本发明提供一种燃烧室壁面的复合热防护结构，包括了被动热防护和主动热防护，被动热防护包括隔热层和柔性耐烧蚀防护层；主动热防护通过使燃油经燃烧室进入分布在柔性耐烧蚀防护层内的冷却通道轴向流动，通过对流换热吸收热量后再次进入燃烧室参与燃烧，利用了燃油吸热进行冷却，又能够帮助燃油升温从而有利于点火启动、组织燃烧，提高燃烧效率。发散孔呈倾斜角贯穿被动热防护材料，既可以帮助柔性耐烧蚀防护层的材料受热裂解后的小分子气体溢出，又可以防止燃气倒灌、达到气膜出流贴壁效果。本发明能够改善燃烧室的热防护性能，提高了燃烧室的可靠性，有助于增加燃烧室的使用寿命。本发明同时提供具有该复合热防护结构的旋转爆震发动机。
1.一种燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于，该结构实施在燃烧室外壁(2)内部，按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层(12)，隔热层(9)和高发射率涂层(8)；
柔性耐烧蚀防护层(12)内部沿着燃烧室轴向布置流通通道(11)；在隔热层(9)上布置多个发散孔(10)；该发散孔向内延伸贯穿高发射率涂层(8)并与燃烧室内部连通；燃烧室的横截面为圆形，发散孔(10)延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角；
柔性耐烧蚀防护层(12)从隔热层(9)吸收热量后，一部分热量被低温煤油经矩形流通通道(11)带走，另一部分热量通过柔性耐烧蚀防护层(12)在高温下裂解产生的小分子气体带走，这部分气体通过发散孔(10)经隔热层(9)和发射率涂层(8)溢出。
2.根据权利要求1所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：还包括位于燃烧室外壁上并与燃烧室内直接连通的喷油孔(5)；该喷油孔(5)的外侧通过油管(14)与流通通道(11)连通。
3.根据权利要求2所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：还包括同样与流通通道(11)连通的油箱，油箱中的发动机燃油自流通通道进入油管后自喷油孔喷入燃烧室内。
4.根据权利要求1或2或3所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：高发射率涂层(8)发射率为0 .8～0 .95。
5.根据权利要求1所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：发散孔(10)直径在0 .5～1 .0mm之间，发散孔(10)延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角为20 °～
40°，发散孔(10)轴向排列间距与周向排列间距比为1 .5～3 .5。
6.根据权利要求5所述的燃烧室壁面的复合热防护结构，其特征在于：柔性耐烧蚀防护层(12)选用材料为耐烧蚀硅橡胶、多向编织C-C复合材料、硅基复合材料中的一种；隔热层(9)的材料为有机硅和陶瓷材料；流通通道(11)的截面形状为正方形、长方形、圆形中的一种或几种；通道流通截面宽度与耐温橡胶截面宽度的比值为0 .5～2。
7.一种旋转爆震发动机，包括燃烧室，该燃烧室的横截面为环形，且燃烧室具有圆柱形的外壁及圆柱形的内壁；外壁及内壁之间形成燃烧室内部；外壁上设有与燃烧室内部直接连通的喷油孔(5)；其特征在于，所述燃烧室外壁内侧设置复合热防护结构；该复合热防护结构按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层(12)、隔热层(9)和高发射率涂层(8)；柔性耐烧蚀防护层(12)贴靠于外壁内表面；柔性耐烧蚀防护层(12)内部沿着燃烧室轴向布置流通通道(11)；在隔热层(9)上布置多个发散孔(10)；该发散孔向内延伸贯穿高发射率涂层(8)并与燃烧室内部连通；外壁上还设有与流通通道(11)连通的油箱及油管(14) ，喷油孔(5)的外侧通过油管(14)与流通通道(11)连通；油箱中的发动机燃油自流通通道进入油管后自喷油孔喷入燃烧室内；
