CN106968834B - 一种超声速爆震发动机及其推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推进系统，包括进气道和燃烧室，所述燃烧室内设有斜坡部分，所述斜坡部分上设有供热射流喷出后辅助起爆来流的热射流喷口。本发明所提供的推进系统，通过在所述斜坡部分设置所述热射流喷口，在所述来流流动至所述燃烧室中，即将进入所述斜坡发生爆震时，通过所述热射流喷口射出热射流，辅助所述来流起爆，该发动机采用爆震燃烧，提高了燃烧效率，并利用热射流起爆来流预混气体，避免了当来流的流速较低时，斜坡无法起爆来流预混气体的现象，提高了斜爆震发动机使用的工作范围。本发明还公开了一种包括上述推进系统的超声速爆震发动机。

Description

一种超声速爆震发动机及其推进系统

技术领域

本发明涉及爆震发动机设备领域，特别是涉及一种推进系统。此外，本发明还涉及一种包括上述推进系统的超声速爆震发动机。

背景技术

随着高超声速飞行器的发展，推进系统的效率成为了制约发动机推力进一步提高的瓶颈之一，而爆震燃烧热力循环效率高、热释放快，基于爆震燃烧的超声速推进系统布局紧凑，结构简单，因此，爆震基发动机可作为高超声速推进系统的潜在方案。

现有技术中，在高超声速条件下，爆震燃烧室通过斜坡诱导爆震的方式组织燃烧，一体化的超声速爆震发动机中，燃料在前体喷入，燃烧和来流迅速混合，在前体处斜坡诱导产生斜爆震波，通过爆震波的预混气体迅速地在燃烧室发生燃烧，之后通过扩张段膨胀产生推力。

然而，现有技术中，爆震燃烧室通过较小的固定角度的斜坡就能够诱导爆震燃烧，但固定角度的斜坡起爆的来流速度需要满足一定的范围，导致发动机使用的工作范围受限，当来流的流速较低时，容易出现斜坡无法起爆来流气体的问题。

同时，现有技术中的推进系统，燃烧室和扩张喷管单独设置，由于燃烧室需要混合燃料，因此，燃烧室的长度一般都较长，导致整个推进系统的体积较大，发动机的结构复杂。

因此，如何提高推进系统的使用范围，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种推进系统，该超声速爆震发动机利用热射流进行起爆来流预混气体，避免了较低速度时斜坡无法起爆来流预混气体，提高了斜爆震发动机的工作范围。本发明的另一目的是提供一种包括上述推进系统的超声速爆震发动机。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种推进系统，包括进气道和燃烧室，所述燃烧室内设有斜坡部分，所述斜坡部分上设有供热射流喷出后辅助起爆来流的热射流喷口。

优选的，所述热射流喷口背离所述斜坡部分，并向靠近所述进气道的方向倾斜。

优选的，所述热射流喷口上连接有热射流输送管道。

优选的，还包括与所述热射流喷口连接的控制器，所述控制器用于：

获取所述来流的流速；

根据所述来流的流速计算热射流的最佳喷射强度；

调节所述热射流喷口中喷出的热射流强度至所述最佳喷射强度。

优选的，在所述步骤“根据所述来流的流速计算热射流的最佳喷射强度”之前，所述控制器还用于：

根据获取的所述来流的流速，判断是否需要开启所述热射流喷口，如果是，则开启所述热射流喷口。

优选的，所述燃烧室远离所述进气道的一端设有扩张喷管，并且所述燃烧室与所述扩张喷管为一体化燃烧室扩张喷管。

优选的，所述进气道与所述燃烧室之间通过隔离部分连通。

优选的，所述进气道的前端设有前体燃料喷注口，所述前体燃料喷注口用于向所述进气道中喷入燃料以形成预混燃料。

本发明还提供一种超声速爆震发动机，包括上述任意一项所述的推进系统。

本发明所提供的推进系统，包括进气道和燃烧室，所述燃烧室内设有斜坡部分，所述斜坡部分上设有供热射流喷出后辅助起爆来流的热射流喷口。该推进系统，通过在所述斜坡部分设置所述热射流喷口，在所述来流流动至所述燃烧室中，即将进入所述斜坡发生爆震时，通过所述热射流喷口射出热射流，辅助所述来流起爆，该发动机采用爆震燃烧，提高了燃烧效率，并利用热射流起爆来流预混气体，避免了当来流的流速较低时，斜坡无法起爆来流预混气体的现象，提高了斜爆震发动机使用的工作范围。

本发明所提供的超声速爆震发动机设有上述推进系统，由于所述推进系统具有上述技术效果，因此，设有该推进系统的超声速爆震发动机也应当具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的推进系统增强时一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供的推进系统未增强时一种具体实施方式的结构示意图；

