一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室制造技术

本发明专利技术公开了一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室，包括内筒和外筒，内筒为高温陶瓷基复合材料制成，外筒为梯度C/C复合材料制成；外筒的外部对称套装有两个钛铝合金冷却结构，每个钛铝合金冷却结构包括半圆环形的冷却筒体，冷却筒体的筒壁上、关于冷却筒体轴心环绕布置若干条冷却通道，每条冷却通道的延伸方向与冷却筒体的轴线方向相同，在冷却筒体的两端均设置有一集液腔，每个集液腔均与各个冷却通道位于同侧的端部连通；每个集液腔均连通设置有一个接管口；其中一个接管口，用于导入冷却剂、并填充于与其连通的集液腔；各个冷却通道，用于供冷却剂流过并吸热、最后到达另一个集液腔；另一个接管口，用于供冷却剂流出。却剂流出。却剂流出。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室


[0001]本专利技术属于超燃冲压发动机或组合动力发动机热防护
，具体涉及一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室。

技术介绍

[0002]火箭基冲压组合循环(RBCC)发动机是一种结合了火箭发动机和冲压发动机的新型组合动力形式，因此RBCC发动机融合了火箭发动机的高推重比和冲压发动机的高比冲优势，进而使飞行器能够实现从零速起飞到高马赫数飞行的宽域速度调节，极大地提升了任务适应性，在未来的近地空天运输中具有巨大的发展潜力。
[0003]RBCC发动机共分为四种模态：引射模态、亚燃冲压模态、超燃冲压模态和火箭模态，其中在前三个模态时吸气式发动机工作，而由于发动机的工作速域范围广，吸气时状态下飞行最高马赫数可以超过Ma7，此时来流总温可以超高2000K；在冲压发动机燃烧室中，燃料与获得减速增压的来流空气进入燃烧室后混合和燃烧，将燃料的化学能转化做功，当前冲压发动机燃烧室高温燃气的温度可以达到2900K左右。由此可知RBCC发动机工作时需要同时面对来自高温来流和高温燃气的双重热载荷，其对发动机的热防护技术提出很高的要求。
[0004]目前在发动机中使用的热防护技术可以分成被动热防护和主动热防护。在被动热防护中，现有的材料无法直接在如此高的热环境下长时间多次使用，而隔热层烧蚀冷却技术由于烧蚀层厚度的限制同样只适用于短时单次防热。在主动热防护中，气膜冷却所使用的来流空气由于本身的高温无法进一步提高热防护能力，而使用发动机燃料作为冷却剂的液膜冷却、发汗冷却和再生冷却由于受到发动机燃烧当量比的限制其可用于冷却的总热沉有限，同时主动冷却系统会增加发动机干重，影响飞行器的总体性能。因此，燃烧室热防护技术成为RBCC发动机的关键技术之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室，以解决现有RBCC冲压发动机燃烧室壁面材料耐温有限、冷却剂热沉不足和使用主动冷却系统的发动机结构质量大的问题。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室，包括内外同轴套装的内筒和外筒，内筒为高温陶瓷基复合材料制成，外筒为梯度C/C复合材料制成；外筒的外部对称套装有两个钛铝合金冷却结构，每个钛铝合金冷却结构包括半圆环形的冷却筒体，冷却筒体的筒壁上、关于冷却筒体轴心环绕布置若干条冷却通道，每条冷却通道的延伸方向与冷却筒体的轴线方向相同，在冷却筒体的两端均设置有一集液腔，每个集液腔均与各个冷却通道位于同侧的端部连通；每个集液腔均连通设置有一个接管口；
[0007]其中一个接管口，用于导入冷却剂、并填充于与其连通的集液腔；各个冷却通道，
用于供冷却剂流过并吸热、最后到达另一个集液腔；另一个接管口，用于供冷却剂流出。
[0008]进一步的，两个钛铝合金冷却结构的两侧通过侧边法兰可拆卸连接。
[0009]进一步的，外筒、内筒及两个钛铝合金冷却结构的两端均连接有圆法兰。
[0010]进一步的，每个冷却通道的横截面为矩形。
[0011]本专利技术的有益效果是：
[0012](1)使用高温陶瓷基复合材料作为高温燃气场热壁面材料，提高发动机燃烧室的最高许用温度；
[0013](2)使用密度更低的钛铝合金作为再生冷却结构材料，保证耐温的同时降低发动机结构质量；
[0014](3)使用梯度C/C复合材料连接高温陶瓷基复合材料和钛铝合金再生冷却结构，解决在高温条件下两者由热膨胀系数差异导致的热匹配问题，同时阻隔热量传递；