柔性耐烧蚀防护层(12)从隔热层(9)吸收热量后，一部分热量被低温煤油经矩形流通通道(11)带走，另一部分热量通过柔性耐烧蚀防护层(12)在高温下裂解产生的小分子气体带走，这部分气体通过发散孔(10)经隔热层(9)和发射率涂层(8)溢出。
8.根据权利要求7所述的旋转爆震发动机，其特征在于：高发射率涂层(8)发射率为0 .8～0 .95。
一种燃烧室壁面的复合热防护结构及旋转爆震发动机
技术领域
[0001] 本发明属于航空发动机冷却结构设计与热防护技术领域。
[0002] 本发明还属于航空发动机结构设计的技术领域。
背景技术
[0003] 旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine,RDE)是一种基于爆震燃烧机理的新型发动机，通常采用一端封闭一端开口的圆环形燃烧室，推进剂从燃烧室的封闭端喷入，燃烧产物从另一端排出。工作时产生高速旋转的爆震波，从燃烧室头部沿周向旋转传播，随着燃烧产物的高速排出产生推力。相比于传统发动机，具有结构简单、研制成本低、大比冲、高推重比等优点，具有良好的发展前景，也逐渐成为国际和国内研发新型高效航空航天发动机的热点。
[0004] 爆震波在环形燃烧室内进行高速旋转传播时，其速度在1200～2500m/s，燃烧振荡频率达数万赫兹，燃烧室内温度更是高达1500～2500℃，而目前最先进的耐高温复合材料C-C和SiC的最大耐热温度为2200K。随着爆震波的连续高速旋转，爆震产物与燃烧室壁面之间会发生强烈的热交换，使壁面温度急剧上升，壁面热流密度高达0.6MW/m2。由于缺少有效的冷却保护，旋转爆震发动机工作时间往往较短。现有的研究表明，热防护技术已经成为制约旋转爆震发动机发展的关键因素。因此，开展旋转爆震发动机热防护方案的研究是目前亟需进行的工作之一。
[0005] 燃烧室沿轴向的中段和后段平均热流密度最大，是实施热防护的重要部位。现有的热防护技术主要是被动热防护，如耐温橡胶和SiC构建的防护层。但是随着旋转爆震发动机工作时间的延长，被动防护层厚度需要大幅增加，这无疑对燃烧室容积和发动机重量带来影响，也无法保证热防护的实施效果。主动热防护依靠低温流体对燃烧室结构进行冷却，但是冷却剂流量受限，冷却能力也受限。
发明内容
[0006] 发明目的：本发明公开的是一种主被动结合的复合热防护结构，用以提高燃烧室壁面的抗热冲击时间，在不增加热防护层厚度的前提下充分挖掘其冷却潜力，利用有限的燃料作为再生冷却的载体，提高燃料的冷却用效能可以大大提高防护层的使用寿命，延长爆震发动机的安全运行时间。
[0007] 本发明同时提供一种含有复合热防护结构的爆震发动机。
[0008] 技术方案：为达到上述目的，本发明燃烧室壁面的复合热防护结构可采用如下技术方案：
[0009] 一种燃烧室壁面的复合热防护结构，该结构实施在燃烧室外壁内部，按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层，隔热层和高发射率涂层；柔性耐烧蚀防护层内部沿着燃烧室轴向布置流通通道；在隔热层上布置多个发散孔；该发散孔向内延伸贯穿高发射率涂层并与燃烧室内部连通；燃烧室的横截面为圆形，发散孔延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角。
[0010] 有益效果：燃烧室壁面一方面要承受爆震波高温燃气对壁面的高频冲刷，另一方面要承受发光火焰的强烈辐射加热，因此，此区域壁面所受热流密度极高，且具有非定常脉动特性。单纯依靠耐温材料来进行热防护已经远远不能达到要求。为了解决这个难题，采用被动热防护+燃油再生主动冷却复合冷却结构，依靠材料耐烧蚀特性和隔热效果实现对发动机金属壁面的保护，依靠低温煤油在注入燃烧室前先流入分布在燃烧室内壁柔性耐烧蚀防护层内布置的再生流通通道，对高温壁面进行冷却降温。高发射率涂层可以通过高辐射减少通过隔热层达到柔性热耐烧蚀防护层的热量，这部分热量进入柔性耐烧蚀防护层后通过耐烧蚀材料和低温煤油带走。其中耐烧蚀材料达到一定温度后会通过熔融、气化等方式慢慢裂解成小分子气体，这些气体通过隔热层上的离散小孔排出带走热量，并通过倾斜小孔在复合壁表面形成气膜，也可以进一步阻挡高温燃气。低温煤油通过燃油泵的抽吸可以实现其在流通通道内的单向运行，达到最佳的持续冷却效果。这一操作具有双重作用，一方面可以是的低温煤油通过对流换热有效吸收热量，延长耐烧蚀材料的使用时间，另一方面低温煤油吸收热量后自身温度升高，有利于其进入燃烧室内的充分燃烧。