其中：1-前体燃料喷注口、2-预混燃料、3-进气道入口、4-斜坡部分、5-斜爆震波、6-热射流喷口、A-进气道、B-隔离段、C-一体化燃烧室扩张喷管。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种推进系统，该推进系统利用热射流进行起爆来流预混气体，避免了较低来流速度时斜坡无法起爆来流预混气体，提高了斜爆震发动机使用工作的范围。本发明的另一核心是提供一种包括上述推进系统的超声速爆震发动机。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1和图2，图1为本发明所提供的推进系统增强时一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的推进系统未增强时一种具体实施方式的结构示意图。

在该实施方式中，推进系统包括进气道A和燃烧室，燃烧室内设有斜坡部分4，斜坡部分4上设有供热射流喷出后辅助起爆来流的热射流喷口6。

该推进系统在斜坡的基础上，通过热射流增强起爆，设计状态为高超声速状态，燃烧室中的来流速度大于斜爆震燃烧波的火焰前传速度，斜坡无法诱导斜爆震波5时通过喷入热射流诱导形成斜爆震燃烧波，来流速度增加时，减小热射流强度，当来流到达一定速度时，热射流关闭，通过斜坡直接诱导形成斜爆震燃烧波，如图2所示。

进一步，热射流喷口6背离斜坡部分4，并向靠近进气道A的方向倾斜，即热射流的喷射角度与来流相背，辅助填补斜坡角度太小造成的无法起爆现象。

具体的，热射流喷口6的开设角度可以为垂直于斜坡部分4的坡面，当然也可以为其他角度，具体应当根据实验结果选择最佳喷射角度。

该推进系统，通过在斜坡部分4设置热射流喷口6，在来流流动至燃烧室中，即将进入斜坡发生爆震时，通过热射流喷口6射出热射流，辅助来流起爆，该发动机采用爆震燃烧，提高了燃烧效率，并利用热射流起爆来流预混气体，避免了当来流的流速较低时，斜坡无法起爆来流预混气体的现象，提高了斜爆震发动机使用的工作范围。

具体的，热射流喷口6上连接有热射流输送管道，热射流通过热射流输送管道输送至热射流喷口6处，具体的，对于热射流的开启或关闭，以及对热射流强度的调整，均可以通过安装在热射流输送管道上的阀门进行控制。

在上述各实施方式的基础上，该推进系统还包括与热射流喷口6连接的控制器，控制器用于：

获取来流的流速；

根据来流的流速计算热射流的最佳喷射强度，具体的，上述热射流的最佳喷射强度的确定原则为，使来流点燃后形成的斜爆震波5作用在扩张喷管的壁面上，具体可以通过多次试验总结出来流流速与热射流的最佳喷射强度之间的关系，并以此作为控制器的数据参考依据；

调节热射流喷口6中喷出的热射流强度至最佳喷射强度。

进一步在步骤“根据来流的流速计算热射流的最佳喷射强度”之前，控制器还用于：

根据获取的来流的流速，判断是否需要开启热射流喷口6，如果是，则开启热射流喷口6。

上述控制器的设置，既可以控制热射流的开启和关闭，还可以根据来流的流速将热射流的强度调整为最佳值，保证发动机的工作稳定性。

在上述各实施方式的基础上，燃烧室远离进气道A的一端设有扩张喷管，并且燃烧室与扩张喷管为一体结构，燃烧室和扩张喷管共同构成一体化燃烧室扩张喷管C，将斜爆震燃烧室和推力扩张喷管组合到一块，可以有效减小斜爆震波5与扩张喷管壁面之间的反射角度。

在上述各实施方式的基础上，进气道A与燃烧室之间通过隔离部分B连通，隔离部分B构成了该推进系统的隔离段，隔离段位于进气道A和一体化燃烧室扩张喷管C之间，隔离部分B除了具备隔离进气道A和燃烧室间的相互干扰的作用外，燃料能够在隔离段的相对较长的距离内进一步混合，在隔离段的出口，即燃烧室的入口，形成完全充分混合的均匀预混可燃气体。

在上述各实施方式的基础上，进气道A的前端设有前体燃料喷注口1，前体燃料喷注口1用于向进气道A中喷入燃料以形成预混燃料2。具体的，进气道A具有燃料掺混的功能，在进气道A的前体位置设有前体燃料喷注口1，喷的是氢气燃料，喷入的燃料具有一定穿透深度，进气道A前体的距离长，到隔离段时燃料基本混合均匀，并且燃料恰好能够完全进入进气道入口3，不会从下面的唇口，即进气道入口3溢出。