[0015](4)使用两个钛铝合金再生冷却结构对应两组集液腔与接管口，使冷却剂在冷却通道中的流量分配更均匀，使整个发动机结构均匀冷却，降低结构热应力，提高冷却剂的冷却效率；
[0016](5)通过多层材料结构降低在冷却通道处的热流密度，降低冷却剂的热沉使用，进一步节约冷却剂的使用。
附图说明
[0017]图1为本专利技术一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室的立体结构示意图；
[0018]图2为图1沿平行空气来流方向剖面示意图；
[0019]图3为图1中间沿垂直空气来流方向剖面示意图；
[0020]图4为是图2中A处的放大示意图；
[0021]图5是图3中B处的放大示意图。
[0022]其中，1.冷却通道；2.集液腔；3.接管口；4.圆法兰；5.侧边法兰；6.内筒；7.外筒；8.冷却筒体。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0024]本专利技术提供了一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室，如图1至图5所示，包括内外同轴套装的外筒7和内筒6，该内筒6为高温陶瓷基复合材料制成，该外筒7为梯度C/C复合材料制成。梯度C/C复合材料是指具有沿一定方向导热系数梯度变化特性的复合材料，其在靠近高温陶瓷基复合材料一侧导热系数较小，而在靠近金属一侧导热系数较大，由此均衡两侧材料的导热系数差异以解决高温热匹配问题。
[0025]该外筒7的外部对称套装有两个钛铝合金冷却结构，每个钛铝合金冷却结构包括半圆环形的冷却筒体8，该冷却筒体8的筒壁上、关于冷却筒体8轴心环绕布置若干条冷却通道1，每条该冷却通道1的延伸方向与该冷却筒体8的轴线方向相同，在该冷却筒体8的两端均设置有一集液腔2，每个该集液腔2均与各个该冷却通道1位于同侧的端部连通；每个该集液腔2均连通设置有一个接管口3。其中一个该接管口3，用于导入冷却剂、并填充于与其连
通的集液腔2；各个该冷却通道1，用于供冷却剂流过并吸热、最后到达另一个该集液腔2；另一个该接管口3，用于供该冷却剂流出。
[0026]冷却通道8的两端分别连通至两端的集液腔2，每个集液腔2设有一个接管口3。使用两个钛铝合金再生冷却结构对应两组集液腔与接管口，使冷却剂在冷却通道中的流量分配更均匀，使整个发动机结构均匀冷却，降低结构热应力，提高冷却剂的冷却效率。
[0027]本专利技术使用高温陶瓷基复合材料制成的内筒6作为与高温燃气场直接接触的结构，在内筒6外包裹由梯度C/C复合材料制成的外筒7作为高温热匹配过渡层，最外层为两个沿流场对称安装的钛铝合金冷却结构。使用高温陶瓷基复合材料作为高温燃气场热壁面材料，可以提高发动机燃烧室的最高许用温度；使用密度更低的钛铝合金作为再生冷却结构材料，可以再保证耐温的同时降低发动机结构质量。本专利技术使用梯度C/C复合材料连接高温陶瓷基复合材料和钛铝合金再生冷却结构，解决了在高温条件下两者由热膨胀系数差异导致的热匹配问题，同时阻隔热量传递。
[0028]在一些实施例中，两个该钛铝合金冷却结构的两侧通过侧边法兰5可拆卸连接。在连接的同时施加预紧力固定住内部的内筒6和外筒7，于此形成一个整体多层再生冷却换热结构。便于安装拆卸的同时保证多层材料的紧密接触，通过预紧来抵消高温时内外层材料的热膨胀变形量差异。
[0029]在一些实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于耐高温复合材料的轻质主被动复合冷却燃烧室，其特征在于，包括内外同轴套装的内筒(6)和外筒(7)，所述内筒(6)为高温陶瓷基复合材料制成，所述外筒(7)为梯度C/C复合材料制成；所述外筒(7)的外部对称套装有两个钛铝合金冷却结构，每个钛铝合金冷却结构包括半圆环形的冷却筒体(8)，所述冷却筒体(8)的筒壁上、关于冷却筒体(8)轴心环绕布置若干条冷却通道(1)，每条所述冷却通道(1)的延伸方向与所述冷却筒体(8)的轴线方向相同，在所述冷却筒体(8)的两端均设置有一集液腔(2)，每个所述集液腔(2)均与各个所述冷却通道(1)位于同侧的端部连通；每个所述集液腔(2)均连通设置有一个接管口(3)；其中一个所述接管口...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦飞，辛月鹏，景婷婷，赵征，孙星，何国强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：