頂蓋板(2，3)、微通道板(4，5)、燃燒腔體(1)為不銹鋼、高溫合金或碳化硅材料中的一種所制，優選為不銹鋼材料，中間墊板為碳紙墊片或銅密封墊片，優選為碳紙密封墊片，上述燃燒腔體(1)、頂蓋板(2，3)、微通道板(4，5)、中間墊板(6，7)均采用機械加工成型。

如圖2所示，燃燒室工作時，燃油經頂蓋板燃油進口(21，31)進入微通道板(4，5)，流經微通道板(4，5)上設置的平行排布、等間距的微通道結構(41)，通過微通道結構(41)換熱后經頂蓋板燃油出口(22，32)流出，然后通過燃燒腔體前端設置的燃油噴嘴(8)噴入燃燒腔，在噴入過程中進行霧化，與經燃燒腔體側壁面進氣口(12)流入的氣體摻混，經點火系統釋放的高能火花引燃后穩定燃燒。由于燃油同時用做冷卻劑，利用微通道內燃油換熱吸收燃燒室釋放的熱量，加熱到一定溫度，從而裂解成小分子易燃物質，進入燃燒室進一步燃燒，將吸收的熱量又釋放到燃燒室，在提高燃燒效率的同時實現燃燒室壁面的冷卻降溫，從而實現再生冷卻。

如圖3所示，燃燒腔體的內腔為沙漏形狀，中部具有一狹窄喉口(102)，從而形成擴張-收斂—擴張的腔體結構。喉部結構(102)具有很好的加速燃氣作用，前端一級燃燒腔(101)寬度尺寸為60-100mm，本實施例優選80mm；長度尺寸為70-150mm，本實施例優選為100mm；中間喉部結構(102)的喉口寬度尺寸為10-30mm，本實施例優選為20mm；后端噴管(103)為半橢圓形狀，橢圓長半軸尺寸為60-140mm，本實施例優選為90mm；短半軸尺寸為30-50mm，本實施例優選為40mm。

如圖4、5所示，燃燒室微通道板(6，7)布置在燃燒腔體(1)上下兩側，其包含10-20道平行排布、等間距的微通道(41)，微通道(41)的截面形狀為矩形、三角形、梯形截面，其水力直徑為0.3-1mm，相鄰微通道中心間距為1-2mm。本實施例微通道優選為矩形截面，通道寬度0.6mm，通道深度1mm，通道間距1.1mm。利用微通道結構(41)表面積大、微尺度效應強化換熱的優點，提高燃油的換熱效果，降低燃燒室壁面溫度及溫度梯度，進而解決熱應力過大問題，實現了燃燒室的有效熱防護。

如圖6所示，空氣通過燃燒腔體進氣口(12)進入燃燒腔，且燃燒腔體進氣口(12)設置燃燒腔體圓柱壁面的切向入口處。由于圓柱壁面的影響，形成漩渦流，相比軸向進氣方式，該進氣方式有利于入射空氣與霧化燃油的摻混，具備較好的點火性能和穩焰效果，提高了吹熄極限。

綜上所述，本實用新型中的微通道再生冷卻的微型燃燒室,通過設置燃燒腔體1及依次層疊設置在燃燒腔體1上下兩側的中間墊板(6，7)、微通道板(4，5)和頂蓋板(2，3)，使燃燒腔體(1)與中間墊板(6，7)和微通道板(4，5)形成密閉的燃燒腔，冷卻工質依次流經微通道板(41)后再經燃油噴嘴(8)噴入燃燒腔體(1)內，而后與通過進氣口射入的空氣摻混后點火后燃燒。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：1)燃燒室通過設置微通道板(4，5)，燃油先流經燃燒室壁面微通道結構(41)，對燃燒室壁面進行冷卻，利用微通道良好的換熱能力，大大降低燃燒室壁面的溫度，改善了其壁面均溫性，減少熱應力，實現燃燒室的有效熱防護；2)燃油經微通道板(4，5)換熱，起到預熱的作用，再經燃油霧化噴嘴噴入燃燒室內燃燒，預熱后的燃油發生裂解，具有更好的點火性能及較高的熄火極限，燃燒更充分，從而顯著提高了燃燒效率；3)利用微通道表面積大、微尺度效應強化換熱的優點，可以獲得相比傳統通道高幾倍～十幾倍的換熱效果，而且可以減小壁面厚度，減輕燃燒室重量。

上述僅為本實用新型的一個具體實施例，但本實用新型的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本實用新型進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本實用新型保護范圍的行為。