该推进系统中，由于在进气道A的前端设有前体燃料喷注口1，并且在进气道A和燃烧室之间设置隔离段B，因此，燃料可以在进气道A的前体部分以及隔离段进行混合，到达燃烧室时，已经混合均匀，燃烧室的长度可以尽可能的缩短，进而与扩张喷管形成一体结构，这里所指的一体化燃烧室扩张喷管C是指在扩张喷管的一端设置长度足以形成斜爆震波的长度即可，使得一体化燃烧室扩张喷管C的总长度相对于现有技术中的燃烧室和扩张喷管的长度明显降低，使得发动机的长度降低，简化了结构，节约制作成本，重量降低，还可以降低发动机的运输成本。

本实施例所提供的热射流增强点火的推进系统，在高超声速飞行条件下，进气道A前体喷入燃料，充分混合的燃料在通过短暂的隔离段后以超声速进入燃烧室，当来流速度无法通过斜坡起爆时，通过在燃烧室斜壁面再喷入一股热射流，增强对来流的阻塞，从而诱导来流形成斜爆震波5，使燃料迅速燃烧释热，斜爆震波5后的燃烧产物迅速膨胀，产生推力。

具体的，该带斜坡、带热射流喷口6的一体化燃烧室扩张喷管C，是该推进系统最大的特点之一，斜坡起到高速时直接诱导斜爆震燃烧波的功能，热射流喷口6起到辅助起爆的功能。

对于一定角度的斜坡，存在最小的来流速度的最大的来流速度诱导斜爆震燃烧。较小角度的斜坡能够在较大来流速度时诱导斜爆震燃烧，且气动热效应小，但这使得起爆的速度下限也提高。在隔离段末尾，燃烧室之前，燃料充分混合，速度大于斜爆震燃烧波的前传速度，这时，斜坡的角度较小，来流无法通过斜坡诱导斜爆震波5，一股小孔径的热射流从燃烧室斜坡喷出，诱导超声速来流形成弓形激波，类似气动斜坡的作用，从而使得来流可燃气能够诱导形成斜爆震波5。斜爆震波5面处，燃料迅速燃烧变成燃烧产物并且释放大量的热量，爆震波后的高温燃烧产物在喷管发生膨胀，速度增加，使得推进系统产生推力。如图1所示，斜坡上喷入热射流，来流先在斜坡产生斜激波，碰到热射流阻滞后诱导形成斜爆震波5。当来流速度进一步增加时，射流强度减小，气动斜坡的阻滞效果减弱，来流能够直接通过斜坡诱导斜爆震燃烧。如图2所示虚线圈中所示，射流关闭，斜坡直接诱导形成斜爆震波5。

该推进系统通过灵活控制斜坡上的热射流的强度和开启关闭，结合热射流和斜坡来控制，从而形成强度合适的斜爆震燃烧波，使得斜爆震波5正好打在一体化的斜爆震燃烧室和喷管壁面上，工作稳定，热效率高，有效提高发动机的工作范围。

除了上述推进系统以外，本发明还提供了一种包括上述推进系统的超声速爆震发动机，该超声速爆震发动机的其他各部分结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的推进系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种推进系统，其特征在于，包括进气道(A)和燃烧室，所述燃烧室内设有斜坡部分(4)，所述斜坡部分(4)上设有供热射流喷出后辅助起爆来流的热射流喷口(6)，所述热射流喷口(6)背离所述斜坡部分(4)并向靠近所述进气道(A)的方向倾斜，所述热射流喷口(6)上连接有热射流输送管道；

还包括与所述热射流喷口(6)连接的控制器，所述控制器用于：

获取所述来流的流速；

根据获取的所述来流的流速，判断是否需要开启所述热射流喷口(6)，如果是，则开启所述热射流喷口(6)；

根据所述来流的流速计算热射流的最佳喷射强度；

调节所述热射流喷口(6)中喷出的热射流强度至所述最佳喷射强度。

2.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述燃烧室远离所述进气道(A)的一端设有扩张喷管，并且所述燃烧室与所述扩张喷管形成一体化燃烧室扩张喷管(C)。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的推进系统，其特征在于，所述进气道(A)与所述燃烧室之间通过隔离部分(B)连通。

4.根据权利要求1至2任意一项所述的推进系统，其特征在于，所述进气道(A)的前端设有前体燃料喷注口(1)，所述前体燃料喷注口(1)用于向所述进气道(A)中喷入燃料以形成预混燃料(2)。

5.一种超声速爆震发动机，包括推进系统，其特征在于，所述推进系统为权利要求1至4任意一项所述的推进系统。