[0011] 综上所述，该发明的优点在于：复合防护结构简单，易于实现燃烧室壁面温度梯度小，壁面温度低；航空煤油重复单向流出，对流换热率高；耐烧蚀材料溢出的气体回到燃烧室内形成隔热气膜；航空煤油执行过冷却任务后温度升高更利于组织燃烧。
[0012] 进一步的，还包括位于燃烧室外壁上并与燃烧室内直接连通的喷油孔；该喷油孔的外侧通过油管与流通通道连通。
[0013] 进一步的，还包括同样与流通通道连通的油箱，油箱中的发动机燃油自流通通道进入油管后自喷油孔喷入燃烧室内。
[0014] 进一步的，高发射率涂层发射率为0.8～0.95。
[0015] 进一步的，柔性耐烧蚀防护层从隔热层吸收热量后，一部分热量被低温煤油经矩形流通通道带走，另一部分热量通过柔性耐烧蚀防护层在高温下裂解产生的小分子气体带走，这部分气体通过发散孔经隔热层和发射率涂层溢出。
[0016] 进一步的，发散孔直径在0.5～1.0mm之间，发散孔延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角为20°～40°，发散孔轴向排列间距与周向排列间距比为1.5～3.5。
[0017] 进一步的，柔性耐烧蚀防护层选用材料为耐烧蚀硅橡胶、多向编织C-C复合材料、硅基复合材料中的一种；隔热层的材料为有机硅和陶瓷材料；流通通道的截面形状为正方形、长方形、圆形中的一种或几种；通道流通截面宽度与耐温橡胶截面宽度的比值为0.5～2。
[0018] 本发明提供的爆震发动机可采用如下技术方案：
[0019] 一种旋转爆震发动机，包括燃烧室，该燃烧室的横截面为环形，且燃烧室具有圆柱形的外壁及圆柱形的内壁；外壁及内壁之间形成燃烧室内部；外壁上设有与燃烧室内部直接连通的喷油孔；其特征在于，所述燃烧室内壁内侧设置复合热防护结构；该复合热防护结构按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层、隔热层和高发射率涂层；柔性耐烧蚀防护层贴靠于外壁内表面；柔性耐烧蚀防护层内部沿着燃烧室轴向布置流通通道；在隔热层上布置多个发散孔；该发散孔向内延伸贯穿高发射率涂层并与燃烧室内部连通；
[0020] 外壁上还设有与流通通道连通的油箱及油管，喷油孔的外侧通过油管与流通通道连通；油箱中的发动机燃油自流通通道进入油管后自喷油孔喷入燃烧室内。
[0021] 进一步的，高发射率涂层发射率为0.8～0.95。柔性耐烧蚀防护层从隔热层吸收热量后，一部分热量被低温煤油经矩形流通通道带走，另一部分热量通过柔性耐烧蚀防护层在高温下裂解产生的小分子气体带走，这部分气体通过发散孔经隔热层和发射率涂层溢出。
[0022] 本发明提供的旋转爆震发动机采用了被动热防护+燃油再生主动冷却复合冷却结构，依靠材料耐烧蚀特性和隔热效果实现对发动机金属壁面的保护，依靠低温煤油在注入燃烧室前先流入分布在燃烧室内壁柔性耐烧蚀防护层内布置的再生流通通道，对高温壁面进行冷却降温。高发射率涂层可以通过高辐射减少通过隔热层达到柔性热耐烧蚀防护层的热量，这部分热量进入柔性耐烧蚀防护层后通过耐烧蚀材料和低温煤油带走。其中耐烧蚀材料达到一定温度后会通过熔融、气化等方式慢慢裂解成小分子气体，这些气体通过隔热层上的离散小孔排出带走热量，并通过倾斜小孔在复合壁表面形成气膜，也可以进一步阻挡高温燃气。低温煤油通过燃油泵的抽吸可以实现其在流通通道内的单向运行，达到最佳的持续冷却效果。这一操作具有双重作用，一方面可以是的低温煤油通过对流换热有效吸收热量，延长耐烧蚀材料的使用时间，另一方面低温煤油吸收热量后自身温度升高，有利于其进入燃烧室内的充分燃烧。
附图说明
[0023] 图1为旋转爆震燃烧室的结构示意图；
[0024] 图2为图1的剖面示意图；
[0025] 图3为燃油再生冷却结构示意图；
[0026] 图4为发散孔的排布示意图；
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和实施例，对本发明的原理、结构和具体实施方式作进一步详细描述。
[0028] 实施例一
[0029] 本实施例提供一种燃烧室壁面的复合热防护结构。
[0030] 图1为典型的旋转爆震燃烧室的结构示意图，包括环形燃烧室4,燃烧室外壁2、燃烧室内壁3。气体燃料经进口1进入，与通过进油孔5的燃油混合，经点火产生爆震波，爆震波在沿轴向高速旋转传播时，其速度在1200～2500m/s，燃烧室4内温度在1500℃～2500℃之间，远高于燃烧室壁面的正常工作温度，因此需要实施有效的热防护。本发明是复合热防护方式，将低温燃油再生冷却+被动热防护有机结合。空气经进口1吸入，与喷油孔5喷入的燃油混合后在燃烧室内组织燃烧，产生旋转爆震波沿环形燃烧室沿轴向运动，经喷管7排出。
[0031] 图2所示为本发明的A-A剖面视图，图3为燃油再生冷却结构示意图，图4为发散孔排布示意图。
[0032] 在该符合热防护结构设计中，按照由外向内的顺序依次布置柔性耐烧蚀防护层12、隔热层9和高发射率涂层8。柔性耐烧蚀防护层12贴靠于外壁2内表面。柔性耐烧蚀防护层12内部沿着燃烧室轴向布置流通通道11。通道11宽度与橡胶成宽度比0.5为～2。发散孔
10以20°～40°倾斜角贯穿隔热材料9。
[0033] 整体结构上沿着燃烧室壁面由外而内的结构是由被动热防护和主动热防护构建的复合结构。主动热防护部分由燃油承担，从油箱13出来后沿着流通通道11流动，通过对流换热方式冷却柔性耐烧蚀防护层12；燃油吸收热量后从油管14回流进入喷油孔5，实现重复利用；柔性耐烧蚀防护层12从隔热层9吸收热量，一部分热量被燃油带走，自身被加热后达到一定能温度逐渐熔融、气化，此部分气体将沿着发散孔10倾斜流出。发散孔10为斜孔(燃烧室的横截面为圆形，发散孔延伸方向相对该圆形的半径线形成锐角的夹角)，发散孔与圆形的半径线的夹角α为20°～40°，相较直孔而言，一方面可以使溢出气在孔内流动路径变长，增加空气流动时间，有利于对流换热；另一方面，斜出流可以防止燃气的倒灌而且可以达到更好的气膜贴壁效果；隔热层9通过其低热导率成为保护燃烧室壁面的第一道有力屏障，其上的高发射率涂层8又进一步减少了通过隔热层9的热量。
[0034] 图4为发散孔的排布示意图，发散孔呈现长菱形分布，轴向排列间距与周向排列间距比为1.5～3.5；发散孔孔内截面形状为圆形，孔径在0.5～1.0mm之间，孔倾角为20°～40°。
[0035] 实施例二
[0036] 本实施例提供一种旋转爆震发动机。
[0037] 该旋转爆震发动机，包括如图1、2中的燃烧室4。该燃烧室4的横截面为环形，且燃烧室具有圆柱形的外壁3及圆柱形的内壁2。外壁3及内壁2之间形成燃烧室内部。外壁3上设有与燃烧室内部直接连通的喷油孔5。
[0038] 该旋转爆震发动机具有如实施例一种的复合热防护结构。同时，外壁3上还设有与流通通道连通的油箱13及油管14。喷油孔5的外侧通过油管14与流通通道11连通。油箱13中的发动机燃油自流通通道11进入油管14后自喷油孔5喷入燃烧室内。高发射率涂层发射率为0.8～0.95。柔性耐烧蚀防护层从隔热层吸收热量后，一部分热量被低温煤油经矩形流通通道带走，另一部分热量通过柔性耐烧蚀防护层在高温下裂解产生的小分子气体带走，这部分气体通过发散孔经隔热层和发射率涂层溢出。
[0039] 本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。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的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。。
